JP2007146151A - プリプレグ基材、積層基材、繊維強化プラスチック - Google Patents

Abstract

【課題】良好な流動性、複雑形状追従性を有し、繊維強化プラスチックとした場合、優れた力学物性、その低バラツキ性、優れた寸法安定性を発現するプリプレグ基材、ならびにプリプレグ基材の積層基材を提供する。
【解決手段】一方向に引き揃えられた炭素繊維と熱硬化性樹脂から構成され、テープ状支持体に密着されたプリプレグ基材であって、該プリプレグ基材の全面に繊維を横切る方向への断続的な２〜５０ｍｍの長さＷの切り込みからなる列が複数列設けられており、該列と該列を繊維長手方向に平行移動した際に最初に重なる列との間隔Ｌが１０〜１００ｍｍであり、各隣り合う該列は繊維直交方向にずれており、かつ、隣り合う該列の切り込みが互いに切り込んでいることを特徴とする積層基材。
【選択図】なし

Description

本発明は、良好な流動性、成形追従性を有し、繊維強化プラスチックとした場合、優れた力学物性、その低バラツキ性、優れた寸法安定性を発現するプリプレグ基材、ならびに該プリプレグ基材の積層基材に関する。さらに詳しくは、例えば自動車部材、スポーツ用具等に好適に用いられる繊維強化プラスチックの中間基材であるプリプレグ基材、ならびに該プリプレグ基材の積層基材に関する。

強化繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化プラスチックは、比強度、比弾性率が高く、力学特性に優れること、耐候性、耐薬品性などの高機能特性を有することなどから産業用途においても注目され、その需要は年々高まりつつある。

高機能特性を有する繊維強化プラスチックの成形方法としては、プリプレグと称される連続した強化繊維にマトリックス樹脂を含浸せしめた半硬化状態の中間基材を積層し、高温高圧釜で加熱加圧することによりマトリックス樹脂を硬化させ繊維強化プラスチックを成形するオートクレーブ成形が最も一般的に行われている。また、近年では生産効率の向上を目的として、あらかじめ部材形状に賦形した連続繊維基材にマトリックス樹脂を含浸および硬化させるＲＴＭ（レジントランスファーモールディング）成形等も行われている。これらの成形法により得られた繊維強化プラスチックは、連続繊維である所以優れた力学物性を有する。また、連続繊維は規則的な配列であるため、基材の配置により必要とする力学物性に設計することが可能であり、力学物性のバラツキも小さい。しかしながら、一方で連続繊維である所以３次元形状等の複雑な形状を形成することは難しく、主として平面形状に近い部材に限られる。

３次元形状等の複雑な形状に適した成形方法として、ＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）成形等がある。ＳＭＣ成形は、通常２５ｍｍ程度に切断したチョップドストランドに熱硬化性樹脂であるマトリックス樹脂を含浸せしめ半硬化状態としたＳＭＣシートを、加熱型プレス機を用いて加熱加圧することにより成形を行う。多くの場合、加圧前にＳＭＣシートを成形体の形状より小さく切断して成形型上に配置し、加圧により成形体の形状に引き伸ばして（流動させて）成形を行う。そのため、その流動により３次元形状等の複雑な形状にも追従可能となる。しかしながら、ＳＭＣはそのシート化工程において、チョップドストランドの分布ムラ、配向ムラが必然的に生じてしまうため、力学物性が低下し、あるいはその値のバラツキが大きくなってしまう。さらには、そのチョップドストランドの分布ムラ、配向ムラにより、特に薄物の部材ではソリ、ヒケ等が発生しやすくなり、構造材としては不適な場合がある。

上述のような材料の欠点を埋めるべく、連続繊維と熱可塑性樹脂からなるプリプレグに切り込みを入れることにより、流動性可能で力学物性のバラツキも小さくなるとされる基材が開示されている（例えば特許文献１）。しかしながら、特許文献１では熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂として用いているため、タック性（粘着性）がないという理由により、積層時に基材同士が滑り積層構成がずれるという問題や、ドレープ性（変形性）を有しないという理由により、凹凸部を有する部材においては賦形が困難であるという問題を有している。

さらに、特許文献１記載の方法では一部に切り込みにより切断されない連続繊維が存在する可能性があり、その場合流動性は著しく阻害され、期待する効果を得ることはできない。また、仮に全ての繊維が切り込みにより切断されたとしても、熱可塑性樹脂はタック性がないため横方向への繊維同士の繋がりを保持できず、離型紙等のテープ状支持体による形態保持もできないため、賦形時に繊維が脱落してしまい設計どおりの成形が不可能となる。
特開昭６３−２４７０１２号公報

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、良好な流動性、複雑形状追従性を有し、繊維強化プラスチックとした場合、優れた力学物性、その低バラツキ性、優れた寸法安定性を発現するプリプレグ基材、ならびに該プリプレグ基材の積層基材を提供する。

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、
（１）一方向に引き揃えられた炭素繊維と熱硬化性樹脂から構成され、テープ状支持体に密着されたプリプレグ基材であって、該プリプレグ基材の全面に繊維を横切る方向への断続的な２〜５０ｍｍの長さＷの切り込みからなる列が複数列設けられており、該列と該列を繊維長手方向に平行移動した際に最初に重なる列との間隔Ｌが１０〜１００ｍｍであり、各隣り合う該列は繊維直交方向にずれており、かつ、隣り合う該列の切り込みが互いに切り込んでいることを特徴とするプリプレグ基材。

（２）隣り合う前記列の切り込みが互いに切り込んでいる幅が０．１ｍｍ以上、かつ、隣り合う切り込みのうち短い方の０．１倍以下である前記（１）に記載のプリプレグ基材。

（３）前記切り込みの形状、寸法および方向が同一である前記（１）または（２）記載のプリプレグ基材。

（４）前記切り込みが、繊維を横切る方向に沿って等間隔で連続して分布してなる前記（１）〜（３）のいずれかに記載のプリプレグ基材。

（５）前記切り込みの方向が、全て繊維直交方向である前記（１）〜（４）のいずれかに記載のプリプレグ基材。

（６）任意の１つの切り込みにより切断される繊維本数が５０００〜５００００本である前記（１）〜（５）のいずれかに記載のプリプレグ基材。

（７）前記熱硬化性樹脂のＤＳＣに拠る発熱ピーク温度をＴｐとしたとき、前記熱硬化性樹脂が１０分以内で硬化し得る温度Ｔが（Ｔｐ−６０）〜（Ｔｐ＋２０）の範囲内にある前記（１）〜（６）のいずれかに記載のプリプレグ基材。

（８）前記熱硬化性樹脂が硬化剤としてアミン系硬化剤、硬化促進剤として１分子中にウレア結合を２個以上有する化合物を含有するエポキシ樹脂である前記（１）〜（７）のいずれかに記載のプリプレグ基材。

（９）前記硬化促進剤が２，４−トルエンビス（ジメチルウレア）および／または４，４−メチレンビス（フェニルジメチルウレア）である前記（１）〜（８）のいずれかに記載のプリプレグ基材。

（１０）前記（１）〜（９）のいずれかに記載のプリプレグ基材を積層し、一体化させた積層基材。

（１１）繊維方向が実質的に同一方向である隣接する層において、両層のプリプレグ基材の前記長さＷの断続的な切り込みからなる列が等間隔であり、一方の層のプリプレグ基材の前記切り込みからなる列が、他方の層のプリプレグ基材の前記切り込みからなる列に対し繊維長手方向にずれて配置されている前記（１０）に記載の積層基材。

（１２）前記各層のプリプレグ基材の切り込みからなる列が、前記間隔Ｌの０．１〜０．５倍の範囲内で繊維長手方向にずれて配置されている前記（１１）に記載の積層基材。

（１３）繊維方向が実質的に同一方向である隣接する層において、両層のプリプレグ基材前記切り込みが繊維を横切る方向に沿って等間隔で分布した列となっており、一方の層のプリプレグ基材の前記切り込みからなる列が、他方の層のプリプレグ基材の前記切り込みからなる列に対し繊維直交方向にずれて配置されている前記（１０）または（１１）記載の積層基材。

（１４）前記各層のプリプレグ基材の切り込みからなる列が、前記長さＷの０．１〜０．５倍の範囲内で繊維直交方向にずれて配置されている前記（１３）に記載の積層基材。

（１５）前記（１０）〜（１４）のいずれかに記載の積層基材を硬化せしめた繊維強化プラスチック。

（１６）面状のスキン部と、前記スキン部の少なくとも片面に突起部とを有し、前記突起部の積層構造を構成する層の少なくとも１つが、前記突起部の形状に沿った形状であることを特徴とする前記（１５）に記載の繊維強化プラスチック。

（１７）前記突起部の形状が、板状、棒状、半球状、多角柱状、円柱状、多角錐状、円錐状およびそれらの組み合わせの中から選ばれる少なくとも１つである前記（１５）または（１６）に記載の繊維強化プラスチック。

（１８）前記突起部の高さが、スキン部の厚みの０．５〜５０倍である前記（１５）〜（１７）のいずれかに記載の繊維強化プラスチック。

本発明によれば、良好な流動性、複雑形状追従性を有し、繊維強化プラスチックとした場合、優れた力学物性、その低バラツキ性、優れた寸法安定性を発現するプリプレグ基材、ならびに該プリプレグ基材の積層基材を得ることができる。

本発明は、前記課題、つまり良好な流動性、複雑形状追従性を有し、繊維強化プラスチックとした場合、優れた力学物性、その低バラツキ性、優れた寸法安定性を発現するプリプレグ基材、ならびに該プリプレグ基材の積層基材について、鋭意検討し、プリプレグ基材として、一方向に引き揃えられた炭素繊維と熱硬化性樹脂から構成されるプリプレグ基材という特定基材に特定な切り込みパターンを挿入し、該プリプレグ基材を積層し、加圧成形したところ、かかる課題を一挙に解決することを究明したものである。

本発明のプリプレグ基材は、強化繊維として一方向に引き揃えられた炭素繊維、マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂から構成され、テープ状支持体に密着されたプリプレグ基材である。

炭素繊維が一方向に引き揃えられていることにより、繊維方向の配向制御により任意の力学物性を有する成形体の設計が可能となる。なお、本明細書では、特に断らない限り、繊維あるいは繊維を含む用語（例えば“繊維方向”等）において、繊維とは強化繊維を表すものとする。

マトリックス樹脂が熱硬化性樹脂であることにより、本発明のプリプレグ基材は室温においてタック性を有しているため、該基材を積層した際に上下の該基材と粘着により一体化され、意図したとおりの積層構成を保ったままで成形することができる。一方、室温においてタック性のない熱可塑性樹脂プリプレグ基材では、プリプレグ基材を積層した際に該基材同士が滑るため、成形時に積層構成がずれてしまい、結果として繊維の配向ムラの大きい繊維強化プラスチックとなる。特に、凹凸部を有する型で成形する際は、その差異が顕著に現れる。

さらに、熱硬化性樹脂から構成される本発明のプリプレグ基材は、室温において優れたドレープ性を有するため、例えば、凹凸部を有する型を用いて成形する場合、予めその凹凸に沿わした予備賦形を容易に行うことが出来る。この予備賦形により成形性は向上し、流動の制御も容易になる。一方、熱可塑性樹脂から構成されるプリプレグ基材では、室温において予備賦形することは極めて困難である。

また、本発明のプリプレグ基材はテープ状支持体に密着されていることにより、切り込みが挿入された基材は、全ての繊維が切り込みにより切断されてもその形態を保持することが可能となり、賦形時に繊維が脱落してバラバラになってしまうという問題はない。この密着は、マトリックス樹脂がタック性を有する熱硬化性樹脂であることによって初めて可能になることであり、タック性を持たない熱可塑性樹脂から構成されるプリプレグ基材では実現不可能である。ここで、テープ状支持体とは、クラフト紙などの紙類やポリエチレン・ポリプロピレンなどのポリマーフィルム類、アルミなどの金属箔類などが挙げられ、さらに樹脂との離型性を得るために、シリコーン系や“テフロン（登録商標）”系の離型剤や金属蒸着等を表面に付与しても構わない。

さらに、本発明のプリプレグ基材は、該プリプレグ基材の全面に繊維を横切る方向への断続的な２〜５０ｍｍの長さＷの切り込み４からなる列（７、８、９）が複数列設けられており、該列と該列を繊維長手方向に平行移動した際に最初に重なる列との間隔Ｌ（図中の６）が１０〜１００ｍｍであり、各隣り合う該列は繊維直交方向にずれており、かつ、隣り合う該列の切り込みが互いに切り込んでいることが必須の要件である。該プリプレグ基材の全面に上記の条件を満たす切り込みが挿入されることにより、該プリプレグ基材は全ての繊維が連続繊維ではなく、少なくとも２種以上の異なる長さの短繊維により構成される。本発明でいう短繊維とは、長さが１００ｍｍ以下のものとする。プリプレグ基材の全面に上記の条件を満たす切り込みが挿入されることにより、成形時に繊維は流動可能、特に繊維長手方向にも流動可能となり、複雑形状追従性にも優れる。該切り込みがない場合、すなわち連続繊維のみの場合、繊維長手方向には流動しないため、複雑形状を形成することは出来ない。

切り込みの長さについては、２ｍｍより小さい場合は、ひとまとまりの繊維の集合体が小さくなるため、成形時の流動により繊維がうねりを生じやすく力学物性が低下し、５０ｍｍより大きい場合は、ひとまとまりの繊維の集合体が大きくなるため、繊維の流動性が悪くなり力学物性のバラツキも大きくなる。より好ましい切り込みの長さは５〜３０ｍｍである。

一方、該列と該列を繊維長手方向に平行移動した際に最初に重なる列との間隔Ｌについては、１０ｍｍより小さい場合は、繊維の長さも短くなるため、繊維による補強効果が低下し、繊維強化プラスチックとしたときに十分な力学物性を得ることができず、１００ｍｍより大きい場合は、成形時の流動性が悪くなり複雑形状を形成するのは難しい。より好ましい該間隔Ｌは１０〜５０ｍｍである。このように、成形性と物性の両特性を鑑みると、上記の範囲を満たす必要がある。ここで、該間隔Ｌは図１に示すように、所望の短繊維の長さに相当するため、以下、所望繊維長さと称することもある。

また、各隣り合う該列が繊維直交方向にずれていない場合は、切り込みにより切断されない繊維が存在し、繊維の流動性が著しく低下する。

さらに、本発明では、隣り合う該列の切り込みが互いに切り込むことによって、所望繊維長さと所望繊維長さより短い繊維により構成され、繊維の流動性は良好となる。一方、隣り合う該列の切り込みが互いに切り込んでいない場合、切り込みにより切断されず所望繊維長さより長い繊維が発生し、その繊維が流動性を著しく阻害する。これは、一方向に引き揃えられた連続繊維を強化繊維とするプリプレグにおいて、繊維はその繊維自体の特性上、およびプリプレグ化の工程上の理由により厳密には一方向に真直にはなっておらず、うねり・ヨレを伴っていることに起因する。そのため、隣り合う列の切り込みが互いに切り込むことにより、所望繊維長さより長い繊維が発生することを防ぐことが非常に重要なのである。

本発明のプリプレグ基材は、隣り合う列の切り込みが互いに切り込んでいる幅５が０．１以上、かつ、隣り合う切り込みのうち短い方の０．１倍以下であることが好ましい。０．１ｍｍより小さい場合、切り込みにより切断されず所望繊維長さより長い繊維が発生する場合があり、その繊維が流動性を著しく阻害するため好ましくない。隣り合う切り込みのうち短い方の０．１倍より大きい場合、任意の１つの切り込みにより切断される繊維本数に対する互いに切り込んでいる繊維本数の割合、すなわち所望繊維長さより短い繊維の割合が多くなり、繊維強化プラスチックとした時の力学物性の低下が顕著に表れるため好ましくない。ここでいう、隣り合う切り込みのうち短い方とはプリプレグ基材の端部で切り込みが途切れているような場合は含めないものとし、このような場合には、端部にかからない一つ内側の切り込みを基準として判断するものとする。

本発明のプリプレグ基材は、該切り込みの形状、寸法および方向が同一であることが好ましい。切り込みの形状、寸法および方向が２種以上であっても本発明の効果は得られるが、全て同一であることにより、繊維の流動が均等となるため繊維の流動性の制御が容易になり、ソリの発生も抑制され、かつ繊維方向の配向制御により任意の力学物性を有する成形体の設計も容易になるため好ましい。

本発明のプリプレグ基材は、該切り込みが、繊維を横切る方向に沿って等間隔で連続して分布してなることが好ましい。等間隔の場合、上記の切り込みの形状、寸法および方向と同様に、繊維の流動が均等となるため繊維の流動性の制御が容易になり、ソリの発生も抑制され、かつ繊維方向の配向制御により任意の力学物性を有する成形体の設計も容易になるため好ましい。

本発明のプリプレグ基材は、前記切り込みからなる列のパターンが２〜５パターンであることが好ましい。前記切り込みからなる列のパターンが１つだけの場合、切り込みにより切断されない繊維が存在し、繊維の流動性が著しく低下する。一方、該切り込みからなる列のパターンが６以上ある場合、繊維の流動制御が困難になり、設計どおりの成形体の成形が困難となる。

本発明のプリプレグ基材は、該切り込みの方向が、全て繊維直交方向であることが好ましい。切り込みの方向が全て繊維直交方向であると、特定の本数の繊維を切断するのに要する切り込みの長さが最小となり、力学物性の低下を最小限に抑えることが可能となる。さらには、等方性に流動させるためには、切り込みの方向が全て繊維直交方向であることが好ましい。

本発明のプリプレグ基材は、任意の１つの切り込みにより切断される繊維本数が、５０００〜５００００本の範囲内であることが好ましい。上記の切り込みの長さと同様に、繊維の本数が５０００本より少ない場合、成形時の流動により繊維がうねりを生じやすく、力学物性が低下することがある。繊維の本数が５００００本より多い場合、繊維長手方向に隣り合う切り込みに囲まれたひとまとまりの繊維の集合体が大きくなるため、繊維の流動性が悪くなり、力学物性のバラツキも大きくなるので好ましくない。

本発明の積層基材は、前記プリプレグ基材を積層し、一体化させることにより得ることが好ましい。積層構成としては、使用用途に応じてそれぞれに適した積層構成とすれば良く特に制限はないが、なかでも、［＋４５／０／−４５／９０］_Ｓ、［０／±６０］_Ｓといった等方積層が、均等な物性とし、ソリの発生を抑制する場合には好ましい。さらに、一体化させることにより、成形時の取扱い性が向上し、さらに設計どおりの積層構成を保ったままで成形することができる。本発明のプリプレグ基材のマトリックス樹脂は熱硬化性樹脂であるため、タック性を有し、該基材同士は粘着により容易に一体化させることが可能となる。

本発明の積層基材は、繊維方向が実質的に同一方向である隣接する層において、両層のプリプレグ基材の前記長さＷの断続的な切り込みからなる列が等間隔であり、一方の層の前記切り込みからなる列が、他方の層の前記切り込みからなる列に対し繊維長手方向にずれて配置されていることが好ましい。また、両層のプリプレグ基材同士において、前記切り込みからなる列が繊維を横切る方向に沿って等間隔で分布した列となっており、一方の層の前記切り込みからなる列が、他方の層の前記切り込みからなる列に対し繊維直交方向にずれて配置されていることが好ましい。

ここで、繊維方向が実質的に同一方向である隣接する層とは、図２を用いて説明すると、（Ａ）［０／９０］_２Ｓのように繊維方向が２方向の場合は、ａ層とｃ層、ｃ層とｆ層、ｆ層とｈ層、ｂ層とｄ層、ｄ層とｅ層、ｅ層とｇ層の計６組がそれにあたり、（Ｂ）［０／±６０］_２Ｓのように繊維方向が３方向の場合は、ａ層とｄ層、ｄ層とｉ層、ｉ層とｌ層、ｂ層とｅ層、ｅ層とｈ層、ｈ層とｋ層、ｃ層とｆ層、ｆ層とｇ層、ｇ層とｊ層の計９組がそれにあたる。なお、図示はしないが［＋４５／０／−４５／９０］_ｎＳのような積層構成においても同様に定義できる。繊維方向が実質的に同一方向であるというように定義したのは、積層時の多少の角度のズレは許容するためであり、実質的に同一方向でであるとは、通常その角度のズレが、±１０°以内であることを言う。

本発明のプリプレグ基材を積層して繊維強化プラスチックとした場合、切り込み箇所では繊維が切断されているため、その部分では応力伝達が極度に低下する。そこで、繊維方向が同一である隣接するプリプレグ基材同士の切り込み位置をずらすことにより、応力伝達が効率的に作用される。

切り込みをずらす長さとしては、切り込みの長さＷおよび切り込みの間隔Ｌに対して、繊維長手方向に０．１Ｌ〜０．５Ｌの範囲内、あるいは繊維直交方向に０．１Ｗ〜０．５Ｗの範囲内であることが好ましい。ずらす長さは長い方が応力伝達が向上するため好ましく、最も効果的な形態は、繊維長手方向に前記間隔Ｌの０．５倍ずれた場合である。

本発明の繊維強化プラスチックは、前記積層基材を硬化せしめることにより得ることが好ましい。硬化せしめる方法、すなわち繊維強化プラスチックを成形する方法としては、プレス成形、オートクレーブ成形、シートワインディング成形等が挙げられる。なかでも、生産効率を考慮するとプレス成形が好ましい。

本発明の繊維強化プラスチックは、面状のスキン部と、前記スキン部の少なくとも片面に突起部とを有し、前記突起部の積層構造を構成する層の少なくとも１つが、前記突起部の形状に沿った形状であるのが好ましい。積層構造が突起部の形状に沿った形状であるとは、積層構造を構成する層の少なくとも１つが、突起部を構成する各面のそれぞれと対応する層を有していることを表す。なお、強化繊維がランダムに配列されたＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）やＢＭＣ（バルクモールディングコンパウンド）を数枚重ね合わせてプレス成形した場合、その側面では有限長の強化繊維がそれぞれ独立してランダムに配向されて積み重なっているため、繊維強化プラスチックの厚み方向に明確な層を形成しておらず、本発明でいう積層構造には含まれない。

ここで、特に断らない限りスキン部とは、平面、１／１００以下の曲率を有する一次曲面、二次曲面または球面等の面状の板状物を表すものとする。また、突起部とは、スキン部から突出したリブやボス等の部分を表すものとする。また、繊維あるいは繊維を含む用語（例えば“繊維方向”等）において、繊維とは強化繊維を表すものとする。

突起部を形成するための方法としては、プリプレグ基材を積層した積層基材を、少なくとも片側の型に突起部を形成する凹形状を有する両面型の中で加圧することにより形成される。上記の方法により突起部が形成されるメカニズムは明らかでないが、次のように考えられる。まず、両面型の中で加圧することにより有限長の強化繊維からなる積層基材は積層構造を保ったまま面内方向に流動しようとする。そして、面内方向への流動が飽和した時、片側の型に凹形状の空間部があると、積層基材は積層構造を保ったまま凹形状の空間部、すなわち面外方向にも流動し、突起部を形成するのである。なお、上記の過程で意図的に繊維を切断することはないので、中間基材も繊維強化プラスチックと同様に１０〜１００ｍｍの有限長の強化繊維からなる。

本発明の繊維強化プラスチックは、突起部に強化繊維の配向を異にする少なくとも２層以上の積層構造を有することが好ましい。強化繊維の配向方向を異にする層が複数層あることにより、突起部は寸法安定性に優れるものとなる。強化繊維の配向方向が一方向のみの場合、突起部は線膨張係数の異方性によってソリなどを生じやすく、寸法精度が悪くなる場合がある。さらに、突起部の中でもリブにおいては、リブに対して２方向への力が作用した場合、あるいはねじれの力が作用した場合、強化繊維の配向方向が一方向のみでは力の作用方向によりリブとしての強度や剛性が不足してしまう可能性がある。そのため、強化繊維の配向方向を異にする少なくとも２層以上の積層構造を有するのが必要なのである。なかでも、［０／９０］_ｎＳや［０／±６０］_ｎＳ、［＋４５／０／−４５／９０］_ｎＳといった等方積層で、かつ、対称積層であることが、繊維強化プラスチック自体のソリ低減等を考慮すると好ましい。

本発明の繊維強化プラスチックは、突起部の形状が、板状、棒状、半球状、多角柱状、円柱状、多角錐状、円錐状およびそれらの組み合わせの中から選ばれる少なくとも１つであることが好ましい。例えば、リブでは板状または棒状となり、ボスでは半球状、多角柱状、円柱状、多角錐状、円錐状となるのが一般的である。

本発明の繊維強化プラスチックは、突起部の高さが、スキン部の厚みの０．５〜５０倍であることが好ましい。１〜２５倍がより好ましい。突起部の高さが上記範囲内であれば、突起部としての効果が発現しやすい。突起部の高さがスキン部の厚みの０．５倍より小さい場合、例えば、突起部がリブであると、リブによる剛性向上の効果は小さくなってしまうことがある。一方、高さが５０倍よりも大きい場合、特に突起部が層構造を形成するのが難しくなる場合がある。

本発明の繊維強化プラスチックは、突起部の形状が板状および棒状である場合、突起部の厚みがスキン部の厚みの０．１〜４倍であることが好ましい。０．５〜３倍がより好ましい。突起部の厚みが上記範囲内であれば、突起部としての効果が発現しやすい。突起部の厚みがスキン部の厚みの０．１倍より小さい場合、例えば、突起部がリブであるとリブによる剛性向上の効果は小さくなってしまうことがあり、突起部がボスであると嵌め合い部の寸法精度が出ない場合がある。一方、厚みが４倍よりも大きい場合、スキン部と突起部とのマテリアルバランス（材料収支）が取りにくくなり、スキン部および突起部が同様の層構造となることが難しくなる可能性がある。

本発明のプリプレグ基材の厚みは、０．０２〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。０．０２ｍｍより薄い場合、必然的に任意の１つの切り込みにより切断される繊維本数が少なくなり、成形時の流動により繊維がうねりを生じやすくなる。また、例えば、厚み２ｍｍの繊維強化プラスチック部材を得るためには１００層以上のプリプレグの積層が必要となり、生産効率の面からも好ましくない。一方、１ｍｍより厚い場合、積層した時に１つの層が受け持つ割合が大きくなり、異方性が顕著に表れ、部材にソリ等が生じてしまう可能性がある。

本発明のプリプレグ基材の強化繊維である炭素繊維は、軽量であり、しかも比強度および比弾性率において特に優れた性質を有しており、さらに耐熱性や耐薬品性にも優れていることから、軽量化が望まれる自動車パネルなどの部材に好適である。なかでも、高強度の炭素繊維が得られやすいＰＡＮ系炭素繊維が好ましい。

本発明のプリプレグ基材を得るためにプリプレグに切り込みを入れる方法としては、まず一方向に引き揃えられた連続繊維のプリプレグを作製し、その後カッターを用いての手作業や裁断機により切り込みを入れる方法、あるいは一方向に引き揃えられた連続繊維のプリプレグ製造工程において所定の位置に刃を配置した回転ローラ等を介して連続的に切り込みを入れる方法がある。簡易にプリプレグに切り込みを入れる場合には前者が、生産効率を考慮し大量に作製する場合には後者が適している。また、本発明のプリプレグ基材は繊維を切断する方向のみに切り込みを入れることにより期待される効果は発現するが、横方向への繊維同士の繋がりを除きたい場合は、加えて繊維長手方向に切り込みを入れても差し支えない。

なお、本発明のプリプレグ基材のマトリックス樹脂として使われる熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂等が挙げられ、それらの混合樹脂であっても差し支えない。これらの樹脂の常温（２５℃）における樹脂粘度としては、１×１０^６Ｐａ・ｓ以下であることが好ましく、この範囲内であれば本発明を満たすタック性およびドレープ性を有するプリプレグ基材を得ることができる。

かかるマトリックス樹脂は、熱硬化性樹脂のＤＳＣに拠る発熱ピーク温度をＴｐとしたとき、前記熱硬化性樹脂が１０分以内で硬化し得る温度Ｔが（Ｔｐ−６０）〜（Ｔｐ＋２０）の範囲内にあることが好ましい。ここで、硬化し得るとは、熱硬化性樹脂を含む成形前駆体をある温度下で一定時間保持した後に成形前駆体の形状を保持した状態で取り出すことが可能であることをいい、具体的な評価法としては、加熱したプレス上に置いた内径３１．７ｍｍ、厚さ３．３ｍｍのポリテトラフルオロエチレン製Ｏリング中に熱硬化性樹脂を１．５ｍｌ注入し、１０分間加熱加圧し架橋反応を進めた後に、樹脂試験片を変形させることなく取り出せることをいう。前記熱硬化性樹脂が１０分以内で硬化し得る温度Ｔが、（Ｔｐ−６０）℃より低い場合、樹脂の急激な反応により樹脂内部でのボイドの生成、硬化不良を引き起こすおそれがあり、（Ｔｐ＋２０）℃より高い場合、成形時に昇温に時間を要することから、成形条件に制約が加わるため、上記範囲であることが好ましい。なお、本発明におけるＤＳＣに拠る発熱ピーク温度Ｔｐは、昇温速度１０℃／分の条件にて測定した値とする。

以上の硬化特性を発現する熱硬化性樹脂としては、少なくともエポキシ樹脂であり、硬化剤がアミン系硬化剤であり、硬化促進剤が１分子中にウレア結合を２個以上有する化合物が挙げられる。硬化促進剤としては、具体的に、２，４−トルエンビス（ジメチルウレア）または４，４−メチレンビス（フェニルジメチルウレア）が好ましい。

また、本発明のプリプレグ基材およびこれを用いた繊維強化プラスチックの用途としては、強度、剛性、軽量性が要求される、自転車のクランクやフレームなどの部材、ゴルフ等のスポーツ部材のシャフトやヘッド、ドアやシートフレームなどの自動車部材、ロボットアームなどの機械部品がある。中でも、強度、軽量に加え、部材形状が複雑で、本材料のように形状追従性が要求される、クランクなどの自転車部材、シートパネルやシートフレーム等の自動車部品に好ましく適用できる。

ここで、本発明のプリプレグ基材を図面を用いて説明する。図３〜７は、本発明のプリプレグ基材の切り込みパターンの一例を示す平面図である。図３は、プリプレグ基材の全面に繊維を横切る方向への断続的な切り込みからなる列が複数列設けられており、かつ、各隣り合う該列は繊維直交方向にずれており、かつ、隣り合う該列の切り込みが互いに切り込んでいる。さらに、切り込みからなる列が２パターンで、切り込みの形状、寸法および方向が同一で、切り込みの方向が繊維直交方向である。

図４は、図３と同様であるが、切り込みからなる列が３パターンである。図５は、図３と同様であるが、切り込みの方向が繊維傾斜方向である。図６は、図３と同様であるが、切り込みの形状、寸法が異なる。図７は、図３と同様であるが、切り込みの方向が異なり、切り込みの方向が繊維傾斜方向である。

一方、図８は、本発明を満たさないプリプレグ基材の切り込みパターンの一例を示す平面図である。図８のように、隣り合う該列の切り込みが互いに切り込んでいない場合、切り込みによって切断されない連続繊維１０が存在する。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、特にこれに限定されるというものではない。

＜平板成形方法＞
プリプレグ基材から、繊維長手方向と、繊維長手方向から４５度ずらした方向に、それぞれ２５０×２５０ｍｍの大きさに切り出した。切り出したプリプレグ基材を１６層疑似等方（［４５／０／−４５／９０］_２Ｓ）に積層し、３００×３００ｍｍの金型上に配置した後、加熱型プレス成型機により、６ＭＰａの加圧下、１５０℃×３０分間の条件により硬化せしめ、３００×３００×１．７ｍｍの平板状の成形体を得た。

＜機械特性評価方法＞
得られた平板状の成形体より、長さ２５０±１ｍｍ、幅２５±０．２ｍｍの引張強度試験片を切り出した。ＪＩＳ Ｋ−７０７３に規定する試験方法に従い、標点間距離を１５０ｍｍとし、クロスヘッド速度２．０ｍｍ／分で引張強度を測定した。なお、本実施例においては、試験機としてインストロン（登録商標）万能試験機４２０８型を用いた。測定した試験片の数はｎ＝１０とし、平均値を引張強度とした。
さらに、測定値より標準偏差を算出し、その標準偏差を平均値で除することにより、バラツキの指標である変動係数（ＣＶ値（％））を算出した。

（実施例１）
エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製“エピコート（登録商標）”８２８：３０重量部、“エピコート（登録商標）”１００１：３５重量部、“エピコート（登録商標）”１５４：３５重量部）に、熱可塑性樹脂ポリビニルホルマール（チッソ（株）製“ビニレック（登録商標）”Ｋ）５重量部をニーダーで加熱混練してポリビニルホルマールを均一に溶解させた後、硬化剤ジシアンジアミド（ジャパンエポキシレジン（株）製ＤＩＣＹ７）３．５重量部と、硬化促進剤３−（３，４−ジクロロフェニル）−１，１−ジメチルウレア（保土谷化学工業（株）製ＤＣＭＵ９９）４重量部を、ニーダーで混練して未硬化のエポキシ樹脂組成物１を調整した。このエポキシ樹脂組成物１を、リバースロールコーターを用いてシリコーンコーティング処理された厚さ１００μｍの離型紙上に塗布して３７ｇ／ｍ^２の樹脂フィルム１を作製した。次に、一方向に配列させた炭素繊維（引張強度４，９００ＭＰａ、引張弾性率２３５ＧＰａ）の両面に樹脂フィルム１をそれぞれ重ね、加熱・加圧することによって樹脂を含浸させ、炭素繊維重さ１５０ｇ／ｍ^２、樹脂含有率３３ｗｔ％、厚み０．１５ｍｍのプリプレグ１を作製した。

このプリプレグ１に、自動裁断機を用いて図３に示すような切り込みを連続的に挿入することにより、等間隔で規則的な切り込みを有するプリプレグ基材を得た。切り込みの方向は繊維直交方向で、切り込みの長さＷは１０．５ｍｍであり、間隔Ｌ（所望繊維長さ）は３０ｍｍである。隣り合う切り込みの列は繊維直交方向に１０ｍｍずれている。すなわち、切り込みの列のパターンは２パターンである。さらに、隣り合う列の切り込みが互いに０．５ｍｍ切り込んでいる。また、任意の１つの切り込みにより切断された繊維本数は２３６２５本である。エポキシ樹脂の２５℃雰囲気下における粘度は２×１０^４Ｐａ・ｓであり、該基材はタック性を有していた。

上記のプリプレグ基材を用いて、炭素繊維の配向方向（０°方向）と、炭素繊維の配向方向から右に４５度ずらした方向（４５°方向）に、それぞれ２５０×２５０ｍｍの大きさのサイズに切り出した。切り出したプリプレグ基材を、炭素繊維の配向方向が同一である隣接する層において、一方の層のプリプレグ基材の切り込みからなる列が、他方の層のプリプレグ基材の切り込みからなる列に対し繊維方向に前記間隔Ｌの０．５倍の１５ｍｍずれるように、１６層で疑似等方に積層して（［−４５／０／＋４５／９０］_２Ｓ）、積層基材を得た。

更に、上記の積層基材を用いて、３００×３００ｍｍの平板金型上に配置した後、加熱型プレス成形機により、６ＭＰａの加圧のもと、１５０℃×３０分間の条件により硬化せしめ、３００×３００ｍｍの平板状の繊維強化プラスチックを得た。得られた繊維強化プラスチックは繊維のうねりを伴うことなく、その端部まで繊維が均等かつ充分に流動していた。また、ソリもなく良好な平面平滑性であった。

引張強度は４１０ＭＰａと高い値であり、ＣＶ値は４．５％とバラツキの小さい結果であった。

（実施例２）
実施例１のプリプレグ基材を用いて、繊維方向が同一である隣接する層において、一方の層のプリプレグ基材切り込みからなる列が、他方の層のプリプレグ基材の切り込みからなる列に対し繊維方向に前記間隔Ｌの０．２５倍の７．５ｍｍずれており、かつ、繊維直交方向に前記長さＷの０．２５倍の２．６ｍｍずれているように積層し、積層基材を得た点以外は、実施例１と同様にして平板状の繊維強化プラスチックを得た。

引張強度は３９０ＭＰａと若干実施例１に劣るものの高い値であり、ＣＶ値は５．０％とバラツキの小さい結果であった。

（実施例３）
形状および方向が実施例１と同一である切り込みの列を図４に示すような３パターンとし、間隔Ｌ（所望繊維長さ）を３０ｍｍとし、隣り合う切り込みの列を繊維直交方向に１０ｍｍずつずらした。実施例１と同様にしてプリプレグ基材を作製し、平板状の繊維強化プラスチックを得た。得られた繊維強化プラスチックは繊維のうねりを伴うことなく、その端部まで繊維が均等かつ充分に流動していた。また、ソリもなく良好な平面平滑性であった。

引張強度は４００ＭＰａと高い値であり、ＣＶ値は５．０％とバラツキの小さい結果であった。

（実施例４）
それぞれの切り込みの長さＷを１２ｍｍにした以外は、実施例１と同様にしてプリプレグ基材を作製し、平板状の繊維強化プラスチックを得た。隣り合う列の切り込みが互いに２ｍｍ切り込んでいる。また、任意の１つの切り込みにより切断された繊維本数は２７０００本である。得られた繊維強化プラスチックは繊維のうねりを伴うことなく、端部まで繊維が均等かつ充分に流動していた。また、ソリもなく良好な平面平滑性であった。

引張強度は３８０ＭＰａと実施例１に比べるとやや劣るものの高い値であり、ＣＶ値は５．０％とバラツキの小さい結果であった。

（実施例５）
硬化促進剤を２，４−トルエンビス（ジメチルウレア）（ピイ・ティ・アイジャパン（株）製“オミキュア（登録商標）”２４）５重量部に替えた以外は実施例１と同様の方法で未硬化のエポキシ樹脂組成物２を作製し、実施例１と同様の方法でプリプレグ基材、それを用いた積層基材を作製した。

かかる積層基材を、加熱型プレス成形機の加圧時間（硬化時間）だけを３分に替えた以外は実施例１と同様の方法で繊維強化プラスチックを得た。加圧時間が実施例１の１／１０であるにもかかわらず、ほぼ同等のガラス転移温度を示し、未硬化のエポキシ樹脂組成物２は、速硬化性に優れることがわかった。

引張強度は４２０ＭＰａと高い値であり、ＣＶ値は４．０％とバラツキの小さい結果であった。これら値は実施例１と遜色ないものであった。

（実施例６）
硬化促進剤を４，４−メチレンビス（フェニルジメチルウレア）（ピイ・ティ・アイジャパン（株）製“オミキュア（登録商標）”５２）７重量部に替えた以外は実施例１と同様の方法で未硬化のエポキシ樹脂組成物３を作製し、実施例１と同様の方法でプリプレグ基材、それを用いた積層基材を作製した。

かかる積層基材を、加熱型プレス成形機の加圧時間（硬化時間）だけを３分に替えた以外は実施例１と同様の方法で繊維強化プラスチックを得た。加圧時間が実施例１の１／１０であるにもかかわらず、ほぼ同等のガラス転移温度を示し、未硬化のエポキシ樹脂組成物２は、速硬化性に優れることがわかった。
引張強度は４１５ＭＰａと高い値であり、ＣＶ値は４．０％とバラツキの小さい結果であった。これら値は実施例１と遜色ないものであった。

（比較例１）
プリプレグに切り込みを入れないこと以外は、実施例１と同様にして平板状の繊維強化プラスチックを得た。繊維強化プラスチックは、３００×３００×１．７ｍｍの形状になっていたが、その端部は樹脂により形成され、繊維はプレス前の位置にとどまりほとんど流動していなかった。また、その中央部の繊維過多部と成形体端部の樹脂過多部との線膨張係数の差異によりソリを生じた。

繊維が切断されていないため、引張強度は７００ＭＰａと非常に高く、ＣＶ値は４．５％とバラツキの小さい結果であったが、上記のように流動性は極めて悪かった。

（比較例２）
切り込みの長さＷを１０ｍｍとし、隣り合う該列の切り込みが互いに切り込んでいない以外は、実施例１と同様にしてプリプレグ基材を作製し、平板状の繊維強化プラスチックを得た。切り込みによって切断されず３０ｍｍより長い繊維が一部存在しており、該部分では繊維の流動が乱れ、一部繊維強化プラスチックの端部まで繊維が流動していなかった。さらに、流動状態が均一でないため線膨張係数の差異によりソリを生じた。

引張強度は３６０ＭＰａと実施例１に比べ低い値であった。流動状態が均一ではないため、ＣＶ値は１０．０％と高い値、すなわちバラツキが大きくなった。

（比較例３）
間隔Ｌ（所望繊維長さ）を６ｍｍとし、繊維方向が同一である隣接する層において、一方の層のプリプレグ基材切り込みからなる列が、他方の層のプリプレグ基材の切り込みからなる列に対し繊維方向に前記間隔Ｌの０．５倍の３ｍｍずれているように積層した以外は、実施例１と同様にしてプリプレグ基材を作製し、平板状の繊維強化プラスチックを得た。得られた繊維強化プラスチックは繊維のうねりを伴うことなく、その端部まで繊維が均等かつ充分に流動していた。また、ソリもなく良好な平面平滑性であった。

しなかしがら、繊維の長さが短いため、繊維による補強効果が低下し、引張強度は２５０ＭＰａと非常に低い値であった。ＣＶ値は５．０％とバラツキの小さい結果であった。

（比較例４）
切り込みの長さＷを１０ｍｍとし、隣り合う該列の切り込みが互いに切り込んでいないプリプレグ基材を作製し、繊維方向が同一である隣接する層において、一方の層のプリプレグ基材切り込みからなる列が、他方の層のプリプレグ基材の切り込みからなる列に対し、繊維方向に重なっており、かつ、繊維直交方向に重なっているように積層し、積層基材を得た点以外は、実施例１と同様にして平板状の繊維強化プラスチックを得た。切り込みによって切断されず３０ｍｍより長い繊維が一部存在しており、該部分では繊維の流動が乱れ、一部繊維強化プラスチックの端部まで繊維が流動していなかった。さらに、流動状態が均一でないため線膨張係数の差異によりソリを生じた。

引張強度は１８０ＭＰａと実施例１に比べ非常に低い値でなった。流動状態が均一ではないため、ＣＶ値は１１．５％と高い値、すなわちバラツキが大きくなった。

（比較例５）
マトリックス樹脂をナイロン６樹脂とし、離型紙を用いなかった以外は、実施例１と同様にしてプリプレグ基材を作製した。ナイロン６樹脂の２５℃雰囲気下における粘度は固体であるため測定不可能であり、該基材はタック性がなかった。さらに、該基材は小断片状にバラバラに分離しており、シートとしての形態を保持できず、成形は勿論のこと、積層すら不可能であった。

本発明のプリプレグ基材の切り込みパターンの一例を示す拡大平面図である。 積層断面の模式図である。 本発明のプリプレグ基材の切り込みパターンの一例を示す平面図である。 本発明のプリプレグ基材の切り込みパターンの別の一例を示す平面図である。 本発明のプリプレグ基材の切り込みパターンの別の一例を示す平面図である。 本発明のプリプレグ基材の切り込みパターンの別の一例を示す平面図である。 本発明のプリプレグ基材の切り込みパターンの別の一例を示す平面図である。 本発明を満たさないプリプレグ基材の切り込みパターンの一例を示す平面図である。

符号の説明

１：繊維長手方向
２：繊維直交方向
３：プリプレグ基材
４：切り込み
５：互いに切り込んでいる幅
６：所望繊維長さ
７：第１の切り込みからなる列
８：第２の切り込みからなる列
９：第３の切り込みからなる列
１０：切り込みによって切断されない連続繊維

Claims (18)

1. 一方向に引き揃えられた炭素繊維と熱硬化性樹脂から構成され、テープ状支持体に密着されたプリプレグ基材であって、該プリプレグ基材の全面に繊維を横切る方向への断続的な２〜５０ｍｍの長さＷの切り込みからなる列が複数列設けられており、該列と該列を繊維長手方向に平行移動した際に最初に重なる列との間隔Ｌが１０〜１００ｍｍであり、各隣り合う該列は繊維直交方向にずれており、かつ、隣り合う該列の切り込みが互いに切り込んでいることを特徴とするプリプレグ基材。
2. 隣り合う前記列の切り込みが互いに切り込んでいる幅が０．１ｍｍ以上、かつ、隣り合う切り込みのうち短い方の０．１倍以下である請求項１に記載のプリプレグ基材。
3. 前記切り込みの形状、寸法および方向が同一である請求項１または２記載のプリプレグ基材。
4. 前記切り込みが、繊維を横切る方向に沿って等間隔で連続して分布してなる請求項１〜３のいずれかに記載のプリプレグ基材。
5. 前記切り込みの方向が、全て繊維直交方向である請求項１〜４のいずれかに記載のプリプレグ基材。
6. 任意の１つの切り込みにより切断される繊維本数が５０００〜５００００本である請求項１〜５のいずれかに記載のプリプレグ基材。
7. 前記熱硬化性樹脂のＤＳＣに拠る発熱ピーク温度をＴｐとしたとき、前記熱硬化性樹脂が１０分以内で硬化し得る温度Ｔが（Ｔｐ−６０）〜（Ｔｐ＋２０）の範囲内にある請求項１〜６のいずれかに記載のプリプレグ基材。
8. 前記熱硬化性樹脂が硬化剤としてアミン系硬化剤、硬化促進剤として１分子中にウレア結合を２個以上有する化合物を含有するエポキシ樹脂である請求項１〜７のいずれかに記載のプリプレグ基材。
9. 前記硬化促進剤が２，４−トルエンビス（ジメチルウレア）および／または４，４−メチレンビス（フェニルジメチルウレア）である請求項１〜８のいずれかに記載のプリプレグ基材。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のプリプレグ基材を積層し、一体化させた積層基材。
11. 繊維方向が実質的に同一方向である隣接する層において、両層のプリプレグ基材の前記長さＷの断続的な切り込みからなる列が等間隔であり、一方の層のプリプレグ基材の前記切り込みからなる列が、他方の層のプリプレグ基材の前記切り込みからなる列に対し繊維長手方向にずれて配置されている請求項１０に記載の積層基材。
12. 前記各層のプリプレグ基材の切り込みからなる列が、前記間隔Ｌの０．１〜０．５倍の範囲内で繊維長手方向にずれて配置されている請求項１１に記載の積層基材。
13. 繊維方向が実質的に同一方向である隣接する層において、両層のプリプレグ基材前記切り込みが繊維を横切る方向に沿って等間隔で分布した列となっており、一方の層のプリプレグ基材の前記切り込みからなる列が、他方の層のプリプレグ基材の前記切り込みからなる列に対し繊維直交方向にずれて配置されている請求項１０または１１に記載の積層基材。
14. 前記各層のプリプレグ基材の切り込みからなる列が、前記長さＷの０．１〜０．５倍の範囲内で繊維直交方向にずれて配置されている請求項１３に記載の積層基材。
15. 請求項１０〜１４のいずれかに記載の積層基材を硬化せしめた繊維強化プラスチック。
16. 面状のスキン部と、前記スキン部の少なくとも片面に突起部とを有し、前記突起部の積層構造を構成する層の少なくとも１つが、前記突起部の形状に沿った形状であることを特徴とする請求項１５に記載の繊維強化プラスチック。
17. 前記突起部の形状が、板状、棒状、半球状、多角柱状、円柱状、多角錐状、円錐状およびそれらの組み合わせの中から選ばれる少なくとも１つである請求項１５または１６に記載の繊維強化プラスチック。
18. 前記突起部の高さが、スキン部の厚みの０．５〜５０倍である請求項１５〜１７のいずれかに記載の繊維強化プラスチック。

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