JP4940644B2

JP4940644B2 - ２軸ステッチ基材およびプリフォーム

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Publication number: JP4940644B2
Application number: JP2005357250A
Authority: JP
Inventors: 一朗武田; 英輔和田原; 弘樹木原
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2025-12-12
Also published as: JP2007162151A

Description

本発明は、多数本の強化繊維糸条が並行に配列されたシートを複数枚、強化繊維糸条が直交するように積層してステッチ糸にて一体化した２軸ステッチ基材およびそれを用いたプリフォームに関する。より詳しくは、繊維強化樹脂（以下ＦＲＰと記す。）を高い生産性で製造するにあたり好適に用いられる、特に賦形性および取扱性に優れた２軸ステッチ基材、およびそれを用いたプリフォームに関するものである。

ＦＲＰはその比強度、比弾性率の高さから、航空機用途、一般産業用途、スポーツ用途等の様々な分野で多く利用されている。

ＦＲＰの代表的な製造方法として、強化繊維基材に予めマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグを用い、このプリプレグを積層毎に強化繊維の配列方向がずれるように積層（例えば疑似等方積層）し、マトリックス樹脂を硬化させるオートクレーブ成形法がある。この他にも、ＦＲＰの成形コストを低減させるために、樹脂未含浸の強化繊維基材を積層し、その積層体にマトリックス樹脂を注入し、硬化させる樹脂注入成形法がある。

主に樹脂注入成形法などに用いられるマトリックス樹脂が未含浸の中間基材としては、従来から織物基材が用いられていたが、近年、強化繊維糸条を並行に配向したシートを交差積層してステッチ糸にて一体化した、いわゆる多軸ステッチ基材が注目を浴びるようになってきた（例えば、特許文献１、２）。かかる多軸ステッチ基材は、従来の織物基材に比べ、強化繊維糸条同士を織り込む手間がないため基材生産性が高く、強化繊維糸条がノンクリンプであることから力学的特性や表面品位の向上が期待できる。また１シートごとの繊維目付を大きくすることが出来、なおかつ予め多方向に積層して一体化することによって１ユニットで所望の構成、特性を有する基材となるため、積層作業が大幅に省力化され安価なＦＲＰが得られるという利点もある。

しかしながら、このような多軸ステッチ基材は、一方で、複雑な（例えば二次曲面）形状の成形型に沿わせた場合に、シワなどが発生するといった賦型性に劣るという問題があり、幅広い用途に展開できない問題があった。
国際公開第０１／６３０３３号パンフレット特開２００２−３１７３７１号公報

上記のとおり基材生産性が高くかつ積層作業が大幅に省力化される多軸ステッチ基材であるが、複雑形状に賦形が困難であり適用用途が限定される、という問題があった。従って、本発明は、賦形性・取扱性に優れた２軸ステッチ基材およびプリフォームを提供することを目的とする。

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、本発明は次の（１）〜（６）を特徴とするものである。
（１）多数本の強化繊維糸条が並行に配列されたシートを複数枚、強化繊維糸条が実質的に直交するように積層してステッチ糸Aにて一体化した２軸ステッチ基材であって、ステッチ糸Aのステッチ長Ｓａとゲージ長Ｇａとが実質的に同一であり、かつステッチ長Ｓａが３〜５０ｍｍの範囲内であり、配列された強化繊維糸条の一方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（A）と、配列された強化繊維糸条の他方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（B）とがいずれも４５〜８０°の範囲内である２軸ステッチ基材。
（２）ステッチ糸Ａの編組織が変則１／１トリコット編である、上記（１）に記載の２軸ステッチ基材。
（３）ステッチ糸Ａの編組織が鎖編であり、かつ、ステッチ糸がスパンデックス糸である、上記（１）に記載の２軸ステッチ基材。
（４）シートは、強化繊維糸条が２軸ステッチ基材の長手方向に関して０°または９０°に配向するように積層されている、上記（１）〜（３）のいずれかに記載の２軸ステッチ基材。
（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載の２軸ステッチ基材が二次曲面を有する形状に賦型されているプリフォーム。
（６）複数組の２軸ステッチ基材を含み、かつ、それら複数組の２軸ステッチ基材は、それら複数組の２軸ステッチ基材を縫合するステッチ糸Ｂ、および／または、それら複数組の２軸ステッチ基材の間に配置され固着する、粒子、カットファイバー、織物、編物、不織布およびメッシュからなる群から選ばれる少なくとも１種の材料で係合されている、上記（５）に記載のプリフォーム。

本発明の２軸ステッチ基材は、強化繊維糸条が並行に配列されたシートの複数枚を、該強化繊維糸条が実質的に直交するように積層してステッチ糸にて一体化しており、さらに、配列された強化繊維糸条の一方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（A）と、配列された強化繊維糸条の他方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（B）とがいずれも４５〜８０°であるので、取り扱いに優れ、さらに例えば二次曲面を有する形状に対してシワを発生したり強化繊維糸条間に隙間を発生したりすることなく賦形する効果を発現することができる。かかる賦形性に優れた２軸ステッチ基材を用いると、これまでに賦型できなかった複雑な形状が実現できるだけでなく、積層作業が大幅に省力化され安価なＦＲＰを得られる。かかるＦＲＰは、強化繊維が実質的に真直に（ノンクリンプで）配向されているので、ＦＲＰにおいて優れた強度・弾性率などの力学的特性を発現できるだけでなく、外観品位にも優れる。

本発明の２軸ステッチ基材は、多数本の強化繊維糸条が並行に配列されたシートを複数枚、強化繊維糸条が直交するように積層してステッチ糸Ａにて一体化してなるもので、配列された強化繊維糸条の一方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（A）と、配列された強化繊維糸条の他方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（B）とがいずれも４５〜８０°の範囲内である。なお、本発明において２軸ステッチ基材とは、実質的に２方向にのみ強化繊維糸条が配されている基材であればよく、例えば０°、９０°のように２方向２層の積層体だけでなく、０°、９０°、０°のように強化繊維糸条の方向が２方向であれば何層の積層体であっても構わない。

以下、本発明の詳細について説明する。

本発明者らは、２軸を超える多軸ステッチ基材が複雑形状に賦形困難である原因を検討したところ、強化繊維糸条が突っ張り、多軸ステッチ基材の変形を妨げていることがわかった。例えば、４５°、０°、−４５°、９０°方向に強化繊維糸条が配向した多軸ステッチ基材においては、４５°、０°、−４５°、９０°いずれの方向に基材を引っ張っても強化繊維が突っ張り、大きく変形することができない。また、変形を阻止する強化繊維糸条が存在しない角度領域（例えば、−４５〜０°の範囲、０〜４５°の範囲）が著しく狭く、基材面内でせん断変形しにくい。すなわち、３軸以上の基材においては、強化繊維糸条が６０°以下で存在する領域が必ず形成されてしまうため、基材がせん断変形しようとしてもせん断変形が阻止されて賦形性に劣る領域が大きい。

一方、比較的複雑形状であっても適用可能な、賦形性が高い０°、９０°方向の２方向に強化繊維糸条が配向した２軸基材では、＋４５°方向または−４５°方向に引張ると突っ張る強化繊維が存在せず、かつ、変形を阻止する強化繊維糸条が存在しない角度領域（０〜９０°の範囲）が充分に広いため、大きく基材が変形することができる。すなわち、２軸の基材であれば、せん断変形を阻害する強化繊維糸条を実質的に９０°ずつ配置することができるので、賦形性を向上できる。

さらに考察を進めると、主に基材面内のせん断変形により賦形性が発現しており、２軸の基材がもっとも賦形性を向上できるポテンシャルがあることがわかった。つまり、上述の２軸の基材を複雑形状に賦形しようとすると、基材がシワにならないよう基材面内で変形を吸収し、基材がせん断変形を起こす。２軸の基材においては強化繊維糸条を引き伸ばすより、はるかにせん断変形するほうが簡単であるからである。

以上のように、強化繊維糸条を実質的に直交するように配置した２軸の基材とし、さらにその基材面内でのせん断変形に注目することで賦形性向上の糸口をつかめることを見出したことが、本発明の大きな特徴の一つといえるのである。

なお、１軸の基材の場合は、並行に配された強化繊維糸条同士を結びつける係合材料（例えば補助糸やプリプレグの場合は樹脂）にもよるが、せん断変形よりも係合材料を切ったり伸ばしたり、強化繊維糸条がシワになるほうが簡単である場合が多い。つまり、複雑形状に賦形した際、係合材料が強化繊維糸条同士を繋ぎ止めることができず、強化繊維糸条がばらつき、強化繊維糸条の存在している部分と存在していない部分に分離してしまう、または、強化繊維糸条にシワが発生し、得られるＦＲＰの品位が低下する場合がある。

また、強化繊維糸条が直交しないように２方向に配されている２軸の基材は、せん断変形性に異方性があり、非常に取り扱いにくくなる。

本発明においては、賦形性・取扱性に優れた基材を提供するために、多数本の強化繊維糸条が並行に配列されたシートを複数枚、強化繊維糸条が実質的に直交するように積層してステッチ糸Ａにて一体化するが、強化繊維糸条が実質的に直交とは、複数枚のシートを構成する強化繊維糸条の交差角度が９０±１０°の範囲内となっていることをいう。以降、このような基材を単に２軸ステッチ基材という。

そして、本発明の２軸ステッチ基材は、配列された強化繊維糸条の一方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（A）と、配列された強化繊維糸条の他方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（B）とがいずれも４５〜８０°の範囲内である。賦形限界せん断変形角とは、後述するように、これ以上変形させると面内で変形を飲み込むことが出来ずシワになってしまう基材の賦形限界点であって、無緊張下でシワが発生しない最大のせん断変形角をいう。従来から２軸基材のせん断変形性を定量化する手法としてピクチャーフレーム法やバイアスエクステンション法が用いられている。しかし、これらは基材がせん断変形を起こす際の抵抗、すなわち、基材のせん断剛性を測定するものであり、布帛基材を成形型の上にふわっと置いただけで型に沿うかどうかを示すパラメータといえるものの、賦型は、実際には手で押したり、プレス機などで基材に極めて大きな力を加えながら行われるので、賦型性を表すパラメータとして適切とは言い難い。そこで、本発明においては、上記のような賦形限界せん断変形角を用いる。すなわち、本発明は、賦形限界せん断変形角という指標を見出し、さらには、強化繊維糸条の一方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（A）と、配列された強化繊維糸条の他方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（B）とがいずれもが４５〜８０°の範囲内である２軸ステッチ基材とすれば、一般の多軸ステッチ基材より賦形性が遙かに優れ、例えば二次曲面を有する形状に賦型する際にも、シワを発生したり強化繊維糸条間に隙間を発生しにくいことを見出した。

賦形限界せん断変形角は次のように求められるものである。まず、強化繊維糸条が長辺方向に関して４５°方向と−４５°方向とに配され、かつ、短辺長さＷと長辺長さＬとの比L／Ｗが３となるように、長方形の試験片を切り出す。次にこの試験片の短辺を固定して長辺方向に試験片の引張試験を実施し、最大引張荷重を取得する。さらに同様の試験条件で同水準の試験片に対し、最大引張荷重の２０％にあたる引張荷重を負荷した後、荷重を解放し、対向する２つの長辺の中間点を結んだ線の長さＷ’を測定し、式１に従って得られるせん断変形角を賦形限界せん断変形角θとして得る。

前記測定法を測定法Ｚとし、さらに詳しく測定法Ｚの手順を記述する。

まず、図１の拡大図に示すように、長方形の試験片１を、長辺方向２７を０°とした時に強化繊維が４５°方向２８と−４５°方向２９に配されるよう、調整して切り出す。このとき、長辺長さ２１（L）が３００ｍｍ、短片長さ２３（W）が１００ｍｍとなるようにする。なお、長辺長さＬにはつかみ部長さは含まれておらず、引張荷重を加えるためのつかみ部はクランプ部の大きさに応じて、適宜長さを付け足さなければならない。

また、基材種類によっては２方向のせん断変形性を持つことがあり、その場合同一基材に２つの賦形限界せん断変形角が規定されることになる。したがって、本発明においては、試験片を用意する際に、強化繊維糸条が４５°と−４５°に配向している基材に対して０°方向が長辺となる試験片と、９０°方向が長辺となる試験片の両方を用意しなければならない（以下、単に０°方向の試験片、９０°方向の試験片と記述する）。すなわち、配列された強化繊維糸条の一方向を０°とした試験片と、配列された強化繊維糸条の他方向を０°とした試験片とを用意し、それら２種類の試験片から測定されるそれぞれの賦形限界せん断変形角が、その基材の持つ２方向の賦形限界せん断変形角（Ａ）、（Ｂ）として規定される。

条件を満たした試験片が用意できたら、次に引張最大荷重を計測する。図１に示すように両短辺を完全固定した状態で引張荷重を加える。例えば万能試験機に試験片のつかみ部をクランプした冶具を取り付け、試験片が破断するまで試験片に引張荷重を加える。引張速度は静的な試験となるよう一定速度で１０ｍｍ／ｍｉｎで行う。引張荷重を加えると、図１のように試験片形状が変形する。

図５に強化繊維糸条が炭素繊維で、かつ、後述するような変則トリコット編により一体化された２軸ステッチ基材の０°方向試験片について引張試験の荷重−変位曲線の一例を示す。最大引張荷重３３を取得する引張試験をn=５で実施し、その平均をその水準の最大引張荷重とする。

こうして取得した引張最大荷重３３の２０％の引張荷重３４を別に用意した同水準の試験片に対して加える。試験条件は引張最大荷重３３を取得した時と同等であり、２０％まで引張荷重が達したところで、試験片のクランプを解き、無緊張状態とする。例えば、強化繊維糸条がスポット的に樹脂などで固着されている基材の場合、初期に荷重が大きく上がった後、固着が解かれ荷重が低下する布帛基材もあるが、最初に引張最大荷重２０％を超過した点で負荷を停止する。引張荷重の除荷には圧縮荷重を加えないよう注意して行わなければならない。

除荷後、幾何学的に試験片の幅からせん断変形角を計算できることを利用し、対向する２つの長辺の中間点を結んだ線の長さである試験片中央幅Ｗ’を測定する。図８のように、せん断変形に際して強化繊維糸条１３が糸条単位で移動して糸条端部が連続しなくなり、試験片端部がギザギザになっている場合もあるが、それぞれの強化繊維糸条端部はもともと同一線上に乗っていたので、その移動平均をとり、強化繊維糸条１３の最も出っ張った部分３７とへっこんだ部分３８の中間線３９を試験片長辺端部と認識し、両長辺の中間点を結んだ線の長さＷ’を測定する。測定する際には、測定部に反りやシワがないことが条件になるため、図７のように平坦な台１１の上に最大引張荷重の２０％が負荷された試験片９を載せ、その上からガラス板など透明で平滑な板１２をおいてＷ’を測定する。引張試験後長時間が経過すると強化繊維糸条の変形が回復し幅Ｗ’が大きくなる傾向がある布帛基材もあるため、引張最大荷重の２０％の引張荷重を負荷してから１分後にＷ’の測定を行う。少なくとも最大引張荷重の２０％を負荷した試験片をＮ５で測定し、それらの平均値から賦形限界せん断変形角を得る。

すべての測定手順は室温下（２５℃）で行われる。

±４５°方向における賦形限界せん断変形角が４５°を下回る場合は、複雑な形状の成形型に沿わせた場合に、シワなどが発生しやすく、その結果、幅広い用途には展開できない。そして、本発明においては、配列された強化繊維糸条の一方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（A）と、配列された強化繊維糸条の他方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（B）とが共に４５°以上である必要があるが、いずれか一方の賦形限界せん断変形角が４５°を下回る場合は、その２軸ステッチ基材の賦型性が小さな賦形限界せん断変形角の方によって支配され、結局、複雑な形状の成形型に沿わせた場合にシワなどが発生し易く、幅広い用途には展開できない２軸ステッチ基材となる。一方、２方向の同賦形限界せん断変形角（A）、（Ｂ）の一方でも８０°を上回る場合は、２軸ステッチ基材の形態を維持することが難しく、取扱性に劣るものとなってしまう。後述するように、２軸ステッチ基材におけるせん断変形性の支配因子はステッチ糸Ａにあり、２方向の賦形限界せん断変形角（A）、（Ｂ）がいずれも８０°より大きいということは、ステッチ糸Ａによる拘束が非常にルーズな状態にあることを示している。したがって、本発明の２軸ステッチ基材は、配列された強化繊維糸条の一方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（A）と、配列された強化繊維糸条の他方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（B）とが共に４５〜８０°の範囲内である必要がある。より好ましくは５０〜７０°、更に好ましくは５５〜６５°の範囲内である。

このような本発明の２軸ステッチ基材は、たとえば、多数本の強化繊維糸条が並行に配列されたシートを複数枚、強化繊維糸条が実質的に直交するように積層してステッチ糸Aにて一体化する際に、ステッチ糸Aのステッチ長Ｓａとゲージ長Ｇａとを実質的に同一長にするとともに、ステッチ長Ｓａを３〜５０ｍｍの範囲内とすることで得られる。

すなわち、ステッチ長Ｓａ、ゲージ長Ｇａは２軸ステッチ基材の賦型性および取扱性を左右する重要なパラメータとなる。２軸織物の場合、その材料のせん断変形特性は強化繊維糸条間の間隔により支配されるが、２軸ステッチ基材のせん断変形特性を支配するのはステッチ糸Ａのピッチであり、これが基材の長手方向および幅方向に実質的に同一であるとすれば、２軸ステッチ基材における各ニッティングポイントを等距離間隔に配置することにより、せん断変形性の異方性が小さい組織とすることができる。なお、実質的に同一とは、上述効果に対し支障をきたさない範囲を指しており、具体的にはステッチ長／ゲージ長＝０．９〜１．１の範囲内である。

かかるステッチ長Ｓａとは、２軸ステッチ基材の長手方向におけるステッチの間隔を表しており、すなわち、ループ１コース当たりの距離に相当する。かかるゲージ長Ｇａとは、２軸ステッチ基材の幅方向におけるステッチの間隔を表しており、すなわち、編成幅をウェル数で割返した距離に相当する。

ステッチ長Ｓａは、上述したように、３〜５０ｍｍ程度が好適である。ステッチ長Ｓａが３ｍｍ未満であると、ステッチ糸Ａによる強化繊維糸条の拘束が強くなり、賦型性が損われる場合がある。ステッチ長Ｓａが５０ｍｍを越えると、賦型性は向上するものの、拘束力が低下するため取扱性が悪く、また賦型の際、強化繊維糸条がステッチ内で蛇行したり、偏ったりするといった問題が発生する場合がある。より好ましくは、２軸ステッチ基材を製造する際引き揃えられた強化繊維糸条の元々の幅の１〜５倍程度が良く、ステッチ長Ｓａで言えば４〜２０ｍｍの範囲内がよい。さらに好ましくは５〜１５ｍｍ、とりわけ好ましくは６〜１０ｍｍの範囲内がよい。

なお、従来、ＦＲＰ製造に用いられていた基材は、２軸ステッチ基材の場合、ステッチ糸Aのステッチ長Ｓａとゲージ長Ｇａとが実質的に異なるうえに、一般的にステッチ長Ｓａが小さく、賦形限界せん断変形角が４５°をはるかに下回り、また、もっとも賦形性が高いと言われていた織物の場合でさえ、賦形限界せん断変形角は３０〜４５°程度であった。

また、本発明の２軸ステッチ基材は、１ループあたりのステッチ糸Ａ長さを長くして、ステッチ糸Ａの張力を緩めることでも得られる。適正なループ長を与えることにより、取扱性を低下させることなく、賦形性を向上することが出来る。このとき、例えば大きな伸縮性を有する素材からなるステッチ糸Ａを適用することで、賦形性をさらに向上することが出来る。かかる観点からステッチ糸Ａはスパンデックス（ポリウレタン弾性繊維）や、ポリアミドまたはポリエステル加工糸が好ましい。

本発明においては、賦形限界せん断変形角（Ａ）、（Ｂ）の比が１〜１．２の範囲内であることが好ましい。ここで、大きい方の賦形限界せん断変形角を小さい方の賦形限界せん断変形角で除したものを比として用いる。２種類の賦形限界せん断変形角の比が１．２を超える場合、せん断変形性の異方性が強くなり、均一に変形が起きにくく賦形が難しい場合がある。１〜１．１の範囲内であると、せん断変形性の異方性が最小限に抑えられるため、とりわけ好ましい。

本発明の２軸ステッチ基材において、賦形限界せん断変形角（Ａ）、（Ｂ）の比を１〜１．２の範囲内とするためには、例えばステッチ糸Ａの編組織として、１／１トリコット編や鎖編と１／１トリコット編とを複合した図３に示すような変則１／１トリコット編などを選択すればよい。

また、図２に示すような最も一般的な鎖編で一体化した＋４５°／−４５°基材では、ステッチ糸Ａが鎖状に連続している方向に引張る０°方向試験片とステッチ糸Ａが入っていない方向に引張る９０°方向試験片とでは、前者が非常に小さい賦形限界せん断変形角を示すのに対し、後者は非常に大きな賦形限界せん断変形角を示す。そのため、かかる賦形限界せん断変形角の比が１．２より大きくなってしまう。しかしながら、例えば１ループあたりのステッチ糸Ａ長を長くし、好ましくは１ループあたりのステッチ糸Ａ長を長くするとともに大きな伸縮性を有する素材からなるステッチ糸Ａを適用し、さらに、ステッチ糸Ａのステッチ方向と直交する方向に挿入糸を挿入することで、賦形限界せん断変形角（Ａ）、（Ｂ）の比を１〜１．２の範囲内にすることができる。すなわち、０°方向試験片において、ステッチ糸Ａが突っ張り変形を阻害していたところ、かかる１ループあたりのステッチ糸Ａ長を長くし、好ましくは１ループあたりのステッチ糸Ａ長を長くするとともに大きな伸縮性を有する素材からなるステッチ糸Ａを適用することにより、基材はより変形しやすくなり、賦形限界せん断変形角を向上することが出来る。一方、９０°方向試験片において、阻害するステッチ糸がなくだらだらと変形していたところ、挿入糸を挿入することにより変形を阻害し、０°方向試験片の賦形限界せん断変形角と同程度に調整することが出来る。かかる挿入糸は２軸ステッチ基材の形態安定および取扱性も向上することが出来る。かかる挿入糸は、ＦＲＰにおいて実質的に強度を担う必要はなく、挿入糸の繊度は１０〜２００ｔｅｘの繊度であるのが好ましい。かかる範囲より小さいと、形態安定および取扱性の向上効果が充分ではなくなる場合がある。一方、かかる範囲より大きいとＦＲＰの重量が重くなり過ぎる場合がある。

さらに、本発明においては、強化繊維糸条が基材の長手方向に関して０°方向および９０°方向に配向されている構成が好ましい。かかる構成の場合、ステッチを施す装置の性質上、せん断変形を起こす方向（±４５°方向）にステッチ糸Ａが連続的に存在させることができないため、無理なく賦形性を向上できる構成とできる。例えば、図３の矢印４０が示す基材の長手方向に関して０°、９０°と強化繊維糸条を配列した後、変則１／１トリコット編により一体化すると、本発明の効果を最大限に発現することができるため、本発明における好ましい態様といえる。

このような本発明の２軸ステッチ基材は、一般の織物基材と同様に多くの積層パターンに対応でき、かつ、一般の多軸ステッチ基材より取扱性が遙かに優れ、織物基材と同等もしくはそれ以上の賦形性を有することから、適用用途の広い工業的な基材となる。

本発明で用いる強化繊維糸条の種類としては、ＦＲＰ用の強化材となるものであれば特に制限はなく、例えば、炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維、および、アラミド、パラフェニレンベンゾビスオキサゾール、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリアリレート等の有機繊維等が挙げられ、これらの１種または２種類以上を併用することができる。中でも、炭素繊維は、比強度・比弾性率に優れ、好ましく用いられる。

本発明で用いるステッチ糸Ａの種類としては、例えば、ポリエステル、ポリアミド、ポリエチレン、ビニルアルコール、ポリフェニレンサルファイド、ポリアラミド、ポリウレタン、それらの組成物等から選ぶことができる。本発明における最大の課題である賦形性を最大限に向上するためには、ステッチ糸Ａ自体が大きな伸縮性を有するのが好ましく、かかる観点からスパンデックス（ポリウレタン弾性繊維）や、ポリアミドまたはポリエステル加工糸が好ましい。また、ステッチ糸Ａの形態としては、モノフィラメント糸、マルチフィラメント糸、それらの加工糸（捲縮糸、合糸、カバリング糸など）、紡績糸などいずれであってよいが、好ましくは基材表面の平滑性を得るためにマルチフィラメント糸であるのが好ましい。マルチフィラメント糸であれば、賦形時や成形時に加圧することで、マルチフィラメントの配列位置が移動し、マルチフィラメント糸の厚みを薄くすることができる。更に好ましくは、マルチフィラメント糸の加工糸（捲縮糸、合糸、カバリング糸など）である。かかる加工糸にすることにより、上述の通りステッチ糸Ａ自体が大きな伸縮性を有するものとなる。具体的には、スパンデックスに低融点繊維をカバリングした加工糸などが挙げられる。

挿入糸としては共重合ポリエステル、共重合ポリアミド、共重合ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、ポリエチレン、ビニルアルコール、ポリフェニレンサルファイド、ポリアラミド、それらの組成物等からなる有機繊維、もしくは炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、金属繊維などの無機繊維、さらには、それらの混合糸から選ぶことができるが、価格の面からガラス繊維であるのが好ましい。

上記した本発明の２軸ステッチ基材は、平面や一次曲面の形状はもちろんのこと、特に二次曲面を有する形状のプリフォームに賦型するときにその効果を発揮する。二次曲面とは、例えば半球状などの形状を指し、一次曲面のように、単純に曲線を一方向に押し出したような形状ではない複雑形状を指す。従来の多軸ステッチ基材を用いた場合は、例えば３００ｍｍ以下の曲率を有する二次曲面の形状に賦型する場合はシワや間隙が生じ、賦型は困難であった。しかしながら、本発明の２軸ステッチ基材を１組もしくは複数組用いてプリフォームを成形する場合には、２軸ステッチ基材が上述の特徴を有することから、曲率の小さい二次曲面の形状にもシワや間隙がなく賦型でき、良好な品位のプリフォームを得ることができるのである。

複数組の２軸ステッチ基材を用いてプリフォームを構成する場合は、２軸ステッチ基材を積層し、積層した２軸ステッチ基材同士の間に係合材料を配置して一体化するのが好ましい。係合材料としては、後述するような固着材料を使うと２軸ステッチ基材をニードルなどでこれ以上損傷させることがないので好ましい。また、選定する固着材料の種類によっては、耐衝撃性を高める機能を果たし、２軸ステッチ基材間（層間）で生じるクラックのストッパーの機能を果たす。更には、マトリックス樹脂が流れるための流路を形成する機能も果たし、含浸性をも向上させることができる。

かかる固着材料の形態としては、粒子、カットファイバー、織物、編物、不織布およびメッシュから選ばれる少なくとも１種であるのが好ましい。中でも粒子またはカットファイバーであると固着材料が不連続状であるためプリフォームへの賦型性に優れ、本発明の効果を最大限に発現することができる。また、その種類としては、例えばエポキシ、フェノール、ビニルエステル、不飽和ポリエステル、それらの組成物等の熱硬化性樹脂や、ポリビニルホルマール、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルスルフォン、ポリエーテルイミド、共重合ポリエステル、共重合ポリアミド、共重合ポリオレフィン、それらの組成物等の熱可塑性樹脂や、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との組成物等を使用できる。

また、別の視点からは、複数組の２軸ステッチ基材をステッチ糸Ｂにて一体化することも好ましい。ステッチ糸で複数組の２軸ステッチ基材を一体化する場合、２軸ステッチ基材をニードルで若干損傷させる場合があり得るが、プリフォームとしての取扱性が格段に向上するだけでなく、マトリックス樹脂が流れるための流路を厚み方向に確実に形成することができ、含浸性をとりわけ向上させることができる。

（使用した基材）
賦形限界せん断変形角を測定する、強化繊維糸条が２方向に配列し、かつ直交している基材として、以下の５種類のものを用意した。
Ａ．平織基材ＣＯ６３４３Ｂ（東レ社製）：炭素繊維フィラメントが３０００本束ねられた糸条が２軸に直交している、平織組織の織物。
Ｂ．平織基材ＢＴ７０−３０（東レ社製）：炭素繊維フィラメントが１２０００本束ねられた糸条が２軸に直交して平織組織した織物。
Ｃ．２軸ステッチ基材Ｃ：炭素繊維フィラメントが２４０００本束ねられた糸条が＋４５°／−４５°の２層に引き揃えられ、ゲージ長Ｇａが５ｍｍ、ステッチ長Ｓａが２．３ｍｍで鎖編により一体化されている＋４５°／−４５°ステッチ基材。ステッチ糸Ａとしてポリエステルマルチフィラメント糸を用いた。
Ｄ．２軸ステッチ基材Ｄ：炭素繊維フィラメントが２４０００本束ねられた糸条が０°／９０°の２層に引き揃えられ、ゲージ長Ｇａが５ｍｍ、ステッチ長Ｓａが２．３ｍｍで変則１／１トリコット編で一体化されている０°／９０°ステッチ基材。ステッチ糸Ａとしてポリエステルマルチフィラメント糸を用いた。
Ｅ．２軸ステッチ基材Ｅ：炭素繊維フィラメントが２４０００本束ねられた糸条が０°／９０°の２層に引き揃えられ、ゲージ長Ｇａが２．３ｍｍ、ステッチ長Ｓａが２．３ｍｍで変則１／１トリコット編で一体化されている０°／９０°ステッチ基材。ステッチ糸Ａとしてポリエステルマルチフィラメント糸を用いた。
Ｆ．２軸ステッチ基材Ｆ：炭素繊維フィラメントが２４０００本束ねられた糸条が０°／９０°の２層に引き揃えられ、ゲージ長Ｇａが５５ｍｍ、ステッチ長Ｓａが５５ｍｍで変則１／１トリコット編で一体化されている０°／９０°ステッチ基材。ステッチ糸Ａとしてポリエステルマルチフィラメント糸を用いた。
Ｇ．２軸ステッチ基材Ｇ：炭素繊維フィラメントが２４０００本束ねられた糸条が０°／９０°の２層に引き揃えられ、ゲージ長Ｇａが３ｍｍ、ステッチ長Ｓａが３ｍｍで変則１／１トリコット編で一体化されている０°／９０°ステッチ基材。ステッチ糸Ａとしてポリエステルマルチフィラメント糸を用いた。
Ｈ．２軸ステッチ基材Ｈ：炭素繊維フィラメントが２４０００本束ねられた糸条が０°／９０°の２層に引き揃えられ、ゲージ長Ｇａが５ｍｍ、ステッチ長Ｓａが５ｍｍで変則１／１トリコット編で一体化されている０°／９０°ステッチ基材。ステッチ糸Ａとしてポリエステルマルチフィラメント糸を用いた。
Ｉ．２軸ステッチ基材Ｉ：炭素繊維フィラメントが２４０００本束ねられた糸条が０°／９０°の２層に引き揃えられ、ゲージ長Ｇａが１０ｍｍ、ステッチ長Ｓａが１０ｍｍで変則１／１トリコット編で一体化されている０°／９０°ステッチ基材。ステッチ糸Ａとしてポリエステルマルチフィラメント糸を用いた。
Ｊ．２軸ステッチ基材Ｊ：炭素繊維フィラメントが２４０００本束ねられた糸条が０°／９０°の２層に引き揃えられ、ゲージ長Ｇａが５０ｍｍ、ステッチ長Ｓａが５０ｍｍで変則１／１トリコット編で一体化されている０°／９０°ステッチ基材。ステッチ糸Ａとしてポリエステルマルチフィラメント糸を用いた。
Ｋ．２軸ステッチ基材Ｋ：炭素繊維フィラメントが２４０００本束ねられた糸条が＋４５°／−４５°の２層に引き揃えられ、ゲージ長Ｇａが５ｍｍ、ステッチ長Ｓａが５ｍｍで鎖編により一体化されている＋４５°／−４５°ステッチ基材。ステッチ糸Ａとしてスパンデックスを用い、実質的に無張力状態で強化繊維を一体化する一方、ステッチ糸Ａのステッチ方向と垂直方向に４５ｔｅｘ（ＥＣＥ２２５１／２）のガラス繊維からなる挿入糸を配した
Ｌ．２軸ステッチ基材Ｌ：炭素繊維フィラメントが２４０００本束ねられた糸条が０°／４５°の２層に引き揃えられ、ゲージ長Ｇａが５ｍｍ、ステッチ長Ｓａが５ｍｍで変則１／１トリコット編で一体化されている０°／４５°ステッチ基材。ステッチ糸Ａとしてポリエステルマルチフィラメント糸を用いた。
Ｍ．多軸ステッチ基材Ｍ：炭素繊維フィラメントが２４０００本束ねられた糸条が４５°／０°／−４５°／９０°の４層に引き揃えられ、ゲージ長Ｇａが５ｍｍ、ステッチ長Ｓａが２．３ｍｍで鎖編で一体化されている４５°／０°／−４５°／９０°ステッチ基材。ステッチ糸Ａとしてポリエステルマルチフィラメント糸を用いた。
Ｎ．非拘束シートＮ：炭素繊維フィラメントが２４０００本束ねられた糸条が０°／９０°の２層に引き揃えてシート状にしただけの非拘束のシート
（実施例１〜５）
上記Ｇ〜Ｋの基材に対して、測定法Ｚを適用して賦形限界せん断変形角を測定した。すべての試験手順は室温（２５℃）中で実施し、詳細は以下のとおりであった。

強化繊維糸条が２方向に配向した布帛基材から、１００ｍｍ×３４０ｍｍ（内、両端のつかみ部がそれぞれ１００ｍｍ×２０ｍｍ）の長方形状の試験片を２種類切り出した。１種類は、強化繊維方向を４５°と−４５°として、０°方向に長辺、９０°方向に短辺を取った試験片（０°方向試験片）、もう１種類は、強化繊維方向を４５°と−４５°として、９０°方向に長辺、０°方向に短辺を取った試験片（９０°方向試験片）で、それぞれ１０枚ずつ切り出した。

引張最大荷重を測定するため、試験片を万能試験機ＩＮＳＴＲＯＮ５５６６にセットした。長方形の試験片の短辺を両方、長手方向に２０ｍｍ設けたつかみ部でチャックに完全固定し、図１のように長辺長さＬ、すなわちチャック間２１が３００ｍｍ、短辺長さＷ、すなわち試験片幅２３が１００ｍｍとした。引張速度が１０ｍｍ／ｍｉｎとなるように試験片を一定速度で引張った。万能試験機から出力された変位と荷重との関係を見比べながら、最大引張荷重を測定した。続けて同様の試験を行い、各基材の０°方向試験片および９０°方向試験片に対してそれぞれｎ＝５で測定を行い、それらの平均から最大引張荷重を測定した。図６に２軸ステッチ基材Ｈの０°方向試験片の荷重−変位曲線を示した。

次に、各水準残りの５枚の試験片に対し、最大引張荷重の２０％を同様の試験により負荷した。荷重が２０％に達したところで、下部チャック、上部チャックの順に試験片のつかみ部を解放し、図７のような平滑な台１１の上に試験片９を置いてガラス板１２でその試験片を挟んだ。このようにして、対向する２つの長辺の中間点を結んだ線の長さＷ’を荷重除荷後１分経過した時点で測定した。その際、長辺端部のギザギザは図８の基準に従い、強化繊維糸条端部１３の最も出っ張った部分３７と引っ込んだ部分３８の中間線３９を長辺端部と認識し、Ｗ’の測定を行った。

こうして測定された最大引張荷重、Ｗ’から、式１より各方向における賦形限界せん断変形角θを求めた。結果を表１に示す。２軸ステッチ基材Ｇは、ゲージ長Ｇａとステッチ長Ｓａが等しく３ｍｍという編組織になっており、０°方向試験片、９０°方向試験片ともに賦形限界せん断変形角が４５°であり、等方的なせん断変形を起こした。また、2軸ステッチ基材Ｈは、ゲージ長Ｇａ、ステッチ長Ｓａがそれぞれ等しく５ｍｍであり、０°方向試験片、９０°方向試験片ともに賦形限界せん断変形角は５５°と大きく、従来、賦型性に優れているといわれていた平織物と同等以上の賦形性が得られるものであった。２軸ステッチ基材Ｉ、Ｊは２軸ステッチ基材Ｇ、Ｈに比べ、さらにゲージ長Ｇａおよびステッチ長Ｓａをそれぞれ、１０ｍｍ、５０ｍｍと大きくした編組織となっており、それぞれ０°方向試験片、９０°方向試験片ともに賦形限界せん断変形角が６５°、７９°と大きく賦形性が向上した。ただし、ゲージ長Ｇａおよびステッチ長Ｓａが大きくなるとともに取扱性が若干低下する傾向があった。２軸ステッチ基材Ｋは鎖編で一体化されており、基材Ｇ〜Ｊと編組織が異なるものの、０°方向試験片、９０°方向試験片、それぞれの賦形限界せん断変形角が４６°、４９°と賦形限界せん断変形角の比は１．０７と十分等方的なせん断変形性を見せた。また、いずれの賦形限界せん断変形角も４５°以上であり、十分な賦形性を有すると共に、挿入糸を挿入したことにより、取扱性も高かった。

（実施例６〜１０）
図９のように半球状の型１７への２軸ステッチ基材Ｇ〜Ｋの賦形を行い、実施例１〜５で賦形限界せん断変形角が０°方向、９０°方向いずれも４５°以上と平織物以上であった２軸ステッチ基材Ｇ〜Ｋの賦形性が高いことを確認した。

半球の直径は２００ｍｍであり、５００×５００ｍｍに切り出した２軸ステッチ基材１４を２１０ｍｍ直径の穴が空いたプレート１５と１６で挟み込み、半球状の型１７に押しつけた。

その結果、いずれの２軸ステッチ基材も、プレート１５と１６の間で滑りながら、型１７に賦形された。また、表２に示すように、２軸ステッチ基材Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｋに関しては、賦形後も基材にシワや厚み方向のうねりは発生せず、きれいな外観を得ることが出来た。２軸ステッチ基材Ｊについては若干の繊維蛇行が見られた。表２にそれぞれの基材の賦形後の外観について示した。

（比較例１〜６）
実施例１〜５と同様に、A〜Ｆの基材に対して、測定法Ｚを適用して賦形限界せん断変形角を測定した。測定された賦形限界せん断変形角を表３にまとめた。また、図４のａ）、ｂ）に２軸ステッチ基材Ｃの０°方向試験片、９０°方向試験片の、図５に２軸ステッチ基材Ｄの０°方向試験片のそれぞれの荷重−変位曲線を示した。

従来、賦形性が高いとされていた基材Ａ，Ｂは０°方向試験片、９０°方向試験片何れも４５°を下回る賦形限界せん断変形角を有していた。一方、２軸ステッチ基材Ｃは、０°方向と９０°方向で賦形限界せん断変形角が大きく異なるという結果が得られた。０°方向の場合には、図２ａ）に示すように、引張方向に鎖編が施されており、ステッチ糸自体が突っ張って抵抗となり変形を妨げていたため、低い賦形限界せん断変形角となった。一方、９０°方向の場合には、図２ｂ）が示すように引張方向と垂直に鎖編が施されており、変形を阻害するものが存在しないため、だらだらと変形した。２軸ステッチ基材Ｄは０°方向と９０°方向の賦形限界せん断変形角が同じであり、ステッチ糸Ａの編組織によっては平織物と同様に等方的なせん断変形が可能であることがわかったが、いずれも４５°を下回る賦形限界せん断変形角を有していた。２軸ステッチ基材Ｅも０°方向と９０°方向の賦形限界せん断変形角が同じであったが、ステッチ長およびゲージ長がいずれも２．３ｍｍと小さいため、強化繊維に対する拘束が強く、３３°とそれほど高くない賦形限界せん断変形角を示した。さらに２軸ステッチ基材Ｆはステッチ長およびゲージ長がいずれも５５ｍｍと大きく、０°方向と９０°方向の賦形限界せん断変形角８１°と大きく、賦形性は高いと思われるが、ステッチ糸による拘束が小さすぎて取扱性が非常に悪かった。

（比較例７〜１５）
実施例６〜１０と同様に、A〜Ｆの基材及びＬ〜Ｎの基材について、図９に示した半球状の型１７への賦形を行い、賦形性を検証した。表４にそれぞれの基材の賦形後の外観についてまとめた。平織基材である基材A、Ｂおよび２軸ステッチ基材Ｄ、Ｅは、いずれもほとんどの領域できれいに賦形出来ていたが、半球の縁のあたりで若干のシワや厚み方向のうねりが発生していた。２軸ステッチ基材Ｃについては、全面にシワが発生し、全く賦形出来なかった。２方向の賦形限界せん断変形角が異なる場合、低い賦形限界せん断変形角で賦形性が決まってしまうと推測された。２軸ステッチ基材Ｆについては、全面に賦形することが出来たが、繊維蛇行が大きく、一部で目隙が生じた。２軸ステッチ基材Ｌについては、ほとんどの領域できれいに賦形出来ていたが、半球の縁のあたりで若干のシワや厚み方向のうねりが発生した。またせん断変形性に異方性があり、一方向にのみ大きな変形がおこり、結果目隙が発生した。多軸ステッチ基材Ｍについては、全面にシワが発生し、全く賦形出来なかった。せん断変形を妨げる方向に強化繊維が配向していることが原因と考えられた。非拘束シートＮについては、せん断変形が起きず、強化繊維同士の繋がりもないため、シートに大きな割れが生じ、目隙となった。

本発明にかかる２軸ステッチ基材およびプリフォームは、ＦＲＰ型、輸送機器（自動車、船舶、航空機、自転車など）、スポーツ用品および構造物の補修・補強をはじめ、その他の一般産業に用いられるＦＲＰの強化材として好適に用いられ、とりわけ輸送機器等の構造部材に好適である。

賦形限界せん断変形角の測定法Ｚの模式図である。一般的な鎖編で一体化した＋４５°／−４５°基材の賦形限界せん断変形角測定時の様子を示す模式図である。本発明の２軸ステッチ基材の一実施態様を示す模式図である比較例で用いた２軸ステッチ基材Ｃの測定法Ｚにおける荷重−変位曲線の一例である。比較例で用いた２軸ステッチ基材Ｄの測定法Ｚにおける荷重−変位曲線の一例である。実施例で用いた２軸ステッチ基材Ｈの測定法Ｚにおける荷重−変位曲線の一例である。賦形限界せん断変形角の測定法Ｚにおける一工程を示す模式図である。賦形限界せん断変形角の測定法Ｚにおける一工程を示す模式図である。実施例、比較例における各種基材の賦形試験の様子を示す模式図である。

符号の説明

１測定法Ｚの試験前試験片形状
２測定法Ｚの試験中試験片形状
３せん断変形が起きている部位（網掛部）
４鎖編の２軸ステッチ基材
５鎖編のステッチ糸Ａ
６０°方向強化繊維糸条
７９０°方向強化繊維糸条
８変則１／１トリコット編のステッチ糸Ａ
９測定法Ｚで最大引張荷重の２０％を負荷された後の試験片
１０測定法Ｚの試験片つかみ部
１１平坦な台
１２透明で平滑な板
１３強化繊維糸条
１４基材
１５押さえ治具上プレート
１６押さえ治具下プレート
１７半球状の賦形型
２１測定法Ｚの試験片長辺長さＬ
２２測定法Ｚの試験片の変位量
２３測定法Ｚの試験片短辺長さＷ
２４測定法Ｚの試験中の対向する２つの長辺の中間点を結んだ線の長さ
２５測定法Ｚの引張試験前の強化繊維方向
２６測定法Ｚの引張試験中の強化繊維方向
２７測定法Ｚの試験片長辺方向（０°方向）
２８測定法Ｚの試験前試験片の強化繊維方向（４５°方向）
２９測定法Ｚの試験前試験片の強化繊維方向（−４５°方向）
３０測定法Ｚの試験前試験片の２方向の強化繊維のなす角（９０°）
３１ゲージ長Ｇａ
３２ステッチ長Ｓａ
３３測定法Ｚで測定した最大引張荷重
３４測定法Ｚで測定した最大引張荷重の２０％
３５測定法Ｚにおいて試験片の対向する２辺の長辺の中間点を結んだ線
３６測定法Ｚにおいて試験片の対向する２辺の長辺の中間点を結んだ線の試験後の幅Ｗ’
３７強化繊維糸条の最も出っ張った線
３８強化繊維糸条の最もへっこんだ線
３９強化繊維糸条の最も出っ張った線３７と強化繊維糸条の最もへっこんだ線３８との中間線
４０基材長手方向

Claims

多数本の強化繊維糸条が並行に配列されたシートを複数枚、強化繊維糸条が実質的に直交するように積層してステッチ糸Aにて一体化した２軸ステッチ基材であって、ステッチ糸Aのステッチ長Ｓａとゲージ長Ｇａとが実質的に同一であり、かつステッチ長Ｓａが３〜５０ｍｍの範囲内であり、配列された強化繊維糸条の一方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（A）と、配列された強化繊維糸条の他方向を０°とした場合の±４５°方向における賦形限界せん断変形角（B）とがいずれも４５〜８０°の範囲内である２軸ステッチ基材。
ステッチ糸Ａの編組織が、変則１／１トリコット編である、請求項１に記載の２軸ステッチ基材。
ステッチ糸Ａの編組織が鎖編であり、かつ、ステッチ糸がスパンデックス糸である、請求項１に記載の２軸ステッチ基材。
シートは、強化繊維糸条が２軸ステッチ基材の長手方向に関して０°または９０°に配向するように積層されている、請求項１〜３のいずれかに記載の２軸ステッチ基材。
請求項１〜４のいずれかに記載の２軸ステッチ基材が二次曲面を有する形状に賦型されているプリフォーム。
複数組の２軸ステッチ基材を含み、かつ、それら複数組の２軸ステッチ基材は、それら複数組の２軸ステッチ基材を縫合するステッチ糸Ｂ、および／または、それら複数組の２軸ステッチ基材の間に配置され固着する、粒子、カットファイバー、織物、編物、不織布およびメッシュからなる群から選ばれる少なくとも１種の材料で係合されている、請求項５に記載のプリフォーム。