JPH0754241A - 複合材成形用の基布 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は目ずれおよび／または取扱い性に
優れた複合材成形用の基布を提供しようとするものであ
る。複合材成形用の基布を構成する経糸と緯糸の組成と
糸径比を特定することによって基布の特性を改善しよう
とするものである。 【構成】 複合材料を成形するための基布は下記の内容
で構成される。（１）緯糸は熱可塑性重合体から作られ
た合成繊維であること、（２）緯糸は高い強力および高
い弾性率を持つＰＢＺ繊維と前記の持つ可塑性の合成繊
維とが混繊されていること、（３）経糸と緯糸の繊度の
比率が５．０以上であること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は目ずれが小さく取扱い
性の良好な複合材成形用の基布に関する。さらに詳しく
は成分および糸条径の比率が特定された糸条を経糸と緯
糸にして製織することにより従来にない優れた取扱い性
と高い複合材成形体物性の得られる基布に関する。

【０００２】

【従来の技術】複合材成形体は優れた機械的性能を有し
ており重要な産業用資材として期待されている。通常、
複合材成形体は強化材である繊維素材を常温で流動性が
良好な熱硬化性樹脂をマトリックスにして一体化され
る。しかし、この成形法は成形所要時間、主として熱硬
化時間が長いため生産性が問題とされ、近年この欠点を
改善するため熱可塑性重合体をマトリックスとした複合
材成形体の開発が進められている。例えば特開昭６０−
５６５４５号公報は補強繊維と熱可塑性重合体からなる
繊維を合糸して糸条となし、該糸条を製織して得た布帛
を熱処理して複合材成形体とする技術を開示している。
この場合糸条は混繊状態にないため布帛を加熱溶融溶融
する際にマトリックス材が補強繊維に均一に溶融・浸透
する保障はない。特開昭６０−２０９０３３号公報は補
強繊維へのマトリックス材の溶融浸透性の改善を図るた
め熱可塑性重合体からなる繊維と補強繊維とを単繊維で
均一混合する方法を提案している。しかし、複合材に成
形するときの取扱性を良くするためまず布帛に製編織さ
れる。この複合糸は巻返工程や製編織工程で損傷を受け
やすいか、また緯糸と経糸に使用するため熱可塑性重合
体からなる繊維量が増えて複合材成形体の物性が低下す
る、等の欠点を有している。特開昭６３−６６３６２号
公報では熱融着糸を巻き付けた補強繊維を含む経糸を一
方向に配列させ、次いで熱融着糸を巻き付けた緯糸を重
ね合わせた後に熱接着処理して両糸条を固定して布帛と
する技術が開示されている。この技術には製織と熱接着
処理を同時または連続して行わないと布帛の目ずれを生
じやすいため取扱い難く、また熱融着糸を使用するため
成形した複合材の物性が損なわれる、等の問題点があ
る。

【０００３】補強繊維を含む経糸を一方向に配列させて
トリコツト編み等で相互位置を固定した基布も公知であ
るが製編時に編針によって補強繊維の摩擦による損傷の
ため、得られる基布は強度が低下しやすい。また２軸以
上の多軸織物も公知であり、この織物は一般的に経糸と
緯糸の糸径および両糸条の物性等に大差がないことから
経糸と緯糸の交差は安定であり目ずれは生じにくく加工
性も良好である。しかし、織りクリンプによって補強繊
維が屈曲するため強力利用率が低下するという問題点が
ある。特開平３−６９６２８号公報は経糸に対する緯糸
の糸径比率を１０倍以上とすることで補強繊維が織りク
リンプのために屈曲変形を受けて強力利用率が低下する
ことの防止を図っている。しかし、緯糸と経糸の糸径比
が１０倍以上と大きいため経糸と緯糸の交差は不安定で
あり目ずれを生じやすい。目ずれを防ぐたには高い熱接
着性を有する熱可塑性重合体からなる糸条を多量に使用
する必要があり、複合材としたとき物性が損なわれやす
い。したがって本質的な解決につながるものではない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術の上
記欠点を解消し、目ずれが小さく優れた物性の複合材が
得られる複合材成形用の基布を提供することである。本
発明者らは複合材成形用の基布を構成する素材として従
来より使用されてきた補強繊維および熱可塑性の合成繊
維の組み合わせ、布帛組織と形態保持性および複合材成
形体の物性を詳細に検討した結果、従来になかった高物
性と耐熱性を有する合成繊維を補強繊維とすることで前
記欠点が大幅に改善されることを知見し本発明に到達し
た。

【０００５】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、経糸に
融点が３００℃以下の熱可塑性合成繊維を、緯糸にポリ
ベンザゾール繊維と前記熱可塑性合成繊維とを重量比率
（％）で２０：８０〜８０：２０の割合に混合した複合
糸であって経糸の５倍以上の繊度を有する糸条を配して
構成された複合材成形用の基布。

【０００６】以下、本発明をさらに詳細に説明する。ま
ず経糸の全成分と緯糸の一成分を構成する繊維は熱接着
性を有する熱可塑性重合体からなる合成繊維を使用す
る。ここで経糸の全成分と緯糸の一成分に異種の熱可塑
性重合体の合成繊維を用いて製織すると得られる布帛の
熱接着処理時に相分離を生じやすくなるため、同種の合
成繊維を使用することが好ましい。例えばポリエチレン
テレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリ
エステル類の合成繊維、ナイロン６、ナイロン６６、ナ
イロン４６等のポリアミド類の合成繊維、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン等のポリオレフィン類の合成繊維、
等の融点が３００℃以下の溶融可能な熱可塑性合成繊維
を対象とすることができる。ここで目どめ用の熱処理を
施す時の熱可塑性合成繊維の熱劣化、さらに複合材成形
体とした後のマトリックス樹脂との接着性等を考慮する
とポリエチレンテレフタレート繊維が最も好ましい。さ
らに製織時に緯糸に発生する織りクリンプ、基布を熱処
理するときの形態保持等の点で熱可塑性の合成繊維の物
性は重要であり、伸度（ＤＥ）２５％以上で、かつ乾熱
収縮率１０％以下で且つ最大熱応力０．５ｇ／ｄ以下で
あることが好ましい。熱可塑性の合成繊維を全成分にし
た経糸の伸度が３０％未満では製織時の張力を吸収する
ことが困難であり、緯糸に織りクリンプが発生しやすく
なる。同様に熱可塑性合成繊維を全成分にした経糸の乾
熱収縮率が１０％より大きくかつ収縮応力が０．５ｇ／
ｄを越える場合にはポリベンザゾール繊維（ＰＢＺ繊
維）の物性と繊度にも依存するが布帛に熱処理を施して
経糸を溶融する過程で収縮力によって緯糸に織りクリン
プを生じやすくなるため好ましくない。

【０００７】ＰＢＺ繊維を補強材として使用したとき該
繊維が最大強力を発揮する前にマトリックス成分の破壊
が起こると複合成形体の強化にはつながらない。したが
ってＰＢＺ繊維の伸度は使用する熱可塑性重合体からな
る繊維（マトリックス材）の特性にもよるが低い方が好
ましく具体的には４％以下とすることが好ましい。該Ｐ
ＢＺ繊維の伸度が４％を越えるとＰＢＺ繊維の最大強力
を有効に利用することができなくなる。当然のことなが
らＰＢＺ繊維の強度は複合材成形体の強度にも反映され
るから繊維の強度は高い方が好ましく、この要件を満た
すＰＢＺ繊維は４．０ＧＰａ以上の引張強度を有する点
で好適な素材である。

【０００８】またこの発明では熱可塑性重合体からなる
合成繊維を溶融・固化させてマトリックス成分を形成さ
せるため前記補強繊維は熱可塑性重合体の合成繊維の融
点より１０℃以上高い融点ないし分解温度を持ち、熱的
に安定でなければ複合材成形体となつた時に補強繊維と
しての機能が低下する。かかる観点からＰＢＺ繊維の熱
分解温度は６７０℃以上と極めて高いため本発明に適用
可能な前記熱可塑性合成繊維の範囲は極めて広く熱劣化
の問題は生じにくい。

【０００９】緯糸として使用される糸条はマトリックス
の含浸性をより高めるために前記ＰＢＺ繊維に熱可塑性
合成繊維を混繊することが好ましい。緯糸として用いる
糸条の混繊方法には特に制限はなく通常公知の方法が利
用できる。中でも電気または流体を使用して繊維を開繊
した状態で混繊する方法等が特に好ましい。ここで混繊
する繊維成分は複合材成形体の特性に大きく影響するか
ら、下記式で定義される重量比率を２０：８０から８
０：２０の範囲にすることが肝要である。

【００１０】Ｗ＝（ＤA ×ＦA ）／〔（ＤA ×ＦA ）＋
（ＤB ×ＦB ）〕×１００ ＤA ： 熱可塑性合成繊維の繊度 ＦA ： 熱可塑性合成繊維のヤーン数 ＤB ： ＰＢＺ繊維の繊度 ＦB ： ＰＢＺ繊維のヤーン数

【００１１】熱可塑性繊維の占める重量比率が２０％未
満では布帛を熱処理したとき均一に溶融・浸透しにく
い。一方、熱可塑性繊維の占める重量比率が８０％を越
えると補繊維の量が低下することになり複合材成形体の
特性が低下する。また当該複合糸内の成分繊維の分散状
態は目ずれおよび補強効果の点で重要な因子であり分散
度は高い方が好ましく、少なくとも２５％以上が必要で
ある。該複合糸の分散度が２５％未満の場合には熱可塑
性合成繊維を溶融・固化させて複合材成形体としたとき
マトリックス成分のＰＢＺ繊維への浸透が不均一とな
り、荷重を負荷したとき相間が剥離しやすくなり補強材
の効果が低下する。また緯糸に使用する熱可塑性合成繊
維の乾熱収縮率も目ずれ防止に重要な因子であり、１０
％以下であることが好ましい。１０％を越える乾熱収縮
率を有する糸条を緯糸に用いると溶融の際に補強繊維の
固定が不十分となり補強繊維の一部が拡がったり、たる
んだりする。これを防ぐ別の手段として乾熱収縮率に見
合うだけ複合糸の単位長さ当たりの長さに対する熱可塑
性合成繊維の長さを混繊段階で予め短く（糸長差を付与
する）設定してもよい。また織りクリンプの発生を抑制
する観点からも少なくとも１４０ＧＰａの初期弾性率を
有するＰＢＺ繊維が好適である。

【００１２】次にこの発明の基布を構成する経糸と緯糸
の太さ（繊度）について記述する。繊度の比率は織りク
リンプに関係する重要な因子であり、緯糸の繊度は少な
くとも経糸の５倍以上でなければならない。５倍未満で
は交錯点の固定は確実になるものの製織を行った際に経
糸の張力を受けて緯糸にクリンプを生じやすくなる。緯
糸に織りクリンプを含む布帛は加熱溶融した際にその形
態を保持したままマトリツクス材によって固定され、複
合材成形体内における補強効果が低下する。

【００１３】このようにして組成と構成を特定した緯糸
と経糸を用いて製織するが補強用繊維を含む緯糸を挿入
する際に該緯糸に損傷を与えないことが肝要であり、片
レピア織機等を使用するのが好ましい。

【００１４】本発明に係る糸条から製編織された布帛は
二次加工プロセスに供給するために所定の大きさに裁断
され複合成形物の重量に等しくなる枚数を重ねる。次い
で経糸を構成している熱可塑性合成繊維を溶融させるに
十分な温度に加熱された金型に前記積層物を充填し金型
をプレスして所望の形態に成形する。プレス圧力は一般
に投影面積に対して１０〜１２０Ｋｇ／ｃｍ² が必要で
あり、加圧速度は速いほどよく１〜３秒が好ましい。こ
の加圧圧縮成形後に加圧下で表面温度が１００℃以下、
好ましくは８０℃以下の温度に冷却し成形物を金型から
取り出す。なお加圧圧縮成形後に金型を外してから冷却
してるよい。いずれの場合も成形物の必要な冷却時間は
成形物の最も厚い部分の厚さを勘案して決定することが
好ましい。

【００１５】

【実施例】以下に本発明を実施例を挙げて説明するが勿
論本発明はこれらに限定されるものではない。本発明の
評価に用いた各尺度は下記の手順で求めた。

【００１６】＜繊維の強度および伸度＞ＪＩＳ Ｌ−１
０１３に準拠してオリエンテック（株）社製テンシロン
により、つかみ間隔２０ｃｍ、引張速度１００％／ｍｉ
ｎ、ｎ＝１０の測定を行い、算術平均値を求めた。

【００１７】＜繊維の分散度＞ （ａ）複合糸（緯糸）の断面写真を撮る。 （ｂ）熱可塑性合成繊維と接触している（若しくは該繊
維を少し動かせば接触するであろう）ＰＢＺ繊維のフィ
ラメント数を数える。 （ｃ）下記式にしたがって分散度を算出する。

【００１８】分散度＝（Ｂ／Ａ）×１００ （％） Ａ：熱可塑性合成繊維と接触しているＰＢＺ繊維フィラ
メントの数 Ｂ：ＰＢＺ繊維の全フィラメント数

【００１９】＜繊維の乾熱収縮率＞ＪＩＳ Ｌ−１０１
３に準拠してｎ＝５の測定値を平均して求めた。

【００２０】＜プリプレグの曲げ強度および曲げ弾性率
＞ＪＩＳ Ｋ−７０５５に準拠して支点距離４８．０ｍ
ｍ曲げ速度３．０ｍｍ／分で３点曲げ試験を行った。

【００２１】＜実施例１、比較例１〜３＞熱可塑性合成
繊維としては伸度３２．５％、乾熱収縮率７．６％、融
点２６５℃のポリエチレンテレフタレート繊維を用い、
一方、強度６．０ＧＰａ、初期弾性率２９９ＧＰａ、伸
度３．１％のポリベンゾオキサゾール繊維（ＰＢＯ繊
維）を補強繊維に用いて、両者を電気的に開繊・混合し
て複合糸を作成した。このとき混合する両繊維の繊度及
び重量比率を変更した。次に得られた複合糸を緯糸と
し、前記ポリエチレンテレフタレート繊維（ＰＥＴ繊
維）を経糸として片レピア織機を用いて織密度１０本／
ｃｍで製織した。得られた布帛を一定の大きさに切断し
た後、該切断布帛をＰＢＯ繊維方向が直交する様に複数
枚を重ねて厚さ５．０ｍｍの積層体となし、これを金型
に入れて２９０℃の温度で１７ｋｇ／ｃｍ²の圧力をか
けて５分間の加熱処理を施した。その後金型を外して表
面温度が８０℃に低下するまで空冷し、幅１５．０ｍｍ
×長さ７０．０ｍｍ×厚さ３．０ｍｍのＰＢＯ繊維強化
プリプレグシートを得た。得られたプリプレグの曲げ物
性を表１に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１より比較例１でプリプレグシートの強
度が低いのは、緯糸と経糸の繊度比率が５未満であるた
め製織した緯糸に織りクリンプの発生が顕著であり、そ
の形態がプリプレグシートに持ち込まれ、該プリプレグ
シート中でＰＢＯ繊維の機能が十分発揮できていないた
めと推察される。比較例２では緯糸に使用した複合糸条
Ｃの中のＰＢＯ繊維の重量比率が２０％未満でありプリ
プレグシートの曲げ強度が弱い。比較例３からＰＢＯ繊
維の比率が８０重量％を越えるとプリプレグシート中に
占める熱可塑性重合体からなる合成繊維量が必要以上に
多くなりプリプレグの曲げ特性が低下することが分か
る。このように比較例１〜３のプリプレグシートはいず
れも複合材成形体としての性能は不十分であった。一
方、本発明に属する実施例１のプリプレグシートは複合
材成形体として良好な性能を有している。

【００２４】＜実施例２〜４＞緯糸の中のＰＢＯ繊維の
重量比率を６３．９％、緯糸と経糸の繊度比を８．５に
固定し、緯糸中におけるポリエチレンテレフタレート繊
維とＰＢＯ繊維の分散度を変更した。それ以外は実施例
１、比較例１〜３に示したと同様の成形手順および方法
にしたがってプリプレグシートを作成した。結果を表２
に示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２から分かるように緯糸に使用する複合
糸の分散度が低ければ得られた布帛を基布としたプリプ
レグの曲げ特性は低下する傾向にある。特に分散度が２
５％未満のもの（実施例４）は実用上十分に満足できる
ものではなかった。

【００２７】＜実施例５〜７＞緯糸の中のＰＢＯ繊維の
重量比率を６３．９％、緯糸と経糸の繊度比を８．５に
固定し、熱可塑性合成繊維の伸度と乾熱収縮率をそれぞ
れ変更した。これ以外は実施例１、比較例１〜３で記載
した成形手順および方法にしたがってプリプレグシート
を作成した。結果を表３に示す。

【００２８】

【表３】

【００２９】表３から明かなように伸度３０％未満また
は乾熱収縮率が１０％を越える糸条を経糸とした場合に
得られるプリプレグシートの曲げ特性は低下する傾向に
あることが明らかになった。

【００３０】＜実施例８、比較例４〜５＞それぞれ物性
（強度、伸度、弾性率）の異なる繊維を補強繊維に用い
て、実施例１、比較例１〜３に準じた成形手順および方
法にしたがってプリプレグシートを作成した。結果を表
４に示す。

【００３１】

【表４】

【００３２】表４から明かなように強度、伸度、初期弾
性率が本発明に属しない補強繊維を用いたプリプレグシ
ートの曲げ特性は不十分である。

【００３３】＜比較例６〜７＞実施例１におけるＰＥＴ
繊維に代えて、ＰＢＯ繊維を用いた場合（比較例６）、
融点が３２０℃のポリアリレート繊維を用いた場合（比
較例７）、分解開始温度が５００℃のポリイミド繊維
（ＰＩＤ繊維）を用いた場合（比較例８）、等について
実施例１に準じた成形手順および方法にしたがってプリ
プレグシートを作成した。結果を表５に示す。

【００３４】

【表５】

【００３５】表５から明かなようにＰＢＯ繊維（融点：
なし、分解開始温度：６７０℃）を緯糸及び経糸に用い
た場合（比較例６）は良好なシート状のプリプレグを得
ることが出来なかった。融点が本発明に属しない補強繊
維を用いた場合（比較例７）場合、加圧圧縮成形時の温
度制御が難しく、また得られたプリプレグシートは織り
クリンプ、目ずれが共に大きいものであった。本発明に
属しない補強繊維（ＰＩＤ繊維：ガラス転移点温度３１
５℃、融点なし、分解開始温度５００℃）を用いた場合
（比較例８）は得られたプリプレグシートは比較例７と
同様に織りクリンプ、目ずれが共に大きく実用に耐える
ものではなかった。

【００３６】

【発明の効果】この発明によれば従来にない織りクリン
プの発生が少なく、曲げ物性に優れるプリプレグシート
の形成が可能で、目ずれが少なく、取扱い性に優れた複
合材料の成形に好適な基布が提供できる。この基布を使
用して得られる複合材成形体は各種の機械構造部品や圧
力容器もしくは管状物体の素材として有用であり産業界
に寄与すること大である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 経糸に融点が３００℃以下の熱可塑性合
   成繊維を、緯糸にポリベンザゾール繊維と前記熱可塑性
   合成繊維とを重量比率（％）で２０：８０〜８０：２０
   の割合に混合した複合糸であって経糸の５倍以上の繊度
   を有する糸条を配して構成された複合材成形用の基布。