繊維構造体及び繊維強化複合材

本発明は、強化繊維の束よりなる第1の糸及び第2の糸を有する多層織物製の繊維構造体、及び繊維強化複合材に関する。

繊維強化複合材は軽量の構造材料として広く使用されている。繊維強化複合材用の強化基材として繊維構造体があり、この繊維構造体に樹脂をマトリックスとした繊維強化複合材は航空機、自動車及び建築物等の構造材として用いられている。また、繊維構造体としては、多層織物が使用されている。

多層織物としての積層織物は、例えば平織りによって形成された単層織物を複数積層して形成される。他には、それら複数積層した織物を積層方向に結合することにより形成されることもある。ところで、繊維構造体の運搬時や賦形時、繊維構造体の織端部のうち、例えば経糸の糸主軸方向に沿った該経糸の端部が位置する織端部が解れることがある。すると、経糸に直交して延びる緯糸が、解れた織端部から脱落する虞がある。そこで、繊維構造体の織端部の解れを抑止するため、例えば、特許文献1では、繊維構造体の織端部にテープを貼着している。

特開2002−249957号公報

ところが、特許文献1では、繊維構造体の織端部の解れを抑止するために、繊維構造体とは別部材であるテープが必要となり、繊維構造体の製造コストが嵩む。また、解れ抑止のために使用したテープが、マトリックスとの複合化に悪影響を及ぼす虞がある。

本発明の目的は、別部材を追加せずに織端部の解れを抑止できる繊維構造体及び繊維強化複合材を提供することにある。

上記問題点を解決するための繊維構造体は、強化繊維の束よりなり、かつ互いに直交する方向に配列された第1の糸及び第2の糸を有する多層織物よりなる繊維構造体であって、前記第1の糸の糸主軸方向に沿った前記第1の糸の端部が位置する前記多層織物の第1の織端部、及び前記第2の糸の糸主軸方向に沿った前記第2の糸の端部が位置する前記多層織物の第2の織端部を有するとともに、前記第1の織端部及び前記第2の織端部の少なくとも一方に目止め部を備え、前記目止め部は、前記第1の糸及び前記第2の糸において前記多層織物の積層方向に重なり合う糸同士で前記強化繊維を絡めて形成され、前記目止め部は、前記織端部を形成する一方の糸の糸主軸方向に沿って配列された他方の糸のうち最も前記一方の糸の端部寄りに配列された最外糸、及び前記最外糸よりも前記一方の糸の糸主軸方向の端寄りに位置した前記一方の糸の前記端部のうちの少なくとも一方に形成されていることを要旨とする。

これによれば、最外糸に目止め部が形成された場合には、最外糸に対して積層方向に重なり合う糸同士で強化繊維が絡み合い、織端部からの最外糸の抜けが抑止される。また、一方の糸の端部に目止め部が形成された場合には、最外糸よりも、一方の糸の糸主軸方向端寄りでは、一方の糸の端部同士で強化繊維が絡み合い、一方の糸の端部同士の間から最外糸が抜けることが抑止される。よって、目止め部を形成することで、織端部の解れを抑止できる。そして、目止め部は、積層方向に重なる糸同士で強化繊維を絡ませて形成されている。よって、織端部の解れを抑止するために、別部材を必要としない。

また、繊維構造体について、前記目止め部を、前記最外糸のみに備えていてもよい。 これによれば、繊維構造体において、一方の糸の糸主軸方向に沿った最外糸より内側には目止め部を形成しない。このため、目止め部を形成することで発生する強化繊維の蛇行を最小限とすることができる。

また、繊維構造体について、前記第1の糸及び前記第2の糸は非連続繊維から形成されていてもよい。 これによれば、目止め部では、積層方向に重なり合う糸同士の間で非連続繊維が絡み合うこととなり、繊維が絡み合う箇所を多数形成でき、解れを効果的に抑止できる。

上記問題点を解決するための繊維強化複合材は、繊維構造体製の強化基材にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化複合材であって、前記繊維構造体が請求項1〜請求項3のうちいずれか一項に記載の繊維構造体であることを要旨とする。

これによれば、目止め部により、繊維構造体の織端部の解れを抑止できる。目止め部は、積層方向に重なる糸同士で強化繊維を絡ませて形成されている。よって、織端部の解れを抑止するために、別部材を必要としない。したがって、繊維構造体にマトリックス樹脂が含浸された繊維強化複合材において、別部材がマトリックス樹脂の複合化に悪影響を及ぼすことがない。

本発明によれば、別部材を追加せずに織端部の解れを抑止できる。

実施形態の繊維強化複合材を模式的に示す図。

実施形態の繊維構造体を示す部分平面図。

実施形態の繊維構造体を図2の矢印Aから見た図。

実施形態の繊維構造体を図2の矢印Bから見た図。

目止め部を示す拡大図。

多層織りによって形成された繊維構造体を模式的に示す図。

目止め部の別例を示す図。

目止め部の別例を示す図。

以下、繊維構造体及び繊維強化複合材を具体化した一実施形態を図1〜図5にしたがって説明する。 図1に示すように、繊維強化複合材10は、多層織物製の繊維構造体11にマトリックス樹脂Maを含浸させて構成されている。マトリックス樹脂Maとしては、例えば、熱硬化性樹脂のエポキシ樹脂が使用される。繊維構造体11は、織物20を複数積層して構成されている。

図2に示すように、各織物20は、第1の糸としての複数の経糸21と、第2の糸としての複数の緯糸31とを組み合わせたものであり、平面視四角形状である。各織物20は経糸21と緯糸31を平織りして形成されている。経糸21と緯糸31は互いに直交して配列されている。経糸21及び緯糸31は、非連続繊維11aで形成されている。非連続繊維11aとしては、強化繊維である有機繊維又は無機繊維を使用してもよく、有機繊維としては、アラミド繊維、ポリ−p−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等が挙げられ、無機繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維等が挙げられる。非連続繊維11aで形成された糸束の形態としては、紡績糸、牽切糸等が挙げられる。

経糸21の糸主軸L1が延びる方向を繊維構造体11の第1方向Xとし、緯糸31の糸主軸L2が延びる方向であり、第1方向Xに直交する方向を繊維構造体11の第2方向Yとする。繊維構造体11において、複数の経糸21は、繊維構造体11の第2方向Yに互いに平行に配列されている。また、繊維構造体11において、複数の緯糸31は、繊維構造体11の第1方向Xに互いに平行に配列されている。図3に示すように、繊維構造体11において、積層方向に重なり合う織物20同士では、一方の織物20の経糸21が、重なり合う他方の織物20の緯糸31と重なり合っている。なお、積層方向に重なり合う織物20同士は、図示しない結束糸によって積層方向に拘束されている。

図2に示すように、繊維構造体11は、経糸21の糸主軸方向(第1方向X)に沿った経糸21の各端部21aが位置する部分に第1の織端部12を備える。第1の織端部12において、各経糸21の端部21aよりも第1方向Xの内側(繊維構造体11の中央寄り)には緯糸31が位置している。緯糸31において、第1方向Xに配列された複数の緯糸31のうち、最も経糸21の端部21aに近く、最外に配列された緯糸31を最外糸としての最外緯糸32とする。この場合、経糸21が一方の糸となるとともに緯糸31が他方の糸となり、最外緯糸32が経糸21の端部21a寄りに配列されていることとなる。よって、第1の織端部12では、各経糸21の端部21aより繊維構造体11の中央寄りに最外緯糸32が位置している。

繊維構造体11は、緯糸31の糸主軸方向(第2方向Y)に沿った緯糸31の各端部31aが位置する部分に第2の織端部13を備える。第2の織端部13において、各緯糸31の端部31aよりも第2方向Yの内側(繊維構造体11の中央寄り)には経糸21が位置している。経糸21において、第2方向Yに配列された複数の経糸21のうち、最外に配列された経糸21を最外糸としての最外経糸22とする。第2の織端部13では、各緯糸31の端部31aより繊維構造体11の中央寄りに最外経糸22が位置している。この場合、緯糸31が一方の糸となるとともに経糸21が他方の糸となり、最外経糸22が緯糸31の端部31a寄りに配列されていることとなる。

繊維構造体11は、第1の織端部12及び第2の織端部13に目止め部14を備える。第1の織端部12に設けられた目止め部14は、最外緯糸32に対してニードルパンチを施すことで形成されている。

図3又は図4に示すように、第1の織端部12に設けられた目止め部14は、各織物20において、最外緯糸32と、該最外緯糸32と積層方向に重なり合う経糸21とが、非連続繊維11a同士で絡み合って形成されている。また、第1の織端部12に設けられた目止め部14は、積層方向に重なり合う織物20同士の間において、一方の織物20の最外緯糸32と他方の織物20の経糸21とが、非連続繊維11a同士で絡み合って形成されている。また、図示しないが、ニードルNが、各経糸21の幅方向の両側を通過して打ち込まれた場合は、目止め部14は、積層方向に重なり合う緯糸31同士で非連続繊維11aが絡み合って形成されている。

図2に示すように、第2の織端部13に設けられた目止め部14は、最外経糸22に対してニードルパンチを施すことで形成されている。第2の織端部13に設けられた目止め部14は、各織物20において、最外経糸22と、該最外経糸22と積層方向に重なり合う緯糸31とが、非連続繊維11a同士で絡み合って形成されている。また、第2の織端部13に設けられた目止め部14は、積層方向に重なり合う織物20同士の間において、一方の織物20の最外経糸22と他方の織物20の緯糸31とが、非連続繊維11a同士で絡み合って形成されている。また、図示しないが、ニードルNが、各緯糸31の幅方向の両側を通過して打ち込まれた場合は、目止め部14は、積層方向に重なり合う緯糸31同士で非連続繊維11aが絡み合って形成されている。

図5に示すように、上記構成の目止め部14では、積層方向に重なり合う経糸21と緯糸31、経糸21同士、及び緯糸31同士で非連続繊維11aが蛇行し、複雑に絡み合っている。経糸21及び緯糸31は非連続繊維11aから形成されていることから、目止め部14では、非連続繊維11aが多くの場所で絡み合っている。

上記のように構成された多層織物製の繊維構造体11は、マトリックス樹脂Maを含浸硬化させて、繊維強化複合材10となる。マトリックス樹脂Maの含浸硬化は、例えば、RTM(レジン・トランスファー・モールディング)法で行なわれる。繊維構造体11にマトリックス樹脂Maが含浸硬化されることにより、繊維構造体11の経糸21及び緯糸31は、マトリックス樹脂Maと複合化して繊維強化複合材10となる。

次に、繊維構造体11及び繊維強化複合材10の作用を記載する。 繊維構造体11が備える目止め部14により、第1の織端部12及び第2の織端部13の解れが抑止される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。 (1)目止め部14は、積層方向に重なり合う糸の強化繊維同士を絡ませて形成されている。よって、別部材を追加することなく第1の織端部12及び第2の織端部13の解れを抑止でき、製造コストが嵩むことを抑制できる。

また、繊維構造体11を用いた繊維強化複合材10においては、別部品を設けることなく解れを抑止できる。よって、別部品を追加して解れを抑止した場合のように、別部品を原因としたマトリックス樹脂Maの含浸不良(マトリックス樹脂Maの複合化への悪影響)が発生せず、別部品を原因とした繊維強化複合材10の強度低下も発生しない。

(2)第1の織端部12に設けた目止め部14は、最外緯糸32にニードルパンチを施して形成されている。このため、第1の織端部12から糸抜けする虞のある最外緯糸32を経糸21と絡ませ、最外緯糸32の糸抜けを抑止できる。また、第2の織端部13に設けた目止め部14は、最外経糸22にニードルパンチを施して形成されている。このため、第2の織端部13から糸抜けする虞のある最外経糸22を緯糸31と絡ませ、最外経糸22の糸抜けを抑止できる。

(3)第1の織端部12に設けた目止め部14は、最外緯糸32にニードルパンチを施して形成され、第2の織端部13に設けた目止め部14は、最外経糸22にニードルパンチを施して形成されている。よって、繊維構造体11において第1方向Xの最外緯糸32より内側(繊維構造体11の中央寄り)には目止め部14が存在せず、第2方向Yの最外経糸22より内側(繊維構造体11の中央寄り)には目止め部14が存在しない。その結果、得られる繊維強化複合材10において、目止め部14を形成することによって発生する非連続繊維11aの蛇行を最小限とし、非連続繊維11aの蛇行によって発生する強度低下を最小限にできる。

(4)経糸21及び緯糸31は非連続繊維11aから形成されている。このため、目止め部14では、積層方向に重なり合う経糸21と緯糸31、経糸21同士、及び緯糸31同士の間で非連続繊維11aが絡み合う箇所が多数形成される。よって、目止め部14での解れを抑止でき、第1の織端部12及び第2の織端部13の解れを効果的に抑止できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。 ○ 経糸21及び緯糸31は非連続繊維11aから形成されていなくてもよく、連続繊維が数百〜数万本束ねられて形成された連続糸であってもよい。

○ 図6に示すように、繊維構造体40は、多層織りによって形成された多層織物であってもよい。繊維構造体40は、第1の糸としての経糸21が互いに平行に配列された経糸層41,43,45と、第2の糸としての緯糸31が互いに平行に配列された緯糸層42,44,46と、を備える。具体的には、繊維構造体40は、第1経糸層41と、第1経糸層41より下方に配置された第1緯糸層42と、第1緯糸層42より下方に配置された第2経糸層43と、第2経糸層43より下方に配置された第2緯糸層44と、第2緯糸層44より下方に配置された第3経糸層45と、第3経糸層45より下方に配置された第3緯糸層46と、を備える。

繊維構造体40は、第1経糸層41、第1緯糸層42、第2経糸層43、第2緯糸層44、第3経糸層45、及び第3緯糸層46が結束糸48によって積層方向に拘束されている。結束糸48は、繊維構造体40の形状保持用であり、経糸の一つである。

繊維構造体40は、経糸21の糸主軸方向に沿った経糸21の各端部21aが位置する第1の織端部51に目止め部14を備える。また、図示しないが、繊維構造体40は、緯糸31の糸主軸方向に沿った緯糸31の各端部31aが位置する第2の織端部に目止め部14を備える。

○ 図7に示すように、第1の織端部12において、最外緯糸32よりも第1方向Xの内側の緯糸31にニードルパンチを施して、目止め部14を第1方向Xに沿って複数設けてもよい。同様に、第2の織端部13において、最外経糸22よりも第2方向Yの内側の経糸21にニードルパンチを施して、目止め部14を第2方向Yに沿って複数設けてもよい。

○ 図8に示すように、第1の織端部12において、最外緯糸32よりも第1方向Xの外側に位置した経糸21の端部21aのみに目止め部14を設けてもよい。すなわち、最外緯糸32よりも、一方の糸としての経糸21の糸主軸方向(第1方向X)の端寄りに位置した経糸21の端部21aに目止め部14を設けてもよい。同様に、第2の織端部13において、最外経糸22よりも第2方向Yの外側に位置した緯糸31の端部31aのみに目止め部14を設けてもよい。すなわち、最外経糸22よりも、一方の糸としての緯糸31の糸主軸方向(第2方向Y)の端寄りに位置した緯糸31の端部31aに目止め部14を設けてもよい。

このように構成した場合、第1の織端部12において、最外緯糸32よりも経糸21の糸主軸方向端寄りとなる端部21aでは、積層方向に重なる経糸21同士で非連続繊維11aが絡み合い、経糸21の端部21a同士の間から最外緯糸32が抜けることが抑止される。同様に、第2の織端部13において、最外経糸22よりも緯糸31の糸主軸方向端寄りとなる端部31aでは、積層方向に重なる緯糸31同士で非連続繊維11aが絡み合い、緯糸31の端部31a同士の間から最外経糸22が抜けることが抑止される。よって、目止め部14を形成することで、織端部12,13の解れを抑止できる。そして、目止め部14は、積層方向に重なる経糸21同士及び緯糸31同士で非連続繊維11aを絡ませて形成されている。よって、織端部12,13の解れを抑止するために、別部材を必要としない。

なお、第1の織端部12において、最外緯糸32にニードルパンチを施して目止め部14を追加してもよいし、第2の織端部13において、最外経糸22にニードルパンチを施して目止め部14を追加してもよい。これによれば、第1の織端部12において、最外緯糸32に位置する目止め部14と、経糸21の端部21aに位置する目止め部14とで、第1の織端部12の解れを効果的に抑止できる。同様に、第2の織端部13において、最外経糸22に位置する目止め部14と、緯糸31の端部31aに位置する目止め部14とで、第2の織端部13の解れを効果的に抑止できる。

○ 目止め部14は、繊維構造体11,40の第1の織端部12,51及び第2の織端部13のうちいずれか一方だけに設けてもよい。この場合は、繊維構造体11,40を織り進む方向の上流側及び下流側に位置する端部は、繊維構造体11,40が製造された後は、切断されるため、切断端部に目止め部14を設け、織り幅方向の両端部は目止め部14を設けないようにしてもよい。

○ 目止め部14を形成する方法としてニードルパンチを採用したが、タフティングを採用して目止め部14を形成してもよく、その他、層間の強化繊維(非連続繊維11a)同士を絡ませることができる方法であれば、いずれの方法を採用してもよい。

○ 実施形態では、織物20を平織りして形成したが、織物20を繻子織り、又は綾織りして形成してもよい。 ○ 繊維構造体40において、積層する緯糸層及び経糸層の数は適宜変更してもよい。

○ 繊維構造体11,40を繊維強化複合材10の強化基材として使用する場合、マトリックス樹脂の種類や繊維強化複合材10の製造方法に、特に規制はない。 次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。

(1)前記目止め部は、ニードルパンチによって形成されている繊維構造体。

Ma…マトリックス樹脂、10…繊維強化複合材、11,40…繊維構造体、11a…非連続繊維、12,51…第1の織端部、13…第2の織端部、14…目止め部、20…織物、21…第1の糸としての経糸、21a,31a…端部、22…最外糸としての最外経糸、31…第2の糸としての緯糸、32…最外糸としての最外緯糸。