Development of CFRTP Intermediate Substrates Using in-Situ Polymerizable Thermoplastic Epoxy Resin

Abstract

スタンパブルシート[1],もしくは,オルガノシー ト[2]と呼ばれる板状の熱可塑性CFRP中間基材(以 下,スタンパブルシートとする)を赤外線で加熱し, 速やかにプレス機の金型に搬送した後,型締めを行う ことで,約 1分の高速成形が可能となる.本成形法は, 航空機のフレーム同士を締結するクリップと呼ばれる 航空機部品の成形法として採用されており,今後は自 動車部品に展開される事が期待されている.しかしな がら,スタンパブルシート自体の成形速度の高速化が 困難であるという課題がある.これは熱可塑性ポリ マーの溶融粘度が一般的に高いため,炭素繊維束に溶 融した熱可塑性ポリマーを含浸する時間を短縮できな いためである.例えば,ポリプロピレンをマトリック ス樹脂に用いたスタンパブルシートの成形[3]では, 予備加熱時間 10 分,加圧時間 10 分で合計 20 分以上 の成形時間を要している. 近年,モノマーを炭素繊維束に含浸させ,その後重 合することで熱可塑性ポリマーとなる現場重合型熱可 塑性樹脂[4‒6]が注目されている.モノマーの溶融粘 度は熱可塑性ポリマーと比較して数桁低く,炭素繊維 束に含浸するのに有利であると共に,成形後は直鎖状 に重合して熱可塑性を示す特徴がある.現在上市され ている現場重合型熱可塑性樹脂には重合して PA 6 と なる ε-カプロラクタム樹脂[4]や,重合して PMMA となるメチルメタクリレート樹脂[5]等がある.しか し,いずれのモノマーも大気中の湿度で失活する,も Abstract: This study aims to create a novel method for fast mass-production of carbon fiber-reinforced thermoplastic (CFRTP) intermediate substrates by using in-Situ polymerizable thermoplastic epoxy resin, which is fed on reinforcing fibers in monomer mixture form in impregnation process and then allowed to rapidly polymerize into linearly-extended thermoplastic high polymer. Comparison between the monomer viscosity of this resin and the melt viscosity of polypropylene (PP) implied that thermoplastic epoxy resin can impregnate into fiber bundles approximately 103 times faster than PP. The investigation of resin applying method to carbon fiber fabrics revealed that linearly applying method was better than planarly applying method in terms of less voids. Finally, two types of polymerization catalysts were investigated to rapidly polymerize thermoplastic epoxy resin. As a result, as short as 2.5-minute polymerization using the phosphorous-type catalyst allowed the resin polymerize into high polymer enough to exhibit practical flexural strength of 900 MPa or more when used as the matrix of CFRTP in the volume fraction of about 50 %. (Received 6 April, 2021; Accepted 1 June, 2021)