CN113547800B - 碳纤维强化塑料板、加工品以及碳纤维强化塑料板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能够满足在不存在极端偏差的程度下具有各向同性的强度的碳纤维强化塑料板、加工品以及碳纤维强化塑料板的制造方法。该碳纤维强化塑料板具备：第一碳纤维强化塑料层，其具有碳纤维无纺布和母材，该碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维，且具有取向方向；以及第二碳纤维强化塑料层，其具有碳纤维无纺布和母材，该碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维，且具有与所述第一碳纤维强化塑料层的碳纤维无纺布的取向方向正交的取向方向，至少所述第一碳纤维强化塑料层和所述第二碳纤维强化塑料层每层以相同数量层叠。

Description

碳纤维强化塑料板、加工品以及碳纤维强化塑料板的制造 方法
技术领域
本发明涉及碳纤维强化塑料板、加工品以及碳纤维强化塑料板的制造方法。
背景技术
碳纤维强化塑料(以下，有时称为“CFRP”)轻量且具有高强度，除了钓竿、高尔夫球杆的球杆柄等体育用途、汽车、飞机等工业用途等之外，还广泛用于建筑物的加强等建设领域等。
例如，在专利文献1中，公开了一种缝制基材，其是使由多根丝束状的碳纤维丝相互并列地排列而成的多片片材，在相对于各个片材的碳纤维丝的排列方向为基准的方向而以不同的角度层叠的状态下通过缝线一体化而成的。
另外，在专利文献2中，公开了一种复合材料用的强化纤维取向片，其是将由单位面积重量为10g/m2以下的热熔粘接剂构成的纤维网接合于单轴取向强化纤维片上而成的，该单轴取向强化纤维片是通过以每1000根单丝的宽度成为1.3mm以上的方式对强化纤维束进行开纤扩幅而得到的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4534409号公报
专利文献2：日本特开第2005-231151号公报
发明内容
发明所要解决的问题
如专利文献1、2那样，在使母材浸渍于碳纤维的织布而成的CFRP的情况下，虽然其相对于与碳纤维的织布的取向方向为相同方向的强度优异，但其相对于与碳纤维的织布的取向方向不同的方向的强度较差。因此，作为使用了碳纤维的织布的CFRP，强度有各向异性，从而作为辊、磨削用轮等的在强度上在不存在极端偏差的程度下要求各向同性的加工品的用途，这样的CFRP是不合适的。
因此，本发明的目的在于提供能够满足在不存在极端偏差的程度下具有各向同性的强度的碳纤维强化塑料板、加工品以及碳纤维强化塑料板的制造方法。
为了解决上述问题，本发明的碳纤维强化塑料板具备：第一碳纤维强化塑料层，其具有第一碳纤维无纺布和母材，所述第一碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维，且具有取向方向；以及第二碳纤维强化塑料层，其具有第二碳纤维无纺布和母材，所述第二碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维，且具有与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向正交的取向方向，至少所述第一碳纤维强化塑料层和所述第二碳纤维强化塑料层每层以相同数量层叠。
也可以是，具备：第三碳纤维强化塑料层，其具有第三碳纤维无纺布和母材，所述第三碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维，且具有与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向以及所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉的取向方向；以及第四碳纤维强化塑料层，其具有第四碳纤维无纺布和母材，所述第四碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维，且具有与所述第三碳纤维强化塑料层的所述第三碳纤维无纺布的取向方向正交、并与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向以及所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉的取向方向，所述第一碳纤维强化塑料层、所述第二碳纤维强化塑料层、所述第三碳纤维强化塑料层和所述第四碳纤维强化塑料层至少每层以相同数量层叠。
也可以是，第一弯曲强度、第二弯曲强度和第三弯曲强度的强度比为1∶0.8～1.2∶0.8～1.2，所述第一弯曲强度为与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向平行的方向上的弯曲强度，所述第二弯曲强度为与所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向平行的方向上的弯曲强度，所述第三弯曲强度为与同所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向以及所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉的交叉方向平行的方向上的弯曲强度。
也可以是，第一弯曲弹性模量、第二弯曲弹性模量和第三弯曲弹性模量的比率为1∶0.8～1.2∶0.8～1.2，所述第一弯曲弹性模量为与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向平行的方向上的弯曲弹性模量，所述第二弯曲弹性模量为与所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向平行的方向上的弯曲弹性模量，所述第三弯曲弹性模量为与同所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向以及所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉的交叉方向平行的方向上的弯曲弹性模量。
也可以是，所述母材为热固性树脂。
也可以是，相对于所述碳纤维强化塑料板的碳纤维无纺布的纤维体积含有率为20～40体积％。
也可以是，所述碳纤维强化塑料板的表面的平面度为每50mm为0.005～0.05mm。
另外，为了解决上述问题，本发明的加工品为通过对本发明的碳纤维强化塑料板进行磨削加工而成的加工品。
也可以是，所述加工品为辊。
也可以是，所述加工品为磨削用轮。
另外，为了解决上述问题，本发明的碳纤维强化塑料板的制造方法是制造上述碳纤维强化塑料板的方法，所述制造方法包括使浸渍了母材的层叠体固化的固化工序，所述层叠体是至少所述第一碳纤维强化塑料层和所述第二碳纤维强化塑料层每层以相同数量层叠而成的层叠体。
也可以是，所述层叠体是所述第一碳纤维强化塑料层、所述第二碳纤维强化塑料层、所述第三碳纤维强化塑料层和所述第四碳纤维强化塑料层至少每层以相同的数量层叠而成的层叠体。
也可以是，所述制造方法包括在所述固化工序后对所述层叠体的表面进行铣削加工的铣削加工工序。
发明效果
本发明能够提供能满足在不存在极端偏差的程度下具有各向同性的强度的碳纤维强化塑料板、加工品以及碳纤维强化塑料板的制造方法。
附图说明
图1是对碳纤维的取向方向进行说明的碳纤维无纺布的示意立体图。
图2A、图2B是本发明的一个实施方式所涉及的碳纤维强化塑料板200的示意立体图。
图3A、图3B是作为与图2A、图2B不同的方式的、本发明的一个实施方式所涉及的碳纤维强化塑料板300的示意立体图。
图4A、图4B是碳纤维强化塑料板200、300的示意立体图。
图5A、图5B是辊400、磨削用轮500的立体图。
图6是在实施例中表示对碳纤维强化塑料板进行的弯曲强度的评价结果的图表。
图7是在实施例中表示对碳纤维强化塑料板进行的弹性模量的评价结果的图表。
附图标记说明
100：碳纤维无纺布片；101：第一碳纤维无纺布片；102：第二碳纤维无纺布片；103：第三碳纤维无纺布片；104：第四碳纤维无纺布片；111：第一碳纤维强化塑料层；112：第二碳纤维强化塑料层；113：第三碳纤维强化塑料层；114：第四碳纤维强化塑料层；200：碳纤维强化塑料板；300：碳纤维强化塑料板；400：辊；410：使用面；500：磨削用轮；510：使用面；D1：取向方向；D2：取向方向；D3：交叉方向。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的碳纤维强化塑料板、加工品以及碳纤维强化塑料板的制造方法的一个实施方式进行说明。此外，本发明并不限定于以下的例子。
【碳纤维强化塑料板】
本发明的碳纤维强化塑料板具备第一碳纤维强化塑料层和第二碳纤维强化塑料层。是不具有CFRP片、预浸料、薄膜那样的可弯曲的柔软性的、硬且具有刚性的板。
〈第一碳纤维强化塑料层〉
第一碳纤维强化塑料层是具有第一碳纤维无纺布和母材的层。其是采用无纺布作为碳纤维，与母材组合而成的复合材料层。
(第一碳纤维无纺布)
本发明中能够使用的碳纤维无纺布是不对碳纤维进行编织而是通过针刺法使其三维地相互交织而成的片状的布。碳纤维具有轻且强的优点，例如与铁相比，比重为1/4倍，比强度为10倍，比弹性模量为7倍。此外，耐磨损性、耐热性、热伸缩性、耐酸性、导电性优异。例如，能够以丙烯酸纤维或沥青作为原料并在高温下对原料进行碳化而制得，作为碳纤维，可列举为对有机纤维的前体进行加热碳化处理而得到的、以质量比计90％以上由碳构成的纤维。
作为碳纤维，区分为使用了丙烯酸纤维的碳纤维即PAN(聚丙烯腈，Polyacrylonitrile)系碳纤维和使用了沥青的碳纤维即沥青(PITCH)系碳纤维。进一步地，在为沥青系碳纤维的情况下，由各向同性沥青系碳纤维制造通用的碳纤维，由中间相沥青系制造高强度且高弹性模量的碳纤维。在本发明中，PAN系碳纤维以及沥青系碳纤维均可以使用。例如，为了得到具有刚性的CFRP，可以使用刚性优异的沥青系碳纤维，另外，为了得到具有强度的CFRP，可以使用强度优异的PAN系碳纤维。
作为这样的碳纤维无纺布，例如可以使用以PAN系的碳纤维为基础、质量为300～1500g/m2、厚度为3～15mm的碳纤维无纺布。另外，也可以使用将人造丝纤维、丙烯酸纤维、可塑性树脂纤维、其他各种纤维以规定比率与碳纤维复合而成的混合纤维。
作为碳纤维无纺布，由于能够再利用飞机的端材，因此与将连续纤维的中间基材设为碳纤维无纺布的情况相比，对飞机的端材进行再利用的碳纤维无纺布的成本低廉，这一点成为优势。另外，碳纤维无纺布与碳纤维织布相比，在铣削加工等加工时可抑制起毛而使加工性优异，另外，加工后的加工品的表面状态平滑且精加工性也优异。
(碳纤维的纤维长度)
碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维。纤维长度为10～70mm，由此能够通过针刺法使碳纤维三维地相互交织，并且能够对碳纤维赋予取向性。在纤维长度小于10mm的情况下，难以使碳纤维三维地交织，因此有时无法形成无纺布。另外，纤维长度大于70mm的碳纤维存在由于纤维长度过长而难以对碳纤维赋予取向性的隐患。
(碳纤维无纺布的纤维的取向方向)
使用图1对碳纤维无纺布的纤维的取向方向进行说明。图1是对碳纤维的取向方向进行说明的碳纤维无纺布的示意立体图。碳纤维无纺布片100是通过针刺法形成的片材，碳纤维在箭头所示的取向方向上取向。在针刺法中，该取向方向与例如通过将带有被称为倒钩的突起的针刺入数10次/cm2以上而将纤维彼此机械地交织而加工成无纺布时的、碳纤维的行进方向(即机器方向)正交。
但是，与织布不同，在无纺布的情况下，碳纤维并非全部向同一方向取向，而是如虚线所示的纤维那样，也存在朝向与取向方向不同的方向的碳纤维。在本发明中，将取向比例最高的方向作为取向方向。取向比率最高的方向的机械特性变得最高。
(母材)
在本发明的碳纤维强化塑料板中，母材是填充碳纤维的间隙的材料，可以使用合成树脂、天然树脂。从确保作为CFRP板的强度的观点出发，可以使用环氧树脂、聚氨酯树脂等热固性树脂作为母材。另外，从与碳纤维的相容性的方面出发，也可以使用聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚苯硫醚(PPS)。
尤其是，在使用环氧树脂作为母材的情况下，可以使用双酚A、双酚F与环氧氯丙烷的共聚物作为主剂，并使用各种多胺、邻苯二甲酸酐等酸酐作为固化剂。另外，为了使CFRP板不含有溶剂，并且为了不产生作为板的变薄，优选使用无溶剂型的树脂，从与碳纤维的复合的容易性的观点出发，与常温下为固态的树脂相比，优选使用常温下为液态的树脂。
作为环氧树脂，具体而言，可以使用环氧当量为150～300的液态无溶剂型的双酚A作为主剂，并使用能够与其相容并反应固化的双氨基化合物作为固化剂。例如，通过将上述主剂与固化剂混合后，在适用期之前与碳纤维复合化，而能够制成CFRP板。
〈第二碳纤维强化塑料层〉
第二碳纤维强化塑料层是具有第二碳纤维无纺布和母材的层，该第二碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维，且具有与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向正交的取向方向。关于母材的详细情况，与在〈第一碳纤维强化塑料层〉的项目中说明的内容相同，因此在此省略说明。
(第二碳纤维无纺布)
关于能够用于第二碳纤维无纺布的碳纤维无纺布的详细情况，与在〈第一碳纤维强化塑料层〉的项目中说明的内容相同，因此在此省略说明。
(第二碳纤维无纺布的取向方向)
第二碳纤维无纺布的取向方向与第一碳纤维无纺布的取向方向正交，这一点与第一碳纤维无纺布不同。因此，可以使用使与第一碳纤维无纺布同样的无纺布的取向方向改变之后的无纺布作为第二碳纤维无纺布，也可以使用与第一碳纤维无纺布不同的无纺布。但是，若考虑到碳纤维强化塑料板的强度的各向同性，则优选使用使与第一碳纤维无纺布同样的无纺布的取向方向改变之后的无纺布作为第二碳纤维无纺布。此外，关于取向方向的详细情况，与在〈第一碳纤维强化塑料层〉的项目中说明的内容相同，因此在此省略说明。
使用图2A、图2B对本发明的碳纤维强化塑料板的具体例进行说明。图2A、图2B是本发明的一个实施方式所涉及的碳纤维强化塑料板的示意立体图。图2A是按照层叠四片碳纤维无纺布片100的顺序进行重叠的图。在将片材平面中的左右方向(图2A的横向)设为x方向的情况下，若将相对于x方向成90度的方向d1为碳纤维的取向方向的碳纤维无纺布的片材设为第一碳纤维无纺布片101，则相对于x方向为0度的方向、即与x方向平行的方向d2为碳纤维的取向方向的碳纤维无纺布的片材成为第二碳纤维无纺布片102。
图2B是图2A的四片碳纤维无纺布片100是将第一碳纤维无纺布片101和第二碳纤维无纺布片102交替地、每两片进行层叠并通过母材加固而成为碳纤维强化塑料板200。在碳纤维强化塑料板200中，第一碳纤维无纺布片101和第二碳纤维无纺布片102通过母材加固而成为第一碳纤维强化塑料层111和第二碳纤维强化塑料层112。
在碳纤维强化塑料板200中，至少第一碳纤维强化塑料层111和第二碳纤维强化塑料层112每层以相同数量层叠。这样，碳纤维的取向方向不同的碳纤维强化塑料层以相同数量层叠，进一步地，在各个碳纤维强化塑料层中，存在朝向与取向方向不同的方向的碳纤维，由此成为能够满足在不存在极端偏差的程度下具有各向同性的强度的碳纤维强化塑料板。
〈第三碳纤维强化塑料层〉
第三碳纤维强化塑料层是具有第三碳纤维无纺布和母材的层，该第三碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维、且具有与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向以及所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉的取向方向。关于母材的详细情况，与在〈第一碳纤维强化塑料层〉的项目中说明的内容相同，因此在此省略说明。
(第三碳纤维无纺布)
关于能够用于第三碳纤维无纺布的碳纤维无纺布的详细情况，与在〈第一碳纤维强化塑料层〉的项目中说明的内容相同，因此在此省略说明。
(第三碳纤维无纺布的取向方向)
第三碳纤维无纺布的取向方向与第一碳纤维强化塑料层的第一碳纤维无纺布的取向方向以及第二碳纤维强化塑料层的第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉，这一点与第一碳纤维无纺布以及第二碳纤维无纺布不同。因此，也可以使用使与第一碳纤维无纺布以及第二碳纤维无纺布同样的无纺布的取向方向改变之后的无纺布作为第三碳纤维无纺布，也可以使用与第一碳纤维无纺布、第二碳纤维无纺布不同的无纺布。但是，若考虑碳纤维强化塑料板的强度的各向同性，则优选使用使与第一碳纤维无纺布以及第二碳纤维无纺布同样的无纺布的取向方向改变之后的无纺布作为第三碳纤维无纺布。此外，关于取向方向的详细情况，与在〈第一碳纤维强化塑料层〉的项目中说明的内容相同，因此在此省略说明。
〈第四碳纤维强化塑料层〉
第四碳纤维强化塑料层是具有第四碳纤维无纺布和母材的层，该第四碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维、且具有与所述第三碳纤维强化塑料层的所述第三碳纤维无纺布的取向方向正交、且与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向以及所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉的取向方向。关于母材的详细情况，与在〈第一碳纤维强化塑料层〉的项目中说明的内容相同，因此在此省略说明。
(第四碳纤维无纺布)
关于能够用于第四碳纤维无纺布的碳纤维无纺布的详细情况，与在〈第一碳纤维强化塑料层〉的项目中说明的内容相同，因此在此省略说明。
(第四碳纤维无纺布的取向方向)
第四碳纤维无纺布的取向方向与所述第三碳纤维强化塑料层的所述第三碳纤维无纺布的取向方向正交、且与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向以及所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉，这一点与第一碳纤维无纺布、第二碳纤维无纺布以及第三碳纤维无纺布不同。因此，也可以使用使与第一碳纤维无纺布、第二碳纤维无纺布以及第三碳纤维无纺布同样的无纺布的取向方向改变之后的无纺布作为第四碳纤维无纺布，也可以使用与第一碳纤维无纺布、第二碳纤维无纺布或者第三碳纤维无纺布不同的无纺布。但是，若考虑到碳纤维强化塑料板的强度的各向同性，则优选使用使与第一碳纤维无纺布、第二碳纤维无纺布以及第三碳纤维无纺布同样的无纺布的取向方向改变之后的无纺布作为第四碳纤维无纺布。此外，关于取向方向的详细情况，与在<第一碳纤维强化塑料层〉的项目中说明的内容相同，因此在此省略说明
使用图3A、图3B对与图2A、图2B不同的方式的、本发明的碳纤维强化塑料板的具体例进行说明。作为与图2A、图2B不同的方式的、本发明的一个实施方式所涉及的碳纤维强化塑料板的示意立体图。图3A是按照层叠八片碳纤维无纺布片100的顺序进行重叠的图。在将片材平面中的左右方向(图3A的横向)设为x方向的情况下，若将相对于x方向成90度的方向d1为碳纤维的取向方向的碳纤维无纺布的片材设为第一碳纤维无纺布片101，则相对于x方向为0度的方向、即与x方向平行的方向d2为碳纤维的取向方向的碳纤维无纺布的片材成为第二碳纤维无纺布片102。
并且，相对于x方向成45度的方向d3为碳纤维的取向方向的碳纤维无纺布的片材成为第三碳纤维无纺布片103。第三碳纤维无纺布片103的碳纤维的取向方向与第一碳纤维无纺布片101的碳纤维的取向方向以及第二碳纤维无纺布片102的碳纤维的取向方向以45度的角度交叉。
进一步地，相对于x方向成135度的方向d4为碳纤维的取向方向的碳纤维无纺布的片材成为第四碳纤维无纺布片104。第四碳纤维无纺布片104的碳纤维的取向方向与第一碳纤维无纺布片101的碳纤维的取向方向以及第二碳纤维无纺布片102的碳纤维的取向方向以45度的角度交叉，且与第三碳纤维无纺布片103的碳纤维的取向方向正交。
图3B中，图3A的八片碳纤维无纺布片100是将第一碳纤维无纺布片101、第四碳纤维无纺布片104、第三碳纤维无纺布片103、第二碳纤维无纺布片102依次地各层叠两片并通过母材加固而成为碳纤维强化塑料板300的片材。在碳纤维强化塑料板300中，第一碳纤维无纺布片101、第二碳纤维无纺布片102、第三碳纤维无纺布片103、第四碳纤维无纺布片104通过母材加固而成为第一碳纤维强化塑料层111、第二碳纤维强化塑料层112、第三碳纤维强化塑料层113、第四碳纤维强化塑料层114。
碳纤维强化塑料板300中，第一碳纤维强化塑料层111、第二碳纤维强化塑料层112、第三碳纤维强化塑料层113、第四碳纤维强化塑料层114至少每层以相同数量层叠。这样，碳纤维的取向方向不同的碳纤维强化塑料层以相同的数量层叠，进一步地，在各个碳纤维强化塑料层中，存在朝向与取向方向不同的方向的碳纤维，因此成为能够满足在不存在极端偏差的程度下具有各向同性的强度的碳纤维强化塑料板。另外，通过具备第三碳纤维强化塑料层113以及第四碳纤维强化塑料层114，碳纤维强化塑料板300能够满足比碳纤维强化塑料板200更具有各向同性的强度。
(其他结构)
本发明的碳纤维强化塑料板除了具备第一碳纤维强化塑料层～第四碳纤维强化塑料层之外，还可以具备其他结构。例如，在将第一碳纤维强化塑料层～第四碳纤维强化塑料层各层粘接并层叠的情况下，可以在这些层之间具备与母材的相容性良好的树脂系的粘接剂层。另外，为了避免在第一碳纤维强化塑料层～第四碳纤维强化塑料层的表面产生损伤、对表面造成污染，可以具备直至即将使用碳纤维强化塑料板之前对碳纤维强化塑料板的表面进行保护的保护层、保护膜等。
图4A、图4B表示碳纤维强化塑料板200、300的示意立体图。在碳纤维强化塑料板200、300各自的同一平面上，示出了对第一碳纤维强化塑料层的第一碳纤维无纺布的取向方向标注D1的箭头、对第二碳纤维强化塑料层的第二碳纤维无纺布的取向方向标注D2的箭头、对与第一碳纤维强化塑料层的第一碳纤维无纺布的取向方向D1以及第二碳纤维强化塑料层的第二碳纤维无纺布的取向方向D2成45度的角度交叉的交叉方向标注D3的箭头。此外，在碳纤维强化塑料板300中，交叉方向D3是第三碳纤维强化塑料层的第三碳纤维无纺布的取向方向，且是第四碳纤维强化塑料层的第四碳纤维无纺布的取向方向。
在碳纤维强化塑料板200、300中，与第一碳纤维强化塑料层的第一碳纤维无纺布的取向方向D1平行的方向上的弯曲强度(第一弯曲强度)、与第二碳纤维强化塑料层的第二碳纤维无纺布的取向方向D2平行的方向上的弯曲强度(第二弯曲强度)、与第一碳纤维强化塑料层的第一碳纤维无纺布的取向方向D1以及第二碳纤维强化塑料层的第二碳纤维无纺布的取向方向D2成45度的角度交叉的交叉方向D3平行的方向上的弯曲强度(第三弯曲强度)的强度比优选为以下的比。
第一弯曲强度∶第二弯曲强度∶第三弯曲强度＝1∶0.8～1.2∶0.8～1.2
通过强度比满足上述的比，本发明的碳纤维强化塑料板能够满足更具有各向同性的强度。在强度比未满足上述的比的情况下，强度会产生各向异性，由此，规定的方向上的强度存在极端变小的隐患。
此外，在碳纤维强化塑料板300中，关于与方向D1及方向D3以22.5度的角度交叉的交叉方向D4、以及与方向D2及方向D3以22.5度的角度交叉的交叉方向D5，也具有方向D1的80％～120％的弯曲强度。因此，与碳纤维强化塑料板200相比，碳纤维强化塑料板300能够满足更具有各向同性的强度。
另外，在碳纤维强化塑料板200、300中，与第一碳纤维强化塑料层的第一碳纤维无纺布的取向方向D1平行的方向上的弯曲弹性模量(第一弯曲弹性模量)、与第二碳纤维强化塑料层的第二碳纤维无纺布的取向方向D2平行的方向上的弯曲弹性模量(第二弯曲弹性模量)、以及与同第一碳纤维强化塑料层的第一碳纤维无纺布的取向方向D1以及第二碳纤维强化塑料层的第二碳纤维无纺布的取向方向D2以45度的角度交叉的交叉方向平行的方向上的弯曲弹性模量(第三弯曲弹性模量)的比率优选为以下的比。
第一弯曲弹性模量∶第二弯曲弹性模量∶第三弯曲弹性模量＝1∶0.8～1.2∶0.8～1.2。
通过弹性模量的比率满足上述的比，本发明的碳纤维强化塑料板能够满足更具有各向同性的弹性。在弹性模量的比率未满足上述的比的情况下，弹性会产生各向异性，由此，规定的方向上的弹性存在极端变小的隐患。
另外，在碳纤维强化塑料板300中，关于与方向D1及方向D3以22.5度的角度交叉的交叉方向D4、以及与方向D2及方向D3以22.5度的角度交叉的交叉方向D5，也具有方向D1的80％～120％的弹性模量。因此，与碳纤维强化塑料板200相比，碳纤维强化塑料板300能够满足更具有各向同性的弹性。
作为本发明的碳纤维强化塑料板，板的厚度一般为5～100mm，特别常用的是8～40mm的厚度的板。
在本发明中，碳纤维无纺布相对于本发明的碳纤维强化塑料板的纤维体积含有率(Vf)在第一碳纤维强化塑料层～第四碳纤维强化塑料层中均优选为20～40体积％。若Vf较高，则具有机械特性、物理特性优异的优点，但由于母材的量变少，因此存在难以形成第一碳纤维强化塑料层～第四碳纤维强化塑料层的隐患。另外，若Vf较高，则韧性、加工性、表面平滑性存在变差的隐患。另一方面，若Vf较低，则母材的特性优先显现，从而存在损害由碳纤维带来的强化提高效果的隐患。考虑到这些方面，在第一碳纤维强化塑料层～第四碳纤维强化塑料层的情况下，通过在任意层中将Vf设定为20～40体积％，能够满足加工性、表面的平滑性。
在本发明中，本发明的碳纤维强化塑料板的表面的平面度可以为每50mm为0.005～0.05mm。例如，通过对碳纤维强化塑料板的表面进行铣削加工，能够得到这样的平面度的表面。此外，在要求碳纤维强化塑料板的表面的平滑性的情况下，更优选将本发明的碳纤维强化塑料板的表面的平面度设为每100mm为0.005～0.05mm。另外，在更严格地要求碳纤维强化塑料板的表面的平滑性的情况下，本发明的碳纤维强化塑料板的表面的平面度进一步优选为每500mm为0.005～0.05mm。
[加工品]
本发明的加工品是对上述本发明的碳纤维强化塑料板进行磨削加工而成的加工品。作为这样的加工品，没有特别限定。例如，作为要求具有某种程度的各向同性的强度的加工品，可列举使其旋转而使用的辊、磨削用轮。图5A、图5B中作为一例而表示辊400、磨削用轮500的立体图。
在使辊、磨削用轮旋转而使用的期间，在它们的使用面410、510、辊、磨削用轮附近均等地施加负荷，因此使用面410、510的强度优选为均等。本发明的碳纤维强化塑料板能够在能满足这样的使用面所要求的强度的程度下满足具有各向同性的强度。
[碳纤维强化塑料板的制造方法]
接下来，对上述本发明的碳纤维强化塑料板的制造方法进行说明。
〈固化工序〉
固化工序是使浸渍有母材的层叠体固化的工序。例如，如果母材为热固性树脂，则能够通过加热使其固化。另外，如果是热塑性树脂，则可以通过在加热熔融的状态下使树脂浸渍于碳纤维无纺布之后冷却至常温而使其固化。
(层叠体)
层叠体可以是至少第一碳纤维强化塑料层101和第二碳纤维强化塑料层102每层以相同数量层叠的层叠体。通过使这样的层叠体固化能够制造碳纤维强化塑料板200、碳纤维强化塑料板300。
另外，层叠体也可以是第一碳纤维强化塑料层101、第二碳纤维强化塑料层102、第三碳纤维强化塑料层103、以及第四碳纤维强化塑料层104至少每层以相同数量层叠的层叠体。通过使这样的层叠体固化，能够制造碳纤维强化塑料板300。
作为本发明的碳纤维强化塑料板的制造顺序，可以在固化工序之前，将第一碳纤维强化塑料层101以及第二碳纤维强化塑料层102等层叠而作为层叠体，使该层叠体浸渍母材，之后实施固化工序。另外，也可以通过使母材分别浸渍于第一碳纤维强化塑料层101以及第二碳纤维强化塑料层102等后，将它们层叠而作为层叠体，然后实施固化工序的顺序，来制造碳纤维强化塑料板。
另外，也可以通过粘接剂粘接多个碳纤维强化塑料板200，形成厚度增加的碳纤维强化塑料板200。在碳纤维强化塑料板300的情况下也同样，也可以通过粘接剂粘接多个碳纤维强化塑料板300，形成厚度增加的碳纤维强化塑料板300。此外，在由于具有粘接剂层而存在使碳纤维强化塑料板的强度降低的隐患的情况下，例如通过Va RTM法，使母材浸渍于层叠体，之后进行室温固化和加热固化，由此能够制造不存在粘接剂层的碳纤维强化塑料板。
〈铣削加工工序〉
在本发明中，在固化工序后，可以设置对所述层叠体的表面进行铣削加工的工序，为了提高CFRP板的表面平滑性，例如在要将表面的平面度设为每50mm为0.005～0.05mm的情况下，进行铣削加工即可。
(其他工序)
本发明的碳纤维强化塑料板的制造方法可以在固化工序、铣削加工工序的基础上具备其他构成。例如，可列举为了得到层叠体而分别对第一碳纤维无纺布～第四碳纤维无纺布调整纤维的取向方向而进行层叠的层叠工序、使母材浸渍到层叠体的浸渍工序。
[实施例]
以下，使用实施例对本发明进一步具体地进行说明，但本发明不受实施例的任何限定。在以下的实施例中，制造碳纤维强化塑料板，对所制造的碳纤维强化塑料板进行铣削加工、弯曲强度以及弹性模量的评价。
[碳纤维强化塑料板的制造]
〈实施例1〉
在模具(内部尺寸：15×15×1cm)内配置四层通过针刺法制造的碳纤维无纺布片(日本聚合物产业株式会社制造的CFZ-1000SD)。在此，碳纤维无纺布片的配置如图2A所示，以碳纤维的取向方向相差90度的方式将第一碳纤维无纺布片101和第二碳纤维无纺布片102交替地每两片进行层叠。此外，作为第一碳纤维无纺布片101和第二碳纤维无纺布片102，使用了相同的碳纤维无纺布片。然后，将环氧树脂主剂(三菱化学株式会社制造的jER806)和固化剂(东京化成工业株式会社制造的4,4'-亚甲基双(2-甲基环己胺))以质量比计为100∶36的比例混合之后，以0.5MPa的压力将混合后的树脂加压注入于加热至100℃的密闭的模具内。注入混合后的树脂后，在100℃下进行20分钟的加热固化，得到厚度为10mm、Vf为21体积％的碳纤维强化塑料板200。此外，不使用碳纤维织布。
〈实施例2〉
在模具(内部尺寸：15×15×1cm)内配置八层通过针刺法制造的碳纤维无纺布片(日本聚合物产业株式会社制造的CFZ-1000SD)。在此，碳纤维无纺布片的配置如图3A所示，将第一碳纤维无纺布片101、第四碳纤维无纺布片104、第三碳纤维无纺布片103和第二碳纤维无纺布片102依次地各层叠两片。此外，作为第一碳纤维无纺布片101、第二碳纤维无纺布片102、第三碳纤维无纺布片103以及第四碳纤维无纺布片104，使用了相同的碳纤维无纺布片。然后，将环氧树脂主剂(三菱化学株式会社制造的jER806)和固化剂(东京化成工业株式会社制造的4,4'-亚甲基双(2-甲基环己胺))以质量比计为100∶36的比例混合之后，以0.5MPa的压力将混合后的树脂加压注入于加热至100℃的密闭的模具内。注入混合后的树脂后，在100℃下进行20分钟的加热固化，得到厚度为20mm、Vf为21体积％的碳纤维强化塑料板300。此外，不使用碳纤维织布。
〈比较例1〉
将重叠有10层纵为12cm、横为12cm的碳纤维织布(东丽株式会社制造的BT70-20)而成的碳纤维配置在金属板上，为了防止母材泄漏，用薄膜和密封胶将碳纤维的周围密闭。然后，将环氧树脂主剂(三菱化学株式会社制造的jER806)和固化剂(三菱瓦斯化学株式会社制造的1,3-BAC)以质量比计为100∶21的比例混合之后，通过Va RTM法，将混合后的树脂注入碳纤维。在注入后使其在室温下固化，并进一步地在150℃、60分钟的条件下进行加热固化，得到厚度为2mm、Vf为57体积％的碳纤维强化塑料板。此外，不使用碳纤维无纺布。
〈比较例2〉
在模具(内部尺寸：15×15×1cm)内配置四层通过针刺法制造的碳纤维无纺布片(日本聚合物产业株式会社制造的CFZ-1000SD)。在此，各层的碳纤维无纺布片将碳纤维的取向方向在同一方向上对齐并层叠。然后，将环氧树脂主剂(三菱化学株式会社制造的jER806)和固化剂(东京化成工业株式会社制造的4,4'-亚甲基双(2-甲基环己胺))以质量比计为100∶36的比例混合之后，以0.5MPa的压力将混合后的树脂加压注入于加热至100℃的密闭的模具内。注入混合后的树脂后，在100℃下进行20分钟的加热固化，得到厚度为10mm、Vf为21体积％的碳纤维强化塑料板。此外，不使用碳纤维织布。
[铣削加工后的平面度的评价]
〈铣削加工处理〉
使用三个所制造的实施例1、实施例2、比较例1以及比较例2的碳纤维强化塑料板，通过以下的条件对表面进行0.5mm的磨削的铣削加工。
(铣削加工条件)
装置：旋入式通用正面铣床(三菱综合材料制造)
刀具型号：ASX44R10005D
嵌件：SEGT13T3AGFN-JP HTi10
转速：S＝615min-1(V＝193m/min)
进给速度：F＝369mm/min
对于铣削加工后的实施例1、实施例2、比较例1以及比较例2的碳纤维强化塑料板，使用三维精密测定机(ZEISS公司制造，型号：UPMC 850)对它们的表面的平面度(相对于在平面形体的几何学上正确的平面偏离的大小)进行测定。将各例的三个碳纤维强化塑料板的平面度的平均值示于表1。
表1
Figure GDA0003121528280000161
在实施例1、实施例2以及比较例2的碳纤维强化塑料板中，不使用碳纤维织布而是使用碳纤维无纺布，由此铣削加工后的平面度没有问题，成为平面性较高的结果。
另一方面，不使用碳纤维无纺布而使用了碳纤维织布的比较例1的碳纤维强化塑料板因铣削加工而纤维起毛，平面度的值因起毛而变大，是平面性较低的板。
[弯曲强度以及弹性模量的评价]
对于实施例1的碳纤维强化塑料板200，在基于JIS K7074的以下条件下，实施图4A所示的D1、D2、D3方向的弯曲试验，对在将D1方向的弯曲强度以及弹性模量设为100％的情况下的D2、D3方向的弯曲强度及弹性模量进行比较。将弯曲强度的结果示于图6，将弹性模量的结果示于图7。另外，对于比较例1的碳纤维强化塑料板也同样地，对D1、D2、D3方向的弯曲强度及弹性模量进行比较，并示于图6、图7。
试验片的尺寸：100×15mm，厚度为2mm
试验速度：5mm/分钟
支点间距离L：L＝40×h(80mm)
压头的半径R1：R1＝5mm
支承台的半径R2：R2＝2mm
弯曲弹性模量：切线法
实施例1的碳纤维强化塑料板的D1～D3方向的弯曲强度比为D1∶D2∶D3＝100∶101∶98，另外，弯曲弹性模量的比率为D1∶D2∶D3＝100∶101∶96，因此可知满足在不存在极端偏差的程度下具有各向同性的强度以及弹性。如果是该碳纤维强化塑料板，则对于使其旋转而使用的作为辊或磨削用轮的用途是有用的。
另一方面，比较例1的碳纤维强化塑料板的D1～D3方向的弯曲强度比为D1∶D2∶D3＝100∶114∶30，另外，弯曲弹性模量的比率为D1∶D2∶D3＝100∶88∶30，因此成为了D3方向的强度以及弹性弱的结果。比较例1中使用的碳纤维织布是使用经纱及纬纱编织的织布，通过使D1方向以及D2方向为与碳纤维织布的经纱及纬纱中的任一个平行的方向，来具有一定的强度和弹性。另一方面，D3方向是与经纱及纬纱以45度的角度交叉的方向，基于碳纤维的加强效果不充分，由此成为了与D1方向、D2方向相比强度及弹性较差的结果。根据该结果可知，比较例1的碳纤维强化塑料板的D3方向的强度及弹性较弱，强度及弹性具有各向异性，因此对于使其旋转而使用的作为辊或磨削用轮的用途是不适合的。
〈总结〉
这样，如果是本发明的碳纤维强化塑料板，则能够满足在不存在极端偏差的程度下具有各向同性的强度，另外，能够满足铣削加工性、铣削加工后的平滑性。因此，本发明的碳纤维强化塑料板对于使其旋转而使用的辊、磨削用轮等用途是有用的。

Claims (13)

1.一种碳纤维强化塑料板，其特征在于，所述碳纤维强化塑料板具备：
第一碳纤维强化塑料层，其具有第一碳纤维无纺布和母材，所述第一碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维，且具有取向方向，是不对所述碳纤维进行编织而是通过针刺法使所述碳纤维三维地相互交织而成的片状的布；以及
第二碳纤维强化塑料层，其具有第二碳纤维无纺布和母材，所述第二碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维，且具有与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向正交的取向方向，是不对所述碳纤维进行编织而是通过针刺法使所述碳纤维三维地相互交织而成的片状的布，
至少所述第一碳纤维强化塑料层和所述第二碳纤维强化塑料层每层以相同的数量层叠。
2.根据权利要求1所述的碳纤维强化塑料板，其特征在于，所述碳纤维强化塑料板具备：
第三碳纤维强化塑料层，其具有第三碳纤维无纺布和母材，所述第三碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维，且具有与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向以及所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉的取向方向，是不对所述碳纤维进行编织而是通过针刺法使所述碳纤维三维地相互交织而成的片状的布；以及
第四碳纤维强化塑料层，其具有第四碳纤维无纺布和母材，所述第四碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维，且具有与所述第三碳纤维强化塑料层的所述第三碳纤维无纺布的取向方向正交、并与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向以及所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉的取向方向，是不对所述碳纤维进行编织而是通过针刺法使所述碳纤维三维地相互交织而成的片状的布，
所述第一碳纤维强化塑料层、所述第二碳纤维强化塑料层、所述第三碳纤维强化塑料层和所述第四碳纤维强化塑料层至少每层以相同数量层叠。
3.根据权利要求1或2所述的碳纤维强化塑料板，其特征在于，
第一弯曲强度、第二弯曲强度和第三弯曲强度的强度比为1∶0.8～1.2∶0.8～1.2，
所述第一弯曲强度为与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向平行的方向上的弯曲强度；
所述第二弯曲强度为与所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向平行的方向上的弯曲强度；以及
所述第三弯曲强度为与同所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向以及所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉的交叉方向平行的方向上的弯曲强度。
4.根据权利要求1或2所述的碳纤维强化塑料板，其特征在于，
第一弯曲弹性模量、第二弯曲弹性模量和第三弯曲弹性模量的比率为1∶0.8～1.2∶0.8～1.2，
所述第一弯曲弹性模量为与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向平行的方向上的弯曲弹性模量；
所述第二弯曲弹性模量为与所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向平行的方向上的弯曲弹性模量；以及
所述第三弯曲弹性模量为与同所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向以及所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉的交叉方向平行的方向上的弯曲弹性模量。
5.根据权利要求1或2所述的碳纤维强化塑料板，其特征在于，所述母材为热固性树脂。
6.根据权利要求1或2所述的碳纤维强化塑料板，其特征在于，相对于所述碳纤维强化塑料板的碳纤维无纺布的纤维体积含有率为20～40体积％。
7.根据权利要求1或2所述的碳纤维强化塑料板，其特征在于，所述碳纤维强化塑料板的表面的平面度为每50mm为0.005～0.05mm。
8.一种加工品，其特征在于，所述加工品为通过对根据权利要求1至7中任一项所述的碳纤维强化塑料板进行磨削加工而成的加工品。
9.根据权利要求8所述的加工品，其特征在于，所述加工品为辊。
10.根据权利要求8所述的加工品，其特征在于，所述加工品为磨削用轮。
11.一种碳纤维强化塑料板的制造方法，其是根据权利要求1至7中任一项所述的碳纤维强化塑料板的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括使浸渍了母材的层叠体固化的固化工序，
所述层叠体是至少所述第一碳纤维强化塑料层和所述第二碳纤维强化塑料层每层以相同数量层叠而成的层叠体。
12.根据权利要求11所述的碳纤维强化塑料板的制造方法，其特征在于，
所述层叠体是所述第一碳纤维强化塑料层、所述第二碳纤维强化塑料层、第三碳纤维强化塑料层和第四碳纤维强化塑料层至少每层以相同数量层叠而成的层叠体，
所述第三碳纤维强化塑料层是具有第三碳纤维无纺布和母材的层，所述第三碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维，且具有与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向以及所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉的取向方向；以及
所述第四碳纤维强化塑料层是具有第四碳纤维无纺布和母材的层，所述第四碳纤维无纺布含有纤维长度为10～70mm的碳纤维，且具有与所述第三碳纤维强化塑料层的所述第三碳纤维无纺布的取向方向正交、并与所述第一碳纤维强化塑料层的所述第一碳纤维无纺布的取向方向以及所述第二碳纤维强化塑料层的所述第二碳纤维无纺布的取向方向以45度的角度交叉的取向方向。
13.根据权利要求11或12所述的碳纤维强化塑料板的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括在所述固化工序后对所述层叠体的表面进行铣削加工的铣削加工工序。
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