JP2009191116A - 繊維強化複合材料の製造方法および繊維強化複合材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の課題は、硬化した樹脂に炭素繊維を含む繊維強化複合材料であって、表面平滑性に優れた繊維強化複合材料を提供することにある。
【解決手段】開繊処理を施して厚さが0.02〜0.1mmの炭素繊維を得る開繊工程と、前記厚さの炭素繊維で幅が1〜6mmのものに硬化性樹脂を含浸する樹脂含浸工程と、前記硬化性樹脂を含浸した前記炭素繊維を金型で型締めしてこの炭素繊維を分繊しつつこの硬化性樹脂を硬化させる分繊・硬化工程と、を有することを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。
【選択図】図1
【解決手段】開繊処理を施して厚さが0.02〜0.1mmの炭素繊維を得る開繊工程と、前記厚さの炭素繊維で幅が1〜6mmのものに硬化性樹脂を含浸する樹脂含浸工程と、前記硬化性樹脂を含浸した前記炭素繊維を金型で型締めしてこの炭素繊維を分繊しつつこの硬化性樹脂を硬化させる分繊・硬化工程と、を有することを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。
【選択図】図1
Description
本発明は、硬化した樹脂に炭素繊維を含む繊維強化複合材料の製造方法および繊維強化複合材料に関する。
従来、硬化した樹脂にガラス繊維を含む繊維強化複合材料の製造方法であって、表面平滑性に優れた成形品を得ることができるものとして、繊維強化複合材料の表面にゲルコート層を形成するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この繊維強化複合材料の製造方法は、含フッ素重合体と硬化剤とを含む樹脂組成物を型に塗布し、ガラス繊維からなるマットで裏打ちした後に、樹脂組成物を硬化するものである。
この製造方法では、ゲルコート層を繊維強化複合材料の表面に形成することによって、繊維強化複合材料の表面平滑性を向上させている。
このような繊維強化複合材料は、その強度および弾性率が高いことから自動車のフェンダ、ドア、トランク等の外板として使用されている。
しかしながら、従来のガラス繊維を含む繊維強化複合材料では、ガラス繊維の密度が高いために、比強度および比弾性率が金属材料と同じ程度に止まっている。
この製造方法では、ゲルコート層を繊維強化複合材料の表面に形成することによって、繊維強化複合材料の表面平滑性を向上させている。
このような繊維強化複合材料は、その強度および弾性率が高いことから自動車のフェンダ、ドア、トランク等の外板として使用されている。
しかしながら、従来のガラス繊維を含む繊維強化複合材料では、ガラス繊維の密度が高いために、比強度および比弾性率が金属材料と同じ程度に止まっている。
また、従来、炭素繊維を含む熱硬化性樹脂組成物が知られている(例えば、特許文献2参照)。この熱硬化性樹脂組成物の硬化物は、ガラス繊維よりも密度が低い炭素繊維を含むので、これを自動車の外板に使用することができれば、車体の軽量化を図ることができる。つまり、これを使用した自動車は、燃費向上、エミッションの低減、ハンドリングの向上を図ることができる。
特開平2−173128号公報
米国特許第6743832号明細書
しかしながら、硬化した樹脂に炭素繊維を含む従来の繊維強化複合材料は、表面平滑性が不充分であった。さらに詳しく説明すると、樹脂に含ませる炭素繊維は、たとえ予め開繊処理を施したものであっても、成形時の材料の流動距離が長いと炭素繊維の均一な分散が阻害される場合があった。そして、炭素繊維の分散が阻害されると、樹脂リッチとなった部分で繊維強化複合材料にひけを生じて表面平滑性を損ねることとなる。
また、成形時の材料の流動によって、炭素繊維が繊維強化複合材料の厚さ方向にうねることによって繊維強化複合材料の表面平滑性を損ねることとなる。
また、成形時の材料の流動によって、炭素繊維が繊維強化複合材料の厚さ方向にうねることによって繊維強化複合材料の表面平滑性を損ねることとなる。
そこで、本発明の課題は、硬化した樹脂に炭素繊維を含む繊維強化複合材料であって、表面平滑性に優れた繊維強化複合材料を提供することにある。
前記課題を解決する本発明の繊維強化複合材料の製造方法は、開繊処理を施して厚さが0.02〜0.1mmの炭素繊維を得る開繊工程と、前記厚さの炭素繊維で幅が1〜6mmのものに硬化性樹脂を含浸する樹脂含浸工程と、前記硬化性樹脂を含浸した前記炭素繊維を金型で型締めしてこの炭素繊維を分繊しつつこの硬化性樹脂を硬化させる分繊・硬化工程と、を有することを特徴とする。
そして、前記課題を解決する本発明の繊維強化複合材料は、厚さが0.02〜0.1mmとなるよう開繊処理が施された炭素繊維であって、幅が1〜6mmの炭素繊維に硬化性樹脂を含浸したものを、金型で型締めしてこの炭素繊維を分繊しつつこの硬化性樹脂を硬化させたことを特徴とする。
そして、前記課題を解決する本発明の繊維強化複合材料は、厚さが0.02〜0.1mmとなるよう開繊処理が施された炭素繊維であって、幅が1〜6mmの炭素繊維に硬化性樹脂を含浸したものを、金型で型締めしてこの炭素繊維を分繊しつつこの硬化性樹脂を硬化させたことを特徴とする。
本発明によれば、硬化した樹脂に炭素繊維を含む繊維強化複合材料であって、表面平滑性に優れた繊維強化複合材料を提供することができる。
以下に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。ここで参照する図面において、図1は、実施形態に係る繊維強化複合材料の製造方法の工程説明図である。
本発明の製造方法で得られる繊維強化複合材料は、炭素繊維と硬化性樹脂とを含む組成物を金型で型締めして、炭素繊維を分繊しつつ硬化性樹脂を硬化させたものである。そして、本発明の繊維強化複合材料およびその製造方法は、開繊して所定の厚さとなった炭素繊維であって所定の幅のものを使用したことを主な特徴とする。以下に、本発明に係る製造方法を説明しつつ、この製造方法で得られる繊維強化複合材料について説明する。
本発明の製造方法で得られる繊維強化複合材料は、炭素繊維と硬化性樹脂とを含む組成物を金型で型締めして、炭素繊維を分繊しつつ硬化性樹脂を硬化させたものである。そして、本発明の繊維強化複合材料およびその製造方法は、開繊して所定の厚さとなった炭素繊維であって所定の幅のものを使用したことを主な特徴とする。以下に、本発明に係る製造方法を説明しつつ、この製造方法で得られる繊維強化複合材料について説明する。
本実施形態に係る繊維強化複合材料の製造方法は、図1に示すように、炭素繊維に開繊処理を施す開繊工程と、開繊した炭素繊維に硬化性樹脂を含浸する樹脂含浸工程と、硬化性樹脂を含浸した炭素繊維を金型で型締めしてこの炭素繊維を分繊しつつこの硬化性樹脂を硬化させる分繊・硬化工程とを有している。
前記した開繊工程で使用される炭素繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等か挙げられる。本実施形態での炭素繊維は、1000〜24000本程度のフィラメントが束ねられて形成されている。
この開繊工程では、断面視で扁平形状となっている炭素繊維に開繊処理が施されることによって、炭素繊維の幅が広げられる。その結果、本実施形態での炭素繊維は、更に扁平となって、その厚さが0.02〜0.1mmとなる。ちなみに、開繊処理前の炭素繊維の厚さ(T1)に対する開繊処理後の炭素繊維の厚さ(T2)の比(T2/T1)は、0.1〜0.5が望ましい。
炭素繊維に開繊処理を施す方法としては、例えば、炭素繊維にエアを吹き付ける方法が挙げられる。この開繊処理には、公知のエア開繊装置(例えば、特開平11−172562号公報参照)が使用されてもよい。
この開繊工程では、断面視で扁平形状となっている炭素繊維に開繊処理が施されることによって、炭素繊維の幅が広げられる。その結果、本実施形態での炭素繊維は、更に扁平となって、その厚さが0.02〜0.1mmとなる。ちなみに、開繊処理前の炭素繊維の厚さ(T1)に対する開繊処理後の炭素繊維の厚さ(T2)の比(T2/T1)は、0.1〜0.5が望ましい。
炭素繊維に開繊処理を施す方法としては、例えば、炭素繊維にエアを吹き付ける方法が挙げられる。この開繊処理には、公知のエア開繊装置(例えば、特開平11−172562号公報参照)が使用されてもよい。
そして、開繊処理が施されて幅が広げられた炭素繊維は、その幅が1〜6mm、望ましくは1〜3mmとされた後に次の樹脂含浸工程に供される。開繊処理後の炭素繊維の幅をこの範囲内とする方法としては、幅が広げられた炭素繊維を、例えばスリット歯の間隔(幅)が1〜6mmに設定されたスリットに通すいわゆるスリット加工する方法が挙げられる。ちなみに、開繊処理後の炭素繊維の幅が前記範囲内であるときは、炭素繊維はそのまま次の樹脂含浸工程に供されることとなる。
本実施形態での樹脂含浸工程においては、厚さが0.02〜0.1mmとなるように開繊処理が施されて、幅が1〜6mmとされた前記炭素繊維が、適切な長さにカットされる。そして、このカットされた炭素繊維に硬化性樹脂が含浸されて炭素繊維を含む組成物が調製される。この組成物は、プリプレグであってもよい。
カットする炭素繊維の長さとしては、12〜50mm程度が望ましい。このように炭素繊維の長さを、12mm以上とすることによって成形品(繊維強化複合材料)に引張り強度などといった機械的物性を充分に発揮させることができる。そして、炭素繊維の長さを、50mm以下とすることによって、硬化性樹脂中に炭素繊維をより確実に均一に分散させることができ、得られる成形品(繊維強化複合材料)に良好な表面平滑性を付与することができる。
カットする炭素繊維の長さとしては、12〜50mm程度が望ましい。このように炭素繊維の長さを、12mm以上とすることによって成形品(繊維強化複合材料)に引張り強度などといった機械的物性を充分に発揮させることができる。そして、炭素繊維の長さを、50mm以下とすることによって、硬化性樹脂中に炭素繊維をより確実に均一に分散させることができ、得られる成形品(繊維強化複合材料)に良好な表面平滑性を付与することができる。
炭素繊維に含浸させる硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。硬化性樹脂の粘度は、特に制限はないが1000〜40000mPa・sが望ましい。
ちなみに、前記した炭素繊維と硬化性樹脂とを含む組成物には、本発明の課題を阻害しないかぎり、前記した硬化性樹脂の他に、充填材、熱可塑性樹脂、その他の低収縮化剤等の添加物を含ませることができる。
このような炭素繊維と硬化性樹脂とを含む組成物は、次の分繊・硬化工程に供される。
ちなみに、前記した炭素繊維と硬化性樹脂とを含む組成物には、本発明の課題を阻害しないかぎり、前記した硬化性樹脂の他に、充填材、熱可塑性樹脂、その他の低収縮化剤等の添加物を含ませることができる。
このような炭素繊維と硬化性樹脂とを含む組成物は、次の分繊・硬化工程に供される。
分繊・硬化工程では、前記組成物が金型で型締めされて、炭素繊維が分繊するとともに、硬化性樹脂が硬化する。この際、金型内には、硬化性樹脂が更に加えられてもよい。
型締め圧力は、炭素繊維がより効果的に分繊化する圧力であって、5MPa以上が望ましい。
型締め圧力は、炭素繊維がより効果的に分繊化する圧力であって、5MPa以上が望ましい。
ここで「炭素繊維の分繊化」について、図2を参照しながら説明する。図2は、分繊化した炭素繊維の様子を示す図面代用写真である。
図2に示すように、炭素繊維1の分繊化とは、硬化性樹脂2中で、炭素繊維1を扇の骨状(フカヒレ状)となるように複数のフィラメント束1aに分けて広げることであって、複数のフィラメント束1aが炭素繊維1の端部側になるほど相互の間隔が広く分かれた状態にすることをいう。
図2に示すように、炭素繊維1の分繊化とは、硬化性樹脂2中で、炭素繊維1を扇の骨状(フカヒレ状)となるように複数のフィラメント束1aに分けて広げることであって、複数のフィラメント束1aが炭素繊維1の端部側になるほど相互の間隔が広く分かれた状態にすることをいう。
ここで炭素繊維と硬化性樹脂とを含む組成物が型締めされて金型内で流動する際の炭素繊維の挙動について更に説明する。ここで参照する図3は、金型に配置された炭素繊維と硬化性樹脂とを含む組成物の様子を示す模式図であり、(a)は、型締めを行う前の組成物における炭素繊維の様子を示す図、(b)は、型締めを行った後における本実施形態の組成物での炭素繊維の様子を示す図、(c)は、型締めを行った後における比較例の組成物での炭素繊維の様子を示す図である。
図3(a)に示すように、金型5のキャビティ5a内に配置された前記組成物4は、硬化性樹脂2中で、炭素繊維1が互いに重なり合いながら存在する。
そして、図3(b)に示すように、本実施形態での組成物4は、金型5が型締めされると、当初の配置範囲6からキャビティ5aの全体にわたって広がる。この際、硬化性樹脂2中で重なり合う炭素繊維1は、互いに剥がれてキャビティ5aの全体にわたってほぼ均一に分散する。
そして、図3(b)に示すように、本実施形態での組成物4は、金型5が型締めされると、当初の配置範囲6からキャビティ5aの全体にわたって広がる。この際、硬化性樹脂2中で重なり合う炭素繊維1は、互いに剥がれてキャビティ5aの全体にわたってほぼ均一に分散する。
これに対して、図3(c)に示すように、炭素繊維1の幅および厚さが前記範囲を外れたものを含む比較例としての組成物4は、炭素繊維1が互いに重なったままでキャビティ5aに広がる。その結果、キャビティ5aの中央部には、大きく樹脂リッチ部分3が形成されることとなる。
ここで参照する図4(a)は、図3(a)に対応する図面代用写真、図4(b)は、図3(b)に対応する図面代用写真、図4(c)は、図3(c)中、重なり合ったままキャビティ内に広がった炭素繊維の様子を示す図面代用写真である。
図4(a)に示すように、炭素繊維1は、図3(a)中の当初の配置範囲6に相当する領域6a内で、互いに重なり合っている。
そして、図4(b)に示すように、本実施形態での組成物4における炭素繊維1は、型締めされることによって、図3(b)中の当初の配置範囲6に相当する領域6aから広がる際に、重なり合う炭素繊維1同士(図4(a)参照)は、互いに剥がれて硬化性樹脂2内でほぼ均一に分散している。そして、分散した炭素繊維1のそれぞれは、前記したように分繊している。
ここで参照する図4(a)は、図3(a)に対応する図面代用写真、図4(b)は、図3(b)に対応する図面代用写真、図4(c)は、図3(c)中、重なり合ったままキャビティ内に広がった炭素繊維の様子を示す図面代用写真である。
図4(a)に示すように、炭素繊維1は、図3(a)中の当初の配置範囲6に相当する領域6a内で、互いに重なり合っている。
そして、図4(b)に示すように、本実施形態での組成物4における炭素繊維1は、型締めされることによって、図3(b)中の当初の配置範囲6に相当する領域6aから広がる際に、重なり合う炭素繊維1同士(図4(a)参照)は、互いに剥がれて硬化性樹脂2内でほぼ均一に分散している。そして、分散した炭素繊維1のそれぞれは、前記したように分繊している。
これに対して、図4(c)に示すように、炭素繊維1の幅および厚さが前記範囲を外れたものは、型締めされた後も互いに重なって拘束し合うことで炭素繊維1の幅を維持しており、分繊が不充分となっている。つまり、この比較例としての組成物4は、硬化性樹脂2が偏在して前記した樹脂リッチ部分3(図3(c)参照)を形成することとなる。
そして、この分繊・硬化工程では、図3(b)に示す金型5内の組成物4が硬化することによって炭素繊維1を含む繊維強化複合材料が得られる。組成物4の硬化は、使用する硬化性樹脂2の種類に応じて行えばよく、例えば、熱硬化性樹脂を含む組成物は、温調金型によるプレスマシンにて所定の圧力下に加熱硬化すればよい。
次に、本実施形態に係る繊維強化複合材料およびその製造方法の作用効果について説明する。
本実施形態に係る製造方法では、図3(b)に示すように、炭素繊維1と硬化性樹脂2とを含む組成物4が型締めされて金型5内で流動する際に、硬化性樹脂2を含浸する炭素繊維1が予め開繊されてその厚さが0.02〜0.1mmとなっており、その幅が1〜6mmとなっているので、重なり合う炭素繊維1同士が解れて金型5内で硬化性樹脂2とともに広がることとなる。その結果、金型5内で広がった組成物4では、炭素繊維1同士の重なりが解れてほぼ均一に分散するので、樹脂リッチ部分3(図3(c)参照)が低減する。そして、炭素繊維1は、フィラメント束1a(図2参照)が広がるように分繊するので、図3(c)に示すような組成物4中での樹脂リッチ部分3は更に確実に低減する。
本実施形態に係る製造方法では、図3(b)に示すように、炭素繊維1と硬化性樹脂2とを含む組成物4が型締めされて金型5内で流動する際に、硬化性樹脂2を含浸する炭素繊維1が予め開繊されてその厚さが0.02〜0.1mmとなっており、その幅が1〜6mmとなっているので、重なり合う炭素繊維1同士が解れて金型5内で硬化性樹脂2とともに広がることとなる。その結果、金型5内で広がった組成物4では、炭素繊維1同士の重なりが解れてほぼ均一に分散するので、樹脂リッチ部分3(図3(c)参照)が低減する。そして、炭素繊維1は、フィラメント束1a(図2参照)が広がるように分繊するので、図3(c)に示すような組成物4中での樹脂リッチ部分3は更に確実に低減する。
したがって、このような組成物4(図3(b)参照)が硬化して得られた繊維強化複合材料では、樹脂リッチ部分3(図3(c)参照)が低減されているので、樹脂リッチ部分3のひけで生じる凹みが極めて少なく、表面平滑性が優れたものとなる。また、前記したように、型締めされた組成物4中で炭素繊維1がほぼ均一に広がるので、炭素繊維1がその長さ方向にうねることが防止される。その結果、この組成物4が硬化して得られた繊維強化複合材料は、炭素繊維1がその長さ方向(繊維強化複合材料の厚さ方向)にうねることが防止されるので、表面平滑性が優れたものとなる。
なお、開繊工程を経た後の炭素繊維1の幅が1mmを下回る場合には、この炭素繊維1を扱う際に炭素繊維1のフィラメントが断裂する恐れがあり、安定して繊維強化複合材料を生産することができない場合がある。また、開繊工程を経た後の炭素繊維1の幅が6mmを上回る場合には、型締めした際に炭素繊維1が効率よく解れて分繊化しない場合がある。その結果、表面平滑性に優れた繊維強化複合材料を得ることができない場合がある。
そして、開繊工程を経た後の炭素繊維1の厚さが0.02mmを下回る場合には、炭素繊維1が薄すぎて組成物4中でのフィラメント束1a(図2参照)同士の間隔が大きくなる。つまり、炭素繊維1がバーコード状態となりやすく、安定して均質な繊維強化複合材料が得られない場合がある。また、開繊工程を経た後の炭素繊維1の厚さが0.1mmを上回る場合には、炭素繊維1の凹凸形状が繊維強化複合材料に浮き出て表面平滑性が阻害される場合がある。
また、本実施形態に係る製造方法で得られた繊維強化複合材料は、前記したように、優れた表面平滑性を有しながらも、ガラス繊維よりも密度が低い炭素繊維1を含むので、従来のガラス繊維を含む繊維強化複合材料と比較して軽量となる。
以上のように、本実施形態に係る繊維強化複合材料およびその製造方法によれば、炭素繊維1の形状を変更するという簡単な構成で、繊維強化複合材料の軽量化を図りつつ、表面平滑性を優れたものとすることができるので、自動車部品等の汎用用途に廉価な材料を提供することができる。
次に、実施例を示しながら本発明をさらに具体的に説明する。
(実施例1)
実施例1では、炭素繊維として、ポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−S12K−F202)を用意した。そして、この炭素繊維には開繊処理が施された。開繊処理後の炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。ちなみに、開繊処理は、特開平11−172562号公報に記載されたエア開繊装置に準じた開繊装置を使用して行われた。
(実施例1)
実施例1では、炭素繊維として、ポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−S12K−F202)を用意した。そして、この炭素繊維には開繊処理が施された。開繊処理後の炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。ちなみに、開繊処理は、特開平11−172562号公報に記載されたエア開繊装置に準じた開繊装置を使用して行われた。
次に、この開繊処理後の炭素繊維は、スリット加工が施されてその幅方向に分割されてその幅が1mmとなった。
そして、厚さが0.02mmで幅が1mmとなった炭素繊維に樹脂液を含浸させてプリプレグが作製された。樹脂液は、不飽和ポリエステル(熱硬化性樹脂)100質量部、炭酸カルシウム120質量部、および酢酸ビニル系エラストマ6質量部を混合して調製された。炭素繊維に対する樹脂液の含浸は、月島機械(株)製のSMC含浸機に炭素繊維を供給して行われた。
次に、得られたプリプレグを金型面積に対して20%の大きさとなるように100mm×150mm×20mmの大きさでセットした。ちなみに、金型としては、表面が所定の曲率で湾曲する曲面を有するものであって、自動車の外板を模擬した擬似金型を使用した。そして、川崎油工(株)製のプレス機(200t)を使用して型締め圧力が10MPaとなるようにプリプレグを加圧して硬化させて繊維強化複合材料を得た。なお、このときの型締め時間は、4分であり、プリプレグを硬化させるための金型温度は、140℃に設定された。ちなみに、金型は、クラスA仕上げのものを使用した。
得られた繊維強化複合材料について、繊維強化複合材料中の炭素繊維の体積分率(Vf:%)、繊維強化複合材料の表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。なお、表面粗さの測定には、ミツトヨ(株)製の表面粗さ測定機(SV3000CNC)が使用された。そして、表面のうねり(μm)は、得られた繊維強化複合材料の表面を直線で30mmに わたって測定した凹凸の最大高さと最小高さとの差(絶対値)として求めた。
強度および弾性率の測定は、得られた繊維強化複合材料のフラット部(R形状のない平板部位)より切り出した試験片を使用して行った。これらの測定には、INSTRON社製の5567が使用された。強度としては、JIS K 7047に準拠して4点曲げ強度が測定された。弾性率は、JIS K 7047のB法に基いて算出された。密度の測定には、MIRGE社製の密度測定機(SD−120L)が使用された。
強度および弾性率の測定は、得られた繊維強化複合材料のフラット部(R形状のない平板部位)より切り出した試験片を使用して行った。これらの測定には、INSTRON社製の5567が使用された。強度としては、JIS K 7047に準拠して4点曲げ強度が測定された。弾性率は、JIS K 7047のB法に基いて算出された。密度の測定には、MIRGE社製の密度測定機(SD−120L)が使用された。
繊維強化複合材料の前記した表面の状態は、目視で凹凸が認められないものを良好と評価して「○」と表1に記し、目視で凹凸が認められたものを悪いと評価して「×」と表1に記した。
(実施例2)
実施例2では、表1に示すように、開繊処理後の炭素繊維にスリット加工を施した結果、炭素繊維の幅が6mmとなったもの(厚さ:0.02mm、幅:6mm)を使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。そして、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
実施例2では、表1に示すように、開繊処理後の炭素繊維にスリット加工を施した結果、炭素繊維の幅が6mmとなったもの(厚さ:0.02mm、幅:6mm)を使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。そして、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
(実施例3)
実施例3では、実施例1と同じポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−S12K−F202)に実施例1と同様に開繊処理が施された。開繊処理後の炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。
次に、この開繊処理した炭素繊維は、スリット加工が施されてその幅方向に分割された。その結果、炭素繊維の幅は、表1に示すように、6mmとなった。そして、この炭素繊維(厚さ:0.06mm、幅:6mm)を使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。次に、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
実施例3では、実施例1と同じポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−S12K−F202)に実施例1と同様に開繊処理が施された。開繊処理後の炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。
次に、この開繊処理した炭素繊維は、スリット加工が施されてその幅方向に分割された。その結果、炭素繊維の幅は、表1に示すように、6mmとなった。そして、この炭素繊維(厚さ:0.06mm、幅:6mm)を使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。次に、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
(実施例4)
実施例4では、実施例1と同じポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−S12K−F202)に実施例1と同様に開繊処理が施された。開繊処理後の炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。次に、この実施例4では、炭素繊維にスリット加工を施さずに、つまり幅が6mmで厚さが0.08mmの炭素繊維を使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。次に、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
実施例4では、実施例1と同じポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−S12K−F202)に実施例1と同様に開繊処理が施された。開繊処理後の炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。次に、この実施例4では、炭素繊維にスリット加工を施さずに、つまり幅が6mmで厚さが0.08mmの炭素繊維を使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。次に、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
(実施例5)
実施例5では、実施例1と同じポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−S12K−F202)に実施例1と同様に開繊処理が施された。開繊処理後の炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。
実施例5では、実施例1と同じポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−S12K−F202)に実施例1と同様に開繊処理が施された。開繊処理後の炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。
次に、この開繊処理した炭素繊維は、スリット加工が施されてその幅方向に分割された。その結果、炭素繊維の幅は、表1に示すように、1mmとなった。そして、この炭素繊維(厚さ:0.08mm、幅:1mm)を使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。次に、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
(比較例1)
比較例1では、炭素繊維として、ポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−12K−F202)を用意した。そして、この炭素繊維は開繊処理およびスリット加工のいずれも施されなかった。この炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。そして、この炭素繊維(厚さ:0.12mm、幅:6mm)を使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。次に、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
比較例1では、炭素繊維として、ポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−12K−F202)を用意した。そして、この炭素繊維は開繊処理およびスリット加工のいずれも施されなかった。この炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。そして、この炭素繊維(厚さ:0.12mm、幅:6mm)を使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。次に、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
(比較例2)
比較例2では、炭素繊維として、ポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−3K−E30)を用意した。そして、この炭素繊維は開繊処理およびスリット加工のいずれも施されなかった。この炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。そして、この炭素繊維(厚さ:0.12mm、幅:3mm)を使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。次に、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
比較例2では、炭素繊維として、ポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−3K−E30)を用意した。そして、この炭素繊維は開繊処理およびスリット加工のいずれも施されなかった。この炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。そして、この炭素繊維(厚さ:0.12mm、幅:3mm)を使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。次に、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
(比較例3)
比較例3では、実施例1と同じポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−S12K−F202)に実施例1と同様に開繊処理が施された。開繊処理後の炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。次に、この比較例3では、炭素繊維にスリット加工を施さずに、つまり幅が12mmで厚さが0.06mmの炭素繊維をそのまま使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。次に、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
比較例3では、実施例1と同じポリアクリロニトリル系炭素繊維(東邦テナックス社製、HTA−S12K−F202)に実施例1と同様に開繊処理が施された。開繊処理後の炭素繊維の幅および厚さを表1に示す。次に、この比較例3では、炭素繊維にスリット加工を施さずに、つまり幅が12mmで厚さが0.06mmの炭素繊維をそのまま使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。次に、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
(比較例4)
比較例4では、表1に示すように、開繊処理後の炭素繊維にスリット加工を施した結果、炭素繊維が12mmとなったもの(厚さ:0.02mm、幅:12mm)を使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。そして、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
比較例4では、表1に示すように、開繊処理後の炭素繊維にスリット加工を施した結果、炭素繊維が12mmとなったもの(厚さ:0.02mm、幅:12mm)を使用した以外は、実施例1と同様にして繊維強化複合材料を作製した。そして、得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、体積分率(Vf:%)、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
(参考例)
参考例では、炭素繊維に代えてガラス繊維を含む繊維強化複合材料(SMC)が常法により作製された。得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
参考例では、炭素繊維に代えてガラス繊維を含む繊維強化複合材料(SMC)が常法により作製された。得られた繊維強化複合材料について、実施例1と同様に、表面粗さ(Ra:μm)、表面のうねり(μm)、強度(MPa)、弾性率(GPa)、および密度(g/cm3)が測定されるとともに、繊維強化複合材料の表面の状態が目視で評価された。これらの結果を表1に示す。
(実施例1〜5、比較例1〜4、および参考例での繊維強化複合材料の評価)
表1に示すように、開繊処理を施さずに厚さが0.1mmを超える炭素繊維を使用して得られた繊維強化複合材料(比較例1および比較例2)は、目視で表面に凹凸が認められて「×」の評価となっている。
また、開繊処理を施して厚さが0.1mm未満となった炭素繊維であっても、幅が6mmを超える炭素繊維を使用して得られた繊維強化複合材料は、スリット加工を施さなかったもの(比較例3)、およびスリット加工を施したもの(比較例4)に関らずに目視で表面に凹凸が認められて「×」の評価となっている。
表1に示すように、開繊処理を施さずに厚さが0.1mmを超える炭素繊維を使用して得られた繊維強化複合材料(比較例1および比較例2)は、目視で表面に凹凸が認められて「×」の評価となっている。
また、開繊処理を施して厚さが0.1mm未満となった炭素繊維であっても、幅が6mmを超える炭素繊維を使用して得られた繊維強化複合材料は、スリット加工を施さなかったもの(比較例3)、およびスリット加工を施したもの(比較例4)に関らずに目視で表面に凹凸が認められて「×」の評価となっている。
これに対して、開繊処理を施して厚さが0.02〜0.1mmであって、スリット加工を施してその幅が1〜6mmとなった炭素繊維を使用して得られた繊維強化複合材料(実施例1〜実施例3、および実施例5)、ならびにスリット加工を施さずにその幅が1〜6mmとなっている炭素繊維を使用して得られた繊維強化複合材料(実施例4)は、目視で表面に凹凸が認められず、「○」の評価となっている。
また、実施例1〜実施例5の繊維強化複合材料は、比較例1〜比較例4のものよりも表面のうねりが小さくなっている。特に、厚さが0.1mmを超える炭素繊維を使用して得られた繊維強化複合材料(比較例1および比較例2)と比較すると、実施例1〜実施例5の繊維強化複合材料は、表面粗さRaおよび表面のうねりが一段と小さくなっているとともに、炭素繊維の体積分率、および密度が同程度でありながら、強度に優れ、しかも弾性率にも富んでいることが確認された。
また、実施例1〜実施例5の繊維強化複合材料は、比較例1〜比較例4のものよりも表面のうねりが小さくなっている。特に、厚さが0.1mmを超える炭素繊維を使用して得られた繊維強化複合材料(比較例1および比較例2)と比較すると、実施例1〜実施例5の繊維強化複合材料は、表面粗さRaおよび表面のうねりが一段と小さくなっているとともに、炭素繊維の体積分率、および密度が同程度でありながら、強度に優れ、しかも弾性率にも富んでいることが確認された。
次に、重なり合った炭素繊維同士が剥がれる際に要する荷重を測定した。ここでは幅が1mm、3mm、6mm、および24mmの炭素繊維(厚さ:0.02mm、長さ:60mm)をそれぞれ二組ずつ用意した。そして、これらの炭素繊維に前記した樹脂液を含浸するとともに、同じ幅の炭素繊維の組同士の端を長さ13mmにわたって重ね合わせて相互に粘着させた。そして、その一端側を固定するとともに、他端側を引っ張って粘着した炭素繊維同士が離れた(剥がれた)際の荷重(以下、単に「剥がれ荷重」という)を測定した。その結果を図5に示す。ここで参照する図5は、炭素繊維の幅と剥がれ荷重との関係を示すグラフであり、縦軸は剥がれ荷重[gf]を表し、横軸は炭素繊維の幅[mm]を表す。ちなみに、縦軸には荷重[N]を併記している。
図5に示すように、炭素繊維の幅が増大するにしたがって、剥がれ荷重も増大している。そして、この図5においては、表1に示す表面の状態が「○」で良好と評価された炭素繊維の幅が6mm以下では、剥がれ荷重が200gf(1.96N)を大幅に下回っていることが確認された。ちなみに、炭素繊維の幅が6mmでの剥がれ荷重は、図5に示すように、115gf(1.13N)程度であることが確認された。
図5に示すように、炭素繊維の幅が増大するにしたがって、剥がれ荷重も増大している。そして、この図5においては、表1に示す表面の状態が「○」で良好と評価された炭素繊維の幅が6mm以下では、剥がれ荷重が200gf(1.96N)を大幅に下回っていることが確認された。ちなみに、炭素繊維の幅が6mmでの剥がれ荷重は、図5に示すように、115gf(1.13N)程度であることが確認された。
そして、実施例3および比較例3のそれぞれで得られた繊維強化複合材料の表面の凹凸高さを測定してグラフ化した。この凹凸高さは、繊維強化複合材料の前記した表面のほぼ中央部で、直線で30mmにわたって測定した。図6(a)は、実施例3で得られた繊維強化複合材料の表面における凹凸高さを示すグラフであり、図6(b)は、比較例3で得られた繊維強化複合材料の表面における凹凸高さを示すグラフである。縦軸は、凹凸高さ(μm)を示し、横軸は測定長さ(mm)を示す。なお、縦軸の凹凸高さ(μm)は、測定開始位置の高さを基準(0μm)とした相対値で示した。そして、これらの測定位置に対応する金型の凹凸高さを破線で併記した。
そして、図6(a)に示すように、実施例3で得られた繊維強化複合材料の表面は、その凹凸高さが金型での対応した凹凸高さとほぼ同じであった。
これに対し、比較例3で得られた繊維強化複合材料の表面は、図6(b)に示すように、樹脂リッチ部分でひけを形成したと考えられる凹みが形成されていた。
以上のことから、実施例に係る繊維強化複合材料の表面平滑性は、比較例に係る繊維強化複合材料の表面平滑性よりも優れていることが確認された。
これに対し、比較例3で得られた繊維強化複合材料の表面は、図6(b)に示すように、樹脂リッチ部分でひけを形成したと考えられる凹みが形成されていた。
以上のことから、実施例に係る繊維強化複合材料の表面平滑性は、比較例に係る繊維強化複合材料の表面平滑性よりも優れていることが確認された。
また、実施例1〜実施例5の繊維強化複合材料は、参考例のガラス繊維を含む繊維強化複合材料と比較して、目視による表面の状態が同程度であるとともに、表面粗さRa、表面のうねりも同程度であった。そして、実施例1〜実施例5の繊維強化複合材料は、参考例のガラス繊維を含む繊維強化複合材料と比較して、強度が一段と優れ、弾性率にも一段と富んでいることが確認された。
1 炭素繊維
2 硬化性樹脂
3 樹脂リッチ部分
2 硬化性樹脂
3 樹脂リッチ部分
Claims (2)
- 開繊処理を施して厚さが0.02〜0.1mmの炭素繊維を得る開繊工程と、
前記厚さの炭素繊維で幅が1〜6mmのものに硬化性樹脂を含浸する樹脂含浸工程と、
前記硬化性樹脂を含浸した前記炭素繊維を金型で型締めしてこの炭素繊維を分繊しつつこの硬化性樹脂を硬化させる分繊・硬化工程と、
を有することを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。 - 厚さが0.02〜0.1mmとなるように開繊処理が施された炭素繊維であって、幅が1〜6mmの炭素繊維に硬化性樹脂を含浸したものを、金型で型締めしてこの炭素繊維を分繊しつつこの硬化性樹脂を硬化させたことを特徴とする繊維強化複合材料。
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-
2008
- 2008-02-13 JP JP2008031350A patent/JP2009191116A/ja active Pending
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