CN101489783A - 纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供可抑制原材料的用量、使制备步骤简化、还可以保持纤维材料的优异功能、高柔软性、低热膨胀的高透明性纤维复合材料。该纤维复合材料是具备平均纤维直径为4-200nm、50μm厚度可见光透射率为3%以上的纤维集合体,以及涂布该纤维集合体表面、使其平滑的涂层,该纤维复合材料的50μm厚度可见光透射率为60%以上。上述纤维集合体中,通过涂层涂布表面,使其平滑,由此可抑制表面的凹凸形状产生的光的散射,可获得高透明的纤维复合材料。

Description

纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及纤维复合材料及其制备方法,具体来说,涉及在纤维直径比可见光波长还细的纤维集合体上涂布涂层而成的高透明性的纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
纤维复合材料通常已知有在玻璃纤维中含浸树脂而成的玻璃纤维增强树脂。通常,该玻璃纤维增强树脂是不透明的,但专利文献1和2中公开了使玻璃纤维的折射率和含浸的基体树脂的折射率一致,可得到透明玻璃纤维增强树脂的方法。
本申请人申请的专利文献3中公开:通过将基体材料含浸在所谓的微原纤化的纤维材料中,可以得到高透明的纤维复合材料。并提出:该微原纤化的纤维材料可以使用将纸浆等植物纤维进行开纤、磨碎处理所得的纤维,或由细菌生成的纤维素和从细菌产物中除去细菌后所得的三维结构的细菌纤维素。
专利文献1:日本特开平9-207234号公报
专利文献2:日本特开平7-156279号公报
专利文献3:日本特开2005-60680号公报
发明内容
专利文献1和2中公开的以往的玻璃纤维增强树脂根据使用条件有时不透明。即,物质的折射率具有温度相关性,因此,如果是专利文献1和2中公开的玻璃纤维增强树脂,则在某种温度条件下是透明的,而在与该温度条件不同的条件下为半透明或不透明。另外,折射率根据每种物质不同,具有波长相关性,在可见光波长中,在特定波长下即使使纤维与基体树脂的折射率一致,在可见区的整个区域内折射率也可能存在有偏差的区域,在该区域仍然无法获得透明性。
与此相对,专利文献3中公开的纤维复合材料中,通过使用纤维直径为纳米级的纤维素纤维,纤维直径比可见光的波长更短,用折射率与纤维素接近的基体材料含浸于其空隙,由此可以抑制纤维与空隙部分在基体材料界面发生可见光散射,不受温度条件或波长等的影响,可以获得高透明的纤维复合材料。但是,空隙率高的纤维材料中含浸基体材料时,使用的基体材料的量增多。另外,含浸步骤需要较长时间,处理变得较为复杂。并且根据含浸条件不同,有可能必须进行减压或加压等特殊处理。另外,纤维材料为高柔软性、低热膨胀性,具有优异的功能,因此有望在各种领域中应用,但是使基体材料含浸在纤维复合材料中时,纤维材料中的基体材料含量增多,因此柔软性降低,热膨胀性增大,产生纤维材料本身的特性降低的问题。
因此,本发明的目的在于提供可以抑制原材料的使用量、使制备步骤简化、还可以保持纤维材料的优异功能、高柔软性和低热膨胀的高透明性纤维复合材料及其制备方法。
用于解决课题的手段
本发明人为解决上述课题而设,以以下构成为特征。
本发明的纤维复合材料的特征在于:具备平均纤维直径4-200nm、50μm厚可见光透射率为3%以上的纤维集合体,和涂布该纤维集合体表面、使其平滑的涂层;50μm厚的可见光透射率为60%以上。该纤维集合体的空隙率优选为35%以下。
上述纤维复合材料中,纤维集合体优选由纤维素纤维构成。该纤维素纤维可以是由植物纤维分离的纤维,该纤维素纤维还可以是将从植物纤维中分离的纤维进行开纤处理所得的,特别是该开纤处理可包含磨碎处理。另外,该纤维素纤维可以进行化学改性和/或物理改性。
上述纤维复合材料中,涂层优选为有机高分子材料、无机高分子材料、以及有机高分子和无机高分子的掺混高分子材料中的至少1种或2种以上的组合。该涂层可以是结晶度为10%以下、玻璃化转变温度为110℃以上的合成高分子材料,该涂层可以进一步含有无机材料。
上述纤维复合材料中,优选涂层的折射率优选1.4-1.7,涂层的50μm厚可见光透射率为60%以上。
上述纤维复合材料中,线性热膨胀系数优选为0.05×10-5-5×10-5K-1
上述纤维复合材料中,优选纤维集合体表面的整个面被涂层涂布。上述纤维复合材料中,优选纤维集合体表面中的未被涂层涂布的部分被被覆材料覆盖。
本发明的纤维复合材料的制备方法的特征在于:在上述纤维集合体的表面涂布可形成上述涂层的涂布用液状物,接着,使该涂布用液状物固化。该涂布用液状物可以是流体状的涂布材料、流体状的涂布材料的原料、使涂布材料流体化的流体化物、使涂布材料的原料流体化的流体化物、涂布材料的溶液、以及涂布材料的原料溶液的1种或2种以上的组合。
本发明的纤维复合材料的制备方法的特征在于:将可形成上述涂层的涂布用层合材料粘贴在上述纤维集合体的表面。
发明效果
本发明可提供抑制原料使用量、使制备步骤简化、可保持纤维材料的优异功能、高柔软性、低热膨胀的高透明性的纤维复合材料及其制备方法。
本发明中,将具有纳米级的纤维直径、光线透射率在规定值以上的纤维集合体的表面用涂层涂布,使其平滑,由此可以抑制表面的可见光的散射,可获得高透明的纤维复合材料。
只用树脂等涂层涂布纤维集合体的表面,无需向纤维集合体的内部填充树脂等,因此可以减少树脂等的用量,可以抑制原材料的成本。另外,涂布方法可以采用涂布法或层合法等,因此可以使处理步骤简化。
只是在纤维集合体的表层设置涂层,无需在纤维集合体内的空隙部分填充其它材料,即可以获得高透明的纤维复合材料,因此可有效发挥纤维集合体的特性——高柔软性和低热膨胀性。
如上所述,本发明的纤维复合材料的透明性、高柔软性、低热膨胀等优异,并且通过纤维集合体与涂层的组合,具有各种优异的功能性,因此适合在电子领域、光学领域、结构材料领域、建筑材料领域等各种用途中使用。
附图简述
图1是制备例1的纸浆片、制备例2的棉片、以及制备例3的高空隙率的纸浆片换算成50μm厚度的光线透射率的图表。
图2是制备例1的纸浆片的SEM图像,(a)表示广泛区域,(b)表示放大区域。
图3是制备例2的棉片的SEM图像,(a)表示广泛区域,(b)表示放大区域。
图4是实施例1的用透明胶带层合的纸浆片、制备例1的纸浆片、以及仅是透明胶带换算成50μm厚度的光线透射率的图表。
图5是实施例2的旋涂丙烯酸树脂A得到的棉片、比较例1的含浸丙烯酸树脂A得到的棉片、以及只有丙烯酸树脂A的换算成50μm厚度的光线透射率的图表。
图6是实施例3的旋涂丙烯酸树脂B得到的棉片、比较例2的含浸丙烯酸树脂B得到的棉片、以及只有丙烯酸树脂B的换算成50μm厚度的光线透射率的图表。
图7是实施例4的形成SiN膜、并旋涂丙烯酸树脂A得到的棉片换算成50μm厚度的光线透射率的图表。
图8是用丙烯酸树脂A将制备例1的纸浆片的一半进行涂布所得的片材的数字图像。
实施发明的最佳方式
以下参照附图,详细说明本发明的纤维复合材料及其制备方法的实施方案。但本发明并不受以下实施方案的例举限定。
本发明的纤维复合材料的特征在于:具备平均纤维直径4-200nm、50μm厚度可见光透射率为3%以上的纤维集合体,以及涂布该纤维集合体表面、使其平滑的涂层,50μm厚度可见光透射率为60%以上。
根据本发明的纤维复合材料,通过在平均纤维直径4-200nm、50μm厚度可见光透射率为3%以上的纤维集合体的表面涂布涂层,使其平滑,则由于纤维集合体表面的凹凸形状产生的光散射受到抑制,可以得到50μm厚度可见光透射率为60%以上的高透明性。
本发明中,通过在纤维复合材料的表面形成涂层,可以获得高透明性,因此与在纤维材料中含浸基体材料的相比,可以抑制涂层的用量,另外,不需要含浸步骤,可以使处理简化。并且,涂层是只涂布纤维集合体的表面,因此纤维集合体的特性难以受到涂层的阻碍,可以充分获得纤维集合体的高柔软性、低热膨胀的优异的特性。
本发明中,“50μm厚度可见光透射率”是换算为50μm厚度时波长400-700nm的光线透射率,对本发明的纤维复合材料沿厚度方向照射波长400-700nm的光时,将整个波长区的光线透射率(直线光线透射率=平行光线透射率)的平均值换算成50μm厚度所得的值。光线透射率可如下求出:以空气作为参照,经由被测定基板(试样基板)、且与基板垂直配置光源和检测器,测定直线透射光(平行光线),具体可按照后述实施例所述测定方法测定。
本发明的纤维集合体可以是平均纤维直径为4-200nm、50μm厚度可见光透射率为3%以上的集合体。通过使用满足该条件的纤维集合体,通过涂层使表面平滑,由此可以获得可见光区(波长约400-700nm)的高透明性。
本发明的纤维集合体可以不是单纤维汇集成束,也可以形成不规则的网格状。此时,平均纤维直径是单纤维的平均直径。本发明的纤维集合体可以是复数(也可以是多数)根单纤维集合成束状,构成1条丝条,此时,平均纤维直径定义为1条丝条的直径的平均值。后述的细菌纤维素包含后者的丝条。
该纤维集合体的形状没有特别限定,可以是片状、板状、块状、规定的形状(例如透镜状)等各种形状,可以对应各种用途。
本发明的纤维集合体的平均纤维直径优选4-200nm,更优选4-60nm。该平均纤维直径是构成纤维集合体的短纤维或丝状纤维直径的平均值,可以由扫描电子显微镜(SEM)等的图像观察求出。本发明中,纤维集合体的平均纤维直径超过200nm,则接近可见光的波长,在与空隙部分的界面容易发生可见光的折射,透明性降低,因此,平均纤维直径的上限为200nm。平均纤维直径低于4nm的纤维集合体难以制备,例如作为纤维集合体的一个例子所例举的后述的细菌纤维素的单纤维直径为4nm左右,因此本发明的纤维集合体的平均纤维直径下限为4nm。
本发明的纤维集合体只要是平均纤维直径在4-200nm范围内即可,纤维中也包含4-200nm范围以外的纤维直径,但其比例优选为30重量%以下,优选所有纤维的纤维直径为200nm以下,特别优选100nm以下,尤其是60nm以下。
纤维集合体的纤维长度没有特别限定,平均长度优选100nm以上。纤维的平均长度比100nm短,则补强效果低,纤维复合材料的强度不足。纤维中也可以包含纤维长度低于100nm的纤维,但其比例优选为30重量%以下。
本发明的纤维集合体的50μm厚度可见光透射率为3%以上、优选5%以上,更优选10%以上。如果在该纤维集合体的50μm厚度可见光透射率范围内,则可以通过涂层使纤维集合体表面平滑,由此可以获得50μm厚度可见光透射率为60%以上的高透明纤维复合材料。这是由于,当纤维集合体由纳米级的纤维直径的纤维构成时,相对于内部的透明性,表面的凹凸形状大,光线透射率由于表面的光散射而降低,但纤维集合体的内部可以得到较高的光线透射率。
这样,如果纤维集合体的内部是透明的,则光线透射率降低是由于纤维集合体表面的光散射引起,通过涂层使表面平滑,则可以抑制散射,由此可获得高透明纤维复合材料。本发明经过进一步的实验和观察,结果得到了以下的认识:纤维集合体的内部可得到一定程度的透明性但表面的散射使光线透射率降低时,按照50μm厚度可见光透射率,纤维集合体仍可以透射3%左右的光,但是,如果纤维集合体内部的透明性低,则按照50μm厚度可见光透射率,纤维集合体只能透射低于3%的光。但是,如果纤维集合体内部不透明,由于内部空隙或纤维结构等原因,光发生散射或反射,即使用涂层使表面平滑也无法实现透明。
该纤维集合体的50μm厚度可见光透射率低于下限值,则即使用涂层使表面平滑,由于纤维集合体内部的空隙或纤维结构等原因,入射光在纤维集合体内散射、或者在纤维集合体与涂层的界面发生反射,无法获得高透明性。该纤维集合体的50μm厚度可见光透射率的上限值没有特别限定,优选100%以下,更优选99%以下,因此,光线透射率高的纤维集合体制备方法复杂,需要较高成本。
本发明的纤维集合体的空隙率优选35%以下,更优选20%以下,进一步优选15%以下。本发明中,空隙率可如下求出:在20℃下测定纤维集合体单位体积的质量,求出密度,由空隙率(%)=(1-(纤维集合体的密度/纤维的密度))×100求出。
如果在该纤维集合体的空隙率的范围内,则可以抑制纤维与空隙界面的光的折射,可以降低纤维集合体内由于空隙导致的光散射损耗。纤维集合体的纤维直径为纳米级,比可见光的波长短,因此,如果空隙小、其数目少,则可以有效的抑制可见光的散射。上述纤维集合体中,只要通过涂层使表面平滑即可以得到高透明的纤维复合材料。
该纤维集合体的空隙率超过上限值,则纤维集合体内部的空隙增大、其数目也增多,由于纤维集合体内部的空隙导致的光的散射的影响增大,纤维集合体本身的透明性降低,即使通过涂层使纤维集合体表面平滑,也无法获得高透明的纤维复合材料。
该纤维集合体的空隙率的下限值没有特别限定,如果形成空隙极少、纤维致密,则难以将纤维直径调节并保持为纳米级,因此为0%以上,优选1%以上。
本发明的纤维复合材料的涂层只要可以涂布纤维集合体表面、使其平滑即可,没有特别限定。通过该涂层,纤维集合体表面的凹凸形状变得平滑,可以抑制表面的光的散射或反射,可以获得高透明的纤维复合材料。
本发明的纤维集合体是平均纤维直径为纳米级、光线透射率为规定值以上的纤维集合体,上述纤维集合体中,内部透明性比较高,但表面凹凸形状有增大倾向。因此,通过涂层使纤维集合体表面平滑,由此可以使该凹凸形状平坦,使表面粗度降低,可以抑制表面的光散射或反射。这样,将纤维集合体与涂层组合、抑制纤维集合体表面的光散射或反射,由此可以得到高透明的纤维复合材料。
本发明的涂层可以在纤维集合体表面的整个面上形成,也可以在纤维集合体的表面的一部分形成。例如使用片状纤维集合体时,在片的两面形成涂层,由此可以得到高透明的片,而使用块状等立体形状的纤维集合体时,可以在块的整个面上形成涂层,也可以只在块的相对的面或一侧面上形成涂层。
优选纤维集合体表面的整个面用涂层涂布,由此,在将纤维复合材料供给湿式工艺时、或者在湿度高的状况下使用的情况下等,涂层可以保护纤维集合体,可以防止水分导致纤维集合体溶胀。例如,在大型片状纤维集合体上涂布涂层、再切成小片使用时,小片的片材端面有纤维集合体暴露,因此端面也可以涂布涂层。
纤维集合体表面用涂层部分涂布时,纤维集合体表面的未涂布涂层的部分可以用被覆材料覆盖,由此可以保护纤维集合体表面的整个面。例如,在片状纤维集合体的两面涂布涂层、在片的端面覆盖被覆材料,由此可以在片的平面上获得透明性,片全体可以具备耐水性。被覆材料可以使用不使纤维集合体平滑的材料,这样可以使制备步骤简化。
本发明的纤维复合材料的50μm厚度可见光透射率为60%以上,优选65%以上,更优选70%以上。在该纤维复合材料的50μm厚度可见光透射率的范围内,则可以获得对可见光的高透明性,可在汽车、火车、船舶等移动体的窗材料,显示器、住宅、建筑物、各种光学部件等要求透明性的用途中用作适当的材料。如果低于该纤维复合材料的50μm厚度可见光透射率的下限值,则纤维复合材料由半透明变为不透明,作为透明材料的用途变窄。
接着,对本发明的纤维集合体进行详述,本发明的纤维集合体不限于以下。
本发明的纤维集合体优选由纤维素纤维构成。纤维素纤维是指构成植物细胞壁的基本骨架等的纤维素的微纤维或其构成纤维,通常是纤维直径4nm左右的单位纤维的集合体。使用纤维素纤维,可以抑制纤维复合材料的热膨胀,通过使用后述各种纤维素纤维,可以形成平均纤维直径为纳米级的、具有规定值以上光线透射率的纤维集合体。
本发明使用的纤维素纤维优选为纳米原纤化纤维素(或纳米纤维纤维素,以下相同)。该纳米原纤化纤维素只要是平均纤维直径为纳米级的纤维素纤维即可,没有特别限定,例如有:将从天然植物木材或棉、或海草、海鞘的被囊等分离的纤维素纤维进行开纤,由此形成纳米原纤化纤维;或由细菌生产的细菌纤维素等。上述纳米原纤化纤维素可以获得平均纤维直径短、规定的光线透射率的纤维集合体。
形成本发明的纤维集合体的纤维素纤维有:从木材或棉、海草等植物纤维中分离的纤维,从海鞘的被囊等动物纤维分离的纤维,以及细菌纤维素等,优选由植物纤维分离的纤维。优选的植物纤维的一个例子有:将纸浆、棉和木材制成粉状、除去木质素等得到的木粉等。这些纤维素纤维可以单独使用1种,也可以将2种以上混合使用。
本发明使用的纤维素纤维优选为将从植物纤维分离的纤维进行开纤处理所得的。开纤处理的优选的一个例子有磨碎处理。如果是从植物纤维中分离的状态,则纤维直径较大,但通过磨碎处理,可以经由微原纤化使纤维直径为纳米级。在磨碎处理之前事先进行其它处理、使纤维进行微原纤化、将纤维直径小的纤维供给磨碎处理,由此可以进一步对纤维直径进行微调。通过上述微细的纤维成型为纤维集合体,可以使平均纤维直径为纳米级,使光线透射率为规定值以上。纤维的成型方法没有特别限定,例如有将纤维悬浮于水中进行过滤的方法等。
以下给出纤维素纤维的开纤方法的具体例子。以下例举的处理方法与纤维素纤维的原材料无关,可适用于来自纸浆、棉、木粉、海草、海鞘的被囊等的各种纤维。以下的多种处理可以单独采用,除此之外可以将各处理组合采用。
本发明的纤维素纤维的开纤方法的一个例子有磨碎处理,例如有使用研磨机磨碎纤维的方法。
该研磨机例如有栗田机械制作所制造的研磨机“ピユアフアインミル”,该研磨机是由原料通过上下两片研磨机的缝隙时产生的冲击、离心力、剪切力,将原料粉碎成超微颗粒的石臼式粉碎机,可以同时进行剪切、磨碎、微粒化、分散、乳化、原纤化。
另外,其它例子的研磨机例如有增幸产业(株)制造的超微粒磨碎机“スパ—マスコロイダ—”。スパ—マスコロイダ—是可以研磨至好似超越了仅是的粉碎域的融解感的超微粒化磨碎机。スパ—マスコロイダ—是由可自由调节间隔的上下两片无气孔磨石构成的石臼形式的超微粒磨碎机,上磨石固定,下磨石高速旋转。加入到料斗内的原料通过离心力送入到上下磨石的间隙,通过在此产生的强大的压缩、剪切、旋转磨擦力等使原料逐渐破碎,实现超微粒化。
这样,将通过磨碎处理进行微细化的纤维制成0.01-1重量%左右的水悬浮液,将其过滤,可成型纤维集合体。
该磨碎处理可如上所述,通过对来自植物纤维的纤维进行处理,可获得适合的微细纤维。具体来说,对于棉,将除去了脂肪成分的脱脂棉直接进行磨碎处理,由此可实现微细化。对于木粉,用次氯酸钠等漂白木质素,从粉状木材中除去,通过氢氧化钾等碱除去半纤维素,然后将该木粉磨碎处理,由此可得到微细的纤维。
本发明的纤维素纤维的开纤方法的另外的例子还有:上述磨碎处理与打浆、粉碎等处理的组合,将纤维素纤维在磨碎处理之前供给,对纤维直接施加力,进行打浆或粉碎,使纤维分散,再进行微原纤化的方法。
具体来说,该方法适用于纸浆,例如将纸浆通过高压匀浆器进行处理,将微原纤化至平均纤维直径0.1-10μm左右的微原纤化纤维素纤维制成0.1-3重量%左右的水悬浮液,为了进一步微细化而用上述研磨机等进行磨碎处理,可以获得平均纤维直径10-100nm左右的纳米原纤化纤维素纤维。将上述所得纤维制成0.01-1重量%左右的水悬浮液,将其过滤,可以成型纤维集合体。
本发明的纤维素纤维的开纤方法的其它的例子还有高温高压水蒸气处理,是将纤维素纤维置于高温高压水蒸气中、使纤维分散、获得微细的纤维素纤维的处理方法。
该方法中,将从植物纤维中分离的纤维素纤维等的表面进行磷酸酯化,减弱纤维素纤维之间的键合力,接着进行匀浆(リフアイナ—)处理,使纤维分散,获得纤维素纤维。例如将从除去了木质素等的植物纤维中分离的纤维、或海草或海鞘的被囊浸泡到含有50重量%尿素和32重量%磷酸的溶液中,在60℃下使溶液充分渗入纤维素纤维之间,然后在180℃下加热,促进磷酸化。将其水洗后在3重量%的盐酸水溶液中,在60℃下水解处理2小时,再次水洗。然后在3重量%碳酸钠水溶液中,在室温下处理20分钟左右,由此可以完成磷酸化。将该处理物通过匀浆进行开纤,可获得微细的纤维素纤维。对所得纤维素纤维的水悬浮液进行过滤,可成型纤维集合体。
构成本发明的纤维集合体的纤维素纤维除由上述植物纤维分离的之外,还可以是细菌纤维素。细菌纤维素的平均纤维直径为纳米原纤化的纤维素,因此,可以以短的平均纤维直径构成规定光线透射率的纤维集合体。
地球上可生产纤维素的生物在植物界不言而喻,在动物界分布在海鞘类,在原生生物界分布在各种藻类、卵菌类、粘菌类等,在原核生物界分布在蓝藻中,以及分布在醋酸菌、土壤细菌的一部分中。目前,菌界(真菌类)中未见到有纤维素生产能力。其中,醋酸菌有醋杆菌属(Acetobacter),更具体有:醋化醋杆菌(Acetobacter aceti)、醋杆菌亚种(Acetobacter subsp.)、木醋杆菌(Acetobacter xylinum)等,但不限于此。
通过培养上述细菌,可以由细菌生产纤维素。所得产物包含细菌和由该细菌生产并与该细菌相连接的纤维素纤维(细菌纤维素),因此,从培养基中取出该产物,将其水洗或碱处理等,除去细菌,由此可以获得不含有细菌的含水细菌纤维素。从该含水细菌纤维素中除去水分,可以获得细菌纤维素。
培养基有琼脂状的固体培养基或液体培养基(培养液),培养液例如有:含有7重量%可可乳(0.7重量%全氮成分,28重量%脂类)、8重量%蔗糖,用乙酸调节至pH 3.0的培养液;或者制成2重量%葡萄糖、0.5重量%细菌用酵母提取物、0.5重量%细菌用蛋白胨、0.27重量%磷酸氢二钠、0.115重量%柠檬酸、0.1重量%硫酸镁七水合物,通过盐酸调节至pH 5.0的水溶液(SH培养基)等。
培养方法例如有以下方法。在可可乳培养液中接种木醋杆菌(Acetobacter xylinum)FF-88等醋酸菌,例如如果是FF-88,则在30℃下静置培养5天,获得一次培养液。除去所得一次培养液的凝胶成分,然后将液体部分以5重量%的比例加入到与上述同样的培养液中,在30℃下静置培养10天,获得二次培养液。该二次培养液中含有约1重量%的纤维素纤维。
其它培养方法是培养液使用2重量%葡萄糖、0.5重量%细菌用酵母提取物、0.5重量%细菌用蛋白胨、0.27重量%磷酸氢二钠、0.115重量%柠檬酸、0.1重量%硫酸镁七水合物,用盐酸调节至pH5.0的水溶液(SH培养液)的方法。此时,向冷冻干燥保存状态的醋酸菌菌株中加入SH培养液,静置培养1周(25-30℃)。在培养液表面生成细菌纤维素,选择其中厚度较厚的菌株,将该菌株的培养液取少量加入到新培养液中。将该培养液加入到大型培养器中,在25-30℃下静置培养7-30天。细菌纤维素如上所述,通过反复进行“将现有的培养液的一部分加入到新的培养液中,再静置培养约7-30天”获得。
菌发生难以生产纤维素的情况时,可按以下顺序进行。即,向培养液中加入琼脂,在制备的琼脂培养基上接种少量正在培养菌类的培养液,放置1周左右,使其生成菌落。观察各菌落,从琼脂培养基中取出可较好产生纤维素的菌落,加入到新的培养液中进行培养。
这样,从培养液中取出所生产的细菌纤维素,除去残留在细菌纤维素中的细菌。该方法有水洗或碱处理等。用于溶解除去细菌的碱处理有:将从培养液中取出的细菌纤维素注入到0.01-10重量%左右碱水溶液中1小时以上的方法。碱处理时,由碱处理液中取出细菌纤维素,充分水洗,除去碱处理液。
这样得到的含水细菌纤维素(通常含水率为95-99重量%的细菌纤维素)接着进行水分除去处理。该水分除去方法没有特别限定,有以下方法:首先通过放置或冷压等除去一定程度的水,接着直接放置,或者通过热压等完全除去残留的水的方法;冷压法之后用干燥机或者使其自然干燥除去水的方法等。
上述得到的细菌纤维素可根据其培养条件或之后的水分除去时的加压、加热条件等,通过调节平均纤维直径、光线透射率、空隙率等,可以用作本发明的纤维集合体。对由细菌生产所得到的细菌纤维素结构体进一步进行开纤处理,再次成型,由此可以使细菌纤维素致密化,可以得到规定光线透射率的纤维集合体。上述含有细菌纤维素的纤维集合体中,通过涂层使表面平滑,由此可以得到高透明的纤维复合材料。
本发明的构成纤维集合体的纤维素纤维可以是上述纤维素纤维进行化学改性和/或物理改性所得的。上述纤维素纤维可以提高纤维集合体的功能性。这里,化学改性有:通过乙酰化、氰基乙基化、缩醛化、醚化、异氰酸酯化等加成官能团;通过化学反应或溶胶凝胶法等复合或覆盖硅酸盐或钛酸盐等无机物等。化学改性的方法例如有将纤维集合体浸泡在乙酸酐中进行加热的方法,优选通过乙酰化不使光线透射率降低、以实现吸水性的降低、耐热性的提高。物理改性有:通过真空蒸镀、离子镀敷、溅射等物理蒸镀法(PVD法)、化学蒸镀法(CVD法)、无电解电镀或电解电镀等电镀法等使金属或陶瓷原料覆盖表面。
接着,对于本发明的涂层进行详述,本发明的涂层不限于以下。
本发明的涂层优选为有机高分子材料、无机高分子材料、以及有机高分子和无机高分子的掺混高分子材料的至少1种或2种以上的组合。2种以上的组合可以是将各材料混合作为1层,也可以是将含有不同材料的层多层层合而成。通过使用上述材料,通过涂布或层合等较简单的处理即可以在纤维集合体的表面均匀地形成涂层。所得涂层的表面粗度小,可以抑制表面的反射,因此可获得高透明性,并且,如果使其与作为基材的纤维集合体的折射率一致,则可以抑制纤维集合体与涂层的界面的折射,因此可获得高透明的纤维复合材料。
本发明的涂层中使用的有机高分子材料有天然高分子材料或合成高分子材料,天然高分子材料有再生纤维素系高分子材料,例如玻璃纸、三乙酰纤维素等,合成高分子材料有乙烯基系树脂、缩聚系树脂、加聚系树脂、加成-缩合系树脂、开环聚合系树脂等。
本发明的涂层中使用的无机高分子材料有玻璃、硅酸盐材料、钛酸盐材料等陶瓷等,它们例如可通过醇化物的脱水缩合反应形成。
本发明的涂层中使用的有机高分子与无机高分子的掺混高分子材料可以是将上述有机高分子材料与无机高分子材料混合而成的,或者将上述含有有机高分子材料的层和含有无机高分子材料的层层合而成的等。
下面对于形成上述涂层的有机高分子材料的合成高分子材料具体举例。
上述乙烯基系树脂有:聚烯烃、氯乙烯系树脂、乙酸乙烯酯系树脂、氟树脂、(甲基)丙烯酸酯系树脂等常用树脂,或通过乙烯基聚合得到的工程塑料、超级工程塑料等。它们在各树脂内可以是构成的各单体的均聚物或共聚物。
上述聚烯烃有:乙烯、丙烯、苯乙烯、丁二烯、丁烯、异戊二烯、氯丁二烯、异丁烯、异戊二烯等的均聚物或共聚物、或具有降冰片烯骨架的环状聚烯烃等。
上述氯乙烯系树脂有氯乙烯、偏氯乙烯等的均聚物或共聚物。
上述乙酸乙烯酯系树脂有:乙酸乙烯酯的均聚物——聚乙酸乙烯酯,聚乙酸乙烯酯的水解物——聚乙烯基醇,使甲醛或正丁基醛与乙酸乙烯酯反应得到的聚乙烯醇缩醛,使聚乙烯基醇或丁醛等反应得到的聚乙烯醇缩丁醛等。
上述氟树脂有:四氯乙烯、六氟丙烯、氯三氟乙烯、偏氟乙烯、氟乙烯、全氟烷基乙烯基醚等的均聚物或共聚物。
上述(甲基)丙烯酸酯系树脂有:(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯腈、(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酰胺类等的均聚物或共聚物。本说明书中,“(甲基)丙烯某”是指“丙烯某和/或甲基丙烯某”。这里,(甲基)丙烯酸有丙烯酸或甲基丙烯酸。(甲基)丙烯腈有丙烯腈或甲基丙烯腈。(甲基)丙烯酸酯有:(甲基)丙烯酸烷基酯、具有环烷基的(甲基)丙烯酸系单体、(甲基)丙烯酸烷氧基烷基酯等。(甲基)丙烯酸烷基酯有:(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸2-乙基己酯、(甲基)丙烯酸环己酯、(甲基)丙烯酸苄酯、(甲基)丙烯酸月桂基酯、(甲基)丙烯酸硬脂基酯、(甲基)丙烯酸羟基乙酯等。具有环烷基的(甲基)丙烯酸系单体有:(甲基)丙烯酸环己酯、(甲基)丙烯酸异冰片酯等。(甲基)丙烯酸烷氧基烷基酯有:(甲基)丙烯酸2-甲氧基乙酯、(甲基)丙烯酸2-乙氧基乙酯、(甲基)丙烯酸2-丁氧基乙酯等。(甲基)丙烯酰胺类有:(甲基)丙烯酰胺、N-甲基(甲基)丙烯酰胺、N-乙基(甲基)丙烯酰胺、N,N-二甲基(甲基)丙烯酰胺、N,N-二乙基(甲基)丙烯酰胺、N-异丙基(甲基)丙烯酰胺、N-叔丁基(甲基)丙烯酰胺等N取代(甲基)丙烯酰胺等。
上述缩聚系树脂有:酰胺系树脂或聚碳酸酯等。
上述酰胺系树脂有:6,6-尼龙、6-尼龙、11-尼龙、12-尼龙、4,6-尼龙、6,10-尼龙、6,12-尼龙等脂族酰胺系树脂,或含有苯二胺等芳族二胺、和对苯二甲酰氯或间苯二甲酰氯等芳族二羧酸或其衍生物的芳族聚酰胺等。
上述聚碳酸酯是双酚A或作为其衍生物的双酚类与光气或二碳酸苯酯的反应物。
上述加聚系树脂有:酯系树脂、U聚合物、液晶聚合物、聚醚酮类、聚醚醚酮、饱和聚酯、醇酸树脂、聚酰亚胺系树脂、聚砜、聚苯硫醚、聚醚砜等。
上述酯系树脂有:芳族聚酯、脂族聚酯、不饱和聚酯等。上述芳族聚酯有:乙二醇、丙二醇、1,4-丁烷二醇等后述的二元醇类与对苯二甲酸等芳族二羧酸的共聚物。上述脂族聚酯有:后述二元醇类与琥珀酸、戊酸等脂族二羧酸的共聚物,或乙醇酸或乳酸等羟基羧酸的均聚物或共聚物,上述二醇类、上述脂族二羧酸和上述羟基二羧酸的共聚物等。上述不饱和聚酯有后述的二元醇类、马来酸酐等不饱和二羧酸、以及根据需要使用的苯乙烯等乙烯基单体的共聚物。
上述U聚合物有:含有双酚A或作为其衍生物的双酚类、对苯二甲酸和间苯二甲酸等的共聚物。
上述液晶聚合物是指对羟基苯甲酸与对苯二甲酸、p,p′-二羟基二苯酚、对羟基-6-萘甲酸、聚对苯二甲酸乙二酯等的共聚物。
上述聚醚酮有:4,4′-二氟二苯甲酮或4,4′-二氢二苯甲酮等的均聚物或共聚物。
上述聚醚醚酮有:4,4′-二氟二苯甲酮与氢醌等的共聚物。
上述醇酸树脂有:含有硬脂酸、棕榈酸等高级脂肪酸和邻苯二甲酸酐等二元酸、以及甘油等多元醇等的共聚物。
上述聚砜有:4,4′-二氯二苯砜或双酚A等的共聚物。
上述聚苯硫醚有:对二氯苯或硫化钠等的共聚物。
上述聚醚砜有:4-氯-4′-羟基二苯基砜的聚合物。
上述聚酰亚胺系树脂有:聚苯六甲酸酐或4,4′-二氨基二苯基醚等的共聚物——均苯四甲酸型聚酰亚胺;含有氯化偏苯三酸酐或对苯二胺等的芳族二胺、或后述二异氰酸酯化合物等的共聚物——偏苯三酸型聚酰亚胺;含有联苯四甲酸、4,4′-二氨基二苯基醚、对苯二胺等的联苯型聚酰亚胺;含有二苯甲酮四甲酸或4,4′-二氨基二苯基醚等的二苯甲酮型聚酰亚胺;含有双马来酰亚胺或4,4′-二氨基二苯基甲烷等的双马来酰亚胺型聚酰亚胺等。
上述加聚系树脂有:氨基甲酸酯树脂等。
上述氨基甲酸酯树脂是二异氰酸酯类与二元醇类的共聚物。上述二异氰酸酯类有:二环己基甲烷二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、1,3-亚环己基二异氰酸酯、1,4-亚环己基二异氰酸酯、2,4-甲苯撑二异氰酸酯、2,6-甲苯撑二异氰酸酯、4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,2′-二苯基甲烷二异氰酸酯等。上述二元醇类有:乙二醇、丙二醇、1,3-丙烷二醇、1,3-丁烷二醇、1,4-丁烷二醇、1,5-戊烷二醇、3-甲基-1,5-戊烷二醇、1,6-己烷二醇、新戊二醇、二甘醇、亚丙基二醇、三甘醇、四甘醇、双丙甘醇、三丙二醇、环己烷二甲醇等较低分子量的二元醇或聚酯型二元醇、聚醚型二元醇、聚碳酸酯型二元醇。
上述加成-缩合系树脂有:酚醛树脂、尿素树脂、三聚氰胺树脂等。
上述酚醛树脂有:苯酚、甲酚、间甲酚、苯基苯酚、双酚A、双酚F等的均聚物或共聚物。
上述尿素树脂或三聚氰胺树脂是甲醛或尿素、三聚氰胺等的共聚物。
上述开环聚合系树脂有:聚氧化烯、聚缩醛、环氧树脂等。上述聚氧化烯有:环氧乙烷、环氧丙烷等的均聚物或共聚物。上述聚缩醛有:三噁烷、甲醛、环氧乙烷等的共聚物。上述环氧树脂有:含有乙二醇等多元醇和表氯醇的脂族系环氧树脂,含有双酚A和表氯醇的脂族系环氧树脂等。
本发明的涂层优选为结晶度10%以下、特别是5%以下,玻璃化转变温度(Tg)为110℃以上、特别是120℃以上、尤其是130℃以上的合成高分子材料。上述非晶、Tg高的合成高分子材料可获得透明性优异的高耐久性纤维复合材料,因此优选。Tg低于110℃时,例如与沸腾的水接触时发生变形等,在透明部件、光学部件等的用途中出现耐久性问题。Tg可通过DSC法的测定求出,结晶度可通过由非晶部和晶体部的密度计算结晶度的密度法求出。
作为本发明的涂层,由上述各种材料构成的涂层可进一步含有无机材料。上述涂层可以将上述各种材料的涂层与含有无机材料的无机材料层层合而成,也可以在上述各种材料中添加无机材料。如上所述,通过在涂层中含有无机材料,可以提高涂层的功能性。另外,通过在纤维集合体和涂层之间形成无机材料层,可以防止涂层的材料侵入到纤维集合体的内部。该无机材料有:氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化氮化硅、氧化碳化硅、氧化铝、氧化钛、氮化钛、氧化氮化钛等金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物或它们的混合物等。形成无机材料层时,可以采用化学蒸镀法或物理蒸镀法。形成无机材料层时,为了不使纤维复合材料的柔软性降低,其厚度可以是5μm以下,优选1μm以下。
本发明的涂层的折射率优选1.4-1.7,更优选1.5-1.6。通常的作为纤维的纤维素的折射率是1.5左右,因此,通过使涂层的折射率接近1.5,减小纤维集合体与涂层的折射率的差,可以降低纤维集合体与涂层的界面的光散射损耗。由此可获得高透明的纤维复合材料。该涂层的折射率超过上限值或低于下限值,则纤维集合体与涂层的界面发生光散射,纤维复合材料的透明性降低。
本发明的涂层的50μm厚度可见光透射率优选为60%以上,更优选80%以上,进一步优选85%以上。由此,可以使含有涂层的纤维复合材料全体更为高透明。优选的高透明涂层是在上述涂层的各种材料中有丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂、环氧树脂、氨基甲酸酯树脂、酚醛树脂、三聚氰胺树脂、清漆树脂、尿醛树脂、胍胺树脂、醇酸树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、邻苯二甲酸二烯丙酯树脂、有机硅树脂、呋喃树脂、酮树脂、二甲苯树脂、热固化型聚酰胺、苯乙烯基吡啶系树脂、三嗪系树脂等热固化树脂,其中特别优选透明性高的丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂。
本发明的涂层的表面粗度Ra(中心线表面粗度)只要比形成涂层前的纤维集合体的表面粗度Ra小即可,纤维集合体的表面粗度Ra至少为2nm左右以上,因此涂层表面粗度Ra可以是1nm左右以下。如果在上述表面粗度Ra的范围内,则涂层的表面平坦,可抑制光的散射,获得高透明的纤维复合材料。
本发明的涂层的厚度优选0.5μm以上,更优选1μm以上,如果是该厚度以上,则可以除去纤维集合体的凹凸形状,使纤维复合材料的表面平滑,可抑制表面的光散射,制成高透明的纤维复合材料。
下面对本发明的纤维复合材料的制备方法进行详述,本发明的制备方法不限于以下。
本发明的纤维复合材料的制备方法的特征在于:将可形成上述涂层的涂布用液状物涂布在上述纤维集合体的表面,接着使该涂布用液状物固化。
这里,涂布的方法有:在基材上滴加涂布用液状物,通过离心力等延展涂布的方法;在基材上,将涂布用液状物用刷或刮板等进行延展涂布的方法;由基材上通过喷雾等散布涂布用液状物进行涂布的方法;以及在涂布用液状物中浸泡基材,在液状物未含浸到基材内部的程度下取出进行涂布的方法等。可实现上述涂布步骤的方法的一个例子有:旋涂法、刮涂法、绕线棒涂法、喷涂法、狭缝涂法等。特别是在旋涂法中,使纤维集合体旋转,由其上滴加流动状的涂布材料,通过离心力在纤维集合体表面薄薄地、均匀地涂布涂布材料,因此优选。
本发明的涂布用液状物可以使用选自流体状的涂布材料、流体状的涂布材料的原料、使涂布材料流体化的流体化物、使涂布材料的原料流体化的流体化物、涂布材料的溶液、以及涂布材料的原料溶液的1种或2种以上的组合。
上述流体状的涂布材料也称作涂布材料本身为流体状的等。上述流体状的涂布材料的原料例如有:预聚物或低聚物等聚合中间体为流体状等。
使上述涂布材料流体化的流体化物例如有将热塑性涂布材料加热熔融的状态的材料。
使上述涂布材料的原料流体化的流体化物例如有:预聚物或低聚物等聚合中间体为固形状时,将它们加热熔融的状态的材料等。
上述涂布材料的溶液或涂布材料的原料溶液有:将涂布材料或涂布材料的原料溶解于溶剂等中所得的溶液。该溶剂可根据作为溶解对象的涂布材料或涂布材料的原料适当确定,在之后的步骤中需将其除去时,在蒸发除去时,优选具有不使上述涂布材料或涂布材料的原料发生分解程度的具有该温度以下沸点的溶剂。
涂布步骤的处理温度的下限可以根据涂布用液状物的种类选择保持其流动性程度的温度。处理温度的上限优选为涂布用液状物的沸点以下、不会因加热而改性的程度,特别是在涂布用液状物中使用溶剂时,优选为了抑制溶剂的挥发而在该溶剂的沸点以下。
为了使涂布在纤维集合体上的涂布用液状物固化,可以根据涂布用液状物的种类而采用不同的固化方法进行,例如,涂布用液状物采用流体状的涂布材料时,有交联反应、链延伸反应等。涂布用液状物为流体状的涂布材料的原料时,可采用聚合反应、交联反应、链延伸反应等。
涂布用液状物为使涂布材料流体化的流体化物时,可采用冷却等。涂布用液状物为使涂布材料的原料流体化的流体化物时,可以是冷却等与聚合反应、交联反应、链延伸反应等的组合。
涂布用液状物为涂布材料的溶液时,可采用蒸发或风干等除去溶液中的溶剂等。并且,涂布用液状物为涂布材料的原料的溶液时,可以采用除去溶液中的溶剂等与聚合反应、交联反应、链延伸反应等的组合。上述蒸发除去时不仅是在常压下蒸发除去,也包含减压下的蒸发除去。
本发明的纤维复合材料的制备方法的其它方法的特征在于:将上述可形成涂层的涂布用层合材料粘贴在上述纤维集合体的表面。例如,在作为再生纤维素系高分子材料的透明胶带的一个面上涂布粘合剂或胶粘剂,将其粘合面或胶粘面按压在纤维集合体的表面,进行加压、光固化、热固化或热熔融,由此可以在纤维集合体的表面粘贴透明胶带。涂布用层合材料除上述透明胶带之外,还有PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PES(聚醚砜)、PC(聚碳酸酯)、聚烯烃、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、尼龙、PI(聚酰亚胺)等。
本发明的纤维复合材料的线热膨胀系数优选为0.05×10-5-5×10-5K-1,更优选0.2×10-5-2×10-5K-1,特别优选0.3×10-5-2×10-5K-1。该纤维复合材料的线热膨胀系数可以比0.05×10-5K-1小,但如果考虑纤维素纤维等的线热膨胀系数,则有可能难以实现。如果该线热膨胀系数比5×10-5K-1大,则无法表现纤维补强效果,与玻璃或金属材料的线热膨胀系数不同,因此在不同的气氛温度下作为窗材料时可能产生塌陷或应变,光学部件会发生成像性能或折射率变化较大等的问题。本发明中,线热膨胀系数是将纤维增强复合材料由20℃升温至150℃时的线热膨胀系数,是在ASTM D696所规定的条件下测定的值。
本发明的纤维复合材料在纤维集合体的表面形成涂层而成,树脂等并未含浸到纤维集合体的内部,因此对于纤维集合体的弯曲强度或弯曲弹性等特性没有损害,可以制成高强度且柔软性高的材料。
根据本发明,用涂层涂布平均纤维直径为4-200nm、50μm厚度可见光透射率为3%以上的纤维集合体的表面,使其平滑,由此可以获得50μm厚度可见光透射率为60%以上的高透明的纤维复合材料。即,上述纤维集合体中,内部透明性比较高,而由于表面的凹凸形状在表面发生光反射,整体的光线透射率有降低倾向,通过涂层使表面平滑,可以得到高透明的纤维复合材料。
本发明中,仅用涂层涂布纤维集合体的表面,无需使树脂等其它材料含浸到纤维集合体的空隙部分,因此可以减少原材料的用量,简化处理步骤。
本发明的纤维复合材料只是在纤维集合体的表面形成涂层,因此无需将其它材料填充到纤维集合体内的空隙部分,可以获得透明性,因此可以有效地发挥纤维集合体的特性——高柔软性和低热膨胀的功能,难以发生由于气氛温度导致的应变或变形、形状精度降低的问题,光学性能提高,可用作光学材料。另外,挠曲、应变或变形等少,因此可用作结构材料。
本发明的纤维复合材料通过使用比玻璃纤维轻的纤维素纤维,可以得到比玻璃纤维增强树脂低的比重,因此在玻璃纤维增强树脂的应用领域中作为其替代材料使用,由此可以实现轻量化。本发明的纤维复合材料与在纤维集合体内的空隙部分填充其它材料的材料相比,可以降低比重,由此可实现轻量化。
本发明中,通过使用生物降解性的纤维素纤维作为纤维集合体,在废弃时,可以只按照涂层的处理法进行处理,有利于废弃处置以至回收。涂层只是从纤维集合体的表面除去即可,其处理也简单。
本发明的纤维复合材料具有高透明性、低热膨胀性、高柔软性,适合用作形成电子布线电路的透明基板。
实施例
以下给出制备例、实施例和比较例,进一步具体说明本发明,但本发明只要不超过其宗旨,不限于以下的实施例。纤维复合材料的各种物性的测定方法如下。
[50μm厚度可见光透射率]
<测定装置>
使用日立ハイテクノロジ—ズ制造的“UV-4100型分光光度计”(固定试样测定系统)。
<测定条件>
·使用6mm×6mm的光源罩。
·在距离积分球开口偏离22cm的位置对测定样品进行测光。将样品放置在该位置,则扩散透射光被除去,只有直线透射光可到达积分球内部的受光部。
·没有参照样品。由于没有参照(由于试样与空气的折射率差而产生的反射。发生菲涅尔反射时,直线透射率无法为100%),因此发生菲涅尔导致的透射率的损失。
·扫描速度:300nm/分钟
·光源:钨灯,氘灯
·光源切换:340nm
<计算方法>
50μm厚度可见光透射率是由换算为50μm厚度的波长400-700nm下的光线透射率的平均值求出。
[扫描式电子显微镜照片(SEM照片)图像的拍摄]
<试样的制备和测定条件>
对各试样进行金蒸镀(蒸镀膜厚:数nm),在下述条件下进行电子显微镜观察。
测定装置:JEOL6700F(日本电子株式会社制造)
加速电压:1.5kV
倍率:10000倍
工作距离:8mm
对比的调节:AUTO
[平均纤维直径]
各纤维素纤维的平均纤维直径由各试样的SEM图像求出。
[空隙率]
在20℃下,测定单位体积样品的质量,求出密度,按下式求出空隙率。本实施例中使用的纤维是纤维素,纤维的密度为1.5g/cm3
空隙率(%)=(1-(样品的密度/纤维的密度))×100
[线热膨胀系数的测定]
使用セイコ—インスツルメンツ制造的“TMA/SS6100”,按照ASTMD 696规定的方法,在下述测定条件下测定。
<测定条件>
升温速度:5℃/分钟
气氛:N2
加热温度:20-150℃
载荷:3g
测定次数:3次
试样长:4×15mm
试样厚度:根据试样而不同
模式:拉伸模式
[表面粗度Ra(中心线表面粗度)]
<测定装置、条件>
对于各试样,在下述条件下使用原子力显微镜(AFM)进行评价。
测定装置:SII制造的SPA-400
测定区域:5μm×5μm
(制备例1)纸浆片的制备
将作为原料的来自纸浆的微原纤化纤维素:MFC(用高压匀浆器处理,将针叶树牛皮纸浆(NBKP)进行微原纤化所得,平均纤维直径1μm)在水中充分搅拌,制备7kg 1重量%浓度的水悬浮液,通过研磨机(栗田机械作成所制造的“ピユアフアインミルKMG1-10”)将该水悬浮液由中央向外通入几乎为接触状态的、以1200rpm旋转的盘之间,将该操作进行10次。
通过研磨机处理得到的纸浆纳米纤维(平均纤维直径60nm)制成0.2重量%水悬浮液,然后用玻璃滤器过滤,成膜。将其在55℃下干燥,得到厚度40μm、密度1.3g/cm3、空隙率13%的纸浆片。
(制备例2)棉片的制备
在上述制备例1中,使用棉(脱脂棉)作为原料,除此之外同样地得到厚度40-45μm、密度1.4g/cm3、空隙率7%的棉片。
(制备例3)高空隙率纸浆片的制备
将按照与上述制备例1同样的方法制备的纸浆片在含水的状态下浸泡到叔丁基醇中,完全置换水。将其用冷冻干燥机(EYELA制造,FDU-2100,DRC-1000)进行冷冻干燥,完全脱水。对所得的干燥纸浆片进行加压,得到厚度50μm、密度0.9g/cm3、空隙率为40%的高空隙率纸浆片。
(实施例1)
在制备例1所得的纸浆片的两面粘贴层合透明胶带(折射率1.5)。
(实施例2)
在制备例2所得的棉片的两面旋涂丙烯酸树脂A(环氧化双酚A二丙烯酸酯,折射率1.54),使树脂固化。旋涂的条件是:1000rpm 10秒、2000rpm 3秒、5000rpm 45秒。旋涂仪使用ミカサ株式会社制造的1H-D7。树脂的固化是使用ベルトコンベア式UV照射装置(フユ—ジョンシステム制造,Fusion F300,LCBベンチトップコンベア),照射20J/cm2的紫外线,使树脂固化。
(实施例3)
实施例2中,使用丙烯酸树脂B(三环癸烷二甲基丙烯酸酯(TCDDMA),折射率1.53)作为丙烯酸树脂,除此之外同样地在棉片的两面旋涂丙烯酸树脂B,使树脂固化。
(实施例4)
通过等离子体CVD装置,在制备例2所得的棉片的两面分别成膜300nm的SiN层(折射率1.92)。按照与实施例2同样的方法,由该SiN层上向棉片的两面旋涂丙烯酸树脂A,使树脂固化。
(实施例5)
片是使用制备例1的纸浆片,除此之外与实施例2同样,在片的两面旋涂丙烯酸树脂A,使树脂固化。
(比较例1)
将制备例2所得的棉片在减压下(0.08MPa)、在丙烯酸树脂A中浸泡处理12小时,使其含浸,然后将取出的片用与实施例2同样的ベルトコンベア式UV照射装置照射20J/cm2的紫外线,使树脂固化。
(比较例2)
比较例1中,使用丙烯酸树脂B作为丙烯酸树脂,除此之外同样的在棉片中含浸丙烯酸树脂B,使其固化。
(比较例3)
按照与实施例2同样的方法,在制备例3所得的纸浆片的两面旋涂丙烯酸树脂A,使树脂固化。
(比较例4)
在制备例3所得的纸浆片的两面粘贴并层合透明胶带。
(比较例5)
片材使用制备例1的纸浆片,除此之外与比较例1同样,在片中含浸丙烯酸树脂A,使其固化。
接着,对上述制备例、实施例和比较例的试样进行各种评价。
图1所示的光线透射率的表是相对于波长,对制备例1的纸浆片(实线)、制备例2的棉片(虚线)、以及制备例3的高空隙率的纸浆片(点线)测定换算成50μm厚度的光线透射率的结果。由该图可知,制备例1的纸浆片和制备例2的棉片的光线透射率大致相同程度,在可见光区约为10-30%,制备例3的高空隙率的纸浆片的光线透射率约为0%,几乎不透光。
制备例1-3所得的片中,将厚度、密度、空隙率、50μm厚度可见光透射率汇集于表1中。50μm厚度可见光透射率是将换算成50μm厚度的、对波长400-700nm的光线透射率平均来求出(以下相同)。
[表1]
 
试样 厚度(μm) 密度(g/cm3) 空隙率(%)   50μm厚度可见光透射率(%)     
制备例1 纸浆片 40 1.3 13 21.1
制备例2 棉片 40-45 1.4 7 20.6
制备例3 高空隙率纸浆片   50 0.9 40 0
如表1所示,在制备例1的纸浆片和制备例2的棉片中,空隙率分别为13%和7%,较低,但制备例3的高空隙率纸浆片的空隙率为40%,较高,结合光线透射率的结果,可知空隙率低则光线透射率提高。空隙率低,则入射到片内部的光在空隙部分的散射少地透射,因此光线透射率变得较高。
制备例1的纸浆片和制备例2的棉片的SEM图像分别如图2和图3所示。由各图的广泛区域的图像(a)可知:各片的表面纤维致密形成,空隙小,其数量也少;由放大区域的图像(b)可知:各片的平均纤维直径细,在约4-200nm的范围内。
下面,对于实施例和比较例的试样,相对于各波长,测定换算成50μm厚度的光线透射率,所得图表如图4-图7所示。表2中汇总了平滑化前后的片厚度、涂层厚度(单面)、50μm厚度可见光透射率。涂层厚度(单面)是将平滑前后的片材厚度的差除以2求出(以下相同)。
[表2]
 
试样 片厚度(μm)平滑前/后   涂层厚度(单面)(μm) 50μm厚度可见光透射率(%)     
实施例1 纸浆片+透明胶带(两面层合)  40/140 50 75.4
实施例2 棉片+丙烯酸树脂A(两面旋涂) 40/80 20 78.6
实施例3 棉片+丙烯酸树脂B(两面旋涂) 45/70 12.5 71.9
实施例4 棉片+SiN成膜+丙烯酸树脂A(两面旋涂)    50/100 25 72.8
比较例1 棉片+丙烯酸树脂A(含浸)     77.2
比较例2 棉片+丙烯酸树脂B(含浸)     73.2
比较例3 高空隙率纸浆片+丙烯酸树脂A(两面旋涂)     50/70 10 0
比较例4 高空隙率纸浆片+透明胶带(两面层合)          50/150 50 0
图4是相对于波长,对实施例1的透明胶带层合的纸浆片(实线)、制备例1得到的层合前的纸浆片(虚线)、只有两片胶带贴合而成的(厚度100μm,点线)测定换算成50μm厚度的光线透射率的结果的图表。由该图可知,与只有纸浆片的相比,用透明胶带层合的纸浆片中,光线透射率高,可见光区为60%以上。这是由于,将纸浆片用透明胶带层合,则纸浆片的表面平滑,表面的光散射或反射受到抑制,光线透射率提高。
只有胶带的光线透射率在波长600nm下约为85%,这是透明胶带本身的透明性或由于表面的平滑性而导致的值。而层合透明胶带的片的光线透射率在波长600nm下约为80%,比只有透明胶带的低约5%左右。由此可以认为,层合的片的光线透射率与透明胶带的光线透射率相关。由此,通过使用透明性高、表面平滑的树脂等作为涂层,可以进一步提高层合的片材的透明性。
图5是相对于波长,对实施例2的旋涂丙烯酸树脂A所得的棉片(实线)、比较例1的含浸丙烯酸树脂A的棉片(虚线)、以及只含有厚度100μm的丙烯酸树脂A的(点线)测定换算成50μm厚度的光线透射率的结果图表。只有棉片,则在可见光区的光线透射率约为10-30%(图1),在旋涂丙烯酸树脂A的棉片中,在可见光区可得到60%以上的光线透射率(图5)。这是由于,丙烯酸树脂A使棉片的表面平滑。旋涂的片材比含浸的片材的光线透射率稍高,由此可知,通过旋涂得到的表面平滑化可得到与含浸法相同程度的透明性。与上述实施例1同样,通过改善涂布的树脂等的透明性或表面平滑性,对于旋涂的棉片可以进一步提高透明性。
图6是相对于波长,对于实施例3的旋涂丙烯酸树脂B的棉片(实线)、比较例2的含浸丙烯酸树脂B的棉片(虚线)、以及只有厚度100μm的丙烯酸树脂B的(点线)测定换算成50μm厚度的光线透射率的结果的图表。只有棉片时,在可见光区的光线透射率约为10-30nm(图1),而旋涂了丙烯酸树脂B的材料在可见光区可得到60%以上的光线透射率(图6)。这是由于丙烯酸树脂B使棉片的表面变得平滑。另外,旋涂的片材和含浸的片材中,光线透射率显示几乎同样的值,可知通过旋涂得到的表面平滑化可得到与含浸法相同程度的透明性。与上述实施例1同样,通过改善涂布的树脂等的透明性或表面平滑性,对于旋涂的片可以进一步提高透明性。
图7表示相对于波长,对实施例4的SiN层成膜后旋涂丙烯酸树脂A所得的棉片测定的换算成50μm厚度的光线透射率的结果的图表。由该图可知,实施例4的片的光线透射率在可见光区为60%以上。由此可知,即使设置SiN层等含有无机材料的层,也可得到片的高透明性。该实施例中,在棉片和涂层之间存在SiN层,由此可确认,涂层的树脂成分即使完全未侵入到片一侧,也可得到高透明的片。
对于在比较例3的高空隙率纸浆片上旋涂丙烯酸树脂A所得的、和在比较例4的高空隙率纸浆片上层合透明胶带所得的,测定换算成50μm厚度的光线透射率,结果在波长400-1000nm的范围内均为约0%,50μm厚度可见光透射率如表2所示,为0%。比较例3和4中使用的高空隙率纸浆片的光线透射率如图1所示,约为0%,几乎不透射光,由此可知,作为基材的片的光线透射率低时,即使使片材表面平滑也难以获得透明性。这是由于,在高空隙率纸浆片中,由于片材内部的空隙使片内部透明性降低,因此即使使片表面平滑,内部也为不透明,无法获得透明性。
接着,对于实施例5和比较例5所得的片测定弯曲强度、弯曲弹性模量、线热膨胀系数,结果如表3所示。
[表3]
 
试样 弯曲强度[MPa]    弯曲弹性模量[GPa]        线热膨胀系数[10-6/K]    
实施例5 纸浆片+丙烯酸树脂A(两面旋涂)       208 13 10
比较例5 纸浆片+丙烯酸树脂A(含浸)           271 15 14
由表3可知,实施例5的旋涂丙烯酸树脂A的纸浆片其弯曲强度为208MPa,弯曲弹性模量为13GPa。另外,该片材的线热膨胀系数为10×10-6/K,相对于丙烯酸树脂本身的线热膨胀系数(1.2×10-4/K左右)足够低,是低热膨胀片。而比较例5的含浸了丙烯酸树脂A的纸浆片的弯曲强度为271MPa,弯曲弹性模量为15GPa,线热膨胀系数为14×10-6/K。由该结果表明,通过使用涂布法,与含浸法相比,可得到柔软性提高热膨胀性低的片。这是由于,相对于片,丙烯酸树脂的用量少,可以直接保持片本身的特性。不限于纸浆片,棉片也同样可以保持片的特性。并且,涂布树脂的片与含浸树脂的片具有同等的透明性,这如图5-图7所示。即,使用涂布法,只将片表面的凹凸用树脂包埋、使其平滑,由此可实现高透明性,同时可获得高柔软性且低热膨胀性的片。由此,本实施例的片可有效地应用于要求尺寸稳定性的用途、例如显示器用滤色器、投影电视用屏幕、布线基板、汽车或火车等移动体用框材料等大型透明板用途,或大型光学部件等气氛温度导致的应变或变形会成为问题的用途中。并且,含浸法难以减少丙烯酸树脂的用量,而旋涂法中,可以使涂层的厚度减薄至表面平滑即可的程度,可以减少丙烯酸树脂的用量,因此可以将线热膨胀系数调节至更小。
进一步用丙烯酸树脂A只涂布制备例1的纸浆片的一半,以此作为验证涂布树脂可提高透明性的试验。对该片拍摄的数字图像如图8所示。由图8表明,涂布丙烯酸树脂A的部分(片的上半部分)透明性高,经由片可以清晰地辨认背景。而未涂布丙烯酸树脂A的部分(片的下半部分)透明性低,无法经由片辨认背景。由此表明,使用涂布法,用树脂只填埋片表面的凹凸,使其平滑,由此可获得具有高透明性的片。
接着,对于实施例2所得的棉片,平滑前后的表面粗度Ra(中心线表面粗度)如表4所示。
[表4]
 
试样 表面粗度Ra(nm)
棉片(平滑前) 6.9
棉片+丙烯酸树脂A(两面旋涂) 0.92
由表4可知,平滑前棉片的表面粗度Ra为6.9nm,旋涂丙烯酸树脂A的棉片的表面粗度Ra为0.92nm,通过涂层使表面变得平滑。这样,在棉片的表面涂布丙烯酸树脂A,使其表面平滑,由此可以抑制表面的光的散射,获得高透明的片材。
以上对于本发明的具体实施方案进行了说明,在不脱离本发明的范围的条件下可进行各种变形,这是本技术领域具有一般知识的人所了解的。因此,本发明的技术范围不限定于上述实施方案,而是根据权利要求范围以及与其均等的范围确定。

Claims (18)

1.纤维复合材料,其特征在于:该纤维复合材料具备平均纤维直径为4-200nm、50μm厚度可见光透射率为3%以上的纤维集合体,和涂布上述纤维集合体表面、使其平滑化的涂层,该纤维复合材料的50μm厚度可见光透射率为60%以上。
2.权利要求1所述的纤维复合材料,其特征在于:上述纤维集合体的空隙率为35%以下。
3.权利要求1或2所述的纤维复合材料,其特征在于:上述纤维集合体由纤维素纤维构成。
4.权利要求3所述的纤维复合材料,其特征在于:上述纤维素纤维是由植物纤维分离的纤维。
5.权利要求4所述的纤维复合材料,其特征在于:上述纤维素纤维是将由上述植物纤维分离得到的纤维进行开纤处理得到的。
6.权利要求5所述的纤维复合材料,其特征在于:上述开纤处理包含磨碎处理。
7.权利要求3-6中任一项所述的纤维复合材料,其特征在于:对上述纤维素纤维进行化学改性和/或物理改性。
8.权利要求1-7中任一项所述的纤维复合材料,其特征在于:上述涂层是有机高分子材料、无机高分子材料、以及有机高分子和无机高分子的掺混高分子材料中的至少1种或2种以上的组合。
9.权利要求8所述的纤维复合材料,其特征在于:上述涂层是结晶度为10%以下、玻璃化转变温度为110℃以上的合成高分子材料。
10.权利要求8或9所述的纤维复合材料,其特征在于:上述涂层进一步含有无机材料。
11.权利要求1-10中任一项所述的纤维复合材料,其特征在于:上述涂层的折射率为1.4-1.7。
12.权利要求1-11中任一项所述的纤维复合材料,其特征在于:上述涂层的50μm厚度可见光透射率为60%以上。
13.权利要求1-12中任一项所述的纤维复合材料,其特征在于:上述纤维集合体表面的整个面被上述涂层涂布。
14.权利要求1-12中任一项所述的纤维复合材料,其特征在于:上述纤维集合体表面中未被上述涂层涂布的部分覆盖有被覆材料。
15.权利要求1-14中任一项所述的纤维复合材料,其特征在于:该纤维复合材料的线热膨胀系数为0.05×10-5-5×10-5K-1
16.纤维复合材料的制备方法,其是权利要求1-15中任一项所述的纤维复合材料的制备方法,其特征在于:将可形成上述涂层的涂布用液状物涂布在上述纤维集合体的表面,接着使上述涂布用液状物固化。
17.权利要求16所述的纤维复合材料的制备方法,其特征在于:上述涂布用液状物是选自流体状的涂布材料、流体状的涂布材料的原料、使涂布材料流体化的流体化物、使涂布材料的原料流体化的流体化物、涂布材料的溶液、以及涂布材料的原料溶液的1种或2种以上的组合。
18.纤维复合材料的制备方法,其是权利要求1-15中任一项所述的纤维复合材料的制备方法,其特征在于:将可形成上述涂层的涂布用层合材料粘贴在上述纤维集合体的表面。
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