CN112046093A - 碳纤维强化塑料板以及碳纤维强化塑料板的制造方法 - Google Patents

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FUTABA ELECTRONICS CO LTD
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Abstract

本发明提供能够满足加工性、加工后的平滑性以及强度的碳纤维强化塑料板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具有碳纤维织布以及母材的第一碳纤维强化塑料层、以及具有碳纤维无纺布以及母材的、厚度为3mm以下的第二碳纤维强化塑料层，第二碳纤维强化塑料层层叠于所述第一碳纤维强化塑料层上。

Description

碳纤维强化塑料板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，公开了一种碳纤维复合材料，是由纤维长度为5～50mm的碳纤维构成的无纺布和重均分子量为7万以上且30万以下的聚亚芳基硫醚作为基体树脂的碳纤维复合材料，在仪器化夏比冲击试验中得到的裂纹传播能量Ep为0.2～2[J]的范围内。
另外，在专利文献2中，公开了一种碳纤维集合体的制造方法，将含有碳纤维而成的碳纤维基材的端材切断而得到切断片，将该切断片无纺布化并进行梳理和/或冲孔，由此得到碳纤维集合体。进一步地，公开了在通过该制造方法制造的碳纤维集合体中浸渍基体树脂的碳纤维强化塑料的制造方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-169276号公报
专利文献2：日本特许第5861941号公报
发明内容
如专利文献1、2那样，使母材浸渍于碳纤维的无纺布中而成的CFRP的加工性优异，但是与使母材浸渍于碳纤维的织布那样的取向一致且纤维长度较长的连续纤维中而成的CFRP相比，强度较差。另一方面，若对使母材浸渍于碳纤维的织布中而成的CFRP进行磨削加工等，则纤维因加工而起毛，与使母材浸渍于碳纤维的无纺布中而成的CFRP相比，加工性、加工后的平滑性较差。
因此，本发明的目的在于提供能够满足加工性、加工后的平滑性以及强度的碳纤维强化塑料板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具有碳纤维织布以及母材的第一碳纤维强化塑料层、以及具有碳纤维无纺布以及母材的、厚度为3mm以下的第二碳纤维强化塑料层，第二碳纤维强化塑料层层叠于所述第一碳纤维强化塑料层上。
所述母材可以为热固性树脂。
可以具备依次层叠所述第二碳纤维强化塑料层、所述第一碳纤维强化塑料层以及所述第二碳纤维强化塑料层而成的层叠体。
在所述第二碳纤维强化塑料层中，碳纤维无纺布的纤维体积含有率可以为20～40体积％。
在所述第一碳纤维强化塑料层中，碳纤维织布的纤维体积含有率可以为50～60体积％。
所述第二碳纤维强化塑料层的平面度可以为每100mm为0.005～0.05mm。
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上述的碳纤维强化塑料板的制造方法，包括使浸渍有母材的碳纤维织布以及碳纤维无纺布固化的固化工序。
可以包括在所述固化工序后对所述第二碳纤维强化塑料层进行铣削加工的铣削加工工序。
发明效果
根据本发明，能够提供能够满足加工性、加工后的平滑性以及强度的碳纤维强化塑料板以及碳纤维强化塑料板的制造方法。
附图说明
图1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剖面图。
图2是与图1不同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剖面图。
图3是表示对实施例中的CFRP板进行的弯曲强度的评价结果的图表。
附图标记说明
10 第一碳纤维强化塑料层
20 第二碳纤维强化塑料层
100 碳纤维强化塑料板
110 碳纤维强化塑料板
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、薄膜那样的能够被弯曲的柔软性的、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碳纤维织布以及母材的层。采用织布作为碳纤维，通过制成与母材组合而成的复合材料层而成为强韧的层，因此能够确保作为CFRP板的强度。
(碳纤维织布)
碳纤维织布是将碳纤维作为纱线并将纱线纵横地组合而织成的织物。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系(Polyacrylonitrile)碳纤维和使用了沥青的碳纤维即沥青系(PITCH)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。
作为将这样的碳纤维制成织物的碳纤维织布，被称为双方向高强度布。可以使用在纵向和横向这两个方向上具有高强度的材料。作为纤维质量，可以使用纵为50～200g/m2、横为50～200g/m2的材料，可以使用厚度为纵为0.03～0.1mm、横为0.03～0.1mm的材料。
(母材)
在CFRP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，由此能够制成CFRP板。
在第一碳纤维强化塑料层中，碳纤维织布的纤维体积含有率(Vf)优选为50～60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，因此有可能难以形成第一碳纤维强化塑料层。另外，若Vf较高，则韧性、表面平滑性有可能会变差。另一方面，若Vf较低，则母材的特性优先显现，从而有可能损害由碳纤维带来的强化提高效果。考虑到这些方面，在第一碳纤维强化塑料层的情况下，通过将Vf设为50～60体积％，能够充分确保作为CFRP板的强度。
<第二碳纤维强化塑料层>
第二碳纤维强化塑料层是具有碳纤维无纺布以及母材的、厚度为3mm以下的层。设为采用无纺布作为碳纤维并与母材组合而成的复合材料层。碳纤维无纺布与碳纤维织布相比，作为CFRP板的情况下的强度较差，但是在铣削加工等加工时可抑制起毛而使加工性优异。
(碳纤维无纺布)
碳纤维无纺布是不对碳纤维进行编织而是通过针刺法等三维地交织而成的片状的布。关于碳纤维的详细情况，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。
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。
在本发明的碳纤维强化塑料板中，第二碳纤维强化塑料层层叠在第一碳纤维强化塑料层上。通过设为这样的层叠形态，能够利用第一碳纤维强化塑料层来确保作为CFRP板的强度，并且能够利用层叠在第一碳纤维强化塑料层的表面上的第二碳纤维强化塑料层来形成铣削加工等加工性、平滑性优异的CFRP板。
使用图1、2对本发明的碳纤维强化塑料板的具体例进行说明。图1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剖面图。另外，图2是与图1不同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剖面图。
在图1所示的碳纤维强化塑料板100中，在第一碳纤维强化塑料层10的正面和背面层叠有第二碳纤维强化塑料层20，即，形成为依次层叠第二碳纤维强化塑料层20、第一碳纤维强化塑料层10、以及第二碳纤维强化塑料层20而成的层叠体。第二碳纤维强化塑料层20是厚度为3mm以下的层，如果是未进行铣削加工等的状态的话，则为0.5～3mm左右的层，如果是为了使未进行铣削加工等的状态下的第二碳纤维强化塑料层20的表面平滑而进行铣削加工等之后的状态的话，则为0.05～0.1mm左右的层。
如果是铣削加工后，则碳纤维强化塑料板100的表面、即第二碳纤维强化塑料层20的表面的平滑性变得比加工后高。例如，第二碳纤维强化塑料层20的平面度可以调整为每100mm为0.005～0.05mm。
另外，如图2所示的碳纤维强化塑料板110那样，也可以是在第一碳纤维强化塑料层10的正面和背面的任一者上层叠有第二碳纤维强化塑料层20而成的层叠体。进一步地，第一碳纤维强化塑料层10可以是由碳纤维织布构成的单层，只要满足所要求的强度，则也可以是碳纤维的织布、无纺布、织布这样的三层结构的层，进一步地还可以是四层以上的多层结构。
在第二碳纤维强化塑料层中，碳纤维无纺布的纤维体积含有率(Vf)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，因此有可能难以形成第二碳纤维强化塑料层。另外，若Vf较高，则韧性、加工性、表面平滑性有可能会变差。另一方面，若Vf较低，则母材的特性优先显现，从而有可能损害由碳纤维带来的强化提高效果。考虑到这些方面，在为第二碳纤维强化塑料层的情况下，通过将Vf设定为20～40体积％，设定为比第一碳纤维强化塑料层低，能够满足加工性、表面的平滑性。
作为第二碳纤维强化塑料层的母材，可以使用热固性树脂。关于其详细情况，已在第一碳纤维强化塑料层中进行了说明，从而省略说明。
(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和第二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与第二碳纤维强化塑料层粘接并层叠的情况下，可以在上述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、第二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表面进行保护的保护层、保护膜等。
作为碳纤维强化塑料板，板的厚度一般为5～100mm，特别常用的是8～40mm的厚度的板。另外，通过将第一碳纤维强化塑料层的厚度设为碳纤维强化塑料板的总厚度的80％以上，能够满足作为碳纤维强化塑料板的强度。
[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碳纤维织布以及碳纤维无纺布固化的工序。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织布以及碳纤维无纺布之后冷却至常温而使其固化。
作为制造步骤，可以在固化工序之前，在将织布与无纺布层叠之后浸渍母材，之后实施固化工序来制造CFRP板，也可以在使母材分别浸渍于织布和无纺布之后实施固化工序而分别制造第一碳纤维强化塑料层和第二碳纤维强化塑料层，并利用粘接剂等将它们接合来制造CFRP板。
此外，在由于具有粘接剂层而有可能使CFRP板的强度降低的情况下，例如通过VaRTM法，在将织布与无纺布层叠之后浸渍母材，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、第二碳纤维强化塑料层直接层叠于第一碳纤维强化塑料层的CFRP板。
<铣削加工工序>
在本发明中，在固化工序后，可以设置对第二碳纤维强化塑料层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100mm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，可列举为将上述的碳纤维的织布和无纺布层叠的工序、使母材浸渍于层叠的碳纤维中的浸渍工序。
【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CFRP板，对所制造的CFRP板进行铣削加工或弯曲强度的评价。
[铣削加工性以及平面度的评价]
<CFRP板的制造>
(实施例1)
在模具(内部尺寸：15×15×1cm)内配置重叠两层碳纤维织布(东丽株式会社制造的BT70-20)并进一步地重叠两层碳纤维无纺布(金井重要工业株式会社制造的CFZ-500SD)而形成为四层结构的碳纤维。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的压力将所混合的树脂加压注入于加热至100℃的密闭的模具内。注入所混合的树脂后，在100℃下进行20分钟的加热固化，得到第一碳纤维强化塑料层的厚度为0.8cm(0.4cm×2)、Vf为57体积％、第二碳纤维强化塑料层的厚度为0.2cm(0.1×2)、Vf为28体积％的CFRP板。
(比较例1)
在模具(内部尺寸：15×15×1cm)内重叠三层碳纤维无纺布(金井重要工业株式会社制造的CFZ-1000SD)并在其上重叠一层碳纤维无纺布(金井重要工业株式会社制造的CFZ-250SD，从而配置合计为四层的碳纤维无纺布。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的压力将所混合的树脂加压注入于加热至100℃的密闭的模具内。注入所混合的树脂后，在100℃下进行20分钟的加热固化，得到厚度为10mm、Vf为21％的CFRP板。
(比较例2)
在模具(内部尺寸：15×15×1cm)内重叠五层碳纤维无纺布(金井重要工业株式会社制造的CFZ-1000SD)并在其上重叠一层碳纤维无纺布(金井重要工业株式会社制造的CFZ-250SD)，从而配置合计为六层的碳纤维无纺布。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的压力将所混合的树脂加压注入于加热至80℃的密闭的模具内。注入所混合的树脂后，在100℃下进行25分钟的加热固化，得到厚度为10mm、Vf为31％的CFRP板。
(比较例3)
在模具(内部尺寸：15×15×1cm)内重叠七层碳纤维无纺布(金井重要工业株式会社制造的CFZ-1000SD)并在其上重叠一层碳纤维无纺布(金井重要工业株式会社制造的CFZ-250SD)，从而配置合计为八层的碳纤维无纺布。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的压力将所混合的树脂加压注入于加热至80℃的密闭的模具内。注入所混合的树脂后，在100℃下进行25分钟的加热固化，得到厚度为10mm、Vf为40％的CFRP板。
(比较例4)
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VaRTM法，将所混合的树脂注入碳纤维。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，得到第一碳纤维强化塑料层的厚度为2mm、Vf为57体积％的CFRP板。此外，不使用碳纤维无纺布。
<铣削加工处理>
使用三个所制造的实施例1的CFRP板，在以下的条件下对第二碳纤维强化塑料层的表面进行铣削加工，直至第二碳纤维强化塑料层的厚度达到0.1mm。另外，对于比较例1～4的CFRP板，也使用三个进行与实施例1的CFRP板相同条件下的铣削加工。
(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、比较例1～4的CFRP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CFRP板的平面度的平均值示于表1。
表1
Figure BDA0002518267660000091
实施例1的CFRP板的第二碳纤维强化塑料层是与比较例1～3同样地使用了碳纤维无纺布的层，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4的CFRP板的纤维因铣削加工而起毛，平面度的值因起毛而变大，是平面性较低的板。
[弯曲强度的评价]
<CFRP板的制造>
通过与实施例1同样的制法，将碳纤维织布以及碳纤维无纺布重叠，并注入环氧树脂，进行室温固化以及加热固化，制造三种第一碳纤维强化塑料层(Vf为57体积％)和第二碳纤维强化塑料层(Vf为28体积％)的厚度不同的碳纤维强化塑料板110。另外，同样地制造仅使用了碳纤维织布的CFRP板以及仅使用了碳纤维无纺布的CFRP板。即，制造五种厚度相同且碳纤维织布以及碳纤维无纺布的比例(在表2、图3中标记为“(织布/(织布+无纺布))×100”)不同的CFRP板。
<弯曲试验的实施>
对于所得到的五种CFRP板，基于JIS K7074在以下的条件下实施弯曲试验。将测定结果示于表2、图3。
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
表2
(织布/(织布+无纺布))×100 0％ 31％ 63％ 80％ 100％
弯曲强度(MPa) 223 404 547 740 920
作为具有实用性的CFRP板，重要的是即使添加碳纤维无纺布，也要确保仅使用碳纤维织布作为碳纤维的CFRP板的弯曲强度的80％以上的弯曲强度。根据表2、图3可知，在并用碳纤维织布和碳纤维无纺布的情况下，如果是碳纤维织布的比例为80％以上的CFRP板、即第一碳纤维强化塑料层的厚度为CFRP板的厚度的80％以上的厚度，则能够确保充分的强度。
<总结>
这样，如果是本发明的碳纤维强化塑料板，则能够满足加工性、加工后的平滑性以及强度。因此，例如能够利用于冲压模具的模组部件等，与以往的金属制板材相比重量为一半以下，如果用于高速驱动的模具部件等，则能够提高定位精度。

Claims (8)

1.一种碳纤维强化塑料板，其中，所述碳纤维强化塑料板具备：
具有碳纤维织布以及母材的第一碳纤维强化塑料层；以及
具有碳纤维无纺布以及母材的、厚度为3mm以下的第二碳纤维强化塑料层，第二碳纤维强化塑料层层叠于所述第一碳纤维强化塑料层上。
2.根据权利要求1所述的碳纤维强化塑料板，其中，所述母材为热固性树脂。
3.根据权利要求1或2所述的碳纤维强化塑料板，其中，所述碳纤维强化塑料板具备依次层叠所述第二碳纤维强化塑料层、所述第一碳纤维强化塑料层以及所述第二碳纤维强化塑料层而成的层叠体。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的碳纤维强化塑料板，其中，在所述第二碳纤维强化塑料层中，碳纤维无纺布的纤维体积含有率为20～40体积％。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的碳纤维强化塑料板，其中，在所述第一碳纤维强化塑料层中，碳纤维织布的纤维体积含有率为50～60体积％。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的碳纤维强化塑料板，其中，所述第二碳纤维强化塑料层的平面度为每100mm为0.005～0.05mm。
7.一种碳纤维强化塑料板的制造方法，是权利要求1～6中任一项所述的碳纤维强化塑料板的制造方法，包括使浸渍有母材的碳纤维织布以及碳纤维无纺布固化的固化工序。
8.根据权利要求7所述的碳纤维强化塑料板的制造方法，其中，包括在所述固化工序后对所述第二碳纤维强化塑料层进行铣削加工的铣削加工工序。
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