JP2002161157A - 硬質被膜を有する炭素繊維強化樹脂複合材料製板材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速運転が可能で、高剛性、高強度、高精度
移動により高速運転時の追随性が良く、油状成分の剥離
性や耐汚性が良好であり、しかも被処理物との擦れに対
する耐摩耗性に優れており、高速処理が要求されている
印刷機械、製紙機械、紙加工機械、産業用ロボットアー
ム等に適する安価なＣＦＲＰ製板材を提供する。 【解決手段】 炭素繊維強化樹脂複合材料製板材（コア
材１）の表面に、金属アルコキシド加水分解溶液を適用
し、縮重合反応して形成された被膜を焼成して硬質被膜
２を形成してなる硬質被膜を有するＣＦＲＰ製板材３。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加工機、搬送機、
処理機等の適用装置に使用される、適用対象物に当接す
る面が、優れた剥離性、非粘着性、耐摩耗性を有する板
材に関し、特に、紙折り機、産業用ロボットアーム、印
刷用インクパン等の適用装置に使用される、適用対象物
に当接する面を有する板材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、印刷対象物に適用するための
印刷機械用の板材として、繊維強化樹脂複合材料製の板
材は知られている。特に、炭素繊維強化樹脂製複合材料
（以下、ＣＦＲＰと記すことがある）製の板材は、金属
材を使用した板材に比較し、高剛性・高強度で且つ軽量
であるため、高速運転が可能となる他、高剛性、高強
度、高精度移動、耐高撓み性を有し、精度の高い自動運
転が可能となり、モーメントが下がり、追随性に優れる
好適な素材である。

【０００３】しかし、ＣＦＲＰ製板材は、表面処理をし
ない状態のままでは、表面の耐摩耗性、剥離性及び耐汚
性に劣り、例えば印刷機械用の紙折り機や産業用ロボッ
トアーム、印刷用インクパン等に使用される板材、即
ち、適用対象物に当接する面を有する板材としては適当
でない。

【０００４】ＣＦＲＰをコア材とする一般的な表面処理
手段は、クロムメッキに代表されるメッキ処理が知られ
ている（特開平２０００−２１６２１５号公報）。該メ
ッキ処理は、一般的にコア材であるＣＦＲＰ材の表面
に、電解メッキ又は無電解メッキ法により、銅又はニッ
ケル等のメッキ層を設け、その表面にクロムメッキ等の
メッキをしたものである。メッキ処理以外のＣＦＲＰコ
ア材の表面処理の方法として、ＣＶＤ、物理気相蒸着法
（ＰＶＤ）がある（特開平２０００−２１６２１５号公
報）。また、ＣＦＲＰコア材の表面に、フッ素系樹脂の
焼き付け、シリコン系樹脂の焼き付け、テフロン（登録
商標）シュリンクチューブの被覆等、様々な手段が報告
されている（特公平３−８４０４号公報、特開平６−１
１７４３０号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような表
面処理されたＣＦＲＰ製板材においては、以下のような
問題がある。

【０００６】クロムメッキに代表されるメッキ被膜や、
無電解メッキ被膜、ＣＶＤ被膜、ＰＶＤ被膜等の金属被
膜が形成されたＣＦＲＰ製板材では、適用対象物（被処
理物）との擦れに対する板材表面の耐摩耗性には問題が
ないが、金属被膜表面へのインクなどの油状成分（オイ
ル成分）の付着が激しく、油状成分の剥離性や耐汚性に
劣るので、適用対象物の表面を汚したり、金属被膜表面
の掃除に手間がかかるとういう問題があると同時に、金
属被膜形成工程が煩雑で、生産コストが高くなるという
問題がある。

【０００７】更に、メッキにより板材の外周に、ＣＦＲ
Ｐより比重の重い金属層を設けることになるので、板材
全体の重量が増し、ＣＦＲＰ材の特徴である軽量化効果
が低減されてしまう。

【０００８】コア材に、フッ素系樹脂やシリコン系樹脂
を焼き付けて表面に被膜を形成した板材では、コア材の
ＣＦＲＰとの密着力が強固な被膜や、油状成分（オイル
成分）との良好な剥離性を有する被膜を形成させるため
に、繊維強化樹脂を構成する樹脂の二次転位点（Ｔｇ）
より高い温度で焼き付け硬化させて被膜を形成するが、
このような高温での焼成は、板材としての強度、剛性を
低下させ、更に板材に変形をきたす問題がある。

【０００９】繊維強化樹脂を構成する樹脂のＴｇ未満の
温度で、焼き付け硬化させるフッ素系樹脂やシリコン系
樹脂を焼き付けたＣＦＲＰ製ローラも報告されている
が、このような方法で得た板材は、被覆層とＣＦＲＰ材
との、密着力や剥離性に劣るものとなってしまう。

【００１０】また、フッ素系樹脂やシリコン系樹脂を焼
き付けて表面に被膜を形成した板材は、例えば、被処理
物が紙であった場合、被処理物と板材表面の擦れによ
り、焼き付け硬化させた被膜が削り取られてしまうこと
があり、耐摩耗性に問題がある。

【００１１】テフロンシュリンクチューブ被覆ＣＦＲＰ
製板材は、チューブのコストが高く、且つ被処理物と該
板材表面の擦れにより、被覆したチューブが削れてしま
い耐摩耗性に問題がある。

【００１２】そこで、本発明の目的は、上記従来の各種
表面処理されたＣＦＲＰ材の問題点を解消し、高速運転
が可能で、高剛性、高強度、高精度移動により高速運転
時の追随性が良く、油状成分の剥離性や耐汚性が良好で
あり、しかも被処理物との擦れに対する耐摩耗性に優れ
ており、高速処理が要求されている印刷機械、製紙機
械、紙加工機械、産業用ロボットアーム等に適する安価
なＣＦＲＰ製板材を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ことができる本発明は、下記の構成からなる。

【００１４】本発明の炭素繊維強化樹脂複合材料製板材
は、炭素繊維強化樹脂複合材料製板材（ＣＦＲＰ製コア
材）の表面に、金属アルコキシド加水分解溶液を適用
し、縮重合反応して形成された被膜を焼成して硬質被膜
を形成してなることを特徴とする。

【００１５】さらに好ましい本発明の炭素繊維強化樹脂
複合材料製板材は、コア材である炭素繊維強化樹脂複合
材料製板材（ＣＦＲＰ製コア材）の表面に、有機質材又
は無機質材を分散させた金属アルコキシド加水分解溶液
を適用し、縮重合反応して形成された被膜を焼成して硬
質被膜を形成してなることを特徴とする。

【００１６】前記した硬質被膜を有するＣＦＲＰ製コア
材において、コア材となる炭素繊維強化樹脂複合材料製
板材が炭素繊維を強化材とする繊維強化樹脂層が複数積
層されてなるものであり且つ該コア材の積層構成が芯層
に対し面対称に積層され、しかも該コア材が硬質被膜を
有する炭素繊維強化樹脂複合材料製板材の端部から露出
しないように、硬質被膜で被覆されていることを特徴と
する。

【００１７】本発明の硬質被膜を有する炭素繊維強化樹
脂複合材料製板材は、油状成分の剥離性や耐汚性が良好
である。本発明の硬質被膜を有する炭素繊維強化樹脂複
合材料製板材は、動摩擦係数が低く且つ表面硬度が硬い
ため、フッ素系又はシリコン系樹脂焼き付けＣＦＲＰコ
ア材単独やテフロンシュリンクチューブ被覆ＣＦＲＰ製
板材に比べて、耐摩耗性に優れる。本発明の硬質被膜を
有する炭素繊維強化樹脂複合材料製板材は、クロムメッ
キ処理したＣＦＲＰ製板材に比べて、軽量となりスピー
ドへの追随性に優れる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下本発明を詳細に説明する。

【００１９】本発明の表面被膜を有するＣＦＲＰ製板材
を図面を用いて説明する。

【００２０】図１は本発明の硬質被膜を有するＣＦＲＰ
製板材の斜視図を示した概念図である。図２は図１にお
けるＡ−Ａ′断面図を示した概念図である。図１、図２
において、１はコア材、２は硬質被膜、３は硬質被膜を
有するＣＦＲＰ製板材をそれぞれ示す。

【００２１】図１の硬質被膜２を有するＣＦＲＰ製板材
３において、ＣＦＲＰ積層体の板材であるコア材１の外
周部には硬質被膜２を有する。この硬質被膜２はコア材
１の外周全面を覆っている。硬質被膜２を有するＣＦＲ
Ｐ製板材３の端面部にはコア材１が露出しないことが好
ましい。これは硬質被膜２を有するＣＦＲＰ製板材３の
外周部近辺にコア材１が露出していると、接触物により
コア材１が摩耗し、粉じん発生させたり、印刷インク等
のオイル成分を使用したとき、コア材１に付着し、板材
汚染の原因になるからである。

【００２２】次に本発明の硬質被膜２を有するＣＦＲＰ
製板材３について説明する。高強度、高弾性の炭素繊維
を用い、その繊維に熱硬化性樹脂を含有させ加熱硬化し
てコア材１を成形する。コア材１には、アクリロニトリ
ル系重合体繊維、ピッチ系繊維を用いることができ、特
にアクリロニトリル系繊維を原料として得られた、所謂
アクリル系炭素繊維が好ましい。又、必要に応じてガラ
ス繊維やアラミド繊維を併用することができる。熱硬化
性樹脂には、エポキシ樹脂で代表される通常の炭素繊維
との複合材として汎用されている熱硬化性樹脂が使用で
きる。

【００２３】コア材１における炭素繊維と熱硬化性樹脂
の比は、炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）５０％以上が好
ましく、特に好ましくは、６０％以上である。コア材１
の作製は、一般的なプリプレグ積層法が挙げられ、特に
限定するものではない。

【００２４】プリプレグ積層法は、ＵＤプリプレグを面
対称に積層し、マトリックス樹脂の特性に合わせ、圧縮
成形、真空バック成形等により成形する。

【００２５】積層パターンの各層の繊維の配列方向が、
板材の面内特性として疑似等方性となるように積層する
ことが望ましく、例示すると、０°／９０°／０°／９
０°／０°、０°／＋４５°／−４５°／０°／９０°
／０°／−４５°／＋４５°／０°が挙げられる。

【００２６】このようにして成形されたコア材１は、適
用される装置に合わせ所定の寸法で切断される。本発明
における硬質被膜２は、ゾル−ゲル法の被膜生成プロセ
スを利用して形成されている。

【００２７】ゾル−ゲル法で使用される金属アルコキシ
ド加水分解溶液は、酸化物をつくるための原料化合物、
加水分解用の水、溶媒用のアルコール類、触媒の酸又は
塩基等を混合して均質溶液として調製される。酸化物を
作るための原料化合物としてはケイ素、アルミニウム、
チタン、ジルコニウム等の金属アルコキシド、アセチル
アセトナト、酢酸塩等の有機金属化合物、硝酸塩などの
無機塩などを使用する。

【００２８】尚、金属アルコキシド加水分解溶液中に有
機質材又は無機質材を分散させることにより形成される
被膜内がハイブリット化される。例えば、有機質材に
は、フッ素系樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂等が
挙げられ、有機質材の形態は、粒子（フッ素系樹脂、ポ
リアミド樹脂等）、溶液（エポキシ樹脂等）を用いるこ
とができる。無機質材には、アルミナ、ジルコニア、シ
リカ等が挙げられる。

【００２９】この金属アルコキシド加水分解溶液は縮重
合反応を起こし、酸化物微粒子又は高分子が分散した液
体のゾルとなる。このゾルをスプレーガンにてコア材１
の表面に塗布した後、更に反応を進めるため加熱し、粒
子をつなげ乾燥ゲルとする。このときの加熱温度は、繊
維強化樹脂を形成する樹脂のＴｇ未満の温度で可能であ
る。ゾルからゲルになる縮重合反応では、側鎖修飾型の
合成反応が進み、特に、アルキルオキシシラン系化合物
を用いた場合には、乾燥ゲルは分子レベルでガラスに類
似した強固な三次元網目構造を形成する。

【００３０】側鎖修飾型硬化被膜は、高硬度で且つ耐汚
性を特徴とする。したがって、前述の通り、金属アルコ
キシド加水分解溶液中に有機質材又は無機質材を分散さ
せハイブリット化させた溶液を用いることにより、側鎖
修飾型硬化被膜の特徴に加え、さらに別の機能、特徴を
持たせることが可能となる。例えば、コア材１の表面と
オイル成分との剥離性を良好とするために、フッ素系樹
脂、シリコーン系樹脂等を添加分散させるとよい。ま
た、被処理物との擦れに対して良好な耐摩耗性をコア材
１の表面に付与するために、高硬度無機材料である、ア
ルミナ、シリカ等を添加分散させるとよい。

【００３１】金属アルコキシド加水分解溶液を塗布する
には、例えば、スプレーガンを用いコア材１の表面に塗
装することができる。厚めに塗装したい場合は一度塗装
後、数分放置し再度塗装を行う。所定厚さの塗装が完了
した後、溶媒成分であるアルコール類を揮発させるた
め、数時間放置し、その後、加熱により反応を進め、被
膜を焼成させる。このときの加熱温度は、繊維強化樹脂
を構成する樹脂のＴｇ未満の温度で可能である。

【００３２】

【実施例】以下に本発明を具体的に説明する。実施例に
おける各種測定方法を以下に示す。 （１）対水接触角の測定方法 平板を作製したモデル板材により接触角を測定する。 （２）動摩擦係数の測定方法 ５００ｒｐｍにて回転している試験片表面に面圧１０ｇ
／ｃｍ² の圧力にて押圧した時の摩擦力を測定し、両面
間の法線力との比として算出する。 （３）被膜硬度測定方法 ＪＩＳ Ｋ５４００に規定の鉛筆硬度試験法を用いる。 （４）被膜の密着強度測定方法 カッターナイフを用いて１１本のスリットを１ｍｍピッ
チで、縦横に刻み基盤目を形成し、粘着テープを張り付
けた後引き剥がす、メッキ及び塗膜のテストに用いられ
る所謂基盤目試験法を採用する。

【００３３】硬質被膜を有するＣＦＲＰ製板材の製造 エポキシ系樹脂を含浸させた炭素繊維プリプレグシート
を配列角度０°／９０°／０°／９０°／０°のパター
ンにて、厚み３ｍｍ／０．５ｍｍ／３ｍｍ／０．５ｍｍ
／３ｍｍで積層した後、圧縮成型し、ＣＦＲＰ製コア材
を成形した。このときＣＦＲＰを構成する樹脂のＴｇは
１５０℃であった。

【００３４】その後、１８００ｍｍ×１８００ｍｍの寸
法で切断し研磨加工した。得られたＣＦＲＰ製コア材の
表面を除塵及び脱脂処理した後、アルキルオキシシラン
の加水分解溶液２５部、メタノール２５部、酢酸ブチル
１０部、酢酸５部、ブタノール１５部、アルミナ５部、
シリカ１０部、酸化チタン５部、酸化鉄１０部、フッ素
系樹脂２部を配合した加水分解液をスプレーガンによ
り、ＣＦＲＰ製コア材表面に厚さ２０μｍ塗装し、５時
間放置後１１０℃雰囲気の炉内に１時間投入し、縮重合
反応を進め、ＣＦＲＰ製コア材表面に被膜を形成した。

【００３５】得られた硬質被膜が形成されたＣＦＲＰ製
板材の表面特性を調べるべく、対水接触角を測定したと
ころ、θ＝７８°であり剥離特性の面で良好な性能を有
していた。また、新聞紙との動摩擦係数は０．１０であ
った。更に耐汚性を調べるべく、該板材表面に印刷用イ
ンクを塗布した後、布ウエスで拭き取ったところ、イン
クによる汚れは残らなかった。更に、被膜硬度は鉛筆硬
度試験において、硬度８Ｈ以上であり、印刷後の紙を折
るための紙折り機における、紙に当接する板材や紙押さ
え板の表面特性として十分な硬度を有していた。

【００３６】本発明の硬質被膜を有するＣＦＲＰ製板材
における被膜の密着強度は基盤試験に合格し、ＣＦＲＰ
製コア材とは強固に密着していることを確認した。

【００３７】本実施例の硬質被膜を有するＣＦＲＰ製板
材を印刷機械の紙折り機の紙当接面の板材として使用し
たところ、表面にインクの付着がなくなり、紙の汚れや
掃除の問題がなくなった。又、同一寸法のＣＦＲＰ製コ
ア材表面にクロムメッキをした紙折り機用板材より、印
刷紙との剥離性に優れていた。更に表面硬度が硬いた
め、フッ素系又はシリコン系樹脂焼き付け紙折り機用板
材やテフロンシュリンクチューブ被覆用板材のように、
紙と折り機部材表面の擦れによる表面の削れがなく、ま
た粉じんの発生もなく耐摩耗性にも優れた折り機用板材
であった。

【００３８】

【発明の効果】本発明の金属アルコキシド加水分解溶液
を縮重合反応させて被膜を形成したＣＦＲＰ製板材は、
以下の特徴を有する。 （１）板材表面へのインクなどのオイル成分の付着がな
くなり、被処理物へのオイル成分の転写汚れがなくなる
とともに掃除の手間が省ける。 （２）板材表面が剥離性良好なため、粘着性のある処理
物を処理する場合に容易に剥離できる。

【００３９】（３）動摩擦係数が低く且つ表面硬度が硬
いため、フッ素系又はシリコン系樹脂焼き付けＣＦＲＰ
コア材単独やテフロンシュリンクチューブ被覆ＣＦＲＰ
製板材に比べて、耐摩耗性に優れる。 （４）クロムメッキ処理したＣＦＲＰ製板材に比べて、
軽量となりスピードへの追随性に優れる。

【００４０】（５）製造工程が、クロムメッキ処理した
ＣＦＲＰ製板材のように煩雑でなく、フッ素系又はシリ
コン系樹脂焼き付けＣＦＲＰ製板材と同様で工程が簡単
であり、且つテフロンシュリンクチューブのような高価
な材料を使わないため、生産コストが安く経済性に優れ
る。 （６）表面に被膜を形成させる温度が低いため、板材の
精度及び強度、剛性の特性を損ねることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＣＦＲＰ製板材の斜視図を示した概念
図。

【図２】図１におけるＡ−Ａ′断面図を示した概念図。

【符号の説明】

１ コア材 ２ 硬質被膜 ３ 硬質被膜を有するＣＦＲＰ製板材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4F006 AA53 AB39 AB74 BA02 DA04 EA05 4F100 AA17B AA17C AA19 AA20 AA21 AA23 AD11A AH00B AH00C AH08B AH08C AK17 AK53 BA03 BA06 BA10B BA10C DD32 DH02A EH46 EJ30 EJ42 GB51 JK09 JK12 JK12B JK12C JL06 JL14

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素繊維強化樹脂複合材料製板材の表面
   に、金属アルコキシド加水分解溶液を適用し、縮重合反
   応して形成された被膜を焼成して硬質被膜を形成してな
   ることを特徴とする硬質被膜を有する炭素繊維強化樹脂
   複合材料製板材。
2. 【請求項２】 炭素繊維強化樹脂複合材料製板材の表面
   に、有機質材又は無機質材を分散させた金属アルコキシ
   ド加水分解溶液を適用し、縮重合反応して形成された被
   膜を焼成して硬質被膜を形成してなることを特徴とする
   硬質皮膜を有する炭素繊維強化樹脂複合材料製板材。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の硬質被膜を有する
   炭素繊維強化樹脂複合材料製板材において、コア材とな
   る炭素繊維強化樹脂複合材料製板材が炭素繊維を強化材
   とする繊維強化樹脂層が複数積層されてなるものであり
   且つ該コア材の積層構成が芯層に対し面対称に積層さ
   れ、しかも該コア材が硬質被膜を有する炭素繊維強化樹
   脂複合材料製板材の端部から露出しないように、硬質被
   膜で被覆されていることを特徴とする硬質被膜を有する
   炭素繊維強化樹脂複合材料製板材。