JP2010024413A - Fiber-reinforced composite material and method for producing the same - Google Patents

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藤井  透
Kazuya Okubo
和也 大窪
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宜史 高垣
Kazuhiro Omori
一寛 大森
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fiber-reinforced composite material excellent in both fatigue and impact characteristics at low cost. <P>SOLUTION: This fiber-reinforced composite material in which a polymer-based matrix is reinforced by a fibrous reinforcing material is produced by impregnating the fibrous reinforcing material with a material made by dispersing microfibrillated cellulose in the polymer-based matrix, and solidifying the resultant material. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、繊維状強化材で高分子系母材を強化した繊維強化複合材料とその製造方法に関する。   The present invention relates to a fiber reinforced composite material in which a polymer base material is reinforced with a fibrous reinforcing material and a method for producing the same.

この種の複合材料は、高い比強度や比剛性をはじめ優れた機械的特性を有することから、構造用材料として各種産業分野における利用が検討され、あるいは実際に利用されている。   Since this type of composite material has excellent mechanical properties such as high specific strength and specific rigidity, its use as a structural material in various industrial fields has been studied or actually used.

その一方で、例えば長繊維を繊維状強化材とする上記複合材料においては、その構造上、繰り返し荷重下で比較的早期に繊維間の狭小な母材領域にマイクロクラックが発生する傾向にある。この種のクラックは成長することで疲労破壊を引き起こす可能性がある。比較的脆性な高分子系母材に発生したマイクロクラックは、衝撃荷重の作用下でも容易に進展する傾向にあり、母材によるエネルギー吸収能は低い。また、繊維状強化材がシート状の形態で母材に供給される場合、上記複合材料は積層構造を採ることになるため、衝撃に対して層間はく離を生じ易い。   On the other hand, for example, in the above-mentioned composite material using long fibers as a fibrous reinforcing material, micro cracks tend to occur in a narrow base material region between fibers relatively quickly under repeated load. This type of crack can grow and cause fatigue failure. Microcracks generated in a relatively brittle polymer base material tend to easily develop even under the action of an impact load, and the energy absorption capacity of the base material is low. Further, when the fibrous reinforcing material is supplied to the base material in the form of a sheet, the composite material has a laminated structure, and therefore, it is easy to cause delamination against impact.

例えば下記特許文献1や特許文献2には、耐衝撃性の改善を目的として、炭素繊維を強化材とし、エポキシ樹脂を母材とする樹脂組成物であって、当該母材中にカーボンナノチューブ(CNT)や、ナノサイズ径の微細炭素繊維(CNF)を充填材として配合した樹脂組成物が開示されている。
特開2003−12939号公報 特開2004−300221号公報
For example, in Patent Document 1 and Patent Document 2 below, for the purpose of improving impact resistance, a resin composition using carbon fiber as a reinforcing material and an epoxy resin as a base material, the carbon nanotube ( CNT) and nano-sized fine carbon fibers (CNF) as a filler are disclosed.
JP 2003-12939 A JP 2004-3000221 A

しかしながら、上記特許文献に開示の充填材は何れも母材との界面接着性に乏しい。そのため、ミクロンオーダーあるいはサブミクロンオーダーの微細繊維としての特性を十分に活かすことができず、クラックの発生・進展抑制効果は小さい。また、上記充填材は合成樹脂等の母材と比べその比重が大きいのが通常であるから、上記繊維を母材中に供給しても沈殿等を生じ、当該充填材を均一に分散させ難い。これでは、上記樹脂組成物の含浸時、繊維間の狭小な領域に入り込んだ樹脂中に上記充填材が含まれないこととなり、疲労特性や衝撃特性に直接影響するマイクロクラックの発生・進展を抑制することは難しい。加えて、上記充填材は何れも高価なため、上記複合材料を用いて大量生産品を製造するには不適である。   However, any of the fillers disclosed in the above patent documents has poor interfacial adhesion with the base material. For this reason, the characteristics of micron-order or sub-micron-order fine fibers cannot be fully utilized, and the effect of suppressing the generation and propagation of cracks is small. In addition, since the specific gravity of the filler is usually larger than that of a base material such as a synthetic resin, even if the fiber is supplied into the base material, precipitation occurs and it is difficult to uniformly disperse the filler. . In this case, when the resin composition is impregnated, the filler is not included in the resin that has entered the narrow region between the fibers, and the occurrence and progress of microcracks that directly affect fatigue characteristics and impact characteristics are suppressed. Difficult to do. In addition, since all the fillers are expensive, they are unsuitable for manufacturing mass-produced products using the composite material.

また、上記の問題は、長繊維に限らず、短繊維を強化材とした場合にも同様に起こり得る。すなわち、短繊維を強化材とする複合材料においては、当該繊維の繊維端がクラック発生・進展の起点となり易く、この傾向は疲労破壊や衝撃破壊においてより顕著となる。そのため、短繊維を強化材とする複合材料においても、疲労特性や衝撃特性の改善が求められている。   In addition, the above problem is not limited to long fibers, but can occur similarly when short fibers are used as reinforcing materials. That is, in a composite material using short fibers as a reinforcing material, the fiber ends of the fibers are likely to be the starting point of crack generation / development, and this tendency becomes more prominent in fatigue fracture and impact fracture. Therefore, improvement in fatigue characteristics and impact characteristics is also demanded in composite materials using short fibers as reinforcing materials.

以上の事情に鑑み、本発明では、疲労特性と衝撃特性の双方に優れた繊維強化複合材料を低コストに提供することを技術的な課題とする。   In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a low-cost fiber-reinforced composite material excellent in both fatigue characteristics and impact characteristics.

上記課題の解決は、本発明に係る繊維強化複合材料により達成される。すなわち、この
複合材料は、高分子系母材を繊維状強化材で強化した繊維強化複合材料であって、さらに、高分子系母材中にミクロフィブリルセルロースを分散させた点をもって特徴づけられる。
The solution to the above problem is achieved by the fiber-reinforced composite material according to the present invention. That is, this composite material is a fiber reinforced composite material obtained by reinforcing a polymer base material with a fibrous reinforcement, and is further characterized by the fact that microfibril cellulose is dispersed in the polymer base material.

ミクロフィブリルセルロースは主に天然植物質を構成するセルロースに機械的せん断力を加えてフィブリル化したもので、サブミクロンスケール(0.01〜0.1μmオーダー)の繊維径を有する微細繊維である。また、ミクロフィブリルセルロースの比重は上記カーボン系充填材のそれと比べて小さく高分子系母材の比重に近い。以上のことから、ミクロフィブリルセルロースを沈殿させることなく高分子系母材中に均一に分散させた状態で当該母材を繊維状強化材に供給することができ、母材中に分散したミクロフィブリルセルロースを繊維状強化材の間や層間の狭小な母材領域に入り込ませることができる。これにより、例えば長繊維を繊維状強化材とする複合材料においては、上記母材領域におけるマイクロクラックの発生を抑制することができる。また、一旦発生したマイクロクラックの成長を上記微細繊維のブリッジング作用により抑制することができる。また、短繊維を強化材とする複合材料においても、繊維端に生じる応力がミクロフィブリルセルロースで分担されることで、繰り返し荷重下あるいは衝撃荷重下においても従来材料に比べてマイクロクラックの発生・進展が抑制される。なお、上記微細繊維はセルロースを主体とすることから、上述の炭素系充填材に比べて高分子系母材との接着性も良好である。また、この繊維は上述の如く非常に微細なために比表面積が大きく母材との接着面積も大きい。以上の点から、本発明に係る複合材料であれば、母材中に分散させたミクロフィブリルセルロースの微細繊維としての特性を十分に活かしてマイクロクラックの発生・進展を抑制することができ、疲労特性および衝撃特性の向上を図ることが可能となる。また、当該充填材はセルロースに機械的加工を施すことで得られるものであるから、非常に低コストに入手可能である。そのため、上記構成に係る複合材料の製造コストを低く抑えて量産性を高めることができる。   Microfibril cellulose is fibrillated mainly by applying mechanical shearing force to cellulose constituting natural plant matter, and is a fine fiber having a submicron scale (0.01 to 0.1 μm order) fiber diameter. In addition, the specific gravity of microfibril cellulose is smaller than that of the carbon-based filler and close to the specific gravity of the polymer base material. From the above, it is possible to supply the base material to the fibrous reinforcing material in a state of being uniformly dispersed in the polymer base material without precipitating the microfibril cellulose, and the microfibril dispersed in the base material. Cellulose can enter a narrow matrix region between fibrous reinforcements or between layers. Thereby, for example, in a composite material using long fibers as a fibrous reinforcing material, it is possible to suppress the occurrence of microcracks in the base material region. Moreover, the growth of the microcrack once generated can be suppressed by the bridging action of the fine fibers. Also, in composite materials with short fibers as reinforcing materials, the stress generated at the fiber ends is shared by microfibril cellulose, so that microcracks are generated and propagated under repeated and impact loads compared to conventional materials. Is suppressed. In addition, since the said fine fiber has cellulose as a main component, compared with the above-mentioned carbon-type filler, adhesiveness with a polymeric base material is also favorable. Further, since the fibers are very fine as described above, the specific surface area is large and the bonding area with the base material is also large. From the above points, the composite material according to the present invention can suppress the occurrence and progress of microcracks by making full use of the characteristics of microfibrils dispersed in the base material as fine fibers. It is possible to improve the characteristics and impact characteristics. Further, since the filler is obtained by subjecting cellulose to mechanical processing, it can be obtained at a very low cost. Therefore, the production cost of the composite material according to the above configuration can be kept low and the mass productivity can be increased.

ここで、繊維状強化材としては、高分子系母材の強化材として機能する限りにおいて任意の繊維状強化材が使用できる。材質(有機、無機、天然、合成などの別)、繊維径(少なくともミクロフィブリルセルロースより上のオーダーであればよい)、あるいはその供給形態(一方向、平織り、不織布などの別)などは特に限定されない。繊維長についても特に限定されないが、上述のき裂発生・抑制メカニズムや後述する実験結果から、長繊維を強化材とした場合に非常に優れた疲労特性・衝撃特性の改善効果を示す。一方、ヤング率に着目した場合には、ミクロフィブリルセルロースと少なくとも同等、あるいはそれ以上のヤング率を示す繊維状強化材が好適であり、その一例として炭素繊維を挙げることができる。   Here, any fibrous reinforcing material can be used as the fibrous reinforcing material as long as it functions as a reinforcing material for the polymer base material. The material (different from organic, inorganic, natural, synthetic, etc.), fiber diameter (at least orders higher than microfibril cellulose), or its supply form (unidirectional, plain weave, non-woven fabric, etc.) are particularly limited Not. Although the fiber length is not particularly limited, it shows a very excellent fatigue property / impact property improvement effect when the long fiber is used as a reinforcing material from the above-described crack initiation / suppression mechanism and the experimental results described later. On the other hand, when paying attention to Young's modulus, a fibrous reinforcing material exhibiting a Young's modulus that is at least equal to or higher than that of microfibril cellulose is suitable, and an example thereof is carbon fiber.

また、高分子系母材についても特にその種類は問わず任意の高分子系材料が使用できる。ここで、既述したミクロフィブリルセルロースとの接着性を重視する場合には、水酸基を有する樹脂が好適である。ミクロフィブリルセルロースとの間で水素結合を発現し両者間に高い接着力を付与することができるためである。上記水酸基を有する樹脂の中では機械的特性に優れたエポキシ樹脂が好適である。   In addition, any high molecular weight base material can be used regardless of its kind. Here, in the case where importance is attached to the adhesiveness with the above-described microfibril cellulose, a resin having a hydroxyl group is suitable. This is because hydrogen bonds can be expressed with microfibril cellulose and high adhesive strength can be imparted between them. Among the resins having a hydroxyl group, an epoxy resin excellent in mechanical properties is preferable.

また、高分子系母材に対するミクロフィブリルセルロースの重量比は0.01wt%以上2.0wt%以下とするのがよく、0.1wt%以上1.0wt%とするのがさらによい。上述の疲労特性・衝撃特性改善効果を得るためには、少なくとも0.01wt%のミクロフィブリルセルロースが必要であり、また、2.0wt%を超えると、高分子系母材中への分散性が極度に低下してしまうためである。   The weight ratio of the microfibril cellulose to the polymer base material is preferably 0.01 wt% or more and 2.0 wt% or less, and more preferably 0.1 wt% or more and 1.0 wt%. In order to obtain the effect of improving the above-described fatigue characteristics / impact characteristics, at least 0.01 wt% of microfibril cellulose is necessary, and if it exceeds 2.0 wt%, the dispersibility in the polymer base material is increased. It is because it will fall extremely.

上記複合材料は、高分子系母材を半硬化させることでプリプレグ化されているものであってもよい。既述のように、本発明に係る複合材料であれば、比較的低コストに疲労特性
ないし衝撃特性の改善が可能であるため、これをプリプレグ化することで当該複合材料を用いた工業製品を低コストに大量生産することが可能となる。
The composite material may be a prepreg formed by semi-curing a polymer base material. As described above, since the composite material according to the present invention can improve fatigue characteristics or impact characteristics at a relatively low cost, an industrial product using the composite material can be obtained by prepregizing the composite material. Mass production at low cost is possible.

上記複合材料はその優れた機械的特性と軽量性から例えば車両・船舶・航空分野に好適に適用される他、スポーツ用品にも好適に適用される。特に、本発明に係る複合材料は疲労特性ならびに衝撃特性に優れたものであるため、スポーツ用品の中でも例えばテニスラケットやゴルフのクラブシャフト、野球のバットなど打球部位を有する球技用具に好適に適用可能である。   The composite material is suitably applied to, for example, sports equipment, in addition to being suitably applied to, for example, the vehicle, ship, and aviation fields because of its excellent mechanical properties and light weight. In particular, since the composite material according to the present invention is excellent in fatigue characteristics and impact characteristics, it can be suitably applied to, for example, sporting equipment such as tennis rackets, golf club shafts, baseball bats and other ball game equipment having a hitting portion. It is.

また、前記課題の解決は、繊維状強化材に高分子系母材を供給し、これを固化することにより高分子系母材を繊維状強化材で強化した繊維強化複合材料を得る方法であって、高分子系母材中にミクロフィブリルセルロースを分散させたものを繊維状強化材に供給することを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法によっても達成することができる。   The solution to the above problem is a method of obtaining a fiber reinforced composite material in which a polymer base material is reinforced with a fibrous reinforcing material by supplying a polymer base material to the fibrous reinforcing material and solidifying it. In addition, it can also be achieved by a method for producing a fiber-reinforced composite material, characterized in that a polymer base material in which microfibril cellulose is dispersed is supplied to a fibrous reinforcing material.

また、ミクロフィブリルセルロースが水分を含んだ状態で供給される場合、このミクロフィブリルセルロースに対して例えばアルコールなどの溶媒を用いて置換を行い、置換後のミクロフィブリルセルロースを高分子系母材中に分散させるようにしてもよい。上述の疲労特性・衝撃特性の改善効果を得るには、母材中でのミクロフィブリルセルロースの分散性が重要となるところ、ミクロフィブリルセルロースに含まれる水分を除去するために乾燥させると上記セルロース同士が互いに絡まりあって塊になり易い。これに対して、上述の方法によれば、溶媒を含んだ状態のミクロフィブリルセルロースを、低粘度を保った状態で高分子系母材と混合でき、ミクロフィブリルセルロースを凝集させることなく高分子系母材中に均一に分散した状態を容易に実現し得る。従って、この状態の母材を繊維状強化材に供給して固化させることで、母材中にミクロフィブリルセルロースが均一に分散した複合材料製品を得ることができる。   Further, when the microfibril cellulose is supplied in a state containing moisture, the microfibril cellulose is substituted with a solvent such as alcohol, and the microfibril cellulose after the substitution is put into the polymer base material. You may make it disperse | distribute. Dispersibility of microfibril cellulose in the base material is important for obtaining the above-described effects of improving fatigue characteristics and impact characteristics. When the cellulose is dried to remove moisture contained in the microfibril cellulose, the cellulose Are entangled with each other and easily become a lump. On the other hand, according to the above-described method, the solvent-containing microfibril cellulose can be mixed with the polymer base material while maintaining a low viscosity, and the polymer system can be obtained without agglomerating the microfibril cellulose. A state of being uniformly dispersed in the base material can be easily realized. Therefore, a composite material product in which microfibril cellulose is uniformly dispersed in the base material can be obtained by supplying the base material in this state to the fibrous reinforcing material and solidifying it.

もちろん、ミクロフィブリルセルロースの分散の方法は上記に限られるものではなく、他の方法を採ることもできる。例えば、水分を含むミクロフィブリルセルロースに対してフリーズドライ処理を施し、ミクロフィブリルセルロース中の水分を除去するようにしてもよい。この方法によれば、減圧環境下で昇華させることにより水分が除去されるので、通常乾燥のような収縮が生じにくい。そのため、内部に多数の空間を残した綿状のミクロフィブリルセルロースを得ることができる。このような状態であれば母材中への分散性も良好である。また、この方法であれば、上記溶媒置換の場合のように、母材中にミクロフィブリルセルロースを分散させた後、溶媒を積極的に除去するための作業を特に必要としないため、作業効率もよい。あるいは、さらなる他の手段として、例えばスプレードライ法でミクロフィブリルセルロース中の水分を除去する方法を採ることもできる。スプレードライ法は、一般的に、流動体中の粉状物体あるいは粒状物体を分離抽出するための手法であるが、ミクロフィブルリルセルロースの如く微細な物体であれば繊維状体であっても上記方法により乾燥状態のミクロフィブリルセルロースを取得することができる。   Of course, the method of dispersing the microfibril cellulose is not limited to the above, and other methods can be adopted. For example, freeze-drying treatment may be applied to microfibril cellulose containing water to remove the water in the microfibril cellulose. According to this method, moisture is removed by sublimation in a reduced pressure environment, so that shrinkage such as normal drying hardly occurs. Therefore, cotton-like microfibril cellulose that leaves many spaces inside can be obtained. In such a state, the dispersibility in the base material is also good. Further, in this method, since the microfibril cellulose is dispersed in the base material as in the case of the solvent substitution described above, an operation for positively removing the solvent is not particularly required. Good. Alternatively, as still another means, for example, a method of removing moisture in the microfibril cellulose by a spray drying method can be adopted. The spray-drying method is generally a method for separating and extracting a powdery object or a granular object in a fluid. However, if the object is a fine object such as microfibryl cellulose, the above-described method may be used. By the method, dry microfibril cellulose can be obtained.

以上のように、本発明によれば、疲労特性と衝撃特性の双方に優れた繊維強化複合材料を低コストに提供することができる。   As described above, according to the present invention, a fiber-reinforced composite material excellent in both fatigue characteristics and impact characteristics can be provided at low cost.

本発明に係る複合材料を構成する繊維状強化材は、高分子系母材の強化材として機能する限りにおいて任意であり、例えば炭素繊維(PAN系、ピッチ系など)、ガラス繊維、セラミック繊維、アラミド繊維、あるいは、ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維、PBO繊維(ポリルーブパラフェニレンベンズオキサゾール)などの合成樹脂繊維が有機、無機の別なく使用可能である。もちろん、植物繊維(竹繊維、麻系繊維など)や動物繊維
(ウールなど)等の天然繊維(天然由来の繊維も含む)も使用可能である。また、母材への供給形態についても任意であり、繊維束の状態で、あるいは繊維束を単位としてシート状に織物化した状態で母材に供給する(母材を含浸させる)ことも可能である。具体的には、一方向繊維状(ヤーン、クロスプライなどの形態を含む)、織物状(平織りなど)、不織布状、マット状(チョップドストランドマットなど)が供給形態の例として挙げられる。
The fibrous reinforcing material constituting the composite material according to the present invention is arbitrary as long as it functions as a reinforcing material for the polymer base material, such as carbon fiber (PAN type, pitch type, etc.), glass fiber, ceramic fiber, Aramid fibers, or synthetic resin fibers such as polyethylene fibers, polyarylate fibers, and PBO fibers (polylube paraphenylene benzoxazole) can be used regardless of whether they are organic or inorganic. Of course, natural fibers (including naturally derived fibers) such as plant fibers (bamboo fibers, hemp fibers, etc.) and animal fibers (wool, etc.) can also be used. Further, the supply form to the base material is also arbitrary, and it is possible to supply the base material (impregnated with the base material) in the form of a fiber bundle or in the form of a sheet-like woven fabric with the fiber bundle as a unit. is there. Specifically, unidirectional fibrous forms (including forms such as yarns and cross plies), woven forms (such as plain weaves), non-woven forms, and mat forms (such as chopped strand mats) are examples of supply forms.

また、高分子系母材についても、特にその種類は問わず、例えば不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂が使用可能である。メチルメタアクリレートなどの熱可塑性樹脂を使用することも可能である。また、ミクロフィブリルセルロースとの接着性を重視して、水酸基を有する樹脂を使用する場合、機械的特性に優れたエポキシ樹脂が好適に使用可能である。   The polymer base material is not particularly limited, and for example, thermosetting resins such as unsaturated polyester, epoxy resin, polyamide resin, and phenol resin can be used. It is also possible to use a thermoplastic resin such as methyl methacrylate. In addition, when a resin having a hydroxyl group is used with an emphasis on adhesiveness with microfibril cellulose, an epoxy resin excellent in mechanical properties can be suitably used.

エポキシ樹脂としては、1液型と2液型の別を問わず種々のタイプを使用することができる。また、使用可能なエポキシ樹脂には、ビニルエステル系など各種変性エポキシも含まれ、例えばATBNやCTBNなどのゴム微粒子や、熱可塑性微粒子(ナイロン系など)により変性されたエポキシ樹脂も含まれる。この場合、高分子系母材としてのエポキシ樹脂中にはミクロフィブリルセルロースに加えてゴム微粒子が分散した形態の繊維強化複合材料が形成される。   Various types of epoxy resins can be used regardless of whether they are one-pack type or two-pack type. Usable epoxy resins also include various modified epoxies such as vinyl ester, such as rubber fine particles such as ATBN and CTBN, and epoxy resins modified with thermoplastic fine particles (such as nylon). In this case, a fiber-reinforced composite material in which rubber fine particles are dispersed in addition to microfibril cellulose is formed in the epoxy resin as the polymer base material.

ミクロフィブリルセルロースとしては、植物質を上述のようにミクロフィブリル化したものや、バクテリア由来のもの(バクテリアにより生成されたもの)が使用可能である。ここで、植物質から生成する場合、種々の植物質が天然・人工の別を問わず使用可能であり、具体例として、木材繊維、靭皮繊維(竹繊維など)、葉茎繊維(ジュート、ケナフなど)、種子毛(コットンなど)など、各部位に係る天然繊維質を原料として挙げることができる。もちろん、これらをパルプ化したものから抽出することも可能である。このうち、例えば竹の維管束鞘やスギ等の樹木の木質部などの厚壁細胞から抽出した、いわゆる厚壁繊維はアスペクト比に優れる。また、これら原料に対するフィブリル化の程度によっては、微細な網目構造(言い換えると、くもの巣状の微細ネットワーク構造)を有するミクロフィブリルセルロースを得ることもでき、これを使用することもできる。   As the microfibril cellulose, those obtained by converting the plant material into microfibrils as described above or those derived from bacteria (produced by bacteria) can be used. Here, when producing from plant matter, various plant matter can be used regardless of whether natural or artificial, and specific examples include wood fiber, bast fiber (bamboo fiber, etc.), leaf stem fiber (jute, Natural fibers related to each part, such as kenaf) and seed hair (cotton, etc.), can be mentioned as raw materials. Of course, it is also possible to extract these from pulped ones. Among these, so-called thick wall fibers extracted from thick wall cells such as bamboo vascular sheaths and woody parts of trees such as cedar are excellent in aspect ratio. Depending on the degree of fibrillation of these raw materials, microfibril cellulose having a fine network structure (in other words, a spider web-like fine network structure) can be obtained, and this can also be used.

上記例示した各構成要素の組み合わせの好適な一例として、例えば平織りシート状の長繊維炭素繊維を強化材、エポキシ樹脂を高分子系母材、そして、ミクロフィブリルセルロースを充填材とし、積層状態のシート状炭素繊維に、ミクロフィブリルセルロースを分散させたエポキシ樹脂を含浸させ、硬化させてなる炭素繊維強化プラスチック(CFRP)が挙げられる。以下、同CFRPの製造方法の一例を説明する。   As a preferred example of the combination of the constituent elements exemplified above, for example, a plain sheet-like long fiber carbon fiber is used as a reinforcing material, an epoxy resin is used as a polymer base material, and a microfibril cellulose is used as a filler. Examples thereof include carbon fiber reinforced plastic (CFRP) obtained by impregnating a carbon fiber with an epoxy resin in which microfibril cellulose is dispersed and curing the resin. Hereinafter, an example of a method for producing the CFRP will be described.

上記複合材料(CFRP)は、水分を含むミクロフィブリルセルロースに対してアルコール置換を行う工程(A)と、アルコール置換後のミクロフィブリルセルロースをエポキシ樹脂中に分散させる工程(B)と、上記セルロースが分散した状態のエポキシ樹脂をシート状炭素繊維に含浸させて所定の形状に成形する工程(C)とを経て製造される。以下、各工程の詳細について述べる。   The composite material (CFRP) includes a step (A) of performing alcohol substitution on water-containing microfibril cellulose, a step (B) of dispersing the microfibril cellulose after alcohol substitution in an epoxy resin, and the cellulose It is manufactured through the step (C) of impregnating the dispersed epoxy resin into a sheet-like carbon fiber and molding it into a predetermined shape. Details of each step will be described below.

(A)アルコール置換工程
まず、ミクロフィブリルセルロースを用意する。ここで用意するミクロフィブリルセルロースは、例えば原料となるパルプ状天然繊維質を高圧ホモジナイザ等によりフィブリル化することにより得られる。そのため、上述のようにして得たミクロフィブリルセルロースは非常に多く(約90wt%)の水分を含む。よって、このセルロースに対してアルコール置換処理を施し、ミクロフィブリルセルロースに含まれる水分を取り除く。具体的な手法の一例を挙げると、まずミクロフィブリルセルロースと、当該セルロースに含まれる
水分と同量のアルコール液を混合攪拌し、然る後、この混合攪拌液を真空ろ過することで水分の除去を行う。そして、この作業により得られたシート状のミクロフィブリルセルロースにさらに適量のアルコール液を供給し、超音波ホモジナイザでシート状のミクロフィブリルセルロースをほぐし、アルコール液中に均等に分散させる。なお、ここでは、アルコールを置換媒体として使用した場合を例示したが、もちろん、アルコール以外の溶媒を用いて上記置換処理を行うことも可能である。
(A) Alcohol substitution process First, microfibril cellulose is prepared. The microfibril cellulose prepared here is obtained, for example, by fibrillating a pulp-like natural fiber as a raw material with a high-pressure homogenizer or the like. Therefore, the microfibril cellulose obtained as described above contains a very large amount (about 90 wt%) of water. Therefore, the cellulose is subjected to an alcohol substitution treatment to remove moisture contained in the microfibril cellulose. As an example of a specific method, first, microfibril cellulose and an alcohol solution in the same amount as the water contained in the cellulose are mixed and stirred, and then the mixed stirring solution is vacuum filtered to remove moisture. I do. Then, an appropriate amount of an alcohol liquid is further supplied to the sheet-like microfibril cellulose obtained by this operation, and the sheet-like microfibril cellulose is loosened with an ultrasonic homogenizer and dispersed uniformly in the alcohol liquid. Although the case where alcohol is used as a substitution medium is illustrated here, of course, the substitution treatment can also be performed using a solvent other than alcohol.

(B)分散工程
上記工程(A)で得たミクロフィブリルセルロースをエポキシ樹脂に供給し、十分に攪拌した後、真空炉内で所定温度(90℃程度)にまで加熱することによりアルコール液を蒸発させる。これにより、ミクロフィブリルセルロースが均等に分散した状態のエポキシ樹脂(樹脂組成物)が手に入る。この際、エポキシ樹脂に対するミクロフィブリルセルロースの供給割合は例えば0.1wt%から0.5wt%の間に調整される。なお、ミクロフィブリルセルロースの分散を容易にするため、予め所定温度に加熱しておいたエポキシ樹脂を使用しても構わない。
(B) Dispersing step After supplying the microfibril cellulose obtained in the above step (A) to the epoxy resin and stirring sufficiently, the alcohol liquid is evaporated by heating to a predetermined temperature (about 90 ° C) in a vacuum furnace. Let Thereby, an epoxy resin (resin composition) in a state where microfibril cellulose is uniformly dispersed is obtained. Under the present circumstances, the supply ratio of the microfibril cellulose with respect to an epoxy resin is adjusted between 0.1 wt% and 0.5 wt%, for example. In order to facilitate the dispersion of microfibril cellulose, an epoxy resin that has been heated to a predetermined temperature in advance may be used.

(C)成形工程
上述のようにして得られた樹脂組成物とシート状炭素繊維とで炭素繊維強化プラスチックを、例えばハンドレイアップ法により成形する。すなわち、上記シート状炭素繊維に上記樹脂組成物を含浸させながら上記シート状炭素繊維を積層していく。そして、これを加熱しながらプレスすることで、所定厚みの炭素繊維強化プラスチック板を得る。なお、上記分散工程(B)で行ったアルコール除去処理を、積層後に行うことも可能である。
(C) Molding step A carbon fiber reinforced plastic is molded by, for example, a hand lay-up method with the resin composition and sheet-like carbon fiber obtained as described above. That is, the sheet-like carbon fiber is laminated while the sheet-like carbon fiber is impregnated with the resin composition. And by pressing this while heating, a carbon fiber reinforced plastic plate having a predetermined thickness is obtained. In addition, it is also possible to perform the alcohol removal process performed by the said dispersion | distribution process (B) after lamination | stacking.

なお、上記例示の製造方法では、ミクロフィブリルセルロースに含まれる水分の除去に関し、アルコール置換法を用いた場合を説明したが、もちろん、これ以外の方法を採ることも可能である。例えば、アルコール置換に代えてフリーズドライ処理によりミクロフィブリルセルロース中の水分を除去することも可能である。この場合、上記複合材料(CFRP)は、水分を含むミクロフィブリルセルロースにフリーズドライ処理を施す工程(A’)と、フリーズドライ処理後のミクロフィブリルセルロースをエポキシ樹脂中に分散させる工程(B’)と、分散状態のエポキシ樹脂をシート状炭素繊維に含浸させて所定の形状に成形する工程(C)とを経て製造される。なお、フリーズドライ法により乾燥処理された後のミクロフィブリルセルロースは非常に吸湿し易い状態にあるため、上記乾燥処理工程(A’)から樹脂分散工程(B)に至る一連の工程を絶乾環境下で行うか、あるいは、乾燥処理工程(A’)後のミクロフィブリルセルロースに適当な溶媒(アルコール等の揮発性溶媒が好ましい)を含浸させ、当該含浸体をエポキシ樹脂中に分散させるようにすることも可能である。   In addition, although the case where the alcohol substitution method was used regarding the removal of the water | moisture content contained in microfibril cellulose was demonstrated in the said exemplary manufacturing method, of course, methods other than this can also be taken. For example, it is also possible to remove moisture in microfibril cellulose by freeze drying treatment instead of alcohol substitution. In this case, the composite material (CFRP) includes a step (A ′) of subjecting the microfibril cellulose containing moisture to freeze drying, and a step (B ′) of dispersing the microfibril cellulose after freeze drying in the epoxy resin. And a step (C) of impregnating a sheet-like carbon fiber with a dispersed epoxy resin and forming it into a predetermined shape. In addition, since the microfibril cellulose after the drying treatment by the freeze drying method is very easy to absorb moisture, the series of steps from the drying treatment step (A ′) to the resin dispersion step (B) is performed in an absolutely dry environment. Or by impregnating the microfibril cellulose after the drying treatment step (A ′) with a suitable solvent (preferably a volatile solvent such as alcohol) and dispersing the impregnated body in the epoxy resin. It is also possible.

また、上記溶媒置換法やフリーズドライ法に代えてスプレードライ処理によりミクロフィブリルセルロース中の水分を除去することも可能である。この場合、上記複合材料(CFRP)は、水分を含むミクロフィブリルセルロースにスプレードライ処理を施す工程(A”)と、スプレードライ処理後のミクロフィブリルセルロースをエポキシ樹脂中に分散させる工程(B”)と、分散状態のエポキシ樹脂をシート状炭素繊維に含浸させて所定の形状に成形する工程(C)とを経て製造される。   Moreover, it is also possible to remove the water in the microfibril cellulose by spray drying treatment instead of the solvent replacement method or freeze drying method. In this case, the composite material (CFRP) includes a step (A ″) of subjecting the microfibril cellulose containing water to spray drying treatment, and a step of dispersing the microfibril cellulose after the spray drying treatment in the epoxy resin (B ″). And a step (C) of impregnating a sheet-like carbon fiber with a dispersed epoxy resin and forming it into a predetermined shape.

以下、本発明の有用性を立証するため本発明者らが行った実験の結果について記す。   Hereinafter, the results of experiments conducted by the present inventors in order to prove the usefulness of the present invention will be described.

(1)試験片
ここでは、まず、以下の各実験(静的引張試験、引張引張疲労試験、打ち抜き衝撃試験、層間破壊じん性試験)に共通に用いる試験片について述べる。材料に関し、強化材としての長繊維には、平織りPAN系炭素繊維として、三菱レイヨン株式会社製のPYROF
IL(登録商標) TR3110Mを、一方向(UD)炭素繊維として、同じく三菱レイヨン株式会社製のPYROFIL TR50S12Lをそれぞれ使用した。また、高分子系母材には、主材となるエポキシ樹脂にジャパンエポキシレジン株式会社製のjER(登録商標)828を、硬化剤にジャパンエポキシレジン株式会社製のjERキュア(登録商標)113をそれぞれ使用した。また、充填材としてのミクロフィブリルセルロース(以下、MFCと称す)には、ダイセル化学工業株式会社製のセリッシュ(登録商標)KY−100Gを使用した。
(1) Specimen Here, first, a specimen commonly used in the following experiments (static tensile test, tensile tensile fatigue test, punching impact test, interlaminar fracture toughness test) will be described. Regarding materials, PYROF manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd. is used as a plain weave PAN-based carbon fiber.
IL (registered trademark) TR3110M was used as a unidirectional (UD) carbon fiber, and PYROFIL TR50S12L also manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd. was used. The polymer base material is jER (registered trademark) 828 manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd. as the main epoxy resin, and jER Cure (registered trademark) 113 manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd. as the curing agent. Each was used. Further, for microfibril cellulose (hereinafter referred to as MFC) as a filler, Selish (registered trademark) KY-100G manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd. was used.

ここで、主材(エポキシ樹脂)に対してMFCを0.0wt%(従来品)、0.1wt%、0.3wt%(共に本発明品)配合したものを用意し、3種類の試験片を作成した。試験片の作成は、既に述べた製造方法と同様であり、アルコール置換工程の後、エポキシ樹脂への分散工程を経て、ハンドレイアップ法により試験片(CFRP積層板)を成形することにより行った。   Here, three types of test pieces were prepared by blending 0.0 wt% (conventional product), 0.1 wt%, and 0.3 wt% (both products of the present invention) of MFC with the main material (epoxy resin). It was created. The preparation of the test piece was the same as the manufacturing method already described, and was performed by molding the test piece (CFRP laminate) by the hand lay-up method after the alcohol substitution step and the dispersion step in the epoxy resin. .

詳細には、まずMFCの9倍の重量のエタノール液をMFCに供給し、かき混ぜ棒により10分程度攪拌した。攪拌後、真空ろ過により攪拌液中の水分を除去した。続いて、真空ろ過によりシート状にされたMFC(少量のエタノールが残存)にさらに適量のエタノールを供給して超音波ホモジナイザで上記シート状MFCをほぐし(約30分)、アルコール液中に均等に分散させた。このようにしてアルコール置換が行われたMFCを主材(エポキシ樹脂)に供給し、かき混ぜ棒で十分に攪拌した後、真空炉内で約90℃にまで加熱することによりアルコール液を蒸発させた。これにより、MFCが均等に分散した状態のエポキシ樹脂(樹脂組成物)を入手した。このようにして、エポキシ樹脂に対するMFCの配合比を0.1wt%、0.3wt%としたものを作成した。なお、ここでは、MFCの分散を容易にするため、予め80℃の炉中に約30分保持しておいた主材(エポキシ樹脂)を使用した。   Specifically, first, an ethanol solution having a weight nine times that of MFC was supplied to MFC, and the mixture was stirred for about 10 minutes with a stirring rod. After stirring, water in the stirring liquid was removed by vacuum filtration. Subsequently, an appropriate amount of ethanol is supplied to the MFC that has been made into a sheet by vacuum filtration (a small amount of ethanol remains), and the above-mentioned sheet MFC is loosened with an ultrasonic homogenizer (about 30 minutes). Dispersed. The MFC thus substituted with alcohol was supplied to the main material (epoxy resin), sufficiently stirred with a stirring rod, and then heated to about 90 ° C. in a vacuum furnace to evaporate the alcohol liquid. . Thereby, an epoxy resin (resin composition) in which MFC was uniformly dispersed was obtained. Thus, what made the compounding ratio of MFC with respect to an epoxy resin 0.1 wt% and 0.3 wt% was created. Here, in order to facilitate the dispersion of MFC, a main material (epoxy resin) previously held in an oven at 80 ° C. for about 30 minutes was used.

上述のようにして得た樹脂組成物と炭素繊維とを用いてハンドレイアップ法により試験片となるCFRP積層板を成形した。主材と硬化剤との混合比は3:1に設定した。ここで、静的引張試験、引張引張疲労試験、および、打ち抜き衝撃試験に用いる場合、成形後の厚みが2mmとなる成形型内に上記樹脂組成物と上記平織り炭素繊維との積層体を入れ、上記成形型を50kgf/cm2(約490N/cm2)で加圧可能なホットプレス機を用いて120℃×4hの条件で硬化させた。シート状炭素繊維の積層枚数を8層として成形後の繊維体積含有率が48±2%となるよう調整した。一方、層間破壊じん性試験(DCB試験、ENF試験)に用いる場合、UD(一方向)炭素繊維を積層すると共に、積層時、初期き裂導入のためPTFEフィルムを積層方向中央位置に挿入し、積層体を作製した。上記UD炭素繊維の積層枚数を12層として成形後の厚みが3mmとなるようにした。この他の作製条件は、静的引張試験や引張引張疲労試験、打ち抜き衝撃試験用のCFRP板を作製する際の条件と同じである。以下、各試験ごとの試験片の詳細を説明する。 Using the resin composition and carbon fiber obtained as described above, a CFRP laminate as a test piece was molded by a hand lay-up method. The mixing ratio of the main material and the curing agent was set to 3: 1. Here, when used for a static tensile test, a tensile tensile fatigue test, and a punching impact test, a laminate of the resin composition and the plain weave carbon fiber is placed in a mold having a thickness of 2 mm after molding, The mold was cured at 120 ° C. for 4 hours using a hot press machine capable of pressing at 50 kgf / cm 2 (about 490 N / cm 2 ). The number of laminated sheet-like carbon fibers was 8 and the fiber volume content after molding was adjusted to 48 ± 2%. On the other hand, when used for an interlaminar fracture toughness test (DCB test, ENF test), while laminating UD (unidirectional) carbon fibers, at the time of lamination, a PTFE film is inserted at the center in the laminating direction for initial crack introduction, A laminate was produced. The number of laminated UD carbon fibers was 12 and the thickness after molding was 3 mm. The other production conditions are the same as those for producing a CFRP plate for a static tensile test, a tensile tensile fatigue test, and a punching impact test. Hereinafter, the details of the test piece for each test will be described.

(1.1)静的引張試験
上記工程で作製したCFRP積層板の両側部かつ両面にGFRP製のタブをエポキシ系接着剤で貼付け、ダイヤモンド工具を用いて2mm×25mm×200mmの短冊形状に試験片を切り出した。標点距離を100mmとした。このようにして切り出した試験片に対して60℃×5hの条件でアフターキュアを行った。
(1.1) Static tensile test GFRP tabs were attached to both sides and both sides of the CFRP laminate produced in the above process with an epoxy adhesive, and tested into a 2 mm x 25 mm x 200 mm strip shape using a diamond tool. A piece was cut out. The gauge distance was 100 mm. The test piece cut out in this manner was subjected to after cure under the conditions of 60 ° C. × 5 h.

(1.2)引張引張疲労試験
静的引張試験と同一の条件で作製した試験片とした。
(1.2) Tensile tensile fatigue test A test piece was prepared under the same conditions as the static tensile test.

(1.3)打ち抜き衝撃試験
上記工程で作製したCFRP積層板から、卓上帯鋸機を用いて2mm×50mm×50
mmの正方形状に試験片を切り出した。このようにして切り出した試験片に対して60℃×5hの条件でアフターキュアを行った。
(1.3) Punching impact test 2 mm x 50 mm x 50 from the CFRP laminate produced in the above process using a table band saw machine
A test piece was cut into a square shape of mm. The test piece cut out in this manner was subjected to after cure under the conditions of 60 ° C. × 5 h.

(1.4)層間破壊じん性試験
(1.4.1)双片持ちはり層間破壊じん性(DCB)試験
上記工程で作製した、PTFEフィルムを介在させたCFRP積層板から、3mm×20mm×150mmの短冊形状にかつ繊維の配向方向(90°方向)に沿って試験片を切り出した。この際、試験片端部からのPTFEフィルムの幅寸法を42〜65mmの範囲に調整した。そして、当該フィルム側端部の両面にピン負荷用ブロックを接着固定したものを試験片として使用した。
(1.4.2)端面切欠き曲げ層間破壊じん性(ENF)試験
上記工程で作製した、PTFEフィルムを介在させたCFRP積層板から、3mm×20mm×100mmの短冊形状にかつ繊維の配向方向(90°方向)に沿って試験片を切り出した。この際、試験片端部からのPTFEフィルムの幅寸法を42〜65mmの範囲に調整した。
(1.4) Interlaminar Fracture Toughness Test (1.4.1) Double Cantilever Interlaminar Fracture Toughness (DCB) Test 3 mm × 20 mm × from the CFRP laminate produced by the above process and interposing a PTFE film A test piece was cut out in a strip shape of 150 mm and along the fiber orientation direction (90 ° direction). Under the present circumstances, the width dimension of the PTFE film from a test piece edge part was adjusted to the range of 42-65 mm. And what fixed the block for pin loads to both surfaces of the said film side edge part was used as a test piece.
(1.4.2) End Notch Bending Interlaminar Fracture Toughness (ENF) Test From the CFRP laminate produced by the above process and having a PTFE film interposed, the strip is 3 mm × 20 mm × 100 mm and the orientation direction of the fibers A test piece was cut out along (90 ° direction). Under the present circumstances, the width dimension of the PTFE film from a test piece edge part was adjusted to the range of 42-65 mm.

(2)実験条件
(2.1)静的引張試験
JIS K7073(炭素繊維強化プラスチックの引張試験方法)に準拠し、AUTOGRAPH(株式会社島津製作所製)を用いて変位制御で静的引張試験を行った。試験速度1mm/minとした。また、ロードセルにより負荷荷重を検出し、変位計(MTS社製 Axial Extensometers634.11F−21 測定可能変位限界:+5.00mm/−2.50mm)により変位を検出した。全ての試験を実験室環境下(23±2℃、60±5%RH)で行い、同一条件での試験数を7とした。
(2) Experimental conditions (2.1) Static tensile test In accordance with JIS K7073 (Tension test method for carbon fiber reinforced plastic), a static tensile test is performed with displacement control using AUTOGRAPH (manufactured by Shimadzu Corporation). It was. The test speed was 1 mm / min. Further, the load was detected by a load cell, and the displacement was detected by a displacement meter (Axial Extenders 634.11F-21 measurable displacement limit: +5.00 mm / -2.50 mm manufactured by MTS). All tests were performed in a laboratory environment (23 ± 2 ° C., 60 ± 5% RH), and the number of tests under the same conditions was 7.

(2.2)引張引張疲労試験
JIS K7083(炭素繊維強化プラスチックの定荷重引張−引張疲れ試験方法)に準拠し、電気油圧式サーボ試験機(島津製作所製 サーボパルサ 定格荷重:±50ton)を用いて荷重制御により疲労試験を行った。応力比(最小負荷応力/最大負荷応力)を0.1とし、繰り返し周波数を5Hzの正弦波波形として繰り返し負荷を与えるようにした。試験中は、常に実験室環境(23±2℃、60±5%RH)を維持した。繰り返し回数が106回を超えても破断に至らない場合には試験を打ち切り、疲労限とした。
(2.2) Tensile tensile fatigue test In accordance with JIS K7083 (constant load tension-tensile fatigue test method for carbon fiber reinforced plastic), using an electrohydraulic servo tester (servo pulser rated load: ± 50 ton made by Shimadzu Corporation) A fatigue test was performed under load control. The stress ratio (minimum load stress / maximum load stress) was set to 0.1, and a repeated load was applied as a sine wave waveform with a repetition frequency of 5 Hz. During the test, the laboratory environment (23 ± 2 ° C., 60 ± 5% RH) was always maintained. The test was terminated when the number of repetitions exceeded 10 6 and no fracture occurred, and the fatigue limit was reached.

(2.3)打ち抜き衝撃試験
JIS K7085(炭素繊維強化プラスチックの多軸衝撃試験方法)に準拠し、高速衝撃試験機(島津製作所製 HYDROSHOT、HTM−10kN)を用いて打ち抜き試験を行った。打ち抜き速度を4.4m/sとした。ストライカの先端形状を直径12.7mmの半球状とし、試験片を専用の治具を用いて支持枠に強固に圧着固定した。試験片の50mm×50mm平面の中心位置をストライカの落下位置とした。また、最大荷重計測後、計測荷重が100Nに達した段階で、ストライカに摩擦力等の微小な力が作用しているものとして貫通破壊したものとみなした。これは、計測荷重がマイナスの値を示した後再びプラスの値に戻ったり、試験片厚さが2mmであるのに対して変位が5mmを超えても計測荷重が100N付近の値を示し続ける試験片が存在したことによる。全ての試験を実験室環境下(23±2℃、60±5%RH)で行い、同一条件での試験数を10とした。
(2.3) Punching impact test In accordance with JIS K7085 (multi-axial impact testing method for carbon fiber reinforced plastic), a punching test was performed using a high-speed impact testing machine (HYDROSHOT, HTM-10kN manufactured by Shimadzu Corporation). The punching speed was 4.4 m / s. The tip of the striker was hemispherical with a diameter of 12.7 mm, and the test piece was firmly pressure-bonded to the support frame using a dedicated jig. The center position of the 50 mm × 50 mm plane of the test piece was taken as the striker dropping position. In addition, after the maximum load measurement, when the measured load reached 100 N, it was considered that the striker was penetrated and destroyed as a minute force such as a frictional force was acting on the striker. This is because the measured load returns to a positive value again after showing a negative value, or the measured load continues to show a value in the vicinity of 100 N even if the displacement exceeds 5 mm while the specimen thickness is 2 mm. This is due to the presence of the specimen. All tests were performed in a laboratory environment (23 ± 2 ° C., 60 ± 5% RH), and the number of tests under the same conditions was 10.

(2.4)層間破壊じん性試験
(2.4.1)DCB試験
JIS K7086(炭素繊維強化プラスチックの層間破壊じん性試験方法)に準拠し、AUTOGRAPH(株式会社島津製作所製 定格荷重:100kN)を用いて試験を
行った。本実験では,き裂が一気に進展することを踏まえて、10分経過するごとにき裂長さ、荷重、およびCOD(き裂開口変位)を計測した。クロスヘッドスピードはき裂進展前までは、0.5mm/min、き裂進展後は1.0mm/minとした。き裂進展長さが70mmに達するか、試験片が破断した場合に試験を終了した。同一条件での試験数を5とした。き裂進展初期におけるモードI層間破壊じん性値GIC[kJ/mm2]、お
よび、き裂進展過程におけるモードI層間破壊じん性値GIR[kJ/mm2]はそれぞれ
以下の数式1〜数式3に基づき求めた。

Figure 2010024413
Figure 2010024413
Figure 2010024413
ここで、
C:初期限界荷重[N]
R:き裂進展過程の限界荷重[N]
L:曲げ弾性率[GPa]
λ :COD(き裂開口変位)コンプライアンス[mm/N]
λ0:初期弾性部分コンプライアンス[mm/N]
1:無次元係数(D1≒0.25)
B :試験片幅[mm]
H :試験片厚さ[mm]
(2.4.2)ENF試験
JIS K7086(炭素繊維強化プラスチックの層間破壊じん性試験方法)に準拠し、AUTOGRAPH(株式会社島津製作所製 定格荷重:100kN)を用いて試験速度0.5mm/minの変位制御で試験を行った。同一条件での試験数を7とした。き裂進展初期におけるモードII層間破壊じん性値GIIC[kJ/mm2]は以下の数式4および数式5に基づき求めた。
Figure 2010024413
Figure 2010024413
ここで、
C:初期限界荷重[N]
0:初期き裂長さ[mm]
1:初期限界荷重におけるき裂長さ推定値[mm]
0:初期弾性部分の荷重点コンプライアンス[mm/N]
1:初期限界荷重における荷重点コンプライアンス[mm/N]
B :試験片幅[mm]
L :試験片長手寸法[mm] (2.4) Interlaminar Fracture Toughness Test (2.4.1) DCB Test In accordance with JIS K7086 (Interlaminar Fracture Toughness Test Method for Carbon Fiber Reinforced Plastics), AUTOGRAPH (Shimadzu Corporation, rated load: 100 kN) The test was conducted using. In this experiment, crack length, load, and COD (crack opening displacement) were measured every 10 minutes based on the fact that the crack progresses at a stretch. The crosshead speed was 0.5 mm / min before crack growth and 1.0 mm / min after crack growth. The test was terminated when the crack growth length reached 70 mm or when the test piece broke. The number of tests under the same conditions was 5. The mode I interlaminar fracture toughness value G IC [kJ / mm 2 ] in the initial stage of crack growth and the mode I interlaminar fracture toughness value G IR [kJ / mm 2 ] in the crack growth process are respectively It calculated | required based on Numerical formula 3.
Figure 2010024413
Figure 2010024413
Figure 2010024413
here,
P C : Initial limit load [N]
P R : Limit load of crack growth process [N]
E L : Flexural modulus [GPa]
λ: COD (crack opening displacement) compliance [mm / N]
λ 0 : initial elastic partial compliance [mm / N]
D 1 : dimensionless coefficient (D 1 ≈0.25)
B: Specimen width [mm]
H: Test piece thickness [mm]
(2.4.2) ENF test In accordance with JIS K7086 (interlaminar fracture toughness test method for carbon fiber reinforced plastic), the test speed is 0.5 mm / min using AUTOGRAPH (Shimadzu Corporation, rated load: 100 kN). The test was conducted with the displacement control. The number of tests under the same conditions was 7. The mode II interlaminar fracture toughness value G IIC [kJ / mm 2 ] at the initial stage of crack growth was determined based on the following equations 4 and 5.
Figure 2010024413
Figure 2010024413
here,
P C : Initial limit load [N]
a 0 : initial crack length [mm]
a 1 : Estimated crack length at initial limit load [mm]
C 0 : Load point compliance of the initial elastic part [mm / N]
C 1 : Load point compliance at the initial limit load [mm / N]
B: Specimen width [mm]
L: Specimen longitudinal dimension [mm]

(3)実験結果
(3.1)静的引張試験
静的引張試験の結果を図1および図2に示す。ここで、何れの図においても横軸はエポキシ樹脂に対するMFCの配合比[wt%]を示し、図1の縦軸はヤング率[GPa]を、図2の縦軸は引張強度[MPa]をそれぞれ示す。また、図1中丸印で示される点はMFC配合比ごとのヤング率の平均値(図2についても同様)を示している。これらの図からわかるように、静的特性(ヤング率、引張強度)に関しては、エポキシ樹脂に分散したMFCの影響はそれほど見られなかった。これは、負荷荷重の大半を縦方向(90°)の炭素繊維が負担するためと考えられる。
(3) Experimental results (3.1) Static tensile test The results of the static tensile test are shown in FIG. 1 and FIG. Here, in each figure, the horizontal axis indicates the compounding ratio [wt%] of MFC to the epoxy resin, the vertical axis in FIG. 1 indicates Young's modulus [GPa], and the vertical axis in FIG. 2 indicates tensile strength [MPa]. Each is shown. Moreover, the point shown by the circle mark in FIG. 1 has shown the average value of the Young's modulus for every MFC compounding ratio (same also about FIG. 2). As can be seen from these figures, regarding the static characteristics (Young's modulus and tensile strength), the influence of MFC dispersed in the epoxy resin was not so much. This is considered because the carbon fiber in the longitudinal direction (90 °) bears most of the load.

(3.2)引張引張疲労試験
引張引張疲労試験の結果をS−N線図として図3に示す。同図中、横軸は破断繰り返し数[回]を示し、縦軸は最大負荷応力[MPa]をそれぞれ示す。同図中、最大負荷応力が500MPa(図2に示す引張強度に対してそれぞれ、76.3%:0.0wt%、72.4%:0.1wt%、76.1%)の場合に着目すると、MFCを0.1wt%分散させたCFRPの疲労寿命は未変性(0.0wt%)CFRPのそれと比べて約3倍に延びた。また、MFCを0.3wt%分散させたCFRPの疲労寿命は未変性(0.0wt%)CFRPのそれと比べて約6倍向上することがわかった。以上より、疲労特性に関しては、少なくとも0.3wt%以下の範囲では、MFCを分散させるほど疲労寿命が向上することがわかった。
(3.2) Tensile Tensile Fatigue Test The results of the tensile tensile fatigue test are shown in FIG. In the figure, the horizontal axis indicates the number of repeated fractures [times], and the vertical axis indicates the maximum load stress [MPa]. In the figure, attention is given to the case where the maximum load stress is 500 MPa (76.3%: 0.0 wt%, 72.4%: 0.1 wt%, 76.1%, respectively, with respect to the tensile strength shown in FIG. 2). Then, the fatigue life of CFRP in which 0.1 wt% of MFC was dispersed was extended about three times as compared with that of unmodified (0.0 wt%) CFRP. It was also found that the fatigue life of CFRP in which 0.3 wt% of MFC was dispersed was improved by about 6 times compared with that of unmodified (0.0 wt%) CFRP. From the above, it has been found that the fatigue life of the fatigue characteristics improves as MFC is dispersed in a range of at least 0.3 wt% or less.

また、最大負荷応力を400MPaとしたときの疲労限に至った2種類の試験片(MFC0.0wt%分散CFRPおよびMFC0.1wt%分散CFRP)の側面を光学顕微鏡で観察したところ、以下に記す違いが見られた。すなわち、MFC0.0wt%試験片の側面には、トランスバースクラックが確認でき、平織りCFRPの疲労進展過程である(i)横(0°)方向炭素繊維にき裂が生じ、(ii)そのき裂が成長して縦(90°)方向炭素繊維に達した後、(iii)縦方向炭素繊維に沿ってき裂が一気に進展する過程が見
られた。これに対して、MFC0.1wt%試験片の側面観察では、上記疲労進展過程に対応するき裂は確認できなかった。また、同じく図示は省略するが、最大負荷応力を500MPaとしたときのMFC0.1wt%分散試験片および0.3wt%分散試験片の層間はく離面をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察したところ、MFC0.3wt%分散試験片のはく離面は0.1wt%分散試験片のそれと比べて複雑なはく離面形状を示していた。また、MFC0.3wt%分散試験片のはく離面にはき裂が比較的低速で成長するときに破面に生じるミラーゾーンに似た、ストライエーション模様が観察された。このことから、MFCを母材(エポキシ樹脂)に分散させることにより、層間におけるき裂進展抵
抗が向上することがわかった。
Further, when the side surfaces of two types of test pieces (MFC 0.0 wt% dispersed CFRP and MFC 0.1 wt% dispersed CFRP) that reached the fatigue limit when the maximum load stress was 400 MPa were observed with an optical microscope, the following differences were noted: It was observed. That is, a transverse crack can be confirmed on the side surface of the MFC 0.0 wt% test piece, and (i) a crack occurs in the transverse (0 °) direction carbon fiber, which is a fatigue progressing process of the plain weave CFRP. After the crack grew and reached the longitudinal (90 °) carbon fiber, (iii) a process in which the crack progressed along the longitudinal carbon fiber at once was observed. On the other hand, in the side observation of the MFC 0.1 wt% test piece, a crack corresponding to the fatigue growth process could not be confirmed. Although not shown in the figure, when the delamination surfaces of the MFC 0.1 wt% dispersion test piece and the 0.3 wt% dispersion test piece when the maximum load stress is 500 MPa are observed with an SEM (scanning electron microscope), The peeling surface of the MFC 0.3 wt% dispersion test piece showed a complicated peeling surface shape as compared with that of the 0.1 wt% dispersion test piece. In addition, a striation pattern similar to a mirror zone generated on the fracture surface when a crack grew at a relatively low speed was observed on the peeling surface of the MFC 0.3 wt% dispersion test piece. From this, it was found that the crack propagation resistance between the layers was improved by dispersing MFC in the base material (epoxy resin).

(3.3)打ち抜き衝撃試験
下記の表1に打ち抜き衝撃試験の結果を示す。また、図4は、貫通破壊に至るまでの荷重−変位線図の一例を、図5〜図7は、MFCの分散の程度と最大荷重前の吸収エネルギ、最大荷重後の吸収エネルギ、および、全吸収エネルギとの関係をそれぞれ示す。

Figure 2010024413
ここで、全吸収エネルギEtは、最大荷重(計測)時までに吸収されたエネルギEiと、最大荷重計測後に吸収されたエネルギEpとの和として求めた。また、最大荷重前吸収エネルギEiは図4の荷重−変位プロットで囲まれた領域中、最大荷重を境として左側の領域(領域A)の面積に等しく、最大荷重後吸収エネルギEpは同右側の領域(領域B)の面積に等しい。また、延性指標DIは衝撃荷重下における延性評価の指標(DI=Ep/Ei)であり、エネルギ指数EIは衝撃荷重に対する材料のじん性を表す指標(EI=Et/Ei)である。 (3.3) Punching impact test Table 1 below shows the results of the punching impact test. FIG. 4 shows an example of a load-displacement diagram up to penetration failure, and FIGS. 5 to 7 show the degree of dispersion of MFC, absorbed energy before the maximum load, absorbed energy after the maximum load, and The relationship with the total absorbed energy is shown respectively.
Figure 2010024413
Here, the total absorbed energy Et was obtained as the sum of the energy Ei absorbed until the maximum load (measurement) and the energy Ep absorbed after the maximum load measurement. Further, the maximum absorbed energy Ei before the load is equal to the area of the left region (region A) with the maximum load as a boundary in the region surrounded by the load-displacement plot of FIG. It is equal to the area of the region (region B). Further, the ductility index DI is an index of ductility evaluation under impact load (DI = Ep / Ei), and the energy index EI is an index (EI = Et / Ei) representing the toughness of the material with respect to the impact load.

まずEiに着目すると、図5に示す結果から、MFCの分散量を多くするほど最大荷重到達までに吸収したエネルギが少なく、MFC未分散の試験片に比べて永久変形を生じ易いことがわかる。その一方で、Epに着目すると、図6に示すように、MFCを多く分散させるほど向上しており、また図7に示すようにEtも同様に向上していることから、最大荷重後貫通破壊までに吸収できるエネルギが増加したことがわかる。また、MFCの配合比を高めるほど延性指標DIが向上しており(表1を参照)、加えて、試験片ごとの荷重−変位曲線から、MFCを多く配合(分散)するほど貫通破壊に至るまでの変位が増加(0.0wt%:1.961mm、0.1wt%:2.627mm、0.3wt%:3.552mm)することがわかった。以上の結果から、MFCを母材中に分散させることで、衝撃荷重に対する延展性が向上すると共に、高じん性化することがわかった。   First, focusing on Ei, it can be seen from the results shown in FIG. 5 that as the amount of MFC dispersion increases, the amount of energy absorbed until reaching the maximum load decreases, and permanent deformation is likely to occur compared to the MFC non-dispersed specimen. On the other hand, focusing on Ep, as shown in FIG. 6, the more MFC is dispersed, the more improved, and Et as well as shown in FIG. 7. It can be seen that the energy that can be absorbed by the time has increased. Further, the ductility index DI is improved as the mixing ratio of MFC is increased (see Table 1). In addition, from the load-displacement curve for each test piece, the more MFC is mixed (dispersed), the more the penetration failure occurs. It was found that the displacement up to (0.0 wt%: 1.961 mm, 0.1 wt%: 2.627 mm, 0.3 wt%: 3.552 mm) increased. From the above results, it was found that by dispersing MFC in the base material, the extensibility to impact load is improved and the toughness is increased.

(3.4)層間破壊じん性試験
(3.4.1)DCB試験
図8に、き裂進展初期におけるモードI層間破壊じん性値GICとMFCの分散の程度との関係を示す。また、図9に、き裂進展過程におけるモードI層間破壊じん性値GIRとMFCの分散の程度との関係を示す。これらの図を見ると、MFCの母材中への分散は、き裂進展過程における破壊じん性の向上にはそれほど影響しないものの、き裂進展初期における破壊じん性の向上には大きく寄与することがわかった。具体的には、MFC0.3wt%分散試験片のGICに関し、MFC0.0wt%分散試験片のそれと比較して61.6%の向上が認められた。
(3.4) Interlaminar Fracture Toughness Test (3.4.1) DCB Test FIG. 8 shows the relationship between the mode I interlaminar fracture toughness value G IC and the degree of MFC dispersion at the initial stage of crack growth. FIG. 9 shows the relationship between the mode I interlaminar fracture toughness value G IR and the degree of MFC dispersion in the crack growth process. As can be seen from these figures, the dispersion of MFC in the base material does not significantly affect the improvement of fracture toughness in the crack growth process, but greatly contributes to the improvement of fracture toughness in the early stage of crack growth. I understood. Specifically, regarding the G IC of the MFC 0.3 wt% dispersion test piece, an improvement of 61.6% was recognized as compared with that of the MFC 0.0 wt% dispersion test piece.

(3.4.2)ENF試験
図10に、き裂進展初期におけるモードII層間破壊じん性値GIICとMFCの分散の程
度との関係を示す。同図より、モードIIにおいてもMFCの分散によりき裂進展抵抗が増加することがわかった。具体的には、MFC0.3wt%分散試験片のGIICに関し、M
FC0.0wt%分散試験片のそれと比較して62.6%の向上が認められた。
(3.4.2) ENF Test FIG. 10 shows the relationship between the mode II interlaminar fracture toughness value G IIC and the degree of MFC dispersion in the early stage of crack growth. From the figure, it was found that crack propagation resistance increased in Mode II due to MFC dispersion. Specifically, regarding G IIC of MFC 0.3 wt% dispersion test piece,
An improvement of 62.6% was observed compared with that of the FC 0.0 wt% dispersion test piece.

静的引張試験の結果を示す図であって、MFCの分散の有無がヤング率に及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the result of a static tensile test, Comprising: It is a figure which shows the influence which the presence or absence of dispersion | distribution of MFC has on Young's modulus. 静的引張試験の結果を示す図であって、MFCの分散の有無が引張強度に及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the result of a static tensile test, Comprising: It is a figure which shows the influence which the presence or absence of dispersion | distribution of MFC has on tensile strength. 引張引張疲労試験の結果を示す図であって、MFCの分散の有無が疲労寿命に及ぼす影響を示すS−N線図である。It is a figure which shows the result of a tension | pulling tension fatigue test, Comprising: It is a SN diagram which shows the influence which the presence or absence of dispersion | distribution of MFC has on the fatigue life. 打ち抜き衝撃試験の結果を示す図であって、貫通破壊に至るまでの荷重−変位線図の一例である。It is a figure which shows the result of a punch impact test, Comprising: It is an example of the load-displacement diagram until it leads to a penetration failure. 打ち抜き衝撃試験の結果を示す図であって、MFCの分散の有無が最大荷重前の吸収エネルギに及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the result of a punching impact test, Comprising: It is a figure which shows the influence which the presence or absence of dispersion | distribution of MFC has on the absorbed energy before a maximum load. 打ち抜き衝撃試験の結果を示す図であって、MFCの分散の有無が最大荷重後の吸収エネルギに及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the result of a punch impact test, Comprising: It is a figure which shows the influence which the presence or absence of dispersion | distribution of MFC has on the absorbed energy after the maximum load. 打ち抜き衝撃試験の結果を示す図であって、MFCの分散の有無が全吸収エネルギに及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the result of a punch impact test, Comprising: It is a figure which shows the influence which the presence or absence of dispersion | distribution of MFC has on the total absorbed energy. 層間破壊じん性試験の結果を示す図であって、MFCの分散の有無がき裂進展初期のモードI層間破壊じん性値に及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the result of an interlaminar fracture toughness test, Comprising: It is a figure which shows the influence which the presence or absence of dispersion | distribution of MFC has on the mode I interlaminar fracture toughness value in the early stage of a crack growth. 層間破壊じん性試験の結果を示す図であって、MFCの分散の有無がき裂進展過程におけるモードI層間破壊じん性値に及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the result of an interlaminar fracture toughness test, Comprising: It is a figure which shows the influence which the presence or absence of dispersion | distribution of MFC has on the mode I interlaminar fracture toughness value in a crack growth process. 層間破壊じん性試験の結果を示す図であって、MFCの分散の有無がき裂進展初期におけるモードII層間破壊じん性値に及ぼす影響を示す図である。It is a figure which shows the result of an interlaminar fracture toughness test, Comprising: It is a figure which shows the influence which the presence or absence of dispersion | distribution of MFC has on the mode II interlaminar fracture toughness value in the early stage of a crack growth.

Claims (8)

高分子系母材を繊維状強化材で強化した繊維強化複合材料であって、さらに、高分子系母材中にミクロフィブリルセルロースを分散させたことを特徴とする繊維強化複合材料。   A fiber-reinforced composite material obtained by reinforcing a polymer base material with a fibrous reinforcing material, and further comprising microfibril cellulose dispersed in the polymer base material. 繊維状強化材が炭素繊維である請求項1に記載の繊維強化複合材料。   The fiber-reinforced composite material according to claim 1, wherein the fibrous reinforcing material is carbon fiber. 高分子系母材がエポキシ樹脂である請求項1又は2に記載の繊維強化複合材料。   The fiber-reinforced composite material according to claim 1 or 2, wherein the polymer base material is an epoxy resin. 高分子系母材に対するミクロフィブリルセルロースの重量比が0.01wt%以上2.0wt%以下に調整されている請求項1〜3の何れかに記載の繊維強化複合材料。   The fiber-reinforced composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein a weight ratio of the microfibril cellulose to the polymer base material is adjusted to 0.01 wt% or more and 2.0 wt% or less. 高分子系母材を半硬化させることでプリプレグ化されている請求項1〜4の何れかに記載の繊維強化複合材料。   The fiber-reinforced composite material according to any one of claims 1 to 4, which is prepreg by semi-curing a polymer base material. 請求項1〜5の何れかに記載の繊維強化複合材料から作られるスポーツ用品。   A sports equipment made from the fiber-reinforced composite material according to claim 1. 打球部位を有する球技用具である請求項6に記載のスポーツ用品。   The sports equipment according to claim 6, which is a ball game tool having a hitting ball part. 繊維状強化材に高分子系母材を供給し、これを固化することにより高分子系母材を繊維状強化材で強化した繊維強化複合材料を得る方法であって、
高分子系母材中にミクロフィブリルセルロースを分散させたものを繊維状強化材に供給することを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。
A method of obtaining a fiber reinforced composite material in which a polymer base material is supplied to a fibrous reinforcing material and solidified thereby to reinforce the polymeric base material with the fibrous reinforcing material,
A method for producing a fiber-reinforced composite material, characterized by supplying a fibrous reinforcing material obtained by dispersing microfibril cellulose in a polymer base material.
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