JP2013202923A - 加飾複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素繊維強化プラスチックが本来有する良好な意匠性を活かしつつ、優れた加飾を施すことのできる加飾複合材料の製造方法を提供する。
【解決手段】炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させてなるプリプレグを１層以上配置し、該プリプレグ上に、基材上に着色層を有する炭素繊維強化プラスチック用加飾シートを、該着色層側がプリプレグ側を向くように積層した後、一体成形する加飾複合材料の製造方法であって、該着色層のバインダー樹脂の軟化点が、該一体成形における成形温度よりも低いことを特徴とする加飾複合材料の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は特定の炭素繊維強化プラスチック用加飾シートを用いる加飾複合材料の製造方法に関する。

近年、大きな衝撃や変形応力を受けるスポーツ用具、自動車、船舶、航空機などの部材として、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）複合材料を用いた成形品が提案されており、特に軽量かつ高い力学特性が求められる分野において積極的に採用されている。このＣＦＲＰ複合材料は、炭素繊維に対して熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂といったマトリックス樹脂を含浸させ、必要に応じて硬化させることで製造され、炭素繊維によって強化されているため物性が著しく向上し、比較的軽量でありながら強靭な部材である。
一方、意匠性の観点からは、マトリックス樹脂の美麗な光沢や、炭素繊維の織目模様を活かした精巧な立体的な意匠が好まれ、特にスポーツ用具、スポーツカー等の分野においては、ＣＦＲＰが本来有する意匠性を活かした成形品が嗜好されている。
このようなＣＦＲＰの意匠性を活かした成形品の一例として、特許文献１には、ＣＦＲＰを表面材に用いた成形品が開示されている。

特開平１０−１３８３５４号公報

しかしながら、こういったＣＦＲＰ複合材料の意匠は、炭素繊維の織目の凹凸パターンと黒色の組合せのみに限定されているため、例えば織目の凹凸パターンを活かしつつ色のみを変更することはできない。
また、ＣＦＲＰ複合材料の表面に塗装を施す方法も考えられるが、不透明な塗料を用いると炭素繊維の織目が隠蔽されてしまうため、ＣＦＲＰ複合材料が本来有する良好な意匠性が失われてしまう。一方、透明性の高い塗料を用いると炭素繊維の黒色により望むような色が得られない。
本発明は、このような状況下で、ＣＦＲＰ複合材料が織目の凹凸パターンなどの本来有する良好な意匠性を活かしつつ、優れた加飾を簡便に施すことのできる炭素繊維強化プラスチック用加飾シート、並びに加飾複合材料及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明者は、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、着色層を有する炭素繊維強化プラスチック用加飾シートを用いてＣＦＲＰに加飾を施す際に、着色剤のバインダー樹脂の軟化点と、成形温度との関係を制御することにより、着色層が炭素繊維の立体形状に追従し、得られる加飾複合材料に新規な意匠を与えることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。

すなわち、本発明は、以下の発明を提供するものである。
［１］炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させてなるプリプレグを１層以上配置し、該プリプレグ上に、基材上に着色層を有する炭素繊維強化プラスチック用加飾シートを、該着色層側がプリプレグ側を向くように積層した後、一体成形する加飾複合材料の製造方法であって、該着色層のバインダー樹脂の軟化点が、該一体成形における成形温度よりも低いことを特徴とする加飾複合材料の製造方法。
［２］前記バインダー樹脂の軟化点（Ｔｎ）が、３０℃≦Ｔｎ≦Ｔｓ−１０℃の温度範囲である［１］に記載の加飾複合材料の製造方法。

本発明の加飾複合材料の製造方法によれば、ＣＦＲＰが織目の凹凸パターンなどの本来有する良好な意匠性を活かしつつ、優れた加飾を施すことのできる加飾複合材料の製造方法を提供することができる。

本発明において製造される加飾複合材料の一態様の断面を示す模式図である。 （ａ）本発明で使用される炭素繊維強化プラスチック用加飾シート、（ｂ）比較的織目の粗い炭素繊維プリプレグを用いて得られた複合材料、及び（ｃ）（ａ）の炭素繊維強化プラスチック用加飾シートと、（ｂ）で用いた炭素繊維プリプレグとを用いて得られた加飾複合材料を示す。 （ａ）本発明で使用される炭素繊維強化プラスチック用加飾シート、（ｂ）比較的織目の細かい炭素繊維プリプレグを用いて得られた複合材料、及び（ｃ）（ａ）の炭素繊維強化プラスチック用加飾シートと、（ｂ）で用いた炭素繊維プリプレグとを用いて得られた加飾複合材料を示す。

本発明に係る加飾複合材料の製造方法は、炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させてなるプリプレグを１層以上配置し、該プリプレグ上に、基材上に着色層を有する炭素繊維強化プラスチック用加飾シートを、該着色層側がプリプレグ側を向くように積層した後、一体成形する加飾複合材料の製造方法であって、該着色層のバインダー樹脂の軟化点が、該一体成形における成形温度よりも低いことを特徴とする。

＜炭素繊維強化プラスチック用加飾シート＞
本発明における炭素繊維強化プラスチック用加飾シートは、基材上に着色層を有する。

［基材］
基材としては、代表的には熱可塑性樹脂からなる樹脂シートが使用される。該熱可塑性樹脂としては、一般的には、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂（以下「ＡＢＳ樹脂」という）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン，ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、塩化ビニル樹脂などが使用され、透明性、硬度、耐熱性等の観点からポリエステル樹脂が好ましく用いられる。また、基材は、これら樹脂の単層シート、あるいは同種又は異種樹脂による複層シートとして使用することができる。
基材を構成する熱可塑性樹脂としては、軟化点が８０℃超（より好ましくは１００℃超）のものであると、これを用いて得られる加飾複合材料には、炭素繊維の織目に由来する凹凸が表面に浮き出てこないことから、平滑性に優れた加飾複合材料が得られるため好ましい。
基材の厚さは、用途に応じて選定され、特に限定されないが、操作性、加工性、コスト等を考慮すると、１０〜５００μｍが好ましく、３０〜３００μｍがより好ましく、５０〜２５０μｍが更に好ましい。

これらの基材はその上に設けられる層との密着性を向上させるために、所望により、片面又は両面に酸化法や凹凸化法などの物理的又は化学的表面処理を施すことができる。
上記酸化法としては、例えばコロナ放電処理、クロム酸化処理、火炎処理、熱風処理、オゾン・紫外線処理法などが挙げられ、凹凸化法としては、例えばサンドブラスト法、溶剤処理法などが挙げられる。これらの表面処理は、基材の種類に応じて適宜選択されるが、一般にはコロナ放電処理法が効果及び操作性などの面から好ましく用いられる。
また該基材は色彩を整えるための塗装や、デザイン的な観点での模様があらかじめ形成されていても良いし、予め炭素繊維を隠蔽しない範囲において着色材を含有させた有色のものであってもよい。

［着色層］
炭素繊維強化プラスチック用加飾シートは、これを用いて製造される加飾複合材料に装飾性を与える着色層を有する。着色層は、種々のインキを用いて、基材に塗工することで設けたり、印刷機を使用して印刷することにより形成することができ、また、基材の全面に設けられていてもよいし、基材上に部分的に設けられていてもよい。
着色層を形成する方法としては、グラビア印刷などの通常の印刷方法や、グラビアコート、グラビアリバースコート、グラビアオフセットコート、スピンナーコート、ロールコート、リバースロールコートなどの通常の塗工方法が挙げられる。

着色層は、絵柄層及び／又は着色ベタ層として形成されるものであり、絵柄層に形成される模様としては、木目模様、大理石模様（例えばトラバーチン大理石模様）などの岩石の表面を模した石目模様、布目や布状の模様を模した布地模様、タイル貼模様、煉瓦積模様などがあり、これらを複合した寄木、パッチワークなどの模様もある。これらの模様は通常の黄色、赤色、青色、及び黒色のプロセスカラーによる多色印刷によって形成される他、模様を構成する個々の色の版を用意して行う特色による多色印刷などによっても形成される。
また着色ベタ層としては、基材上に均一一様な着色層として形成され、基材の表面の全面に意図した色彩を与えるものである。通常不透明色で形成することが多いが、着色透明色で形成し、下地が持っている模様を活かすこともできる。
着色層の厚みは、０．１〜２０μｍが好ましく、０．１〜１５μｍがより好ましく、０．３〜１０μｍがさらに好ましい。着色層の厚みが０．１μｍ以上であると、加飾複合材料に対する加飾効果が良好となり、２０μｍ以下であると、炭素繊維の立体形状が見易くなる。

着色層の形成に用いるインキとしては、バインダー樹脂と、顔料、染料などの着色剤とを含有するものが使用され、さらに必要に応じて体質顔料、溶剤、安定剤、可塑剤、触媒、硬化剤などを適宜混合してもよい。
着色剤のバインダー樹脂としては、軟化点が、後述の一体成形における成形温度よりも低いものを用いる必要があり、例えば、ポリウレタン系樹脂、塩化ビニル／酢酸ビニル系共重合体樹脂、塩化ビニル／酢酸ビニル／アクリル系共重合体樹脂、塩素化ポリプロピレン系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ブチラール系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ニトロセルロース系樹脂、酢酸セルロース系樹脂などの中から任意のものが、１種単独で又は２種以上を混合して用いられる。なお２種以上バインダー樹脂を混合して使用する場合は、混合比率に応じた平均軟化点温度が一体成形における成形温度よりも低いものであればよい。
また軟化点が一体成形における成形温度よりも低いものであれば、ＣＦＲＰが織目の凹凸パターンなどの本来有する良好な意匠性を活かしつつ、プリプレグとの接着性を向上できる点で好ましい。ここで、上記軟化点は、ＪＩＳ Ｋ５６０１−２−２塗料成分試験方法−第２部の塗料成分の軟化点試験方法である環球法を用いて測定されるものである。バインダー樹脂の軟化点が成形温度以上であると、炭素繊維強化プラスチック用加飾シートを用いて加飾複合材料を製造しても、着色層が炭素繊維の立体形状に追従しないため、本発明の効果が発現しない。以上より、バインダー樹脂の軟化点（Ｔｎ）と成形温度（Ｔｓ）との関係は、Ｔｎ≦Ｔｓ−１０℃を満たすことが好ましく、Ｔｎ≦Ｔｓ−２０℃を満たすことがより好ましい。また、３０℃≦Ｔｎを満たすと、加熱加圧成形により一体成形を行う場合に、熱圧で溶融しにくくなるため好ましい。さらに、上記意匠性や接着性の観点からは、塩化ビニル／酢酸ビニル系共重合体、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂又はこれらの２種以上の混合物をバインダー樹脂として用いることが好ましく、塩化ビニル／酢酸ビニル系共重合体、アクリル系樹脂、又はこれらの混合物を用いることが特に好ましい。
着色剤としては、カーボンブラック（墨）、鉄黒、チタン白、アンチモン白、黄鉛、チタン黄、弁柄、カドミウム赤、群青、コバルトブルーなどの無機顔料、キナクリドンレッド、イソインドリノンイエロー、フタロシアニンブルーなどの有機顔料又は染料、アルミニウム、真鍮などの鱗片状箔片からなる金属顔料、二酸化チタン被覆雲母、塩基性炭酸鉛などの鱗片状箔片からなる真珠光沢（パール）顔料などが用いられる。

［接着剤層］
炭素繊維強化プラスチック用加飾シートは、着色層や炭素繊維強化プラスチック層との密着性を向上させるため、所望により、基材と着色層との間や、着色層上に接着剤層を設けることができ、さらに、基材上に着色層が部分的に設けられている場合、基材が露出している部分に着色層と並列に接着剤層を設けることもできる。
接着剤層には、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂が用いられる。熱可塑性樹脂としては、アクリル樹脂、アクリル変性ポリオレフィン樹脂、塩素化ポリオレフィン樹脂、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、熱可塑性ウレタン樹脂、熱可塑性ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ゴム系樹脂などが挙げられ、また、熱硬化性樹脂としては、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂などが挙げられ、これらは１種又は２種以上を混合して用いることができる。

［マトリックス樹脂］
マトリックス樹脂としては、炭素繊維のプリプレグに使用可能なものであれば特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリイミド等の熱可塑性樹脂や各種熱可塑性エラストマーより一種又は二種以上を組み合わせて用いることができ、特にエポキシ樹脂が好ましい。

［炭素繊維］
本発明において使用される炭素繊維については特に限定されず、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、ピッチ系等のいずれを用いても良く、またそれらが混合されているものを用いても良い。また炭素繊維の織目としては、一方向に引き揃えられた長繊維、二方向織物、多軸織物、不織布、マット、ニット、組み紐などのいずれのものであってもよい。ここでいう長繊維とは、実質的に１０ｍｍ以上連続な単繊維もしくは繊維束を意味する。

［プリプレグ］
プリプレグとは、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた成形中間基材であり、本発明においては、強化繊維として炭素繊維が用いられる。こういったプリプレグを必要に応じて積層、硬化することで炭素繊維強化プラスチック層が得られる。もちろん、プリプレグは単層で使用してもよいが、複数枚のプリプレグを積層して用いることもできる。

［一体成形方法］
プリプレグと、上述の炭素繊維強化プラスチック用加飾シートとを一体成形する際には、加熱加圧成形により一体成形を行うことが好ましい。加熱加圧成形を行うことで、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を使用する場合には、一体成形と同時にマトリックス樹脂を加熱硬化することができ、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を使用する場合には、マトリックス樹脂を軟化させつつ一体成形することができるため、生産効率に優れる。
ここで加熱加圧成形法としては、プレス成形法、オートクレーブ成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法および内圧成形法等が採用できるが、一体成形と同時に、マトリックス樹脂と着色層との密着性を高める観点から、プレス成形法が好ましい。
加熱加圧成形法における成形温度（又は硬化時間）は、選択したマトリクス樹脂により適宜選択してよく、例えば、エポキシ樹脂組成物の場合、含まれる硬化剤の種類などにもよるが、通常８０〜２２０℃の温度が好ましい。かかる成形温度が低すぎると、十分な速硬化性が得られない場合があり、逆に高すぎると、熱歪みによる反りが発生しやすくなったりする場合がある。
また、プレス成形法で成形する圧力としては、プリプレグの厚みなどにより異なるが、通常０．１〜１ＭＰａの圧力が好ましい。かかる成形圧力が低すぎると、プリプレグの内部まで十分に熱が伝わらず、局所的に未硬化となったり、反りが発生する場合がある。逆に高すぎると、樹脂が硬化する前に周囲に流れ出してしまい、炭素繊維強化プラスチック中にボイドが発生する場合がある。

＜加飾複合材料＞
上述の製造方法により得られる加飾複合材料は、炭素繊維強化プラスチック層、該炭素繊維強化プラスチック層に含まれる炭素繊維の立体形状に追従した模様を有する着色層及び基材をこの順に有する。
本発明の加飾複合材料の構成について図１を用いて詳細に説明する。図１に示す例では、炭素繊維強化プラスチック層１１上に着色層１２及び基材１３が順次積層されている。

［炭素繊維強化プラスチック層］
炭素繊維強化プラスチック層は、上述のように、プリプレグを必要に応じて積層、硬化することで形成される。

［着色層］
加飾複合材料の着色層は、上述の一体成形により炭素繊維の立体形状に追従した模様を形成する。より具体的には、例えば、ベタ塗りの着色層を有する炭素繊維強化プラスチック用加飾シートと、織物状の炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させたものとを用いて、ホットプレス成形により一体成形した場合、得られる加飾複合材料は、着色層に模様を有するものとなる。この模様は、炭素繊維の立体形状（織目）に追従するものであり、従来のＣＦＲＰ複合材料とは全く異なる新規な意匠性を有するものである。

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこの例によってなんら限定されるものではない。

＜測定方法＞
（１）軟化点
ＪＩＳ Ｋ５６０１−２−２塗料成分試験方法−第２部の塗料成分の軟化点試験方法である環球法を用いて測定した。
＜評価方法＞
（１）意匠性
各実施例・比較例で得られた加飾複合材料の外観を目視で確認し、以下の基準で評価した。
○：着色層が炭素繊維の立体形状に追従した模様を示した。
×：着色層が炭素繊維の立体形状に追従した模様を示さなかったか、又は炭素繊維の織目が隠蔽されて見えなくなった。
（２）表面平滑性
各実施例・比較例で得られた加飾複合材料に映った蛍光灯の形状を目視で確認し、その鮮鋭性を以下の基準で評価した。
◎：蛍光灯が歪むことなくきれいに映った。
○：炭素繊維の織目に沿って、軽微な凹凸が表面に浮かび上がったが、蛍光灯はきれいに映った。
×：炭素繊維の織目に沿って凹凸、ピンホール状の欠点が表面に存在し、蛍光灯もぼやけて見えた。

実施例１
（炭素繊維強化プラスチック用加飾シートの製造）
ポリエチレンテレフタレート基材（厚み：１８８μｍ、軟化点：：１８０℃超）に、アクリル系樹脂（軟化点：６７℃）とアルミ顔料とを含むインキを用いて、全面ベタ印刷を行って着色層を形成し、炭素繊維強化プラスチック用加飾シートを得た。

（加飾複合材料の製造）
炭素繊維に未硬化のエポキシ樹脂を含浸させてなるプリプレグを６層積層し、該積層プリプレグ上に、上記の炭素繊維強化プラスチック用加飾シートを、着色層側がプリプレグ側を向くように積層した後、加熱加圧成形（成形温度：１３０℃、硬化時間：２時間、圧力：０．４９ＭＰａ）により一体成形し、板状の加飾複合材料を得た。
得られた加飾複合材料について、上記評価方法に基づいて意匠性及び表面平滑性を評価した結果を第１表に示す。

実施例２〜４及び比較例１〜３
基材や着色層を、第１表に示すものに変更した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維強化プラスチック用加飾シート及び加飾複合材料を製造した。意匠性及び表面平滑性の評価結果を第１表に示す。
尚、比較例２では炭素繊維強化プラスチック用加飾シートを用いずに複合材料を製造したが、マトリックス樹脂が含浸しきれなかった部分でピンホール状の凹みが複数確認され、また、炭素繊維の織目に沿って艶ムラが生じた。

本発明により製造される加飾複合材料は、自動車などの車両の内装材又は外装材、窓枠、扉枠等の建具、壁、床、天井等の建築物の内装材、テレビ受像機、空調機等の家電製品やパソコンの筐体、容器などの用途に好適に用いられる。

１０．加飾複合材料
１１．炭素繊維強化プラスチック層
１２．着色層
１３．基材

Claims (2)

1. 炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させてなるプリプレグを１層以上配置し、該プリプレグ上に、基材上に着色層を有する炭素繊維強化プラスチック用加飾シートを、該着色層側がプリプレグ側を向くように積層した後、一体成形する加飾複合材料の製造方法であって、該着色層のバインダー樹脂の軟化点（Ｔｎ）が、該一体成形における成形温度（Ｔｓ）よりも低いことを特徴とする加飾複合材料の製造方法。
2. 前記バインダー樹脂の軟化点（Ｔｎ）と成形温度（Ｔｓ）とが、３０℃≦Ｔｎ≦Ｔｓ−１０℃の関係を満たす請求項１に記載の加飾複合材料の製造方法。