JP2014148113A - アルミニウム被覆複合材パネル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 強化繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化プラスチック成型体の少なくとも1つの表面にアルミニウムシートを接合したアルミニウム被覆繊維強化プラスチック成型体であり、該アルミニウムシートの少なくとも繊維強化プラスチックに接する面が、化学的に粗化されており、該粗化層の厚みが2μm未満であるアルミニウム被覆繊維強化プラスチック成型体である。また、前記マトリックス樹脂成分が主に限界酸素指数が25以上であり、軟化温度が200℃以上である難燃耐熱スーパーエンプラ樹脂であるアルミニウム被覆繊維強化プラスチック成型体である。
【選択図】 なし
Description
更に、熱硬化性樹脂は122℃〜177℃程度の温度に加熱した状態で重合反応させて硬化させる必要があるが、重合反応に2時間程度の時間を要するため、加熱成形時間が長くなり生産性が低いといった難点もある。
(1)強化繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化プラスチック成型体の少なくとも1つの表面にアルミニウムシートを接合したアルミニウム被覆繊維強化プラスチック成型体であり、該アルミニウムシートの少なくとも繊維強化プラスチックに接する面が、化学的に粗化されており、該粗化層の厚みが2μm未満であるアルミニウム被覆繊維強化プラスチック成型体。
(6)前記表面粗化アルミニウムシートの粗化層を両性金属イオンとチオ化合物イオンと硝酸イオンを含むアルカリ性水溶液への浸漬により形成した(1)〜(4)のいずれか1項に記載のアルミ被覆繊維強化プラスチック成型体。
本発明に用いられる強化繊維プラスチック成型体は、強化繊維間をマトリックス樹脂が埋めて結合した状態の成型体である。
本発明に用いられる強化繊維の材質は、繊維強化プラスチック体としての用途に応じた十分な強度が得られるものであれば特に限定されず、ガラス繊維や炭素繊維等の無機繊維、或いはアラミド繊維、PBO(ポリパラフェニレンベンズオキサゾール)繊維等の耐熱性に優れた有機繊維を使用することも可能である。尚、本発明で使用する強化繊維として有機繊維を使用する場合は、マトリックス樹脂にスーパーエンプラ樹脂を用いた場合、成形体を形成する際の成形温度が200〜400℃と高温を要することがあるため、パラアラミド繊維やPBO繊維のように軟化点を持たず、熱分解温度が400℃より高い繊維、或いは軟化点を持つ熱可塑性繊維であったとしても、軟化温度が上記成型温度よりも高い繊維が好適である。一般的には炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、セラミック繊維、ホウ素繊維、金属繊維等を用いることができる。特に重量あたりの強度の面で炭素繊維、価格の面でガラス繊維が好適に用いられる。強化繊維は、カットした状態でマトリックス樹脂中に分散させてもよく、あるいは連続繊維を織布や、繊維を並べた強化繊維シートにしたのち、マトリックス樹脂を浸透させてもよい。
本発明の繊維強化プラスチック成型体を構成するマトリックス樹脂としては、熱プレス成型などの簡便な成型方法を適用できること、熱圧着のみで表面粗化アルミニウムシートと接合できることから、熱可塑性の樹脂が望ましい。特に、耐熱性、難燃性、強度に優れるスーパーエンプラ樹脂が好適である。
本発明に用いられるマトリックス樹脂に使用するスーパーエンプラ樹脂は、機械的強度があり、耐熱性で難燃性の熱可塑性樹脂が望ましい。このような熱可塑性樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)等が例示されるが、これに限定されるものではない。
スーパーエンプラ樹脂は、限界酸素指数が25以上でガラス転移温度が140℃以上であるものが好ましい。スーパーエンプラ樹脂の限界酸素指数が25以上であると難燃性に優れる。
スーパーエンプラ繊維としてポリフェニレンスルフィド(PPS)繊維を用いた場合、PPS樹脂は耐薬品性が高く、耐熱性が高いため、耐薬品性と高温時の強度に優れる繊維強化プラスチックを得ることができる。
また、スーパーエンプラ繊維としてポリエーテルエーテルケトン(PEEK)繊維を用いた場合は、他のスーパーエンプラよりも耐薬品性と高温時の強度に特に優れる繊維強化プラスチックを得ることができる。
本発明の繊維強化樹脂成型体の作製方法は特に限定されない。強化繊維とマトリックス樹脂を加熱混練し、射出または押し出し成型する方法、金型内に強化繊維をいれたのち、マトリックス樹脂を注入する方法、強化繊維シートにマトリックス樹脂を塗布又は含浸させ熱可塑プリプレグとした後、加熱加圧成型する方法、強化繊維シートとマトリックス樹脂シートを積層し、加熱加圧成型する方法、強化繊維とマトリックス樹脂の繊維を混合抄紙し、加熱加圧成型する方法等が挙げられる。特に、大面積、薄型の成型体の場合は、シートにした材料を加熱加圧成型する方法が好適である。
強化繊維シートは、強化繊維の連続繊維を任意の方法で織ったり、繊維を配列させることにより形成できる。また、強化繊維をカットして短繊維として、通常の不織布を製造する方法で不織布シートとしてもよい。特に、カットした強化繊維を水に分散した後に抄き上げてシートにする方法、すなわち湿式抄紙方法は、均一なシートが得られるため望ましい。
マトリックス樹脂シートは、フィルム、織布、不織布の形で形成することができる。不織布形状のマトリックス樹脂シートは、フィルム状のマトリックス樹脂シートに比べ、加熱加圧成型時に内部の空気が抜けやすく、成型時間が短くて済み、また繊維強化樹脂成型体内部に欠陥となる空隙ができにくいという利点がある。不織布形状のマトリックス樹脂シートは、マトリックス樹脂を紡糸して繊維にしたのち、任意の方法で織布、不織布の形で形成することができる。特に、マトリックス繊維を水に分散した後に抄き上げてシートにする方法、すなわち湿式抄紙方法は、均一なシートが得られるため望ましい。
強化繊維とマトリックス樹脂は個別にシート化して、積層し、加熱加圧成型して繊維強化樹脂成型体としてもよいが、強化繊維とマトリックス繊維が混合されているシートを形成し加熱加圧成型して繊維強化樹脂成型体としてもよい。特に、カットした強化繊維とカットしたマトリックス繊維を水に分散、混合した後に抄き上げてシートにする方法、すなわち湿式抄紙方法は、均一なシートが得られるため望ましい。このように強化繊維とマトリックス樹脂繊維が混合されているシートを形成し加熱加圧成型して繊維強化樹脂成型体とする方法においては、強化繊維とマトリックス樹脂繊維が混合されている不織布シート中でマトリックス樹脂繊維と強化繊維が均一に混合している状態であることが望ましいので、強化繊維とマトリックス樹脂繊維の繊維径が近似していることが好ましい。この観点から、マトリックス樹脂繊維の繊維径は本不織布シート中に配合される強化繊維の繊維径の4倍以下であることが好ましく、3倍以下であることがより好ましく、マトリックス樹脂繊維の繊維径と強化繊維の繊維径が等しいか略等しいことが最も好ましい。
強化繊維とマトリックス樹脂から繊維強化プラスチック成型体を製造する方法は特に限定されない。強化繊維、マトリックス樹脂がそれぞれ、あるいは混合されてシートを形成している場合はシートを積層し加熱加圧し、繊維強化プラスチック成型体とするのが簡便である。加熱加圧方法としては、加熱加圧ロール等によって、シートを加熱圧着する方法、金型内にセットした後加熱加圧する方法、予備加熱したシートを加圧成型する方法、レーザーやヒータで部分加熱しながら積層していく方法等を適用することができる。
本発明に用いる粗化層を持つアルミニウムシートは、アルミニウムシートの少なくとも片面を、化学的処理により粗化したものである。粗化されたアルミニウムシート表面にマトリックス樹脂が浸透し一体化することにより強固な接着力が得られる。アルミニウムシートを接合した繊維強化プラスチック成型体に対して更に別の部材を接着する場合は両面を粗化したアルミニウムシートを使用するのが好適である。アルミニウムシートの厚みは用途に応じて選択すればよく、特に限定されないが、10μm〜2mm程度が好適である。
粗化層を持つアルミニウムシートと繊維強化プラスチック体との圧着は、一旦成型した繊維強化プラスチック体の表面に対して実施してもよいし、繊維強化プラスチック体を成型する際の加熱加圧と同時に行ってもよい。特に、繊維強化プラスチック体を成型する際の加熱加圧の際に、金型に粗化層を持つアルミニウムシートを配置しておき、繊維強化プラスチック体の成型と同時にアルミニウムシートを表面に固着させる方法は、金型に離型剤を塗布したりする必要がなく効率的である。
繊維径7μm、繊維長12mmのPAN系炭素繊維50部、繊維径15μmのPEI繊維(Fiber Innovation Technology社製、繊維長12mm)50部を、鞘部に変性PET(融点110℃)、芯部にPET繊維を使用した芯鞘バインダー繊維(クラレ製 N-720)5部を水中に投入した。水の
量は、投入した繊維の重量に対し200倍となるとした(繊維スラリー濃度として0.5%)。
このスラリーに、分散剤として「エマノーン3199」(花王株式会社、商品名)を繊維100質量部に対し1質量部となるよう添加して攪拌し、繊維を水中に均一に分散させた繊維スラリーを調製した。
上記繊維スラリーから湿式抄紙法でウエットウエブを形成し、180℃で加熱乾燥することにより表1に示すバインダー量で目付けが150g/m2である不織布を作製した。
この不織布を、20枚積層したのち、圧力10MPa、温度280℃で加熱加圧下のち冷却し、厚さ2mmの炭素繊維強化コンポジット板を作製した。
表面粗化処理液(硫酸30質量%、塩化鉄(III)5質量%、水酸化銅1質量%、塩化マンガン4水和物1.5質量%の水溶液)を塗布したのち水洗し、1μmの表面粗化層を設けた厚さ100μmアルミニウムシートを作製した。上記、厚さ2mmの炭素繊維強化コンポジット板と1μmの表面粗化層を設けた厚さ100μmアルミニウムシートを表面粗化面が炭素繊維強化コンポジット板に接するように重ね、圧力10MPa、温度280℃で圧着し、アルミニウムシートを表面に付けた炭素繊維強化コンポジット板を作製した。
実施例1で用いた表面粗化処理液に変えて表面粗化処理液(水酸化ナトリウム10質量%、塩化亜鉛5質量%、硝酸ナトリウム5質量%、チオ硫酸ナトリウム14質量%の水溶液)を用いて1μmの表面粗化層を設けたアルミニウムシートを作製し使用した以外は実施例1と同様にアルミニウムシートを表面に付けた炭素繊維強化コンポジット板を作製した。
実施例1で用いた表面粗化アルミニウムシートの表面粗化層の厚みを2μmに替えたアルミニウムシートを作製して用いた以外は実施例1と同様にアルミニウムシートを表面に付けた炭素繊維強化コンポジット板を作製した。
実施例1で用いた表面粗化アルミニウムシートに替えて、陽極酸化により表面にアルマイト層を設けた厚さ100μmのアルミニウムシート(株式会社マルジョウアルマイト製)を用いた以外は実施例1と同様にアルミニウムシートを表面に付けた炭素繊維強化コンポジット板を作製した。
実施例1で用いた表面粗化アルミニウムシートに替えて、未処理のアルミニウムシートを用いた以外は実施例1と同様にアルミニウムシートを表面に付けた炭素繊維強化コンポジット板を作製した。
Claims (6)
- 強化繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化プラスチック成型体の少なくとも1つの表面にアルミニウムシートを接合したアルミニウム被覆繊維強化プラスチック成型体であり、該アルミニウムシートの少なくとも繊維強化プラスチックに接する面が、化学的に粗化されており、該粗化層の厚みが2μm未満であることを特徴とするアルミニウム被覆繊維強化プラスチック成型体。
- 前記マトリックス樹脂成分が主に限界酸素指数が25以上であり、軟化温度が200℃以上である難燃耐熱スーパーエンプラ樹脂であることを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム被覆繊維強化プラスチック成型体。
- 前記繊維強化プラスチック成型体部分が、強化繊維シートとマトリックス樹脂繊維を湿式抄紙により作製したマトリックス樹脂繊維不織布マットを積層し、加熱加圧成型により作製したものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアルミニウム被覆繊維強化プラスチック成型体。
- 前記繊維強化プラスチック成型体部分が、湿式抄紙により作製した強化繊維とマトリックス樹脂繊維マトリックス樹脂繊維の混合不織布マットを加熱加圧成型により作製したものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアルミニウム被覆繊維強化プラスチック成型体。
- 前記表面粗化アルミニウムシートの粗化層を無機酸、鉄イオン、マンガンイオン、および銅イオンを含む水溶液への接触により形成したことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のアルミニウム被覆繊維強化プラスチック成型体。
- 前記表面粗化アルミニウムシートの粗化層を両性金属イオンとチオ化合物イオンと硝酸イオンを含むアルカリ性水溶液への接触により形成したことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のアルミニウム被覆繊維強化プラスチック成型体。
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