JP2017045558A - 導電性樹脂体及び車両アース構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】強度の向上を図り、導電性を有する導電性樹脂体及び車両アース構造を提供する。【解決手段】炭素繊維、高強度繊維、及びガラス繊維の少なくとも１種からなる複数本の繊維の間に樹脂が含浸された繊維強化樹脂からなる導電性樹脂体１０であって、繊維は、金属メッキが施されている。車両アース構造は、導電性樹脂体１０を車両用のボディとすると共に、当該導電性樹脂体１０のうち金属メッキが施された繊維の配置箇所に対して、車載機器ＶＤ及び車両バッテリＢのマイナス端子が電気接続されている。【選択図】図１
Description
本発明は、導電性樹脂体及び車両アース構造に関する。
従来、絶縁性樹脂からなる基板部に対して、高導電性の樹脂で所要の回路形状を埋設して形成した車体内板が提案されている。この内板によれば、絶縁性樹脂に対して導電部を一体成形しているため、導電性部分を有する樹脂体を提供することができる（例えば特許文献１参照）。
しかし、特許文献１に記載の樹脂体は、絶縁性樹脂に熱可塑性樹脂や熱硬化樹脂が用いられ、高導電性樹脂に金属繊維を混入させたもの等が用いられることから、強度に劣り、高い強度が供給される箇所には使用することができない。
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、強度の向上を図り、導電性を有する導電性樹脂体及び車両アース構造を提供することにある。
本発明に係る導電性樹脂体は、炭素繊維、高強度繊維、及びガラス繊維の少なくとも１種からなる複数本の繊維の間に樹脂が含浸された繊維強化樹脂からなる導電性樹脂体であって、前記繊維は、金属メッキが施されていることを特徴とする。
この導電性樹脂体によれば、炭素繊維、高強度繊維、及びガラス繊維の少なくとも１種からなる複数本の繊維の間に樹脂が含浸された繊維強化樹脂にて構成されて、繊維に金属メッキが施されているため、金属メッキにより導電性を持たせつつも、繊維強化樹脂により強度の向上を図ることができる。従って、強度の向上を図り、導電性を有する導電性樹脂体を提供することができる。
また、本発明に係る導電性樹脂体において、前記複数本の繊維は、２本以上の繊維を１つの層として複数層に積層されたものであって、複数層に積層される２本以上の繊維のうち、一部の層における繊維について金属メッキが施され、前記一部の層を除く他の層における繊維について金属メッキが施されていないことが好ましい。
この導電性樹脂体によれば、複数層のうち一部の層における繊維について金属メッキを施しているため、必要とされる導電性（要求に見合う抵抗値）に応じて金属メッキの量を減らして低コスト化を図ることができる。
また、本発明に係る導電性樹脂体において、前記複数本の繊維は、所定方向に並んで配置されており、前記複数本の繊維のうち所定方向に並ぶ一部の繊維について金属メッキが施され、前記一部を除く残部の繊維について金属メッキが施されていないことが好ましい。
この導電性樹脂体によれば、所定方向に並ぶ一部の繊維について金属メッキが施されているため、必要とされる導電性（要求に見合う抵抗値）に応じて金属メッキの量を減らして低コスト化を図ることができる。
また、本発明に係る導電性樹脂体において、前記繊維は炭素繊維であって、Ｘ線光電子分光法により測定したＯ１Ｓピーク強度を、前記分光法により測定したＣ１Ｓピーク強度で割り込んだ値である表面酸素量が０．０９７以上０．１３８以下であることが好ましい。
本件発明者らは、表面酸素量が０．０９７以上０．１３８以下であると、金属メッキに対する濡れ性が向上し、メッキ析出性及び密着性を向上できることを見出した。よって、この導電性樹脂体によれば、上記炭素繊維の表面酸素量を上記範囲とすることで、メッキ析出性及び密着性を向上させることができる。しかも、表面酸素量を上記範囲とすれば良いため、アルカリを用いる必要が無く、機械的強度の低下も抑えることができる。
また、本発明に係る車両アース構造は、上記のいずれか１つに記載の導電性樹脂体を車両用のボディとすると共に、当該導電性樹脂体のうち前記金属メッキが施された繊維の配置箇所に対して、車載機器及び車両バッテリのマイナス端子が電気接続されていることを特徴とする。
この車両アース構造によれば、導電性樹脂体を車両用のボディとすると共に、当該導電性樹脂体のうち金属メッキが施された繊維の配置箇所に対して、車載機器及び車両バッテリのマイナス端子を電気接続するため、車両用のボディという強度が要求される部位に繊維強化樹脂を用いることができ、しかも、金属メッキを施した繊維によって所定の導電性が得られることから、車載機器及び車両バッテリのマイナス端子を電気接続して、アース構造を構築することができる。
本発明によれば、強度の向上を図り、導電性を有する導電性樹脂体及び車両アース構造を提供することができる。
以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾が生じない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。
図１は、本発明の実施形態に係る導電性樹脂体を用いた車両アース構造を示す車両上面図である。図１に示すように、車両アース構造１は、車両内に設置される車両バッテリＢと複数の車載機器ＶＤとのアースラインを確保するための構造であり、導電性樹脂体１０と、各種電線Ｗ１〜Ｗ４とによって構成されている。
導電性樹脂体１０は、炭素繊維、高強度繊維、及びガラス繊維の少なくとも１種からなる複数本の繊維の間に樹脂が含浸された繊維強化樹脂（例えば炭素繊維強化プラスチックや繊維強化プラスチックと称呼されるもの）からなるものである。ここで、上記の高強度繊維とは、アラミド繊維、ポリアリレート繊維、及びＰＢＯ繊維などである。また、含浸される樹脂（母材となる樹脂）には、例えばエポキシ樹脂が用いられる。
本実施形態において導電性樹脂体１０は、上記の繊維に金属メッキ（例えば銅メッキ）が施されている。このような金属メッキにより導電性樹脂体１０は通常の繊維強化樹脂よりも導電性が高められたものとなっている。さらに、本実施形態に係る導電性樹脂体１０は、車両用のボディ（例えば車両フレーム）に用いられている。
第１電線Ｗ１は、車両バッテリＢのマイナス端子Ｔと導電性樹脂体１０とを電気接続する電線である。第１電線Ｗ１は、車両バッテリＢのマイナス端子Ｔに直接接続されていてもよいし、車両バッテリＢのマイナス端子Ｔに他の部材を介して電気的に接続されていてもよい。また、第１電線Ｗ１は、導電性樹脂体１０側においてボルト締め等が可能な接続端子を有し、接続端子を介して導電性樹脂体１０に電気接続されている。
第２〜第４電線Ｗ２〜Ｗ４は、車載機器ＶＤのマイナス端子と導電性樹脂体１０とを電気接続する電線である。第２〜第４電線Ｗ２〜Ｗ４は、車載機器ＶＤのマイナス端子に直接接続されていてもよいし、端子等の他の部材を介して電気的に接続されていてもよい。また、第２〜第４電線Ｗ２〜Ｗ４は、導電性樹脂体１０側においてボルト締め等が可能な接続端子を有し、接続端子を介して導電性樹脂体１０に電気接続されている。
なお、電線Ｗ１〜Ｗ４は、車両バッテリＢのマイナス端子Ｔや車載機器ＶＤのマイナス端子と導電性樹脂体１０とを電気接続ができれば、その接続手法を問うものではない。
図２は、図１に示した導電性樹脂体の概略を示す分解斜視図であって、（ａ）は第１の例を示し、（ｂ）は第２の例を示し、（ｃ）は第３の例を示している。なお、図２において太線は金属メッキが施された繊維であり、細線は金属メッキが施されていない繊維である。
まず、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、導電性樹脂体１０において複数本の繊維Ｆは、２本以上の繊維Ｆを１つの層Ｌとし、このような層Ｌが複数層に積層されたものとなっている。導電性樹脂体１０は、このように積層された複数本の繊維Ｆの間に樹脂を含浸させ、プレス成型することによって製造されるものである。
このような導電性樹脂体１０において、図２（ａ）に示す第１の例では、複数本の繊維Ｆのうち全ての繊維Ｆに対して、金属メッキが施されている。
また、図２（ｂ）に示す第２の例では、複数本の繊維Ｆのうち、一部の層Ｌにおける繊維Ｆについて金属メッキが施されており、一部の層Ｌを除く他の層Ｌにおける繊維Ｆについて金属メッキが施されていない。なお、第２の例において金属メッキが施される層Ｌは、例えば表面の双方の層Ｌ１であるが、双方の層Ｌ１に限らず一方の層Ｌ１であってもよいし、表面の層Ｌ１を除く内側層Ｌ２のみであってもよい。
さらに、図２（ｃ）に示す第３の例では、複数本の繊維Ｆが所定方向に並んで配置されており、所定方向に並ぶ一部の繊維Ｆについて金属メッキが施され、一部を除く残部の繊維Ｆについて金属メッキが施されていない。ここで、一部の繊維Ｆは、導電性樹脂体１０を平面視して（積層方向に見て）一部の領域Ａにおける繊維Ｆの全て（積層方向に全て）であることが好ましいが、これに限るものではない。
なお、図２に示す例において、導電性樹脂体１０は、繊維Ｆが複数層に積層されること、及び、所定方向に並んで配置（並列配置）されることを必須とするものではなく、使用用途等に応じて適宜積層されたり並列配置されたりするものである。よって、導電性樹脂体１０は、単に複数本の繊維Ｆを束ねて、これに樹脂を含浸させた後にプレス成型したものであってもよいし、複数本の繊維Ｆ（長い繊維Ｆであってもよいし短い繊維Ｆであってもよい）を束ねることなく単に繊維Ｆを集め、これに樹脂を含浸させた後にプレス成型したものであってもよい。
さらに、図２（ｂ）に示す導電性樹脂体１０を車両アース構造１に用いる場合、例えばボルト等の接続端子を導電性樹脂体１０に貫通させて、どの層Ｌにも電気的に接続可能とし、車両バッテリＢのマイナス端子Ｔや車載機器ＶＤのマイナス端子と電気接続することが好ましい。また、図２（ｃ）に示す導電性樹脂体１０を車両アース構造１に用いる場合、導電性樹脂体１０の一部の繊維Ｆに電気的に接続することで、車両バッテリＢのマイナス端子Ｔや車載機器ＶＤのマイナス端子と電気接続することとなる。
このように、車両バッテリＢのマイナス端子Ｔや車載機器ＶＤのマイナス端子は、導電性樹脂体１０のうち金属メッキが施された繊維Ｆの配置箇所に電気接続されることとなる。
さらに、本実施形態においては、繊維Ｆに炭素繊維を採用している。ここで、炭素繊維は銅との濡れ性が悪く、電気メッキを行ったとしても銅のメッキ析出性及び密着性が悪い。そこで、本実施形態において炭素繊維に銅メッキを行いたい場合には、超臨界状態の二酸化炭素に曝された炭素繊維を用い、表面酸素量が従来の炭素繊維と異なるものに対して銅メッキを施すようにしている。
ここで、本実施形態でいう表面酸素量は、Ｘ線光電子分光法により測定したＯ１Ｓピーク強度を、同分光法により測定したＣ１Ｓピーク強度で割り込んだ値（Ｏ１Ｓ／Ｃ１Ｓ）である。炭素繊維の表面が酸化していればしているほど、Ｘ線光電子分光法により測定したＯ１Ｓピーク強度が高くなるため、表面酸素量の値が高くなる傾向にある。
表面酸素原子の数と、酸性官能基の数とは、略同じ割合で増加することが知られている。また、酸性官能基は、界面接着に寄与すると考えられている。本実施形態に係る炭素繊維において、表面酸素量は、０．０９７以上０．１３８以下となっている。これにより、メッキ析出性及び密着性を向上させることできるからである。なお、表面酸素量が０．０９７を下回ると、銅との接着性が極端に低下してしまう傾向にある。また、表面酸素量が０．１３８を上回ると、炭素繊維の表面酸素が電気メッキを行う際の給電部との接触を阻害し、炭素繊維に電流が流れ難くなりメッキ析出性が悪くなる傾向にある。
次に、上記炭素繊維に対するメッキ方法を説明する。図３は、炭素繊維に対するメッキ方法を説明するための概略図である。本実施形態において炭素繊維に金属メッキを施すためには、まず、処理槽Ｃ内に炭素繊維を投入する（第１工程）。ここで、第１工程において、本実施形態では有機金属錯体が処理槽Ｃ内に投入されていないものとする。有機金属錯体が処理槽Ｃ内に投入されていなくとも、所定のメッキ析出性及び密着性を得ることができるからである。
次に、炭素繊維が投入された処理槽Ｃ内に超臨界状態とした二酸化炭素を供給する（第２工程）。そして、超臨界状態とした二酸化炭素が供給されてから、所定時間経過後に炭素繊維を処理槽Ｃから取り出す（第３工程）。これにより、表面酸素量を０．０９７以上０．１３８以下とする上記の炭素繊維を得ることができる。
その後、いわゆる電気メッキを行って、炭素繊維上に金属メッキ（銅メッキ）を施す（第４工程）。
このように、超臨界状態とした二酸化炭素に炭素繊維を曝すことで、炭素繊維の表面酸素量を変化させることができ、表面酸素量を０．０９７以上０．１３８以下とすることができる。なお、上記の第１工程では、有機金属錯体が処理槽Ｃ内に投入されていてもよい。
次に、金属メッキを施した炭素繊維の実施例及び比較例を説明する。図４は、金属メッキを施した炭素繊維の実施例及び比較例を示す図表である。なお、炭素繊維はＰＡＮ系で繊維径７μｍのものを用いた。図４に示す実施例１については、二酸化炭素の超臨界条件として、圧力１５ＭＰａとし、温度を１００℃とし、時間を６０分とした。また、実施例２については、二酸化炭素の超臨界条件として、圧力１５ＭＰａとし、温度を１３０℃とし、時間を６０分とした。さらに、実施例３については、二酸化炭素の超臨界条件として、圧力１５ＭＰａとし、温度を１５０℃とし、時間を６０分とした。実施例４については、二酸化炭素の超臨界条件として、圧力１５ＭＰａとし、温度を２００℃とし、時間を６０分とした。
また、上記超臨界処理を経た実施例１〜４及び超臨界処理を行っていない比較例１について、電気メッキを行って炭素繊維上に銅メッキを施した。
なお、図４において、メッキ析出性について「○」とはムラがなく良好な結果が得られた場合を示し、「×」とはムラがあり良好でない結果が得られた場合を示している。また、密着力について「○」とはメッキ後の水洗中にメッキの離脱がなかったものを示し、「×」とはメッキ後の水洗中にメッキの離脱したものを示している。
まず、表面酸素量は実施例１について０．１３８であり、実施例２について０．１２３であり、実施例３について０．１０３であり、実施例４について０．０９７であった。このような実施例１〜４では、いずれもメッキ析出性が「○」であり、密着力も「○」であった。一方、表面酸素量は、比較例について０．１５９であった。このような比較例１では、メッキ析出性が「×」であり、密着力も「×」であった。なお、図４に示すように、電気メッキを行う際の電圧は実施例１〜４及び比較例１において２．０Ｖとした。電流値は、実施例１で０．５７Ａ、実施例２で０．６５Ａ、実施例３で０．６０Ａ、実施例４で０．５２Ａ、比較例１で０．４０Ａであった。
以上より、表面酸素量が０．０９７以上０．１３８以下である炭素繊維は、電気メッキにより銅メッキを施した場合に、好適な結果が得られており、メッキ析出性及び密着性を向上できることがわかった。
さらに、図４に示すように、実施例１〜４及び比較例１に係る炭素繊維について、強度（Ｎ／本）を測定すると共に、ラマン分光法による構造分析を行った。ここで、強度については、ＪＩＳ Ｒ ７６０６に準拠する単繊維の引張試験を行い、断線時における引張強度を測定した結果を示している。また、ラマン分光法では、炭素繊維のラマンスペクトルを確認するため、波長５３２ｎｍのレーザを照射し、得られたラマンスペクトルのＧ／Ｄ比、半値幅及びピークシフトについて測定した結果を示している。なお、Ｇ／Ｄ比は値が高いほど結晶性が高いことを示す。また、半値幅は結晶の完全性を示す値であり、ピークシフトは原子配置の歪みを示す値である。
図４に示すように、炭素繊維の強度は、実施例１〜４及び比較例１について０．２Ｎ／本であった。このように、これらは同じ値を示しており、機械的強度に差異は見られなかった。
さらに、実施例１〜４及び比較例１について、Ｇ／Ｄ比は０．９０〜０．９３であり、半値幅は１１０．３〜１１１．５であり、ピークシフトは１５８０〜１５８４．７であった。すなわち、これらの値にも大きな差異は見られなかった。
このように、超臨界処理の有無によって（すなわち、表面酸素量が０．０９７以上０．１３８以下であるか否かに拘わらず）、炭素繊維には構造的な変化が見られず、機械的強度の低下も見られなかった。
よって、実施例１〜４に係る炭素繊維は、機械的強度を低下させることなく、メッキ析出性及び密着性を向上させることができるものであることがわかった。
このようにして、本実施形態に係る導電性樹脂体１０によれば、炭素繊維、高強度繊維、及びガラス繊維の少なくとも１種からなる複数本の繊維Ｆの間に樹脂が含浸された繊維強化樹脂にて構成されて、繊維Ｆに金属メッキが施されているため、金属メッキにより導電性を持たせつつも、繊維強化樹脂により強度の向上を図ることができる。従って、強度の向上を図り、導電性を有する導電性樹脂体１０を提供することができる。
また、複数層のうち一部の層Ｌにおける繊維Ｆについて金属メッキを施した場合には、必要とされる導電性（要求に見合う抵抗値）に応じて金属メッキの量を減らして低コスト化を図ることができる。
さらに、所定方向に並ぶ一部の繊維Ｆについて金属メッキを施した場合には、必要とされる導電性（要求に見合う抵抗値）に応じて金属メッキの量を減らして低コスト化を図ることができる。
また、本件発明者らは、表面酸素量が０．０９７以上０．１３８以下であると、金属メッキに対する濡れ性が向上し、メッキ析出性及び密着性を向上できることを見出した。よって、上記炭素繊維の表面酸素量を上記範囲とすることで、メッキ析出性及び密着性を向上させることができる。しかも、表面酸素量を上記範囲とすれば良いため、アルカリを用いる必要が無く、機械的強度の低下も抑えることができる。
さらに、本実施形態に係る車両アース構造１によれば、導電性樹脂体１０を車両用のボディとすると共に、当該導電性樹脂体１０のうち金属メッキが施された繊維Ｆの配置箇所に対して、車載機器ＶＤ及び車両バッテリＢのマイナス端子を電気接続するため、車両用のボディという強度が要求される部位に繊維強化樹脂を用いることができ、しかも、金属メッキを施した繊維によって所定の導電性が得られることから、車載機器ＶＤ及び車両バッテリＢのマイナス端子を電気接続して、アース構造を構築することができる。
加えて、本実施形態に係る炭素繊維のメッキ方法によれば、上記のような表面酸素量を有する炭素繊維を第１〜第３工程において製造し、その後第４工程において電気メッキを行うことで、炭素繊維に好適に金属メッキを施すことができる。よって、機械的強度を低下させることなく、メッキ析出性及び密着性を向上させて適切な金属メッキを行うことができるメッキ方法を提供することができる。
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、可能な範囲で適宜他の公知や周知の技術を組み合わせてもよい。
例えば、上記実施形態において導電性樹脂体１０は車両アース構造１として用いられるが、これに場合に限らず、例えばシールド用や導電回路などの他の用途に用いられてもよい。
１ ：車両アース構造
１０ ：導電性樹脂体
Ｂ ：車両バッテリ
Ｃ ：処理槽
Ｆ ：繊維
Ｌ ：層
Ｌ１ ：表面の層
Ｌ２ ：内側層
Ｔ ：マイナス端子
ＶＤ ：車載機器
Ｗ１〜Ｗ４ ：電線
１０ ：導電性樹脂体
Ｂ ：車両バッテリ
Ｃ ：処理槽
Ｆ ：繊維
Ｌ ：層
Ｌ１ ：表面の層
Ｌ２ ：内側層
Ｔ ：マイナス端子
ＶＤ ：車載機器
Ｗ１〜Ｗ４ ：電線
Claims (5)
- 炭素繊維、高強度繊維、及びガラス繊維の少なくとも１種からなる複数本の繊維の間に樹脂が含浸された繊維強化樹脂からなる導電性樹脂体であって、
前記繊維は、金属メッキが施されている
ことを特徴とする導電性樹脂体。 - 前記複数本の繊維は、２本以上の繊維を１つの層として複数層に積層されたものであって、
複数層に積層される２本以上の繊維のうち、一部の層における繊維について金属メッキが施され、前記一部の層を除く他の層における繊維について金属メッキが施されていない
ことを特徴とする請求項１に記載の導電性樹脂体。 - 前記複数本の繊維は、所定方向に並んで配置されており、
前記複数本の繊維のうち所定方向に並ぶ一部の繊維について金属メッキが施され、前記一部を除く残部の繊維について金属メッキが施されていない
ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の導電性樹脂体。 - 前記繊維は炭素繊維であって、Ｘ線光電子分光法により測定したＯ１Ｓピーク強度を、前記分光法により測定したＣ１Ｓピーク強度で割り込んだ値である表面酸素量が０．０９７以上０．１３８以下である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の導電性樹脂体。 - 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の導電性樹脂体を車両用のボディとすると共に、当該導電性樹脂体のうち前記金属メッキが施された繊維の配置箇所に対して、車載機器及び車両バッテリのマイナス端子が電気接続されている
ことを特徴とする車両アース構造。
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