JP2017218530A - Fiber-reinforced composite material and method for producing fiber-reinforced composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、繊維強化複合材及び繊維強化複合材の製造方法に関する。 The present invention relates to a fiber reinforced composite material and a method for producing a fiber reinforced composite material.
従来、種々の繊維強化複合材が提案されている。例えば、炭素繊維層や熱硬化性樹脂層を積層した炭素繊維強化複合材料が知られている(特許文献1参照)。また、表面に熱可塑性樹脂を付着させて形成された熱可塑性樹脂部を有する織物が積層された強化繊維基材と、熱硬化樹脂製のマトリックス樹脂とからなる繊維強化複合材が知られている(特許文献2参照)。さらに、エポキシ樹脂にセルロースナノファイバーが解繊された状態で含有されている補強材により繊維強化樹脂を補強した繊維強化樹脂複合体が知られている(特許文献3)。 Conventionally, various fiber-reinforced composite materials have been proposed. For example, a carbon fiber reinforced composite material in which a carbon fiber layer or a thermosetting resin layer is laminated is known (see Patent Document 1). Also known is a fiber-reinforced composite material comprising a reinforced fiber base material on which a woven fabric having a thermoplastic resin portion formed by attaching a thermoplastic resin to the surface and a matrix resin made of a thermosetting resin. (See Patent Document 2). Furthermore, a fiber reinforced resin composite is known in which a fiber reinforced resin is reinforced by a reinforcing material that is contained in an epoxy resin in a state where cellulose nanofibers are defibrated (Patent Document 3).
ところで、織物に樹脂を含浸させた従来公知の繊維強化複合材(FRP:Fiber-Reinforced Plastics)は、種々の用途に用いられている。しかしながら、このようなFRPを、ウェアラブルPC(Personal Computer)や、スマートフォン、タブレット端末といったモバイル機器の筐体に用いようとした場合、以下のような不都合が想定される。従来のFRPは、樹脂部分の硬度や強度が低いこともあり、薄肉に成形することが困難な場合がある。小型化、薄型化が求められるモバイル機器等の筐体に用いる場合に、薄肉化に伴う強度不足の問題は顕著となる。また、FRPの強度を向上させるために、樹脂を含浸させる繊維束を太くすることが考えられるが、その背反として樹脂のヒケが多くなり、FRPの表面の凹凸量が大きくなることが懸念される。繊維束を太くし、FRPの表面の凹凸量が大きくなることは、材料の薄型化の妨げともなる。 By the way, conventionally known fiber reinforced composite materials (FRP: Fiber-Reinforced Plastics) obtained by impregnating a fabric with a resin are used in various applications. However, when such an FRP is used in a housing of a mobile device such as a wearable PC (Personal Computer), a smartphone, or a tablet terminal, the following inconvenience is assumed. Conventional FRP may have a low hardness and strength of the resin portion, and may be difficult to be molded into a thin wall. When used in a housing of a mobile device or the like that is required to be reduced in size and thickness, the problem of insufficient strength due to thinning becomes significant. Further, in order to improve the strength of FRP, it is conceivable to increase the thickness of the fiber bundle impregnated with the resin, but there is a concern that the amount of unevenness on the surface of the FRP increases due to the increase of resin sink as a contradiction. . Increasing the thickness of the fiber bundle and increasing the amount of irregularities on the surface of the FRP also hinders material thickness reduction.
特許文献1乃至3は、いずれもこれらの点を改善するものではなく、また、特許文献2のように、積層構造とすることで強度を向上させようとすると、その反面、材料の厚みが増してしまう。このように、いずれの文献も、材料の強度を向上させつつ、薄型化を図るとの観点から、改良の余地があった。
1つの側面では、本明細書開示の繊維強化複合材及び繊維強化複合材の製造方法は、材料の強度を向上させつつ、薄型化を図ることを課題とする。 In one aspect, it is an object of the fiber-reinforced composite material and the method for manufacturing a fiber-reinforced composite material disclosed in this specification to reduce the thickness while improving the strength of the material.
本明細書開示の繊維強化複合材は、布地を形成している繊維と、前記繊維のそれぞれの周囲を覆っているセルロースナノファイバーによる被覆層と、前記被覆層に覆われている前記繊維間に入り込んでいる樹脂部と、を備える。 The fiber-reinforced composite material disclosed in this specification includes a fiber forming a fabric, a coating layer of cellulose nanofibers covering the periphery of each of the fibers, and the fibers covered by the coating layer. And an intruding resin portion.
本明細書開示の繊維強化複合材の製造方法は、繊維により布地を形成する工程と、前記布地にセルロースナノファイバー溶液を通過させて、前記繊維の周囲にセルロースナノファイバーによる被覆層を形成する工程と、前記繊維の周囲に前記被覆層が形成されている前記布地に樹脂を含浸する工程と、を備える。 The method for producing a fiber-reinforced composite material disclosed in the present specification includes a step of forming a fabric with fibers, and a step of passing a cellulose nanofiber solution through the fabric to form a coating layer of cellulose nanofibers around the fibers. And impregnating the fabric with the covering layer formed around the fibers with a resin.
本明細書開示の繊維強化複合材及び繊維強化複合材の製造方法によれば、材料の強度を向上させつつ、薄型化を図ることができる。 According to the fiber-reinforced composite material and the method for producing the fiber-reinforced composite material disclosed in this specification, it is possible to reduce the thickness while improving the strength of the material.
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては、説明の都合上、実際には存在する構成要素が省略されていたり、寸法が実際よりも誇張されて描かれていたりする場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, in the drawings, the dimensions, ratios, and the like of each part may not be shown so as to completely match the actual ones. Further, depending on the drawings, components that are actually present may be omitted for convenience of explanation, or dimensions may be exaggerated from the actual drawing.
(第1実施形態)
まず、図1乃至図5を参照しつつ、第1実施形態の繊維強化複合材1の概略構成について説明する。図1(A)は第1実施形態の繊維強化複合材の概略構成を模式的に示す説明図であり、図1(B)は第1実施形態の繊維強化複合材の一部を拡大して示す説明図である。図2(A−1)は2枚の布地を重ねた状態を模式的に示す説明図であり、図2(A−2)は布地の一部を拡大して示す説明図であり、図2(B)は布地にセルロースナノファイバー溶液を通過(含浸)させる様子を模式的に示す説明図である。図3(A−1)は布地を形成する繊維の周囲に被覆層を形成した状態を模式的に示す説明図であり、図3(A−2)は布地の一部を拡大して示す説明図であり、図3(B)は布地に樹脂を含浸させる様子を模式的に示す説明図である。図4(A)はポーラス板上に敷かれたろ紙上に布地を載置した状態を模式的に示す説明図であり、図4(B)は布地にセルロースナノファイバー溶液を注ぐ様子を示す説明図であり、図4(C)はセルロースナノファイバー溶液を吸引する様子を模式的に示す説明図である。図5は布地に樹脂を含浸させる様子を模式的に示す説明図である。なお、本実施形態の繊維強化複合材1は、モバイル機器の筐体の材料として使用されることが想定され、板状に成形されている。
(First embodiment)
First, a schematic configuration of the fiber-reinforced
図1(A)を参照すると、繊維強化複合材1は、布地201を備える。本実施形態における布地201は、繊維2を織り込むことで形成されている織物地である。より具体的に、複数の繊維2を束ねた繊維束21を縦糸と横糸として織ることによって布地201が形成されている。布地201の形成方法は、従来公知の種々の方法を採用することができる。また、本実施形態では、繊維2としてカーボンファイバーを採用しているが、従来公知の、例えば、グラスファイバー等の無機繊維、有機繊維を採用することもできる。また、金、銅、ニッケル等の金属線を採用してもよい。さらに、これらを適宜混合して用いてもよい。なお、本実施形態では、布地201を二枚重ねとして用いているが、重ねる枚数は、用途に応じて適宜選定することができる。
Referring to FIG. 1 (A), the fiber reinforced
図1(B)を参照すると、繊維2のそれぞれの周囲は、被覆層3が設けられている。被覆層3は、セルロースナノファイバー(以下、CNFという)によって形成されている。被覆層3は、一本一本の繊維2の周囲を被覆している。このように、一本一本の繊維2がCNFによって被覆されることにより、一本一本の繊維2が強化され、これにより、布地201の強度が向上する。この結果、繊維強化複合材1の強度が向上する。繊維強化複合材1自体の強度が向上すれば、繊維強化複合材1を薄肉に成形した場合であっても必要な強度を確保することができるようになる。
Referring to FIG. 1B, a
図1(A)及び図1(B)を参照すると、繊維強化複合材1は、繊維2間に入り込んでいる樹脂部4を備える。樹脂部4は、繊維強化複合材1の表面を形成している。すなわち、樹脂部4は、層状に形成されており、布地201の一面側に露出している平滑面1aを有する。樹脂部4は、少なくとも布地201の一面側に露出し、平滑面を形成すればよいが、本実施形態では、図1(A)に示すように、2枚重ねとされている布地201の他面側に露出している平滑面1bを有している。樹脂部4は、布地201よりも外側に平滑面1a、1bを形成することで、布地201の露出を防止している。
Referring to FIGS. 1A and 1B, the fiber reinforced
樹脂部4は、繊維束21内に入り込み、繊維2間を埋めているだけでなく、繊維束21間も埋めている。これにより、繊維強化複合材1の内部に空洞が形成されることが回避され、強度が高められている。
The
樹脂部4は、繊維強化複合材1の表面となる平滑面1a、1bを形成しているが、本実施形態の樹脂部4は、ヒケの発生を抑制することができ、繊維強化複合材1の表面の凹凸量を低減することができる。これは、繊維2自体が強化されていることから、強度を確保するための目付け量の増加が不要となるからである。材料の強度を向上させるべく、目付け量を増加させ、繊維量を増加させると、繊維束の太さが太くなる。繊維束の太さが太くなると、材料の表面に凹凸が表れやすくなる。本実施形態の繊維強化複合材1では、目付け量を増加させることなく、強度を向上させることができることから、材料表面の凹凸の発生を抑制することができる。また、仮に目付け量が増加し、繊維束の太さが太くなると、これを覆う樹脂部の厚みも厚くなるため、薄肉化の妨げとなるが、本実施形態では、このような不都合もなく、薄肉化を図ることができる。
Although the
つぎに、繊維強化複合材1の製造方法について説明する。まず、図2(A−1)に示すように、繊維2を束ねた繊維束20を縦糸と横糸として織った織物地である布地200を二枚重ねる。なお、図2(A−1)に示す段階では、図2(A−2)に拡大して示すように、繊維2は被覆層3によって被覆されていない。このため、被覆されていない繊維束及び布地を、被覆層3によって被覆された繊維2によって形成されている繊維束21及び布地201と区別するために、異なる参照番号を用いている。すなわち、被覆層3を備えていない繊維束及び布地には、それぞれ参照番号20及び200が付されている。
Below, the manufacturing method of the fiber reinforced
図2(B)を参照すると、矢示7で示すように、布地200にCNF溶液8を供給し、通過させる。これにより、布地200にCNFを含浸し、繊維2の周囲にCNFによる被覆層3を形成する。ここで、図4(A)乃至(C)を参照しつつ、被覆層3の形成について具体的に説明する。図4(A)を参照すると、上面が平滑なポーラス板10の上にろ紙を敷き、その上に、2枚重ねとした布地200を載置する。ここで、ポーラス板10を用いるのは、下側からCNF溶液8を吸引するためである。なお、下側からCNF溶液8を吸引することができるものであれば、他の素材からなる板材を用いてもよい。例えば、複数の細孔が設けられたパンチングメタル等を用いてもよい。
Referring to FIG. 2 (B), as indicated by arrow 7, the
図4(A)のように布地200をろ紙上に載置した後は、図4(B)に、矢示7を示すようにCNF溶液8を布地200の上方から供給する。CNF溶液8は、ろ紙9上に貯留されるため、布地200にCNF溶液8が含浸される。図4(C)に矢示11で示すように、ポーラス板10の下方から吸引し、CNF溶液8が布地200内の空隙6を通過するように抜き取る。なお、本実施形態では、CNF溶液8として、CNF1%水溶液を用い、含浸後、120℃、1時間の条件で乾燥させる工程を5回繰り返した。なお、CNF溶液8をろ紙9上に塗布しておき、そこへ布地200を浸漬させ、その後、吸引するようにしてもよい。
After the
このような工程を経ることにより、図3(A−1)及び図3(A−2)に示すように、繊維2の周囲にCNFによる被覆層3が形成される。この結果、被覆層3が形成されていない繊維束20及び布地200は、それぞれ被覆層3が形成されている繊維束21及び布地201となる。なお、布地200にCNF溶液8を通過させるのは、CNF溶液8によって被覆層3を形成すると共に、図3(A−1)及び図3(A−2)に示すように、被覆層3が形成された繊維2間及び繊維束21間に空隙6aを形成するためである。繊維2の周囲に被覆層3が形成された後は、図3(B)に示すように、布地201に樹脂が含浸され、樹脂部4が形成される。樹脂部4は、空隙6aに入り込む。ここで、樹脂部4の形成につき、図5を参照しつつ、説明する。
By passing through such a process, as shown in FIG. 3 (A-1) and FIG. 3 (A-2), the
本実施形態では、上型13aと下型13bを用い、TPU(熱可塑性ポリウレタン)樹脂シート12を布地201に押し付けることで、樹脂部4を形成し、同時に、プリプレグ板を得る。すなわち、下型13b上にTPU樹脂シート12を設置し、その上に布地201を載置する。そして、上型13a及び下型13bを用い、プレス温度180℃、圧力5MPa、保持時間5分間の条件で樹脂の含浸とプリプレグ板の成形を同時に行う。これにより、厚さ0.5mm板の形状で表面凹凸量が3μm、曲げ弾性率43GPaの繊維強化複合材1を得ることができた。なお、被覆層3を備えていない布地200に対し、同一加圧条件でTPU樹脂シートを加圧し、樹脂部を形成して厚さ0.5mm板を得た場合、表面凹凸量が60μm、曲げ弾性率38GPaの繊維強化複合材が得られた(比較例)。本実施形態によれば、比較例に対し、強度が高く、表面凹凸量の少ない繊維強化複合材1を得ることができた。
In this embodiment, the
なお、本実施形態では、シート状の樹脂、すなわち、TPU樹脂シート12を用いたが、樹脂部4の成形方法は、これに限定されず、従来公知の他の方法を採用してもよい。例えば、樹脂を塗布し、その後、プレス工程に移行してもよい。
In this embodiment, the sheet-like resin, that is, the
本実施形態の繊維強化複合材1によれば、材料の強度を向上させつつ、薄型化を図ることができる。このため、本実施形態の繊維強化複合材1を用い、例えば、モバイル機器等の小型、薄型化された筐体を作成した場合であっても強度を確保することができる。また、繊維束21の量を増量することなく、強度を確保することができることから、繊維束21を薄く成形することができ、この結果、表面の凹凸量を少なくすることができ、容易に薄肉化することができる。
According to the fiber-reinforced
(第2実施形態)
つぎに、図6乃至図7(C)を参照しつつ、第2実施形態について説明する。図6は第2実施形態の繊維強化複合材の概略構成を模式的に示す説明図である。図7(A)はポーラス板上に敷かれたろ紙上に布地を載置した状態を模式的に示す説明図であり、図7(B)は布地にセルロースナノファイバー溶液を注ぐ様子を示す説明図であり、図7(C)はセルロースナノファイバー溶液を吸引する様子を模式的に示す説明図である。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described with reference to FIGS. 6 to 7C. FIG. 6 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of the fiber-reinforced composite material of the second embodiment. FIG. 7 (A) is an explanatory view schematically showing a state in which the fabric is placed on a filter paper laid on a porous plate, and FIG. 7 (B) is an illustration showing a state in which the cellulose nanofiber solution is poured onto the fabric. FIG. 7C is an explanatory view schematically showing a state in which the cellulose nanofiber solution is sucked.
第2実施形態の繊維強化複合材14は、層状に形成されているセルロースナノファイバー(CNF)部15を備える。このCNF部15は、少なくとも布地201の一面側に露出している平滑面15bを有する。すなわち、第1実施形態における平滑面1bは、樹脂部4が露出することで形成されていたが、本実施形態の平滑面15bは、CNF部15が露出することで形成されている。
The fiber-reinforced
平滑面15bは、表面凹凸量がさらに少なく、硬度が高い。これは、平滑面15bが、CNF部15により形成されているためである。CNFは、樹脂と比較して凹凸が生じにくい。これは、CNF自体が繊維であり、いわば、繊維が積層されることでCNF部15を形成しているため、凹凸が生じにくいからである。また、乾燥したCNFは、樹脂と比較して硬度が高いため、平滑面15bの硬度も高い。このような性質から、繊維強化複合材14は薄肉化をし易い。
The
また、平滑面15bは、その硬度が高いため、塗装等の工程を経ることなくなく、そのまま筐体の外周壁面として利用することができる。この場合、CNFは透光性が高く、内部に存在する布地201を観察できるため、平滑面15bに塗装を施すことなく、内部の布地201の目を筐体の意匠として活用することができる。
Further, since the
このようなCNF部15は、図7(A)乃至図7(C)に示す工程を経ることで形成することができる。図7(A)及び図7(B)に示す工程は、第1実施形態と同様であり、布地200がCNF溶液8に浸される。そして、図7(C)に示すように、CNF溶液を下側から吸引し、抜き取る。このとき、ろ紙9上にCNFが残留するように、CNF溶液の抜き取り量を調整する。残留したCNFは、アンカー接着層としてCNF部15を形成する。CNF部15の形状は、平滑なポーラス板10及びろ紙9に倣うため、平滑面15bが形成される。なお、この後、第1実施形態と同様に樹脂部4が形成されるが、樹脂は、上方から供給される。例えば、TPU樹脂シート12を布地201の上方に配置してプレス加工を行うことで、樹脂部4を形成することができる。これにより、平滑面15bの裏面側には、平滑面15aが形成される。
Such a
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications, within the scope of the gist of the present invention described in the claims, It can be changed.
1、14 繊維強化複合材
2 繊維
20、21 繊維束
3 被覆層
4 樹脂部
6、6a 空隙
8 CNF溶液
9 ろ紙
10 ポーラス板
12 TPU樹脂シート
15 CNF部
200 布地
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記繊維のそれぞれの周囲を覆っているセルロースナノファイバーによる被覆層と、
前記被覆層に覆われている前記繊維間に入り込んでいる樹脂部と、
を備える繊維強化複合材。 The fibers forming the fabric,
A coating layer of cellulose nanofibers covering the periphery of each of the fibers;
A resin portion entering between the fibers covered by the coating layer;
A fiber reinforced composite material.
前記布地にセルロースナノファイバー溶液を通過させて、前記繊維の周囲にセルロースナノファイバーによる被覆層を形成する工程と、
前記繊維の周囲に前記被覆層が形成されている前記布地に樹脂を含浸する工程と、
を備える繊維強化複合材の製造方法。 Forming a fabric with fibers;
Passing a cellulose nanofiber solution through the fabric to form a coating layer of cellulose nanofibers around the fibers;
Impregnating the fabric with the covering layer formed around the fibers with a resin;
A method for producing a fiber-reinforced composite material.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016115227A JP2017218530A (en) | 2016-06-09 | 2016-06-09 | Fiber-reinforced composite material and method for producing fiber-reinforced composite material |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020007650A (en) * | 2018-07-03 | 2020-01-16 | 株式会社三五 | Surface coated reinforced fiber, manufacturing method of the surface coated reinforced fiber, intermediate substrate, composite material and molded body containing the surface coated reinforced fiber and resin |
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2016
- 2016-06-09 JP JP2016115227A patent/JP2017218530A/en active Pending
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