JP2019143087A - Cfrpシート、frp−金属複合体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の第一実施形態について図1に基づいて説明する。なお図中、符号1で指示するのものは、CFRPシートである。
[1]CFRPシートの基本構成について
まずCFRPシート1の基本構成について説明すると、本実施形態では、強化繊維材料として炭素繊維束11を使用すると共に、この炭素繊維束11間に含浸させるマトリックス樹脂12として金属接着性及び難燃性を有する融点170〜260℃のフッ素系樹脂を使用して図1に示すCFRPシート1のシート本体を構成している。
次にCFRPシート1の各構成要素について説明する。まず上記炭素繊維束11については、本実施形態では、フィラメント径が3〜12μm(好ましくは5〜7μm)の炭素繊維を5000〜50000本(好ましくは12000〜15000本)束ねて糸状にした際の厚みが0.1〜2.0mm(好ましくは0.3〜0.4mm)程度の炭素繊維束11を使用しているが、炭素繊維の本数は炭素繊維束11の太さに応じて適宜変更することができる。また本実施形態では、PAN系の炭素繊維を使用しているが、ピッチ系の炭素繊維を使用することもできる。
また上記CFRPシートにおける炭素繊維の繊維体積含有率(Vf)に関しては、炭素繊維の含有率が低過ぎると充分な難燃性が得られず、また炭素繊維の含有率が高過ぎると樹脂の割合が少なくなって炭素繊維束11同士の結合強度や金属接着性が低下するため、Vf20%〜70%の範囲内で調整するのが好ましい。
一方、上記マトリックス樹脂12については、本実施形態では、フッ素系樹脂としてTFEに基づく重合単位の割合が50〜80mol%、かつ、エチレンに基づく重合単位の割合が50〜80mol%のETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)を使用しているが、ETFE以外のフッ素系樹脂を使用することもできる。なおフッ素系樹脂としては、難燃性がUL94V燃焼試験における少なくともV-0の判定基準を満たし、かつ、限界酸素指数が30以上のものを選択するのが好ましく、特にこのようなフッ素系樹脂としては、ETFEやEFEPの使用が好ましい。
上記UL94V燃焼試験について簡単に説明すると、短冊状の試験片(寸法:125±5mm×13±0.5×t mm)をクランプに垂直に取付け、20mm炎による10秒間の接炎を2回行い、その燃焼挙動により“V-0”“V-1”“V-2”“Not”の判定を行う。具体的な判定基準については下記表1に示す。
「限界酸素指数」とは、材料が燃焼を持続するのに必要な最低酸素濃度であり、燃焼時間が180秒継続するか、または接炎後の燃焼長さが50mm以上燃え続けるのに必要な酸素濃度から算出される。限界酸素指数が高いほど難燃性は高くなる。
また炭素繊維束11に対するマトリックス樹脂12の含浸方法に関しては、本実施形態では、炭素繊維束を一方向に配列した面状の開繊糸群を上下に配置し、更にその間にフィルム状のマトリックス樹脂を挿入して、この樹脂フィルムと上下の開繊糸群とをロールにより熱圧着することによって、図1に示すようにマトリックス樹脂12を炭素繊維束11間に半含浸させている。なお含浸方法としては、粒状または短繊維状のマトリックス樹脂を積層して含浸させることもできる。またマトリックス樹脂12の含浸率に関しては、炭素繊維束11同士が結合一体化される程度に含浸させればよく、図2に示すように全ての炭素繊維束11がマトリックス樹脂中に埋もれるように完全含浸させてもよい。
また上記CFRPシート1の難燃性については、本実施形態では、UL94V燃焼試験におけるV-0またはV-1の判定基準を満たし、かつ、UL94-5V燃焼試験における5V-Aまたは5V-Bの判定基準を満たすようにしている。
上記UL94-5V燃焼試験について簡単に説明すると、短冊状の試験片(寸法:125±5mm×13±0.5×t mm)をクランプに垂直に取付け、125mm炎による5秒間の接炎を5回行い、その燃焼挙動により“5V-A”“5V-B”“Not”の判定を行う。具体的な判定基準については下記表2に示す。
「FRP-金属複合体の構成」
[1]FRP-金属複合体の基本構成について
次に本発明の第二実施形態について図3に基づいて説明する。本実施形態では、上記第一実施形態のCFRPシートから成るFRP層21と、金属材料から成る金属層22とを積層一体化してFRP-金属複合体2を構成している。またFRP-金属複合体2のFRP層21と金属層22とは、接着剤層を介さず熱溶着により直接一体化している。これにより接着一体性及び難燃性に優れたFRP-金属複合体2が得られる。
また上記金属層22に用いる金属材料としては、本実施形態では、アルミニウム板を使用しているが、金属材料としてはこれに限らず他の金属材料(例えば、鉄系の材料等)を使用することもできる。また金属層22の厚みや形状についてもFRP-金属複合体2の用途に応じて適宜変更することができる。
次に上記FRP-金属複合体2の製造方法について説明すると、本実施形態では、CFRPシートと金属材料とを、加熱温度180〜280℃、加圧力1〜5MPaの条件下で熱プレスしてCFRPシートを金属材料に熱溶着させることにより両者を積層一体化している。これにより熱プレスだけで簡単にFRP-金属複合体を製造できる。なお熱プレスの加熱温度や加圧力に関しては、炭素繊維の繊維体積含有率やCFRPシートに使用されているマトリックス樹脂の材料に応じて適宜調整できる。
次に本発明の効果の実証試験について説明する。本試験では、金属層にアルミニウム板を用いたFRP-金属複合体から成るサンプルを、CFRPシートのマトリックス樹脂の材料を変えて複数作製し、これら各サンプル(下記の実施例1及び比較例1〜3)のFRP層と金属層の接着性を、FRP層と金属層の剥離が生じる剪断応力の大きさによって評価した。
図4に示すようにFRP層(寸法:幅25mm×長さ100mm×厚さ0.5mm)の上下両側に金属層(寸法:幅25mm×長さ250mm×厚さ2mm)を形成すると共に、上下の金属層に左右に突出する部位を形成して、この金属層の突出部位を試験装置(島津製作所製:万能試験機I-0108)によって温度25℃、湿度50%の環境下で1mm/minの速度で外側に引っ張ることにより、FRP層と金属層とがどの程度の剪断荷重で剥離するかを測定した。
本実施例では、FRP層を構成するCFRPシートのマトリックス樹脂にETFEを使用すると共に、このCFRPシートとアルミニウム板を、加熱温度250℃、加圧力5MPaの条件下で3分間熱プレスすることによりCFRPシートを金属材料に熱溶着させてFRP層と金属層を積層一体化した。
本実施例では、FRP層を構成するCFRPシートのマトリックス樹脂としてPFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)を使用すると共に、このCFRPシートとアルミニウム板を、加熱温度340℃、加圧力5MPaの条件下で3分間熱プレスすることによりCFRPシートを金属板に熱溶着させてFRP層と金属層を一体化した。
本実施例では、FRP層を構成するCFRPシートのマトリックス樹脂としてPA6(ポリアミド樹脂)を使用すると共に、このCFRPシートとアルミニウム板を、加熱温度270℃、加圧力5MPaの条件下で3分間熱プレスすることによりCFRPシートを金属板に熱溶着させてFRP層と金属層を一体化した。
本実施例では、FRP層を構成するCFRPシートのマトリックス樹脂としてPP(ポリプロピレン樹脂)を使用すると共に、このCFRPシートとアルミニウム板を、加熱温度180℃、加圧力5MPaの条件下で3分間熱プレスすることによりCFRPシートを金属板に熱溶着させてFRP層と金属層を一体化した。
上記実施例1及び比較例1〜3のサンプルについて剪断方向の引張り試験を行ったところ、比較例1〜3のサンプルが剥離時の剪断荷重(最大荷重)が5kN未満と接着性が低かったのに対し、実施例1のサンプルは剥離時の剪断荷重が5kN以上の高い接着性を示した。各サンプルの金属層とFRP層の材質と寸法、及び各サンプルの試験結果をまとめた表を以下に示す。
11 炭素繊維
12 マトリックス樹脂
2 金属-FRP複合体
21 FRP層
22 金属層
Claims (9)
- 強化繊維材料である炭素繊維束(11)間に含浸させるマトリックス樹脂(12)として、金属接着性及び難燃性を有する融点170〜260℃のフッ素系樹脂が使用されていることを特徴とするCFRPシート。
- マトリックス樹脂(12)に用いられるフッ素系樹脂の難燃性が、UL94V燃焼試験における少なくともV-0の判定基準を満たし、かつ、限界酸素指数が30以上であることを特徴とする請求項1記載のCFRPシート。
- マトリックス樹脂(12)に用いられるフッ素系樹脂が、ETFEまたはEFEPであることを特徴とする請求項1または2に記載のCFRPシート。
- マトリックス樹脂(12)にETFEが用いられると共に、ETFE中におけるTFEに基づく重合単位の割合が50〜80mol%、かつ、エチレンに基づく重合単位の割合が50〜80mol%であることを特徴とする請求項3記載のCFRPシート。
- 炭素繊維の繊維体積含有率が20〜70%であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一つに記載のCFRPシート。
- ポリアミド系樹脂から成るサイジング剤が塗布された炭素繊維束(11)が使用されていることを特徴とする請求項1〜5の何れか一つに記載のCFRPシート。
- シート本体の難燃性が、UL94V燃焼試験におけるV-0またはV-1の判定基準を満たし、かつ、UL94-5V燃焼試験における5V-Aまたは5V-Bの判定基準を満たすことを特徴とする請求項1〜6の何れか一つに記載のCFRPシート。
- 請求項1記載のCFRPシートから成るFRP層(21)と金属材料から成る金属層(22)とが接着剤層を介さず直接、積層一体化されていることを特徴とするFRP-金属複合体。
- 請求項1記載のCFRPシートと金属材料とを、加熱温度180〜280℃、加圧力1〜5MPaの条件下で熱プレスしてCFRPシートを金属材料に熱溶着させることにより両者を積層一体化することを特徴とする金属-FRP複合体の製造方法。
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