JP2020175511A

JP2020175511A - 金属箔‐ｃｆｒｐ積層シート

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Publication number: JP2020175511A
Application number: JP2019076970A
Authority: JP
Inventors: 宗丈田嶋; Munetake Tajima; 尚哲金森; Naotetsu Kanamori
Original assignee: Fukuvi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Fukuvi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2020-10-29
Anticipated expiration: 2039-04-15
Also published as: JP7196006B2

Abstract

【課題】接着強度に優れるだけでなく接着剤が不要で、更に異なる物性を持つ積層シートとして様々な用途に利用できる金属箔-ＣＦＲＰ積層シートを提供すること。【解決手段】ＣＦＲＰシート１と金属箔２とが接着剤層を介さず直接、融着一体化されて成る金属箔-ＣＦＲＰ積層シートにおいて、前記ＣＦＲＰシート１を、連続繊維状の炭素繊維を長さ方向に向きを揃えて配列したＵＤシートとし、かつ、炭素繊維間に含浸させるマトリックス樹脂として、金属接着性を有する樹脂を使用した。【選択図】図１

Description

本発明は、金属箔-ＣＦＲＰ積層シートの改良、詳しくは、接着強度に優れるだけでなく接着剤が不要で、更に異なる物性を持つ積層シートとして様々な用途に利用できる金属箔-ＣＦＲＰ積層シートに関するものである。

近年、強化繊維材料である炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化プラスチック(以下、「ＣＦＲＰ」と記載)が、その優れた機能性(曲げ強度や引張り強度、軽量性等)から工業分野や建築分野などの多くの分野で利用が進んでいる。特にＣＦＲＰシートは、他の材料に貼り合わせて使用できるため、様々な用途に利用できる。

また上記ＣＦＲＰと他の材料を一体化した複合材料に関しては、従来、ＣＦＲＰと金属材料を熱硬化性樹脂系(エポキシ樹脂等)の接着剤により一体化したものが公知となっているが(特許文献１参照)、熱硬化性樹脂系の接着剤を使用すると塗布してから硬化するまでに時間がかかるため、短時間で製造を行うことが難しいという欠点がある。

またＣＦＲＰと金属材料を積層一体化するための接着剤として、熱可塑性樹脂系のものを使用することも考えられるが、接着剤の硬化時間は短くて済むものの、どちらにせよＣＦＲＰまたは金属材料の表面に接着剤を塗布する工程と両者を貼り付ける工程が必要となるため、工程数が増えて効率的に製造を行えないという問題がある。

また従来においては、ＣＦＲＰのマトリックス樹脂に様々な熱硬化性樹脂(エポキシ樹脂やフェノール樹脂等)や熱可塑性樹脂(ポリアミド系樹脂やポリプロピレン等)を使用する技術は知られていたものの、金属接着性の観点からフッ素系樹脂やオレフィン系エラストマーをマトリックス樹脂に使用する技術は一般的に知られていなかった。

特開２００９−１９１１８６号公報

本発明は、上記問題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、接着強度に優れるだけでなく接着剤が不要で、更に異なる物性を持つ積層シートとして様々な用途に利用できる金属箔-ＣＦＲＰ積層シートを提供することにある。

本発明者が上記課題を解決するために採用した手段を添付図面を参照して説明すれば次のとおりである。

即ち、本発明は、ＣＦＲＰシート１と金属箔２とが接着剤層を介さず直接、融着一体化されて成る金属箔-ＣＦＲＰ積層シートにおいて、前記ＣＦＲＰシート１を、連続繊維状の炭素繊維を長さ方向に向きを揃えて配列したＵＤシートとし、かつ、炭素繊維間に含浸させるマトリックス樹脂として、金属接着性を有する樹脂を使用した点に特徴がある。

また上記ＣＦＲＰシート１については、繊維シート材Ｃの片面にマトリックス樹脂となる樹脂フィルムＦを重ね合わせたものを加熱加圧して、溶融した前記樹脂フィルムＦを繊維シート材Ｃに含浸又は半含浸させて一体化したものを使用することが好ましい。

また上記ＣＦＲＰシート１に使用される繊維シート材Ｃについては、薄層の開繊繊維束を使用するのが好ましい。また上記ＣＦＲＰシート１の平均厚みは5μｍ〜50μｍとするのが好ましい。また上記金属箔２には銅箔を使用するのが好ましい。

また上記マトリックス樹脂に用いる金属接着性を有する樹脂としては、フッ素系樹脂またはオレフィン系エラストマーまたはポリアミド系樹脂を使用するのが好ましく、フッ素系樹脂としては、ＥＴＦＥまたはＥＦＥＰを使用するのが好ましい。また上記積層シートＳ中の炭素繊維の繊維体積含有率は1％〜60％とするのが好ましい。また上記金属箔-ＣＦＲＰ積層シートについては電極板に好適に使用することができる。

本発明では、ＣＦＲＰシートの炭素繊維束間に含浸させるマトリックス樹脂として、金属接着性を有する樹脂を使用したことにより、加熱ロールで挟み込むだけでこれらを熱圧着により積層一体化してＣＦＲＰ-金属箔積層シートを製造することが可能となる。またＣＦＲＰシートと金属材料の接着強度も改善できる。

また本発明のＣＦＲＰ-金属箔積層シートは、物性の異なるＣＦＲＰシートと金属箔を一体化して構成しているため、電極板や建築材料、産業資材、工業部品等の様々な用途に利用することができ、本発明の実用的利用価値は非常に高い。

本発明の第一実施形態の金属箔-ＣＦＲＰ積層シートを表す全体断面図である。本発明の第一実施形態の金属箔-ＣＦＲＰ積層シートを表す概略断面図である。本発明の第一実施形態の金属箔-ＣＦＲＰ積層シートの製造方法を説明するための装置説明図である。本発明の第一実施形態の金属箔-ＣＦＲＰ積層シートの製造方法を説明するための工程説明図である。

『第一実施形態』
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で指示するものは、ＣＦＲＰシートであり、符号２で指示するものは、金属箔である。符号Ｓで指示するものは、積層シートである。

「金属箔-ＣＦＲＰ積層シートの構成」
[１]金属箔-ＣＦＲＰ積層シートの基本構成について
本実施形態の金属箔-ＣＦＲＰ積層シートの基本構成について説明する。本実施形態では、図１及び図２に示すように、ＣＦＲＰシート１と金属箔２とを接着剤層を介さずに直接、融着一体化して積層シートＳを構成している。またＣＦＲＰシート１には、連続繊維状の炭素繊維を長さ方向に向きを揃えて配列したＵＤシートを使用すると共に、ＵＤシートの炭素繊維間に含浸させるマトリックス樹脂として金属接着性を有するフッ素系樹脂を使用している。

上記の構成により、物性の異なるＣＦＲＰシート１と金属箔２とを、高い接着強度を維持したままマトリックス樹脂以外の樹脂材料を介さずに一体化することができるため、電極板等の用途で積層シートＳを好適に使用できる。

[２]ＣＦＲＰシートについて
[2-1]炭素繊維の材料
次に上記積層シートＳの各構成要素について説明する。まず本実施形態では、ＣＦＲＰシート１として炭素繊維束の向きを同じ方向に揃えたＵＤシートを使用している。また本実施形態では、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12000〜24000本)束ねた炭素繊維束を使用しているが、炭素繊維の本数は炭素繊維束の太さに応じて適宜変更できる。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。

[2-2]炭素繊維のサイジング剤
また本実施形態では、上記炭素繊維束にアミノ基を有するサイジング剤を塗布したものを使用している。なおサイジング剤に関しては、炭素繊維束とマトリックス樹脂の結合強度を調節する役割や加工時に炭素繊維束の損傷を抑制する役割があり、好ましくはポリアミド系樹脂を使用することでＣＦＲＰシート１の曲げ強度や引張り強度を向上させることができる。なおサイジング剤としては、熱可塑性樹脂を好適に使用できるが、エポキシ樹脂系やビニルエステル樹脂系のものを使用することもできる。

[2-3]炭素繊維の繊維体積含有率
また上記ＣＦＲＰシート１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機能性が得られず、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内への樹脂の含浸性が悪化して物性低下を招くうえ、金属接着性も低下するため、Vf35％〜60％の範囲内で調整するのが好ましい。また積層シートＳ中における繊維体積含有率(以下、「Vf」と区別するために「LVf」と呼称)に関しては、繊維体積含有率が低過ぎるとＣＦＲＰシート１に孔空きが生じ、積層シートＳの厚さ方向に炭素繊維が存在しない部分が生じてしまい、また繊維体積含有率が高過ぎるとＣＦＲＰシート１の樹脂含浸性の悪い部分が発生し、その部分が起点となって金属箔２との接合強度が低下するため、LVf1％〜60％の範囲内で調整するのが好ましい。

[2-4]マトリックス樹脂
また上記ＣＦＲＰシート１のマトリックス樹脂に関しては、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ＥＦＥＰ等のフッ素系樹脂を使用することもできる。また上記マトリックス樹脂には、フッ素系樹脂以外の金属接着性を有するオレフィン系エラストマーやポリアミド系樹脂、これらのポリマーアロイを使用することもできる。

[３]金属箔について
また上記金属箔２の材料としては、本実施形態では銅箔を使用しているが、金属材料としてはこれに限らず他の金属材料(例えば、アルミニウムや鉄、チタン、ステンレス等の材料等)を使用することもできる。また金属箔２の厚みや形状についても積層シートＳの用途に応じて適宜変更することができる。

「金属箔-ＣＦＲＰ積層シートの製造方法」
[１]繊維シート材の製造方法について
次に本実施形態の積層シートＳの製造方法について説明する。まずＣＦＲＰシート１に使用する炭素繊維束の繊維シート材については、複数本の繊維束を幅方向に一定間隔で並べた後、これらの繊維束を幅広く、薄く開繊してシート状に形成している。この開繊処理に関しては、特許第４８１３５８１号公報、特許第４７４０１３１号公報や特許第５３２６１７０号公報、特許第５５５３０７４号公報等に記載されている方法を好適に採用できる。

また上記繊維シート材に関しては、繊維束中に流体を通過させることで繊維を撓ませながら幅方向に移動させて開繊する流体開繊工程と、搬送される前記繊維束に対して接触部材を接触させながら前記繊維束の一部を押し込んで緊張状態とした後、緊張状態の前記繊維束から接触部材を離間させて前記繊維束を一時的に弛緩状態とする変動動作を繰り返し与える縦振動付与工程と、開繊された前記繊維束を幅方向に往復振動させる横振動付与工程とを含む開繊方法を採用することで、品質の良い繊維シート材Ｃが得られる。

[２]ＣＦＲＰシートの製造方法について
[2-1]基本工程
次にＣＦＲＰシート１の製造方法に関しては、上記炭素繊維束を面状に配列した繊維シート材Ｃの片面に、マトリックス樹脂となる樹脂フィルムＦを重ね合わせた状態でこれらを加熱加圧して、溶融した樹脂フィルムＦを繊維シート材Ｃに含浸させている。また上記樹脂フィルムＦの含浸方法については、本実施形態では、繊維シート材Ｃの炭素繊維束同士が結合一体化される程度に半含浸させているが、繊維シート材Ｃの全ての炭素繊維束がマトリックス樹脂中に埋もれるように完全含浸させることもできる。

また本実施形態の製造方法についてより詳細に説明すると、図３に示すように、繊維シート材Ｃ、樹脂フィルムＦ、及び金属箔２を加熱ロールＲ₁・Ｒ₁に導入し、これらを重ね合わせた状態で挟み込み加熱加圧して積層一体化している。そして、積層一体化した積層シートを冷却ロールＲ₂・Ｒ₂で冷却固化し、それを引き取りロールＲ₃・Ｒ₃で引き取っている。

なお上記の際、ＣＦＲＰシート１の平均厚みが5μｍ〜50μｍとなるように繊維シート材Ｃと樹脂フィルムＦの一体化を行うのが好ましい。またＣＦＲＰシート１の厚さを調整する手段としては、装置の加熱温度や加圧力、引き取り速度を調整する手段や、開繊幅の変更やフィルムの厚みを変更する手段を採用できる。

[2-2]樹脂フィルムの送り出し工程
また本実施形態においては、上記樹脂フィルムＦを加熱ロールＲ₁・Ｒ₁に送り出す方法として、図３に示すように、成形された樹脂フィルムＦを巻出装置にセットしたボビンから送り出しロールＲ₄により供給する方法を採用している。なおその他の方法としては、押出成形装置のＴダイから樹脂フィルムを押し出し、この樹脂フィルムをフィルム冷却ロールで冷却固化した後、回転刃を備えたスリット用切断ロールとスリット用受けロールに導入して、樹脂フィルムの両端をスリットする方法を採用することもできる(図示せず)。

[2-3]繊維シート材・樹脂フィルム・金属箔の積層工程
また本実施形態では、図３及び図４に示すように、繊維シート材Ｃと樹脂フィルムＦを積層一体化する際に、繊維シート材Ｃ及び樹脂フィルムＦよりも幅が広い金属箔２を使用している。これにより、搬送用ベルトや搬送用シートに溶融樹脂が付着し難くなりＣＦＲＰシート１を安定して製造できる。また搬送用ベルトまたは搬送用シートを使用する場合でも、各種ローラの表面に溶融樹脂が付着することを抑制できる。

また本実施形態では、加熱ロールＲ₁・Ｒ₁による熱圧着を加熱温度180〜280℃、加圧力0.1〜1MPaの条件下で行い、繊維シート材Ｃ、樹脂フィルムＦ及び金属箔２を積層一体化している。これにより加熱ロールＲ₁・Ｒ₁によるによる熱圧着だけで簡単に積層シートＳを製造することができる。なお熱圧着の条件となる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１に使用するマトリックス樹脂の材料に応じて適宜調整できる。

１ＣＦＲＰシート
２金属箔
Ｓ積層シート
Ｃ繊維シート材
Ｆ樹脂フィルム
Ｒ₁ 加熱ロール
Ｒ₂ 冷却ロール
Ｒ₃ 引き取りロール
Ｒ₄ 送り出しロール

Claims

ＣＦＲＰシート(１)と金属箔(２)とが接着剤層を介さず直接、融着一体化されて成る金属箔-ＣＦＲＰ積層シートであって、
前記ＣＦＲＰシート(１)が、連続繊維状の炭素繊維を長さ方向に向きを揃えて配列したＵＤシートであり、かつ、炭素繊維間に含浸させるマトリックス樹脂として、金属接着性を有する樹脂が使用されていることを特徴とする金属箔-ＣＦＲＰ積層シート。
ＣＦＲＰシート(１)が、繊維シート材の片面にマトリックス樹脂となる樹脂フィルムを重ね合わせたものを加熱加圧して、溶融した前記樹脂フィルムを繊維シート材に含浸又は半含浸させて一体化したものであることを特徴とする請求項１記載の金属箔-ＣＦＲＰ積層シート。
ＣＦＲＰシート(１)に使用される繊維シート材が薄層の開繊繊維束から成ることを特徴とする請求項２記載の金属箔-ＣＦＲＰ積層シート。
ＣＦＲＰシート(１)の平均厚みが5μｍ〜50μｍであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の金属箔-ＣＦＲＰ積層シート。
金属箔が銅箔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金属箔-ＣＦＲＰ積層シート。
マトリックス樹脂に用いられる金属接着性を有する樹脂がフッ素系樹脂またはオレフィン系エラストマーまたはポリアミド系樹脂であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載の金属箔-ＣＦＲＰ積層シート。
マトリックス樹脂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６記載の金属箔-ＣＦＲＰ積層シート。
積層シート(Ｓ)中における炭素繊維の繊維体積含有率が1％〜60％であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一つに記載の金属箔-ＣＦＲＰ積層シート。
電極板に使用されることを特徴とする請求項１〜８の何れか一つに記載の金属箔-ＣＦＲＰ積層シート。