JP2021172012A - 炭素繊維強化プラスチック板、加工品および炭素繊維強化プラスチック板の製造方法 - Google Patents

炭素繊維強化プラスチック板、加工品および炭素繊維強化プラスチック板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】極端な偏りが無い程度に等方性のある強度を満足することのできる、炭素繊維強化プラスチック板、加工品および炭素繊維強化プラスチック板の製造方法を提供する。【解決手段】繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、配向方向を有する炭素繊維不織布と、母材とを有する第１炭素繊維強化プラスチック層と、繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、前記第１炭素繊維強化プラスチック層の炭素繊維不織布の配向方向と直交する配向方向を有する炭素繊維不織布と、母材とを有する第２炭素繊維強化プラスチック層と、を備え、少なくとも前記第１炭素繊維強化プラスチック層と前記第２炭素繊維強化プラスチック層とが１層ずつ同数積層する、炭素繊維強化プラスチック板。【選択図】図２

Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチック板、加工品および炭素繊維強化プラスチック板の製造方法に関する。
炭素繊維強化プラスチック（以下、「ＣＦＲＰ」とする場合がある）は、軽量で高い強度を有し、釣竿やゴルフクラブのシャフト等のスポーツ用途、自動車や航空機等の産業用途などの他、建築物の補強等の建設分野等にも幅広く用いられている。
例えば、特許文献１には、トウ状の炭素繊維糸の複数本が互いに並列に配列されてなるシートの複数枚が、それぞれのシートの炭素繊維糸の配列方向が基準とする方向に対して異なる角度をもって積層された状態で、ステッチ糸で一体化されたステッチ基材について、開示されている。
また、特許文献２では、強化繊維束を単糸１０００本当たりの幅が１．３ｍｍ以上になるように開繊拡幅して得られた一軸配向強化繊維シートに目付け１０ｇ／ｍ２以下のホットメルト接着剤から成る繊維ウェブを接合してなる複合材料用の強化繊維配向シートについて、開示されている。
特許第４５３４４０９号公報 特開２００５−２３１１５１号公報
特許文献１、２のように、炭素繊維の織布に母材を含侵させたＣＦＲＰの場合、炭素繊維の織布の配向方向と同一方向に対する強度に優れているものの、炭素繊維の織布の配向方向とは異なる方向に対しては、強度に劣る。そのため、炭素繊維の織布を用いたＣＦＲＰとしては強度に異方性があることとなり、ローラーや研削用ホイール等の、強度に極端な偏りが無い程度に等方性の要求される加工品の用途としてこのようなＣＦＲＰは不向きである。
そこで、本発明は、極端な偏りが無い程度に等方性のある強度を満足することのできる、炭素繊維強化プラスチック板、加工品および炭素繊維強化プラスチック板の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、配向方向を有する第１炭素繊維不織布と、母材とを有する第１炭素繊維強化プラスチック層と、繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向と直交する配向方向を有する第２炭素繊維不織布と、母材とを有する第２炭素繊維強化プラスチック層と、を備え、少なくとも前記第１炭素繊維強化プラスチック層と前記第２炭素繊維強化プラスチック層とが１層ずつ同数積層する。
繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向および前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と４５度の角度で交差する配向方向を有する第３炭素繊維不織布と、母材とを有する第３炭素繊維強化プラスチック層と、繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、前記第３炭素繊維強化プラスチック層の前記第３炭素繊維不織布の配向方向と直交し、かつ前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向および前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と４５度の角度で交差する配向方向を有する第４炭素繊維不織布と、母材とを有する第４炭素繊維強化プラスチック層と、を備え、前記第１炭素繊維強化プラスチック層と、前記第２炭素繊維強化プラスチック層と、前記第３炭素繊維強化プラスチック層と、前記第４炭素繊維強化プラスチック層とが少なくとも１層ずつ同数積層してもよい。
前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向と平行な方向における第１曲げ強度と、前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と平行な方向における第２曲げ強度と、前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向および前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と４５度の角度で交差する交差方向と平行な方向における第３曲げ強度と、の強度比が１：０．８〜１．２：０．８〜１．２であってもよい。
前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向と平行な方向における第１曲げ弾性率と、前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と平行な方向における第２曲げ弾性率と、前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向および前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と４５度の角度で交差する交差方向と平行な方向における第３曲げ弾性率と、の比率が１：０．８〜１．２：０．８〜１．２であってもよい。
前記母材が熱硬化性樹脂であってもよい。
前記炭素繊維強化プラスチック板に対する炭素繊維不織布の繊維体積含有率が２０〜４０体積％であってもよい。
前記炭素繊維強化プラスチック板の表面の平面度が５０ｍｍあたり０．００５〜０．０５ｍｍであってもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の加工品は、本発明の炭素繊維強化プラスチック板を研削加工した加工品である。
前記加工品がローラーであってもよい。
前記加工品が研削用ホイールであってもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の炭素繊維強化プラスチック板の製造方法は、本発明の炭素繊維強化プラスチック板の製造方法であって、母材を含浸させた積層体を硬化させる硬化工程を含み、前記積層体は、少なくとも前記第１炭素繊維強化プラスチック層と前記第２炭素繊維強化プラスチック層とが１層ずつ同数積層した積層体である。
前記積層体は、前記第１炭素繊維強化プラスチック層と、前記第２炭素繊維強化プラスチック層と、前記第３炭素繊維強化プラスチック層と、前記第４炭素繊維強化プラスチック層とが少なくとも１層ずつ同数積層した積層体であってもよい。
前記硬化工程後、前記積層体の表面をフライス加工するフライス加工工程を含んでもよい。
本発明によれば、極端な偏りが無い程度に等方性のある強度を満足することのできる、炭素繊維強化プラスチック板、加工品および炭素繊維強化プラスチック板の製造方法を提供することができる。
炭素繊維の配向方向について説明する炭素繊維不織布の模式斜視図である。 本発明の一実施形態に係る炭素繊維強化プラスチック板２００の模式斜視図である。 図２とは異なる態様の、本発明の一実施形態に係る炭素繊維強化プラスチック板３００の模式斜視図である。 炭素繊維強化プラスチック板２００、３００の模式斜視図である。 ローラー４００、研削用ホイール５００の斜視図である。 実施例において、炭素繊維強化プラスチック板について行った曲げ強度の評価結果を示すグラフである。 実施例において、炭素繊維強化プラスチック板について行った弾性率の評価結果を示すグラフである。
以下、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック板、加工品および炭素繊維強化プラスチック板の製造方法の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
［炭素繊維強化プラスチック板］
本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、第１炭素繊維強化プラスチック層と、第２炭素繊維強化プラスチック層と、を備える。ＣＦＲＰシートやプリプレグ、フィルムのように曲げられるような柔軟性はなく、硬く剛性のある板である。
〈第１炭素繊維強化プラスチック層〉
第１炭素繊維強化プラスチック層は、第１炭素繊維不織布と、母材とを有する層である。炭素繊維として不織布を採用し、母材と組み合わせた複合材料層とする。
（第１炭素繊維不織布）
本発明に用いることのできる炭素繊維不織布は、炭素繊維を織らずニードルパンチ法によって３次元に絡み合わせたシート状の布である。炭素繊維は、軽くて強いという長所があり、例えば鉄と比較すると比重で１／４倍、比強度で１０倍、比弾性率が７倍ある。その他にも、耐摩耗性、耐熱性、熱伸縮性、耐酸性、電気伝導性に優れる。例えば、アクリル繊維またはピッチを原料とし、原料を高温で炭化して作ることが可能であり、炭素繊維としては有機繊維の前駆体を加熱炭素化処理して得られる、質量比で９０％以上が炭素で構成される繊維が挙げられる。
炭素繊維として、アクリル繊維を使った炭素繊維はＰＡＮ（Polyacrylonitrile）系炭素繊維、ピッチを使った炭素繊維はピッチ（PITCH）系炭素繊維と区分される。さらにピッチ系炭素繊維の場合、等方性ピッチ系炭素繊維からは汎用の炭素繊維が製造され、メソフェーズピッチ系からは高強度で高弾性率の炭素繊維が製造される。本発明では、ＰＡＮ系炭素繊維およびピッチ系炭素繊維のいずれも使用することができる。例えば、剛性のあるＣＦＲＰを得るために、剛性に優れるピッチ系炭素繊維を使用することができ、また、強度のあるＣＦＲＰを得るために、強度に優れるＰＡＮ系炭素繊維を使用することができる。
このような炭素繊維不織布としては、例えばＰＡＮ系の炭素繊維を基本とし、質量３００〜１５００ｇ／ｍ２、厚みが３〜１５ｍｍのものを使用することができる。また、炭素繊維へレイヨン繊維、アクリル繊維、可塑性樹脂繊維、その他各種繊維を所定比率で複合した混合繊維を用いることもできる。
炭素繊維不織布として、航空機の端材を再利用することができるため、連続繊維の中間基材を炭素繊維不織布にしたものと比較して、航空機の端材を再利用した炭素繊維不織布の方が、コストが安い点がメリットとなる。また、炭素繊維不織布は、炭素繊維織布と比べてフライス加工等の加工時に毛羽立ちが抑えられるため、加工性に優れ、また、加工後の加工品の表面状態が平滑で仕上がり性にも優れる。
（炭素繊維の繊維長）
炭素繊維不織布は繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含む。繊維長が１０〜７０ｍｍであることにより、ニードルパンチ法により炭素繊維を３次元に絡み合わせることが出来ると共に、炭素繊維に配向性を付与することができる。繊維長が１０ｍｍ未満の場合には、炭素繊維を３次元に絡み合わせること困難となり、不織布を形成することができない場合がある。また、繊維長が７０ｍｍよりも長い炭素繊維は、繊維長が長すぎることにより炭素繊維に配向性を付与することが困難となるおそれがある。
（炭素繊維不織布の繊維の配向方向）
炭素繊維不織布の繊維の配向方向について、図１を用いて説明する。図１は、炭素繊維の配向方向について説明する炭素繊維不織布の模式斜視図である。炭素繊維不織布シート１００は、ニードルパンチ法により形成されたシートであり、矢印で示す配向方向に炭素繊維が配向している。この配向方向は、ニードルパンチ法において、例えばバーブと呼ばれる突起のついた針を数１０回／ｃｍ２以上突き刺すことにより繊維同士を機械的に絡ませて不織布に加工する際の、炭素繊維の進行方向（すなわちマシンディレクション）と直交する。
ただし、織布とは異なり、不織布の場合には炭素繊維の全てが同一方向に配向するのではなく、点線で示す繊維のように、配向方向とは異なる方向を向く炭素繊維も存在する。本発明では、配向している割合が一番高い方向を配向方向とする。配向比率が一番高い方向の機械特性が一番高くなる。
（母材）
本発明の炭素繊維強化プラスチック板において、母材は炭素繊維の間隙を充填する材料であり、合成樹脂や天然樹脂を用いることができる。ＣＦＲＰ板としての強度を確保する観点から、エポキシ樹脂やウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂を母材として用いることができる。また、炭素繊維との相溶性の点から、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）も用いることができる。
特に、母材としてエポキシ樹脂を使用する場合には、ビスフェノールＡやビスフェノールＦとエピクロルヒドリンとの共重合体を主剤とし、種々のポリアミンや無水フタル酸等の酸無水物を硬化剤として使用することができる。また、ＣＦＲＰ板に溶剤が含まれないよう、また、板としての痩せが生じないよう、無溶剤型の樹脂を使用することが好ましく、炭素繊維との複合の容易性の観点から、常温で固形の樹脂よりも液状の樹脂を用いることが好ましい。
エポキシ樹脂としては、具体的にはエポキシ当量１５０〜３００の液状無溶剤型のビスフェノールＡを主剤とし、これと相溶し反応硬化可能なビスアミノ化合物を硬化剤として使用することができる。例えば、これらの主剤と硬化剤を混合後、ポットライフ以前に炭素繊維と複合化することで、ＣＦＲＰ板とすることができる。
〈第２炭素繊維強化プラスチック層〉
第２炭素繊維強化プラスチック層は、繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向と直交する配向方向を有する第２炭素繊維不織布と、母材とを有する層である。母材の詳細については、〈第１炭素繊維強化プラスチック層〉の項目において説明した内容と同様であるため、ここでは説明は省略する。
（第２炭素繊維不織布）
第２炭素繊維不織布に用いることのできる炭素繊維不織布の詳細については、〈第１炭素繊維強化プラスチック層〉の項目において説明した内容と同様であるため、ここでは説明は省略する。
（第２炭素繊維不織布の配向方向）
第２炭素繊維不織布は、配向方向が第１炭素繊維不織布の配向方向と直交する点で、第１炭素繊維不織布とは異なる。そこで、第１炭素繊維不織布と同様の不織布の配向方向を変えたものを第２炭素繊維不織布として使用してもよく、第１炭素繊維不織布とは異なる不織布を使用してもよい。ただし、炭素繊維強化プラスチック板の強度の等方性を考慮すると、第１炭素繊維不織布と同様の不織布の配向方向を変えたものを第２炭素繊維不織布として使用することが好ましい。なお、配向方向の詳細については、〈第１炭素繊維強化プラスチック層〉の項目において説明した内容と同様であるため、ここでは説明は省略する。
本発明の炭素繊維強化プラスチック板の具体例について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る炭素繊維強化プラスチック板の模式斜視図である。図２（ａ）は４枚の炭素繊維不織布シート１００を積層する順に重ねたものである。シート平面において左右方向（図２の横方向）をｘ方向とした場合、ｘ方向に対して９０度の方向ｄ１が炭素繊維の配向方向となる炭素繊維不織布のシートを第１炭素繊維不織布シート１０１とすると、ｘ方向に対して０度の方向、すなわちｘ方向と平行な方向ｄ２が炭素繊維の配向方向となる炭素繊維不織布のシートが、第２炭素繊維不織布シート１０２となる。
図２（ｂ）は、図２（ａ）の４枚の炭素繊維不織布シート１００が、第１炭素繊維不織布シート１０１と第２炭素繊維不織布シート１０２とが交互に２枚ずつ積層して母材で固められ、炭素繊維強化プラスチック板２００となったものである。炭素繊維強化プラスチック板２００では、第１炭素繊維不織布シート１０１と第２炭素繊維不織布シート１０２が、母材で固められて第１炭素繊維強化プラスチック層１１１と第２炭素繊維強化プラスチック層１１２となっている。
炭素繊維強化プラスチック板２００は、少なくとも第１炭素繊維強化プラスチック層１１１と第２炭素繊維強化プラスチック層１１２とが１層ずつ同数積層する。このように炭素繊維の配向方向が異なる炭素繊維強化プラスチック層が同数積層し、さらに、それぞれの炭素繊維強化プラスチック層において、配向方向とは異なる方向を向く炭素繊維が存在することにより、極端な偏りが無い程度に等方性のある強度を満足することのできる、炭素繊維強化プラスチック板となる。
〈第３炭素繊維強化プラスチック層〉
第３炭素繊維強化プラスチック層は、繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向および前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と４５度の角度で交差する配向方向を有する第３炭素繊維不織布と、母材とを有する層である。母材の詳細については、〈第１炭素繊維強化プラスチック層〉の項目において説明した内容と同様であるため、ここでは説明は省略する。
（第３炭素繊維不織布）
第３炭素繊維不織布に用いることのできる炭素繊維不織布の詳細については、〈第１炭素繊維強化プラスチック層〉の項目において説明した内容と同様であるため、ここでは説明は省略する。
（第３炭素繊維不織布の配向方向）
第３炭素繊維不織布は、配向方向が第１炭素繊維強化プラスチック層の第１炭素繊維不織布の配向方向および第２炭素繊維強化プラスチック層の第２炭素繊維不織布の配向方向と４５度の角度で交差する点で、第１炭素繊維不織布および第２炭素繊維不織布とは異なる。そこで、第１炭素繊維不織布および第２炭素繊維不織布と同様の不織布の配向方向を変えたものを第３炭素繊維不織布として使用してもよく、第１炭素繊維不織布や第２炭素繊維不織布とは異なる不織布を使用してもよい。ただし、炭素繊維強化プラスチック板の強度の等方性を考慮すると、第１炭素繊維不織布および第２炭素繊維不織布と同様の不織布の配向方向を変えたものを第３炭素繊維不織布として使用することが好ましい。なお、配向方向の詳細については、〈第１炭素繊維強化プラスチック層〉の項目において説明した内容と同様であるため、ここでは説明は省略する。
〈第４炭素繊維強化プラスチック層〉
第４炭素繊維強化プラスチック層は、繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、前記第３炭素繊維強化プラスチック層の前記第３炭素繊維不織布の配向方向と直交し、かつ前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向および前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と４５度の角度で交差する配向方向を有する第４炭素繊維不織布と、母材とを有する層である。母材の詳細については、〈第１炭素繊維強化プラスチック層〉の項目において説明した内容と同様であるため、ここでは説明は省略する。
（第４炭素繊維不織布）
第４炭素繊維不織布に用いることのできる炭素繊維不織布の詳細については、〈第１炭素繊維強化プラスチック層〉の項目において説明した内容と同様であるため、ここでは説明は省略する。
（第４炭素繊維不織布の配向方向）
第４炭素繊維不織布は、配向方向が前記第３炭素繊維強化プラスチック層の前記第３炭素繊維不織布の配向方向と直交し、かつ前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向および前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と４５度の角度で交差する点で、第１炭素繊維不織布、第２炭素繊維不織布および第３炭素繊維不織布とは異なる。そこで、第１炭素繊維不織布、第２炭素繊維不織布および第３炭素繊維不織布と同様の不織布の配向方向を変えたものを第４炭素繊維不織布として使用してもよく、第１炭素繊維不織布、第２炭素繊維不織布または第３炭素繊維不織布とは異なる不織布を使用してもよい。ただし、炭素繊維強化プラスチック板の強度の等方性を考慮すると、第１炭素繊維不織布、第２炭素繊維不織布および第３炭素繊維不織布と同様の不織布の配向方向を変えたものを第４炭素繊維不織布として使用することが好ましい。なお、配向方向の詳細については、〈第１炭素繊維強化プラスチック層〉の項目において説明した内容と同様であるため、ここでは説明は省略する。
図２とは異なる態様の、本発明の炭素繊維強化プラスチック板の具体例について、図３を用いて説明する。図２とは異なる態様の、本発明の一実施形態に係る炭素繊維強化プラスチック板の模式斜視図である。図３（ａ）は８枚の炭素繊維不織布シート１００を積層する順に重ねたものである。シート平面において左右方向（図３の横方向）をｘ方向とした場合、ｘ方向に対して９０度の方向ｄ１が炭素繊維の配向方向となる炭素繊維不織布のシートを第１炭素繊維不織布シート１０１とすると、ｘ方向に対して０度の方向、すなわちｘ方向と平行な方向ｄ２が炭素繊維の配向方向となる炭素繊維不織布のシートが、第２炭素繊維不織布シート１０２となる。
そして、ｘ方向に対して４５度の方向ｄ３が炭素繊維の配向方向となる炭素繊維不織布のシートが第３炭素繊維不織布シート１０３となる。第３炭素繊維不織布シート１０３の炭素繊維の配向方向は、第１炭素繊維不織布シート１０１の炭素繊維の配向方向および第２炭素繊維不織布シート１０２の炭素繊維の配向方向と４５度の角度で交差する。
さらに、ｘ方向に対して１３５度の方向ｄ４が炭素繊維の配向方向となる炭素繊維不織布のシートが第４炭素繊維不織布シート１０４となる。第４炭素繊維不織布シート１０４の炭素繊維の配向方向は、第１炭素繊維不織布シート１０１の炭素繊維の配向方向および第２炭素繊維不織布シート１０２の炭素繊維の配向方向と４５度の角度で交差し、かつ第３炭素繊維不織布シート１０３の炭素繊維の配向方向と直交する。
図３（ｂ）は、図３（ａ）の８枚の炭素繊維不織布シート１００が、第１炭素繊維不織布シート１０１、第４炭素繊維不織布シート１０４、第３炭素繊維不織布シート１０３、第２炭素繊維不織布シート１０２が順番に２枚ずつ積層して母材で固められ、炭素繊維強化プラスチック板３００となったものである。炭素繊維強化プラスチック板３００では、第１炭素繊維不織布シート１０１、第２炭素繊維不織布シート１０２、第３炭素繊維不織布シート１０３、第４炭素繊維不織布シート１０４が、母材で固められて第１炭素繊維強化プラスチック層１１１、第２炭素繊維強化プラスチック層１１２、第３炭素繊維強化プラスチック層１１３、第４炭素繊維強化プラスチック層１１４となっている。
炭素繊維強化プラスチック板３００は、第１炭素繊維強化プラスチック層１１１、第２炭素繊維強化プラスチック層１１２、第３炭素繊維強化プラスチック層１１３、第４炭素繊維強化プラスチック層１１４が少なくとも１層ずつ同数積層する。このように炭素繊維の配向方向が異なる炭素繊維強化プラスチック層が同数積層し、さらに、それぞれの炭素繊維強化プラスチック層において、配向方向とは異なる方向を向く炭素繊維が存在することにより、極端な偏りが無い程度に等方性のある強度を満足することのできる、炭素繊維強化プラスチック板となる。また、第３炭素繊維強化プラスチック層１１３および第４炭素繊維強化プラスチック層１１４を備えることにより、炭素繊維強化プラスチック板３００は炭素繊維強化プラスチック板２００よりもより等方性のある強度を満足することができる。
（その他の構成）
本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、第１炭素繊維強化プラスチック層〜第４炭素繊維強化プラスチック層に加え、他の構成を備えてもよい。例えば、第１炭素繊維強化プラスチック層〜第４炭素繊維強化プラスチック層のそれぞれの層を接着して積層する場合には、これらの層の間に母材との相性の良い樹脂系の接着剤層を備えることができる。また、第１炭素繊維強化プラスチック層〜第４炭素繊維強化プラスチック層のいずれかの表面に傷が発生したり、表面が汚染したりしないよう、炭素繊維強化プラスチック板を使用する直前まで、炭素繊維強化プラスチック板の表面を保護する保護層や保護フィルム等を備えてもよい。
図４に炭素繊維強化プラスチック板２００、３００の模式斜視図を示す。炭素繊維強化プラスチック板２００、３００のそれぞれの同一平面上において、第１炭素繊維強化プラスチック層の第１炭素繊維不織布の配向方向についてＤ１を付した矢印、第２炭素繊維強化プラスチック層の第２炭素繊維不織布の配向方向についてＤ２を付した矢印、第１炭素繊維強化プラスチック層の第１炭素繊維不織布の配向方向Ｄ１および第２炭素繊維強化プラスチック層の第２炭素繊維不織布の配向方向Ｄ２と４５度の角度で交差する交差方向についてＤ３を付した矢印で示す。なお、炭素繊維強化プラスチック板３００において、交差方向Ｄ３は、第３炭素繊維強化プラスチック層の第３炭素繊維不織布の配向方向であり、かつ、第４炭素繊維強化プラスチック層の第４炭素繊維不織布の配向方向である。
炭素繊維強化プラスチック板２００、３００では、第１炭素繊維強化プラスチック層の第１炭素繊維不織布の配向方向Ｄ１と平行な方向における曲げ強度（第１曲げ強度）、第２炭素繊維強化プラスチック層の第２炭素繊維不織布の配向方向Ｄ２と平行な方向における曲げ強度（第２曲げ強度）、第１炭素繊維強化プラスチック層の第１炭素繊維不織布の配向方向Ｄ１および第２炭素繊維強化プラスチック層の第２炭素繊維不織布の配向方向Ｄ２と４５度の角度で交差する交差方向Ｄ３と平行な方向における曲げ強度（第３曲げ強度）との強度比が、以下の比となることが好ましい。
第１曲げ強度：第２曲げ強度：第３曲げ強度＝１：０．８〜１．２：０．８〜１．２
強度比が上記の比を満たすことにより、本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、より等方性のある強度を満足することができる。強度比が上記の比を満たさない場合には、強度に異方性が生じてしまうことにより、所定の方向における強度が極端に小さくなってしまうおそれがある。
なお、炭素繊維強化プラスチック板３００では、方向Ｄ１および方向Ｄ３と２２．５度の角度で交差する交差方向Ｄ４、および、方向Ｄ２および方向Ｄ３と２２．５度の角度で交差する交差方向Ｄ５についても、方向Ｄ１の８０％〜１２０％の曲げ強度を有する。そのため、炭素繊維強化プラスチック板２００と比べて、炭素繊維強化プラスチック板３００はより等方性のある強度を満足することができる。
また、炭素繊維強化プラスチック板２００、３００では、第１炭素繊維強化プラスチック層の第１炭素繊維不織布の配向方向Ｄ１と平行な方向における曲げ弾性率（第１曲げ弾性率）、第２炭素繊維強化プラスチック層の第２炭素繊維不織布の配向方向Ｄ２と平行な方向における曲げ弾性率（第２曲げ弾性率）、第１炭素繊維強化プラスチック層の第１炭素繊維不織布の配向方向Ｄ１および第２炭素繊維強化プラスチック層の第２炭素繊維不織布の配向方向Ｄ２と４５度の角度で交差する交差方向Ｄ３と平行な方向における曲げ弾性率（第３曲げ弾性率）との比率が、以下の比となることが好ましい。
第１曲げ弾性率：第２曲げ弾性率：第３曲げ弾性率＝１：０．８〜１．２：０．８〜１．２
弾性率の比率が上記の比を満たすことにより、本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、より等方性のある弾性を満足することができる。弾性率の比率が上記の比を満たさない場合には、弾性に異方性が生じてしまうことにより、所定の方向における弾性が極端に小さくなってしまうおそれがある。
また、炭素繊維強化プラスチック板３００では、方向Ｄ１および方向Ｄ３と２２．５度の角度で交差する交差方向Ｄ４、および、方向Ｄ２および方向Ｄ３と２２．５度の角度で交差する交差方向Ｄ５についても、方向Ｄ１の８０％〜１２０％の弾性率を有する。そのため、炭素繊維強化プラスチック板２００と比べて、炭素繊維強化プラスチック板３００はより等方性のある弾性を有することができる。
本発明の炭素繊維強化プラスチック板としては、板の厚みが５〜１００ｍｍであることが一般的であり、特には８〜４０ｍｍの厚みの板が汎用的に用いられる。
本発明では、本発明の炭素繊維強化プラスチック板に対する炭素繊維不織布の繊維体積含有率（Ｖｆ）が、第１炭素繊維強化プラスチック層〜第４炭素繊維強化プラスチック層のいずれにおいても２０〜４０体積％であることが好ましい。Ｖｆが高いと、機械特性や物理特性に優れるという長所があるが、母材の量が少なくなるため、第１炭素繊維強化プラスチック層〜第４炭素繊維強化プラスチック層を形成することが困難となるおそれがある。また、Ｖｆが高いと、靱性や加工性、表面平滑性に劣るおそれがある。一方で、Ｖｆが低いと、母材の特性が優先的に発現してしまい、炭素繊維による強化向上効果が損なわれるおそれがある。これらの点を考慮して、第１炭素繊維強化プラスチック層〜第４炭素繊維強化プラスチック層の場合には、いずれの層においてもＶｆを２０〜４０体積％とすることで、加工性や表面の平滑性を満足することができる。
本発明では、本発明の炭素繊維強化プラスチック板の表面の平面度が５０ｍｍあたり０．００５〜０．０５ｍｍであってもよい。例えば、炭素繊維強化プラスチック板の表面をフライス加工することにより、このような平面度の表面を得ることができる。なお、炭素繊維強化プラスチック板の表面の平滑性が要求される場合には、本発明の炭素繊維強化プラスチック板の表面の平面度を１００ｍｍあたり０．００５〜０．０５ｍｍとすることがより好ましい。また、炭素繊維強化プラスチック板の表面の平滑性が更に厳密に要求される場合には、本発明の炭素繊維強化プラスチック板の表面の平面度を５００ｍｍあたり０．００５〜０．０５ｍｍとすることが更に好ましい。
［加工品］
本発明の加工品は、上記した本発明の炭素繊維強化プラスチック板を研削加工した加工品である。このような加工品としては、特に限定されない。例えば、ある程度の等方性のある強度が求められる加工品として、回転させて使用するローラーや研削用ホイールが挙げられる。図５に、一例としてローラー４００、研削用ホイール５００の斜視図を示す。
ローラーや研削用ホイールを回転させて使用する間は、それらの使用面４１０、５１０やその付近に均等に負荷がかかるため、使用面４１０、５１０の強度は均等であることが好ましい。本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、このような使用面に要求される強度を満たすことができる程度に、等方性のある強度を満足することができる。
［炭素繊維強化プラスチック板の製造方法］
次に、上記した本発明の炭素繊維強化プラスチック板について、その製造方法を説明する。
〈硬化工程〉
硬化工程は、母材を含浸させた積層体を硬化させる工程である。例えば母材が熱硬化性樹脂であれば、加熱させることで硬化させることができる。また、熱可塑性樹脂であれば、加熱溶融させた状態で炭素繊維不織布に樹脂を含浸させた後に、常温まで冷却することで硬化させることができる。
（積層体）
積層体は、少なくとも第１炭素繊維強化プラスチック層１０１と第２炭素繊維強化プラスチック層１０２とが１層ずつ同数積層した積層体であってもよい。このような積層体を硬化させることにより、炭素繊維強化プラスチック板２００や炭素繊維強化プラスチック板３００を製造することができる。
また、積層体は、第１炭素繊維強化プラスチック層１０１と、第２炭素繊維強化プラスチック層１０２と、第３炭素繊維強化プラスチック層１０３と、第４炭素繊維強化プラスチック層１０４とが少なくとも１層ずつ同数積層した積層体であってもよい。このような積層体を硬化させることにより、炭素繊維強化プラスチック板３００を製造することができる。
本発明の炭素繊維強化プラスチック板の製造手順としては、硬化工程の前に、第１炭素繊維強化プラスチック層１０１および第２炭素繊維強化プラスチック層１０２等を積層して積層体とし、この積層体に母材を含浸させて、その後に硬化工程を実施する手順とすることができる。また、第１炭素繊維強化プラスチック層１０１および第２炭素繊維強化プラスチック層１０２等のそれぞれに母材を含浸させてから、これらを積層して積層体とし、その後に硬化工程を実施する手順により、炭素繊維強化プラスチック板を製造してもよい。
また、複数の炭素繊維強化プラスチック板２００を接着剤によって接着し、厚みを増した炭素繊維強化プラスチック板２００を形成してもよい。炭素繊維強化プラスチック板３００の場合も同様に、複数の炭素繊維強化プラスチック板３００を接着剤によって接着し、厚みを増した炭素繊維強化プラスチック板３００を形成してもよい。なお、接着剤層があることによって炭素繊維強化プラスチック板の強度が低下するおそれがある場合には、例えばＶａＲＴＭ法により、積層体に母材を含浸させて、その後に室温硬化と加熱硬化を行うことにより、接着剤層が存在しない炭素繊維強化プラスチック板を製造することができる。
〈フライス加工工程〉
本発明では、硬化工程後、前記積層体の表面をフライス加工する工程を設けてもよい、ＣＦＲＰ板の表面平滑性を向上させるべく、例えば表面の平面度は５０ｍｍあたり０．００５〜０．０５ｍｍにする場合には、フライス加工を行えばよい。
（その他の工程）
本発明の炭素繊維強化プラスチック板の製造方法は、硬化工程やフライス加工工程に加え、他の構成を備えてもよい。例えば、積層体を得るべく、第１炭素繊維不織布〜第４炭素繊維不織布のそれぞれについて、繊維の配向方向を調整して積層する積層工程や、積層体へ母材を含浸させる含浸工程が挙げられる。
以下、本発明について、実施例を用いてさらに具体的に説明するが、本発明は、実施例に何ら限定されるものではない。以下の実施例では、炭素繊維強化プラスチック板を製造し、製造した炭素繊維強化プラスチック板に対してフライス加工、曲げ強度および弾性率の評価を行った。
［炭素繊維強化プラスチック板の製造］
〈実施例１〉
金型（内部寸法：１５×１５×１ｃｍ）内に、ニードルパンチ法により製造された炭素繊維不織布シート（日本ポリマー産業株式会社製CFZ-1000SD）を４層配置した。ここで、炭素繊維不織布シートの配置は図２（ａ）に示すように、炭素繊維の配向方向が９０度異なるように第１炭素繊維不織布シート１０１と第２炭素繊維不織布シート１０２とを交互に２枚ずつ積層した。なお、第１炭素繊維不織布シート１０１と第２炭素繊維不織布シート１０２としては、同一の炭素繊維不織布シートを用いた。そして、エポキシ樹脂主剤（三菱ケミカル株式会社製jER806）と硬化剤（東京化成工業株式会社製4,4’-メチレンビス(2-メチルシクロヘキシルアミン)）を質量比で１００：３６の割合で混合後、１００℃に加熱して密閉した金型内に混合した樹脂を０．５ＭＰａの圧力で加圧注入した。混合した樹脂の注入後、１００℃で２０分の加熱硬化を行い、厚みが１０ｍｍ、Ｖｆ２１％の炭素繊維強化プラスチック板２００を得た。なお、炭素繊維織布は使用しなかった。
〈実施例２〉
金型（内部寸法：１５×１５×１ｃｍ）内に、ニードルパンチ法により製造された炭素繊維不織布シート（日本ポリマー産業株式会社製CFZ-1000SD）を８層配置した。ここで、炭素繊維不織布シートの配置は図３（ａ）に示すように、第１炭素繊維不織布シート１０１、第４炭素繊維不織布シート１０４、第３炭素繊維不織布シート１０３、第２炭素繊維不織布シート１０２の順に２枚ずつ積層した。なお、第１炭素繊維不織布シート１０１、第２炭素繊維不織布シート１０２、第３炭素繊維不織布シート１０３、および第４炭素繊維不織布シート１０４としては、同一の炭素繊維不織布シートを用いた。そして、エポキシ樹脂主剤（三菱ケミカル株式会社製jER806）と硬化剤（東京化成工業株式会社製4,4’-メチレンビス(2-メチルシクロヘキシルアミン)）を質量比で１００：３６の割合で混合後、１００℃に加熱して密閉した金型内に混合した樹脂を０．５ＭＰａの圧力で加圧注入した。混合した樹脂の注入後、１００℃で２０分の加熱硬化を行い、厚みが２０ｍｍ、Ｖｆ２１％の炭素繊維強化プラスチック板３００を得た。なお、炭素繊維織布は使用しなかった。
〈比較例１〉
縦１２ｃｍ、横１２ｃｍの炭素繊維織布（東レ株式会社製BT70-20）を１０層重ねた炭素繊維を金属板上に配置し、母材が漏えいしないように炭素繊維の周囲をフィルムとシーラントで密閉した。そして、エポキシ樹脂主剤（三菱ケミカル株式会社製jER806）と硬化剤（三菱ガス化学株式会社製1,3-BAC）を質量比で１００：２１の割合で混合後、ＶａＲＴＭ法により、混合した樹脂を炭素繊維へ注入した。注入後に室温硬化させ、さらに１５０℃、６０分の条件で加熱硬化を行い、厚さが２ｍｍ、Ｖｆ５７体積％の炭素繊維強化プラスチック板を得た。なお、炭素繊維不織布は使用しなかった。
〈比較例２〉
金型（内部寸法：１５×１５×１ｃｍ）内に、ニードルパンチ法により製造された炭素繊維不織布シート（日本ポリマー産業株式会社製CFZ-1000SD）を４層配置した。ここで、各層の炭素繊維不織布シートは、炭素繊維の配向方向を同一方向に揃えて積層した。そして、エポキシ樹脂主剤（三菱ケミカル株式会社製jER806）と硬化剤（東京化成工業株式会社製4,4’-メチレンビス(2-メチルシクロヘキシルアミン)）を質量比で１００：３６の割合で混合後、１００℃に加熱して密閉した金型内に混合した樹脂を０．５ＭＰａの圧力で加圧注入した。混合した樹脂の注入後、１００℃で２０分の加熱硬化を行い、厚みが１０ｍｍ、Ｖｆ２１％の炭素繊維強化プラスチック板を得た。なお、炭素繊維織布は使用しなかった。
［フライス加工後の平面度の評価］
〈フライス加工処理〉
製造した実施例１、実施例２、比較例１および比較例２の炭素繊維強化プラスチック板を３体使用し、以下の条件により表面を０．５ｍｍ研削するフライス加工を行った。
（フライス加工条件）
装置：スクリューオン式汎用正面フライス(三菱マテリアル製)
カッタ型式：ASX44R10005D
インサート：SEGT13T3AGFN-JP HTi10
回転数：S=615min-1(V=193m/min)
送り速度：F=369mm/min
フライス加工後の実施例１、実施例２、比較例１および比較例２の炭素繊維強化プラスチック板について、これらの表面の平面度（平面形体の幾何学的に正しい平面からの狂いの大きさ）を、３次元精密測定機（ＺＥＩＳＳ社製 型番：ＵＰＭＣ８５０）を用いて測定した。各例の炭素繊維強化プラスチック板３体の平面度の平均値を、表１に示す。
Figure 2021172012
実施例１、実施例２および比較例２の炭素繊維強化プラスチック板では、炭素繊維織布は使用せず、炭素繊維不織布を用いたことにより、フライス加工後の平面度に問題は無く、平面性は高い結果となった。
一方で、炭素繊維不織布を使用せずに炭素繊維織布を用いた比較例１の炭素繊維強化プラスチック板は、フライス加工によって繊維が毛羽立ち、毛羽立ちによって平面度の値が大きくなり平面性の低い板であった。
［曲げ強度および弾性率の評価］
実施例１の炭素繊維強化プラスチック板２００について、ＪＩＳ Ｋ７０７４に基づき以下の条件にて、図４（ａ）に示すＤ１、Ｄ２、Ｄ３方向の曲げ試験を実施し、Ｄ１方向の曲げ強度および弾性率を１００％とした場合のＤ２、Ｄ３方向の曲げ強度および弾性率を比較した。曲げ強度の結果を図６、弾性率の結果を図７に示す。また、比較例１の炭素繊維強化プラスチック板についても同様に、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３方向の曲げ強度および弾性率を比較し、図６、７に示した。
試験片の寸法：１００×１５ｍｍ、厚み２ｍｍ
試験速度：５ｍｍ／分
支点間距離Ｌ：Ｌ＝４０×ｈ（８０ｍｍ）
圧子の半径Ｒ１：Ｒ１＝５ｍｍ
支持台の半径Ｒ２：Ｒ２＝２ｍｍ
曲げ弾性率：接線法
実施例１の炭素繊維強化プラスチック板は、Ｄ１〜Ｄ３方向の曲げ強度比が、Ｄ１：Ｄ２：Ｄ３＝１００：１０１：９８であり、また、曲げ弾性率の比率がＤ１：Ｄ２：Ｄ３＝１００：１０１：９６であることから、極端な偏りが無い程度に等方性のある強度および弾性を満足することがわかった。この炭素繊維強化プラスチック板であれば、回転させて使用するローラーや研削用ホイールとしての用途に有用であった。
一方で、比較例１の炭素繊維強化プラスチック板は、Ｄ１〜Ｄ３方向の曲げ強度比が、Ｄ１：Ｄ２：Ｄ３＝１００：１１４：３０であり、また、曲げ弾性率の比率がＤ１：Ｄ２：Ｄ３＝１００：８８：３０であることから、Ｄ３方向の強度および弾性が弱い結果となった。比較例１に使用した炭素繊維織布は、縦糸および横糸を用いて織られた織布であり、Ｄ１方向およびＤ２方向が炭素繊維織布の縦糸および横糸のいずれかと平行な方向であることにより、一定の強度および弾性を有した。その一方で、Ｄ３方向は縦糸および横糸と４５度の角度で交差する方向であり、炭素繊維による補強効果が十分ではないことにより、Ｄ１方向やＤ２方向と比べて強度および弾性が劣る結果となった。この結果より、比較例１の炭素繊維強化プラスチック板は、Ｄ３方向の強度および弾性が弱く、強度および弾性に異方性があるため、回転させて使用するローラーや研削用ホイールとしての用途には不向きであることが明らかとなった。
〈まとめ〉
このように、本発明の炭素繊維強化プラスチック板であれば、極端な偏りが無い程度に等方性のある強度を満足することができ、また、フライス加工性やフライス加工後の平滑性を満足することができる。そのため、本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、回転させて使用するローラーや研削用ホイール等の用途に有用である。
１００ 炭素繊維不織布シート
１０１ 第１炭素繊維不織布シート
１０２ 第２炭素繊維不織布シート
１０３ 第３炭素繊維不織布シート
１０４ 第４炭素繊維不織布シート
１１１ 第１炭素繊維強化プラスチック層
１１２ 第２炭素繊維強化プラスチック層
１１３ 第３炭素繊維強化プラスチック層
１１４ 第４炭素繊維強化プラスチック層
２００ 炭素繊維強化プラスチック板
３００ 炭素繊維強化プラスチック板
４００ ローラー
４１０ 使用面
５００ 研削用ホイール
５１０ 使用面
Ｄ１ 配向方向
Ｄ２ 配向方向
Ｄ３ 交差方向

Claims (13)

  1. 繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、配向方向を有する第１炭素繊維不織布と、母材とを有する第１炭素繊維強化プラスチック層と、
    繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向と直交する配向方向を有する第２炭素繊維不織布と、母材とを有する第２炭素繊維強化プラスチック層と、を備え、
    少なくとも前記第１炭素繊維強化プラスチック層と前記第２炭素繊維強化プラスチック層とが１層ずつ同数積層する、炭素繊維強化プラスチック板。
  2. 繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向および前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と４５度の角度で交差する配向方向を有する第３炭素繊維不織布と、母材とを有する第３炭素繊維強化プラスチック層と、
    繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、前記第３炭素繊維強化プラスチック層の前記第３炭素繊維不織布の配向方向と直交し、かつ前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向および前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と４５度の角度で交差する配向方向を有する第４炭素繊維不織布と、母材とを有する第４炭素繊維強化プラスチック層と、を備え、
    前記第１炭素繊維強化プラスチック層と、前記第２炭素繊維強化プラスチック層と、前記第３炭素繊維強化プラスチック層と、前記第４炭素繊維強化プラスチック層とが少なくとも１層ずつ同数積層する、請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチック板。
  3. 前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向と平行な方向における第１曲げ強度と、
    前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と平行な方向における第２曲げ強度と、
    前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向および前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と４５度の角度で交差する交差方向と平行な方向における第３曲げ強度と、の強度比が１：０．８〜１．２：０．８〜１．２である、請求項１または２に記載の炭素繊維強化プラスチック板。
  4. 前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向と平行な方向における第１曲げ弾性率と、
    前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と平行な方向における第２曲げ弾性率と、
    前記第１炭素繊維強化プラスチック層の前記第１炭素繊維不織布の配向方向および前記第２炭素繊維強化プラスチック層の前記第２炭素繊維不織布の配向方向と４５度の角度で交差する交差方向と平行な方向における第３曲げ弾性率と、の比率が１：０．８〜１．２：０．８〜１．２である、請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチック板。
  5. 前記母材が熱硬化性樹脂である、請求項１〜４のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチック板。
  6. 前記炭素繊維強化プラスチック板に対する炭素繊維不織布の繊維体積含有率が２０〜４０体積％である、請求項１〜５のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチック板。
  7. 前記炭素繊維強化プラスチック板の表面の平面度が５０ｍｍあたり０．００５〜０．０５ｍｍである、請求項１〜６のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチック板。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチック板を研削加工した加工品。
  9. 前記加工品がローラーである、請求項８に記載の加工品。
  10. 前記加工品が研削用ホイールである、請求項８に記載の加工品。
  11. 請求項１〜７のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチック板の製造方法であって、
    母材を含浸させた積層体を硬化させる硬化工程を含み、
    前記積層体は、少なくとも前記第１炭素繊維強化プラスチック層と前記第２炭素繊維強化プラスチック層とが１層ずつ同数積層した積層体である、炭素繊維強化プラスチック板の製造方法。
  12. 前記積層体は、前記第１炭素繊維強化プラスチック層と、前記第２炭素繊維強化プラスチック層と、前記第３炭素繊維強化プラスチック層と、前記第４炭素繊維強化プラスチック層とが少なくとも１層ずつ同数積層した積層体である、請求項１１に記載の炭素繊維強化プラスチック板の製造方法。
  13. 前記硬化工程後、前記積層体の表面をフライス加工するフライス加工工程を含む、請求項１１または１２に記載の炭素繊維強化プラスチック板の製造方法。
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