JP2021172013A - 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
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Abstract
【課題】特定の一方向に強い機械特性を有する、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、一方向に配向方向を有する炭素繊維不織布と、母材と、を有し、前記配向方向と平行な方向における第１曲げ強度と、前記配向方向と直交する直交方向と平行な方向における第２曲げ強度と、の強度比が１．５〜３．０：１．０である、炭素繊維強化プラスチック板。【選択図】図１
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では、繊維長が５〜５０ｍｍの炭素繊維からなる不織布と重量平均分子量が７万以上３０万以下であるポリアリーレンスルフィドをマトリクス樹脂とする炭素繊維複合材料であり、計装化シャルピー衝撃試験で得られるき裂伝播エネルギーＥｐが０．２〜２［Ｊ］の範囲にある炭素繊維複合材料が、開示されている。
また、特許文献２では、炭素繊維を含んでなる炭素繊維基材の端材を切断して切断片を得、該切断片を不織布化してカーディングおよび／またはパンチングすることにより炭素繊維集合体を得る炭素繊維集合体の製造方法が開示されている。さらに、この製造方法で製造された炭素繊維集合体にマトリックス樹脂を含浸する炭素繊維強化プラスチックの製造方法が開示されている。
リニアガイドやロボットアーム等に用いられる部品は、長尺方向等の特定の一方向に剛性等の強い機械特性が求められる。従来、このような部品はステンレスやアルミニウム等の金属を加工して作られていた。このような金属製の部品を、金属よりも加工性が良好で安価であり、腐食しないＣＦＲＰ製の部品によって、代替することができれば、新しい市場が開拓できることとなる。新しい市場の開拓のためには、特定の一方向に強い機械特性を有するＣＦＲＰを見出すことが重要であり、これが実現できれば、金属製の上記部品を、ＣＦＲＰ製の部品に代替することが可能となる。
そこで、本発明は、特定の一方向に強い機械特性を有する、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、一方向に配向方向を有する炭素繊維不織布と、母材と、を有し、前記配向方向と平行な方向における第１曲げ強度と、前記配向方向と直交する直交方向と平行な方向における第２曲げ強度と、の強度比が１．５〜３．０：１．０である。
前記第１曲げ強度と、前記配向方向および前記直交方向と同一平面上における、前記配向方向および前記直交方向と４５度の角度で交差する方向と平行な方向における第３曲げ強度と、の強度比が１．５〜３．０：１．０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。
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。
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。
本発明の加工品は、前記炭素繊維不織布の前記配向方向と平行な長手方向を有してもよい。
前記加工品がリニアガイドであってもよい。
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、母材を含浸させた前記炭素繊維不織布を硬化させる硬化工程を含み、前記炭素繊維不織布は、繊維長が１０〜７０ｍｍの前記炭素繊維をニードルパンチ法により絡ませて得られる不織布である。
前記母材を含侵させる前に、前記炭素繊維不織布により形成された複数のシートを、前記配向方向を揃えて積層体とする積層工程を含み、前記積層工程後、前記積層体に前記母材を含侵させる含侵工程を含んでもよい。
前記硬化工程後、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、特定の一方向に強い機械特性を有する、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。
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、炭素繊維不織布と、母材と、を有する。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板とする。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。
本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、炭素繊維不織布と、母材と、を有する。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板とする。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。
〈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。
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が困難となり、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が困難となり、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。
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。
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。
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、４枚の炭素繊維不織布シート１００はいずれもｘ方向を向いており、ｘ方向と平行な方向が炭素繊維不織布シート１００の配向方向である。
図２（ｂ）は、図２（ａ）の４枚の炭素繊維不織布シート１００が、炭素繊維の配向方向をｘ方向に揃えて積層して母材で固められ、一方向としてｘ方向に配向方向を有する炭素繊維強化プラスチック板１５０となったものである。このように炭素繊維の配向方向を特定の一方向に揃えることで、炭素繊維強化プラスチック板は特定の一方向に強い機械特性を有することとなる。炭素繊維強化プラスチック板１５０の場合は、ｘ方向に炭素繊維の配向方向を揃えることで、ｘ方向に強い機械特性を有する。
（その他の構成）
本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、炭素繊維不織布および母材に加え、他の構成を備えてもよい。例えば、１枚の炭素繊維不織布シート１００を母材で固めて炭素繊維強化プラスチック板としたものを、複数枚接着することにより積層する場合には、これらの板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、炭素繊維強化プラスチック板１５０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１５０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。
本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、炭素繊維不織布および母材に加え、他の構成を備えてもよい。例えば、１枚の炭素繊維不織布シート１００を母材で固めて炭素繊維強化プラスチック板としたものを、複数枚接着することにより積層する場合には、これらの板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、炭素繊維強化プラスチック板１５０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１５０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３に、炭素繊維強化プラスチック板１５０、２００の模式斜視図を示し、ここでは図３（ａ）の炭素繊維強化プラスチック板１５０について説明する。炭素繊維強化プラスチック板１５０の同一平面上において、炭素繊維の配向方向（ｘ方向）と平行な方向についてＤ１を付した矢印、炭素繊維の配向方向（ｘ方向）と直交する直交方向と平行な方向についてＤ２を付した矢印、配向方向および直交方向と４５度の角度で交差する方向と平行な方向、すなわちＤ１およびＤ２と４５度の角度で交差する方向と平行な方向についてＤ３を付した矢印で示す。
炭素繊維強化プラスチック板１５０は、炭素繊維の配向方向（ｘ方向）と平行な方向Ｄ１における曲げ強度（第１曲げ強度）と、配向方向と直交する直交方向と平行な方向Ｄ２における曲げ強度（第２曲げ強度）との強度比が、以下の比となる。
第１曲げ強度：第２曲げ強度＝１．５〜３．０：１．０
また、炭素繊維強化プラスチック板１５０は、第１曲げ強度と、 炭素繊維の配向方向（ｘ方向）および直交方向と同一平面上における、配向方向および直交方向と４５度の角度で交差する方向と平行な方向Ｄ３、すなわち同一平面上においてＤ１およびＤ２と４５度の角度で交差する方向と平行な方向Ｄ３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３曲げ強度＝１．５〜３．０：１．０
第１曲げ強度と第２曲げ強度との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、特定の一方向に強い機械特性を有する炭素繊維強化プラスチック板となる。炭素繊維強化プラスチック板１５０の場合は、ｘ方向と平行な方向に強い機械特性を有する。第１曲げ強度と第２曲げ強度との強度比が上記の比を満たさない場合には、特定の一方向のみに強い機械特性を有することができないおそれがある。
また、第１曲げ強度と第３曲げ強度との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、特定の一方向にさらに強い機械特性を有する炭素繊維強化プラスチック板となる。炭素繊維強化プラスチック板１５０の場合は、ｘ方向と平行な方向に特に強い機械特性を有することができる。第１曲げ強度と第３曲げ強度との強度比が上記の比を満たさない場合には、特定の一方向のみに特に強い機械特性を有することができないおそれがある。
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５〜５０ｍｍであることが一般的であり、特には１０〜３０ｍｍ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、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、炭素繊維強化プラスチック板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、本発明の炭素繊維強化プラスチック板の場合には、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、特定の一方向に強い機械特性を有する加工品として、ロボットアームやリニアガイド等の、炭素繊維不織布の配向方向ｘと平行な長手方向を有する加工品が挙げられる。図４に、加工品の一例としてリニアガイド４００の斜視図を示す。
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、特定の一方向に強い機械特性を有する加工品として、ロボットアームやリニアガイド等の、炭素繊維不織布の配向方向ｘと平行な長手方向を有する加工品が挙げられる。図４に、加工品の一例としてリニアガイド４００の斜視図を示す。
リニアガイド４００は、レール４１０とスライダー４２０を備え、矢印で示すレール４１０の長手方向をスライダー４２０が移動することができる。スライダー４２０が長期的に繰り返し移動することのできる十分な耐久性を満足するためには、レール４１０の長手方向において強い機械特性を有することが重要である。本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、レール４１０の長手方向と炭素繊維不織布の配向方向ｘとが平行な方向となるように加工することで、レール４１０に要求される十分な耐久性を満足することができる。
また、スライダー４２０についても、本発明以外の炭素繊維強化プラスチック板を用いて加工してもよいが、本発明の炭素繊維強化プラスチック板を加工して得ることができる。例えば、スライダー４２０の移動方向と炭素繊維不織布の配向方向ｘとが平行な方向となるように加工することで、スライダー４２０に十分な耐久性を付与することができる。
［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。
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、母材を含浸させた炭素繊維不織布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。
硬化工程は、母材を含浸させた炭素繊維不織布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。
使用する炭素繊維不織布としては、繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維をニードルパンチ法により絡ませて得られる不織布を使用する。繊維長およびニードルパンチ法については説明済みなので、ここでは説明を省略する。
（積層工程、含侵工程）
本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、炭素繊維不織布シートを複数積層して製造してもよく、その場合に本発明の製造方法は、積層工程と含侵工程を含んでもよい。積層工程は、母材を含侵させる前に、例えば炭素繊維不織布シート１００のような炭素繊維不織布により形成された複数のシートを、配向方向を揃えて積層体とする工程である。また、含侵工程は、積層工程後、積層体に母材を含侵させる工程を含む。
本発明の炭素繊維強化プラスチック板は、炭素繊維不織布シートを複数積層して製造してもよく、その場合に本発明の製造方法は、積層工程と含侵工程を含んでもよい。積層工程は、母材を含侵させる前に、例えば炭素繊維不織布シート１００のような炭素繊維不織布により形成された複数のシートを、配向方向を揃えて積層体とする工程である。また、含侵工程は、積層工程後、積層体に母材を含侵させる工程を含む。
本発明の炭素繊維強化プラスチック板の製造手順の一例としては、積層工程、硬化工程および含侵工程の順に行う手順とすることができる、また、複数の炭素繊維不織布シート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１５０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。
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、硬化工程や積層工程、含侵工程、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、積層工程の前に、炭素繊維不織布により形成された１枚シートから同一寸法のシートを複数切り出す、切り出し工程が挙げられる。積層工程では、切り出し工程により得られる複数のシートを、配向方向を揃えて積層することにより、積層体を得ることができる。
本発明の炭素繊維強化プラスチック板の製造方法は、硬化工程や積層工程、含侵工程、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、積層工程の前に、炭素繊維不織布により形成された１枚シートから同一寸法のシートを複数切り出す、切り出し工程が挙げられる。積層工程では、切り出し工程により得られる複数のシートを、配向方向を揃えて積層することにより、積層体を得ることができる。
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１００（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（ｘ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１５０を得た。なお、炭素繊維織布は使用しなかった。
〈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１００（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（ｘ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１５０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、それぞれの層の炭素繊維の縦糸と横糸の各々の方向がいずれも平行となるように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。
縦１２ｃｍ、横１２ｃｍの炭素繊維織布（東レ株式会社製BT70-20）を、それぞれの層の炭素繊維の縦糸と横糸の各々の方向がいずれも平行となるように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１００（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５（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。すなわち、シート平面において左右方向（図５（ａ）の横方向）をｘ方向とし、ｘ方向と直交する方向であってシート平面において上下方向（図５（ｂ）の縦方向）をｙ方向とすると、第２炭素繊維不織布シート１０２の炭素繊維の配向方向はｘ方向と平行な方向であり、第１炭素繊維不織布シート１０１の炭素繊維の配向方向はｙ方向と平行な方向となった。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。
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１００（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５（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。すなわち、シート平面において左右方向（図５（ａ）の横方向）をｘ方向とし、ｘ方向と直交する方向であってシート平面において上下方向（図５（ｂ）の縦方向）をｙ方向とすると、第２炭素繊維不織布シート１０２の炭素繊維の配向方向はｘ方向と平行な方向であり、第１炭素繊維不織布シート１０１の炭素繊維の配向方向はｙ方向と平行な方向となった。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。
［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、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。
〈フライス加工処理〉
製造した実施例１、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
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、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。
実施例１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１］
実施例１の炭素繊維強化プラスチック板１５０について、ＪＩＳ Ｋ７０７４に基づき以下の条件にて、図３（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２の炭素繊維強化プラスチック板２００についても同様に、図３（ｂ）に示す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。なお、図３（ｂ）に示すＤ１、Ｄ２、Ｄ３方向は、それぞれ図３（ａ）に示すＤ１、Ｄ２、Ｄ３方向と同一方向である。
実施例１の炭素繊維強化プラスチック板１５０について、ＪＩＳ Ｋ７０７４に基づき以下の条件にて、図３（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２の炭素繊維強化プラスチック板２００についても同様に、図３（ｂ）に示す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。なお、図３（ｂ）に示すＤ１、Ｄ２、Ｄ３方向は、それぞれ図３（ａ）に示すＤ１、Ｄ２、Ｄ３方向と同一方向である。
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
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
図６の結果より、実施例１の炭素繊維強化プラスチック板１５０は、曲げ強度の比が、Ｄ１：Ｄ２＝１．９：１．０であり、Ｄ１：Ｄ３＝１．７：１．０であった。すなわち、第１曲げ強度：第２曲げ強度＝１．５〜３．０：１．０であるとの条件、および第１曲げ強度：第３曲げ強度＝１．５〜３．０：１．０であるとの条件を満たす炭素繊維強化プラスチック板であった。このように、第１曲げ強度が第２曲げ強度および第３曲げ強度よりも強い炭素繊維強化プラスチック板１５０であれば、第１曲げ強度の方向と平行な方向を長尺方向として加工することにより、リニアガイドやロボットアーム等において金属から炭素繊維強化プラスチックに代替することが可能であった。なお、具体的には、第１曲げ強度は４７３ＭＰａ、第２曲げ強度は２４６ＭＰａ、第３曲げ強度は２８５ＭＰａであった。
また、図７の結果より、実施例１の炭素繊維強化プラスチック板１５０は、曲げ弾性率の比がＤ１：Ｄ２＝１．８：１．０であり、Ｄ１：Ｄ３＝２．１：１．０であった。すなわち、第１曲げ弾性率（炭素繊維の配向方向と平行な方向における曲げ弾性率）：第２曲げ弾性率（炭素繊維の配向方向と直交する直交方向と平行な方向における曲げ弾性率）＝１．５〜３．０：１．０であるとの条件、および第１曲げ弾性率：第３曲げ弾性率（炭素繊維の配向方向および炭素繊維の配向方向と直交する直交方向と同一平面上における、炭素繊維の配向方向および前記直交方向と４５度の角度で交差する方向と平行な方向における曲げ弾性率）＝１．５〜３．０：１．０であるとの条件を満たす炭素繊維強化プラスチック板であった。このように、第１曲げ弾性率が第２曲げ弾性率および第３曲げ弾性率よりも高い炭素繊維強化プラスチック板１５０であれば、第１曲げ弾性率の方向と平行な方向を長尺方向として加工することにより、リニアガイドやロボットアーム等において金属から炭素繊維強化プラスチックに代替することが可能であった。
なお、第１曲げ弾性率：第２曲げ弾性率＝１．５〜３．０：１．０であるとの条件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、特定の一方向に強い機械特性を有する炭素繊維強化プラスチック板となる。炭素繊維強化プラスチック板１５０の場合は、ｘ方向と平行な方向に強い機械特性を有する。第１曲げ弾性率と第２曲げ弾性率との比が上記の比を満たさない場合には、特定の一方向のみに強い機械特性を有することができないおそれがある。
また、第１曲げ弾性率：第３曲げ弾性率＝１．５〜３．０：１．０であるとの条件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、特定の一方向にさらに強い機械特性を有する炭素繊維強化プラスチック板となる。炭素繊維強化プラスチック板１５０の場合は、ｘ方向と平行な方向に特に強い機械特性を有することができる。第１曲げ弾性率と第３曲げ弾性率との比が上記の比を満たさない場合には、特定の一方向のみに特に強い機械特性を有することができないおそれがある。
一方で、比較例２の炭素繊維強化プラスチック板２００は、Ｄ１〜Ｄ３方向の曲げ強度の比が、Ｄ１：Ｄ２：Ｄ３＝１００：１０１：９８であり、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がわかった（図６）。このような炭素繊維強化プラスチック板は、リニアガイドやロボットアーム等の、長尺方向等の特定の一方向に剛性等の強い機械特性が求められる用途よりも、等方性のある強度が要求される、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ることがわかった。
また、図７の結果より、比較例２の炭素繊維強化プラスチック板２００は、Ｄ１〜Ｄ３方向の曲げ弾性率の比が、Ｄ１：Ｄ２：Ｄ３＝１００：１０１：９６であり、極端な偏りが無い程度に等方性のある弾性を満足することがわかった。このような炭素繊維強化プラスチック板は、リニアガイドやロボットアーム等の、長尺方向等の特定の一方向に弾性等の強い機械特性が求められる用途よりも、等方性のある弾性が要求される、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ることがわかった。
［曲げ強度および弾性率の評価２］
実施例１の炭素繊維不織布シートよりも炭素繊維の配向にバラつきのある炭素繊維不織布シートを使用して炭素繊維強化プラスチック板を製造し、この板のＤ１方向およびＤ２方向の曲げ強度比率と曲げ弾性率比率を、実施例１および比較例２と比較した。
実施例１の炭素繊維不織布シートよりも炭素繊維の配向にバラつきのある炭素繊維不織布シートを使用して炭素繊維強化プラスチック板を製造し、この板のＤ１方向およびＤ２方向の曲げ強度比率と曲げ弾性率比率を、実施例１および比較例２と比較した。
〈比較例３〉
実施例１で用いた炭素繊維不織布シート１００に代えて、金型（内部寸法：１５×１５×１ｃｍ）内に、炭素繊維不織布シート１００（日本ポリマー産業株式会社製CFZ-400RD）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（ｘ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１５０を得た。なお、炭素繊維織布は使用しなかった。
実施例１で用いた炭素繊維不織布シート１００に代えて、金型（内部寸法：１５×１５×１ｃｍ）内に、炭素繊維不織布シート１００（日本ポリマー産業株式会社製CFZ-400RD）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（ｘ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１５０を得た。なお、炭素繊維織布は使用しなかった。
比較例３の炭素繊維強化プラスチック板１５０について、実施例１と同様に曲げ試験を実施し、Ｄ２方向の曲げ強度および弾性率を１とした場合の、Ｄ１方向の曲げ強度および弾性率を比較した。曲げ強度の比を示す結果を図８、弾性率の比を示す結果を図９に示す。また、実施例１の炭素繊維強化プラスチック板１５０および比較例２の炭素繊維強化プラスチック板２００についても同様に曲げ試験を実施し、結果を図８、９に示した。なお、図３（ｂ）に示すＤ１、Ｄ２、Ｄ３方向は、それぞれ図３（ａ）に示すＤ１、Ｄ２、Ｄ３方向と同一方向である。
図８の曲げ強度比率の結果より、実施例１の炭素繊維強化プラスチック板１５０においてＤ２よりもＤ１が最も大きく、次いで比較例３の炭素繊維強化プラスチック板１５０においてＤ２よりもＤ１が大きく、そして比較例２の炭素繊維強化プラスチック板２００においてＤ２とＤ１はほぼ同一であった。この結果より、炭素繊維の配向のバラつきの少ない炭素繊維不織布を用い、各層の炭素繊維不織布シートにおける炭素繊維の配向方向を揃えることにより、特定の一方向のみ（本実施例ではＤ１方向）に強い曲げ強度を有する炭素繊維強化プラスチック板を得られることがわかった。
また、図９の曲げ弾性率比率の結果より、実施例１の炭素繊維強化プラスチック板１５０においてＤ２よりもＤ１が最も大きく、次いで比較例３の炭素繊維強化プラスチック板１５０においてＤ２よりもＤ１が大きく、そして比較例２の炭素繊維強化プラスチック板２００においてＤ２とＤ１はほぼ同一であった。この結果において、図８の曲げ強度比率の結果と同様の傾向が認められた。図９の結果から、炭素繊維の配向のバラつきの少ない炭素繊維不織布を用い、各層の炭素繊維不織布シートにおける炭素繊維の配向方向を揃えることにより、特定の一方向のみ（本実施例ではＤ１方向）に強い曲げ弾性率を有する炭素繊維強化プラスチック板を得られることがわかった。
〈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、特定の一方向に強い機械特性を有することができ、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、長尺方向等の特定の一方向に剛性等の強い機械特性が求められるリニアガイドやロボットアーム等の用途に有用である。
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、特定の一方向に強い機械特性を有することができ、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、長尺方向等の特定の一方向に剛性等の強い機械特性が求められるリニアガイドやロボットアーム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
１５０ 炭素繊維強化プラスチック板
２００ 炭素繊維強化プラスチック板
４００ リニアガイド
４１０ レール
４２０ スライダー
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
１５０ 炭素繊維強化プラスチック板
２００ 炭素繊維強化プラスチック板
４００ リニアガイド
４１０ レール
４２０ スライダー
Claims (11)
- 繊維長が１０〜７０ｍｍの炭素繊維を含み、一方向に配向方向を有する炭素繊維不織布と、
母材と、を有し、
前記配向方向と平行な方向における第１曲げ強度と、前記配向方向と直交する直交方向と平行な方向における第２曲げ強度と、の強度比が１．５〜３．０：１．０である、炭素繊維強化プラスチック板。 - 前記第１曲げ強度と、前記配向方向および前記直交方向と同一平面上における、前記配向方向および前記直交方向と４５度の角度で交差する方向と平行な方向における第３曲げ強度と、の強度比が１．５〜３．０：１．０である、請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチック板。
- 前記母材が熱硬化性樹脂である、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。
- 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１〜３のいずれかに記載の炭素繊維強化プラスチック板。
- 表面の平面度が５０ｍｍあたり０．００５〜０．０５ｍｍ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。
- 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を研削加工した加工品。
- 前記炭素繊維不織布の前記配向方向と平行な長手方向を有する、請求項６に記載の加工品。
- 前記加工品がリニアガイドである、請求項７に記載の加工品。
- 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の製造方法であって、
母材を含浸させた前記炭素繊維不織布を硬化させる硬化工程を含み、
前記炭素繊維不織布は、繊維長が１０〜７０ｍｍの前記炭素繊維をニードルパンチ法により絡ませて得られる不織布である、炭素繊維強化プラスチック板の製造方法。 - 前記母材を含侵させる前に、前記炭素繊維不織布により形成された複数のシートを、前記配向方向を揃えて積層体とする積層工程を含み、
前記積層工程後、前記積層体に前記母材を含侵させる含侵工程を含む、請求項９に記載の炭素繊維強化プラスチック板の製造方法。 - 前記硬化工程後、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９または１０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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