JP5565566B2

JP5565566B2 - 炭素繊維強化プラスチック成形体

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Publication number: JP5565566B2
Application number: JP2010048017A
Authority: JP
Inventors: 振一竹村; 慶清倪; 拓勇橋詰
Original assignee: Shinshu University NUC; JXTG Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Shinshu University NUC; Eneos Corp
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2030-03-04
Also published as: JP2011183563A

Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチック成形体に関する。

炭素繊維強化プラスチック成形体は、アルミニウムや鉄等の金属に比べて軽量且つ高剛性であるため、金属に代わる新素材として、近年注目を集めている。一方で、炭素繊維強化プラスチック成形体においては、制振性の向上が望まれている。そこで、互いに積層された炭素繊維強化プラスチック層の間に、ポリイミド等の粘弾性材料からなる制振弾性層が配置された炭素繊維強化プラスチック成形体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２９１４０８号公報

ところで、上述したような炭素繊維強化プラスチック成形体は、例えば支持部材の一部として産業用部品に適用される場合がある。このため、炭素繊維強化プラスチック成形体においては、一定の制振性を確保しつつ曲げ剛性を向上させることが要求されている。

そこで、本発明は、制振性を確保しつつ曲げ剛性を向上させることができる炭素繊維強化プラスチック成形体を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体は、互いに積層された第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層と、第１の炭素繊維強化プラスチック層と第２の炭素繊維強化プラスチック層との間に配置された制振弾性層と、を備え、制振弾性層は、粘弾性樹脂と粘弾性樹脂に混練された繊維状物質とを含む材料からなり、繊維状物質は、粘弾性樹脂の剛性よりも高い剛性を有することを特徴とする。

この炭素繊維強化プラスチック成形体では、第１の炭素繊維強化プラスチック層と第２の炭素繊維強化プラスチック層との間に、粘弾性樹脂と粘弾性樹脂に混練され剛性が比較的高い繊維状物質とを含む材料からなる制振弾性層が配置されているので、制振性を確保しつつ曲げ剛性を向上させることができる。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体においては、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層は、長尺状をなしており、制振弾性層は、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層の長手方向に沿って配列された複数の間隙によって複数の領域に分割されていることが好ましい。この構成によれば、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層の長手方向に沿って互いに離間するように制振弾性層の複数の領域が配列されることとなるので、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層の長手方向に沿っての曲げ剛性を向上させることができる。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体においては、隣り合う領域において、間隙を挟んで対向する面同士は、略平行となっていることが好ましい。この構成によれば、間隙を挟んで対向する面の延びる方向に沿って、制振性及び曲げ剛性の分布を概ね均一とすることができる。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体においては、繊維状物質は、カーボンナノチューブ、ケッチェンブラック、ガラス短繊維及び炭素短繊維のうちの少なくとも一つであることが好ましい。この構成によれば、カーボンナノチューブ、ケッチェンブラック、ガラス短繊維及び炭素短繊維を利用して、好適に曲げ剛性を向上させることができる。

本発明によれば、制振性を確保しつつ曲げ剛性を向上させることができる炭素繊維強化プラスチック成形体を提供することが可能となる。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体の第１の実施形態の斜視図である。図１のII−II線に沿っての部分断面図である。本発明に係る炭素繊維強化プラスチック成形体の第２の実施形態の斜視図である。図３のIV−IV線に沿っての部分断面図である。図３のV−V線に沿っての部分断面図である。実施例及び比較例に係る炭素繊維強化プラスチック成形体の曲げ剛性及び制振性の測定結果を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］

図１，２に示されるように、炭素繊維強化プラスチック（以下、「ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics」という）成形体１０は、直交座標系Ｓのｚ軸方向に沿って互いに積層されたＣＦＲＰ層（第１の炭素繊維強化プラスチック層）１及びＣＦＲＰ層（第２の炭素繊維強化プラスチック層）２と、ＣＦＲＰ層１とＣＦＲＰ層２との間に配置された制振弾性層３と、を備えている。このようなＣＦＲＰ成形体１０は、例えばロボットハンド等の産業用部品に用いることができる。

ＣＦＲＰ層１，２は、直交座標系Ｓのｘ軸方向に沿って延びる長尺板状をなしており、炭素繊維からなる複数層の炭素繊維層と、これらの炭素繊維層に含浸・硬化されたマトリックス樹脂（例えばエポキシ樹脂）と、からなる。

ＣＦＲＰ層１は、ｚ軸方向に沿って順に積層された外側層１ａ及び内側層１ｂからなる。外側層１ａは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を５層含むものとすることができる。また、内側層１ｂは、例えば、炭素繊維の配向方向が９０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。なお、ここでの角度は、ｘ軸方向に対する角度である。

ＣＦＲＰ層２は、ｚ軸方向に沿って順に積層された内側層２ａ及び外側層２ｂからなる。内側層２ａは、例えば、炭素繊維の配向方向が９０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。また、外側層２ｂは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を５層含むものとすることができる。

制振弾性層３は、粘弾性樹脂と粘弾性樹脂に混練された繊維状物質とを含む材料からなる。粘弾性樹脂は、ＣＦＲＰ層１，２を構成するマトリックス樹脂の剛性よりも低い剛性を有する樹脂であって、例えばゴムやエラストマー等の粘弾性材料（柔軟性樹脂材料）とすることができる。粘弾性材料は、２５℃における貯蔵弾性率が、０．１ＭＰａ以上２５００ＭＰａ以下の範囲であることが好ましく、０．１ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下の範囲であることがさらに好ましく、０．１ＭＰａ以上２５ＭＰａ以下の範囲であることが一層好ましい。粘弾性材料の貯蔵弾性率が、２５００ＭＰａ以下であれば、十分な制振性能を得ることができ、０．１ＭＰａ以上であれば、ＣＦＲＰ成形体１０の剛性の低下が少なく、ロボットハンドやロボットアーム等の産業用部品として要求される性能を満たすことができる。また、粘弾性材料は、炭素繊維プリプレグからＣＦＲＰへの転換を熱硬化により行うことから、その際に発生する熱に対して安定であることが好ましい。さらに、粘弾性材料は、ＣＦＲＰ層１，２のマトリックス樹脂との接着性に優れた材料であることが好ましい。以上の観点から、粘弾性樹脂領域３ａ，３ｂを構成する粘弾性材料は、例えば、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、及び、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）等のゴム、並びに、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、及び、柔軟鎖を持つポリマーであるゴムやエラストマー等を添加することによって弾性率を低くしたエポキシ樹脂等の、ＣＦＲＰに比べて柔軟な材料とすることができる。

繊維状物質は、この粘弾性樹脂の剛性よりも高い剛性を有するものであって、例えばカーボンナノチューブ、ケッチェンブラック、ガラス短繊維及び炭素短繊維のうちの少なくとも一つとすることができる。カーボンナノチューブは、その繊維長手方向のヤング率が、例えば５００ＧＰａ以上１００００ＧＰａ以下の範囲のものとすることができる。ガラス短繊維は、その繊維長手方向のヤング率が、例えば６０ＧＰａ以上９０ＧＰａ以下の範囲のものとすることができる。炭素短繊維は、その繊維長手方向のヤング率が、例えば５０ＧＰａ以上１０００ＧＰａ以下の範囲のものとすることができる。

これらの繊維状物質の長さは、例えば１μｍ以上６ｍｍ以下の範囲とすることができる。繊維状物質の長さが、１μｍ以上であれば、繊維状物質が粘弾性樹脂におよぼすせん断力が比較的大きくなるため、ＣＦＲＰ成形体１０の剛性を改善することができ、６ｍｍ以下であれば、制振弾性層３の貯蔵弾性率が高くなり過ぎず、十分な制振性能が得られる。また、繊維状物質の長さを繊維状物質の直径で除したアスペクト比は、５以上６００以下の範囲であることが好ましく、５以上３００以下の範囲であることがさらに好ましい。アスペクト比が、５以上であれば、繊維状物質同士の絡み合いが生じ易くなるため、ＣＦＲＰ成形体１０の剛性を改善することができ、６００以下であれば、粘弾性樹脂に繊維状物質を混練する際に、粘弾性樹脂内に繊維状物質を比較的均一に分散させることができる。

また、粘弾性樹脂に対する繊維状物質の混練比率は、例えば０．１重量％以上３０重量％以下の範囲とすることができる。粘弾性樹脂に対する繊維状物質の混練比率が、０．１重量％以上であれば、ＣＦＲＰ成形体１０の剛性改善に対する効果が比較的大きく、３０重量％以下であれば、十分な制振性能が得られる。

このような制振弾性層３は、例えば、粘弾性樹脂の溶液に繊維状物質を添加し攪拌した後、これをシート状の型に流し込み乾燥させ、ホットプレス器にて加熱・圧縮することにより作製される。

また、ＣＦＲＰ成形体１０は、例えば、ＣＦＲＰ層１のためのプリプレグ積層体と、ＣＦＲＰ層２のためのプリプレグ積層体との間に、上記のようにして作製された制振弾性層３を配置し加熱・圧縮して、ＣＦＲＰ層１、制振弾性層３及びＣＦＲＰ層２を一体的に成形して作製される。

以上説明したように、ＣＦＲＰ成形体１０においては、ＣＦＲＰ層１とＣＦＲＰ層２との間に、粘弾性樹脂と粘弾性樹脂に混練され剛性が比較的高い繊維状物質とを含む材料からなる制振弾性層３が配置されているので、制振性を確保しつつ曲げ剛性を向上させることができる。

また、繊維状物質を、カーボンナノチューブ、ケッチェンブラック、ガラス短繊維及び炭素短繊維のうちの少なくとも一つとすることにより、好適に曲げ剛性を向上させることができる。
［第２実施形態］

図３〜５に示されるように、ＣＦＲＰ成形体１００は、ｚ軸方向に沿って互いに積層されたＣＦＲＰ層（第１の炭素繊維強化プラスチック層）１１及びＣＦＲＰ層（炭素繊維強化プラスチック層）２２と、ＣＦＲＰ層１１とＣＦＲＰ層２２との間に配置された制振弾性層３３と、を備えている。

ＣＦＲＰ層１１，２２は、ｘ軸方向に沿って延びる長尺板状をなしており、炭素繊維からなる複数層の炭素繊維層と、これらの炭素繊維層に含浸・硬化されたマトリックス樹脂（例えばエポキシ樹脂）と、からなる。

ＣＦＲＰ層１１は、ｚ軸方向に沿って順に積層された外側層１１ａ、中間層１１ｂ及び内側層１１ｃからなる。外側層１１ａは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を４層含むものとすることができる。また、中間層１１ｂは、例えば、炭素繊維の配向方向が９０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。さらに、内側層１１ｃは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。なお、ここでの角度は、ｘ軸方向に対する角度である。

ＣＦＲＰ層２２は、ｚ軸方向に沿って順に積層された内側層２２ａ、中間層２２ｂ及び外側層２２ｃからなる。内側層２２ａは、例えば、炭素繊維の配向方向が０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。また、中間層２２ｂは、例えば、炭素繊維の配向方向が９０度となるように配置された炭素繊維層を１層含むものとすることができる。さらに、外側層２２ｃは、例えば、炭素繊維の配向方向が０となるように配置された炭素繊維層を４層含むものとすることができる。

制振弾性層３３は、ＣＦＲＰ層１１，２２の長手方向（ｘ軸方向）に沿って配列された複数（ここでは５つ）の間隙４によって複数（ここでは６つ）の領域３３ａに分割されている。制振弾性層３３の各領域３３ａは（すなわち、制振弾性層３３は）、粘弾性樹脂と粘弾性樹脂に混練された繊維状物質とを含む材料からなる。粘弾性樹脂及び繊維状物質は、第１実施形態のものと同様のものとすることができる。なお、制振弾性層３３の隣り合う領域３３ａにおいて、間隙４を挟んで対向する面３３ｂは、直交座標系Ｓのｙ軸方向に沿って延びると共に、互いに略平行となっている。

このような制振弾性層３３は、例えば、第一実施形態に係る制振弾性層３を作製した後、これを複数の領域３３ａに分割して作製される。

また、ＣＦＲＰ成形体１００は、例えば、ＣＦＲＰ層１１のためのプリプレグ積層体と、ＣＦＲＰ層２２のためのプリプレグ積層体との間に、上記のようにして作製された制振弾性層３３を配置し加熱・圧縮して、ＣＦＲＰ層１１、制振弾性層３３及びＣＦＲＰ層２２を一体的に成形して作製される。

以上説明したように、ＣＦＲＰ成形体１００においても、ＣＦＲＰ層１１とＣＦＲＰ層２２との間に、粘弾性樹脂と粘弾性樹脂に混練され剛性が比較的高い繊維状物質とを含む材料からなる制振弾性層３３が配置されているので、制振性を確保しつつ曲げ剛性を向上させることができる。

また、ＣＦＲＰ成形体１００においては、制振弾性層３３が、ｘ軸方向に配列された複数の間隙４によって、複数の領域３３ａに分割されている。このため、制振弾性層３３の複数の領域３３ａが、ｘ軸方向に沿って互いに離間するように配列されることとなるので、ｘ軸方向についての曲げ剛性が向上される。さらに、間隙４を挟んで対向する面３３ｂ同士が略平行となっているので、これらの面３３ｂの延在方向（ｙ軸方向）に沿って、制振性及び曲げ剛性の分布が概ね均一となる。

なお、ＣＦＲＰ成形体１００においては、粘弾性樹脂の剛性よりも高い剛性を有する高剛性樹脂からなる高剛性樹脂領域を各間隙４に設けることができる。この場合、ｘ軸方向についての曲げ剛性を一層向上させることができる。また、この高剛性樹脂を、ＣＦＲＰ層１１，２２を構成する樹脂と同一とし、高剛性樹脂領域を、ＣＦＲＰ層１１，２２と一体的に形成してもよい。この場合、ＣＦＲＰ層１１、制振弾性層３３及びＣＦＲＰ層２２を一体的に成形する際に、ＣＦＲＰ層１１，２２を構成するマトリックス樹脂によって、容易に高剛性樹脂領域を形成することができる。

（試験片）
本発明に係るＣＦＲＰ成形体の実施例として、ＣＦＲＰ成形体１０に対応する試験片Ａ１と、ＣＦＲＰ成形体１００に対応する試験片Ａ２とを、以下のように構成した。
（１−１）試験片Ａ１

炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグ（日本グラファイトファイバー（株）製グラノックＸＮ−６０（引張弾性率：６２０ＧＰａ、炭素繊維目付け：１２５ｇ／ｍ^２、マトリックス樹脂含有量：３２重量％、１層の厚さ：０．１１ｍｍ）以下同様）を５層積層し、その上に、炭素繊維の配向方向が９０度となるようにグラノックプリプレグを１層積層して、第１のプリプレグ積層体を得た。また、炭素繊維の配向方向が９０度となるようにグラノックプリプレグを１層配置し、その上に、炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグを５層積層して、第２のプリプレグ積層体を得た。その一方で、ポリウレタン樹脂（ダイアリィ、ＭＳ４５１０、ディアプレックス（株）製、以下同様）溶液にカーボンナノチューブを添加・攪拌した後、これをシート状の型に流し込み乾燥させ、ホットプレス器にて１５０℃で１時間、加熱・圧縮して、厚さ０．１ｍｍの制振弾性層３を得た。このとき、ポリウレタン樹脂に対するカーボンナノチューブの混練比を５重量％とした。そして、第１のプリプレグ積層体、制振弾性層３及び第２のプリプレグ積層体を順に積層し、１３０℃で１時間３０分、加熱・圧縮して、ＣＦＲＰ層１、制振弾性層３及びＣＦＲＰ層２からなる試験片Ａ１を得た。
（１−２）試験片Ａ２

炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグを４層積層し、その上に、炭素繊維の配向方向が９０度となるようにグラノックプリプレグ１層を積層し、その上に、炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグをさらに１層積層して、第３のプリプレグ積層体を得た。また、炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグを１層配置し、その上に、炭素繊維の配向方向が９０度となるようにグラノックプリプレグを１層積層し、その上に、炭素繊維の配向方向が０度となるようにグラノックプリプレグをさらに４層積層して、第４のプリプレグ積層体を得た。その一方で、ポリウレタン樹脂溶液にガラス短繊維を添加・攪拌した後、これをシート状の型に流し込み乾燥させ、ホットプレス器にて１５０℃で１時間、加熱・圧縮して、厚さ０．１ｍｍの制振弾性層を得た。このとき、ポリウレタン樹脂に対するガラス短繊維の混練比を５重量％とした。また、ガラス短繊維の長さを３ｍｍとした。さらに、得られた制振弾性層を、６つの領域に分割して制振弾性層３３を得た。制振弾性層３３の分割された部分３３ａの間の間隙４の幅をそれぞれ２ｍｍとした。そして、第３のプリプレグ積層体、制振弾性層３３及び第４のプリプレグ積層体を順に積層し、１３０℃で１時間３０分、加熱・圧縮して、ＣＦＲＰ層１１、制振弾性層３３及びＣＦＲＰ層２２からなる試験片Ａ２を得た。
（２）比較例

上記の試験片Ａ１，Ａ２に対する比較例として、次のような比較試験片Ｂを用意した。比較試験片Ｂは、試験片Ａ１の制振弾性層３に換えて、ポリウレタン樹脂のみからなり厚さ０．１ｍｍの制振弾性層を備える。比較試験片Ｂのその他の構成は、試験片Ａ１と同様である。

以上の試験片Ａ１、試験片Ａ２、比較試験片Ｂは、何れも、長さ４５ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１．４ｍｍ以上１．５ｍｍ以下程度とした。
（３）測定

アイティー計測制御（株）製ＤＭＡ（DynamicsMechanical Analysis、動的粘弾性）測定装置（ＩＴＫ−ＤＶＡ２２５）を使用して、長手方向についての３点曲げ加振モードにより、試験片Ａ１、試験片Ａ２及び比較試験片Ｂの、貯蔵弾性率（弾性成分）＝Ｅ’、損失貯蔵弾性率（粘性成分）＝Ｅ’’及び損失正接＝Ｅ’’／Ｅ’＝ｔａｎδを測定した。ここで、３点曲げ加振モードとは、各試験片において、長手方向の両端部をクランプして中央部に振動を加えることにより、粘弾性挙動を測定する測定方式であるである。
（４）測定結果

測定結果を図６に示す。図６（ａ）は、各試験片の２５℃における曲げ弾性率保持率（Ｅ’／Ｅ’_ＣＦＲＰ）を示している。なお、Ｅ’_ＣＦＲＰは、制振弾性層を有さない（ＣＦＲＰ層１及ＣＦＲＰ層２のみかなる）ＣＦＲＰ成形体の貯蔵弾性率である。図６（ｂ）は、各試験片の２５℃におけるｔａｎδを示している。図６（ａ），（ｂ）において、Ａ１は試験片Ａ１の測定値を示しており、Ａ２は試験片Ａ２の測定値を示しており、Ｂは比較試験片Ｂの測定値を示している。なお、同図において、Ｂａｓｅｌｉｎｅは、制振弾性層を有さないＣＦＲＰ成形体の測定値を示している。ここで、弾性率保持率（Ｅ’／Ｅ’_ＣＦＲＰ）は、曲げ剛性の指標となる値であり、この値が大きいほど曲げ剛性が高い。ｔａｎδは、制振性の指標となる値であり、この値が大きいほど制振性が高い。

図６（ａ）に示されるように、試験片Ａ１のＥ’／Ｅ’_ＣＦＲＰは０．７５であり、試験片Ａ２のＥ’／Ｅ’_ＣＦＲＰは０．８１であった。これに対して、比較試験片ＢのＥ’／Ｅ’_ＣＦＲＰは０．６７であった。このことから、試験片Ａ１によれば、比較試験片Ｂに比べて、曲げ剛性を向上させることができることが分かった。また、試験片Ａ２によれば、その長手方向についての曲げ剛性を一層向上させることができることが分かった。

また、図６（ｂ）に示されるように、試験片Ａ１，Ａ２のｔａｎδは、制振弾性層を有さないＣＦＲＰ成形体のｔａｎδに比べて十分に大きい値であった。このことから、試験片Ａ１及び試験片Ａ２によれば、制振弾性層を有さないＣＦＲＰ成形体に比べて、十分な制振性を確保できることが分かった。

１０，１００…ＣＦＲＰ成形体、１，２，１１，２２…ＣＦＲＰ層、３，３３…制振弾性層、３３ａ…領域、３３ｂ…面、４…間隙。

Claims

互いに積層された第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層と、
前記第１の炭素繊維強化プラスチック層と前記第２の炭素繊維強化プラスチック層との間に配置された制振弾性層と、を備え、
前記制振弾性層は、粘弾性樹脂と前記粘弾性樹脂に混練された繊維状物質とを含む材料からなり、
前記粘弾性樹脂は、第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層を構成するマトリックス樹脂の剛性よりも低い剛性を有する樹脂であり、
前記繊維状物質は、前記粘弾性樹脂の剛性よりも高い剛性を有し、
前記繊維状物質の長さを前記繊維状物質の直径で除したアスペクト比は、５以上６００以下の範囲である、
ことを特徴とする炭素繊維強化プラスチック成形体。
前記第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層は、長尺状をなしており、
前記制振弾性層は、前記第１及び第２の炭素繊維強化プラスチック層の長手方向に沿って配列された複数の間隙によって複数の領域に分割されていることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維強化プラスチック成形体。
隣り合う前記領域において、前記間隙を挟んで対向する面同士は、略平行となっていることを特徴とする請求項２記載の炭素繊維強化プラスチック成形体。
前記粘弾性樹脂に対する前記繊維状物質の混練比率は、０．１重量％以上３０重量％以下の範囲であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の炭素繊維強化プラスチック成形体。