JP5738567B2 - 耐摩耗性の繊維強化複合材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、一般に、炭素繊維強化プラスチック、アラミド繊維強化プラスチック等の繊維強化複合材に関し、特に、表面にセラミックス、サーメット、金属等が溶射された耐摩耗性に優れたロール材、板材などの構造体として使用される耐摩耗性の繊維強化複合材及びその製造方法に関するものである。
従来、炭素繊維強化プラスチック、アラミド繊維強化プラスチック等の繊維強化複合材にてロール材、板材などの構造体を作製することが行われているが、特に、これら繊維強化複合材で作製された構造体の表面の耐摩耗性を向上させるために、表面にセラミックス、サーメット、金属等を溶射することが提案されている。
特許文献１は、プラスチックや繊維強化プラスチックのロール表面に有機高分子材料と無機質材料とから成るアンダーコート層を設け、その上にセラミックスを溶射してセラミックス皮膜を形成した耐摩耗性、表面平滑性に優れたローラーを記載している。
また、特許文献２は、繊維強化プラスチック基材の表面に、基材の樹脂と同種の樹脂とセラミックス粒子の混合物を中間層として設け、トップコートとして炭化物サーメットから成る溶射被覆層を設けた構成の耐摩耗性等の表面特性に優れたプラスチック基複合材料を記載している。
しかしながら、上記特許文献に記載されるローラー、プラスチック基複合材料は、その製造に際して、繊維強化プラスチックを成型するのに加熱（焼付け）が必要なのに加えて、アンダーコート層（特許文献１）或いは中間層（特許文献２）を形成するのに再度加熱（焼付け）することが必要であり、溶射に至るまでに複数の工程が必要とされる。また、少なくとも二度の加熱（焼付け）が必須であり、エネルギーコストがかかり、コスト高となっている。
本発明者らは、上記課題に鑑みて種々の研究実験を行った結果、次のことを見出した。
つまり、繊維強化プラスチック基材の表層にガラス繊維強化プラスチック層を積層し、基材となる繊維強化プラスチックの成形時に同時に加熱硬化させ、表層にガラス繊維強化プラスチック層を形成し、その後、ブラスト処理してから溶射を行うことで、上記特許文献に記載するようなアンダーコート層、或いは、セラミックス粒子が食い込んだトップコート層を設けることなく、良好な接着強度を有する溶射皮膜を形成し得ることを見出した。
本発明は、斯かる本発明者らの新規な知見に基づくものである。
本発明の目的は、アンダーコート層、或いは、セラミックス粒子が食い込んだトップコート層を設けることなく、良好な接着強度を有する溶射皮膜が形成された耐摩耗性の繊維強化複合材及びその製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、特に、溶射皮膜が形成された耐摩耗性に優れたロール状の炭素繊維強化複合材及びその製造方法を提供することである。
上記目的は本発明に係る溶射皮膜を有する耐摩耗性の繊維強化複合材及びその製造方法にて達成される。要約すれば、第１の本発明は、最外層に溶射皮膜層を有する耐摩耗性の繊維強化複合材であって、
繊維強化プラスチック基材層と、
前記繊維強化プラスチック基材層の表層に積層されたガラス繊維強化プラスチック層であって、前記ガラス繊維強化プラスチック層となる前記ガラス繊維強化プラスチックは、前記繊維強化プラスチック基材層となる前記繊維強化プラスチックの成形時に同時に加熱硬化させたガラス繊維強化プラスチック層と、
前記加熱硬化されたガラス繊維強化プラスチック層の表面をブラスト処理により粗面化した後前記ガラス繊維強化プラスチック層の表層に溶射により被覆された溶射皮膜層と、
を有することを特徴とする耐摩耗性の繊維強化複合材である。
繊維強化プラスチック基材層と、
前記繊維強化プラスチック基材層の表層に積層されたガラス繊維強化プラスチック層であって、前記ガラス繊維強化プラスチック層となる前記ガラス繊維強化プラスチックは、前記繊維強化プラスチック基材層となる前記繊維強化プラスチックの成形時に同時に加熱硬化させたガラス繊維強化プラスチック層と、
前記加熱硬化されたガラス繊維強化プラスチック層の表面をブラスト処理により粗面化した後前記ガラス繊維強化プラスチック層の表層に溶射により被覆された溶射皮膜層と、
を有することを特徴とする耐摩耗性の繊維強化複合材である。
第１の本発明にて、一実施態様によれば、前記繊維強化プラスチック基材層の強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維；ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維；アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維；が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用され、
前記繊維強化プラスチック基材層及び前記ガラス繊維強化プラスチック層の樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニールエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、若しくは、フェノール樹脂、又は、ナイロン若しくはビニロンが使用される。
前記繊維強化プラスチック基材層及び前記ガラス繊維強化プラスチック層の樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニールエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、若しくは、フェノール樹脂、又は、ナイロン若しくはビニロンが使用される。
第１の本発明にて、他の実施態様によれば、前記溶射皮膜層を形成する溶射材は、粒状のセラミックス、サーメット又は金属である。
第１の本発明にて、他の実施態様によれば、前記溶射皮膜層は、皮膜厚さが０．０５〜１．０ｍｍ、表面のビッカース硬度ＨＶが６００〜１２００、表面の平均粗さＲａが０．０５〜１．０μｍである。
第１の本発明にて、他の実施態様によれば、前記繊維強化複合材は、ロール状とされるか、平板状とされる。
第２の本発明は、耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法であって、
（ａ）マンドレルに、ロール基材となる前記繊維強化プラスチック基材層を形成するために所定の強化繊維を所定の樹脂を用いて巻き付けて基材層強化繊維層を形成し、引き続いて、前記基材層強化繊維層の上に、前記ガラス繊維強化プラスチック層を形成するために所定の樹脂を用いてガラス繊維を巻き付けてガラス繊維層を積層する工程、
（ｂ）前記基材層強化繊維層及び前記ガラス繊維層の樹脂を同時に加熱硬化させる工程、
（ｃ）前記ガラス繊維層の樹脂が硬化して形成された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面を粗面化処理する工程、
（ｄ）前記粗面化処理された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面に所定の溶射材を溶射して溶射皮膜層を形成する工程、
を有することを特徴とする耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法である。
（ａ）マンドレルに、ロール基材となる前記繊維強化プラスチック基材層を形成するために所定の強化繊維を所定の樹脂を用いて巻き付けて基材層強化繊維層を形成し、引き続いて、前記基材層強化繊維層の上に、前記ガラス繊維強化プラスチック層を形成するために所定の樹脂を用いてガラス繊維を巻き付けてガラス繊維層を積層する工程、
（ｂ）前記基材層強化繊維層及び前記ガラス繊維層の樹脂を同時に加熱硬化させる工程、
（ｃ）前記ガラス繊維層の樹脂が硬化して形成された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面を粗面化処理する工程、
（ｄ）前記粗面化処理された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面に所定の溶射材を溶射して溶射皮膜層を形成する工程、
を有することを特徴とする耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法である。
第２の本発明にて、一実施態様によれば、前記基材層強化繊維層の強化繊維は、炭素繊維である。
第２の本発明にて、他の実施態様によれば、前記工程（ａ）にて、前記ガラス繊維は、前記マンドレルに同一の角度方向で巻き付ける。
第３の本発明は、耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法であって、
（ａ）マンドレルに、ロール基材となる前記繊維強化プラスチック基材層を形成するための所定の強化繊維を使用した基材層プリプレグを巻き付け、引き続いて、前記基材層プリプレグの上に、前記ガラス繊維強化プラスチック層を形成するためのガラス繊維プリプレグを巻き付けて積層する工程、
（ｂ）前記基材層プリプレグ及び前記ガラス繊維プリプレグの樹脂を同時に加熱硬化させる工程、
（ｃ）前記ガラス繊維プリプレグが硬化して形成された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面を粗面化処理する工程、
（ｄ）前記粗面化処理された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面に所定の溶射材を溶射して溶射皮膜層を形成する工程、
を有することを特徴とする耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法である。
（ａ）マンドレルに、ロール基材となる前記繊維強化プラスチック基材層を形成するための所定の強化繊維を使用した基材層プリプレグを巻き付け、引き続いて、前記基材層プリプレグの上に、前記ガラス繊維強化プラスチック層を形成するためのガラス繊維プリプレグを巻き付けて積層する工程、
（ｂ）前記基材層プリプレグ及び前記ガラス繊維プリプレグの樹脂を同時に加熱硬化させる工程、
（ｃ）前記ガラス繊維プリプレグが硬化して形成された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面を粗面化処理する工程、
（ｄ）前記粗面化処理された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面に所定の溶射材を溶射して溶射皮膜層を形成する工程、
を有することを特徴とする耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法である。
第３の本発明にて、一実施態様によれば、前記基材層プリプレグの強化繊維は、炭素繊維である。
第３の本発明にて、他の実施態様によれば、前記ガラス繊維プリプレグは、ガラス繊維が一方向に引き揃えて形成されたＵＤ形状プリプレグであるか、又は、ガラス繊維織物を使用して形成されたガラスクロスプリプレグである。
第２及び第３の本発明にて、他の実施態様によれば、前記工程（ｃ）にて、前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面は、ブラスト処理により平均粗さＲａ２〜１０μｍに粗面化処理される。
第２及び第３の本発明にて、他の実施態様によれば、前記溶射皮膜層を形成する溶射材は、粒状のセラミックス、サーメット又は金属である。
第２及び第３の本発明にて、他の実施態様によれば、前記溶射皮膜層は、皮膜厚さが０．０５〜１．０ｍｍ、表面のビッカース硬度ＨＶが６００〜１２００、表面の平均粗さＲａが０．０５〜１．０μｍである。
本発明によれば、アンダーコート層、或いは、セラミックス粒子が食い込んだトップコート層を設けることなく、良好な接着強度を有する溶射皮膜が形成された耐摩耗性の繊維強化複合材を得ることができる。特に、本発明によれば、溶射皮膜が形成された耐摩耗性に優れたロール状の炭素繊維強化複合材及びその製造方法が得られる。
以下、本発明に係る溶射皮膜を有する耐摩耗性の繊維強化複合材及びその製造方法を図面に則して更に詳しく説明する。
実施例１
図１（ａ）に、本発明に係る溶射皮膜４を有する耐摩耗性の繊維強化複合材１の概略断面構成を示す。本発明の溶射皮膜４を有する耐摩耗性の繊維強化複合材１は、繊維強化プラスチック基材層２と、この繊維強化プラスチック基材層２の表層に積層されたガラス繊維強化プラスチック層３と、このガラス繊維強化プラスチック層３の表層に溶射により被覆された溶射皮膜層４とを有している。
図１（ａ）に、本発明に係る溶射皮膜４を有する耐摩耗性の繊維強化複合材１の概略断面構成を示す。本発明の溶射皮膜４を有する耐摩耗性の繊維強化複合材１は、繊維強化プラスチック基材層２と、この繊維強化プラスチック基材層２の表層に積層されたガラス繊維強化プラスチック層３と、このガラス繊維強化プラスチック層３の表層に溶射により被覆された溶射皮膜層４とを有している。
基材層２となる繊維強化プラスチックの強化繊維としては、炭素繊維が最も好ましいが、その他、種々の繊維を使用し得る。例えば、強化繊維としては、炭素繊維の他に、ガラス繊維、バサルト繊維；ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維；更には、アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維；が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用することができる。
また、繊維強化プラスチック基材層２及びガラス繊維強化プラスチック層３にて強化繊維に含浸されるマトリクス樹脂としては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニールエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などが好適に使用され、又、熱可塑性樹脂としては、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。又、樹脂含浸量は、３０〜７０重量％、好ましくは、４０〜６０重量％とされる。
繊維強化プラスチック基材層２は、通常、層厚さｔ２が１〜３０ｍｍ、ガラス繊維強化プラスチック層３は、通常、層厚さｔ３が０．５〜５ｍｍとされ、用途に応じて適宜選定される。
溶射皮膜層４は、皮膜厚さｔ４が０．０５〜１．０ｍｍ、表面粗さが平均粗さＲａで０．０５〜１．０μｍ、表面硬度がビッカース硬度ＨＶで６００〜１２００、とされる。皮膜厚さｔ４が０．０５ｍｍ未満では、研磨代が少なく十分な表面平滑性が得られないといった問題があり、また、１．０ｍｍを超えると皮膜割れといった問題がある。表面粗さについていえば、平均粗さＲａが０．０５μｍ未満では、研磨に時間がかかりコスト高となるといった問題があり、また、１．０μｍを超えると表面の凹凸が大き過ぎてフィルム搬送ロール等に使用する場合、フィルムに傷が入り、実使用に耐えないといった問題がある。更に、表面硬度についていえば、ビッカース硬度ＨＶが６００未満では、十分な耐摩耗性が得られないといった問題があり、また、１２００を超える仕様にするには高価な溶射材を用いることとなりコスト高になるといった問題がある。最適な仕様としては、皮膜厚さｔ４が０．２〜０．４ｍｍ、表面粗さＲａが０．０５〜０．２μｍ、表面硬度ＨＶが７００〜１０００、とされる。
また、溶射皮膜層ｔ４を形成する溶射材としては、粒状のセラミックス、サーメット、金属、等を使用し得る。詳しくは、セラミックスとしては、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、クロミア、或いはその混合物等がある。サーメットとしては、タングステンカーバイド＋コバルト、タングステンカーバイド＋ニッケルクロム、クロムカーバイド＋ニッケルクロムなどがあり、金属としては、コバルト化合物、モリブデン、ニッケル、ニッケルクロムなどを使用し得る。溶射材の粒径としては、平均粒径で５〜１００μｍが好適に使用可能である。
斯かる構成の繊維強化複合材１は、繊維強化プラスチック基材層２と、その表層に積層されたガラス繊維強化プラスチック層３とは、基材層２となる繊維強化プラスチックの成形時に同時に加熱して（焼付けて）硬化させる。その後、ガラス繊維強化プラスチック層３の表面をブラスト処理し、次いで、溶射材が所定厚さで溶射され、溶射皮膜層４が形成される。
本発明に係る繊維強化複合材１は、ロール状或いは板状に成形され、例えば、耐摩耗性のロール状繊維強化複合材は、種々の産業機械装置におけるロールとして、或いは、耐摩耗性の板状繊維強化複合材は、フィルム、シート製造時の板状ガイド部材などとして有効に使用される。
次に、本発明の繊維強化複合材の製造方法についてさらに詳しく説明する。
（繊維強化プラスチック基材及びガラス繊維強化プラスチック層の成形）
本発明の繊維強化複合材の一実施例である繊維強化複合材ロールの場合について説明する。また、基材となる繊維強化プラスチック層２の強化繊維としては、炭素繊維を使用するものとして説明する。
本発明の繊維強化複合材の一実施例である繊維強化複合材ロールの場合について説明する。また、基材となる繊維強化プラスチック層２の強化繊維としては、炭素繊維を使用するものとして説明する。
本実施例の炭素繊維強化複合材ロール（以下、「ＣＦＲＰロール」という。）は、従来当業者には周知のフィラメントワインディング法或いはシートワインディング法を用いて好適に作製することができる。
（フィラメントワインディング法）
ＣＦＲＰロールをフィラメントワインディング法にて作製する場合を、図１（ｂ）を参照して説明する。本実施例では、先ず、マンドレル１００に炭素繊維を所定の樹脂を用いて巻き付け、ロール基材となる繊維強化プラスチック基材層２のための基材層強化繊維層２Ａ、即ち、本実施例では、炭素繊維強化プラスチック基材層２のための炭素繊維層（基材層炭素繊維層）２Ａを形成する。
ＣＦＲＰロールをフィラメントワインディング法にて作製する場合を、図１（ｂ）を参照して説明する。本実施例では、先ず、マンドレル１００に炭素繊維を所定の樹脂を用いて巻き付け、ロール基材となる繊維強化プラスチック基材層２のための基材層強化繊維層２Ａ、即ち、本実施例では、炭素繊維強化プラスチック基材層２のための炭素繊維層（基材層炭素繊維層）２Ａを形成する。
引き続いて、基材層炭素繊維層２Ａの上に、所定の樹脂を用いてガラス繊維を巻き付けてガラス繊維強化プラスチック層３のためのガラス繊維層３Ａを積層する。この時、ガラス繊維を直接に基材層炭素繊維層２Ａの上に巻き付けることもできるが、ガラス繊維にて作製されたガラス繊維織物であるガラスクロスを所定幅に切断して作製したガラスクロステープを巻き付ける方法でも良い。
ガラス繊維巻き付け時に使用する樹脂は、炭素繊維巻き付け時に使用した樹脂と同じか或いは同系統の樹脂が好ましい。また、樹脂にアルミナ等の溶射に用いる無機粉末を樹脂に添加することも有効である。添加量としては、樹脂量に対して３０〜７０重量％とされる。
なお、フィラメントワインディング法にて基材層炭素繊維層２Ａの最外層にガラス繊維を巻付ける場合に、プラスマイナスのヘリカル巻を行った場合には、繊維の交差部で樹脂だけの部分ができてしまい、溶射材を溶射した場合に充分な付着強度が得られない部分が発生するために、プラス方向のみ、或いは、マイナス方向のみの同一角度方向に巻き付けるのが望ましい。
次いで、ガラス繊維層３Ａの上からテーピングを行い、基材層炭素繊維層２Ａ及びガラス繊維層３Ａを巻き締めた後、マンドレル１００ごと硬化炉に装入し、基材層炭素繊維層２Ａ及びガラス繊維層３Ａの樹脂を硬化させる。これにより、炭素繊維プラスチック基材層２及びガラス繊維強化プラスチック層３の積層体から成るロール素管１Ａが成形される。
その後、テープを除去後、ガラス繊維強化プラスチック層３の表面を研削し、ロール径を所定寸法に合わせる。所定径とされたロール表面、即ち、ガラス繊維強化プラスチック層３の表面をブラスト処理し、所定の粗さとする。この時のガラス繊維強化プラスチック層３の表面粗さは、平均粗さＲａで２〜１０μｍ、最適には４〜８μｍ、とされる。２μｍ未満だと密着力が弱く、１０μｍを越えると基材にダメージを与える。
このように、溶射前に、ロール表面を研削し、また、ブラスト処理してロール表面を所定の粗面とすることにより、ロール表層にガラス繊維のガラス部分３０（図１（ａ）参照）が露出して、溶射皮膜層４のセラミックス、サーメット、或いは、金属がガラス部分３０に付着して十分な接着性（接着強度）を示すためであると推定される。
次いで、この粗面とされた表面に対して所定の溶射材を使用して溶射し、ロール表面に溶射皮膜層４を形成する。
（シートワインディング法）
シートワインディング法は、シート状のプリプレグ繊維シートを使用する点を除けば、上記フィラメントワインディング法と同様にして実施される。
シートワインディング法は、シート状のプリプレグ繊維シートを使用する点を除けば、上記フィラメントワインディング法と同様にして実施される。
つまり、ＣＦＲＰロールをシートワインディング法にて作製する場合には、図１（ｂ）を参照して説明すると、先ず、マンドレル１００に所定の積層構成で、炭素繊維強化プラスチック基材層２を形成するための炭素繊維プリプレグ２Ａを巻き付けた後、ガラス繊維プラスチック層３を形成するためのガラス繊維プリプレグ３Ａを炭素繊維プリプレグ２Ａの最外層に巻き付ける。ガラス繊維プリプレグ３Ａは、ガラスクロスのプリプレグでも、ガラス繊維を一方向に引き揃えたＵＤ形状プリプレグでも良い。ガラス繊維プリプレグ３Ａの樹脂は、炭素繊維プリプレグ２Ａに使用した樹脂と同じか或いは同系統の樹脂が好ましい。
次いで、テーピングを行い、炭素繊維プリプレグ２Ａ及びガラス繊維プリプレグ３Ａを巻き締めた後、マンドレルごと硬化炉に装入し、炭素繊維プリプレグ２Ａ及びガラス繊維プリプレグ３Ａの樹脂を硬化させ、炭素繊維強化プラスチック基材層２及びガラス繊維強化プラスチック層３から成るロール素管１Ａを作製する。その後、上記フィラメントワインディング法と同様に、テープを除去後、ガラス繊維強化プラスチック層３の表面を研削し、ロール径を所定寸法に合わせる。所定径とされたロール表面、即ち、ガラス繊維強化プラスチック層３の表面をブラスト処理し、所定の粗さとする。
次いで、この表面に対して所定の溶射材を使用して溶射し、ロール表面に溶射皮膜層４を形成する。
本発明の繊維強化複合材１は、上記ロール形状の構造体に限定されず、図１（ｃ）に図示するように、平板状或いは複雑な形状をした構造体の繊維強化複合材とすることもできる。
この場合にも、構造体基材層プリプレグ２Ａの最外層にガラス繊維プリプレグ３Ａを積層し、樹脂を硬化させて、繊維強化プラスチック層２とガラス繊維プラスチック層３から成る板状の素材１Ａを作製する。その後、硬化したガラス繊維強化プラスチック層３の表面を研削し、ガラス繊維強化プラスチック層３の表面をブラスト処理し、所定の粗さとする。
次いで、この表面に対して所定の溶射材を使用して溶射し、ロール表面に溶射皮膜層４を形成する。
（溶射皮膜層の形成）
上記粗面化されたガラス繊維強化プラスチック層の表面は、プラズマ炎溶射装置を用いて所定の溶射材を厚さｔ４が０．０５〜１．０ｍｍとなるように溶射して溶射皮膜層４が形成（被覆）される。溶射被覆処理後には、必要に応じて、溶射皮膜の封孔処理、溶射皮膜表面の研磨処理のための工程を設けることができる。
上記粗面化されたガラス繊維強化プラスチック層の表面は、プラズマ炎溶射装置を用いて所定の溶射材を厚さｔ４が０．０５〜１．０ｍｍとなるように溶射して溶射皮膜層４が形成（被覆）される。溶射被覆処理後には、必要に応じて、溶射皮膜の封孔処理、溶射皮膜表面の研磨処理のための工程を設けることができる。
なお、本実施例では、上記溶射被覆処理後に封孔処理、研磨処理を実施した。封孔剤としては、シラン系封孔処理剤（例えば、株式会社ディ・アンド・ディ製のパーミエイト（商品名））などがあり、この封孔剤を溶射皮膜上に１０〜３０ｇ／ｍ2で塗布した後に、硬化を促進するために高温炉内（５０〜１００℃）にて３０分〜３時間程度硬化させる。
封孔処理後に、溶射皮膜表面を研磨する。これにより、溶射皮膜表面の表面粗さ（平均粗さ）Ｒａは０．０５〜１．０μｍとされる、厚さ０．０５〜１．０ｍｍの溶射皮膜層４を形成する。
次に、本発明の繊維強化複合材の性能を立証するために、本発明に従った構成の繊維強化複合材ロールを作製し、比較例と比較した実験例について説明する。
実験例１
フィラメントワインディング法により、本発明に従った構成とされるＣＦＲＰロールを作製した。
フィラメントワインディング法により、本発明に従った構成とされるＣＦＲＰロールを作製した。
炭素繊維として、モノフィラメント平均径７μｍ、収束本数１２０００本の繊維束、即ち、ＰＡＮ系炭素繊維ストランド（三菱レイヨン株式会社製「ＴＲ５０」（商品名））を用い、樹脂としてはエポキシ樹脂（新日鉄マテリアルズ株式会社製「ＨＰ１００」）用いて、外径１００ｍｍ、長さ４．３ｍのマンドレルに９０°（周方向）、±４５°、±１５°の角度にて、基材層炭素繊維層２Ａが４ｍｍ厚み(繊維体積含有率Ｖｆ＝５７％)となるように巻き付けた。
引き続いて、上記基材層炭素繊維層２Ａの上に、同一の樹脂を用い、ガラス繊維としては、ＴＥＸ１１７４ｇ／ｋｍ、即ち、Ｅガラス繊維ストランド（日東紡績株式会社製「ＲＳ１１０ＱＬ」（商品名））を用いて、ガラス繊維を＋６０°の同一の角度で１ｍｍ厚み(Ｖｆ＝５７％）になるように巻き付けた。樹脂含浸量で言えば、基材層炭素繊維層２Ａは、３２重量％であり、ガラス繊維層３Ａは、２１重量％であった。
その後、幅２５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍのＰＥＴテープを用いてテーピングを行った後、樹脂が含浸された基材層炭素繊維層２Ａ及びガラス繊維層３Ａを巻き付けたマンドレル１００を加熱硬化炉に装入し、２℃／分の昇温速度で１８０℃まで昇温し、３時間ホールドした後に降温し、硬化した強化繊維プラスチック成形物（素管）１Ａをマンドレル１００より脱型した。これにより、ガラス繊維強化プラスチック層３が表層に形成された直径１１０ｍｍの炭素繊維強化プラスチック管１Ａを得た。この管１Ａを、長手方向中央部で切断して、内径１００ｍｍ、長さ２ｍのロール用の素管１Ａを２本作製した。
その内の１本を用いて軸付けを行い、ロール直径を１０８ｍｍになるように研削し、ガラス繊維強化プラスチック層３の研削された面を露出させた。
次に、ブラスト処理によりガラス繊維強化プラスチック層３の表面の粗面化を行った。表面粗さＲａは、７．６μｍであった。
この粗面化されたガラス繊維強化プラスチック層３に対して、溶射材としてセラミックス粒子であるアルミナ・チタニアを用い、プラズマ溶射を行った。アルミナ・チタニア溶射皮膜４は２００μｍ厚みであった。用いた溶射材であるアルミナ・チタニア粒子は、昭和電工株式会社製の「グレイアルミナ」（商品名）であり、プラズマ溶射装置は、ＳＵＬＺＥＲ ＭＥＴＣＯ株式会社製の「９ＭＢプラズマ溶射」（商品名）であった。溶射条件は、使用ガス：Ｎ2／Ｈ2、流量Ｎ2：３５〜４０Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ2：１０〜１５Ｌ／ｍｉｎ、使用ガス比率：Ｎ2：Ｈ2＝３：１、電圧：７０〜７６Ｖ、粉末供給量：５〜１０ｇ／ｍｉｎであった。
溶射後に封孔処理を実施した。封孔剤は、株式会社ディ・アンド・ディ製のパーミエイト（商品名）であり、溶射皮膜上に３０ｇ／ｍ2で塗布した後に、８０℃、３０分硬化させた。
封孔処理後に、溶射皮膜表面を研磨した。
溶射皮膜表面に対して、研磨後に接触式の表面粗度計で粗度測定を実施した。結果は、表面粗さ（平均粗さ）Ｒａが０．１μｍ、Ｒｍａｘが３．０μｍであった。また、ビッカース硬度計にて表面硬度を測定した。ビッカース硬度ＨＶは、８００であった。
比較例１
比較のために、実施例１の場合と同様に、同一の炭素繊維、同一の樹脂、同一のマンドレルを用いて、マンドレルに９０°（周方向）、±４５°、±１５°の角度にて、炭素繊維層が４ｍｍ厚み(Ｖｆ＝５７％)となるように巻き付けた。引き続いて、同一の樹脂を用い、同一の炭素繊維を用いて、この炭素繊維を＋６０°の角度で１ｍｍ厚み(Ｖｆ＝５７％）になるように巻き付けた。
比較のために、実施例１の場合と同様に、同一の炭素繊維、同一の樹脂、同一のマンドレルを用いて、マンドレルに９０°（周方向）、±４５°、±１５°の角度にて、炭素繊維層が４ｍｍ厚み(Ｖｆ＝５７％)となるように巻き付けた。引き続いて、同一の樹脂を用い、同一の炭素繊維を用いて、この炭素繊維を＋６０°の角度で１ｍｍ厚み(Ｖｆ＝５７％）になるように巻き付けた。
その後、実施例１と同様に、最外層の炭素繊維強化プラスチック層に対して粗面化処理を行い、この粗面化された炭素繊維強化プラスチック層に対して、溶射材としてアルミナ・チタニアを用い、プラズマ溶射を行い、２００μｍ成膜することを目標にアルミナ・チタニア溶射皮膜形成を試みた。
その結果、溶射によって吹き付けたアルミナ・チタニア粒子が炭素繊維強化プラスチック層から弾けてしまい、充分な皮膜厚みが得られなかった。
目視上僅かに成膜したように見える溶射皮膜層も、金ヘラでこすると簡単に剥がれてしまい、研磨に耐え得るほどの接着性を示さなかった。
上述にて理解されるように、本発明によれば、アンダーコート層、或いは、セラミックス粒子が食い込んだトップコート層を設けることなく、良好な接着強度を有する溶射皮膜が形成された耐摩耗性の繊維強化複合材を得ることができる。特に、本発明によれば、溶射皮膜が形成された耐摩耗性に優れたロール状の炭素繊維強化複合材を得ることができる。
１ 繊維強化複合材
１Ａ ロール状素管、板状素材
２ 繊維強化プラスチック基材層
２Ａ 基材層強化繊維層、基材層プリプレグ
３ ガラス繊維強化プラスチック層
３Ａ ガラス繊維層、ガラス繊維プリプレグ
４ 溶射皮膜層
３０ ガラス部分
１Ａ ロール状素管、板状素材
２ 繊維強化プラスチック基材層
２Ａ 基材層強化繊維層、基材層プリプレグ
３ ガラス繊維強化プラスチック層
３Ａ ガラス繊維層、ガラス繊維プリプレグ
４ 溶射皮膜層
３０ ガラス部分
Claims (15)
- 最外層に溶射皮膜層を有する耐摩耗性の繊維強化複合材であって、
繊維強化プラスチック基材層と、
前記繊維強化プラスチック基材層の表層に積層されたガラス繊維強化プラスチック層であって、前記ガラス繊維強化プラスチック層となる前記ガラス繊維強化プラスチックは、前記繊維強化プラスチック基材層となる前記繊維強化プラスチックの成形時に同時に加熱硬化させたガラス繊維強化プラスチック層と、
前記加熱硬化されたガラス繊維強化プラスチック層の表面をブラスト処理により粗面化した後前記ガラス繊維強化プラスチック層の表層に溶射により被覆された溶射皮膜層と、
を有することを特徴とする耐摩耗性の繊維強化複合材。 - 前記繊維強化プラスチック基材層の強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維；ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維；アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維；が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用され、
前記繊維強化プラスチック基材層及び前記ガラス繊維強化プラスチック層の樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニールエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、若しくは、フェノール樹脂、又は、ナイロン若しくはビニロンが使用されることを特徴とする請求項１に記載の耐摩耗性の繊維強化複合材。 - 前記溶射皮膜層を形成する溶射材は、粒状のセラミックス、サーメット又は金属であることを特徴とする請求項１又は２に記載の耐摩耗性の繊維強化複合材。
- 前記溶射皮膜層は、皮膜厚さが０．０５〜１．０ｍｍ、表面のビッカース硬度ＨＶが６００〜１２００、表面の平均粗さＲａが０．０５〜１．０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の耐摩耗性の繊維強化複合材。
- 前記繊維強化複合材は、ロール状とされることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の耐摩耗性の繊維強化複合材。
- 前記繊維強化複合材は、平板状とされることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の耐摩耗性の繊維強化複合材。
- 耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法であって、
（ａ）マンドレルに、ロール基材となる前記繊維強化プラスチック基材層を形成するために所定の強化繊維を所定の樹脂を用いて巻き付けて基材層強化繊維層を形成し、引き続いて、前記基材層強化繊維層の上に、前記ガラス繊維強化プラスチック層を形成するために所定の樹脂を用いてガラス繊維を巻き付けてガラス繊維層を積層する工程、
（ｂ）前記基材層強化繊維層及び前記ガラス繊維層の樹脂を同時に加熱硬化させる工程、
（ｃ）前記ガラス繊維層の樹脂が硬化して形成された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面を粗面化処理する工程、
（ｄ）前記粗面化処理された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面に所定の溶射材を溶射して溶射皮膜層を形成する工程、
を有することを特徴とする耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法。 - 前記基材層強化繊維層の強化繊維は、炭素繊維であることを特徴とする請求項７に記載の耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法。
- 前記工程（ａ）にて、前記ガラス繊維は、前記マンドレルに同一の角度方向で巻き付けることを特徴とする請求項７又は８に記載の耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法。
- 耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法であって、
（ａ）マンドレルに、ロール基材となる前記繊維強化プラスチック基材層を形成するための所定の強化繊維を使用した基材層プリプレグを巻き付け、引き続いて、前記基材層プリプレグの上に、前記ガラス繊維強化プラスチック層を形成するためのガラス繊維プリプレグを巻き付けて積層する工程、
（ｂ）前記基材層プリプレグ及び前記ガラス繊維プリプレグの樹脂を同時に加熱硬化させる工程、
（ｃ）前記ガラス繊維プリプレグが硬化して形成された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面を粗面化処理する工程、
（ｄ）前記粗面化処理された前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面に所定の溶射材を溶射して溶射皮膜層を形成する工程、
を有することを特徴とする耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法。 - 前記基材層プリプレグの強化繊維は、炭素繊維であることを特徴とする請求項１０に記載の耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法。
- 前記ガラス繊維プリプレグは、ガラス繊維が一方向に引き揃えて形成されたＵＤ形状プリプレグであるか、又は、ガラス繊維織物を使用して形成されたガラスクロスプリプレグであることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法。
- 前記工程（ｃ）にて、前記ガラス繊維強化プラスチック層の表面は、ブラスト処理により平均粗さＲａが２〜１０μｍに粗面化処理されることを特徴とする請求項７〜１２のいずれかの項に記載の耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法。
- 前記溶射皮膜層を形成する溶射材は、粒状のセラミックス、サーメット又は金属であることを特徴とする請求項７〜１３のいずれかの項に記載の耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法。
- 前記溶射皮膜層は、皮膜厚さが０．０５〜１．０ｍｍ、表面のビッカース硬度ＨＶが６００〜１２００、表面の平均粗さＲａが０．０５〜１．０μｍであることを特徴とする請求項７〜１４いずれかの項に記載の耐摩耗性のロール状繊維強化複合材の製造方法。
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