JP6784958B2 - 表面被覆強化繊維及び当該表面被覆強化繊維の製造方法、並びに当該表面被覆強化繊維と樹脂とを含む中間基材、複合材料及び成形体 - Google Patents
表面被覆強化繊維及び当該表面被覆強化繊維の製造方法、並びに当該表面被覆強化繊維と樹脂とを含む中間基材、複合材料及び成形体 Download PDFInfo
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Description
第2工程:強化繊維の表面の少なくとも一部にナノセルロース分散液が塗布された中間素材繊維を調製する。
第3工程:中間素材繊維を乾燥させて強化繊維の表面の少なくとも一部に塗布されたナノセルロース分散液から分散媒を除去することにより強化繊維の表面の少なくとも一部にナノセルロース層を形成させる。
以下、本発明の第1実施形態に係る表面被覆強化繊維(以降、「第1強化繊維」と称呼される場合がある。)について説明する。
第1強化繊維は、ナノセルロース(NCe)からなる層であるナノセルロース層によって表面の少なくとも一部が直接的に被覆された強化繊維である表面被覆強化繊維である。
前述した従来技術のようにナノセルロース(NCe)を含むサイジング剤を強化繊維に予め塗布する場合、サイジング剤を強化繊維の表面全体に均一に塗布することは困難である。重ね塗り等によりサイジング剤を強化繊維の表面全体に行き渡らせたとしても、NCeの凝集性が非常に高いことから、サイジング剤中に分散可能なNCeの量には限界がある。従って、例えば図1に示すように、NCe21を含むサイジング剤50によって表面が被覆された従来技術に係る表面被覆強化繊維30及びマトリックス樹脂40を含む繊維強化樹脂複合材料100においては、サイジング剤50中に分散されているNCe21の一部のみが強化繊維10に結合しているに過ぎない。即ち、強化繊維10の表面に結合しているNCe21の密度(単位面積当たりの数)を効果的に高めることは困難である。その結果、繊維強化樹脂複合材料100において、強化繊維10とマトリックス樹脂40との界面における密着性を向上させることは困難である。
以下、本発明の第2実施形態に係る表面被覆強化繊維(以降、「第2強化繊維」と称呼される場合がある。)について説明する。
そこで、第2強化繊維は、上述した第1強化繊維であって、ナノセルロース(NCe)が官能基によって変性されている、表面被覆強化繊維である。
第2強化繊維においては、上記のように、ナノセルロース(NCe)が官能基によって変性されている。従って、第2強化繊維の製造工程において使用される分散媒、強化繊維及びマトリックス樹脂に対する高い親和性を有する官能基を選択することにより、均一なナノセルロース層を強化繊維の表面に形成させることができ、強化繊維とマトリックス樹脂との密着性を高めて、強化繊維及びマトリックス樹脂を含む繊維強化樹脂複合材料からなる成形体の機械的強度をより効果的に高めることができる。
以下、本発明の第3実施形態に係る表面被覆強化繊維の製造方法(以降、「第3製造方法」と称呼される場合がある。)について説明する。
そこで、第3製造方法は、上述した第1強化繊維及び第2強化繊維を始めとする本発明強化繊維の製造方法であって、以下に列挙する第1工程乃至第3工程を含む、表面被覆強化繊維の製造方法である。
第2工程:強化繊維の表面の少なくとも一部にナノセルロース分散液が塗布された中間素材繊維を調製する。
第3工程:中間素材繊維を乾燥させて強化繊維の表面の少なくとも一部に塗布されたナノセルロース分散液から分散媒を除去することにより強化繊維の表面の少なくとも一部にナノセルロース層を形成させる。
以上のように、第3製造方法においては、ナノセルロース(NCe)が分散媒中に分散されている分散液であるナノセルロース分散液を強化繊維の表面の少なくとも一部に塗布して中間素材繊維を調製し、中間素材繊維を乾燥させて強化繊維の表面の少なくとも一部に塗布されたナノセルロース分散液から分散媒を除去することにより強化繊維の表面の少なくとも一部にナノセルロース層を形成させる。このように、より低い粘度を有する分散媒中にNCeが分散されているので、前述した従来技術のようにNCeを含むサイジング剤を強化繊維に予め塗布する場合に比べて、強化繊維の表面にNCeをより均一に配置することができる。
前述したように、上述した第1強化繊維及び第2強化繊維を始めとする本発明強化繊維を構成する強化繊維は、何等かの表面改質が施された強化繊維であってもよい。即ち、上述した第2工程においてナノセルロース分散液が塗布される前に、前述したような表面改質を強化繊維に施してもよい。これにより、ナノセルロース層を構成するNCeと強化繊維との間の物理的な結合及び/又は化学的な結合がより強固となり、本発明強化繊維及びマトリックス樹脂を含む繊維強化樹脂複合材料から製造される成形体の機械的強度を更に高めることができる。
また、サイジング剤によって形成される層とナノセルロース層とを併用してもよい。例えば、上述した第1工程乃至第3工程を実行した後の本発明強化繊維にサイジング剤を更に塗布する処理(サイジング処理)を施してもよい。この場合、サイジング剤の塗布量を少なめに設定して強化繊維の表面に部分的にサイジング剤を塗布することにより、前述したような集束性を強化繊維に付与したり強化繊維を破損から保護したりする効果を追加することができる。また、結果的にサイジング剤に比べて高価なナノセルロース(NCe)の使用量を低減することができるので、本発明強化繊維の製造コストを削減することもできる。
ところで、上述した第3製造方法の変形例2においては、強化繊維の表面にナノセルロース層が形成された後にサイジング剤を塗布したが、サイジング剤が既に表面に塗布されている強化繊維の表面にナノセルロース層を形成してもよい。換言すれば、上述したステップS04を、ステップS03の後ではなく、ステップS02の前に実行してもよい。或いは、サイジング剤が塗布された市販の強化繊維に対して第3製造方法を適用してもよい。
以上、本発明に係る表面被覆強化繊維(本発明強化繊維)及び本発明強化繊維の製造方法(本発明製造方法)について詳細に説明してきたが、本明細書の冒頭において述べたように、本発明は本発明強化繊維と樹脂とを含む中間基材(本発明中間基材)にも関する。
第4中間基材は、上述した第1強化繊維及び第2強化繊維を始めとする本発明強化繊維と、母材としての樹脂であるマトリックス樹脂と、を含む、中間基材である。
上述したように、第4中間基材は本発明強化繊維とマトリックス樹脂とを含む中間基材である。また、本発明強化繊維は、前述したように、ナノセルロース(NCe)からなる層であるナノセルロース層によって表面の少なくとも一部が直接的に被覆された強化繊維である。従って、第4中間基材においては、強化繊維とマトリックス樹脂との界面の少なくとも一部にナノセルロース(NCe)が直接的に介在している。その結果、第4中間基材から製造される成形体においては強化繊維とマトリックス樹脂との界面における密着性が向上され、当該成形体の機械的強度が効果的に高められる。
以下、本発明の第5実施形態に係る中間基材(以降、「第5中間基材」と称呼される場合がある。)について説明する。
そこで、第5中間基材は、上述した第4中間基材であって、マトリックス樹脂は熱可塑性樹脂であり、マトリックス樹脂中に本発明強化繊維が練り込まれたペレットである、ペレット状中間基材である。
上記のように、第5中間基材は、マトリックス樹脂としての熱可塑性樹脂中に本発明強化繊維が練り込まれたペレットである。従って、例えば、一軸押出機又は二軸押出機及び成形用金型等の設備を用いる射出成形により、所望の形状を有する成形体を第5中間基材から容易に製造することができる。
以下、本発明の第6実施形態に係る中間基材(以降、「第6中間基材」と称呼される場合がある。)について説明する。
第6中間基材は、上述した第4中間基材であって、マトリックス樹脂は熱可塑性樹脂であり、マトリックス樹脂からなる繊維である母材繊維と本発明強化繊維とが混繊されたコミングルヤーンである、繊維状中間基材である。
上記のように、第6中間基材は、マトリックス樹脂としての熱可塑性樹脂からなる繊維である母材繊維と本発明強化繊維とが混繊されたコミングルヤーンである。従って、第6中間基材においても、強化繊維とマトリックス樹脂との界面の少なくとも一部にナノセルロース(NCe)が直接的に介在している。その結果、第6中間基材から製造される成形体においては強化繊維とマトリックス樹脂との界面における密着性が向上され、当該成形体の機械的強度が効果的に高められる。
以下、本発明の第7実施形態に係る中間基材(以降、「第7中間基材」と称呼される場合がある。)について説明する。
第7中間基材は、上述した第4中間基材であって、マトリックス樹脂は熱可塑性樹脂であり、マトリックス樹脂からなる粉末である母材粉末が本発明強化繊維の表面に付着している、繊維状中間基材である。
上記のように、第7中間基材においては、マトリックス樹脂としての熱可塑性樹脂からなる粉末である母材粉末が本発明強化繊維の表面に付着している。従って、第7中間基材においても、強化繊維とマトリックス樹脂との界面の少なくとも一部にナノセルロース(NCe)が直接的に介在している。その結果、第7中間基材から製造される成形体においては強化繊維とマトリックス樹脂との界面における密着性が向上され、当該成形体の機械的強度が効果的に高められる。具体的には、所定の形状及び構造となるように構成された第7中間基材を加熱及び/又は加圧することによって製造される成形体の機械的強度が効果的に高められる。
以下、本発明の第8実施形態に係る中間基材(以降、「第8中間基材」と称呼される場合がある。)について説明する。
そこで、第8中間基材は、上述した第4中間基材であって、シート状の形状を有する、シート状中間基材である。第8中間基材の他の構成(例えば、強化繊維及びマトリックス樹脂の材料並びに第8中間基材の構造等)は、例えば、当該中間基材から製造される成形体の用途における要求特性等に応じて適宜選択される。
上記のように、第8中間基材はシート状の形状を有する本発明中間基材である。従って、例えば所謂「ホットスタンプ」(熱間プレス)等の手法により第8中間基材から成形体を製造することができる。但し、第8中間基材から成形体を製造するための具体的な手法は上記に限定されず、例えば強化繊維及びマトリックス樹脂の性状並びに第8中間基材から製造される成形体の用途における要求特性等に応じて、当該技術分野において広く採用されている種々の手法から適宜選択することができる。即ち、例えば、所謂「プリプレグ」、「プリフォーム」、及び「スタンパブルシート」等として第8中間基材を使用して、様々な成形体を容易に製造することができる。
以下、本発明の第9実施形態に係る中間基材(以降、「第9中間基材」と称呼される場合がある。)について説明する。
そこで、第9中間基材は、上述した第8中間基材であって、マトリックス樹脂は熱可塑性樹脂であり、マトリックス樹脂からなる層と本発明強化繊維からなる層とが積層された層状構造を有する、シート状中間基材である。マトリックス樹脂からなる層及び本発明強化繊維からなる層の各々の数及び厚み等は、例えば強化繊維及びマトリックス樹脂の性状並びに第9中間基材から製造される成形体の用途における要求特性等に応じて適宜選択することができる。
上記のように、第9中間基材は、マトリックス樹脂からなる層と本発明強化繊維からなる層とを含む積層構造を有するシート状の中間基材である。従って、例えば、所謂「プリプレグ」、「プリフォーム」、及び「スタンパブルシート」等として第9中間基材を使用して、様々な成形体等を容易に製造することができる。
以下、本発明の第10実施形態に係る中間基材(以降、「第10中間基材」と称呼される場合がある。)について説明する。
そこで、第10中間基材は、上述した第8中間基材であって、マトリックス樹脂は熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂であり、本発明強化繊維からなる層がマトリックス樹脂によって含浸されている、シート状中間基材である。マトリックス樹脂及び強化繊維を構成する材料等、第10中間基材の具体的な構成は、例えば第10中間基材から製造される成形体の用途における要求特性等に応じて適宜選択することができる。
上記のように、第10中間基材は、母材としての熱可塑性樹脂と本発明強化繊維とを含むシート状の中間基材である。従って、例えば、所謂「プリプレグ」、「プリフォーム」、及び「スタンパブルシート」等として第10中間基材を使用して、様々な成形体を容易に製造することができる。
以下、本発明の第11実施形態に係る中間基材(以降、「第11中間基材」と称呼される場合がある。)について説明する。
そこで、第11中間基材は、上述した第8中間基材であって、上述した繊維状の第6中間基材又は第7中間基材によって構成されている、シート状中間基材である。
上述したように、第6中間基材及び第7中間基材は、マトリックス樹脂としての熱可塑性樹脂と本発明強化繊維とを含む繊維状中間基材である。従って、これらの繊維状中間基材をシート状に成形し、例えば加熱及び/又は加圧によって処理することにより、マトリックス樹脂としての熱可塑性樹脂と本発明強化繊維とを含むシート状中間基材として第11中間基材を容易に製造することができる。
以下、本発明の第12実施形態に係る中間基材(以降、「第12中間基材」と称呼される場合がある。)について説明する。
そこで、第12中間基材は、上述した第6中間基材乃至第11中間基材の何れかのシート状中間基材であって、強化繊維が単一の方向に配向している、シート状中間基材である。第12中間基材の製造方法は特に限定されず、当該技術分野において採用されている種々の製造方法から適宜選択することができる。例えば、第12中間基材は、単一の方向に強化繊維が配向するように上述した繊維状中間基材が並べられている状態において当該中間基材を加熱及び/又は加圧することによって製造することができる。
上記のように、第12中間基材においては強化繊維が単一の方向に配向している。従って、第12中間基材は、強化繊維の配向方向においては高い機械的強度を呈する一方、その他の方向においては比較的低い機械的強度を呈する。即ち、第12中間基材は、例えば機械的強度等の特性において異方性を有する。従って、第12中間基材は、例えば、所謂「UD材」として使用することができる。
以下、本発明の第13実施形態に係る中間基材(以降、「第13中間基材」と称呼される場合がある。)について説明する。
そこで、第12中間基材は、上述した第6中間基材乃至第11中間基材の何れかのシート状中間基材であって、強化繊維が単一の方向に配向していない、シート状中間基材である。第13中間基材の製造方法は特に限定されず、当該技術分野において採用されている種々の製造方法から適宜選択することができる。例えば、第13中間基材は、強化繊維がランダムな方向又は所定の複数の方向に配向するように上述した繊維状中間基材が並べられている状態において当該中間基材を加熱及び/又は加圧することによって製造することができる。或いは、上述したように強化繊維が単一の方向に配向している第12中間基材を複数用意し、これらを強化繊維の配向方向が一致しないように積層することによって第13中間基材を製造してもよい。
上記のように、第13中間基材においては強化繊維が単一の方向に配向していない。従って、第13中間基材は、例えば機械的強度等の特性において異方性を有することが望ましくない用途又は複数の方向における異方性を有することが望ましい用途等において使用することができる。
以下、本発明の第14実施形態に係る中間基材(以降、「第14中間基材」と称呼される場合がある。)について説明する。
そこで、第14中間基材は、上述した第13中間基材であって、強化繊維が織物又は編物を構成している、シート状中間基材である。第14中間基材の製造方法は特に限定されず、当該技術分野において採用されている種々の製造方法から適宜選択することができる。例えば、第14中間基材は、上述した繊維状中間基材が織物又は編物を構成している状態において当該中間基材を加熱及び/又は加圧することによって製造することができる。或いは、強化繊維によって構成された織物又は編物とマトリックス樹脂からなる層との間にNCe又はNCeからなる層が挟まれている状態において、これらの原材料を加熱及び/又は加圧することにより、第14中間基材を製造してもよい。
上記のように、第14中間基材においては強化繊維が織物又は編物を構成している。従って、第14中間基材から製造される成形体の機械的強度及び耐久性等を更に向上させることができる。
以下、本発明の第15実施形態に係る複合材料(以降、「第15複合材料」と称呼される場合がある。)について説明する。
そこで、第15複合材料は、母材としての樹脂であるマトリックス樹脂及び強化繊維を含む複合材料であって、マトリックス樹脂と強化繊維との界面の少なくとも一部においてナノセルロース(NCe)からなる層であるナノセルロース層がマトリックス樹脂と強化繊維との間に直接的に介在している、複合材料である。
第15複合材料においては、上記のように、マトリックス樹脂と強化繊維との界面の少なくとも一部においてナノセルロース(NCe)からなる層であるナノセルロース層がマトリックス樹脂と強化繊維との間に直接的に介在している。具体的には、例えば、第1強化繊維に関する説明において参照した図2に示すように、ナノセルロース層20を構成するNCe21がマトリックス樹脂と40と強化繊維10との界面に直接的に介在している。従って、図1を参照しながら説明した従来技術のようにNCe21を含むサイジング剤50を強化繊維10に予め塗布する場合と比べてマトリックス樹脂と40と強化繊維10との界面に直接的に介在しているNCe21の密度がより高い。その結果、第15複合材料においては、強化繊維10とマトリックス樹脂40との界面における密着性を向上させることができる。
以下、本発明の第16実施形態に係る成形体(以降、「第16成形体」と称呼される場合がある。)について説明する。
そこで、第16成形体は、上述した第15複合材料を含む成形体である。
上述したように、第15複合材料においては、マトリックス樹脂と強化繊維との界面の少なくとも一部においてナノセルロース(NCe)からなる層であるナノセルロース層がマトリックス樹脂と強化繊維との間に直接的に介在している。その結果、第15複合材料を含む成形体である第16成形体によれば、第15複合材料について述べたような種々の顕著な効果が達成される。
Claims (11)
- ナノセルロース(NCe)からなる層であるナノセルロース層によって表面の少なくとも一部が直接的に被覆された強化繊維である表面被覆強化繊維と、母材としての樹脂であるマトリックス樹脂と、を含む、中間基材の製造方法であって、
前記ナノセルロース(NCe)のみが分散媒中に分散されている分散液であるナノセルロース分散液を調製する第1工程と、
前記強化繊維の表面の少なくとも一部に前記ナノセルロース分散液が塗布された中間素材繊維を調製する第2工程と、
前記中間素材繊維を乾燥させて前記強化繊維の表面の少なくとも一部に塗布された前記ナノセルロース分散液から前記分散媒を除去することにより前記強化繊維の表面の少なくとも一部に前記ナノセルロース層を形成させて前記表面被覆強化繊維を調製する第3工程と、
前記表面被覆強化繊維と前記マトリックス樹脂とを組み合わせて前記中間基材を調製する第4工程と、
を含み、
前記ナノセルロース(NCe)は官能基によって変性されたセルロースナノファイバ(CeNF)であり、
前記強化繊維は炭素繊維(CF)であり、
前記マトリックス樹脂は熱可塑性樹脂である、
中間基材の製造方法。 - 請求項1に記載された中間基材の製造方法であって、
前記第4工程において調製される前記中間基材は、前記マトリックス樹脂中に前記表面被覆強化繊維を練り込まれたペレットである、
中間基材の製造方法。 - 請求項1に記載された中間基材の製造方法であって、
前記第4工程において調製される前記中間基材は、前記マトリックス樹脂からなる繊維である母材繊維と前記表面被覆強化繊維とが混繊されたコミングルヤーンである、
中間基材の製造方法。 - 請求項1に記載された中間基材の製造方法であって、
前記第4工程において調製される前記中間基材は、前記マトリックス樹脂からなる粉末である母材粉末が前記表面被覆強化繊維の表面に付着している母材粉末被覆強化繊維である、
中間基材の製造方法。 - 請求項1に記載された中間基材の製造方法であって、
前記第4工程において調製される前記中間基材はシート状の形状を有する、
中間基材の製造方法。 - 請求項5に記載された中間基材の製造方法であって、
前記中間基材は、前記マトリックス樹脂からなる層と前記表面被覆強化繊維からなる層とが積層された層状構造を有する、
中間基材の製造方法。 - 請求項5に記載された中間基材の製造方法であって、
前記第4工程において調製される前記中間基材において、前記表面被覆強化繊維からなる層が前記マトリックス樹脂によって含浸されている、
中間基材の製造方法。 - 請求項5に記載された中間基材の製造方法であって、
前記第4工程において調製される前記中間基材は、前記マトリックス樹脂からなる繊維である母材繊維と前記表面被覆強化繊維とが混繊されたコミングルヤーン又は前記マトリックス樹脂からなる粉末である母材粉末が前記表面被覆強化繊維の表面に付着している母材粉末被覆強化繊維によって構成されている、
中間基材の製造方法。 - 請求項5乃至請求項8の何れか1項に記載された中間基材の製造方法であって、
前記第4工程において調製される前記中間基材において、前記強化繊維が単一の方向に配向している、
中間基材の製造方法。 - 請求項5乃至請求項8の何れか1項に記載された中間基材の製造方法であって、
前記第4工程において調製される前記中間基材において、前記強化繊維が単一の方向に配向していない、
中間基材の製造方法。 - 請求項10に記載された中間基材の製造方法であって、
前記第4工程において調製される前記中間基材において、前記強化繊維が織物又は編物を構成している、
中間基材の製造方法。
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