JPH03270926A - 軽量複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は高張力かつ高剛性で耐衝撃性及び摩擦抵抗性に
優れ、さらに軽量である複合材料に関する発明である。

（従来の技術） 炭素繊維はガラス繊維に比較して高強力、高剛性かつ軽
量であるため、複合材料の強化材としてよく用いられて
いる。

しかしながら、炭素繊維は耐衝撃性が悪いため、炭素繊
維を強化材とした複合材料は耐衝撃性を必要とする分野
への応用が制限されている。

一方、全芳香族ポリアミド繊維を複合材料の強化材とし
て用いることも検討されているが、炭素繊維と同レベル
の引張強度と引張弾性率を得ることは困難であり、耐衝
撃性が炭素繊維より優るが未だ不充分であるため、全芳
香族ポリアミド繊維を強化材とした複合材料は耐衝撃性
を必要とする分野への応用が制限されている。

かかる欠点を回避するため、特開昭８０−４５６１０７
号公報、特開昭８Ｏ−５２Ｅ３４７号公報等に記載され
ている可撓性の合成繊維即ちポリエチレン等の高分子か
ら成る高強力かつ高弾性率の繊維を強化材とした複合材
料が考えられる。しかしながら該合成繊維を強化材とし
て熱硬化性の合成樹脂をマトリックスとして複合化した
場合、強化材とマトリックスとの接着性が悪いため、強
化材とマ）　ＩＪフックス剥離しやすく、複合材料の剛
性及び耐衝撃性が小さい。又、強化材とマトリックスと
の接着性を向上させるため、該合成繊維を強化材とし熱
可塑性樹脂例えば、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニ
ル共重合体、エチレン−マレイン酸エステル共重合等の
溶融物をマトリックスとして複合化した場合、熱可塑性
合成樹脂の溶融粘度が大きくマトリックスが強化材であ
る合成繊維の単糸間への含浸性が悪いため、強化材とマ
トリックスとが剥離しやすく、複合材料の剛性及び耐衝
撃性が小さい。かかる欠点を回避するため、特開昭５８
−１８９５２１号公報では、高強力・高弾性率のポリオ
レフィンモノフィラメントを強化材として用いる方法が
開示されている。

しかしながら、該ポリオレフィンモノフィラメントの繊
維径が充分に大きくないため、実用的な複合材料の強化
材として用いる場合、モノフィラメントを多数束ねたマ
ルチフィラメントの形態として用いる必要があり、該強
化材を熱可塑性合成樹脂溶融物でマトリックスとして複
合化した場合、前記と同様にマトリックスの含浸性が悪
いため、強化材とマトリックスとが剥離しやすく、複合
材料の剛性及び耐衝撃性が小さい。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は前記従来の欠点即ち、軽量複合材料における強
化材とマトリックスとの低接着性及び強化材とのマトリ
ックスの低含浸性に基因した低剛性及び低耐衝撃性を改
善することである。

（問題点を解決するための手段） 本発明者等は前記従来の欠点を解決すべく鋭意検討した
結果、あるレベル以上の引張強度と引張弾性率を有する
他に横断面が扁平かつ横断面積が大きい合成樹脂重合体
延伸物を強化材とし、熱可塑性合成樹脂をマトリックス
として複合化することにより、軽量複合材料の低剛性及
び低耐衝撃性が飛躍的に向上することを見出し、本発明
に至った。

即ち、本発明は少なくとも１５ｇ／デニール以上の引張
強度と少なくとも５００　ｇ／デニール以上の引張弾性
率を有し、横断面扁平化率が５０以上かつ横断面積がＯ
，１７以上である合成樹脂重合体延伸物例えば特開昭８
１ｍｍ２１０１０３２号公報に開示された合成樹脂重合
体延伸物即ち、テープ状のポリエチレン延伸物と該合成
樹脂延伸物の融点より少なくとも５℃以上低い融点を有
する合成樹脂重合体例えばポリエチレン、ポリプロピレ
ン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−エチル
アクリレート共重合体、エチレン−マレイン酸エステル
共重合体より成る軽量複合材料である。

本発明で言う合成樹脂重合体延伸物の横断面扁平化率と
は合成樹脂重合体延伸物の軸方向の横断面において長軸
長さ（ａ−）と短軸（ｂ　、、）を測定し、ａ／ｂで定
義する。

本発明の複合材料の強化材として用いる合成樹脂重合体
延伸物が少なくとも１５ｇ／デニール、好ましくは２０
ｇ／デニール、更に好ましくは３０ｇ／デニール以上の
引張強度と少なくとも５００　ｇ７デニール、好ましく
は８００　ｇ／デニール、更に好ましくは１０００ｇ／
デニール以上の引張弾性率を有するため、複合材料の高
張力、高剛性及び高耐衝撃性が保障される。逆に、合成
樹脂重合体延伸物の引張強度が１５ｇ／デニール未満で
引張弾性率が５００　ｇ／デニール未満である場合、複
合材料の高張力、高剛性及び高衝撃性を保障できない。

又、本発明の複合材料の強化材として用いる合成樹脂重
合体延伸物の横断面扁平化率が少なくとも５０以上であ
るため、一方向強化複合材料例えば合成樹脂重合体延伸
物の両側に合成樹脂重合体を配した後、ヒートブレス装
置で加熱・加圧する方法でテープ状複合材料が得やすい
ばかりでなく、得られたテープ状複合材料において合成
樹脂重合体延伸物の配向方向と直角方向の張力及び剛性
が大きいため、面内等方法の良好な一方向強化複合材料
が得易い。逆に、合成樹脂重合体延伸物の横断面扁平化
率が５０未満の場合、前記方法で得た一方向強化複合材
料において合成樹脂重合体延伸物の配向方向と直角方向
の張力及び剛性が小さいため、面内等方法の良好な一方
向強化複合材料が得難い。さらに、本発明の複合材料の
強化材として用いる合成樹脂重合体延伸物の横断面積が
０．１ｍｍ２以上であるため、合成樹脂重合体延伸物を
複数本束ねて構成させた強化材を合成樹脂重合体をマ）
　ＩＪフックスして加熱・加圧法で複合化した場合、合
成樹脂重合体延伸物の間隙へ合成樹脂重合体溶融物が含
浸し易いことにより、合成樹脂重合体延伸物への合成樹
脂重合体の濡れ性が良好となるため、得られた複合材料
において、合成樹脂重合体延伸物と合成樹脂重合体の剥
離に基因した剛性及び耐衝撃性の低下が生じ難い。逆に
、合成樹脂重合体延伸物の横断面積が０．１ｍｍ２未満
の場合、合成樹脂重合体延伸物を複数本束ねて構成させ
た強化材を合成樹脂重合体をマトリックスとして加熱・
加圧法で複合化した場合、合成樹脂重合体延伸物の間隙
へ合成樹脂重合体溶融物が含浸し難いので、合成樹脂重
合体延伸物への合成樹脂重合体の濡れ性が不良になり易
いため、得られた複合材料において、合成樹脂重合体延
伸物と合成樹脂重合体の剥離に基因した剛性及び耐衝撃
性の低下が生じ易い。又本発明の複合材料の強化材とし
てポリエチレン延伸物を用いた場合、従来の強化材があ
るガラス繊維、炭素繊維、芳香族ポリアミド繊維を用い
た場合より、軽量な複合材料が得られる。

本発明の複合材料では、強化材である合成樹脂重合体延
伸物の融点より少なくとも５℃以上低いことが好ましい
。合成樹脂重合体延伸物の融点と合成樹脂重合体の融点
との差が５℃以上である場合、合成樹脂重合体延伸物と
合成樹脂重合体を加熱・加圧して複合材料を得る際、合
成樹脂重合体延伸物の熱劣化による強度低下を抑制しつ
つ、合成樹脂重合体延伸物への合成樹脂重合体の濡れ性
を良好に保つことができるため、得られた複合材料では
高張力が保障されるとともに合成樹脂重合体延伸物と合
成樹脂重合体との剥離に基因した剛性及び耐衝撃性の低
下が生じ難い。逆に、合成樹脂重合体延伸物の融点と合
成樹脂重合体の融点との差が５℃未満の場合、合成樹脂
重合体延伸物の熱劣化による強度低下が小さい温度即ち
、合成樹脂重合体の融点より低い温度で加熱・加圧成形
して得た複合材料では、合成樹脂重合体延伸物への合成
樹脂重合体の濡れ性が悪いため、合成樹脂重合体延伸物
と合成樹脂重合体との剥離に基因した剛性及び耐衝撃性
の低下が生じ易い。又、合成樹脂重合体延伸物への合成
樹脂重合体の濡れ性が良好となる温度即ち、合成樹脂重
合体の融点以上の温度で加熱・加圧成形して得た複合材
料では、合成樹脂重合体延伸物の熱劣化による強度及び
弾性率の低下が大きいため、張力及び耐衝撃性の低下が
生じ易い。さらに、マトリックスである合成樹脂重合体
を用いずに合成樹脂重合体延伸物を自己接着させて複合
材料を得る方法では、合成樹脂重合体延伸物の熱劣化に
よる強度及び弾性率が小さい温度例えば合成樹脂重合体
延伸物の融点より５℃以上低い温度で加熱・加圧成形し
て得た材料では、合成樹脂重合体延伸物間での接着不良
に基因した剥離が生じるため、剛性及び耐衝撃性の低下
が生じる。又、合成樹脂重合体延伸物が充分に自己接着
する温度即ち、合成樹脂重合体延伸物の融点より高い温
度で加熱・加圧成形して得た材料では、合成樹脂重合体
延伸物の熱劣化による強度及び弾性率の低下が大きいた
め、張力、剛性及び耐衝撃性が低下する。

しかして、本発明の複合材料のマトリックスである合成
樹脂重合体として、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニ
ル共重合体、エチレン−エチルアクリレート共重合体、
エチレン−マレイン酸エステル共重合体等を用いれば、
高張力、高剛性、高耐衝撃性で軽量な複合材料が得られ
る。

以下、実施例に基づき、本発明の詳細な説明するが、本
発明は実施例に限定されるものではない。

（実施例） 実施例　１゜ ＪＩＳ−Ｌ−１０１３に基づいて引張強度が３０ｇ／デ
ニールであり、引張弾性率が１５１０ｇ／デニールであ
り、示差走査熱量計を用いて昇温速度１０℃／分で測定
した融点が１４５℃であり、ノギスを用いて測定した軸
方向の横断面の長袖長さが５■かつ短軸長さが０．０４
ｍｍ即ち、横断面扁平化率が１２５であるポリエチレン
延伸物を金枠に４３回巻き付けて複合材料の強化材とし
た。該強化材の両側にＪ　Ｉ　Ｓ−に−８７６０に基づ
いて求めた密度が０．９２ｇ／ｃＪであり、示差走査熱
量計を用いて昇温速度１０℃／分で測定した融点が１０
２℃であるポリエチレンシートを複合材料のマトリック
スとして配し、これらを両端開放の凹凸型金型（凹凸金
型のクリアランス＝３−１）に装填して１３５℃、ｌｏ
ｏｋｇ／ｃＪの条件で５分間加熱・加圧成形し、巾が６
１■かつ厚みが３■鵬であり、ポリエチレン延伸物の含
有率が５０マｏ１％である複合材料を得た。

該複合材料から長さ８Ｃ）＋ｍの試験片を３個切出し、
テンシロン型試験機を用いて支点間距離４８■鵬、圧子
半径５　ｍｍ１支点半径２−鵬の条件以外はＪＩｓ−に
−７２０３に基づいて求めた曲げ強度及び曲げ弾性率の
平均値は各々３４ｋｇ／ｗ１．３．１１Ｘ１０’ｋｇ／
−であった。

又、マトリックス含浸性の目安として、染料溶液（牛丼
化学薬品−のクリスタルバイオレット５ｇをエタノール
１１に溶解させた溶液）に長さ２０ｍｍの複合材料片を
２４時間浸漬した際の複合材料切断端からの染料含浸吸
着端までの長さをもって複合材料の貫通気孔の存在程度
を評価した結果、複合材料片の両切断端からの染料含浸
吸着長さが各々１ｍ鵬以下であり、マトリックスは強化
材であるポリエチレン延伸物間に充分含浸していた。

又、前記複合材料から長さＢｏｗ鵬のフラットワイズの
試験片を５個切出し、東側精密工業■製のユニバーサル
衝撃試験機を用いて、ハンマー持上角度が１５０″、ハ
ンマー打衝撃速度が３．８ｍ／秒、支点間距離が４２１
１１衝撃エネルギーが３０Ｑ　ｋ（・ａｍの条件以外は
Ｊ　Ｉ　Ｓ−に−７１１１に基づいて求めたシャルピー
衝撃強度の平均値は２５１　ＫＪ／　／であった。

実施例　２ 実施例１に記載した方法で複合材料の強化材を得た。該
強化材の両側にＪ　Ｉ　Ｓ−に−６７６０１に基づいて
求めた密度が０．９８ｇ／ｃＪであり、示差走査熱量計
を用いて昇温速度１０℃／分で測定した融点が１２９℃
であるポリエチレンシートを複合材料複合材料のマトリ
ックスとして配し、１３５℃、１００ｋｇ／ｃＪの条件
で５分間加熱・加圧成形して複合材料を得た。

該複合材料を実施例１に記載した方法で試験した結果、
曲げ強度及び曲げ弾性率の平均値は各々３９ｋｇ／−及
び３．５５Ｘ１０３ｋｇ／−であり、複合材料片の両切
断端からの染料含浸吸着長さは１■以下であり、シャル
ピー衝撃強度の平均値は２８４ＫＪ／ｄであった。

比較例　１゜ ＪＩＳ−Ｌ−１０１３に基づいて求めた引張強度が１６
ｇ／デニールであり、引張弾性率が９７０ｇ／デニール
であり、合計繊度が４０４デニール、フィラメント数２
６７本の全芳香族ポリアミド繊維（ケブラー４８マルチ
フイラメント）を１５２回金枠に巻き付は複合材料の強
化材とした。

該強化材をエポキシ樹脂（エピコート８２７を１００部
とトリエチレンペンタミン１０ｇ）！：１５分間真空下
・２５℃で浸漬した後、実施例１に記載した金型に装填
し、１００℃で０．５ｈ加熱硬化させて複合材料を得た
。

該複合材料を実施例１に記載した方法による試験結果は
曲げ強度及び曲げ弾性率の平均値は各々３７ｋｇ／デニ
ール及び３．２３Ｘ１０３ｋｇ／デニールであり、複合
材料片の両切断端からの染料含浸吸着長さは１１８ｍ１
以下であり、シャルピー衝撃強度は１７３ＫＪ／／であ
った。

比較例　２ ＪＩＳ−Ｌ−１０１３に基づいて求めた引張強度が３０
ｇ／デニールであり、引張弾性率が１１００ｇ／デニー
ルであり、合計繊度が８００デニールであり、フィラメ
ント数７８０本であるポリエチレン繊維を金枠に９７回
巻き付けて複合材料の強化材を得た。

該強化材の両側に実施例１に記載したポリエチレンシー
トを配し、実施例１の方法で加熱・加圧成形して繊維含
有率が５０ｖｏ１％である複合材料を得た。

該複合材料を実施例１に記載した方法で試験した結果、
曲げ強度及び曲げ弾性率の平均値は各々１２ｋｇ／ｗＪ
、１ｍｍ２９１　Ｘ　１０３ｋｇ／ｊであり、複金材料
切断片の両切断端からの染料含浸吸着長さは１０ｍ閣で
あり、シャルピー衝撃強度の平均値は１５８ＫＪ／ｌ／
であった。

（発明の効果） 本発明の複合材料はあるレベルの引張強度及び引張弾性
率を有する他に軸方向に直角な横断面が扁平かつ横断面
積が大きい合成樹脂重合体延伸物を強化材とし、該合成
樹脂重合体延伸物との接着型及び加熱・加圧成形時での
濡れ性が良好な合成樹脂重合体をマトリックスしている
ため、高張力かつ高衝撃性に優れた複合材料が得られる
。又、合成樹脂重合体延伸物としててポリエチレン延伸
物を用いた場合、複合材料の重量が著しく軽量にできる
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも１５ｇ／デニール以上の引張強度と少なくと
   も５００ｇ／デニール以上の引張弾性率を有し横断面扁
   平化率が５０以上かつ横断面積が０．１ｍｍ＾２以上で
   ある合成樹脂重合体延伸物と該合成樹脂重合体延伸物の
   融点より少なくとも５℃以上低い融点を有する合成樹脂
   重合体より成ることを特徴とする複合材料。