JPS62226846A - 炭素繊維複合硬化物 - 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〕 本発明は炭素繊維と水硬性無機微粉体水和物とからなり
高強度で軽量であり、且つ耐腐食性、不燃性、耐アルカ
リ性、自己調湿性、透湿性、導電性等に富み、且つ再切
削性を有する無機質硬化体に関する。

〔従来の技術〕

炭素繊維と水硬性無機微粉体と水を含む硬化体は、水硬
性無機微粉体の水和物をマトリックスとする製品（所謂
モルタル、コンクリート）の強度不足を、炭素繊維の有
する引っ張り強度と弾性率とを利用して補うために開発
されたものであり、従来は、前記硬化体を構成するため
に、炭素繊維を水硬性無機材と水と骨材及び種々のセメ
ント用混和剤（材）又はこれらの一部に混ぜてなる組成
体を硬化させる手段があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前記の手段によると、炭素繊維はその弾
性率が高く、屈曲に弱いため混練中に折れることが多く
、これを防止するためには、骨材として丸い形状のもの
を使用する、空気を入れる、ポリマーを混入する、混練
法を工夫する等の余分な配慮が必要になるという問題点
がある。この方法によると炭素繊維の混入率の上限は体
積比５％程度である。またこの手段によると、水硬性無
機材の寸法について、例えば最大粒径が４５μｍ以下の
セメントの使用が良い結果を得るとか、普通ポルトラン
ドセンメトに平均粒径０．１μｍ程度の潜在水硬性無機
材である超微粒シリカの添加が良い結果を与えるという
報告があるが、炭素繊維が屈曲に弱いということに対し
、充分な配慮がなされておらず、水硬性無機微粉体の硬
化体内における炭素繊維の直線性と均一な分散性が確保
されにくいために、炭素繊維の有する補強作用が有効に
機能しないという問題点もある。また、超微粒子シリカ
の添加は、セメント粒子間や繊維とセメント粒子間の空
隙を埋めることにより、繊維と水硬物との付着力を高め
るとしているが、超微粒子シリカの反応はポゾラン反応
であり、それによって生成する水硬物の付着力はそれほ
ど大きくなく、また不充分である。

また、含浸法としては、ガラス繊維強化プラスチックの
公知の成形方法であるハンドレイアップ。

フィラメントワインディング、プルプレソシング等と同
様な方法が採用されているが、これらの方法では、粒度
に特別に留意することなく普通のポルトランドセメント
又はやや小さい粒径（平均粒径２０μｍ）のポルトラン
ドセメントを使用し、平均粒径０．１μｍの超微粒シリ
カを含む種々の混和材を添加しているため、炭素繊維の
体積比は１０％前後までが限界であった。そしてこの方
法では、炭素繊維は一次元配向はされるものの、炭素繊
維の微視的な直線性と繊維１本１本の分散が確保されに
くいため炭素繊維の有する補強作用が有効に機能しない
という問題点がある。またこの手段は、セメント粒子が
前記のように平均粒径が大きく、また最大粒径が１００
μｍのものが含まれているため、炭素繊維の間にセメン
ト粒子が充分に回り込んでいないことが原因して、炭素
繊維とセメントとの結合が不充分になるという、前記と
同様な問題点もある。

炭素繊維としてマットまたはクロスを水硬性無機材と種
々のセメント用混和剤（材）とで固める手段もあるが、
前記と同様の問題点があるが、炭素繊維の体積比はせい
ぜい５％以下であって、これにより構成される組成体の
強度はそれほど高くない。

この発明はこのような従来技術の問題点に着目してなさ
れたものであり、各炭素繊維間に水硬性無機微粉体、特
にセメント粒子が充分に回り込んで、炭素繊維間を水硬
性無機微粉体の水和物によって強固に連結させ、且つ多
量の炭素繊維の含有を可能にして、高強度の硬化物を得
ることを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の硬化物は、炭素繊維と水硬性無機微粉体とを
含み、前記炭素繊維は、長さがｌ　ａｍ以上で且つ含有
量が全体に対する体積比５〜３０％であり、また水硬性
無機微粉体は、平均粒径が炭素繊維の直径以下であり且
つ各炭素繊維間に前記水硬性無機微粉体の水和物が介在
されてなる。

〔作用〕

長さが１ｍ１以上の、所謂長繊維と呼ばれる炭素繊維は
、硬化物に体積比５％から３０％まで含まれていてその
上限値が高いため、多量の炭素繊維を含むことが可能で
あるから、この硬化物の強度が増大する。５％未満の場
合は、水硬性無機微粉体の硬化体の乾燥収縮が通常のも
のより大きく、この収縮を拘束しきれないため硬化体内
部にひびわれ等を生じ易く、期待する効果が発揮されな
い。

また水硬性無機微粉体は、その平均粒径が炭素繊維の直
径以下であるから、水硬性無機微粉体が各炭素繊維間に
充分に回り込み、この水硬性無機微粉体の水和物が各炭
素繊維間を確実に連結することになるため、この意味か
らもこの硬化物の強度を増大させている。なお、水硬性
微粉体は、ポルトランドセメント、アルミナセメント、
耐硫酸塩セメント高炉セメントまたはこれらと潜在水硬
性を有する超微粒子シリカとの混合物の微粉体またはこ
れらを主成分とする微粉体である。

また高体積比で炭素繊維を一次元配向しても、炭素繊維
の微視的な直線性と繊維１本１本の分散性が確保される
。

また、炭素繊維は、その弾性率が高いため屈曲に弱い性
質を有している。本発明の製法の１つである繊維束連続
含浸法において、水硬性無機微粉体スラリー中に粒径の
大きなものが存在すると、その部分で屈曲が起こり、か
つ高体積比で炭素繊維が存在する場合には、大きい粒子
が動かすのにより大きな力を必要とし、炭素繊維が折れ
るような力が作用する。炭素繊維束の１部の繊維が折れ
ると、折れた繊維が含浸装置のガイド類に付いて次々と
他の繊維を折り、しいては炭素繊維束全体を切断してい
まう。本発明のようにマトリックスとなる水硬性無機微
粉体スラリー０粒径を炭素繊維の直径より小さく制限す
ることにより、炭素繊維束に水硬性無機微粉体スラリー
を始めて工業的規模の速度で連続的に含浸することが可
能となる。

さらにこの発明は、ナイフ等で竹や木と同等の再切削性
を備えていて、用途に応じて切削、切断加工により硬化
物を所定の形状１寸法に設定するものとする。

以下に、本発明の硬化物について表−１のような成分と
配合例を挙げて説明する。この表のような成分と配合の
配合物を基礎としており、これを硬化させて得たもので
ある。

はじめに表の配合物について説明すると、このまだ固ま
らない配合物の単位容積当りの重量は、１．７７ｋｇｆ
／βである。ここでは、繊維補強効果を向上させるため
、直径７μｍのＰＡＮ系（ポリアクリロニトリル）高強
度炭素繊維を用いている。

しかし、この炭素繊維は弾性率が極めて高いため、単に
前記配合物を混合すると炭素繊維が折れることから、そ
れを防止するために、炭素繊維を長繊維（連続繊維）と
し、これに弱い引っ張り力を加えた状態で水硬性無機微
粉体スラリー（セメントスラリー）を含浸させる繊維束
連続浸漬法により、炭素繊維の各単体の間にセメント粒
子を回り込ませることができ、また炭素繊維の折損を防
ぐことができた。前記ＰＡＮ系炭素繊維に代えてレーヨ
ン系、ピッチ系の炭素繊維を用いることもでき、またそ
の直径を、例えば６．４又は８．０μｍのように適宜選
択することもできる。

表−１ ※まだ固まらない組成体に対する ここでのセメントはこの発明に用いる水硬性態Ｊａ微粉
体として使用するものであり、超微粉末高炉系セメント
を用いている。このセメントの平均粒径は４μｍである
。セメントの粒径が炭素繊維の直径７μｍより大きいと
炭素繊維のまわりにセメントスラリーがまわり込みに＜
＜、炭素繊維を１貝傷しやすく、炭素繊維の性能を十分
に発揮させることが難しいので好ましくない。前記炭素
繊維の直径７μｍより大きい直径の粒子は前記セメント
全体の１０％とし、最大粒径を１０μｍとしたものを用
いた。炭素繊維の直径より大きな粒子の含有率は、セメ
ント全体の３０％程度までは可能であるが、これを超え
ると、含有率の高い炭素繊維の間に入り込んだときに炭
素繊維に曲げが発生して、組成体の硬化後の部材の強度
や弾性率が低下するおそれがあるので平均粒径を７μｍ
以下にする必要がある。而して、炭素繊維の含有率を向
上させ、且つ各炭素繊維間にセメント粒子を回り込ませ
て、各炭素繊維間での同繊維とセメント粒子との結合力
を確保するためには、炭素繊維の直径よりも大きい直径
のセメント粒子は、セメント全体の３０％程度以下であ
ることが好ましく、この粒子は少ないほど好適となる。

前記大きな粒子が３０％程度以上存在すると、前記セメ
ントペーストを含浸させる段階で炭素繊維を屈曲するよ
うな力が作用するため、炭素繊維の一部が折れ、この折
れた繊維が、配合物の含浸法である繊維■！連続浸漬法
等に使用される装置のガイドＩＪＴ（ローラ等）に付着
して、ここを通過する炭素繊維が次々に折れることがあ
り、すると最終的には炭素繊維の東金体が破断してしま
って組成体の連続生産が不可能になることもあるから、
前記大きな粒子の含有率が前記３０％程度を超えないよ
うに制御すべきである。炭素繊維含有量が５〜１０％未
満の場合は３０％以下、炭素繊維含有量が１０〜２０％
未満の場合は２０％以下、炭素繊維含有量が２０〜３０
％の場合には１０％以下である。フィラメントワインデ
インク法やプルプレッシング法で水硬性硬化体内に、体
積比で１０％程度の炭素繊維を含有させた例が報告され
ているが、調合や方法等の詳細が明らかにされておらず
、従来技術では炭素繊維が含浸工程で折れることにより
連続的に含浸させるのが困難であったと推測される。発
明者らの調査によれば、上記の方法やプリプレグ法でこ
の発明のように体積比で５〜３０％の炭素繊維を混入し
た配合物が大量に製造されたという事実は存在しない。

逆に、前記セメントの粒子に細かいものが多すぎると、
混純水の含有率が高くなりすぎてマトリックスとしての
力学特性が低下する。このため、前記セメント粒子の平
均粒径は前記炭素繊維の直径の２０−１００％の範囲に
あることが好ましく、この実施例では平均粒径が前記の
ように４μｍであるから、これは炭素繊維の直径の約５
７％である。

従来は細かいセメント粒子を用いてはいるが、それでも
最大粒径が数１０μｍと大きいため、前記のような連続
生産において炭素繊維の折れを防止し、且つ炭素繊維の
含有率を全体の体積比１０％以上とすることは困難であ
ったが、本発明ではセメント粒子の径を前記の条件にし
たために、炭素繊維の含有率を組成体全体の体積比３０
％まで可能になった。

なお、この配合物に用いる前記超微粉末セメントは、水
中に均一な状態で分散させることが難しいことから、こ
れを改良し、また混純水を減少させることにより硬化後
の部材の強度向上や乾燥収縮の低減等のように諸物性を
改良するために、高性能減水剤（ナフタレンスルホン酸
／ホルムアルデヒド縮合体、精製リグニンスルホン酸塩
又はメラミンスルホン酸塩あるいはこれらの混合物、と
りわけナフタレンスルホン酸／ホルムアルデヒド縮合体
のアルカリ及びアルカリ土類金属塩からなる種類が特に
硬化があり、市販製品では商品名マイティとよばれてい
る。）を添加する手段を採ってもよい。しかし、高性能
減水剤を大量に添加したスラリーは、粘稠な液状を呈し
且つセメント粒子が分離する傾向が強いが、この分離の
おそれが高い場合には分離防止剤を用いればよい。

分離防止剤としては粒径２．０〜０．１μｍの超微粒子
シリカを前記の表の通りに用いた。この超微粒子シリカ
により、含浸工程で充分な分離防止効果を出すためには
セメント重量の６〜７％程度以上を用いることが必要に
なるが、同３０％程度以上になると混練水の増加などを
もたらすため好ましくない。この実施例では超微粒子シ
リカをセメント重量の約１９．４％としている。またこ
の超微粒子シリカの添加は、セメント粒子間の空隙にあ
る水の部分を部分的に超微粒子シリカで埋めて、セメン
ト粒子と炭素繊維との間の結合力を増加する作用もある
が、主たる目的は含浸法で炭素繊維の折れるのを防止し
、連続生産を可能にするためである。

また、この表−１では小さい粒径のセメントを使用した
うえ、水の含有量を大にしている。水／水硬性無機微粉
体（潜在水硬性無機微粉体を含む）総量比は４０〜６０
％であることが好ましい。

４０％以下の場合は含浸性が低下し、６０％以上の場合
は効果物の空隙が多くなり強度が低下する傾向がある。

このためこの配合物を硬化させてなる部材は、マトリッ
クスであるセメント硬化体が比較的軟らかく、引っ張り
歪みを、従来炭素繊維のマトリックスとして用いられて
いる水／セメント比の小さいセメント硬化体の１．５〜
２倍程度許容している。その結果、この発明の硬化体の
力学特性が向上した。また、発明者らの実験によれば、
許容する引っ張り歪みをさらに大にするためには、アニ
オン系のアクリル系ポリマーディスパージョンや乾燥収
縮低減剤および膨張材の添加等が効果的であることも分
かった。

さらに、前記組成体に使用したセメント以外には、水硬
性無機微粉体の粒径が炭素繊維の直径を超えるものを殆
ど含まないようにして、高性能減水剤を添加することな
しに、カチオン系のアクリル系ポリマーディスパージョ
ンを添加しても同様に許容引っ張り歪みを大きくするこ
とができた。

その添加量は、配合物が硬化してなる部材の不燃性を損
なわない程度の量としては、全体の体積比で３％程度以
下である。しかしこれを超えた量を添加すると不燃性は
失われるが、許容する歪みは添加量の増加に伴って増大
することが分かったが、その添加量の上限は全体の体積
比で２０％程度までである。その結果、前記ポリマーデ
ィスパージョンの添加量は、配合物が硬化して得られる
部材の用途に対応して、不燃性を求めるか、或いはこれ
を無視して許容引っ張り歪みの大きさを求めるか決定さ
れるべきである。

かくして形成される配合物を、セメント製品に通常行わ
れている養生や高圧水蒸気養生等の手段により養生、硬
化させて、この発明の硬化物を形成する。第１図は、硬
化物の一例の半断面図であり、硬化物を断面円形にした
例である。なお、この図は説明の便宜のためのものであ
って、硬化物１の直径と、炭素繊維２．センメトの水和
物３゜シリカヒユームの水和物４等の直径とは拡大率が
相違している。この中で最も直径の大きいものの大部分
が炭素繊維２であり、セメントの水和物３の径はそれよ
りも大部分小さく、またシリカヒユームの水和物４もセ
メントの水和物３の間に混入される。前記の表における
含有水分は一部が水和に利用され、一部が吸着水として
残っているが、大体ｌＯ％程度が蒸発しその分の体積は
気孔となっている。

これにより得られた硬化物は、セメント等の水和物と炭
素繊維の結合が強固であり且つ炭素繊維の含有量を大き
くすることが可能になったため高強度の物体となり、ま
たこの物体の性状は、軽量であり、且つ耐腐食性、不燃
性、耐アルカリ性。

自己調湿性、透湿性、導電性等に冨む。

従って、前記硬化物は目的に応じた形状とすることによ
って、その特性を生かして、コンクリート補強材、木材
や金属材の代替物２人造石材、タイル、瓦の代替物、建
物の壁板・床板、ボルト・ナンド等の機械要素、その他
の材料として広く適用することができる。

またかかる硬化物は、ナイフ等の刃物による切断、切削
が可能であり、恰も材木のように目的に応じた形状１寸
法に加工することができる。

〔発明の効果〕　′ 以上説明したように、この発明に用いられる炭素繊維は
配合物に体積比５％から３０％まで含まれていて、その
上限値が高いため多量の炭素繊維を含むことが可能であ
るから、この硬化物は強度が増大する。また水硬性無機
微粉体は、炭素繊維の直径より大きい粒径のものが体積
比３０％以下であって、多くが炭素繊維の直径以下の粒
径となり、平均粒径が炭素繊維の直径以下となっている
から、水硬性無機微粉体の水和物が各炭素繊維間に充分
に回り込み、この水硬性無機微粉体の永和物が各炭素繊
維間を確実に連結することになるため、この意味からも
この発明に係る硬化物の強度は増大する。

特に、この発明において、水硬性無機微粉体の平均粒径
を前記のように極端に小さくしていることは、前記粉体
が炭素繊維を屈曲させることを防止することになり、且
つ炭素繊維相互の間隔を小さくすることができるから、
配合物の含を炭素繊維量の増大と含浸法による連続生産
を可能にしている。このことからも、この発明の硬化物
では、水硬性無機微粉体の粒径を特定したことが、第１
に微視的にみても直線性を確保しながら多量の炭素繊維
の含有を工業的な規模で可能とし、且つ第２に炭素繊維
間を水硬性無機微粉体の水和物が強固でねばりがある状
態で結合することを実現させたものであり、これらの結
果強度等の力学特性に優れた硬化物を得ることができる
効果がある。

さらにこの発明によれば、強度に優れておりながら、被
切削性に優れていて、使用目的に対応した加工をするこ
とができる効果もある。

〔実施例〕

表−１に示したセメントスラリー（母材混合物）を調製
した。ここに炭素繊維束（６０００フィラメト束、単繊
維直径７μｍ）を引張り張力２０ｍｇ／ｄ、速度５０ｍ
／分にて連続的に浸漬し、ガイドバーでしぼったのち直
径０．４ｍのドラム表面に拡幅しつつ平行にまき取り、
ドラム軸方向に切断し１２００ｘ５００Ｘ０．８鰭の一
方向配向セメントスラリー含浸シートとした。なお、超
微粉末高炉系セメント、シリカ賞超微粉体としてそれぞ
れ日課セメントー〇日鐵スーパーファインとユニオン化
成−のホゾミックスＰを使用した。

このものは、炭素繊維間にセメントスラリーが均一に含
浸し、しかも繊維は実質的に一方向に配向し柔軟性を有
していた。

このシートをｌ０ＸＩＯＸ１００Ｏ龍の型枠に一方向に
揃えて充填した。

この型枠充填体を、そのま＼の状態で、水分が揮散しな
い雰囲気中２０℃にて２４時間静置後５０℃温水中に４
８時間浸漬し、さらに１週間室内に静置した。これをさ
らに１８０℃の高圧水蒸気養生を７時間行った。

このようにして得られた成形物の性能は表−２の通りで
あった。また、この硬化物の断面を走査型電子顕微鏡写
真にて示すと、第２，３図の通りである。

第２，３図において２は炭素繊維、５は母材を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す半断面図、第２．３
図はそれぞれこの発明の一実施例の電子ｇＪｉ微鏡耳鏡
写真５８０倍）である。 ■・・・硬化物、２・・・炭素繊維、３・・・水硬性態
ａ微粉体の水和物、４・・・シリカヒユームの水和物、
５・・・母材

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素繊維と水和された水硬性無機微粉体とを含み
   、前記炭素繊維は、長さが１ｍｍ以上で且つ含有量が全
   体に対する体積比で５〜３０％であり、また水硬性無機
   微粉体は、平均粒径が炭素繊維の直径以下であり且つ各
   炭素繊維間に前記水硬性無機微粉体の水和物が介在され
   てなる炭素繊維複合硬化物。
2. （２）水硬性無機微粉体は、炭素繊維の直径より大きい
   粒径のものが水硬性無機微粉体総量に対する体積比で３
   ０％以下である特許請求の範囲第１項記載の炭素繊維複
   合硬化物。
3. （３）切断面で観察される、相隣接する炭素繊維間の距
   離が、該炭素繊維の半径より離れているものの割合が８
   ０％以上である特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   炭素繊維複合硬化物体。
4. （４）気孔率が全体の体積比１０％以上である特許請求
   の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の硬化物。
5. （５）水硬性無機微粉体がポルトランドセメント、高炉
   セメント、アルミナセメント、耐硫酸塩セメントの少な
   くともいずれかの微粉体又はこれらを主成分とする微粉
   体である特許請求の範囲第１項ないし同第４項のいずれ
   かに記載の炭素繊維複合硬化物。
6. （６）高圧水蒸気養生により硬化されてなる特許請求の
   範囲第１項ないし同第５項のいずれかに記載の硬化物。
7. （７）水硬性無機微粉体の平均粒径が、炭素繊維の直径
   の５分の１以上の寸法である特許請求の範囲第１項ない
   し同第６項のいずれかに記載の硬化物。