JPWO2017163605A1 - 補強用炭素繊維シート - Google Patents

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Abstract

本発明の補強用炭素繊維シート(1)は、炭素繊維フィラメント(2)群が一方向に並列状に配列されており、炭素繊維フィラメント(2)群を横切る方向の少なくとも一部には熱可塑性接着剤(4)が存在して一体化され、シートを構成している。この補強用シート(1)は補強効果を得るのに必要な最低限の量の炭素繊維とするのが好ましい。各炭素繊維フィラメント(2)の表面にはエポキシ系樹脂のサイジング剤層(3)が存在しており、サイジング剤層(3)とその表面の熱可塑性接着剤層(4)とは親和性が高く、両者は強力に接着されている。これにより、厚さが薄く、取扱い性も良く、補強対象物質と接着し易い補強用炭素繊維シートを提供する。

Description

本発明は、一方向に配列された炭素繊維フィラメント群を熱可塑性接着剤により一体化した補強用炭素繊維シートに関する。
炭素繊維は、炭素繊維強化樹脂等の強化繊維としてよく知られている。炭素繊維を使用した炭素繊維強化樹脂は、高強度、軽量等の特色を生かして、ゴルフクラブのシャフト、釣竿等の各種スポーツ用品、航空機、自動車、圧力容器などに広く応用されおり、今後の応用も期待されている。従来技術として、炭素繊維等の強化繊維束を一方向に引き揃え、低融点ポリマーを含む不織布等によってシート状支持体に接着した補強用強化繊維シートが提案されている（特許文献１〜２）。さらに、特許文献３には炭素繊維と熱硬化性樹脂の片面に熱可塑性樹脂層を積層し、真空成形することが提案されている。
特開平１１−０００９５９号公報 特開２０００−１９８１５８号公報 特開２００９−１８４２３９号公報
しかし、従来技術の補強用シートは、炭素繊維束をそのまま一方向に配列しているため、補強用シートが厚いことによる取扱いにくさや、補強される物体の元の厚みをかなり厚くしてしまう等の問題があった。
本発明は、前記従来の問題を解決するため、厚さが薄く、取扱い性も良く、熱可塑性であり加熱で接着できるため補強対象物質と接着し易い補強用炭素繊維シートを提供する。
本発明の補強用炭素繊維シートは、炭素繊維フィラメント群が一方向に並列状に配列されており、前記炭素繊維フィラメント群を横切る方向の少なくとも一部には熱可塑性接着剤が存在して一体化され、シートを構成していることを特徴とする。
本発明の補強用炭素繊維シートは、炭素繊維フィラメント群が一方向に配列され、炭素繊維フィラメント群を横切る方向の少なくとも一部には熱可塑性接着剤を存在させ、全体としてシートを構成していることにより、厚さが薄く、取扱い性も良く、補強対象物質と接着し易い補強用炭素繊維シートとなる。すなわち、炭素繊維フィラメント群は一方向に並列状に配列され、各炭素繊維フィラメントは熱可塑性接着剤により一体化されてシート化されていることにより、フレキシビリティー性があり、シートとして取扱い性が良い。また一体化している物質が熱可塑性接着剤であることにより、鉄、アルミ、木材、ゴム、樹脂等の補強対象物質と接着し易いものとなる。
図１Ａは本発明の一実施形態の補強用シートの表面の模式的平面図、図１Ｂは図１ＡのＩ−Ｉ線の模式的断面拡大図である。 図２Ａ〜Ｄは本発明の別の実施形態の補強用シートの表面の模式的平面図である。 図３は本発明の一実施形態の補強用シートの応用例を示す模式的断面図である。 図４は本発明の一実施形態の補強用シートの製造方法を示す模式的工程図である。
本発明の補強用シートは、炭素繊維フィラメント群が一方向に並列状に配列されており、前記炭素繊維フィラメント群を横切る方向の少なくとも一部には熱可塑性接着剤が存在し、全体としてシートを構成している。ここで「炭素繊維フィラメント群」とは多数本の炭素繊維フィラメントであることを意味する。例えば６Ｋ（６０００本）、１２Ｋ（１２０００本）、２４Ｋ（２４０００本）、４８Ｋ（４８０００本）、５０Ｋ（５００００本）等、あるいはそれ以上の本数である。好ましくは１２Ｋ〜５０Ｋ、繊度８００ｇ／１０００ｍ〜４０００ｇ／１０００ｍである。前記炭素繊維フィラメント群は、各フィラメントが一方向に並列状に配列している。
前記炭素繊維フィラメント群を横切る方向の少なくとも一部には熱可塑性接着剤が存在していることにより、前記炭素繊維フィラメント群は横方向に一体化され、全体としてシートを構成している。これにより、取扱い性が良く、補強対象物質と接着する際の作業性も良い。また熱可塑性接着剤を存在させているため、柔らかさがあり、補強対象物質に多少の凹凸や局面があっても追従できる。
前記補強用シートの厚みは０．０２〜０．５ｍｍであるのが好ましく、より好ましくは０．０２〜０．３ｍｍである。また、前記並列状の炭素繊維フィラメント群の厚みは０．０２〜０．２ｍｍが好ましい。前記の厚みであれば軽量化でき、かつ樹脂が含浸しやすい。さらに、前記補強用シートの単位面積当たりの質量は、３０〜１５０ｇ／ｍ2が好ましい。前記の質量であれば、軽い補強用シートとすることができる。なお、厚さを大きくしたり、質量を大きくするには２枚以上積層する。
前記炭素繊維フィラメント群と熱可塑性接着剤の割合は、補強用炭素繊維シートを１００質量％としたとき、炭素繊維フィラメント群が９５〜２０質量％、熱可塑性接着剤が５〜８０質量％が好ましく、さらに好ましくは炭素繊維フィラメント群が９５〜５０質量％、熱可塑性接着剤が５〜５０質量％である。前記の範囲であれば、補強用として強度などの特性が実用的に十分である。
前記熱可塑性接着剤は溶剤系接着剤、ホットメルト系接着剤又はこれらの組み合わせであるのが好ましい。作業環境を鑑みればホットメルト系接着剤が好ましいが、溶剤系接着剤であっても、粘度を低くでき、炭素繊維フィラメント群の繊維間に含浸し易いことから好ましい。溶剤系接着剤の場合、一例として熱可塑性成分１５〜２５質量％、トルエン３０〜４０質量％、ノルマルヘキサン３０〜４０質量％、ロジンエステル等の粘着付与剤５〜１５質量％、固形パラフィン２質量％以下が好ましい。粘度は１０〜２０００ｍＰａ・ｓ（２５℃）が好ましい。
前記熱可塑性接着剤は、スチレン−エチレン／ブチレン−スチレンブロック共重合系エラストマー、クロロプレン系エラストマー、ニトリル系エラストマー、エチレン−プロピレン系エラストマー、クロロスルフォン化ポリエチレン系エラストマー、エビクロルヒドリン系エラストマー、アクリル系エラストマー等のゴム系接着剤、アイオノマー系接着剤、エチレン-酢酸ビニル樹脂、エチレン-エチルアクリレート共重合樹脂、エチレン-メチルアクリレート共重合樹脂等のエチレン系共重合体接着剤又はポリオレフィンにマレイン酸やフタル酸のような不飽和カルボン酸またはその誘導体をグラフト反応または／および付加反応させたもの等のような酸変性ポリオレフィン系接着剤等が挙げられる。これらの中でもスチレン−エチレン／ブチレン−スチレンブロック共重合系エラストマー又はマレイン酸変性ポリプロピレン系接着剤が好ましい。
前記炭素繊維フィラメント群に対して熱可塑性接着剤は次のように存在させるのがシート形成上好ましい。
（１）全面に配置
（２）炭素繊維フィラメント群の長さ方向に対して横方向に線状に配置
（３）炭素繊維フィラメント群の長さ方向に対して斜め方向に線状又は縞状に配置
（４）炭素繊維フィラメント群の長さ方向に対して蛇行した線状で配置
（５）炭素繊維フィラメント群にネット状に配置
（６）炭素繊維フィラメント群にドット状に配置
（７）前記（１）〜（６）の任意の組み合わせ
いずれにせよ、熱可塑性接着剤は炭素繊維フィラメント群を横方向につなげていればよい。
本発明の補強用シートの製造方法は、まず、炭素繊維フィラメント群（トウ）を拡幅して各フィラメントが一方向に並列状となるように配列する。一例として、炭素繊維の開繊方法（特開２０１０−２７０４２０号公報）に従って、炭素繊維フィラメント群を拡幅する。複数対のニップロールを使用する場合は炭素繊維フィラメント群を徐々に開いていく。あるいはロールと併用して炭素繊維フィラメント群に空気を吹き付けても良い。
次に、前記一方向に並列状に配列した炭素繊維フィラメント群の一表面に接着剤を付与する。接着剤の付与は、溶剤系接着剤の場合は浸漬法、スプレー法、ドクターナイフ法等があり、ホットメルト系接着剤の場合は粉末、フィルム又は糸状の接着剤を炭素繊維フィラメント群に対して少なくとも長さ方向の一部に好ましくは全面に付与し、加熱ロールで溶融する方法等がある。
次に図面を用いて説明する。以下の図面において、同一符号は同一物を示す。図１Ａは本発明の一実施形態の補強用シートの表面の模式的平面図、図１Ｂは図１ＡのＩ−Ｉ線の模式的断面拡大図である。この補強用シート１は、炭素繊維フィラメント群の各フィラメント２が一方向に並列状に配列しており、熱可塑性接着剤層４が全面に配置されて一体化されている。図１Ｂに示すように、補強用シートは補強効果を生み出すのに必要な最低限の量の炭素繊維とするのが好ましく、一例として各炭素繊維フィラメント２が厚さ方向に２列のシートとしている。各炭素繊維フィラメント２の表面にはエポキシ系樹脂等のサイジング剤層３が存在しているので、サイジング剤層３とその表面の熱可塑性接着剤層４とは強力に接着されている。この補強用シート１は、１枚で使用することもできるし、複数枚積層して使用することもできる。複数枚積層して使用する際には、炭素繊維フィラメント群の方向性を異ならせて使用することができる。
図２Ａは本発明の別の実施形態の補強用シート５の表面の模式的平面図であり、炭素繊維フィラメント２群の長さ方向に対して熱可塑性接着剤層４ａ〜４ｃを横方向に線状に配置した例である。図２Ｂはさらに別の実施形態の補強用シート６の表面の模式的平面図であり、炭素繊維フィラメント２群の長さ方向に対して熱可塑性接着剤層４ａ〜４ｄを斜め方向に縞状に配置した例である。図２Ｃはさらに別の実施形態の補強用シート７の表面の模式的平面図であり、炭素繊維フィラメント２群の長さ方向に対して熱可塑性接着剤層４ａ〜４ｄを蛇行した線状で配置である。図２Ｄはさらに別の実施形態の補強用シート８の表面の模式的平面図であり、炭素繊維フィラメント２群の長さ方向に対して熱可塑性接着剤層４ａ〜４ｃを横方向に部分的に線状に配置した例である。その他、炭素繊維フィラメント群にネット状又はドット状に配置したり、前記の組み合わせとすることもできる。
図３は本発明の一実施形態の補強用シートの応用例を示す模式的断面図である。図１Ｂに示す補強用シート１の両表面に金属、プラスチック、木材等のその他の素材を配置し、加熱し、一体的にした複合材が得られる。８ａ，８ｂは前記その他の素材層である。
図４は本発明の一実施形態の補強用シートの製造方法を示す模式的工程図である。複数本の巻糸体１１から炭素繊維フィラメント群１２を引き出し、ニップロール１９ａ，１９ｂ及び１９ｃ，１９ｄを通過させ、前記炭素繊維フィラメント群１２を開いて各フィラメントが一方向に並列状となるように配列する。このようにして拡幅した炭素繊維フィラメント群１３の表面に、溶剤系の熱可塑性ゴム系接着剤１５をノズル１４から供給する。プレート１７とドクターナイフ１６により、前記接着剤を均一厚さに炭素繊維フィラメント群１３に付与し、繊維間に含浸させる。溶剤系接着剤の場合、一例として熱可塑性ゴム系成分１５〜２５質量％、トルエン３０〜４０質量％、ノルマルヘキサン３０〜４０質量％、ロジンエステル等の粘着付与剤５〜１５質量％、固形パラフィン２質量％以下を使用する。前記接着剤１５を付与した炭素繊維フィラメント群１３は、熱風乾燥機１８を通過させ、溶剤を除去し、その後ニップロール１９ｅ，１９ｆを通過させ、補強用シート２０とし、巻上体２１に巻き取る。なお、溶剤系ではなくパウダー状のホットメルト接着剤を用いる場合は、ノズル供給ではなく炭素繊維フィラメント群１３の表面にパウダー状接着剤を振り落し、その後ヒーター乾燥等により溶融接着させる。フィルム状ホットメルト接着剤を用いる場合は、ニップロール１９ａ，１９ｂ及び１９ｃ，１９ｄを通過させたあとフィルムを積層し、熱ロール間を通過させ、フィルムを溶融接着させる。
以下実施例を用いて本発明を具体的に説明する。なお、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
強化用繊維として三菱レイヨン社製炭素繊維フィラメント群（１５Ｋ）、トータル繊度１０００ｇ／１０００ｍを使用し、この炭素繊維フィラメント群を図４に示す方法で補強用シートを製造した。熱可塑性接着剤は東亜合成社製、商品名"アロンメルトPPET150SG30"（スチレン−エチレン／ブチレン−スチレンブロック共重合体１５〜２５質量％、トルエン３０〜４０質量％、ノルマルヘキサン３０〜４０質量％、ロジンエステル等の粘着付与剤５〜１５質量％、固形パラフィン２質量％以下、粘度２２０mPa・s(25℃)）を使用した。この接着剤を乾燥質量で、開繊後の炭素繊維フィラメント群に対し５ｇ／ｍ2の割合で付与した。ライン速度は１０ｍ／ｍｉｎとした。得られた補強用シートを図１Ａ−Ｂに示す。この補強用シートの幅は１００ｍｍ、厚みは０．０３ｍｍ、単位面積当たりの質量は５５ｇ／ｍ2であった。各成分の割合は、補強用炭素繊維シートを１００質量％としたとき、炭素繊維フィラメント群が９１質量％、熱可塑性接着剤が９質量％であった。
（実施例２）
強化用繊維として実施例１と同じものを使用した。この強化用繊維とフィルム状ホットメルト接着剤を用いて、補強用炭素繊維シートを作成した。具体的には、開繊後の炭素繊維フィラメント群を３０ｃｍ角に切断し、その上からマレイン酸変性ポリプロピレン樹脂からなるフィルム状接着剤（厚み５０μｍ、目付４５ｇ/ｍ2）を載置した。載置後、熱プレス機により温度１４０℃、プレス圧３Ｍｐａにより強化用繊維とフィルム状ホットメルト接着剤を一体化し、補強用炭素繊維シートを得た。なお、この場合の各成分の割合は、補強用炭素繊維シートを１００質量％としたとき、炭素繊維フィラメント群が５３質量％、熱可塑性接着剤が４７質量％であった。
得られた補強用シートは、厚さが薄く、柔らかくて取扱い性も良く、鉄、アルミ、木材、ゴム、樹脂等の補強対象物質と接着し易いものであった。
本発明の補強用シートは、各種ボード（板状部材）の補強材、車体補強材、ゴルフクラブのシャフト、釣竿等の各種スポーツ用品、航空機、自動車、圧力容器などに広く応用できる。
１，５〜８，２０ 補強用シート
２ 炭素繊維フィラメント
３ サイジング剤層
４，４ａ−４ｄ 熱可塑性接着剤層
８ａ，８ｂ その他の素材層
１１ 巻糸体
１２ 炭素繊維フィラメント群
１３ 拡幅した炭素繊維フィラメント群
１４ ノズル
１５ 熱可塑性接着剤
１６ ドクターナイフ
１７ プレート
１８ 熱風乾燥機
１９ａ〜１９ｂ，１９ｃ〜１９ｄ，１９ｅ〜１９ｆ ニップロール
２１ 巻上体

Claims (8)

  1. 炭素繊維フィラメント群が一方向に並列状に配列されており、前記炭素繊維フィラメント群の長さ方向を横切る方向の少なくとも一部には熱可塑性接着剤が存在して一体化され、シートを構成している補強用炭素繊維シート。
  2. 前記シートの厚みは０．０２〜０．５ｍｍである請求項１に記載の補強用炭素繊維シート。
  3. 前記シートの単位面積当たりの質量は３０〜１５０ｇ／ｍ2である請求項１又は２に記載の補強用炭素繊維シート。
  4. 前記炭素繊維フィラメント群と熱可塑性接着剤の割合は、補強用炭素繊維シートを１００質量％としたとき、炭素繊維フィラメント群が９５〜２０質量％、熱可塑性接着剤が５〜８０質量％である請求項１〜３のいずれかに記載の補強用炭素繊維シート。
  5. 前記熱可塑性接着剤は溶剤系接着剤及びホットメルト系接着剤から選ばれる少なくとも一つである請求項１〜４のいずれかに記載の補強用炭素繊維シート。
  6. 前記熱可塑性接着剤は、ゴム系接着剤及び酸変性ポリオレフィン系接着剤から選ばれる少なくとも一つである請求項１〜５のいずれかに記載の補強用炭素繊維シート。
  7. 前記炭素繊維フィラメント群に対して熱可塑性接着剤は全面に存在している請求項１〜６のいずれかに記載の補強用炭素繊維シート。
  8. 前記炭素繊維フィラメント群に対して熱可塑性接着剤が一部に存在する場合は、下記の（１）〜（６）のいずれか一つである請求項１〜７のいずれかに記載の補強用炭素繊維シート。
    （１）炭素繊維フィラメント群の長さ方向に対して横方向に線状に配置
    （２）炭素繊維フィラメント群の長さ方向に対して斜め方向に線状又は縞状に配置
    （３）炭素繊維フィラメント群の長さ方向に対して蛇行した線状で配置
    （４）炭素繊維フィラメント群にネット状に配置
    （５）炭素繊維フィラメント群にドット状に配置
    （６）前記（１）〜（５）の任意の組み合わせ
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