JPWO2019221155A1 - Carbon fiber reinforced plastic reinforced material and plastic reinforced material - Google Patents

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    • C08J5/00Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material

Abstract

少なくとも一層の炭素繊維強化プラスチック層と、少なくとも一層のセルロースナノファイバー層とを備えており、少なくとも一層の炭素繊維強化プラスチック層の少なくとも片面に、少なくとも一層のセルロースナノファイバー層が隣接するように配置されており、前記炭素繊維強化プラスチック層は、炭素繊維強化プラスチックを含有しており、前記セルロースナノファイバー層は、セルロースナノファイバー及び高分子化合物を含有している、炭素繊維強化プラスチック強化材料は、軽量で衝撃強度に優れた炭素繊維強化プラスチック強化材料である。セルロースナノファイバー及び高分子化合物を含有している、他材強化材料は、他材(疎水性樹脂等)を強化するための材料である。At least one carbon fiber reinforced plastic layer and at least one cellulose nanofiber layer, at least one surface of at least one carbon fiber reinforced plastic layer, at least one cellulose nanofiber layer is arranged so as to be adjacent. The carbon fiber reinforced plastic layer contains a carbon fiber reinforced plastic, and the cellulose nanofiber layer contains a cellulose nanofiber and a polymer compound. The carbon fiber reinforced plastic reinforced material is lightweight. It is a carbon fiber reinforced plastic reinforced material with excellent impact strength. The other material-reinforcing material containing the cellulose nanofibers and the polymer compound is a material for strengthening the other material (hydrophobic resin or the like).

Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチック強化材料及びプラスチック強化材料に関する。   The present invention relates to a carbon fiber reinforced plastic reinforced material and a plastic reinforced material.

スポーツ用品では、常に「より軽く強い素材」が求められているので、炭素繊維強化プラスチック(以下、「CFRP」と言うこともある)を使用した製品が多く製造されている。ソフトボールのバットやテニスのラケット等、耐衝撃性の高いCFRPのニーズは高く、潜在需要も大きいため、マトリックス樹脂の改質や強度に優れたフィラーの添加等の研究が盛んに行われている。   For sports equipment, there is always a demand for "lighter and stronger materials", so many products using carbon fiber reinforced plastic (hereinafter also referred to as "CFRP") are manufactured. Since there is a high need for CFRP with high impact resistance, such as softball bats and tennis rackets, and there is great potential demand, research is being actively conducted on modifying matrix resins and adding fillers with excellent strength. ..

しかしながら、CFRPは軽量且つ高強度を有するが、樹脂を母材とするため、樹脂の衝撃強度の低さのために、実用上、衝撃強度が欠点の一つであり、図1に示すように、表面の樹脂にクラックが入って破壊に至る。実際は、砂利等が衝突して表面にクラックが入ることが多い。このため、CFRPの欠点の一つは衝撃強度にある。そのため、高強度な母材樹脂が研究されているが、大幅な性能改善の報告例はない。   However, although CFRP is lightweight and has high strength, impact strength is one of the drawbacks in practical use due to the low impact strength of the resin because it uses resin as the base material. As shown in FIG. , The resin on the surface is cracked, leading to destruction. In reality, gravel and the like often collide with each other to cause cracks on the surface. For this reason, one of the drawbacks of CFRP is impact strength. Therefore, high-strength base material resins have been studied, but there is no report of significant performance improvement.

ところで、セルロースナノファイバー(以下、「CNF」と言うこともある)は木材から製造でき、軽量でありながら強度に優れるため、CFRPの衝撃強度を向上させる方法として、マトリックス樹脂にCNFを混ぜることでCFRPの衝撃強度を高めることが検討されている。CNFは植物繊維由来であるバイオマス資源であるため、地球温暖化を引き起こす二酸化炭素を増やすことがなく、持続可能な循環型社会を実現することができる。しかしながら、CNFは分子鎖間に強固な水素結合を有しているため一般的な有機溶媒に溶解させることはできず親水性であるため、CFRPのマトリックス樹脂への分散が難しいことから、CNFを薬剤により疎水化処理(例えば、疎水基で化学修飾すること)を施すことが不可欠であり、疎水化処理を施すことなくCNFをCFRPのマトリックス樹脂へ分散させた例は存在しない。このような疎水化処理としては、CNFを薬剤と共に投入して加熱反応させる方法が挙げられるが、その際には、例えば、加熱温度は120℃、処理時間は1時間、処理用の薬剤には1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチルトリメトキシシラン(FAS13)等が用いられている。このような疎水化処理が必要であるためにコスト高となり、CFRPへのCNFの複合化の実用化に妨げとなっているうえに、疎水化処理を施す方法によっても、CFRPの強度を高めるまでには至っていない。   By the way, cellulose nanofibers (hereinafter sometimes referred to as “CNF”) can be manufactured from wood, and while being lightweight, they are excellent in strength. It is considered to increase the impact strength of CFRP. Since CNF is a biomass resource derived from plant fiber, it can realize a sustainable recycling society without increasing carbon dioxide that causes global warming. However, since CNF has a strong hydrogen bond between molecular chains, it cannot be dissolved in a general organic solvent and is hydrophilic, so that it is difficult to disperse CFRP in a matrix resin. It is indispensable to apply a hydrophobizing treatment (for example, chemically modifying with a hydrophobic group) with a drug, and there is no example in which CNF is dispersed in a CFRP matrix resin without performing the hydrophobizing treatment. Examples of such a hydrophobic treatment include a method in which CNF is charged together with a chemical agent and reacted by heating. In that case, for example, the heating temperature is 120° C., the treatment time is 1 hour, and the chemical agent for treatment is 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltrimethoxysilane (FAS13) and the like are used. Since such a hydrophobizing treatment is required, the cost becomes high, which hinders the practical application of the composite of CNF to CFRP, and the method of hydrophobizing can increase the strength of CFRP. Has not reached.

このように、CNFをスポーツ用品に応用することが長期間にわたり検討されてきたが、優れた結果は得られなかった。特に、CFRPへの応用については、CFRPのマトリックス樹脂にCNFを分散させることが非常に困難であり、CFRPの衝撃強度を改善する適切な方法は発見されていない。以上の課題は、CFRPへの応用に関するものであるが、CNFを他材に適用する場合も同様の課題を有する。   Thus, application of CNF to sports equipment has been studied for a long time, but excellent results have not been obtained. In particular, for application to CFRP, it is very difficult to disperse CNF in a matrix resin of CFRP, and an appropriate method for improving the impact strength of CFRP has not been found. Although the above problems are related to the application to CFRP, the same problem occurs when CNF is applied to other materials.

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、軽量で衝撃強度に優れた炭素繊維強化プラスチック強化材料を提供することを目的とする。また、本発明は、プラスチック(疎水性樹脂等)を強化するための材料を提供することも目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a carbon fiber reinforced plastic reinforced material that is lightweight and has excellent impact strength. Another object of the present invention is to provide a material for reinforcing plastic (hydrophobic resin or the like).

上記目的を鑑み、鋭意検討した結果、炭素繊維強化プラスチックを含有する炭素繊維強化プラスチック層と、セルロースナノファイバー及び高分子化合物を含有するセルロースナノファイバー層とが隣接するように配置することで、疎水化処理を施すことなく、軽量で衝撃強度に優れた炭素繊維強化プラスチック強化材料が低コストに得られることを見出した。なお、CNFをCFRPのマトリックス樹脂に混ぜ込む手法は提案されているが、CNFをシートにしてCFRPの表面に積層する方法は検討すらされてこなかった。また、本発明者らは、セルロースナノファイバー及び高分子化合物を含有するセルロースナノファイバー層は、炭素繊維以外の材料に適用することによっても強度を向上させることができることも見いだした。本発明者らは、さらに研究を重ね、本発明を完成させた。すなわち、本発明は以下の構成を包含する。
項1.少なくとも一層の炭素繊維強化プラスチック層と、少なくとも一層のセルロースナノファイバー層とを備えており、
少なくとも一層の炭素繊維強化プラスチック層の少なくとも片面に、少なくとも一層のセルロースナノファイバー層が隣接するように配置されており、
前記炭素繊維強化プラスチック層は、炭素繊維強化プラスチックを含有しており、
前記セルロースナノファイバー層は、セルロースナノファイバー及び高分子化合物を含有している、炭素繊維強化プラスチック強化材料。
項2.前記炭素繊維強化プラスチックのマトリックスである熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂である、項1に記載の炭素繊維強化プラスチック強化材料。
項3.前記セルロースナノファイバー層中の高分子化合物がエポキシ樹脂である、項1又は2に記載の炭素繊維強化プラスチック強化材料。
項4.二層の前記セルロースナノファイバー層の間に、少なくとも一層の炭素繊維強化プラスチック層が配置されている、項1〜3のいずれか1項に記載の炭素繊維強化プラスチック強化材料。
項5.前記炭素繊維強化プラスチック層と、前記セルロースナノファイバー層とが交互に配置されている、項1〜3のいずれか1項に記載の炭素繊維強化プラスチック強化材料。
項6.セルロースナノファイバー及び高分子化合物を含む、プラスチック強化材料。
項7.項1〜5のいずれか1項に記載の炭素繊維強化プラスチック強化材料の製造方法であって、
(1)高分子化合物が溶解又は分散している電着液、水系エポキシ樹脂、及びエポキシ樹脂塗料よりなる群から選ばれる少なくとも1種と、セルロースナノファイバーとを接触させる工程、及び
(2)前記工程(1)で得られた分散液を用いて、炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体上にセルロースナノファイバー層を形成し加熱硬化させる工程
を備える、製造方法。
項8.炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体が、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂を含有する、項7に記載の製造方法。
項9.炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体が、炭素繊維強化プラスチック又は炭素繊維プリプレグである、項7又は8に記載の製造方法。
項10.項6に記載のプラスチック強化材料の製造方法であって、
(1)高分子化合物が溶解又は分散している電着液、水系エポキシ樹脂、及びエポキシ樹脂塗料よりなる群から選ばれる少なくとも1種と、セルロースナノファイバーとを接触させる工程
を備える、製造方法。
項11.前記電着液中の高分子化合物がエポキシ樹脂である、項7〜10のいずれか1項に記載の製造方法。
In view of the above object, as a result of intensive studies, a carbon fiber reinforced plastic layer containing a carbon fiber reinforced plastic and a cellulose nanofiber layer containing a cellulosic nanofiber and a polymer compound are arranged so as to be adjacent to each other. It was found that a carbon fiber reinforced plastic reinforced material that is lightweight and has excellent impact strength can be obtained at low cost without subjecting it to chemical treatment. Although a method of mixing CNF with a matrix resin of CFRP has been proposed, a method of stacking CNF as a sheet on the surface of CFRP has not even been studied. The present inventors have also found that the strength of the cellulose nanofiber layer containing the cellulose nanofiber and the polymer compound can be improved by applying it to a material other than carbon fiber. The present inventors have conducted further research and completed the present invention. That is, the present invention includes the following configurations.
Item 1. At least one carbon fiber reinforced plastic layer, and at least one cellulose nanofiber layer is provided,
At least one surface of at least one carbon fiber reinforced plastic layer, at least one cellulose nanofiber layer is arranged so as to be adjacent,
The carbon fiber reinforced plastic layer contains carbon fiber reinforced plastic,
The cellulose nanofiber layer is a carbon fiber reinforced plastic reinforced material containing cellulose nanofibers and a polymer compound.
Item 2. Item 2. The carbon fiber reinforced plastic reinforced material according to Item 1, wherein the thermosetting resin that is the matrix of the carbon fiber reinforced plastic is an epoxy resin.
Item 3. Item 3. The carbon fiber reinforced plastic reinforced material according to Item 1 or 2, wherein the polymer compound in the cellulose nanofiber layer is an epoxy resin.
Item 4. Item 4. The carbon fiber reinforced plastic reinforced material according to any one of Items 1 to 3, wherein at least one carbon fiber reinforced plastic layer is arranged between two layers of the cellulose nanofiber layers.
Item 5. Item 4. The carbon fiber reinforced plastic reinforced material according to any one of Items 1 to 3, wherein the carbon fiber reinforced plastic layers and the cellulose nanofiber layers are alternately arranged.
Item 6. A plastic reinforced material including cellulose nanofibers and a polymer compound.
Item 7. A method for producing a carbon fiber reinforced plastic reinforced material according to any one of Items 1 to 5,
(1) A step of contacting cellulose nanofibers with at least one selected from the group consisting of an electrodeposition liquid in which a polymer compound is dissolved or dispersed, an aqueous epoxy resin, and an epoxy resin coating, and (2) A production method comprising a step of forming a cellulose nanofiber layer on a carbon fiber reinforced plastic or a precursor thereof by using the dispersion liquid obtained in the step (1) and heating and curing the layer.
Item 8. Item 8. The method according to Item 7, wherein the carbon fiber reinforced plastic or its precursor contains an epoxy resin as a matrix resin.
Item 9. Item 9. The method according to Item 7 or 8, wherein the carbon fiber reinforced plastic or its precursor is a carbon fiber reinforced plastic or a carbon fiber prepreg.
Item 10. Item 6. A method for manufacturing a plastic-reinforced material according to Item 6,
(1) A production method comprising a step of bringing cellulose nanofibers into contact with at least one selected from the group consisting of an electrodeposition liquid in which a polymer compound is dissolved or dispersed, an aqueous epoxy resin, and an epoxy resin coating material.
Item 11. Item 11. The method according to any one of Items 7 to 10, wherein the polymer compound in the electrodeposition liquid is an epoxy resin.

本発明によれば、疎水化処理を施すことなく、軽量で衝撃強度に優れた炭素繊維強化プラスチック強化材料が低コストに得られる。また、本発明によれば、プラスチック(疎水性樹脂等)を強化するための材料を得ることもできる。   According to the present invention, a carbon fiber reinforced plastic reinforced material that is lightweight and has excellent impact strength can be obtained at low cost without performing a hydrophobic treatment. Further, according to the present invention, a material for reinforcing plastic (hydrophobic resin or the like) can be obtained.

CFRPの表面の樹脂にクラックが入って破壊に至る工程(左図)と、CFRPとCNFとを複合化した場合の強化メカニズム(右図)を説明する概略断面図である。It is a schematic sectional drawing explaining the process (left figure) which cracks into the resin of the surface of CFRP, and leads to destruction, and the strengthening mechanism at the time of compounding CFRP and CNF (right figure). 実施例1でセルロースナノファイバー層(プラスチック強化材料)として得られたシートの外観写真を示す。1 is a photograph showing the appearance of the sheet obtained as a cellulose nanofiber layer (plastic reinforcing material) in Example 1. 実施例1で炭素繊維プリプレグにセルロースナノファイバー層(プラスチック強化材料)を圧着した場合の衝撃強度の改善効果を示すグラフである。5 is a graph showing the effect of improving impact strength when a cellulose nanofiber layer (plastic reinforced material) is pressure-bonded to a carbon fiber prepreg in Example 1. 実施例2でセルロースナノファイバー層(プラスチック強化材料)と炭素繊維強化プラスチックとを圧着した場合の衝撃強度の改善効果を示すグラフである。5 is a graph showing the effect of improving the impact strength when the cellulose nanofiber layer (plastic reinforced material) and the carbon fiber reinforced plastic are pressure-bonded in Example 2. 実施例1で炭素繊維プリプレグにセルロースナノファイバー層(プラスチック強化材料)を圧着した場合の概略断面図と外観写真を示す。1 shows a schematic cross-sectional view and an appearance photograph when a cellulose nanofiber layer (plastic reinforcing material) is pressure-bonded to a carbon fiber prepreg in Example 1. 実施例3〜6及び比較例1で得た炭素繊維強化プラスチック強化材料の層構成を示す。1 shows a layer structure of carbon fiber reinforced plastic reinforced materials obtained in Examples 3 to 6 and Comparative Example 1. 実施例3〜6及び比較例1で得た炭素繊維強化プラスチック強化材料のCNF含有率と曲げ剛性との関係を示す。The relationship between the CNF content and the bending rigidity of the carbon fiber reinforced plastic reinforced materials obtained in Examples 3 to 6 and Comparative Example 1 is shown. 実施例3〜6及び比較例1で得た炭素繊維強化プラスチック強化材料のCNF含有率と比曲げ剛性(=曲げ剛性/試料密度)との関係を示す。The relationship between the CNF content of the carbon fiber reinforced plastic reinforced materials obtained in Examples 3 to 6 and Comparative Example 1 and the specific bending rigidity (=bending rigidity/sample density) is shown. 実施例3〜6及び比較例1で得た炭素繊維強化プラスチック強化材料のCNF含有率と曲げ強度との関係を示す。The relationship between the CNF content and the bending strength of the carbon fiber reinforced plastic reinforced materials obtained in Examples 3 to 6 and Comparative Example 1 is shown. 実施例3〜6及び比較例1で得た炭素繊維強化プラスチック強化材料のCNF含有率と比曲げ強度(=曲げ強度/試料密度)との関係を示す。The relationship between the CNF content and the specific bending strength (=bending strength/sample density) of the carbon fiber reinforced plastic reinforced materials obtained in Examples 3 to 6 and Comparative Example 1 is shown. 実施例5で得た炭素繊維強化プラスチック強化材料のデジタルマイクロスコープによるプリプレグとCNF及び電着液由来樹脂層の界面の写真を示す。6 is a photograph of an interface between the prepreg of the carbon fiber reinforced plastic reinforced material obtained in Example 5 and a CNF and a resin layer derived from an electrodeposition liquid by a digital microscope. 硬化温度が150℃及び170℃である場合の炭素繊維強化プラスチック強化材料のCNF含有率と曲げ剛性及び比曲げ剛性(=曲げ剛性/試料密度)との関係を示す。The relationship between the CNF content and the bending rigidity and specific bending rigidity (=bending rigidity/sample density) of the carbon fiber reinforced plastic reinforced material when the curing temperature is 150°C and 170°C is shown. 硬化温度が150℃及び170℃である場合の炭素繊維強化プラスチック強化材料のCNF含有率と曲げ強度及び比曲げ強度(=曲げ強度/試料密度)との関係を示す。The relationship between the CNF content and the bending strength and specific bending strength (=bending strength/sample density) of the carbon fiber reinforced plastic reinforced material when the curing temperature is 150°C and 170°C is shown.

本明細書において、「含有」は、「含む(comprise)」、「実質的にのみからなる(consist essentially of)」、及び「のみからなる(consist of)」のいずれも包含する概念である。また、本明細書において、数値範囲を「A〜B」で示す場合、A以上B以下を意味する。   In the present specification, the term “inclusion” is a concept including both “comprise”, “consisting essentially of”, and “consist of”. Further, in the present specification, when the numerical range is indicated by “A to B”, it means A or more and B or less.

本明細書において、「炭素繊維強化プラスチック強化材料」は、炭素繊維強化プラスチックを強化した複合材料を意味する。また、「プラスチック強化材料」は、プラスチックを強化した材料を意味する。   As used herein, “carbon fiber reinforced plastic reinforced material” means a composite material reinforced with carbon fiber reinforced plastic. Further, "plastic reinforced material" means a material in which plastic is reinforced.

1.炭素繊維強化プラスチック強化材料及びプラスチック強化材料
本発明の炭素繊維強化プラスチック強化材料は、少なくとも一層の炭素繊維強化プラスチック層と、少なくとも一層のセルロースナノファイバー層とを備え、前記炭素繊維強化プラスチック層は、いずれも、炭素繊維強化プラスチックを含有しており、前記セルロースナノファイバー層は、いずれも、セルロースナノファイバー及び高分子化合物を含有しており、前記炭素繊維強化プラスチック層のうち少なくとも一層は、前記セルロースナノファイバー層のうち少なくとも一層と隣接するように配置されている。また、本発明のプラスチック強化材料は、セルロースナノファイバー及び高分子化合物を含有している。
1. Carbon fiber reinforced plastic reinforced material and plastic reinforced material The carbon fiber reinforced plastic reinforced material of the present invention comprises at least one carbon fiber reinforced plastic layer and at least one cellulose nanofiber layer, and the carbon fiber reinforced plastic layer, Both contain carbon fiber reinforced plastic, the cellulose nanofiber layer, both contain a cellulose nanofiber and a polymer compound, at least one of the carbon fiber reinforced plastic layer, the cellulose It is arranged so as to be adjacent to at least one of the nanofiber layers. Further, the plastic reinforcing material of the present invention contains cellulose nanofibers and a polymer compound.

このような構成によれば、炭素繊維強化プラスチックに適用した場合には、セルロースナノファイバーを使用することにより劇的に衝撃強度を向上させることが可能である。このことから、逆に、求められる衝撃強度に対して、従来必要であった炭素繊維強化プラスチックの量を削減することも可能であり、省資源化にもつながり得る。また、セルロースナノファイバーは炭素繊維強化プラスチックよりも軽量であるため、製品の軽量化、特に移動体(自動車、航空機等)の場合は燃費向上にもつながり得る。また、プラスチックに対しても、セルロースナノファイバーを使用することにより強度を向上させることが可能である。   According to such a configuration, when applied to carbon fiber reinforced plastic, it is possible to dramatically improve impact strength by using cellulose nanofibers. From this, conversely, it is possible to reduce the amount of carbon fiber reinforced plastic conventionally required for the required impact strength, which may lead to resource saving. In addition, since cellulose nanofibers are lighter than carbon fiber reinforced plastics, they can lead to weight reduction of products, and particularly to improvement of fuel efficiency in the case of moving bodies (automobiles, aircrafts, etc.). In addition, the strength of plastics can be improved by using cellulose nanofibers.

(1−1)炭素繊維強化プラスチック層
本発明において、炭素繊維強化プラスチック層は、炭素繊維強化プラスチックを含有する。
(1-1) Carbon fiber reinforced plastic layer In the present invention, the carbon fiber reinforced plastic layer contains carbon fiber reinforced plastic.

この炭素繊維強化プラスチックは、通常、炭素繊維に熱硬化性樹脂を含浸させて半乾燥させたプリプレグを複数枚重ねて圧縮加熱することで熱硬化性樹脂を硬化させて成形するオートクレーブ法が採用されている。つまり、炭素繊維がマトリックスである熱硬化性樹脂中に分散した構成を有する。   For this carbon fiber reinforced plastic, usually, an autoclave method is adopted in which a plurality of prepregs obtained by impregnating a carbon fiber with a thermosetting resin and semi-dried are piled up, and the thermosetting resin is cured by compression heating to be molded. ing. That is, it has a structure in which carbon fibers are dispersed in a thermosetting resin that is a matrix.

この場合の炭素繊維材料としては、炭素繊維からなる構造体(特に導電性炭素繊維からなる構造体)であれば特に制限されない。例えば、平面状炭素繊維シート、パイプ状炭素繊維シート、翼形状炭素繊維シート、L字型炭素繊維シート、H型炭素繊維シート等が挙げられる。特に、炭素繊維を直線状に配置した炭素繊維材料のみならず、複雑な立体形状の炭素繊維材料も使用することができる。このような炭素繊維材料を構成する炭素繊維1本の繊維径は、より十分に高分子化合物を析出させて炭素繊維プリプレグを得やすい観点から、平均で0.001〜50μmが好ましい。このような炭素繊維材料としては、公知又は市販品を使用することができる。   The carbon fiber material in this case is not particularly limited as long as it is a structure made of carbon fibers (particularly a structure made of conductive carbon fibers). For example, a flat carbon fiber sheet, a pipe-shaped carbon fiber sheet, a wing-shaped carbon fiber sheet, an L-shaped carbon fiber sheet, an H-shaped carbon fiber sheet and the like can be mentioned. In particular, not only a carbon fiber material in which carbon fibers are linearly arranged but also a carbon fiber material having a complicated three-dimensional shape can be used. The fiber diameter of one carbon fiber constituting such a carbon fiber material is preferably 0.001 to 50 μm on average, from the viewpoint of easily precipitating a polymer compound to obtain a carbon fiber prepreg. Known or commercially available products can be used as such carbon fiber material.

また、熱硬化性樹脂としては、特に制限はなく、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂(ノボラック樹脂等)、アクリル樹脂、ナイロン樹脂、ビニル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン等が挙げられる。これらの熱硬化性樹脂は、単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。これら熱硬化性樹脂としては、後述するセルロースナノファイバー層との親和性を考慮して、セルロースナノファイバー層中の高分子化合物と同じ官能基を有するものが好ましく、なかでもエポキシ樹脂がより好ましい。   The thermosetting resin is not particularly limited, and examples thereof include epoxy resin, phenol resin (novolac resin, etc.), acrylic resin, nylon resin, vinyl resin, polyamide resin, polyimide resin, polyamideimide resin, polystyrene resin, polycarbonate. Resin, polyolefin resin, polyester, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyether sulfone, etc. may be mentioned. These thermosetting resins can be used alone or in combination of two or more kinds. As these thermosetting resins, those having the same functional groups as those of the polymer compound in the cellulose nanofiber layer are preferable in consideration of the affinity with the cellulose nanofiber layer described later, and among them, the epoxy resin is more preferable.

このような炭素繊維強化プラスチックにおいては、強度をより向上させるとともにセルロースナノファイバー層との親和性の観点から各々の炭素繊維を被覆する高分子化合物の厚みは20〜200μmが好ましく、50〜100μmがより好ましい。   In such a carbon fiber reinforced plastic, the thickness of the polymer compound that coats each carbon fiber is preferably 20 to 200 μm, and 50 to 100 μm from the viewpoint of further improving the strength and affinity with the cellulose nanofiber layer. More preferable.

また、炭素繊維強化プラスチック層は、強度をより向上させるとともにセルロースナノファイバー層との親和性の観点から炭素繊維と熱硬化性樹脂の合計量を100質量%として、炭素繊維の含有率は20〜70体積%が好ましく、25〜60体積%がより好ましい。   Further, the carbon fiber reinforced plastic layer, the total amount of the carbon fiber and the thermosetting resin is 100 mass% from the viewpoint of affinity with the cellulose nanofiber layer while further improving the strength, and the content rate of the carbon fiber is 20 to 70% by volume is preferable, and 25-60% by volume is more preferable.

このような炭素繊維強化プラスチックとしては、特に制限はなく、公知又は市販品を用いることができる。   Such carbon fiber reinforced plastic is not particularly limited, and known or commercially available products can be used.

(1−2)セルロースナノファイバー層
本発明において、セルロースナノファイバー層は、セルロースナノファイバー及び高分子化合物を含有する。
(1-2) Cellulose Nanofiber Layer In the present invention, the cellulose nanofiber layer contains cellulose nanofibers and a polymer compound.

セルロースナノファイバーは、公知のものを広く採用することが可能であり、特に限定はない。また、セルロースナノファイバーを構成するセルロースとしては、植物由来のセルロース、動物由来のセルロース、及びバクテリア由来のセルロースの何れでも、好適に使用することができる。これらは1種を単独で使用してもよいし、2種以上を併せて使用してもよい。   As the cellulose nanofibers, known ones can be widely adopted, and there is no particular limitation. Moreover, as the cellulose constituting the cellulose nanofiber, any of plant-derived cellulose, animal-derived cellulose, and bacterial-derived cellulose can be preferably used. These may be used alone or in combination of two or more.

植物由来セルロースとしては、例えば、広葉樹由来セルロース(ユーカリ、ポプラ等)、針葉樹由来セルロース(マツ、モミ、スギ、ヒノキ等)、草本類由来セルロース(ワラ、バガス、ヨシ、ケナフ、アバカ、サイザル等)、及び種子毛繊維(コットン等)の中から選択できる。原料となるパルプは、木材チップを機械的に処理した機械パルプであってもよく、木材チップから非セルロース成分を化学的に除去した化学パルプでもよく、さらに非セルロース成分を除去して精製した溶解パルプでもよい。   As plant-derived cellulose, for example, hardwood-derived cellulose (eucalyptus, poplar, etc.), softwood-derived cellulose (pine, fir, cedar, cypress, etc.), herbaceous-derived cellulose (straw, bagasse, reed, kenaf, abaca, sisal, etc.) , And seed hair fibers (cotton, etc.). The raw material pulp may be mechanical pulp obtained by mechanically treating wood chips, chemical pulp obtained by chemically removing non-cellulosic components from wood chips, and further purified by dissolving non-cellulose components. It may be pulp.

その他、ホヤなど動物由来のセルロース、ナタデココ等バクテリア由来のセルロース等を使用することもできる。また、このようなセルロースは、必ずしも純粋なセルロース成分のみから構成される必要はなく、主成分であるセルロースに、非セルロース成分が付随していてもよい。もちろん、純粋なセルロース成分のみにより構成されていてもよい。   In addition, cellulose derived from animals such as ascidian, cellulose derived from bacteria such as nata de coco, and the like can be used. Further, such cellulose does not necessarily have to be composed only of a pure cellulose component, and a non-cellulose component may be attached to the main component cellulose. Of course, it may be constituted only by a pure cellulose component.

セルロースナノファイバーに付随する主な非セルロース成分については、特に限定はなく、用途に応じて適宜選択することができる。例えば、ヘミセルロース及びリグニンを挙げることができる。   The main non-cellulose component associated with the cellulose nanofibers is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the application. For example, hemicellulose and lignin can be mentioned.

また、セルロースナノファイバー中の純粋なセルロース成分比率に関しても、用途に応じて適宜設定すればよい。例えば、純粋なセルロース成分比率は、セルロースナノファイバー100質量%中に、70質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましい。純粋なセルロース成分比率の上限としては、100質量%とすることができる。なお、本明細書においてセルロース比率とは、セルロースナノファイバー全体の質量100質量%に対して、βグルコース分子がグリコシド結合により直鎖状に重合した純粋なセルロース成分の比率である。   Further, the pure cellulose component ratio in the cellulose nanofibers may be appropriately set according to the application. For example, the pure cellulose component ratio is preferably 70% by mass or more, and more preferably 80% by mass or more based on 100% by mass of the cellulose nanofibers. The upper limit of the pure cellulose component ratio can be 100% by mass. In the present specification, the cellulose ratio is a ratio of a pure cellulose component in which β-glucose molecules are linearly polymerized by a glycoside bond with respect to 100% by mass of the entire cellulose nanofiber.

セルロースナノファイバーに含まれる純粋なセルロース成分の重合度に関しても、用途に応じ、適宜設定すればよい。例えば、重合度500以上、特に600以上のセルロース成分を使用することができる。セルロース成分の重合度の上限値としては特に限定はないが、例えば、10万とすることができる。   The degree of polymerization of the pure cellulose component contained in the cellulose nanofibers may be appropriately set depending on the application. For example, a cellulose component having a degree of polymerization of 500 or more, particularly 600 or more can be used. The upper limit of the degree of polymerization of the cellulose component is not particularly limited, but may be 100,000, for example.

セルロースナノファイバーに含まれる純粋なセルロース成分の結晶化度に関しても、特に制限はなく、60%以上が好ましく、70%以上がより好ましい。セルロースの結晶化度の上限としては、特に限定はないが、例えば、99%とすることができる。セルロース成分の結晶構造は、I型、II型、III型、及びIV型を挙げることができる。   The crystallinity of the pure cellulose component contained in the cellulose nanofibers is also not particularly limited and is preferably 60% or more, more preferably 70% or more. The upper limit of the crystallinity of cellulose is not particularly limited, but may be 99%, for example. Examples of the crystal structure of the cellulose component include type I, type II, type III, and type IV.

セルロースナノファイバーのサイズは特に制限はなく、後述の本発明の製造方法を採用する場合は電着液中に分散させる観点から、直径は4〜100nmが好ましく、長さは500nm以上が好ましい。なお、本明細書において、セルロースナノファイバーの直径は、ランダムに抽出した50本以上のセルロースナノファイバーをSEM観察して得られるメジアン径である。   The size of the cellulose nanofibers is not particularly limited, and when the production method of the present invention described below is adopted, the diameter is preferably 4 to 100 nm and the length is preferably 500 nm or more from the viewpoint of being dispersed in the electrodeposition liquid. In the present specification, the diameter of cellulose nanofibers is a median diameter obtained by SEM observation of 50 or more randomly extracted cellulose nanofibers.

本発明においては、上記したセルロースナノファイバーは、疎水化処理を施さずともセルロースナノファイバー層を形成することができる。このため、本発明の炭素繊維強化プラスチック強化材料中に含まれるセルロースナノファイバーは、疎水化処理が施されていないものも包含することができる。   In the present invention, the above-mentioned cellulose nanofiber can form a cellulose nanofiber layer without being subjected to a hydrophobic treatment. Therefore, the cellulose nanofibers contained in the carbon fiber reinforced plastic reinforced material of the present invention may include those that have not been subjected to the hydrophobic treatment.

また、高分子化合物としては、特に制限はなく、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂(ノボラック樹脂等)、アクリル樹脂、ナイロン樹脂、ビニル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン等が挙げられる。これらの高分子化合物は、単独で用いることもでき、2種以上を組合せて用いることもできる。これら高分子化合物としては、炭素繊維強化プラスチック層との親和性を考慮して、炭素繊維強化プラスチック層中の熱硬化性樹脂と同じ官能基を有するものが好ましく、なかでもエポキシ樹脂がより好ましい。   The polymer compound is not particularly limited, and examples thereof include epoxy resin, phenol resin (novolac resin, etc.), acrylic resin, nylon resin, vinyl resin, polyamide resin, polyimide resin, polyamideimide resin, polystyrene resin, polycarbonate resin. , Polyolefin resin, polyester, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyether sulfone and the like. These polymer compounds may be used alone or in combination of two or more. As these polymer compounds, those having the same functional group as the thermosetting resin in the carbon fiber reinforced plastic layer are preferable in consideration of the affinity with the carbon fiber reinforced plastic layer, and among them, the epoxy resin is more preferable.

また、セルロースナノファイバー層は、強度をより向上させるとともに炭素繊維強化プラスチック層との親和性の観点からセルロースナノファイバーと炭素繊維強化プラスチックの総量を100質量%として、セルロースナノファイバーの含有率は1〜20質量%が好ましく、2〜15質量%がより好ましい。   Further, the cellulose nanofiber layer, the total amount of the cellulose nanofiber and the carbon fiber reinforced plastic is 100 mass% from the viewpoint of further improving the strength and affinity with the carbon fiber reinforced plastic layer, and the content rate of the cellulose nanofiber is 1 -20 mass% is preferable, and 2-15 mass% is more preferable.

このようなセルロースナノファイバー層の厚みは、より強度を向上させるとともに炭素繊維強化プラスチック層との親和性の観点から、例えば、0.001〜500μmが好ましく、0.001〜100μmがより好ましい。   The thickness of such a cellulose nanofiber layer is, for example, preferably 0.001 to 500 μm, and more preferably 0.001 to 100 μm, from the viewpoint of further improving the strength and the affinity with the carbon fiber reinforced plastic layer.

(1−3)炭素繊維強化プラスチック強化材料
本発明の炭素繊維強化プラスチック強化材料は、少なくとも一層の炭素繊維強化プラスチック層と、少なくとも一層のセルロースナノファイバー層とを備えており、少なくとも一層の炭素繊維強化プラスチック層の少なくとも片面に、少なくとも一層のセルロースナノファイバー層が隣接するように配置されている。これにより、セルロースナノファイバーが親水性であるにも関わらず、熱硬化性樹脂をマトリックスとする炭素繊維強化プラスチック層とセルロースナノファイバー層とを強固に接合させることができ、図1右図に示されるように、炭素繊維強化プラスチック層がセルロースナノファイバー層により強化され、衝撃強度を特に向上させることが可能である。
(1-3) Carbon Fiber Reinforced Plastic Reinforcement Material The carbon fiber reinforced plastic reinforcement material of the present invention comprises at least one carbon fiber reinforced plastic layer and at least one cellulose nanofiber layer, and at least one carbon fiber layer. At least one cellulose nanofiber layer is arranged adjacent to at least one surface of the reinforced plastic layer. As a result, even though the cellulose nanofibers are hydrophilic, the carbon fiber reinforced plastic layer having the thermosetting resin as a matrix and the cellulose nanofiber layer can be firmly bonded, as shown in the right diagram of FIG. 1. As described above, the carbon fiber reinforced plastic layer is reinforced by the cellulose nanofiber layer, and it is possible to particularly improve the impact strength.

このような本発明の炭素繊維強化プラスチック強化材料の構成は、少なくとも一層の炭素繊維強化プラスチック層の少なくとも片面に、少なくとも一層のセルロースナノファイバー層が隣接するように配置されていれば特に制限はなく、二層のセルロースナノファイバー層の間に、少なくとも一層の炭素繊維強化プラスチック層が配置されている構成や、炭素繊維強化プラスチック層と、セルロースナノファイバー層とが交互に配置されている構成(例えば、炭素繊維強化プラスチック層、セルロースナノファイバー層、炭素繊維強化プラスチック層、セルロースナノファイバー層、炭素繊維強化プラスチック層がこの順に形成された構成等)等を採用することが可能である。   Such a structure of the carbon fiber reinforced plastic reinforced material of the present invention is not particularly limited as long as at least one surface of at least one carbon fiber reinforced plastic layer is arranged so that at least one cellulose nanofiber layer is adjacent. , A structure in which at least one carbon fiber reinforced plastic layer is arranged between two layers of cellulose nanofiber layers, or a structure in which carbon fiber reinforced plastic layers and cellulose nanofiber layers are alternately arranged (for example, , A carbon fiber reinforced plastic layer, a cellulose nanofiber layer, a carbon fiber reinforced plastic layer, a cellulose nanofiber layer, a carbon fiber reinforced plastic layer are formed in this order) and the like.

このように、本発明によれば、衝撃強度に優れた炭素繊維強化プラスチック強化材料が得られるため、従来の技術では達成できなかった軽量化したスポーツ用品を製造することが可能になる。具体的には、ゴルフクラブ(全体)、テニスラケット(フレーム、シャフト等)、野球・ソフトボールバット(全体)、バドミントンラケット(フレーム、シャフト等)等での実用化が期待できる。   As described above, according to the present invention, a carbon fiber reinforced plastic reinforced material having excellent impact strength can be obtained, and thus it becomes possible to manufacture a lightweight sports article which cannot be achieved by the conventional techniques. Specifically, it can be expected to be put to practical use in golf clubs (whole), tennis rackets (frames, shafts, etc.), baseball/softball bats (whole), badminton rackets (frames, shafts, etc.).

例えば、野球・ソフトボールバットは、繰返しボールを打撃していると表面及び炭素繊維の層で破断が起こることから、耐久性を高めるために炭素繊維の層を厚くしている。本発明によれば、衝撃強度に優れた炭素繊維強化プラスチック強化材料が得られるため、炭素繊維の層(本発明における炭素繊維強化プラスチック層)を少なくし軽量化することが可能である。   For example, in a baseball/softball bat, when the ball is repeatedly hit, the surface and the carbon fiber layer are broken, so that the carbon fiber layer is thickened to improve durability. According to the present invention, a carbon fiber reinforced plastic reinforced material having excellent impact strength can be obtained, so that it is possible to reduce the carbon fiber layer (the carbon fiber reinforced plastic layer in the present invention) and reduce the weight.

また、バドミントンラケット等は、シャトルを打撃しているだけではフレーム及びシャフトにおける破断は発生しないものの、誤ってシャトル以外を打撃することも多く、製品としては衝撃強度を確保することが必要となる。また、シャフトを軽量化するために高弾性の炭素繊維を使用することもあるが、その場合は衝撃強度が低くなる傾向にあり耐久性を高めるために炭素繊維の層を厚くしている。本発明によれば、衝撃強度に優れた炭素繊維強化プラスチック強化材料が得られるため、炭素繊維の層(本発明における炭素繊維強化プラスチック層)を少なくし軽量化することが可能である。   Further, the badminton racket or the like does not cause breakage in the frame and the shaft just by hitting the shuttle, but it often hits other than the shuttle by mistake, and it is necessary to secure impact strength as a product. Highly elastic carbon fiber may be used to reduce the weight of the shaft, but in that case, impact strength tends to be low, and the carbon fiber layer is thickened to improve durability. According to the present invention, a carbon fiber reinforced plastic reinforced material having excellent impact strength can be obtained, so that it is possible to reduce the carbon fiber layer (the carbon fiber reinforced plastic layer in the present invention) and reduce the weight.

炭素繊維強化プラスチック材料は、これまでスポーツ市場で普及した素材が航空宇宙用途及び産業用途に波及するケースが非常に多い。このため、上記のようなスポーツ用品への用途展開の他、さらなる軽量化を進めている自動車の本体及び部品、航空機の本体及び部品、高速道路ETCのゲートバー等への応用も可能である。   In many cases, carbon fiber reinforced plastic materials, which have been popular in the sports market, spread to aerospace and industrial applications. Therefore, in addition to the above-mentioned application to sports goods, it is possible to apply to automobile bodies and parts, aircraft bodies and parts, gate bars of expressways ETC, etc., which are being further reduced in weight.

また、高齢化社会が益々加速されていく日本国内において、高齢者の健康を持続させることが大きな課題となっている。高齢者は徐々に体力及び筋力低下を起こし、益々移動自体が困難になる状況を招く。高齢者の歩行をサポートするウエア、シューズ、装具等には、本発明の炭素繊維強化プラスチック強化材料を用いれば軽量で耐久性が高い商品を開発することが可能となり、高齢者向け商品にも有用である。   In Japan, where the aging society is accelerating more and more, maintaining the health of the elderly is a major issue. The elderly gradually deteriorate their physical strength and muscular strength, which makes it more difficult to move. By using the carbon fiber reinforced plastic reinforced material of the present invention for wear, shoes, orthosis, etc. that support walking of elderly people, it becomes possible to develop lightweight and durable products, and it is also useful for elderly products. Is.

また、本発明のプラスチック強化材料は、セルロースナノファイバー及び高分子化合物を含有している。セルロースナノファイバー及び高分子化合物については上記したものを採用できる。   Further, the plastic reinforcing material of the present invention contains cellulose nanofibers and a polymer compound. The above-mentioned thing can be employ|adopted as a cellulose nanofiber and a high molecular compound.

本発明のプラスチック強化材料によれば、対象となる高分子化合物(特にプラスチック)の強度を向上させることができるため、従来の技術では達成できなかった軽量化したスポーツ用品を製造することが可能になる。具体的には、例えば、野球用ヘルメット、キャッチャー防具、シューズのソール、木製バットの表面強化塗料、高齢者用の杖等での実用化が期待できる。特に、コンデンサーの絶縁や薄膜回路基板等のように、プラスチックのみではすぐに壊れてしまうような薄いプラスチック膜を強化するためにセルロースナノファイバーを含ませることができる。   According to the plastic reinforced material of the present invention, the strength of the target polymer compound (particularly plastic) can be improved, and thus it is possible to manufacture a lightweight sports article which cannot be achieved by the conventional technology. Become. Specifically, for example, it can be expected to be put into practical use as a baseball helmet, a catcher armor, a shoe sole, a surface strengthening paint for a wooden bat, a cane for the elderly, and the like. In particular, cellulose nanofibers can be included to reinforce thin plastic membranes that are quickly destroyed by plastic alone, such as capacitor insulation and thin film circuit boards.

2.炭素繊維強化プラスチック強化材料及びプラスチック強化材料の製造方法
本発明の炭素繊維強化プラスチック強化材料の製造方法は、
(1)高分子化合物が溶解又は分散している電着液、水系エポキシ樹脂、及びエポキシ樹脂塗料よりなる群から選ばれる少なくとも1種と、セルロースナノファイバーとを接触させる工程、及び
(2)前記工程(1)で得られた分散液を用いて、炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体上にセルロースナノファイバー層を形成し加熱硬化させる工程
を備える。
2. Method for producing carbon fiber reinforced plastic reinforced material and plastic reinforced material The method for producing carbon fiber reinforced plastic reinforced material of the present invention is
(1) A step of contacting cellulose nanofibers with at least one selected from the group consisting of an electrodeposition liquid in which a polymer compound is dissolved or dispersed, an aqueous epoxy resin, and an epoxy resin coating, and (2) A step of forming a cellulose nanofiber layer on a carbon fiber reinforced plastic or a precursor thereof by using the dispersion liquid obtained in the step (1) and curing by heating is provided.

また、本発明のプラスチック強化材料の製造方法は、
(1)高分子化合物が溶解又は分散している電着液、水系エポキシ樹脂、及びエポキシ樹脂塗料よりなる群から選ばれる少なくとも1種と、セルロースナノファイバーとを接触させる工程
を備える。
Further, the method for producing the plastic reinforced material of the present invention,
(1) A step of bringing the cellulose nanofibers into contact with at least one selected from the group consisting of an electrodeposition liquid in which a polymer compound is dissolved or dispersed, an aqueous epoxy resin, and an epoxy resin coating material.

これまで、本発明者らは、CFRPの製造にかかるエネルギ消費の低減や炭素繊維の曲線配置の容易化等に向けて、炭素繊維と樹脂とが強固に結合する活性型の電着技術を用いた樹脂含浸法の開発を進めてきた。電着技術は自動車塗装に用いられてきた技術であり、電着液にはエポキシ基を有する高分子化合物が分散されていることが多く、電気泳動によって高分子化合物を被塗装物の表面に析出させることができる。環境保護の観点から、水を溶媒とする電着液が開発されており、上記した方法を採用すれば、工程(1)においてセルロースナノファイバーを疎水化処理せずとも、電着液中に均一に分散させることが可能であり、低コストで本発明の炭素繊維強化プラスチック強化材料及びプラスチック強化材料を製造することができる。   So far, the present inventors have used an active electrodeposition technology in which carbon fiber and a resin are firmly bonded to each other in order to reduce the energy consumption involved in manufacturing CFRP and facilitate the curved arrangement of carbon fiber. The resin impregnation method was developed. Electrodeposition technology is a technology that has been used for coating automobiles, and polymer compounds having epoxy groups are often dispersed in the electrodeposition solution, and the polymer compounds are deposited on the surface of the object to be coated by electrophoresis. Can be made From the viewpoint of environmental protection, an electrodeposition solution using water as a solvent has been developed, and by adopting the above-mentioned method, even if the cellulose nanofibers are not subjected to hydrophobic treatment in the step (1), they can be uniformly dispersed in the electrodeposition solution. The carbon fiber reinforced plastic reinforced material and the plastic reinforced material of the present invention can be produced at low cost.

また、このような方法を採用すれば、少量のセルロースナノファイバーを使用することにより劇的に衝撃強度を向上させた炭素繊維強化プラスチック強化材料を得ることが可能である。また、このような方法を採用すれば、少量のセルロースナノファイバーを使用することにより、プラスチックの強度を向上させることができるプラスチック強化材料を得ることもできる。このことから、逆に、求められる衝撃強度に対して、従来必要であった炭素繊維強化プラスチックの量を削減することも可能であるし、省資源化にもつながり得る。また、炭素繊維強化プラスチック強化材料については、セルロースナノファイバーは炭素繊維強化プラスチックよりも軽量であるため、製品の軽量化、特に移動体(自動車、航空機等)の場合は燃費向上にもつながり得る。   Further, by adopting such a method, it is possible to obtain a carbon fiber reinforced plastic reinforced material with dramatically improved impact strength by using a small amount of cellulose nanofibers. Further, if such a method is adopted, a plastic reinforced material capable of improving the strength of plastic can be obtained by using a small amount of cellulose nanofiber. From this, conversely, it is possible to reduce the amount of carbon fiber reinforced plastic conventionally required for the required impact strength, which may lead to resource saving. Further, regarding the carbon fiber reinforced plastic reinforced material, since the cellulose nanofiber is lighter than the carbon fiber reinforced plastic, it may lead to weight reduction of the product, and particularly to improvement of fuel consumption in the case of a moving body (automobile, aircraft, etc.).

(2−1)工程(1)
高分子化合物及びセルロースナノファイバーとしては、上記セルロースナノファイバー層において説明した高分子化合物を使用することができる。好ましい態様等も同様である。なお、高分子化合物については、マイクロジェルを採用することもできる。
(2-1) Step (1)
As the polymer compound and the cellulose nanofiber, the polymer compound described in the cellulose nanofiber layer can be used. The same applies to the preferred embodiments and the like. Microgels can also be used for the polymer compounds.

本発明において使用する電着液には、上記高分子化合物及び溶媒(セロソルブ系溶媒、アルコール系溶媒等)の他、顔料(カーボン、酸化チタン、ケイ酸鉛、リン酸アルミニウム、水酸化ビスマス、水酸化イットリウム、ケイ酸アルミニウム、タルク等)、機能剤(マイクロゲル等)、酸(酢酸、乳酸、ギ酸、プロピオン酸、スルファミン酸)等を含むこともできる。   The electrodeposition liquid used in the present invention includes pigments (carbon, titanium oxide, lead silicate, aluminum phosphate, bismuth hydroxide, water) in addition to the polymer compound and solvent (cellosolve solvent, alcohol solvent, etc.). Yttrium oxide, aluminum silicate, talc, etc.), functional agents (microgel, etc.), acids (acetic acid, lactic acid, formic acid, propionic acid, sulfamic acid) and the like can also be included.

本発明において使用する電着液は、上記した高分子化合物が溶解又は分散しており、セルロースナノファイバーを分散させることができれば特に制限はないが、セルロースナノファイバーの分散性を考慮して水系の電着液が好ましい。例えば、プラス(+)に帯電する高分子化合物を電着させようとする場合はカチオン型電着液を使用することができ、マイナス(−)に帯電する高分子化合物を電着させようとする場合はアニオン型電着液を使用することができる。   The electrodeposition liquid used in the present invention, the above-mentioned polymer compound is dissolved or dispersed, is not particularly limited as long as it can disperse the cellulose nanofibers, considering the dispersibility of the cellulose nanofibers of the aqueous system An electrodeposition liquid is preferred. For example, in the case of attempting to electrodeposit a polymer compound that is positively (+) charged, a cation-type electrodeposition liquid can be used, and a polymer compound that is negatively (-) charged can be electrodeposited. In this case, an anion type electrodeposition liquid can be used.

このような電着液としては、例えば、日本ペイント(株)製のインシュリード1000、インシュリード3000、インシュリード4000、関西ペイント(株)製のエレクロンKG400、エレクロンKG550等が挙げられる。なお、インシュリード1000及びインシュリード3000は、高分子化合物としてフェノール樹脂(ノボラック樹脂)を含んでおり、エポキシ樹脂を析出させることによって絶縁性及び耐熱性を付与することができ、インシュリード4000はポリアミドイミド樹脂を含んでおり、ポリアミドイミド樹脂を析出させることにより絶縁性、耐熱性、折り曲げ加工性を付与することができる。なお、これらの電着液のうち、インシュリード1000及びインシュリード3000は、上記の通りエポキシ樹脂を析出させることができ、通常マトリックス樹脂がエポキシ樹脂である工程(2)で使用されるシート状炭素繊維強化プラスチック前駆体との親和性の観点で好ましい。   Examples of such an electrodeposition liquid include Insreed 1000, Insuleed 3000, Insuleed 4000 manufactured by Nippon Paint Co., Ltd., Elektron KG400, Elekron KG550 produced by Kansai Paint Co., Ltd., and the like. Insulind 1000 and Insulind 3000 contain phenolic resin (novolak resin) as a high molecular compound, and insulation and heat resistance can be imparted by depositing an epoxy resin. It contains an imide resin, and by precipitating a polyamide-imide resin, it is possible to impart insulation properties, heat resistance, and bending workability. Among these electrodeposition liquids, Insuleed 1000 and Insuleed 3000 can deposit the epoxy resin as described above, and the sheet-like carbon used in the step (2) in which the matrix resin is usually the epoxy resin. It is preferable from the viewpoint of compatibility with the fiber-reinforced plastic precursor.

また、上記した電着液のみに限定されず、水系エポキシ樹脂や、エポキシ樹脂塗料も同様に使用することもできる。   Further, not only the above-mentioned electrodeposition liquid, but also water-based epoxy resin and epoxy resin paint can be used in the same manner.

本発明において使用するエポキシ樹脂塗料は、エポキシ樹脂が溶解又は分散しており、セルロースナノファイバーを分散させることができれば特に制限はないが、セルロースナノファイバーの分散性を考慮して水系のエポキシ樹脂塗料が好ましい。   The epoxy resin coating used in the present invention is not particularly limited as long as the epoxy resin is dissolved or dispersed and the cellulose nanofibers can be dispersed, but in consideration of dispersibility of the cellulose nanofibers, an aqueous epoxy resin coating is used. Is preferred.

上記した水系エポキシ樹脂としては、例えば、三菱ケミカル(株)製の水系エポキシ樹脂W2801、水系エポキシ樹脂W2821 R70、水系エポキシ樹脂W3435 R67、水系エポキシ樹脂W8735 R70、水系エポキシ樹脂W1155 R55等が挙げられ、水系エポキシ樹脂硬化剤として、三菱ケミカル(株)製のWD11 M60等と組合せて使用することができる。また、エポキシ樹脂塗料としては、例えば、大日本塗料(株)製のエポオールシリーズ、エポニックスシリーズ、ブラスノン#21、DNTユニバーサルプライマー、エコクールスマイルHB、水性床コートプライマー、エポティ、ケルビンα2.5、HERCON CR-3A等が挙げられる。   Examples of the above water-based epoxy resin, for example, water-based epoxy resin W2801, manufactured by Mitsubishi Chemical Co., water-based epoxy resin W2821 R70, water-based epoxy resin W3435 R67, water-based epoxy resin W8735 R70, water-based epoxy resin W1155 R55, and the like, As a water-based epoxy resin curing agent, it can be used in combination with WD11 M60 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation. As the epoxy resin paint, for example, Dainippon Paint Co., Ltd.'s Epoall series, Eponix series, Brasson #21, DNT universal primer, Ecocool Smile HB, aqueous floor coat primer, Epoty, Kelvin α2.5, HERCON CR-3A etc. are mentioned.

上記した電着液、水系エポキシ樹脂、エポキシ樹脂塗料等とセルロースナノファイバーとの接触方法は特に制限されない。例えば、上記した電着液、水系エポキシ樹脂、エポキシ樹脂塗料等にセルロースナノファイバーを浸漬させる方法(特に、上記した電着液、水系エポキシ樹脂、エポキシ樹脂塗料等にセルロースナノファーバーを浸漬させて混合する方法)を採用することもできるが、後述の工程(2)において炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体上にセルロースナノファイバー層を一様に形成することを考慮すれば、上記した電着液、水系エポキシ樹脂、エポキシ樹脂塗料等とセルロースナノファイバーの分散液とを混合することが好ましい。この際の各成分の使用量は特に制限されないが、セルロースナノファイバー及び高分子化合物の比率が上記した範囲となるように調整することができる。セルロースナノファイバーのネットワーク構造(=網目状)に、高分子化合物(特に高分子化合物のマイクロジェル)が入り込み、高分子官能基の作用と相俟って、均一分散されるものと考えられる。つまり、本発明では、電着液、水系エポキシ樹脂、エポキシ樹脂塗料等を、本来期待されるところの電着による金属等の表面へのコーティングという作用ではなく、セルロースナノファイバーと高分子化合物の分散液として用いている。   The method of contacting the above-mentioned electrodeposition liquid, water-based epoxy resin, epoxy resin coating, etc. with cellulose nanofibers is not particularly limited. For example, a method of immersing the cellulose nanofibers in the above-mentioned electrodeposition solution, water-based epoxy resin, epoxy resin coating material, etc. (particularly by immersing and mixing the cellulose nanofiber in the above-mentioned electrodeposition solution, water-based epoxy resin, epoxy resin coating material, etc. Method) can be used, but considering that the cellulose nanofiber layer is uniformly formed on the carbon fiber reinforced plastic or its precursor in the step (2) described later, the above-mentioned electrodeposition solution, It is preferable to mix a water-based epoxy resin, an epoxy resin coating, or the like with a dispersion liquid of cellulose nanofibers. The amount of each component used at this time is not particularly limited, but can be adjusted so that the ratio of the cellulose nanofibers and the polymer compound falls within the above range. It is considered that the polymer compound (particularly, the microgel of the polymer compound) enters the network structure (=mesh) of the cellulose nanofibers and is uniformly dispersed together with the action of the polymer functional group. That is, in the present invention, the electrodeposition liquid, the water-based epoxy resin, the epoxy resin coating, etc. are not expected to be coated on the surface of a metal or the like by electrodeposition, which is originally expected, but the dispersion of cellulose nanofibers and polymer compounds. Used as a liquid.

(2−2)工程(2)
このように、電着液、水系エポキシ樹脂、エポキシ樹脂塗料等とセルロースナノファイバーとを接触させて、電着液、水系エポキシ樹脂、エポキシ樹脂塗料等中にセルロースナノファイバーを分散させた後に、炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体上にセルロースナノファイバー層を形成する。この際、炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体上に塗布及び乾燥してもよいし、セルロースナノファイバー層をシート状に成形した後に炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体と圧着してもよい。この際の成形方法は常法により行うことができる。
(2-2) Step (2)
In this manner, the electrodeposition solution, the water-based epoxy resin, the epoxy resin coating or the like and the cellulose nanofibers are brought into contact with each other to disperse the cellulose nanofibers in the electrodeposition solution, the water-based epoxy resin or the epoxy resin coating, and then the carbon A cellulose nanofiber layer is formed on the fiber reinforced plastic or its precursor. At this time, the carbon fiber reinforced plastic or its precursor may be applied and dried, or the cellulose nanofiber layer may be formed into a sheet and then pressure-bonded with the carbon fiber reinforced plastic or its precursor. The molding method at this time can be performed by a conventional method.

塗布した状態又はシート状に成形した状態では、電着液とセルロースナノファイバーとの接触物(特に混合物)は水分を含んでいるため、加熱硬化させる前に、乾燥させて水分を蒸発させることが好ましい。これにより、厚さが均一で強固なセルロースナノファイバーと高分子化合物とを含有するセルロースナノファイバー層を、ハンドリングの容易なセルロースナノファイバー層とすることができる。或いは、得られたシート状物を炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体からなるシートの上に積層した後に乾燥させて水分を蒸発させてもよい。   When applied or formed into a sheet, the electrodeposition solution and the contact material of cellulose nanofibers (especially a mixture) contain water, so it may be dried to evaporate the water before heat curing. preferable. As a result, the cellulose nanofiber layer containing the strong and uniform cellulose nanofibers and the polymer compound can be a cellulose nanofiber layer that is easy to handle. Alternatively, the obtained sheet material may be laminated on a sheet made of carbon fiber reinforced plastic or a precursor thereof and then dried to evaporate water.

なお、シート状に成形した後に乾燥させる前であれば、電着液、水系エポキシ樹脂、エポキシ樹脂塗料等として存在しているために通電することが可能である。このため、得られたシート状物を炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体からなるシートの上に積層した後に通電し、その後乾燥させて水分を蒸発させた場合には、得られる本発明の炭素繊維強化プラスチック強化材料を強化した材料において、セルロースナノファイバー層と炭素繊維強化プラスチック層との界面強度をさらに向上させることができる。   Before being dried after being formed into a sheet, it can be energized because it exists as an electrodeposition liquid, a water-based epoxy resin, an epoxy resin paint, or the like. Therefore, when the obtained sheet-like material is laminated on a sheet made of carbon fiber reinforced plastic or a precursor thereof and then energized, and then dried to evaporate water, the obtained carbon fiber of the present invention is obtained. In the material in which the reinforced plastic reinforced material is reinforced, the interfacial strength between the cellulose nanofiber layer and the carbon fiber reinforced plastic layer can be further improved.

次いで、セルロースナノファイバー層を形成した炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体を加熱硬化させる。工程(1)において塗布及び乾燥した場合は、そのまま加熱硬化させることができる。また、工程(1)の後、得られたシート状物を炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体からなるシートの上に積層した後に、必要に応じて通電し、その後乾燥させた場合は、そのまま圧着し、次いで、炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体を加熱硬化させることができる。圧着及び加熱硬化させる際に、セルロースナノファイバー層中の高分子化合物と、炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体からなるシート中の熱硬化性樹脂が強固に接合され得る。   Next, the carbon fiber reinforced plastic on which the cellulose nanofiber layer is formed or its precursor is heat-cured. When applied and dried in the step (1), it can be heated and cured as it is. In addition, after the step (1), the obtained sheet-like material is laminated on a sheet made of carbon fiber reinforced plastic or a precursor thereof, and if necessary electricity is applied, and then dried, it is directly pressure-bonded. Then, the carbon fiber reinforced plastic or its precursor can be heat-cured. During pressure bonding and heat curing, the polymer compound in the cellulose nanofiber layer and the thermosetting resin in the sheet made of carbon fiber reinforced plastic or its precursor can be firmly bonded.

圧着の際の条件は特に制限はなく、例えば、0.01〜30MPa、好ましくは0.1〜5MPaの圧力を印加することができる。また、加熱硬化の際の条件も特に制限はなく、例えば、加熱温度を120〜250℃(特に140〜200℃)とし、加熱時間を0.1〜3時間(特に1〜1.5時間)とすることができる。   There are no particular restrictions on the conditions for pressure bonding, and for example, a pressure of 0.01 to 30 MPa, preferably 0.1 to 5 MPa can be applied. The conditions for heat curing are also not particularly limited. For example, the heating temperature may be 120 to 250°C (particularly 140 to 200°C) and the heating time may be 0.1 to 3 hours (particularly 1 to 1.5 hours). it can.

これにより、セルロースナノファイバー層と炭素繊維強化プラスチック層とを強固に接合させることができる。セルロースナノファイバー層及び炭素繊維強化プラスチック層が複数層ある場合は、必要回数だけ、上記の工程を繰り返すことができる。   Thereby, the cellulose nanofiber layer and the carbon fiber reinforced plastic layer can be firmly bonded. When there are a plurality of cellulose nanofiber layers and carbon fiber reinforced plastic layers, the above steps can be repeated as many times as necessary.

実施例に基づいて、本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。   The present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to these.

[衝撃強度]
JIS K 7077に基づいたシャルピー衝撃値を性能指標とし、セルロースナノファイバーを複合化しない炭素繊維強化プラスチックの衝撃強度を既存技術として100%とし、セルロースナノファイバーを複合化した場合の優位性を定量的に評価した。具体的には、試験機としては(株)上島製作所製U-F式衝撃試験機(衝撃速度3.45m/s、10J)を用い、試料は80X10X1tとした。
[Impact strength]
Charpy impact value based on JIS K 7077 is used as a performance index, the impact strength of carbon fiber reinforced plastic that does not compound cellulose nanofibers is 100% as existing technology, and the superiority when compounding cellulose nanofibers is quantitative. Evaluated to. Specifically, a UF type impact tester (impact velocity 3.45 m/s, 10J) manufactured by Kamijima Seisakusho Co., Ltd. was used as a tester, and the sample was 80X10X1t.

[曲げ強度]
曲げ試験片は、ロータリーカッターで40×10mmに切断し、それぞれのCNF含有量につき、5枚を製作した。3点曲げ試験は卓上引張圧縮試験機(MCT-2150、株式会社A&D製)を用いて行い、スパンは30mm、負荷速度は10mm/minの一定とした。荷重−たわみ関係のデータを取得し、線形部分の傾きから剛性及び比剛性(=剛性/密度)を、破断荷重から強度と比強度(=強度/密度)を求めた。
[Bending strength]
Bending test pieces were cut into 40×10 mm with a rotary cutter, and 5 pieces were produced for each CNF content. The three-point bending test was performed using a tabletop tensile compression tester (MCT-2150, manufactured by A&D Co., Ltd.), the span was 30 mm, and the load speed was constant at 10 mm/min. The load-deflection relationship data was acquired, and the rigidity and specific rigidity (=rigidity/density) were obtained from the slope of the linear portion, and the strength and specific strength (=strength/density) were obtained from the breaking load.

以下の実施例では、電着液は、日本ペイント株式会社製の電解活性型電着液(Insuleed 3030、エポキシ樹脂含有量20質量%)を用いた。この電着液は、エポキシ基を有する高分子化合物(エポキシ樹脂)が分散され、通電によって不可逆的な不導体化反応が起こり、エポキシ樹脂が被処理材の表面に析出する。なお、イソシアナート硬化剤、ブロック剤、有害重金属触媒等、生理活性の強い物質や地球環境に害を及ぼすと考えられる物質は全く含まれていない。   In the following examples, an electrolytically active electrodeposition liquid (Insuleed 3030, epoxy resin content 20% by mass) manufactured by Nippon Paint Co., Ltd. was used as the electrodeposition liquid. In this electrodeposition liquid, a polymer compound (epoxy resin) having an epoxy group is dispersed, and an irreversible non-conductivity reaction occurs by energization, and the epoxy resin is deposited on the surface of the material to be treated. It should be noted that it does not contain substances having strong physiological activity or substances considered to be harmful to the global environment, such as an isocyanate curing agent, a blocking agent, and a harmful heavy metal catalyst.

また、セルロースナノファイバー(CNF)は、中越パルプ工業株式会社が製造した竹から生成したセルロースナノファイバーの分散液(セルロース含有量2.5質量%、平均繊維径50nm、平均繊維長100μm)、又は大王製紙株式会社が製造した広葉樹より生成したセルロースナノファイバーの分散液(セルロース含有量2質量%、平均繊維径50nm、平均繊維長10μm)を用い、プリプレグは東邦テナックス製のQ-111 H1280(樹脂含有量25質量%)を用いた。   Cellulose nanofiber (CNF) is a dispersion of cellulose nanofiber produced from bamboo manufactured by Chuetsu Pulp Industry Co., Ltd. (cellulose content 2.5% by mass, average fiber diameter 50 nm, average fiber length 100 μm), or Daio Paper Co., Ltd. Using a dispersion of cellulose nanofibers produced from hardwood manufactured by Co., Ltd. (cellulose content 2% by mass, average fiber diameter 50 nm, average fiber length 10 μm), the prepreg is made by Toho Tenax Q-111 H1280 (resin content 25% by mass) was used.

[実施例1]
電着液(日本ペイント株式会社製のInsuleed3030)にセルロースナノファイバー分散液(Chuetsu-CNF又はDaio-CNF;平均繊維径50nm、平均繊維長10μm)を所定量混合し、攪拌すると、適度な粘度が出て、一様に分散した。このため、セルロースナノファイバーに疎水化処理を施さなくとも、十分に分散することが理解できた。次に、得られた電着液をテフロン(登録商標)シートの上に流しこむと、広がって厚さが一定となり、乾燥後、厚さが均一で、セルロースナノファーバーと電着液中のエポキシ樹脂とからなる、半透明で均質なシートとなった。このことから、得られたシートは、セルロースナノファイバーが一様に分散していると考えられ、シートの厚さ0.3mmでも、強度が十分で、ハンドリングが容易であった。得られたシートの外観写真を図2に示す。
[Example 1]
A certain amount of cellulose nanofiber dispersion liquid (Chuetsu-CNF or Daio-CNF; average fiber diameter 50 nm, average fiber length 10 μm) is mixed with an electrodeposition liquid (Insuleed 3030 manufactured by Nippon Paint Co., Ltd.) and stirred to obtain an appropriate viscosity. It came out and dispersed evenly. Therefore, it was understood that the cellulose nanofibers were sufficiently dispersed without being subjected to the hydrophobic treatment. Next, when the obtained electrodeposition solution was poured onto a Teflon (registered trademark) sheet, it spreads to have a constant thickness, and after drying, the thickness is uniform, and the cellulose nanofiber and the epoxy in the electrodeposition solution are A translucent and homogeneous sheet composed of resin was obtained. From this, it is considered that cellulose nanofibers are uniformly dispersed in the obtained sheet, and the sheet had sufficient strength and was easy to handle even when the sheet had a thickness of 0.3 mm. The appearance photograph of the obtained sheet is shown in FIG.

得られたシート(セルロースナノファイバー層)をセルロースナノファイバー層として、炭素繊維強化プラスチックの前駆体であるプリプレグ(東邦テナックス製のQ-111 H1280)9層の表裏両面に、圧力1MPaで圧着し、150℃で1時間、加熱硬化させた。これにより、シャルピー衝撃試験を行ったところ、セルロースナノファイバーを添加しない場合に比べて、20〜30%の衝撃強度の向上が見られた。結果を図3に示す。なお、図3において、CNF weight fractionは、CFRPとセルロースナノファイバーの合計量を100質量%としてセルロースナノファイバーの含有量(質量%)を意味する。   Using the obtained sheet (cellulose nanofiber layer) as a cellulose nanofiber layer, pressure was applied to both front and back surfaces of 9 layers of prepreg (Q-111 H1280 manufactured by Toho Tenax), which is a precursor of carbon fiber reinforced plastic, at a pressure of 1 MPa, It was heat-cured at 150° C. for 1 hour. As a result, when the Charpy impact test was conducted, the impact strength was improved by 20 to 30% as compared with the case where cellulose nanofiber was not added. Results are shown in FIG. In addition, in FIG. 3, CNF weight fraction means the content (mass %) of the cellulose nanofibers with the total amount of CFRP and cellulose nanofibers being 100 mass %.

[実施例2]
実施例1と同様に、シート状のセルロースナノファイバー層を作製した。
[Example 2]
In the same manner as in Example 1, a sheet-shaped cellulose nanofiber layer was produced.

電着液に炭素繊維を浸し、通電して樹脂含浸したものの表面に、得られたシート状のセルロースナノファイバー層を、圧力1MPaで圧着し、230℃で1時間、加熱硬化させた。この際、二層のセルロースナノファイバー層の間に、三層の炭素繊維強化プラスチックを挟んだ場合(Surface;CNF5質量%又は13質量%)、炭素繊維強化プラスチック層、セルロースナノファイバー層、炭素繊維強化プラスチック層、セルロースナノファイバー層、炭素繊維強化プラスチック層をこの順に積層した場合(Laminate;CNF5質量%)のいずれも、衝撃強度の改善効果が見られた。結果を図4に示す。なお、図4において、CNF weight fractionは、CFRPとセルロースナノファイバーの合計量を100質量%としてセルロースイナノファイバーの含有量(質量%)を意味する。   The obtained sheet-shaped cellulose nanofiber layer was pressure-bonded to the surface of a resin-impregnated resin by immersing carbon fiber in an electrodeposition liquid and energizing it, and heat-cured at 230° C. for 1 hour. At this time, when three layers of carbon fiber reinforced plastic are sandwiched between two layers of cellulose nanofiber layers (Surface; CNF 5% by mass or 13% by mass), carbon fiber reinforced plastic layer, cellulose nanofiber layer, carbon fiber In the case where the reinforced plastic layer, the cellulose nanofiber layer, and the carbon fiber reinforced plastic layer were laminated in this order (Laminate; CNF 5% by mass), the effect of improving the impact strength was observed. The results are shown in Fig. 4. In addition, in FIG. 4, the CNF weight fraction means the content (mass %) of cellulose inanofiber, with the total amount of CFRP and cellulose nanofibers being 100 mass %.

[実施例3〜6及び比較例1〜2]
電着液(日本ペイント株式会社製のInsuleed3030)にセルロースナノファイバー分散液(Chuetsu-CNF又はDaio-CNF;平均繊維径50nm、平均繊維長10μm)を所定量混合し、攪拌すると、適度な粘度が出て、一様に分散した。このため、セルロースナノファイバーに疎水化処理を施さなくとも、十分に分散することが理解できた。次に、得られた電着液を、炭素繊維強化プラスチックの前駆体であるプリプレグ(ミズノ製)5層にブレードで塗布し、乾燥させた。なお、熱硬化条件は、150℃、1時間、大気圧雰囲気とした。セルロースナノファイバー層の外観は、図5に示すように、乾燥させると透明となった。また、図6に示すように、プリプレグは合計5層を積層し、Surface型(最表面及び最裏面にセルロースナノファイバー層を形成したもの)と、Lamination型(最表面及び最裏面はプリプレグであり、それらのすぐ内側にセルロースナノファイバー層を形成し、中心部は3層のプリプレグを形成したもの)とを製造した。
[Examples 3 to 6 and Comparative Examples 1 to 2]
A certain amount of cellulose nanofiber dispersion liquid (Chuetsu-CNF or Daio-CNF; average fiber diameter 50 nm, average fiber length 10 μm) is mixed with an electrodeposition liquid (Insuleed 3030 manufactured by Nippon Paint Co., Ltd.) and stirred to obtain an appropriate viscosity. It came out and dispersed evenly. Therefore, it was understood that the cellulose nanofibers were sufficiently dispersed without being subjected to the hydrophobic treatment. Next, the obtained electrodeposition liquid was applied to 5 layers of prepreg (manufactured by Mizuno), which is a precursor of carbon fiber reinforced plastic, with a blade and dried. The thermosetting conditions were 150° C., 1 hour, and atmospheric pressure atmosphere. The appearance of the cellulose nanofiber layer became transparent when dried, as shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 6, the prepreg has a total of five layers laminated, and has a surface type (having a cellulose nanofiber layer formed on the outermost surface and the backside) and a lamination type (the outermost surface and the backside are prepregs). , A cellulose nanofiber layer was formed immediately inside them, and a central part was formed with three layers of prepreg).

なお、実施例3〜6及び比較例1〜3のそれぞれの試料作製条件は、プリプレグの質量は5層で一定、つまり、製造後の試料におけるCFRPの質量は一定とした。また、CNF量と電着液由来の樹脂量をそれぞれ3段階の調整して試料を作製した。具体的には、試料作製条件は、表1に示すとおりとした。なお、電着液中の樹脂は疎水性であるためCNFを弾くうえに、表1に示す電着液由来の樹脂量2〜4gは、プリプレグの面積に対して少なすく広がりにくいため、CNF分散液と電着液とを混合・分散し,高粘性液体とした。特に,薄く延ばしてシート化することにより、CNFがプリプレグ表面で弾かれることなく,一様分布させることが可能であった。   In each of the sample preparation conditions of Examples 3 to 6 and Comparative Examples 1 to 3, the mass of the prepreg was constant at 5 layers, that is, the mass of CFRP in the manufactured sample was constant. A sample was prepared by adjusting the amount of CNF and the amount of resin derived from the electrodeposition liquid in three steps. Specifically, the sample preparation conditions were as shown in Table 1. In addition, since the resin in the electrodeposition liquid is hydrophobic, CNF is repelled, and the resin amount of 2 to 4 g derived from the electrodeposition liquid shown in Table 1 is less likely to spread with respect to the area of the prepreg. The liquid and electrodeposition liquid were mixed and dispersed to make a highly viscous liquid. In particular, it was possible to evenly distribute the CNF without being repelled on the prepreg surface by rolling it thinly into a sheet.

Figure 2019221155
Figure 2019221155

得られた試料について曲げ試験を行った。図7にCNF含有率と曲げ剛性、図8にCNF含有率と比曲げ剛性(=曲げ剛性/試料密度)の関係をそれぞれ示す。CNF含有量の増加に伴い、曲げ剛性及び比曲げ剛性は増加傾向を示した。また、積層構成に関しては、Surface型と比較して、Lamination型の方が増加傾向は顕著であった。一方、図9にCNF含有率と曲げ強度、図10にCNF含有率と比曲げ強度(=曲げ強度/試料密度)の関係をそれぞれ示す。CNF含有量の増加に伴い、曲げ強度及び比曲げ強度は増加した。積層構成に関しては、Lamination型の方が増加傾向は顕著であり、回帰係数 (R2値) から分かるように強い線形性を示した。特に、比強度はR2=0.98となった。なお、図7〜10において、各プロットはCNF含有量、樹脂量等の条件を適宜変更して作製した試料を測定したものである。A bending test was performed on the obtained sample. FIG. 7 shows the relationship between the CNF content and bending rigidity, and FIG. 8 shows the relationship between the CNF content and specific bending rigidity (=bending rigidity/sample density). The flexural rigidity and specific flexural rigidity tended to increase with the increase of CNF content. In addition, regarding the laminated structure, the increase tendency was more remarkable in the Lamination type than in the Surface type. On the other hand, FIG. 9 shows the relationship between CNF content and bending strength, and FIG. 10 shows the relationship between CNF content and specific bending strength (=bending strength/sample density). Bending strength and specific bending strength increased with the increase of CNF content. Regarding the laminated structure, the Lamination type showed a marked increase tendency, and showed a strong linearity as can be seen from the regression coefficient (R 2 value). In particular, the specific strength was R 2 =0.98. 7 to 10, each plot is a measurement of a sample prepared by appropriately changing conditions such as CNF content and resin amount.

次に、プリプレグの表面樹脂層へのCNF及び電着液由来樹脂層の浸潤を確認するため、実施例5の試料について、デジタルマイクロスコープ(VHX-1000、株式会社キーエンス製)を用いて、プリプレグとCNF及び電着液由来樹脂層の界面の観察を行った。   Next, in order to confirm the infiltration of the CNF and the electrodeposition liquid-derived resin layer into the surface resin layer of the prepreg, for the sample of Example 5, using a digital microscope (VHX-1000, manufactured by Keyence Corporation), the prepreg The interface between the CNF and the resin layer derived from the electrodeposition liquid was observed.

図11にプリプレグとCNF及び電着液由来樹脂層の界面の写真を示す。プリプレグの表面樹脂層へのCNF及び電着液由来樹脂層の浸潤を確認することができた(図11に示したBaffer Layer)。   FIG. 11 shows a photograph of the interface between the prepreg and the CNF and the resin layer derived from the electrodeposition liquid. It was possible to confirm the infiltration of the CNF and the resin layer derived from the electrodeposition liquid into the surface resin layer of the prepreg (Baffer Layer shown in FIG. 11).

次いで、硬化温度を150℃ではなく170℃としたこと以外は上記と同様にSurface型の試料(Surface2)を作製し、曲げ試験を同様に行った。図12にCNF含有率と曲げ剛性、CNF含有率と比曲げ剛性(=曲げ剛性/試料密度)の関係をそれぞれ示す。170℃の試料においても、CNF含有量の増加に伴い、曲げ剛性及び比曲げ剛性は増加傾向を示した。また、170℃で硬化させたほうが150℃の試料と比較すると増加傾向は顕著であった。一方、図13にCNF含有率と曲げ強度、CNF含有率と比曲げ強度(=曲げ強度/試料密度)の関係をそれぞれ示す。170℃の試料においても、CNF含有量の増加に伴い、曲げ強度及び比曲げ強度は増加した。また、170℃で硬化させたほうが150℃の試料と比較すると増加傾向は顕著であった。   Next, a surface type sample (Surface 2) was prepared in the same manner as above except that the curing temperature was 170° C. instead of 150° C., and the bending test was similarly performed. FIG. 12 shows the relationship between the CNF content and the bending rigidity, and the relationship between the CNF content and the specific bending rigidity (=bending rigidity/sample density). Even in the sample at 170℃, the flexural rigidity and the specific flexural rigidity tended to increase as the CNF content increased. In addition, the curing tendency at 170 ℃ was more remarkable than that at 150 ℃. On the other hand, FIG. 13 shows the relationship between the CNF content and the bending strength, and the relationship between the CNF content and the specific bending strength (=bending strength/sample density). The bending strength and specific bending strength also increased with the increase of CNF content in the sample at 170℃. In addition, the curing tendency at 170 ℃ was more remarkable than that at 150 ℃.

Claims (11)

少なくとも一層の炭素繊維強化プラスチック層と、少なくとも一層のセルロースナノファイバー層とを備えており、
少なくとも一層の炭素繊維強化プラスチック層の少なくとも片面に、少なくとも一層のセルロースナノファイバー層が隣接するように配置されており、
前記炭素繊維強化プラスチック層は、炭素繊維強化プラスチックを含有しており、
前記セルロースナノファイバー層は、セルロースナノファイバー及び高分子化合物を含有している、炭素繊維強化プラスチック強化材料。
At least one carbon fiber reinforced plastic layer, and at least one cellulose nanofiber layer is provided,
At least one surface of at least one carbon fiber reinforced plastic layer, at least one cellulose nanofiber layer is arranged so as to be adjacent,
The carbon fiber reinforced plastic layer contains carbon fiber reinforced plastic,
The cellulose nanofiber layer is a carbon fiber reinforced plastic reinforced material containing cellulose nanofibers and a polymer compound.
前記炭素繊維強化プラスチックのマトリックスである熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂である、請求項1に記載の炭素繊維強化プラスチック強化材料。 The carbon fiber reinforced plastic reinforced material according to claim 1, wherein the thermosetting resin which is a matrix of the carbon fiber reinforced plastic is an epoxy resin. 前記セルロースナノファイバー層中の高分子化合物がエポキシ樹脂である、請求項1又は2に記載の炭素繊維強化プラスチック強化材料。 The carbon fiber reinforced plastic reinforced material according to claim 1 or 2, wherein the polymer compound in the cellulose nanofiber layer is an epoxy resin. 二層の前記セルロースナノファイバー層の間に、少なくとも一層の炭素繊維強化プラスチック層が配置されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素繊維強化プラスチック強化材料。 The carbon fiber reinforced plastic reinforced material according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one carbon fiber reinforced plastic layer is disposed between two layers of the cellulose nanofiber layers. 前記炭素繊維強化プラスチック層と、前記セルロースナノファイバー層とが交互に配置されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素繊維強化プラスチック強化材料。 The carbon fiber reinforced plastic reinforced material according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon fiber reinforced plastic layers and the cellulose nanofiber layers are alternately arranged. セルロースナノファイバー及び高分子化合物を含む、プラスチック強化材料。 A plastic reinforced material including cellulose nanofibers and a polymer compound. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の炭素繊維強化プラスチック強化材料の製造方法であって、
(1)高分子化合物が溶解又は分散している電着液、水系エポキシ樹脂、及びエポキシ樹脂塗料よりなる群から選ばれる少なくとも1種と、セルロースナノファイバーとを接触させる工程、及び
(2)前記工程(1)で得られた分散液を用いて、炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体上にセルロースナノファイバー層を形成し加熱硬化させる工程
を備える、製造方法。
It is a manufacturing method of the carbon fiber reinforced plastic reinforced material according to any one of claims 1 to 5,
(1) A step of contacting cellulose nanofibers with at least one selected from the group consisting of an electrodeposition liquid in which a polymer compound is dissolved or dispersed, an aqueous epoxy resin, and an epoxy resin coating, and (2) A production method comprising a step of forming a cellulose nanofiber layer on a carbon fiber reinforced plastic or a precursor thereof by using the dispersion liquid obtained in the step (1) and heating and curing the layer.
炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体が、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂を含有する、請求項7に記載の製造方法。 The production method according to claim 7, wherein the carbon fiber reinforced plastic or its precursor contains an epoxy resin as a matrix resin. 炭素繊維強化プラスチック又はその前駆体が、炭素繊維強化プラスチック又は炭素繊維プリプレグである、請求項7又は8に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 7 or 8, wherein the carbon fiber reinforced plastic or the precursor thereof is a carbon fiber reinforced plastic or a carbon fiber prepreg. 請求項6に記載のプラスチック強化材料の製造方法であって、
(1)高分子化合物が溶解又は分散している電着液、水系エポキシ樹脂、及びエポキシ樹脂塗料よりなる群から選ばれる少なくとも1種と、セルロースナノファイバーとを接触させる工程
を備える、製造方法。
A method of manufacturing a plastic-reinforced material according to claim 6,
(1) A production method comprising a step of bringing cellulose nanofibers into contact with at least one selected from the group consisting of an electrodeposition liquid in which a polymer compound is dissolved or dispersed, an aqueous epoxy resin, and an epoxy resin coating material.
前記電着液中の高分子化合物がエポキシ樹脂である、請求項7〜10のいずれか1項に記載の製造方法。 The production method according to claim 7, wherein the polymer compound in the electrodeposition liquid is an epoxy resin.
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