JPWO2019230729A1 - 炭素樹脂複合材料の製造方法、および炭素樹脂複合材料の製造用複合構造体 - Google Patents
炭素樹脂複合材料の製造方法、および炭素樹脂複合材料の製造用複合構造体 Download PDFInfo
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Abstract
Description
これら、炭素樹脂複合材料は、軽量である一方で、力学特性(強度、剛性等)、耐熱性および耐食性に優れている。そのため、各種分野(航空、宇宙、自動車、鉄道車両、船舶、土木建築、スポーツ用品等)に利用されている。
特許文献2:日本国特開2017−082215号公報
特許文献3:日本国特表2007−518890号公報
一方で、上記の集束繊維を開繊する技術も提案されている(例えば、特許文献3)。しかし、炭素繊維一本単位まで開繊することができないことから、炭素繊維同士の間に樹脂を含浸させることが難しい。そのため、炭素繊維同士の間に、樹脂が含浸しない間隙が生じ、機械的強度のバラツキが生じる傾向がある。
炭素材料を含む炭素線状体と、熱可塑性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂を含む樹脂線状体とを規則的に配置した複合構造体を準備する工程と、
前記複合構造体を加熱する工程と、
を有する炭素樹脂複合材料の製造方法。
<2>
前記複合構造体を準備する工程が、前記炭素線状体と前記樹脂線状体とを撚糸又は合糸した線状体を有する複合構造体を準備する工程である<1>に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
<3>
前記複合構造体を準備する工程が、前記炭素線状体と前記樹脂線状体との織物を有する複合構造体を準備する工程である<1>又は<2>に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
<4>
前記複合構造体を準備する工程が、前記炭素線状体と前記樹脂線状体との編物を有する複合構造体を準備する工程である<1>又は<2>に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
<5>
前記複合構造体を準備する工程が、前記炭素線状体と前記樹脂線状体との巻付体を有する複合構造体を準備する工程である<1>〜<4>のいずれか1項に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
<6>
前記樹脂線状体が、少なくとも熱可塑性樹脂を含む樹脂線状体である<1>〜<5>に記載のいずれか1項に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
<7>
前記炭素線状体が、カーボンナノチューブを含む線状体である<1>〜<6>のいずれか1項に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
<8>
前記カーボンナノチューブを含む線状体が、カーボンナノチューブが線状体軸方向に配向した線状体である<7>に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
<9>
前記カーボンナノチューブを含む線状体において、線状体に対する前記カーボンナノチューブの占める割合が70質量%以上である<7>又は<8>に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
<10>
炭素材料を含む炭素線状体と、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を含む樹脂線状体とを規則的に配置した炭素樹脂複合材料の製造用複合構造体。
なお、本明細書において、実質的に同一の機能を有する部材には、全図面通して同じ符合を付与し、重複する説明は省略する場合がある。
「〜」を用いた数値範囲は、「〜」の前後で示された数値が各々最小値及び最大値として含まれる数値範囲を意味する。
段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
「工程」との語は、独立した工程だけでなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
本実施形態に係る炭素樹脂複合材料の製造方法は、
炭素材料を含む炭素線状体と、熱可塑性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂を含む樹脂線状体とを規則的に配置した複合構造体を準備する工程(以下、第一工程とも称する)と、
複合構造体を加熱する工程(以下、第二工程とも称する)と、
を有する。
それに加え、使用する炭素線状体は、炭素材料(カーボンナノチューブ、炭素繊維等)同士の間隙がない又は小さい連続的な線状の構造物である。
そのため、本実施形態に係る炭素樹脂複合材料の製造方法では、機械的強度のバラツキを抑え、厚み方向の機械的負荷に対する強度を向上し得る炭素樹脂複合材料が得られる。
第一工程では、炭素線状体と樹脂線状体とを規則的に配置した複合構造体を準備する。
例えば、複合構造体としては、炭素線状体と樹脂線状体とを、1本ずつ又は複数本ずつ、平行に交互に配置した複合構造体、平行に配置した炭素線状体群と、平行に配置した樹脂線状体群と交差させて配置した複合構造体等が挙げられる。
なお、複合構造体は、別途作製した複数の複合構造体を積層した構造体であってもよい。
また、炭素線状体は個別の炭素線状体を撚糸又は合糸した炭素線状体であってもよく、樹脂線状体は、個別の樹脂線状体を撚糸又は合糸した樹脂線状体であってもよい。複合構造体としては、炭素線状体と樹脂線状体とを撚糸又は合糸した線状体と、これらが互いに撚糸又は合糸されていない炭素線状体および/又は樹脂線状体とを有する複合構造体であってもよい。
また、この複合構造体は、第二工程(複合構造体を加熱する工程)に至るまで、炭素線状体と樹脂線状体との配置位置が崩れ難く、形状安定性が高い。
例えば、織物としては、炭素線状体および樹脂線状体の一方を縦糸、他方を緯糸として、織り込んだ織物(図1参照)が挙げられる。ただし、図1は、炭素線状体を縦糸、樹脂線状体を緯糸として、織り込んだ織物の一例(つまり、複合構造体の一例)を示している。なお、図1中、10は炭素線状体を示し、12は樹脂線状体を示し、101は織物を示す。
例えば、織物は、縦糸および緯糸の双方として、炭素線状体および樹脂線状体を1本ずつ又は複数本ずつ交互に織り込んだ織物、炭素線状体および樹脂線状体の一方の織組織に、他方を織り込んだ織物などであってもよい。
織物は、炭素線状体と樹脂線状体とを撚糸又は合糸した線状体の織物であってもよい。この場合には、炭素線状体と樹脂線状体とを撚糸又は合糸した線状体のみを織ることによっても、本実施形態に係る織物を得ることができ、また、織物は、炭素線状体と樹脂線状体とを撚糸又は合糸した線状体と、これらが互いに撚糸又は合糸されていない炭素線状体および/又は樹脂線状体との織物であってもよい。
例えば、編物としては、例えば、コース方向に、炭素線状体および樹脂線状体を1本ずつ又は複数本ずつ交互に編み込んだ編物(図2参照)が挙げられる。ただし、図2は、コース方向に、炭素線状体および樹脂線状体を1本ずつ交互に編み込んだ編物の一例(つまり、複合構造体の他の一例)を示している。なお、図2中、10は炭素線状体を示し、12は樹脂線状体を示し、102は編物を示す。
編物は、例えば、引き揃え編み、プレーティング編み、インレイ編みなどを利用し、炭素線状体および樹脂線状体を規則的に配置した編物であってもよい。
編物は、炭素線状体と樹脂線状体とを撚糸又は合糸した線状体の編物であってもよい。この場合には、炭素線状体と樹脂線状体とを撚糸又は合糸した線状体のみを編むことによっても、本実施形態に係る編物を得ることができ、また、編物は、炭素線状体と樹脂線状体とを撚糸又は合糸した線状体と、これらが互いに撚糸又は合糸されていない炭素線状体および/又は樹脂線状体との編物であってもよい。
例えば、巻付体としては、炭素線状体および樹脂線状体を1本ずつ又は複数本ずつ交互に配置され、かつ螺旋状に被巻付体に巻き付けた巻付体(図3参照)が挙げられる。図3は、炭素線状体および樹脂線状体を1本ずつ交互に配置され、かつ螺旋状に被巻付体に巻き付けた巻付体の一例(つまり、複合構造体の他の一例)を示している。なお、図3中、10は炭素線状体を示し、12は樹脂線状体を示し、20は被巻付体を示し、103は巻付体を示す。
例えば、巻付体は、被巻付体に、炭素線状体および樹脂線状体の一方を巻き付けた層と、この層上に、他方を巻き付けた層とを有する巻付体、又は、これら2層を交互に積層した巻付体等であってもよい。
巻付体は、炭素線状体と樹脂線状体とを撚糸又は合糸した線状体、および炭素線状体と樹脂線状体との織物、および炭素線状体と樹脂線状体との編物の少なくとも一つの巻付体であってもよい。
具体的には、例えば、巻付体は、予め作製した帯状の織物及び/又は帯状の編物を被巻付体に巻き付けた後、被巻付体を引き抜いた巻付体であってもよい。
炭素線状体と樹脂線状体の直径の大小を調節することにより、下記の炭素線状体と樹脂線状体との体積比の調整を容易に行うことができる。
なお、炭素線状体と樹脂線状体との体積は、目的とする炭素樹脂複合材料の炭素線状体と樹脂との体積比に応じて選択する。
炭素線状体は、炭素材料を含む炭素線状体である。炭素材料としては、炭素繊維、カーボンナノチューブ等が挙げられる。
樹脂線状体は、熱可塑性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂を含む樹脂線状体である。つまり、樹脂線状体は、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂の一方のみを含んでいてもよいし、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂の両方を含んでいてもよい。なお、熱硬化性樹脂を含む樹脂線状体の場合、線状体には熱硬化剤も含むことがよい。
ウレタン反応により硬化する樹脂組成物としては、例えば、(メタ)アクリルポリオールと、ポリイソシアネート化合物とを含む樹脂組成物が挙げられる。
ラジカル重合反応により硬化する樹脂組成物としては、(メタ)アクリロイル基や不飽和ポリエステル等のラジカル重合反応可能な樹脂組成物が挙げられ、例えば、側鎖にラジカル重合性基を有する(メタ)アクリル樹脂(反応性基を有するビニル単量体(ヒドロキシ(メタ)アクリレート、グリシジル(メタ)アクリレート等)の重合体に、当該共重合体の反応性基と反応し得る基を有し且つラジカル重合性基を有する単量体((メタ)アクリル酸、イソシアナート基含有(メタ)アクリレート等)を反応させた(メタ)アクリル樹脂等)、エポキシ樹脂の末端に(メタ)アクリル酸等を反応させた(メタ)アクリル基を有するエポキシアクリレート、不飽和基を有するカルボン酸(フマル酸等)をジオールと縮合した不飽和ポリエステル等が挙げられる。
例えば、複合構造体として、別途作製した複数の複合構造体を積層した構造体を適用し、炭素樹脂複合材料(例えば立体的な炭素樹脂複合材料)を製造する場合、熱可塑性樹脂を含む樹脂線状体を適用すると、別途作製した複数の複合構造体間の接合が容易であり、また、炭素繊維層が存在するプリプレグと比べて、接合が強固となる利点がある。
また、熱可塑性樹脂を含む樹脂線状体を適用すると、炭素樹脂複合材料の生産性およびリサイクル性も向上できる利点がある。
また、通常、熱可塑性樹脂は、硬化前に流動性を付与できる熱硬化性樹脂に比べて間隙に充填し難いが、複合構造体を上記構成とすることで、複合構造体を加熱したとき、炭素線状体の間隙に十分充填されることから、熱可塑性樹脂を含む樹脂線状体を適用しても強度が高い炭素樹脂複合材料が得られる。
第二工程では、複合構造体を加熱する。具体的には、樹脂線状体が熱可塑性樹脂を含む場合、第二工程では、複合構造体を加熱し、樹脂線状体を溶融後、固化する。一方、樹脂線状体が熱硬化性樹脂を含む場合、第二工程では、複合構造体を加熱し、樹脂線状体を溶融後、硬化する。
なお、樹脂線状体が熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の両方を含む場合、第二工程では、加熱により樹脂は、溶融後、固化および硬化する。ただし、樹脂線状体の溶融後に硬化が進行し、固化の現象が生じない場合もある。
101 織物
102 編物
103 巻付体
10 炭素線状体
12 樹脂線状体
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (10)
- 炭素材料を含む炭素線状体と、熱可塑性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂を含む樹脂線状体とを規則的に配置した複合構造体を準備する工程と、
前記複合構造体を加熱する工程と、
を有する炭素樹脂複合材料の製造方法。 - 前記複合構造体を準備する工程が、前記炭素線状体と前記樹脂線状体とを撚糸又は合糸した線状体を有する複合構造体を準備する工程である請求項1に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
- 前記複合構造体を準備する工程が、前記炭素線状体と前記樹脂線状体との織物を有する複合構造体を準備する工程である請求項1又は請求項2に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
- 前記複合構造体を準備する工程が、前記炭素線状体と前記樹脂線状体との編物を有する複合構造体を準備する工程である請求項1又は請求項2に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
- 前記複合構造体を準備する工程が、前記炭素線状体と前記樹脂線状体との巻付体を有する複合構造体を準備する工程である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
- 前記樹脂線状体が、少なくとも熱可塑性樹脂を含む樹脂線状体である請求項1〜請求項5に記載のいずれか1項に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
- 前記炭素線状体が、カーボンナノチューブを含む線状体である請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブを含む線状体が、カーボンナノチューブが線状体軸方向に配向した線状体である請求項7に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
- 前記カーボンナノチューブを含む線状体において、線状体に対する前記カーボンナノチューブの占める割合が70質量%以上である請求項7又は請求項8に記載の炭素樹脂複合材料の製造方法。
- 炭素材料を含む炭素線状体と、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を含む樹脂線状体とを規則的に配置した炭素樹脂複合材料の製造用複合構造体。
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