(57)【要約】【課題】新規な用途を有する炭素繊維強化樹脂成形品の製造に使用される炭素繊維プリプレグの製造方法を提供する。【解決手段】未硬化の熱硬化性樹脂、揮発性有機溶媒、及び金属の粒子を含有する樹脂混合物を調製し、該樹脂混合物を離型シートの上にコーティングし、加熱により前記熱硬化性樹脂を半硬化させることにより、或いは、前記揮発性有機溶媒を揮発させて前記樹脂混合物の流動性を低下させることにより、前記樹脂混合物がフィルム化した金属粒子含有樹脂フィルムを形成し、該金属粒子含有樹脂フィルムを炭素繊維シートに重ね合わせた状態で、加熱しつつ加圧することにより、前記熱硬化性樹脂を完全硬化していない状態で前記金属の粒子と共に前記炭素繊維シートに含浸させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
未硬化の熱硬化性樹脂、揮発性有機溶媒、及び金属の粒子を含有する樹脂混合物を調製し、
該樹脂混合物を離型シートの上にコーティングし、加熱により前記熱硬化性樹脂を半硬化させることにより、或いは、前記揮発性有機溶媒を揮発させて前記樹脂混合物の流動性を低下させることにより、前記樹脂混合物がフィルム化した金属粒子含有樹脂フィルムを形成し、
該金属粒子含有樹脂フィルムを炭素繊維シートに重ね合わせた状態で、加熱しつつ加圧することにより、前記熱硬化性樹脂を完全硬化していない状態で前記金属の粒子と共に前記炭素繊維シートに含浸させる
ことを特徴とする炭素繊維プレプレグの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法により製造された炭素繊維プレプレグを複数積層し、前記熱硬化性樹脂を完全硬化させる
ことを特徴とする炭素繊維強化樹脂成形品の製造方法。
【請求項３】
炭素繊維と金属の粒子とが、硬化している状態の熱硬化性樹脂に保持された炭素繊維強化樹脂成形品であって、
前記金属は、銀、銅、金、アルミニウム、またはニッケルであり、
反射型の電磁波遮蔽体である
ことを特徴とする炭素繊維強化樹脂成形品。
【請求項４】
炭素繊維と金属の粒子とが、硬化している状態の熱硬化性樹脂に保持された炭素繊維強化樹脂成形品であって、
前記金属は、鉄であり、
吸収型の電磁波遮蔽体である
ことを特徴とする炭素繊維強化樹脂成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維プリプレグの製造方法、該炭素繊維プリプレグを使用して行う炭素繊維強化樹脂成形品の製造方法、及び、該製造方法により製造される炭素繊維強化樹脂成形品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）は、軽量で機械的強度が高い。例えば、鉄と比べると、ＣＦＲＰの比重は約１／５であり、引張強度は約６倍である。そのため、ＣＦＲＰは金属材料に代替し得る材料として期待されているが、現状では、航空機や自動車の車体、釣り竿やゴルフクラブのシャフトなど構造材料としての使用に留まり、まだまだ用途が限定されている。
【０００３】
本出願人は、これまで、切削が困難であると言われているＣＦＲＰを容易に切削加工するノウハウを積み重ねると共に、ＣＦＲＰの新規な用途を模索してきた。本発明は、その過程でなされたものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上のように、本発明は、新規な用途を有する炭素繊維強化樹脂成形品の製造に使用される炭素繊維プリプレグの製造方法、該炭素繊維プリプレグを使用して行う炭素繊維強化樹脂成形品の製造方法、及び、該製造方法により製造される炭素繊維強化樹脂成形品の提供を、課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、本発明にかかる炭素繊維プリプレグの製造方法は、
「未硬化の熱硬化性樹脂、揮発性有機溶媒、及び金属の粒子を含有する樹脂混合物を調製し、
該樹脂混合物を離型シートの上にコーティングし、加熱により前記熱硬化性樹脂を半硬化させることにより、或いは、前記揮発性有機溶媒を揮発させて前記樹脂混合物の流動性を低下させることにより、前記樹脂混合物がフィルム化した金属粒子含有樹脂フィルムを形成し、
該金属粒子含有樹脂フィルムを炭素繊維シートに重ね合わせた状態で、加熱しつつ加圧することにより、前記熱硬化性樹脂を完全硬化していない状態で前記金属の粒子と共に前記炭素繊維シートに含浸させる」ものである。
【０００６】
本製造方法により、金属の粒子を含有する炭素繊維プリプレグが得られるため、この炭素繊維プリプレグを使用して炭素繊維強化樹脂成形品を製造することにより、ＣＦＲＰに金属の性質を付与することができる。すなわち、従来のＣＦＲＰは“構造材料としての金属材料に代替する材料”として扱われてきたところ、本発明は、ＣＦＲＰに金属の性質を付加することにより、構造材料として要請される特性以外の金属の特性を発揮可能とすることによって、ＣＦＲＰの新たな用途を提供しようとするものである。
【０００７】
ここで、金属粒子を含有する熱硬化性樹脂を炭素繊維シートに含浸させる方法としては、金属粒子を含有する熱硬化性樹脂を炭素繊維シートに直接塗布する方法、或いは、金属粒子を含有する熱硬化性樹脂中に炭素繊維シートを浸漬する方法も想到し得る。しかしながら、このような方法で熱硬化性樹脂を含浸させる場合、有機溶媒を多く添加して熱硬化性樹脂の粘性を低下させる必要がある。そのため、粘性の低い樹脂液中に金属粒子が沈殿してしまい、金属粒子を均一に分散させることが困難である。また、炭素繊維シートが炭素繊維を一方向に引き揃えたＵＤ材である場合、多く添加された有機溶媒によって、炭素繊維を接合しているサイジング剤が溶けてしまい、炭素繊維がばらばらになったり方向が不揃いとなったりするおそれがある。これに対し、本構成では、予め金属粒子を含有する熱硬化性樹脂をフィルム化しておき、これを炭素繊維シートに重ね合わせて加熱しつつ加圧することにより含浸させるため、サイジング剤が有機溶媒によって溶解するおそれがない。
【０００８】
また、金属粒子を含有する熱硬化性樹脂を炭素繊維シートに直接塗布する方法や、金属粒子を含有する熱硬化性樹脂中に炭素繊維シートを浸漬する方法では、金属粒子が炭素繊維シートの表面に付着する程度に留まるおそれがある。これに対し、本構成では、予め熱硬化性樹脂をフィルム化する際に金属粒子を分散させておけば、炭素繊維シートの全体に対して均一に分散した状態で、炭素繊維と炭素繊維との間に金属粒子を浸入させることができる。
【０００９】
本発明にかかる炭素繊維強化樹脂成形品の製造方法は、
「上記に記載の製造方法により製造された炭素繊維プレプレグを複数積層し、前記熱硬化性樹脂を完全硬化させる」ものである。
【００１０】
本製造方法により、金属の性質を有する炭素繊維強化樹脂成形品を製造することができる。
【００１１】
次に、本発明にかかる炭素繊維強化樹脂成形品は、
「炭素繊維と金属の粒子とが、硬化している状態の熱硬化性樹脂に保持された炭素繊維強化樹脂成形品であって、
前記金属は、銀、銅、金、アルミニウム、またはニッケルであり、
反射型の電磁波遮蔽体である」ものである。
【００１２】
本構成は、上記の製造方法により製造される炭素繊維強化樹脂成形品であって、含有する金属が、銀、銅、金、アルミニウム、またはニッケルであることにより、反射型の電磁波遮蔽体として使用されるものである。
【００１３】
本発明にかかる炭素繊維強化樹脂成形品は、上記構成に替えて、
「炭素繊維と金属の粒子とが、硬化している状態の熱硬化性樹脂に保持された炭素繊維強化樹脂成形品であって、
前記金属は、鉄であり、
吸収型の電磁波遮蔽体である」ものとすることができる。
【００１４】
本構成は、上記の製造方法により製造される炭素繊維強化樹脂成形品であって、含有する金属が、鉄であることにより、吸収型の電磁波遮蔽体として使用されるものである。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明により、新規な用途を有する炭素繊維強化樹脂成形品の製造に使用される炭素繊維プリプレグの製造方法、該炭素繊維プリプレグを使用して行う炭素繊維強化樹脂成形品の製造方法、及び、該製造方法により製造される炭素繊維強化樹脂成形品を、提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の具体的な実施形態である炭素繊維プリプレグの製造方法、製造された炭素繊維プリプレグを使用する炭素繊維強化樹脂成形品の製造方法、及び、該製造方法により製造される炭素繊維強化樹脂成形品について、説明する。
【００１７】
本実施形態の炭素繊維プリプレグの製造方法は、樹脂混合物調製工程と、フィルム化工程と、加熱加圧工程とを具備している。
【００１８】
樹脂混合物調製工程では、未硬化の熱硬化性樹脂、揮発性有機溶媒、及び金属粒子を含有し、金属粒子が良好に分散している樹脂混合物を調製する。
【００１９】
熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シアネート樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂を例示することができる。熱硬化性樹脂は加熱のみによって硬化するものであっても、加熱に加えて硬化剤の作用により硬化するものであっても良いが、硬化のために硬化剤を要する熱硬化性樹脂を使用する場合は、硬化剤を樹脂混合物に含有させる。更に硬化促進剤を樹脂混合物に含有させても良い。
【００２０】
熱硬化性樹脂としては、常温で液体であり、且つ、熱硬化性であるフェノール樹脂を好適に使用することができる。フェノール樹脂は、原料とするフェノール類やアルデヒド類の種類や割合、触媒の種類などの合成条件によって得られる樹脂の性質が異なり、熱硬化性、熱可塑性、常温硬化性のフェノール樹脂が存在する。また、常温で液体のフェノール樹脂の他にも、顆粒状、微粒子状など常温で固体のフェノール樹脂も存在する。常温で液体である熱硬化性のフェノール樹脂は、樹脂混合物を調製し易く、硬化剤を必要としない利点がある。また、熱硬化性樹脂としては、炭素繊維との接着性が高い液状型のエポキシ樹脂も好適に使用することができる。液状型のエポキシ樹脂の硬化剤としては、ジシアンジアミド、ジクロロフェニルジメチルウレア、フェノールノボラック、ジアミノジフェニルメタンを例示することができる。
【００２１】
揮発性有機溶媒としては、メチルエチルケトン、キシレン、シクロヘキサン、アセトン、エタノール、メタノールを例示することができる。
【００２２】
金属としては、銀、銅、金、アルミニウム、ニッケル、鉄を例示することができる。
【００２３】
樹脂混合物調製工程では、熱硬化性樹脂と揮発性有機溶媒との混合物に金属粒子を良好に分散させるために、二以上のロールを使用したロール混錬機、二軸押出機など、せん断力の大きい混錬・混合機を使用することができる。せん断力の大きい混錬・混合機を使用することにより、金属粒子が湿気等により凝集していても、一次粒子となるまで解砕し、熱硬化性樹脂と十分に混合して良好に分散させることができる。
【００２４】
フィルム化工程では、まず、樹脂混合物調製工程で調製された樹脂混合物を、離型シート上にコーティングする。離型シートとしては、紙や樹脂で形成されたシートにシリコーン系樹脂などの離型剤が塗布されたシートを使用可能である。離型シート上への樹脂混合物のコーティングには、ブレードコーター、ナイフコーター、ロールコーター、バーコーターなどのコーター機を使用することができる。ブレードやナイフ等と離型シートとの距離により、コーティングされる樹脂混合物の厚さを調整することができる。
【００２５】
次に、離型シート上にコーティングされた樹脂混合物をフィルム化する。このフィルム化は、熱硬化性樹脂の完全硬化温度より低い温度で加熱し熱硬化性樹脂を半硬化させることにより、或いは、揮発性有機溶媒を揮発させて樹脂混合物の流動性を低下させることにより、或いはその双方により、行うことができる。フィルム化工程を経て、金属粒子を含有する熱硬化性樹脂層が離型シートに支持された金属粒子含有樹脂フィルムが形成される。
【００２６】
加熱加圧工程では、炭素繊維シートに金属粒子含有樹脂フィルムを重ね合わせる。その際、金属粒子含有樹脂フィルムでは、金属粒子を含有する熱硬化性樹脂層側を、炭素繊維シートに当接させる。
【００２７】
炭素繊維シートとしては、一方向に引き揃えられた炭素繊維がサイジング剤で接合されたＵＤ材や、炭素繊維を経糸及び緯糸として交差させた織物を使用することができる。なお、炭素繊維としては、ポリアクリロニトリルを原料とするＰＡＮ系炭素繊維、石油や石炭のピッチを原料とするピッチ系炭素繊維の何れも使用可能である。
【００２８】
金属粒子含有樹脂フィルムを炭素繊維シートに重ね合わせたら、その状態にある両者を一対のロールで両側から挟み込み、加圧しながら加熱する。ここでの加熱は、熱硬化性樹脂の完全硬化温度より低い温度で行う。加熱により流動性を増した熱硬化性樹脂は、ロールによる加圧に伴い、金属粒子と共に炭素繊維シートに含浸する。ここで、金属粒子含有樹脂フィルムは、炭素繊維シートの片面に重ね合わせることも、炭素繊維シートの両面それぞれに重ね合わせることもできるが、両面に重ね合わせれば、金属粒子含有樹脂フィルムにおける熱硬化性樹脂層の厚さが薄くても、金属粒子を含有する熱硬化性樹脂を炭素繊維シートに十分に含浸させることができるため、より望ましい。加熱加圧工程を経て、熱硬化性樹脂が完全硬化していない状態で金属粒子と共に炭素繊維シートに含浸している、シート状の金属粒子含有プリプレグが製造される。なお、本実施形態の金属粒子含有プリプレグが、本発明の「炭素繊維プリプレグ」に相当する。
【００２９】
ここで、金属粒子の直径、炭素繊維シートの厚さ、及び、シート状の金属粒子含有プリプレグの厚さの関係を制御することにより、炭素繊維と炭素繊維との間に金属粒子を介在させることができる。例えば、炭素繊維シートの厚さを１００としたとき、その炭素繊維シートの両面から金属粒子を含有する熱硬化性樹脂を含浸させて得た金属粒子含有プリプレグの厚さを１１０未満とし、金属粒子の直径を５以上とすれば、炭素繊維と炭素繊維との間に金属粒子を介在させることができる。つまり、炭素繊維シートの表面に金属粒子が付着しているに過ぎないものではないことに加え、炭素繊維シートの表面に金属粒子を含有する熱硬化性樹脂の層が積層されているものでもなく、炭素繊維と炭素繊維との間に金属粒子が存在し、その状態で炭素繊維と金属粒子とを熱硬化性樹脂が保持している構成の金属粒子含有プリプレグとなる。ここで、炭素繊維シートの厚さが０．１ｍｍのとき、金属粒子の直径は５μｍ〜２５μｍとすれば、炭素繊維と炭素繊維との間に金属粒子を介在させつつ、炭素繊維と金属粒子とが硬化性樹脂によって十分に保持された金属粒子含有プリプレグを製造し易いため好適であり、金属粒子の直径を５μｍ〜１０μｍとすれば同じ理由でより好適である。
【００３０】
このようにして製造された金属粒子含有プリプレグは、常温まで冷却した状態で保存することができる。炭素繊維シートの片面から金属粒子を含有する熱硬化性樹脂を含浸させた場合は、もう一方の面も離型シートで被覆した状態で保存する。
【００３１】
そして、上記のシート状の金属粒子含有プリプレグを、離型シートを外して複数プライ積層し、加圧下または減圧下で熱硬化性樹脂の完全硬化温度以上の温度で加熱して硬化させることにより、板状の成形体であって、金属粒子を含有する炭素繊維強化樹脂成形体（以下、「金属粒子含有ＣＦＲＰ」と称する）を得ることができる。また、離型シートを外した金属粒子含有プリプレグを特定形状の成形型に充填し、加圧下または減圧下で熱硬化性樹脂の完全硬化温度以上の温度で加熱することにより、成形型の形状に応じた形状の金属粒子含有ＣＦＲＰを得ることができる。
【００３２】
例えば、金属粒子含有ＣＦＲＰの形状を函型にすることにより、内部に収容する電気機器等を電磁波から遮蔽する電磁波遮蔽ケースを得ることができる。金属の比誘電率を（ａ）とし、比透磁率を（ｂ）としたとき、（ａ）／（ｂ）が大きいほど電磁波の反射損失の度合いが高く、反射による電磁波のシールド性が高い。一方、（ａ）×（ｂ）が大きいほど電磁波の吸収損失の度合いが高く、吸収による電磁波のシールド性が高い。金属の種類による（ａ）、（ｂ）、（ａ）／（ｂ）、（ａ）×（ｂ）を、次の表１に示す。
【００３３】
【表１】
2020063334.tif 000002
【００３４】
従って、銀、銅、金、アルミニウム、ニッケルの粒子を含有する金属粒子含有ＣＦＲＰにより、反射型の電磁波遮蔽ケースを得ることができる。一方、鉄の粒子を含有する金属粒子含有ＣＦＲＰにより、吸収型の電磁波遮蔽ケースを得ることができる。
【００３５】
以上のように、本実施形態の製造方法によれば、ＣＦＲＰに金属の性質を付加することができる。つまり、従来のＣＦＲＰは“構造材料としての金属材料に代替する材料”として扱われてきたところ、本実施形態のＣＦＲＰは構造材料として要請される特性以外の金属の特性を発揮可能であるため、ＣＦＲＰにとっての新たな用途を有している。例えば、電磁波遮蔽体としての用途である。
【００３６】
また、予め金属粒子を良好に分散させた金属粒子含有樹脂フィルムを製造しておき、これを炭素繊維シートに重ね合わせて加熱しつつ加圧することによって、溶融・軟化した熱硬化性樹脂と共に金属粒子を炭素繊維シートに含浸させているため、炭素繊維シートの全体に対して金属粒子が均一に分散していると共に、炭素繊維の間に熱硬化性樹脂が十分に含浸したシート状の金属粒子含有プレプレグを製造することができる。
【００３７】
また、金属粒子の直径、炭素繊維シートの厚さ、及び、シート状の金属粒子含有プレプレグの厚さの関係を制御することにより、炭素繊維と炭素繊維との間に金属粒子を介在させることができる。これにより、炭素繊維強化樹脂成形体が発揮する金属の性質に、方向性を持たせることができる。
【００３８】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。
【００３９】
例えば、上記では、金属の有する性質のうち、電磁波を遮蔽する性質を利用した炭素繊維強化樹脂成形品を例示した。これに限定されず、電気伝導性など金属の有する他の性質を利用することにより、炭素繊維強化樹脂成形品に他の用途を提供することができる。