(57)【要約】【課題】炭素繊維の折損を改善することにより力学特性及び熱伝導性に優れた繊維強化成形体よりなる表皮材を備えた繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体を提供する。【解決手段】芯材２，４と、該芯材の両面に設けられた表皮材３とを有するサンドイッチ構造体１，１Ａにおいて、少なくとも一方の表皮材が、マトリックス樹脂に炭素短繊維が二次元ランダム分散状態で含有してなる繊維強化樹脂よりなり、該炭素短繊維の繊維軸方向の引張弾性率が４００ＧＰａ以上であり、該炭素短繊維のうち繊維長が３〜５０ｍｍのものの割合が５０重量％以上であり、該表皮材中の炭素短繊維含有率が３０〜８０重量％であることを特徴とする繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯材と、該芯材の両面に設けられた表皮材とを有するサンドイッチ構造体において、
少なくとも一方の表皮材が、マトリックス樹脂に炭素短繊維を二次元ランダム分散状態で含有してなる繊維強化樹脂よりなり、
該炭素短繊維の繊維軸方向の引張弾性率が４００ＧＰａ以上であり、
該炭素短繊維のうち繊維長が３〜５０ｍｍのものの割合が５０重量％以上であり、
該表皮材中の炭素短繊維含有率が３０〜８０重量％であることを特徴とする繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体。
【請求項２】
請求項１において、該表皮材と芯材とが引張弾性率１００〜５０００ＭＰａの接着剤で接着されていることを特徴とする繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体。
【請求項３】
請求項１において、表皮材のマトリックス樹脂の主成分と芯材の主成分との少なくとも一方が熱可塑性樹脂であり、該表皮材と芯材が熱融着されていることを特徴とする繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記芯材が発泡体又はハニカムであることを特徴とする繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、サンドイッチ構造体の全体の厚みに対する双方の表皮材の合計の厚みの比率が５〜５０％であることを特徴とする繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、芯材の曲げ弾性率が５０〜５０００ＭＰａであることを特徴とする繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は芯材の両面に表皮材を設けた繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体に係り、特に表皮材が強化繊維として二次元ランダム分散状態の炭素短繊維を含む繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
芯材の両面に表皮材を設けたサンドイッチ構造体であって、表皮材中の強化繊維として炭素繊維を用いた繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体は、軽量で高強度を要求される分野で広く用いられている。この表皮材中の強化繊維として炭素繊維を用いた繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体の従来例として特許文献１〜３がある。これらの特許文献１〜３は炭素繊維として長繊維の引き揃え体や織布を用いている。この炭素長繊維は、炭素短繊維に比べて繊維配列方向には高い剛性を有する反面、それ以外の方向に関しては大きく剛性が低下する。また、通常の連続長繊維のプレート厚みはプリプレグ厚みに依存し、この場合のプリプレグは一般的に０．２〜０．３ｍｍの厚みを有するため単体、積層体のいずれにおいても０．２ｍｍ未満の厚み調整を行なうことは困難であり、特にサンドイッチ構造体のような表皮材の厚みが構造体の物性そのものに影響を与える部材に対しては大きな制限となる。加えて連続長繊維の場合は繊維原料自体もコスト高である。
【０００３】
特許文献４には、ピッチ繊維を不織布化したのちに不溶化・炭化することにより炭素繊維不織布を作製し、その後に樹脂の含浸を行なった炭素繊維複合シートが記載されている。この炭素繊維複合シートでは不織布化を先に行なっているため、樹脂の含浸工程において樹脂は不織布表面部分から含浸させる必要がある。このとき、含浸性は樹脂粘度や不織布厚み（目付け）の影響を受け易く、プレスによって空隙の少ない成形体を作製するためには不織布が薄いことや樹脂粘度が特に低いことなどの制限が生じる。さらに厚い板を成形するためには樹脂含浸速度や加熱温度が重要となり、プレス時の昇圧速度や加熱条件の調整が複雑化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１２５１１８号公報
【特許文献２】特開２００５−３１３６１３号公報
【特許文献３】ＷＯ２００６／０２８１０７
【特許文献４】特開２００７−８４６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、炭素繊維の折損を改善することにより力学特性及び機能性に優れた繊維強化成形体よりなる表皮材を備えた繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体は、芯材と、該芯材の両面に設けられた表皮材とを有するサンドイッチ構造体において、少なくとも一方の表皮材が、マトリックス樹脂に炭素短繊維を二次元ランダム分散状態で含有してなる繊維強化樹脂よりなり、該炭素短繊維の繊維軸方向の引張弾性率が４００ＧＰａ以上であり、該炭素短繊維のうち繊維長が３〜５０ｍｍのものの割合が５０重量％以上であり、該表皮材中の炭素短繊維含有率が３０〜８０重量％であることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２の繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体は、請求項１において、該表皮材と芯材とが引張弾性率１００〜５０００ＭＰａの接着剤で接着されていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項３の繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体は、請求項１において、表皮材のマトリックス樹脂の主成分と芯材の主成分との少なくとも一方が熱可塑性樹脂であり、該表皮材と芯材が熱融着されていることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項４の繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体は、請求項１ないし３のいずれか１項において、前記芯材が発泡体又はハニカムであることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項５の繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体は、請求項１ないし４のいずれか１項において、サンドイッチ構造体の全体の厚みに対する双方の表皮材の合計の厚みの比率が５〜５０％であることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項６の繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体は、請求項１ないし５のいずれか１項において、芯材の曲げ弾性率が５０〜５０００ＭＰａであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体の表皮材は、所定の引張弾性率及び繊維長分布を有した炭素短繊維を強化繊維として特定割合で含有するものであり、短繊維の折損が少ない。そのため、この表皮材を備えた繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体が力学特性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態に係る繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体の断面図である。
【図２】別の実施の形態に係る繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体の一部破断斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体の実施の形態を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更して実施することができる。
【００１５】
第１，２図のように、本発明の繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体１，１Ａは、芯材２，４の両面に表皮材３を設けたものであり、この表皮材の少なくとも一方が炭素短繊維を強化繊維とした繊維強化樹脂である。本発明において好ましくは、両方の表皮材がこの繊維強化樹脂としたものである。なお、第１図の芯材２は樹脂発泡体よりなり、第２図の芯材４はハニカムよりなる。まず表皮材３について説明する。
【００１６】
［表皮材］
この表皮材は、炭素短繊維を強化繊維としてマトリックス樹脂中に二次元ランダム分散状態で含むものであり、好ましくは炭素短繊維強化熱可塑性樹脂よりなる。
【００１７】
｛炭素短繊維｝
表皮材中の炭素短繊維としては、ピッチ系炭素短繊維を用いることが好ましい。即ち、炭素繊維はポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を原料とするＰＡＮ系炭素繊維と、一連のピッチ類を原料とするピッチ系炭素繊維に分類できるが、市販のＰＡＮ系炭素繊維の繊維軸方向の引張弾性率は一般的なグレードでは２３０〜４００ＧＰａ程度にとどまる。また、機能性の観点においても、例えば熱伝導率は標準的なグレードで１０Ｗ／ｍＫよりも小さく、高品位なグレードでも１００Ｗ／ｍＫを下回る。これに対して、ピッチ系炭素繊維は繊維軸方向の引張弾性率で４００〜９００ＧＰａ以上、熱伝導率に関しても１００〜６００Ｗ／ｍＫのものの作製が比較的容易であり、一般にＰＡＮ系炭素繊維に比べて高弾性率、高機能性を達成しやすい。ピッチ系炭素繊維は、原料ピッチを溶融紡糸してピッチ繊維を得、次いで不融化、炭化或いは更に黒鉛化することによって得られる。
【００１８】
ピッチ系炭素繊維の炭素質原料としては、配向しやすい分子種が形成されており、光学的には異方性の炭素繊維（メソフェーズピッチ系炭素繊維）を与えるようなものが好ましい。例えば、石炭系のコールタール、コールタールピッチ、石炭液化物、石油系の重質油、タール、ピッチ、または、ナフタレンやアントラセンの触媒反応による重合反応生成物等が挙げられる。これらの炭素質原料には、フリーカーボン、未溶解石炭、灰分、窒素分、硫黄分、触媒等の不純物が含まれているが、これらの不純物は、濾過、遠心分離、あるいは溶剤を使用する静置沈降分離等の周知の方法であらかじめ除去しておくことが望ましい。
【００１９】
また、前記炭素質原料を、例えば、加熱処理した後、特定溶剤で可溶分を抽出するといった方法、あるいは、水素供与性溶剤、水素ガスの存在下に水添処理するといった方法で予備処理を行っておいても良い。
【００２０】
炭素短繊維の繊維径は３〜２０μｍ、特に５〜１２μｍであることが好ましい。炭素短繊維の繊維径が細過ぎると、取り扱い性に劣り、また、一般に極細の炭素繊維は高コストであるため、製品コストを押し上げる原因となる。炭素繊維の繊維径が太過ぎると、繊維強度が低下し、折れ易くなるため、好ましくない。
【００２１】
また、本発明で用いる炭素繊維の繊維軸方向の引張弾性率は４００ＧＰａ以上、好ましくは４４０ＧＰａ以上、例えば５００〜９００ＧＰａであることが好ましい。繊維軸方向の引張弾性率が４００ＧＰａ未満の場合、本発明における表皮材の剛性が不足し、最終的なサンドイッチ構造体の剛性が不十分となり、また繊維軸方向の引張弾性率が９００ＧＰａ以上の場合は成形段階での繊維折れが発生し易く、結果としてサンドイッチ構造体としての剛性の発現が不十分となりやすいうえに、高コストとなる。
【００２２】
また、本発明で用いる炭素繊維の繊維軸方向の熱伝導率は、６０Ｗ／ｍＫ以上の場合、炭素繊維の配合量にもよるが、最終的なサンドイッチ構造体における表面の熱伝導の値は平面方向で２０Ｗ／ｍＫを超えるため、結果としてスチールやアルミやステンレスなどの金属部材などと比べて上回るため、代替部材としての機能を有する観点より好ましい。上限に関しては特に制限されないが、炭素繊維作製におけるコストや取り扱い易さの面を考慮した場合、６００Ｗ／ｍＫ以下が好ましい。これらの観点より６０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは１１０Ｗ／ｍＫ以上、例えば１２０〜６００Ｗ／ｍＫである。
【００２３】
また、本発明で用いる炭素繊維の体積抵抗値に関しては、最終的なサンドイッチ構造体における帯電防止機能、電界シールド機能等の発現とコスト、取り扱い易さのバランスを考慮した場合、２〜２０μΩｍが好ましく、さらに好ましくは４〜１０μΩｍである。
【００２４】
炭素繊維は黒鉛化処理することにより、引張弾性率や熱伝導率が向上することが知られており、従って、炭素短繊維としては黒鉛化炭素繊維を用いてもよく、また、黒鉛化していない低弾性率の炭素短繊維を不織布とした後に、樹脂と複合化する前の段階で黒鉛化処理して、炭素繊維の繊維軸方向の引張弾性率や熱伝導率を高めるようにしてもよい。
【００２５】
なお、ここで、炭素繊維の繊維径は、炭素繊維の顕微鏡観察またはレーザー計測器により２０〜３０個の繊維径を測定し、その測定値の平均値で求められる。また、炭素繊維の繊維軸方向の引張弾性率は、炭素繊維とエポキシ樹脂の一方向材を作製し、その繊維軸方向の引張弾性率および熱伝導率を測定した値を、複合則に則って、炭素繊維の体積含有率で割り返して、繊維単体の物性としたものである。さらに具体的には、引張弾性率については、ＪＩＳ  Ｋ７０７３に準拠し、万能試験機で測定された値からの計算値である。また、熱伝導率は、ＪＩＳ  Ｒ１６１１に準拠し、真空理工（株）製レーザーフラッシュ法熱定数測定装置「ＴＣ−３０００」で測定された値からの計算値である。後掲の実施例においても同様である。
【００２６】
｛炭素短繊維の二次元ランダム分散状態体の製造方法｝
炭素短繊維の二次元ランダム分散状態体は、前述した炭素短繊維を面状にランダムに分散させてシート状とすることにより製造した不織布が好適である。
【００２７】
炭素短繊維から不織布を製造する方法としては様々な方法があり、例えば、乾式法による不織布の作製方法としては、針や凹凸のついたロール間に繊維を通して機械的に叩解・解繊してシート化するカード法、あるいは、繊維を気流中で浮遊・解繊した後にスクリーン上に吸引してシート化するエアレイ法などがある。また、湿式法による作製方法としては、繊維を溶媒中に分散させ、製紙工業で使われるビーター、パルパーなどの装置を使用して解繊させた後に網上に抄き上げ、付着した溶媒を乾燥除去してシート化する所謂湿式抄紙法などがある。
【００２８】
なお、高弾性の炭素繊維から不織布を製造する場合、繊維にダメージを与えにくく、繊維の折れを少なくすることが重要であり、湿式法では抄紙法、乾式法ではエアレイ法を採用することが好ましい。また、炭素繊維のほかに、金属繊維や樹脂繊維を併用しても良い。樹脂繊維の場合、マトリックス樹脂と同じ樹脂を用いるのが好ましい。
【００２９】
不織布の製造に使用する炭素短繊維の繊維長さとしては、３〜５０ｍｍ、特に５〜３０ｍｍであることが好ましい。炭素短繊維の長さが短か過ぎると、繊維同士の絡み合いがなくなり不織布を形成し難くなり、また得られる成形体の曲げ弾性率や熱伝導性、導電性を十分に高めることができない恐れがある。一方、炭素短繊維の長さが長過ぎると、分散性の低下に伴う力学特性のバラツキ、電界シールド性の低下、更に不織布の作製および樹脂との複合化が困難になる恐れがある。
また、金属繊維や樹脂繊維の繊維長さも、炭素繊維と同じ範囲のものを用いるのが好ましい。
【００３０】
湿式の抄紙法による不織布の製造において、炭素短繊維を均一に分散させるための溶媒としては、好ましくは水、あるいはアセトン、炭素数１〜５のアルコール、アントラセン油等が用いられるが、その他の有機溶媒を用いてもよい。また、サンドイッチ構造体としての特性を損なわない範囲で取り扱い性の向上を目的としてこのような溶媒中にフェノール樹脂、フラン樹脂あるいはピッチ等を分散もしくは溶解させても良い。更なる取り扱い性の向上を目的として繊維素グリコール酸ナトリウム、ポリビニルアルコール、ヒドロキシセルロース等の増粘剤を溶媒中に添加しても良い。
【００３１】
乾式のエアレイド法による不織布の製造において、炭素短繊維を均一に分散させるために、例えば予備的に袋や容器などの中へ炭素短繊維や樹脂短繊維を収容して上下左右に約１分間程度攪拌し、その後ヘンシェルミキサーやタンブラー、二軸式混合攪拌機により攪拌した後にエアレイド装置で繊維を気流で攪拌した後に気流搬送し回転バーで更に叩き解繊と攪拌混合した状態で金網ベルト上へベルト下部より吸引積層して不織布を作製することが好ましい。
【００３２】
上記の方法で不織布を作製する際には、炭素短繊維単独を用いてもよく、後述の炭素繊維と複合化する樹脂からなる繊維や粉体などと混合してシート化してもよい。その際の樹脂の混合割合としては、得られる炭素繊維不織布に対して更に樹脂を複合化するか否かによっても異なり、一概には言えないが、最終的に得られる成形体の特性発現を考慮して、後述の本発明の炭素繊維強化樹脂成形体における樹脂の含有割合の上限値以下とすることが好ましく、例えば、炭素短繊維と樹脂との合計に対して７０重量％以下、例えば３０〜５５重量％程度である。
【００３３】
また、炭素短繊維と樹脂粉体とを混抄する場合、用いる樹脂粉体としては、重量平均の平均粒径として、０．１〜１００μｍ、特に０．５〜２０μｍ程度のものを用いることが好ましい。樹脂粉体の平均粒径が上記範囲よりも大き過ぎると不織布段階での均質度が劣り、樹脂を溶融させて炭素繊維の間に含浸・充填させることが困難になる。また、小さ過ぎると、取り扱い性が悪くなり、また、コスト高となる。
【００３４】
さらに、上記とは異なる不織布の作製方法として、炭素繊維の原料繊維を紡糸する段階で、連続繊維を形成するのではなく、スパンボンド法またはメルトブローン法などにより、直接的に原料短繊維の不織布を形成し、それを不融化、炭化して炭素繊維不織布とするか、更に必要に応じて黒鉛化して黒鉛化炭素繊維不織布とする方法が挙げられる。
【００３５】
｛目付｝
炭素繊維不織布における炭素短繊維の目付、すなわち単位面積あたりの炭素短繊維の重量（Fiber Areal Weight、以下ＦＡＷと記す）は炭素繊維単体からなる不織布を用いた場合、２０〜５００ｇ／ｍ２、特に１００〜２５０ｇ／ｍ２であることが好ましい。ＦＡＷの小さいものは、所望の厚さの成形体を得るためには、後述する成形工程で不織布および／または炭素繊維強化樹脂シートの積層枚数を多くする必要があり、製造工程が煩雑となる。逆にＦＡＷの大きいものは、樹脂の含浸性が悪く、樹脂の複合化が困難となる。
また、炭素繊維と樹脂材料とが混抄された不織布を用いた場合、炭素繊維単体からなる不織布を用いた場合に比べマトリックス樹脂があらかじめ炭素繊維不織布内部にも存在するため含浸性の問題が低減するため、積層工程を行なう事無く所望の厚みの成形体を作製することが可能である、このため２５０〜２０００ｇ／ｍ２が好ましく、５００〜１０００ｇ／ｍ２がより好ましい。
【００３６】
｛炭素短繊維の長さ｝
炭素繊維不織布にあっては、特に湿式では不織布を作製する過程でビーターやパルパー装置を通過する際に炭素繊維が損傷して折れてしまうことが多いため、不織布の作製に用いた炭素短繊維の長さがそのまま保持されない場合が多い。このため、最終的に得られる表皮材となる繊維強化樹脂中で、用いた炭素短繊維が有する優れた特性を十分に発現させるためには、不織布の状態で、それに含まれる炭素短繊維のうち、繊維長が３〜５０ｍｍのものの重量割合が６０重量％以上、好ましくは６５重量％以上とりわけ８０重量％以上となるように、攪拌時間の短縮や攪拌速度の低減など不織布の製造工程における操作を工夫することが好ましい。また、サンドイッチ構造体としての剛性や機能性の観点より表皮材となる繊維強化樹脂中に含まれる炭素短繊維としては、繊維長が３〜５０ｍｍのものの重量割合が５０重量％以上、好ましくは６０重量％以上とりわけ７５重量％以上であることが好ましい。
【００３７】
なお、不織布中で特定の繊維長を有する炭素繊維の重量割合の評価法としては、次のような方法がある。
【００３８】
炭素繊維不織布や表皮材である繊維強化樹脂中の繊維長は繊維強化樹脂を溶剤を用いて樹脂部分を溶解させたのちに白色シート上に移し、乾燥させた後に、光学顕微鏡により観察を行った。このとき、残存する樹脂材料は白色シートにより観察されなくなり、結果として炭素繊維からなる黒色繊維のみが観察されるようになる。この炭素繊維をランダムに１０００本選択し、繊維長さを測定し、３ｍｍ〜５０ｍｍの繊維長さの炭素繊維の重量％を算出する。
炭素繊維不織布における繊維長測定の別の手法として、不織布とした後の炭素繊維を、炭素繊維に対するぬれ性の高い、アセトン、メチルエチルケトン、エタノールなどの分散媒が、不織布に対して１０倍以上の体積を有する中に浸漬し、容器ごとゆっくり揺動させて、炭素繊維を十分に分散させた後、目開きが３ｍｍ間隔のメッシュで濾過する。不織布の段階で既に樹脂と複合化されている場合は、炭素繊維にダメージを与えて繊維を折ることのないよう十分に注意しながら、溶剤等で樹脂のみを溶解除去した後、上記のような分散、濾過を行なう。炭素繊維全体の重量に対して、メッシュ上に残った炭素繊維の割合をもって、繊維長３〜５０ｍｍの炭素繊維割合とする。不織布とする前の、原料の炭素繊維の繊維長の上限が５０ｍｍ以下であることによって、不織布中の炭素繊維の長さの上限は５０ｍｍと規定する。
【００３９】
｛マトリックス樹脂｝
次に、炭素繊維と複合化するマトリックス樹脂について説明する。
【００４０】
炭素繊維と複合化する樹脂は、硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれでもよい。硬化性樹脂としては、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂（例えば紫外線硬化性樹脂）、湿気硬化性樹脂等が挙げられる。
【００４１】
熱硬化性樹脂としては、常温で流動性を示し、加熱により硬化性を示す樹脂であれば特に限定されない。例えば、ポリウレタン、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、尿素樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリブタジエン、シリコーン樹脂等を挙げることができる。特に、炭素繊維との接着性や剛性、取り扱い易さの観点からエポキシ樹脂が好ましい。
【００４２】
光硬化性樹脂としては、ラジカル重合性成分及び光ラジカル重合開始剤、カチオン重合性成分及び光カチオン重合開始剤からなる組成物が用いることができる。この発明では、特に制限はないが好ましくは硬化後の樹脂剛性を考慮した場合、カチオン重合性成分及び光カチオン重合開始剤からなる組成物を用いることが好ましい。
【００４３】
湿気硬化性樹脂としては、特開平２−１６１８０、特開２０００−０３６０２６、特開２０００−２１９８５５、特開平２０００−２１１２７８、特開平２０００−
２１９８５５ 、特願平２０００−３６９８５５ で開示されている。具体的には、ウレタン系樹脂、アルコキシド基含有シリコーン系樹脂などが挙げられる。湿気硬化型接着剤の１例として、分子末端にイソシアネート基含有ウレタンポリマーを主成分とし、このイソシアネート基が水分と反応して架橋構造を形成するものがある。湿気硬化型接着剤としては、例えば積水化学工業社製９６１３Ｎ、住友スリーエム社製ＴＥ０３０
、ＴＥ１００、日立化成ポリマー社製ハイボン４８２０、カネボウエヌエスシー社製ボンドマスター１７０シリーズ、Ｈｅｎｋｅｌ社製ＭａｃｒｏｐｌａｓｔＱＲ３４６０等があげられる。
【００４４】
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）、ポリプロリレン樹脂（ＰＰ）、ポリメチルペンテン樹脂（ＰＭＰ）、ポリ塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリスチレン樹脂（ＰＳ）、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリメチルメタアクリレート樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル樹脂（変性ＰＰＥ）、ポリエーテルサルホン樹脂（ＰＥＳ）、ポリイミド樹脂（ＰＩ）、ポリエーテルイミド樹脂（ＰＥＩ）、ポリエーテルニトリル樹脂（ＰＥＮ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルケトン樹脂（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、ポリフェニルサルフォン樹脂（ＰＰＳＵ）、ポリフタルアミド樹脂（ＰＰＡ）等の芳香族ポリアミド樹脂などが挙げられる。
【００４５】
これらの樹脂は１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。
【００４６】
なお、樹脂が熱可塑性である場合、後述のように、表皮材と芯材とを熱融着によって接合して一体化することができる。
【００４７】
これらの樹脂には、難燃剤、カップリング剤、導電性付与剤、無機フィラー、紫外線吸収剤、酸化防止剤、各種染顔料等、通常、樹脂に配合される各種の添加剤を配合してもよい。
【００４８】
｛炭素繊維強化樹脂成形体よりなる表皮材の成形方法｝
本発明の繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体の表皮材は、予め表皮材として成形されてから芯材と一体化されることが好ましい。そこで、次に、炭素繊維強化樹脂成形体よりなる表皮材の成形方法について説明する。
【００４９】
炭素繊維強化樹脂成形体よりなる表皮材の成形方法としては、次のような方法が挙げられる。
【００５０】
（１）  炭素短繊維のみからなる炭素繊維不織布および／または炭素短繊維／樹脂含有不織布に、樹脂を含浸させた炭素繊維強化樹脂シートを製造し、この炭素繊維強化樹脂シートの１枚またはその複数枚の積層シートを加熱加圧成形する。
（２）  炭素短繊維／樹脂含有不織布の１枚またはその複数枚の積層シートを加熱加圧成形して炭素繊維強化樹脂シートを製造し、さらにこの製造された炭素繊維強化樹脂シートの１枚またはその複数枚の積層シートを加熱加圧成形する。
（３）  炭素短繊維のみからなる炭素繊維不織布および／または炭素短繊維／樹脂含有不織布と樹脂フィルムとの必要枚数を交互に積層し、積層シートを加熱加圧成形する。この場合、樹脂フィルムに替えて、上記（１），（２）の炭素繊維強化樹脂シートを用いることもでき、樹脂フィルムと炭素繊維強化樹脂シートとを併用することもできる。
（４）  炭素短繊維／樹脂含有不織布の１枚またはその複数枚の積層シートを加熱加圧成形する。この際、炭素短繊維のみからなる炭素繊維不織布や、樹脂フィルム、或いは上記（１），（２）の炭素繊維強化樹脂シートを併用して積層することも可能である。
【００５１】
（１）〜（４）のいずれの方法においても、最終的に得られる表皮材は、二次元ランダム分散状態の炭素短繊維にマトリックス樹脂が含浸された繊維強化樹脂よりなる。この炭素繊維強化樹脂成形体の炭素繊維と樹脂の含有率が好ましくは後述の範囲となるように、用いる材料の組み合わせや、積層枚数を適宜調整すればよい。
【００５２】
なお、上記の炭素繊維強化樹脂シートとしては、この炭素繊維強化樹脂シートと積層する炭素繊維不織布や樹脂フィルムの有無などによってもその炭素繊維含有率は異なるが、通常、炭素繊維含有率が３０〜８０重量％、特に４０〜７０重量％のものが好ましく用いられる。
【００５３】
また、樹脂フィルムとしては、厚み２０〜３００μｍ程度のものが好ましく用いられる。
【００５４】
炭素繊維強化樹脂成形体よりなる表皮材の成形方法の一例としては、例えば、上述の炭素繊維強化樹脂シート（プリプレグ）を、必要に応じて複数枚積層し、樹脂に適した方法に従って成形する方法が挙げられる。この成形方法としては、例えば、樹脂がエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂の場合は、プリプレグを熱盤で加圧しながら所要温度まで加熱することで硬化させる方法が挙げられる。また、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂の場合は、樹脂が軟化する温度までプリプレグを予め加熱した後に、加圧しながら軟化点以下の温度まで冷却することで固化させる方法が挙げられる。
また、積層の際、熱硬化性樹脂やホットメルト樹脂等からなる適当な接着剤を使用しても良い。
【００５５】
｛炭素短繊維の含有率｝
表皮材中における炭素短繊維の好適な含有率は、３０〜８０重量％特に４０〜７０重量％が好ましい。この範囲よりも炭素繊維含有率が少ないと曲げ弾性率が低くなり、炭素繊維含有率が多いと成形時の加圧力を大きくする必要が生じ、実用的ではない。
【００５６】
｛表皮材の厚さ、嵩密度、曲げ弾性率｝
繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体全体の厚さ（第１図ｔ１）に占める表皮材の合計の厚さ（ｔ２×２）の割合２×ｔ２／ｔ１×１００％は、サンドイッチ構造体の剛性と軽量性に大きく影響を与える。サンドイッチ構造体全体の厚さに占める表皮材の合計厚みの割合が５％未満の場合、表皮材の剛性や強度が不足し、結果としてサンドイッチ構造体の剛性が不十分となる。また、表皮材の厚みが５０％を超える場合、高い剛性を示す反面、重量増加が顕著となり結果として本来の目的である軽量性が損なわれる恐れがある。これらの観点より、本発明における繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体全体の厚さに占める表皮材の合計の厚さの割合は５〜５０％特に１０〜４０％が好適である。
【００５７】
表皮材の嵩密度は特に限定されないが、表皮材中の空隙率や軽量性と剛性のバランスを考慮した場合、１．０〜１．８ｇ／ｃｍ３程度が好適である。
【００５８】
表皮材の面内方向の曲げ弾性率は、好ましくは３０ＧＰａ以上、特に好ましくは４０ＧＰａ以上である。曲げ弾性率の上限については特に規定しないが、曲げ弾性率向上のためのコスト等を勘案した場合、通常１００ＧＰａ程度である。
【００５９】
［芯材］
芯材は、見かけ密度が表皮材より小さいものであれば、特に限定されないが、サンドイッチ構造材全体の軽量化を図るとともに機械的強度を確保するために、その見かけ密度は０．０１〜０．８ｇ／cm3 であることが好ましく、０．０２〜０．６ｇ／cm3であることがより好ましい。芯材の見かけ密度が０．０１ｇ／cm3未満の場合、芯材の強度不足を生じてコアクラッシュが起こり易く、また０．８ｇ／cm3以上の場合は本発明の目的である軽量性の達成が困難となる。
【００６０】
芯材としては、第１，２図に示した通り、発泡合成樹脂又はハニカム構造体が好適である。芯材の材質や構造は、用途等にもよるが、ハニカム構造体としては、アルミ箔、アラミド含浸紙、フェノール樹脂含浸紙、未含浸紙、炭素繊維、アラミド繊維などを芯材とする耐熱シート、FRP、などを蜂巣状に成形したハニカムコア、ロールコア、など市販のいずれのハニカムコア材料でも可能である。中でもその接着性能及びコア材自体の圧縮強度、耐久、耐熱性、難燃性の観点から、アラミド含浸紙ハニカムやアルミニウムハニカムが好ましい。例えば、サンドイッチ構造材を航空機の内装材として用いる場合には、芯材がアルミニウムのハニカム構造体であると、芯材は不燃性であるので好適である。また、アラミド繊維紙のハニカムにたとえばフェノール樹脂を含浸したハニカム構造体などのように自己消炎性、難燃性を有するものも好適である。また、アルミハニカムコアのセル形状は、六角形のほか四角形、五角形等の多角形または円形でもよい。
【００６１】
発泡樹脂に用いられることができるポリマー材料としては、ポリエチレン，
ポリプロピレン， エチレン− プロピレン共重合体， エチレン− プロピレン− ジエン共重合体， エチレン− 酢酸ビニル共重合体等のオレフィン系樹脂、ポリメチルアクリレート，
ポリメチルメタクレート， エチレン− エチルアクリレート共重合体等のアクリル系樹脂、ブタジエン−スチレン， アクリロニトリル− スチレン， スチレン， スチレン−
ブタジエン− スチレン，スチレン− イソプレン− スチレン， スチレン− アクリル酸等のスチレン系樹脂、アクリロニトリル− ポリ塩化ビニル， ポリ塩化ビニル−
エチレン等の塩化ビニル系樹脂、ポリフッ化ビニル， ポリフッ化ビニリデン等のフッ化ビニル系樹脂、６ − ナイロン， ６ ・６ − ナイロン， １ ２ − ナイロン等のアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート，
ポリブチレンテレフタレート等の飽和エステル系樹脂、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキサイド、ポリアセタール、ポリフェニレンスルフィド、シリコーン樹脂、熱可塑性ウレタン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、各種エラストマーやこれらの架橋体、天然ゴムもしくは合成ゴム、ポリビニルアルコール、セルローズ、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、アクリル系樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂等の各種樹脂等の発泡体が挙げられる。
【００６２】
芯材を構成する合成樹脂が熱可塑性合成樹脂であると、後述のように芯材と表皮材とを熱可塑性合成樹脂の熱融着により接合して一体化することが可能である。このとき表皮材に用いる樹脂と芯材に用いる樹脂の組成が同一のものを使用した場合や、相容性の高いもの、または互いの樹脂への相容性を持つ成分を有するものを使用すれば、芯材と表皮材との間に接着層を設けなくても良いことから好ましく、同一の樹脂を使用することが原料準備や成形温度等の製造条件の選択が容易であることから好ましい。
【００６３】
芯材の弾性率は５０〜５０００ＭＰａ特に１００〜５０００ＭＰａとりわけ１０００〜４０００ＭＰａ程度が好適である。芯材の弾性率が５０ＭＰａ未満の場合、圧縮に対するサンドイッチ構造体の変形が大きくなり、結果として十分な剛性を得ることが困難となる。また、芯材の剛性の上限は特に限定されないが、賦型性や材料比重を考慮した場合５０００ＭＰａ以下が好ましい。
【００６４】
［芯材と表皮材との一体化方法］
芯材と表皮材とを一体化するには、接着剤で接着してもよく、芯材及び表皮材の少なくとも一方が熱可塑性樹脂を主成分として含有する場合は、芯材と表皮材とを重ねて加熱し、熱可塑性樹脂を溶融させることにより芯材と表皮材とを接合してもよい。
【００６５】
接着剤を用いる場合、引張弾性率が１００ＭＰａ未満の場合、芯材と表皮材との界面における接着剤の変形により、繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体の曲げ弾性率が低下する傾向となる。このことより繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体の曲げ弾性率を低下させないようにするため、硬化後の引張弾性率が１００〜５０００ＭＰａ程度のものを用いることが好ましい。また、このような接着剤としては、エポキシ系、ウレタン系、アクリル系、シリコーン系などの接着剤が例示され、特に上記のように硬化後の引張弾性率が高い、いわゆる高弾性エポキシ接着剤が好適である。
【００６６】
熱可塑性樹脂の熱融着を利用して表皮材と芯材とを一体化させる場合、表皮材と芯材とを０．１〜５ＭＰａ程度の加圧力で押し付けておき、熱可塑性樹脂の融点よりも０〜５０℃程度高い温度に１０〜１８０秒間保持した後、冷却するのが好ましいが、これに限定されない。
【実施例】
【００６７】
以下に実施例及び比較例を説明する。なお、実施例及び比較例における物性の測定方法は次の通りである。
【００６８】
（１）繊維長
表皮材である繊維強化樹脂中の繊維長は繊維強化樹脂を溶剤を用いて樹脂部分を溶解させたのちに白色シート上に移し、乾燥させた後に、光学顕微鏡により観察を行った。このとき、残存する樹脂材料は白色シートにより観察されなくなり、結果として炭素繊維からなる黒色繊維のみが観察されるようになる。この炭素繊維をランダムに１０００本選択し、繊維長さを測定し、３ｍｍ〜５０ｍｍの繊維長さの炭素繊維の重量％を算出した。
【００６９】
（２）曲げ特性
サンドイッチ構造体の曲げ強度及び曲げ弾性率は、万能材料試験機（ＵＨ−１０  島津製作所製）を用いて測定した。サンドイッチ構造体から平面のランダム方向に長さ２００ｍｍ、幅１５ｍｍへ切り出すことにより試験片を作成した。この試験片についてＪＩＳ−Ｋ７０７４によりロードセル１００ｋＮまたはロードセル２００ｋＮによりクロスヘッド速度５ｍｍ／分により曲げ強度及び曲げ弾性率を測定した。
【００７０】
（３）比重、比剛性
サンドイッチ構造体の比重は、作製したサンドイッチ構造体の体積及び重量から算出した。また、比剛性はサンドイッチ構造体の曲げ試験における弾性率（ＧＰａ単位へ変換後）の値をこの比重値で除算することにより求めた。
【００７１】
［実施例１］
ピッチ系炭素繊維としてダイアリード６３７１Ｔ（三菱樹脂（株）製、引張弾性率６４０ＧＰａタイプ、６ｍｍカットファイバー）５５重量％を用い、熱可塑性樹脂繊維としてポリエステル繊維（商品名「Ｎ７０１Ｙ」、クラレ製、５ｍｍカットファイバー）４５重量％を用い、分散剤としてポリエチレングリコール（Ｍｗ＝５００００）を用いた。これらの繊維を５０Ｌの水槽へ導入し、さらに濃度０．１％となるように分散剤を加えた後にマキタ製ハンドミキサーを用いて１３６０ｒｐｍの回転速度で１５秒間攪拌させた後に４００Ｌの水を入れた水槽へ導入し、更に１分程度混合・開繊させた。次いで、１ｍ２の金網上で抄き上げることにより目付け７５０ｇ／ｍ２の混抄マット状成形体とした。
【００７２】
この混抄マット状成形体を温度２００℃、圧力５ＭＰａ、加圧保持時間５分、０．３ｍｍ厚みの金属スペーサーを用いて溶融プレス成形することにより厚み０．３ｍｍの炭素短繊維強化ポリエステル薄板よりなる表皮材（炭素繊維中における炭素繊維長３〜５０ｍｍのものの割合７９重量％、見かけ密度１．７ｇ／ｃｍ3）を作製した。更に厚み３．４ｍｍ、発泡倍率３倍の発泡ポリプロピレン板（曲げ弾性率：２６０ＭＰａ、見かけ密度０．３ｇ／ｃｍ3）よりなる芯材の両表面に２液混合型エポキシ系接着剤（商品名：「ボンドＥセット」、コニシ製、硬化後弾性率：２５００ＭＰａ）を塗布した後にプレス成形体を張り合わせ、２５℃の温度条件下で２４時間以上静置させて接着剤を硬化させることによりサンドイッチ構造体を作製した。このサンドイッチ構造体の評価結果を表１に記載した。
【００７３】
［実施例２］
実施例１と同様にして作製した混抄マット状成形体を２枚重ねて０．７ｍｍ厚みの金属スペーサーを用いて同条件で溶融プレス成形することにより厚み０．７ｍｍのプレス成形体（炭素繊維長３〜５０ｍｍのものの割合７９重量％、見かけ密度１．７ｇ／ｃｍ3）炭素短繊維強化ポリエステル薄板よりなる表皮材を作製した。この表皮材を用いたこと以外は実施例１と同一条件にてサンドイッチ構造体を作製した。このサンドイッチ構造体の評価結果を表１に記載した。
【００７４】
［実施例３］
ピッチ系炭素繊維としてダイアリード６３７１Ｔ（三菱樹脂製、引張弾性率６４０ＧＰａタイプ、６ｍｍカットファイバー）５５重量％を用い、熱可塑性樹脂繊維としてポリプロピレン樹脂（商品名「ノバテックＰＰ  ＦＬ６Ｈ」、日本ポリプロ製）を溶融紡糸法により紡糸して作製した５ｍｍのカットファイバー４５重量％を用い、分散剤としてポリエチレングリコール（Ｍｗ＝５００００）を用いた。これらの材料を用い、実施例１と同様の手法により炭素短繊維強化ポリエステル薄板よりなる表皮材を作製した。炭素繊維中における炭素繊維長３〜５０ｍｍのものの割合は８８重量％、表皮材の見かけ密度は１．６ｇ／ｃｍ3である。実施例１と同じ厚み３．４ｍｍ、発泡倍率３倍の発泡ポリプロピレン板よりなる芯材の両表面にこの混抄マット状成形体を積層し、実施例１と同一条件で溶融プレス成形することによりサンドイッチ成形体を作製した。このサンドイッチ構造体の評価結果を表１に記載した。
【００７５】
［実施例４］
表皮材として実施例１で用いたものと同じ厚み０．３ｍｍの炭素短繊維強化ポリエステル薄板よりなる表皮材を用いた。芯材として、厚み３．４ｍｍに裁断したアラミドハニカムコア（昭和飛行機工業製、ＳＡＨ１／８−３．０、弾性率１４０ＭＰａ、見かけ密度０．０５ｇ／ｃｍ3）を用いた。この芯材の両面に、実施例１で用いたエポキシ系接着剤によってこの表皮材を張り合わせることによりサンドイッチ成形体を作製した。このサンドイッチ構造体の評価結果を表１に記載した。
【００７６】
［実施例５］
実施例１において、混抄マット状成形体を目付け２５０ｇ／ｍ２とし、０．１ｍｍ厚みの金属スペーサーを用いることにより表皮材の厚みを０．１ｍｍとした。この表皮材を用いたこと以外は実施例１と同様にしてサンドイッチ構造体を作製した。このサンドイッチ構造体の評価結果を表１に記載した。
【００７７】
［実施例６］
実施例１において、表皮材と芯材とを接着するためのエポキシ系接着剤として弾性エポキシ樹脂接着剤（商品名：「ＭＯＳ７」、コニシ製、硬化後弾性率：３．５ＭＰａ）を塗布した後にプレス成形体を張り合わせ、２５℃の温度条件下で２４時間以上静置させて接着剤を硬化させることによりサンドイッチ構造体を作製した。このサンドイッチ構造体の評価結果を表１に記載した。
【００７８】
［比較例１］
炭素繊維としてＰＡＮ系炭素繊維（商品名「パイロフィルＴＲ５０Ｓ」、三菱レイヨン製、引張弾性率２３０ＧＰａ、６ｍｍカットファイバー）を用いたこと以外は実施例１と同様にして炭素短繊維強化ポリエステル薄板よりなる表皮材（炭素短繊維中における炭素繊維長３〜５０ｍｍのものの割合９５重量％、見かけ密度１．７ｇ／ｃｍ3）を作製し、これを用いたこと以外は実施例１と同様にしてサンドイッチ構造体を作製した。このサンドイッチ構造体の評価結果を表１に記載した。
【００７９】
［比較例２］
実施例１と同様の材料を用い、フォードリニア式湿式抄紙装置を用いて混抄マット状成形体を作製した。この混抄マット状成形体を用い、実施例１と同様にして炭素短繊維強化ポリエステル薄板よりなる表皮材を作製したところ、見かけ密度は１．７ｇ／ｃｍ3であるが、炭素短繊維中における炭素繊維長３〜５０ｍｍのものの割合は０．２重量％であった。この表皮材を用いたこと以外は実施例１と同様にしてサンドイッチ構造体を作製した。このサンドイッチ構造体の評価結果を表１に記載した。
【００８０】
［比較例３］
実施例１において、表皮材中における炭素短繊維の配合量を２０重量％とし、熱可塑性樹脂繊維の配合量を８０重量％としたこと以外は実施例１と同様にして炭素短繊維強化ポリエステル薄板よりなる表皮材（炭素短繊維中における炭素繊維長３〜５０ｍｍのものの割合８４重量％、見かけ密度１．５ｇ／ｃｍ3）を作製した。この表皮材を用いたこと以外は実施例１と同様にしてサンドイッチ構造体を作製した。このサンドイッチ構造体の評価結果を表１に記載した。
【００８１】
【表１】
2011224873.tif 000003
【００８２】
表１の通り、実施例１〜６の繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体は比較例１〜３に比べて曲げ弾性率が高い。表皮材が０．１ｍｍと薄い実施例５においても、曲げ弾性率は比較例１〜３よりも高い。また、表皮材の厚さが比較例と同じ０．３ｍｍである場合、接着剤として高弾性率エポキシ系接着剤を用いた実施例１，２，４，５及び表皮材と芯材とを熱融着した実施例３は、比較例１〜３と比べて曲げ強度も高い。
【符号の説明】
【００８３】
１，１Ａ  繊維強化樹脂製サンドイッチ構造体
２，４  芯材
３  表皮材
【図１】
2011224873.tif 000004
【図２】
2011224873.tif 000005