(57)【要約】【課題】  難燃性と金属接着性に優れたＣＦＲＰシート、及びそれを用いた難燃性と接着一体性に優れたＦＲＰ-金属複合体、及びそのＦＲＰ-金属複合体の効率的な製造方法を提供すること。【解決手段】  強化繊維材料である炭素繊維束間に含浸させるマトリックス樹脂として、金属接着性及び難燃性を有する融点170〜260℃のフッ素系樹脂を使用してＣＦＲＰシートを構成すると共に、このＣＦＲＰシートから成るＦＲＰ層と金属材料から成る金属層とを接着剤層を介さず直接、積層一体化してＦＲＰ-金属複合体を構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維材料である炭素繊維束(11)間に含浸させるマトリックス樹脂(12)として、金属接着性及び難燃性を有する融点170〜260℃のフッ素系樹脂が使用されていることを特徴とするＣＦＲＰシート。
【請求項２】
マトリックス樹脂(12)に用いられるフッ素系樹脂の難燃性が、UL94V燃焼試験における少なくともV-0の判定基準を満たし、かつ、限界酸素指数が30以上であることを特徴とする請求項１記載のＣＦＲＰシート。
【請求項３】
マトリックス樹脂(12)に用いられるフッ素系樹脂が、ＥＴＦＥまたはＥＦＥＰであることを特徴とする請求項１または２に記載のＣＦＲＰシート。
【請求項４】
マトリックス樹脂(12)にＥＴＦＥが用いられると共に、ＥＴＦＥ中におけるＴＦＥに基づく重合単位の割合が50〜80mol％、かつ、エチレンに基づく重合単位の割合が50〜80mol％であることを特徴とする請求項３記載のＣＦＲＰシート。
【請求項５】
炭素繊維の繊維体積含有率が20〜70％であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載のＣＦＲＰシート。
【請求項６】
ポリアミド系樹脂から成るサイジング剤が塗布された炭素繊維束(11)が使用されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載のＣＦＲＰシート。
【請求項７】
シート本体の難燃性が、UL94V燃焼試験におけるV-0またはV-1の判定基準を満たし、かつ、UL94-5V燃焼試験における5V-Aまたは5V-Bの判定基準を満たすことを特徴とする請求項１〜６の何れか一つに記載のＣＦＲＰシート。
【請求項８】
請求項１記載のＣＦＲＰシートから成るＦＲＰ層(21)と金属材料から成る金属層(22)とが接着剤層を介さず直接、積層一体化されていることを特徴とするＦＲＰ-金属複合体。
【請求項９】
請求項１記載のＣＦＲＰシートと金属材料とを、加熱温度180〜280℃、加圧力1〜5MPaの条件下で熱プレスしてＣＦＲＰシートを金属材料に熱溶着させることにより両者を積層一体化することを特徴とする金属-ＦＲＰ複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＦＲＰシートの改良、詳しくは、難燃性と金属接着性に優れたＣＦＲＰシート、及びそれを用いた難燃性と接着一体性に優れたＦＲＰ-金属複合体、及びそのＦＲＰ-金属複合体の効率的な製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、強化繊維材料である炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化プラスチック(以下、「ＣＦＲＰ」と記載)が、その優れた機能性(曲げ強度や引張り強度、軽量性等)から工業分野や建築分野などの多くの分野で利用が進んでいる。特にＣＦＲＰシートは、他の材料に貼り合わせて使用できるため、様々な用途に利用できる。
【０００３】
また上記ＣＦＲＰと他の材料を一体化した複合材料に関しては、従来、ＣＦＲＰと金属材料を熱硬化性樹脂系(エポキシ樹脂等)の接着剤により一体化したものが公知となっているが(特許文献１参照)、熱硬化性樹脂系の接着剤を使用すると塗布してから硬化するまでに時間がかかるため、短時間で製造を行うことが難しいという欠点がある。
【０００４】
またＣＦＲＰと金属材料を積層一体化するための接着剤として、熱可塑性樹脂系のものを使用することも考えられるが、接着剤の硬化時間は短くて済むものの、どちらにせよＣＦＲＰまたは金属材料の表面に接着剤を塗布する工程と両者を貼り付ける工程が必要となるため、工程数が増えて効率的に製造を行えないという問題がある。
【０００５】
また従来においては、ＣＦＲＰのマトリックス樹脂に様々な熱硬化性樹脂(エポキシ樹脂やフェノール樹脂等)や熱可塑性樹脂(ポリアミド系樹脂やポリプロピレン等)を使用する技術は知られていたものの、金属接着性と難燃性の観点からマトリックス樹脂の材料選択を行う技術については一般的に知られていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１９１１８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、難燃性と金属接着性に優れたＣＦＲＰシート、及びそれを用いた難燃性と接着一体性に優れたＦＲＰ-金属複合体、及びそのＦＲＰ-金属複合体の効率的な製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者が上記課題を解決するために採用した手段を添付図面を参照して説明すれば次のとおりである。
【０００９】
即ち、本発明は、強化繊維材料である炭素繊維束11間に含浸させるマトリックス樹脂12として、金属接着性及び難燃性を有する融点170〜260℃のフッ素系樹脂を使用してＣＦＲＰシート１を構成した点に特徴がある。
【００１０】
また上記マトリックス樹脂12に使用するフッ素系樹脂については、難燃性がUL94V燃焼試験における少なくともV-0の判定基準を満たし、かつ、限界酸素指数が30以上のものを使用するのが好ましい。
【００１１】
また上記マトリックス樹脂12に用いるフッ素系樹脂としては、ＥＴＦＥまたはＥＦＥＰを使用するのが好ましく、特にマトリックス樹脂12にＥＴＦＥを用いる場合には、ＥＴＦＥ中におけるＴＦＥに基づく重合単位の割合が50〜80mol％、かつ、エチレンに基づく重合単位の割合が50〜80mol％のものを使用するのが好ましい。
【００１２】
また上記炭素繊維の繊維体積含有率については、炭素繊維束11の結合強度や難燃性、金属接着性を確保するために20〜70％とするのが好ましい。
【００１３】
また上記炭素繊維束11については、マトリックス樹脂と炭素繊維束の結合強度を高めて曲げ強度や引張り強度を向上させるためにポリアミド系樹脂から成るサイジング剤を塗布したものを使用するのが好ましい。
【００１４】
また上記シート本体の難燃性については、UL94V燃焼試験におけるV-0またはV-1の判定基準を満たし、かつ、UL94-5V燃焼試験における5V-Aまたは5V-Bの判定基準を満たすようにするのが好ましい。
【００１５】
また本発明においては、上記ＣＦＲＰシートから成るＦＲＰ層21と金属材料から成る金属層22とを接着剤層を介さず直接、積層一体化してＦＲＰ-金属複合体２を構成することができる。
【００１６】
また本発明では、上記ＦＲＰ-金属複合体の製造方法として、ＣＦＲＰシートと金属材料とを、加熱温度180〜280℃、加圧力1〜5MPaの条件下で熱プレスしてＣＦＲＰシートを金属材料に熱溶着させることにより両者を積層一体化する方法を採用できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、ＣＦＲＰシートの炭素繊維束間に含浸させるマトリックス樹脂として、金属接着性を有する融点170〜260℃のフッ素系樹脂を使用したことにより、熱プレスによる熱溶着だけでこれらを積層一体化してＦＲＰ-金属複合体を製造することが可能となる。またＣＦＲＰシートと金属材料の接着強度も改善できる。
【００１８】
また本発明のＣＦＲＰシートにおいては、上記炭素繊維束間に含浸させるマトリックス樹脂として難燃性に優れたフッ素系樹脂を使用しているため、非常に高いレベルの難燃性が求められる建築材料や産業資材、工業部品等の用途に好適に利用できるＦＲＰ-金属複合体を製造することが可能となる。
【００１９】
したがって、本発明により、従来よりも難燃性と接着一体性に優れたＦＲＰ-金属複合体を製造することができ、しかも、ＦＲＰ-金属複合体を少ない工程数で効率的に製造できるＣＦＲＰシートを提供できることから、本発明の実用的利用価値は頗る高い。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第一実施形態のＣＦＲＰシートを表す説明断面図である。
【図２】本発明のＣＦＲＰシートの変更例を表す説明断面図である。
【図３】本発明の第二実施形態の金属-ＦＲＰ複合体を表す説明断面図である。
【図４】接着性の試験方法を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
『第一実施形態』
本発明の第一実施形態について図１に基づいて説明する。なお図中、符号１で指示するのものは、ＣＦＲＰシートである。
【００２２】
「ＣＦＲＰシートの構成」
[１]ＣＦＲＰシートの基本構成について
まずＣＦＲＰシート１の基本構成について説明すると、本実施形態では、強化繊維材料として炭素繊維束11を使用すると共に、この炭素繊維束11間に含浸させるマトリックス樹脂12として金属接着性及び難燃性を有する融点170〜260℃のフッ素系樹脂を使用して図１に示すＣＦＲＰシート１のシート本体を構成している。
【００２３】
[２]炭素繊維束について
次にＣＦＲＰシート１の各構成要素について説明する。まず上記炭素繊維束11については、本実施形態では、フィラメント径が3〜12μｍ(好ましくは5〜7μｍ)の炭素繊維を5000〜50000本(好ましくは12000〜15000本)束ねて糸状にした際の厚みが0.1〜2.0mm(好ましくは0.3〜0.4mm)程度の炭素繊維束11を使用しているが、炭素繊維の本数は炭素繊維束11の太さに応じて適宜変更することができる。また本実施形態では、ＰＡＮ系の炭素繊維を使用しているが、ピッチ系の炭素繊維を使用することもできる。
【００２４】
また本実施形態では、炭素繊維束11の向きを同じ方向に揃えたＵＤシートを使用しているが、炭素繊維束11を二方向以上の異なる向きに配列することもできる。具体的には複数のＵＤシートを炭素繊維束の向きを変えて積層する方法や、炭素繊維束を平織りや多軸織りすることによりシート化する方法を採用できる。また本実施形態では、連続繊維状の炭素繊維束を使用しているが、短繊維状に細かく刻んだ炭素繊維束を使用することもでき、具体的にはＵＤシートを短冊状に刻んだ多数のＵＤシート片を向きがランダムになるように並べてシート化(疑似等方シート)することもできる。
【００２５】
また本実施形態では、上記炭素繊維束11にサイジング剤を塗布したものを使用している。なおサイジング剤としては、エポキシ樹脂系やビニルエステル樹脂系、ポリアミド樹脂系などのものを使用することができる。またサイジング剤に関しては、炭素繊維束11とマトリックス樹脂12の結合強度を調節する役割や加工時に炭素繊維束11の損傷を抑制する役割があり、好ましくはポリアミド系樹脂を使用することでＣＦＲＰシート１の曲げ強度や引張り強度を向上させることができる。
【００２６】
[３]炭素繊維の繊維体積含有率について
また上記ＣＦＲＰシートにおける炭素繊維の繊維体積含有率(Vf)に関しては、炭素繊維の含有率が低過ぎると充分な難燃性が得られず、また炭素繊維の含有率が高過ぎると樹脂の割合が少なくなって炭素繊維束11同士の結合強度や金属接着性が低下するため、Vf20％〜70％の範囲内で調整するのが好ましい。
【００２７】
[４]マトリックス樹脂について
一方、上記マトリックス樹脂12については、本実施形態では、フッ素系樹脂としてＴＦＥに基づく重合単位の割合が50〜80mol％、かつ、エチレンに基づく重合単位の割合が50〜80mol％のＥＴＦＥ(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)を使用しているが、ＥＴＦＥ以外のフッ素系樹脂を使用することもできる。なおフッ素系樹脂としては、難燃性がUL94V燃焼試験における少なくともV-0の判定基準を満たし、かつ、限界酸素指数が30以上のものを選択するのが好ましく、特にこのようなフッ素系樹脂としては、ＥＴＦＥやＥＦＥＰの使用が好ましい。
【００２８】
＜UL94V燃焼試験(ASTM D3801)の説明＞
上記UL94V燃焼試験について簡単に説明すると、短冊状の試験片(寸法：125±5mm×13±0.5×t mm)をクランプに垂直に取付け、20mm炎による10秒間の接炎を２回行い、その燃焼挙動により“V-0”“V-1”“V-2”“Not”の判定を行う。具体的な判定基準については下記表１に示す。
【表１】
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【００２９】
＜限界酸素指数(ASTM D2863)の説明＞
「限界酸素指数」とは、材料が燃焼を持続するのに必要な最低酸素濃度であり、燃焼時間が180秒継続するか、または接炎後の燃焼長さが50mm以上燃え続けるのに必要な酸素濃度から算出される。限界酸素指数が高いほど難燃性は高くなる。
【００３０】
[５]マトリックス樹脂の含浸方法について
また炭素繊維束11に対するマトリックス樹脂12の含浸方法に関しては、本実施形態では、炭素繊維束を一方向に配列した面状の開繊糸群を上下に配置し、更にその間にフィルム状のマトリックス樹脂を挿入して、この樹脂フィルムと上下の開繊糸群とをロールにより熱圧着することによって、図１に示すようにマトリックス樹脂12を炭素繊維束11間に半含浸させている。なお含浸方法としては、粒状または短繊維状のマトリックス樹脂を積層して含浸させることもできる。またマトリックス樹脂12の含浸率に関しては、炭素繊維束11同士が結合一体化される程度に含浸させればよく、図２に示すように全ての炭素繊維束11がマトリックス樹脂中に埋もれるように完全含浸させてもよい。
【００３１】
[６]ＣＦＲＰシートの難燃性について
また上記ＣＦＲＰシート１の難燃性については、本実施形態では、UL94V燃焼試験におけるV-0またはV-1の判定基準を満たし、かつ、UL94-5V燃焼試験における5V-Aまたは5V-Bの判定基準を満たすようにしている。
【００３２】
＜UL94-5V燃焼試験(ASTM D5048)の説明＞
上記UL94-5V燃焼試験について簡単に説明すると、短冊状の試験片(寸法：125±5mm×13±0.5×t mm)をクランプに垂直に取付け、125mm炎による5秒間の接炎を５回行い、その燃焼挙動により“5V-A”“5V-B”“Not”の判定を行う。具体的な判定基準については下記表２に示す。
【表２】
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【００３３】
『第二実施形態』
「ＦＲＰ-金属複合体の構成」
[１]ＦＲＰ-金属複合体の基本構成について
次に本発明の第二実施形態について図３に基づいて説明する。本実施形態では、上記第一実施形態のＣＦＲＰシートから成るＦＲＰ層21と、金属材料から成る金属層22とを積層一体化してＦＲＰ-金属複合体２を構成している。またＦＲＰ-金属複合体２のＦＲＰ層21と金属層22とは、接着剤層を介さず熱溶着により直接一体化している。これにより接着一体性及び難燃性に優れたＦＲＰ-金属複合体２が得られる。
【００３４】
[２]金属層について
また上記金属層22に用いる金属材料としては、本実施形態では、アルミニウム板を使用しているが、金属材料としてはこれに限らず他の金属材料(例えば、鉄系の材料等)を使用することもできる。また金属層22の厚みや形状についてもＦＲＰ-金属複合体２の用途に応じて適宜変更することができる。
【００３５】
「ＦＲＰ-金属複合体の製造方法」
次に上記ＦＲＰ-金属複合体２の製造方法について説明すると、本実施形態では、ＣＦＲＰシートと金属材料とを、加熱温度180〜280℃、加圧力1〜5MPaの条件下で熱プレスしてＣＦＲＰシートを金属材料に熱溶着させることにより両者を積層一体化している。これにより熱プレスだけで簡単にＦＲＰ-金属複合体を製造できる。なお熱プレスの加熱温度や加圧力に関しては、炭素繊維の繊維体積含有率やＣＦＲＰシートに使用されているマトリックス樹脂の材料に応じて適宜調整できる。
【実施例】
【００３６】
[効果の実証試験]
次に本発明の効果の実証試験について説明する。本試験では、金属層にアルミニウム板を用いたＦＲＰ-金属複合体から成るサンプルを、ＣＦＲＰシートのマトリックス樹脂の材料を変えて複数作製し、これら各サンプル(下記の実施例１及び比較例１〜３)のＦＲＰ層と金属層の接着性を、ＦＲＰ層と金属層の剥離が生じる剪断応力の大きさによって評価した。
【００３７】
＜試験方法＞
図４に示すようにＦＲＰ層(寸法：幅25mm×長さ100mm×厚さ0.5mm)の上下両側に金属層(寸法:幅25mm×長さ250mm×厚さ2mm)を形成すると共に、上下の金属層に左右に突出する部位を形成して、この金属層の突出部位を試験装置(島津製作所製：万能試験機I-0108)によって温度25℃、湿度50％の環境下で1mm/minの速度で外側に引っ張ることにより、ＦＲＰ層と金属層とがどの程度の剪断荷重で剥離するかを測定した。
【００３８】
「実施例１」
本実施例では、ＦＲＰ層を構成するＣＦＲＰシートのマトリックス樹脂にＥＴＦＥを使用すると共に、このＣＦＲＰシートとアルミニウム板を、加熱温度250℃、加圧力5MPaの条件下で３分間熱プレスすることによりＣＦＲＰシートを金属材料に熱溶着させてＦＲＰ層と金属層を積層一体化した。
【００３９】
「比較例１」
本実施例では、ＦＲＰ層を構成するＣＦＲＰシートのマトリックス樹脂としてＰＦＡ(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)を使用すると共に、このＣＦＲＰシートとアルミニウム板を、加熱温度340℃、加圧力5MPaの条件下で３分間熱プレスすることによりＣＦＲＰシートを金属板に熱溶着させてＦＲＰ層と金属層を一体化した。
【００４０】
「比較例２」
本実施例では、ＦＲＰ層を構成するＣＦＲＰシートのマトリックス樹脂としてＰＡ６(ポリアミド樹脂)を使用すると共に、このＣＦＲＰシートとアルミニウム板を、加熱温度270℃、加圧力5MPaの条件下で３分間熱プレスすることによりＣＦＲＰシートを金属板に熱溶着させてＦＲＰ層と金属層を一体化した。
【００４１】
「比較例３」
本実施例では、ＦＲＰ層を構成するＣＦＲＰシートのマトリックス樹脂としてＰＰ(ポリプロピレン樹脂)を使用すると共に、このＣＦＲＰシートとアルミニウム板を、加熱温度180℃、加圧力5MPaの条件下で３分間熱プレスすることによりＣＦＲＰシートを金属板に熱溶着させてＦＲＰ層と金属層を一体化した。
【００４２】
＜試験結果＞
上記実施例１及び比較例１〜３のサンプルについて剪断方向の引張り試験を行ったところ、比較例１〜３のサンプルが剥離時の剪断荷重(最大荷重)が5kN未満と接着性が低かったのに対し、実施例１のサンプルは剥離時の剪断荷重が5kN以上の高い接着性を示した。各サンプルの金属層とＦＲＰ層の材質と寸法、及び各サンプルの試験結果をまとめた表を以下に示す。
【表３】
2019143087.tif 000005
【表４】
2019143087.tif 000006
【符号の説明】
【００４３】
１  ＣＦＲＰシート
11  炭素繊維 
12  マトリックス樹脂
２  金属-ＦＲＰ複合体
21  ＦＲＰ層
22  金属層
【図１】
2019143087.tif 000007
【図２】
2019143087.tif 000008
【図３】
2019143087.tif 000009
【図４】
2019143087.tif 000010