(57)【要約】【課題】軽量で、耐熱性及び耐摩耗性や基材層と被覆層との接着性に優れた繊維強化プラスチック基複合材料及びその製造方法を提供する。【解決手段】繊維強化プラスチック基材の表面に下地層及び中間層を介して被覆層を有し、該下地層が亜鉛−アルミニウム擬合金皮膜又は亜鉛合金−アルミニウム擬合金皮膜、該中間層がインバー合金と亜鉛合金の混合皮膜からそれぞれなり、該被覆層がインバー合金皮膜により形成されていることを特徴とする繊維強化プラスチック基複合材料を採用する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化プラスチック基材の表面に下地層及び中間層を介して被覆層を有し、該下地層が亜鉛−アルミニウム擬合金皮膜又は亜鉛合金−アルミニウム擬合金皮膜、該中間層がインバー合金と亜鉛合金の混合皮膜からそれぞれなり、該被覆層がインバー合金皮膜により形成されていることを特徴とする繊維強化プラスチック基複合材料。
【請求項２】
上記インバー合金の組成が、６３．５重量％Ｆｅ−３６．５重量％Ｎｉ、６３重量％Ｆｅ−３２重量％Ｎｉ−５重量％Ｃｏ、３６．５重量％Ｆｅ−５４重量％Ｃｏ−９．５重量％Ｃｒから選択される請求項１に記載の繊維強化プラスチック基複合材料。
【請求項３】
上記被覆層を形成するインバー合金皮膜の表面にクロムメッキ皮膜を有する請求項１又は２に記載の繊維強化プラスチック基複合材料。
【請求項４】
上記被覆層を形成するインバー合金皮膜の表面に金属皮膜、セラミック皮膜又はサーメット皮膜を有する請求項１又は２に記載の繊維強化プラスチック基複合材料。
【請求項５】
繊維強化プラスチックの表面をブラスト、洗浄した後、亜鉛−アルミニウム擬合金又は亜鉛合金−アルミニウム擬合金を溶射して下地処理層を設け、さらに溶射によりインバー合金と亜鉛合金の混合皮膜からなる中間層を設け、次いでインバー合金を溶射して被覆層を形成することを特徴とする繊維強化プラスチック基複合材料の製造方法。
【請求項６】
上記インバー合金の組成が、６３．５重量％Ｆｅ−３６．５重量％Ｎｉ、６３重量％Ｆｅ−３２重量％Ｎｉ−５重量％Ｃｏ、３６．５重量％Ｆｅ−５４重量％Ｃｏ−９．５重量％Ｃｒから選択される請求項５に記載の繊維強化プラスチック基複合材料の製造方法。
【請求項７】
上記被覆層を形成した後、上記被覆層を形成するインバー合金皮膜の表面に、クロムメッキを施し、クロムメッキ皮膜を形成する請求項５又は６に記載の繊維強化プラスチック基複合材料の製造方法。
【請求項８】
上記被覆層を形成した後、上記被覆層を形成するインバー合金皮膜の表面に、溶射によって、金属皮膜、セラミック皮膜又はサーメット皮膜を形成する請求項５又は６に記載の繊維強化プラスチック基複合材料の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化プラスチック基複合材料からなるロール部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、繊維強化プラスチック基複合材料及びその製造方法に関し、詳しくは炭素繊維強化プラスチック等の繊維強化プラスチックを基材層とし、これに被覆層を形成した繊維強化プラスチック基複合材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  炭素繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチック等の繊維強化プラスチックは、金属に比較して比重が小さく、高い弾性係数を有し、比強度に優れるという特徴を有する。このため、このような繊維強化プラスチックは、エンジニアリング用材料として、例えば航空機や自動車等の各種産業機械部品用材料、液晶、半導体製造装置用部材、釣り竿等のスポーツ用具用材料等の分野に広く利用されている。【０００３】  特に、ロール部材は、フィルム、製紙等の様々な工業分野において使用されているが、搬送の容易さ、生産性の向上、省力化の観点から軽量化が必要とされていることから、機械強度特性や軽量で小さな慣性モーメントを有する繊維強化プラスチックが、金属に代えて種々の産業機械装置におけるロール部材として使用されてきている。【０００４】  この機械装置に用いられる繊維強化プラスチックを用いたロールは、その表面を光沢がある金属状とする必要があり、また使用目的が多岐に亘っているので、繊維強化プラスチックにアルミニウム、ステンレス鋼等のパイプを圧入して表面の金属化を行っているが、一定以上の温度では熱膨張差によって形状変化を招き、使用が困難となってしまう。【０００５】  特に、近年は、広幅フィルムが要求されており、その幅は数メートルになる。このため、上述のように、軽量の繊維強化プラスチックを使用したロールが用いられており、繊維強化プラスチックの表面に金属、セラミック、サーメットを被覆した広幅ロールが提案されている。【０００６】  しかし、繊維強化プラスチックは、金属に比較して耐摩耗性に劣り、また基材表面の耐熱性が樹脂自体の耐熱性に支配されるので使用温度にも制限があった。また、繊維強化プラスチックの表面に金属、セラミック、サーメットを被覆したロールにおいても、温度特性や信頼性に問題がある。【０００７】  このような繊維強化プラスチックの表面に金属、セラミック、サーメットを被覆したロールに用いられる繊維強化プラスチック基複合材料は、種々提案されている。例えば特許文献１（特開平６−１３７３１８号公報）には、繊維強化樹脂製ロール素管の表面に、ふっ素樹脂微粒子を含有する複合めっき層が被覆されている繊維強化樹脂製ロールが開示されている。【０００８】  このように複合めっき層を設けることにより、耐摩耗性は改善されるものの、耐熱性が充分ではなく、またロール素管と複合めっき層との接着強度も満足できるものではない。【０００９】  また、特許文献２（特開２００１−２２６７９４号公報）には、樹脂製の素管の表面に、ＡＢＳ樹脂とイソシアネートからなる樹脂薄膜、無電解めっきされた導電層、電気めっきされた銅ないしニッケルめっきからなる中間層、クロムめっきからなる最外層を有してなるクロムめっきされた樹脂ローラが記載されている。【００１０】  特許文献３（特開２００１−２７００１５号公報）及び特許文献４（特開２００１−２４０５９３号公報）には、繊維強化プラスチック基材の表面に、その基材構成成分である樹脂と同種の樹脂及びセラミックス粒子の混合物からなる中間層を介し、トップコートとして炭化物サーメットや酸化物セラミックス又はそのサーメットからなる溶射被覆層を形成してなる耐摩耗性や絶縁特性等の表面特性に優れるプラスチック基複合材料が記載されている。【００１１】  特許文献５（特開２００６−１３７１４３号公報）には、繊維強化プラスチック基材の表面に、その基材を構成している樹脂と同種の樹脂と、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等の酸化物及び／又はＷＣ、Ｃｒ３Ｃ２等の炭化物からなるセラミック粒子との混合物からなる中間層を介して、ＦｅやＡｌ、Ｎｉ等の金属又はそれらの合金の溶射被覆層からなるトップコートを形成してなるプラスチック基複合材料が記載されている。【００１２】  これら特許文献２〜５は、繊維強化プラスチック材料と被覆層の間に下地層や中間層を設けたものであるが、繊維強化プラスチック複合材料と被覆層との接着強度が充分ではない。特に、１００℃を超える温度条件下では、接着力が低下し、皮膜剥離、クラック等の問題が生じていた。【００１３】  特許文献６（特開２００６−１５０５９５号公報）には、炭素繊維強化プラスチックに、中間層として粗面形成剤を使用し、さらにアルミニウム−亜鉛からなるアンダーコート層を設け、該アンダーコートの表面に最終目的とするセラミックス、金属、サーメットを溶射した被覆層を設けることが記載されている。【００１４】  この特許文献６においても、１００〜２００℃で使用した場合には、その熱膨張のため、中間層が剥離する恐れがあり、また被覆層が軟質材の場合には密着性に劣る被覆層となってしまった。【００１５】  従って、ロール素管等に用いられる繊維強化プラスチックの耐摩耗性や耐熱性を改善すると共に、高温条件下での基材層と被覆層との強固な接着性を有することが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】  特開平６−１３７３１８号公報
【特許文献２】  特開２００１−２２６７９４号公報
【特許文献３】  特開２００１−２７００１５号公報
【特許文献４】  特開２００１−２４０９５３号公報
【特許文献５】  特開２００６−１３７１４３号公報
【特許文献６】  特開２００６−１５０５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】  従って、本発明の目的は、軽量で、耐熱性及び耐摩耗性や基材層と被覆層との接着性に優れた繊維強化プラスチック基複合材料及びその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】
【００１８】  本発明者らは、検討の結果、基材層として用いられる繊維強化プラスチックの下地層として亜鉛−アルミニウム擬合金皮膜又は亜鉛合金−アル皮膜ミニウム擬合金、中間層としてインバー合金と亜鉛合金の混合皮膜をそれぞれ用い、被覆層としてインバー合金皮膜を用いることによって、上記課題を解決できることを知見し、本発明に至った。【００１９】  すなわち、本発明は、繊維強化プラスチック基材の表面に下地層及び中間層を介して被覆層を有し、該下地層が亜鉛−アルミニウム擬合金皮膜又は亜鉛合金−アルミニウム擬合金皮膜、該中間層がインバー合金と亜鉛合金の混合皮膜からそれぞれなり、該被覆層がインバー合金皮膜により形成されていることを特徴とする繊維強化プラスチック基複合材料を提供するものである。【００２０】  本発明に係る上記繊維強化プラスチック基複合材料において、上記インバー合金の組成が、６３．５重量％Ｆｅ−３６．５重量％Ｎｉ、６３重量％Ｆｅ−３２重量％Ｎｉ−５重量％Ｃｏ、３６．５重量％Ｆｅ−５４重量％Ｃｏ−９．５重量％Ｃｒから選択されることが望ましい。【００２１】  本発明に係る上記繊維強化プラスチック基複合材料は、上記被覆層を形成するインバー合金皮膜の表面にクロムメッキ皮膜を有することが望ましい。【００２２】  本発明に係る上記繊維強化プラスチック基複合材料は、上記被覆層を形成するインバー合金皮膜の表面にセラミック皮膜又はサーメット皮膜を有することが望ましい。【００２３】  本発明は、繊維強化プラスチックの表面をブラスト、洗浄した後、亜鉛−アルミニウム擬合金又は亜鉛合金−アルミニウム擬合金を溶射して下地処理層を設け、さらに溶射によりインバー合金と亜鉛合金の混合皮膜からなる中間層を設け、次いでインバー合金を溶射して被覆層を形成することを特徴とする繊維強化プラスチック基複合材料の製造方法を提供するものである。【００２４】  本発明に係る上記繊維強化プラスチック基複合材料の製造方法において、上記インバー合金の組成が、６３．５重量％Ｆｅ−３６．５重量％Ｎｉ、６３重量％Ｆｅ−３２重量％Ｎｉ−５重量％Ｃｏ、３６．５重量％Ｆｅ−５４重量％Ｃｏ−９．５重量％Ｃｒから選択されることが望ましい。【００２５】  本発明に係る上記繊維強化プラスチック基複合材料の製造方法では、上記被覆層を形成した後、上記被覆層を形成するインバー合金皮膜の表面に、クロムメッキを施し、クロムメッキ皮膜を形成することが望ましい。【００２６】  本発明に係る上記繊維強化プラスチック基複合材料の製造方法では、上記被覆層を形成した後、上記被覆層を形成するインバー合金皮膜の表面に、溶射によって、金属皮膜、セラミック皮膜又はサーメット皮膜を形成することが望ましい。【００２７】  本発明に係る上記繊維強化プラスチック基複合材料は、ロール部材として用いられる。
【発明の効果】
【００２８】  本発明に係る上記繊維強化プラスチック基複合材料は、軽量で、耐摩耗性や基材層と被覆層との接着性に優れると共に、極めて良好な耐熱性を有し、ひび、剥離、クラックが生じることがないので、特に高温域の使用に供することができる。また、本発明に係る製造方法によって、上記繊維強化プラスチック材料が工業的レベルで量産性をもって製造できる。
【発明を実施するための形態】
【００２９】  以下、本発明を実施するための形態について詳述する。
＜本発明に係る繊維強化プラスチック基複合材料＞
まず、本発明に係る繊維強化プラスチック基複合材料について説明する。
【００３０】  本発明に係る繊維強化プラスチック基複合材料は、基材層である繊維強化プラスチックの表面に、下地層及び中間層を介して被覆層を有する。
【００３１】  基材層である繊維強化プラスチックに用いられる強化繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維等の無機繊維やポリアミド繊維、ポリイミド繊維等の有機繊維が用いられる。特に、軽量、高強度、高剛性の用途には、炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維が好ましく用いられる。
【００３２】  基材層である繊維強化プラスチックに用いられるマトリックス樹脂としては、特に限定されないが、フェノール樹脂、エステル樹脂、エポキシ樹脂、イミド樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート等の熱可塑性樹脂が目的に応じて適宜選択される。
【００３３】  この繊維強化プラスチックには、所望に応じてシリカ、タルク等の無機粉末や鉄、アルミニウム等の金属粉末を含有することができる。
【００３４】  この繊維強化プラスチックは所望の形状に成形される。例えばロール等の用途に用いるため円筒状に成形するには、強化繊維などに樹脂を含浸させた後、フィラメントワインディング法によって成形するか、引き揃えた強化繊維束に樹脂が含浸されたシート状プリプレグをマンドレルに巻き付け、加熱、加圧して成形する。
【００３５】  基材層である繊維強化プラスチックの表面に直接形成される下地層は、亜鉛−アルミニウム擬合金（複合金属）皮膜又は亜鉛合金−アルミニウム擬合金皮膜からなる。亜鉛とアルミニウム比率は、体積比として概ね５０：５０、質量比として概ね７２：２８である。この下地層の厚みは５０〜２００μｍであることが好ましい。
【００３６】  中間層は下地層の表面に形成され、インバー合金と亜鉛合金の混合皮膜にからなる。ここでインバー合金（不変鋼）とは、常温付近で熱膨張率の小さい合金であり、その熱膨張係数はセラミックとほぼ同様であり、１５０℃程度の温度条件下では、熱変形を生じない。インバー合金は上記物性を有するものであれば特に限定されないが、具体的な組成としては６３．５重量％Ｆｅ−３６．５重量％Ｎｉ、６３重量％Ｆｅ−３２重量％Ｎｉ−５重量％Ｃｏ、３６．５重量％Ｆｅ−５４重量％Ｃｏ−９．５重量％Ｃｒから選択されるものが挙げられる。
【００３７】  また、亜鉛合金としては、一般にＺＡＳ材と呼ばれるもので、Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金等が挙げられる。この中間層の厚みは０．０８〜０．１２ｍｍであることが好ましい。
【００３８】  被覆層は中間層の表面に形成され、上記中間層で用いられるインバー合金皮膜からなり、ある程度の厚みであっても操業中にロールにシワ、剥離、クラックが生じない。このような熱膨張係数が小さく、温度に影響されないインバー合金皮膜の厚みは０．５ｍｍ以上、さらには０．５〜２．０ｍｍであることが好ましい。
【００３９】  本発明に係る繊維強化プラスチック基複合材料では、被覆層として用いられるインバー合金皮膜の表面を機械加工後にクロムメッキ皮膜を設けてもよい。このように、クロムメッキ皮膜を設けることによって、耐摩耗性や耐傷性を向上させることができる。このクロムメッキ皮膜の厚みは０．０１〜０．０４ｍｍであることが好ましい。
【００４０】  本発明に係る繊維強化プラスチック基複合材料では、被覆層として用いられるインバー合金皮膜の表面に金属皮膜を設けてもよい。金属としてはＡｌ、ＳＵＳ、超合金等が挙げられる。このように低熱膨張のインバー層上に金属皮膜を設けることによって、１５０〜２００℃の高温領域の使用環境でも繰り返し応力に対して強い皮膜となっている。このセラミック皮膜の厚みは０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。
【００４１】  本発明に係る繊維強化プラスチック基複合材料では、被覆層として用いられるインバー合金皮膜の表面にセラミック皮膜を設けてもよい。セラミックとしてはＡｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２等が挙げられる。このように低熱膨張のインバー層上にセラミックス皮膜を設けることによって、１５０〜２００℃の高温領域の使用環境でも繰り返し応力に対して強い皮膜となっている。このセラミック皮膜の厚みは０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。
【００４２】  本発明に係る繊維強化プラスチック基複合材料では、被覆層として用いられるインバー合金皮膜の表面にサーメット皮膜を設けてもよい。サーメットとしてはＷＣ−Ｃｏ、ＷＣ−ＮｉＣｒ、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ、ＴｉＣ、ＮｂＣ等が挙げられる。このようにサーメット皮膜を設けることによって、高硬度の表面を得ることができる。このサーメット皮膜の厚みは０．２〜０．６ｍｍであることが好ましい。
【００４３】  ＜本発明に係る繊維強化プラスチック基複合材料の製造方法＞
本発明の製造方法では、フィラメントワインディング法等により円筒状等に成形された繊維強化プラスチックの表面をブラスト、洗浄した後、亜鉛−アルミニウム擬合金又は亜鉛合金−アルミニウム擬合金皮膜をアーク溶射して下地層を設ける。次いで、インバー合金と亜鉛合金（ＺＡＳ材）を溶射し、インバー合金と亜鉛合金との混合皮膜からなる中間層を下地層の表面に設ける。
【００４４】  その後、インバー合金を溶射し、被覆層を形成し、本発明に係る繊維強化プラスチック基複合材料を製造する。この繊維強化プラスチック基複合材料は、温度に影響されないで精度を保った表面が得られる。
【００４５】  本発明では、必要に応じて、被覆層を形成するインバー合金皮膜の表面を研削、研磨等によって、表面性及び寸法精度を向上させた後、クロムメッキ皮膜、金属皮膜、セラミック皮膜、サーメット皮膜を形成する。
【００４６】  クロムメッキ皮膜は、ハードメッキにより得られ、目的とする表面性を得る。金属皮膜はアーク溶射、プラズマ溶射、ＨＶＯＦにより皮膜が得られる。セラミック皮膜はプラズマ溶射で得られ、高温域での使用においても強い皮膜が得られる。サーメット皮膜はＨＶＯＦによる溶射により得られ、高強度の皮膜を得ることができる。
【００４７】  以下、実施例等に基づいて本発明を具体的に説明する。
【実施例】
【実施例１】
【００４８】  フィラメントワインディング法等により円筒状等に成形された炭素繊維強化プラスチック（マトリックス樹脂：エポキシ樹脂）の外表面をホワイトアルミナ＃６０〜８０で全面ブラストし、次いで表面に発生したカーボンを洗浄した。【００４９】  このブラスト、洗浄した炭素繊維強化プラスチックの外表面に、亜鉛−アルミニウム擬合金をアーク溶射して厚み１００μｍの下地層を設けた。次いで、インバー合金（６３．５重量％Ｆｅ−３６．５重量％Ｎｉ）と亜鉛合金（ＺＡＳ材：Ｚｎ−Ａｌ合金）を溶射して厚み０．１ｍｍのインバー合金と亜鉛合金の混合皮膜からなる中間層を設けた。【００５０】  次に、インバー合金（６３．５重量％Ｆｅ−３６．５重量％Ｎｉ）を溶射して中間層の表面に厚さ０．７ｍｍのインバー合金皮膜からなる被覆層を形成し、繊維強化プラスチック基複合材料を製造した。
【実施例２】
【００５１】  実施例１で得られた繊維強化プラスチック基複合材料の被覆層（インバー合金皮膜）の表面を研削、研磨した後、クロムメッキを施し、厚さ０．０３ｍｍのクロムメッキ皮膜を形成し、繊維強化プラスチック基複合材料を製造した。
【実施例３】
【００５２】  実施例１と同様にして得られた繊維強化プラスチック基複合材料の被覆層（インバー合金皮膜、厚さ０．２〜０．４ｍｍ）の表面に、プラズマ溶射により厚さ０．３ｍｍのセラミック（Ａｌ２Ｏ３）皮膜を形成し、繊維強化プラスチック基複合材料を製造した。
【実施例４】
【００５３】  実施例１と同様にして得られた繊維強化プラスチック基複合材料の被覆層（インバー合金皮膜、厚さ０．２〜０．４ｍｍ）の表面に、ＨＶＯＦによる溶射により厚さ０．５ｍｍのサーメット（ＷＣ）皮膜を形成し、繊維強化プラスチック基複合材料を製造した。【００５４】［比較例１］
中間層として、粗面形成剤（アルミナ粒子）を含むエポキシ系接着剤を用いた以外は、実施例１と同様の方法によって繊維強化プラスチック基複合材を製作した。【００５５】［比較例２］
中間層として、粗面形成剤（アルミナ粒子）を含むエポキシ系接着剤を用いた以外は、実施例２と同様の方法によって繊維強化プラスチック基複合材を製作した。【００５６】［比較例３］
中間層として、エポキシ樹脂７０重量％とＳｉＯ２粒子（平均粒径３０μｍ）３０重量％との混合物を用いた以外は、実施例３と同様の方法によって繊維強化プラスチック基複合材を製作した。【００５７】［比較例４］
実施例１と同様にして得られた炭素繊維強化プラスチックの外表面に、Ｎｉメッキ（１０μｍ）を施し、その表面に、ＨＶＯＦによる溶射により厚さ０．５ｍｍのサーメット（ＷＣ）皮膜を形成し、繊維強化プラスチック基複合材料の製造を試みた。【００５８】  しかし、ＨＶＯＦによる溶射中の熱のみで剥離が発生し、繊維強化プラスチック基複合材料の製造それ自体が不可能であった。【００５９】  実施例１〜４及び比較例１〜３で得られた繊維強化プラスチック基複合材料について、下記の方法によって耐熱性の評価を行った。【００６０】  ［耐熱性］
試験１
常温（２０℃）→１５０℃→常温（２０℃）で２０回のサイクルテストを行い、目視により表面を観察した。その後、カッターにて切断し、断面変化を目視により観察した。
試験２
常温（２０℃）→２００℃→水中で１０回のサイクルテストを行い、目視により表面を観察した。その後、カッターにて切断し、断面変化を目視により観察した。【００６１】  この結果、実施例１〜４は、試験１及び２のいずれにおいても、目視による表面変化は認められず、断面も変化はなかった。これに対し、比較例１〜３は試験１及び２において、目視により表面及び中間層との間に剥離が認められた。
【産業上の利用可能性】
【００６２】  上述したように、本発明に係る繊維強化プラスチック基複合材料は、軽量で、耐摩耗性や基材層と被覆層との接着性に優れると共に、極めて良好な耐熱性を有することから、特に高温域の使用に供することができる。また、本発明に係る製造方法によって、上記繊維強化プラスチック材料が工業的レベルで量産性をもって製造できる。【００６３】  このような本発明に係る繊維強化プラスチック基複合材料は、高温域でも良好な耐熱性を有することから、高温で使用される各種のロールとして好適に使用することができる。