(57)【要約】【課題】炭素繊維強化樹脂の特性を充分に生かしつつ、剛性を確保することができる集成材およびその製造方法を提供する。【解決手段】集成材１では、外力を受けた場合に、杉材２に圧縮応力が生じると共に、炭素繊維強化樹脂４に引張応力が生じる。ここで、炭素繊維強化樹脂４は引張強度に優れた特性を有しており、杉材２も所定の圧縮強度を有する。よって、外力に対する剛性が確保される。しかも、引張応力に対しては炭素繊維強化樹脂４が寄与するため、炭素繊維強化樹脂４の特性が充分に生かされている。さらに、発泡材３を用いる分、軽量化が図られると共に、杉材２が表面層をなすため、見映え、肌触り、匂いにおいて優れている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の部材が積層されてなる集成材であって、
木材によって形成され、表面層をなす第１部材と、
炭素繊維強化樹脂によって形成され、前記第１部材の裏面側に配置された第２部材と、
発泡体によって形成され、前記第２部材が接合された第３部材と、を有し、
外力を受けた場合に、前記第１の部材には圧縮応力が生じると共に、前記第２の部材には引張応力が生じることを特徴とする集成材。
【請求項２】
前記第１〜第３部材は板状をなしており、
前記第１部材と前記第２部材との間に前記第３部材が配置され、
前記第１部材および前記第２部材は、前記第３部材の表面側および裏面側にそれぞれ接合されている請求項１記載の集成材。
【請求項３】
前記第３部材は柱状をなしており、
前記第２部材は前記第３部材の外周側に接合されると共に、前記第１部材は前記第２部材の外周側に接合されている請求項１記載の集成材。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項記載の集成材の製造方法であって、
前記第３部材に常温硬化型の樹脂を塗布する工程と、
前記第３部材に前記第２部材を構成するカーボン繊維を貼る工程と、
前記カーボン繊維を前記第３部材に向けて押圧すると共に前記常温硬化型樹脂を硬化させ、前記第２部材を形成する工程と、を含むことを特徴とする集成材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木材および炭素繊維強化樹脂を用いた集成材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載されるように、木材からなる芯材の外周に炭素繊維強化樹脂を巻きつけ、その炭素繊維樹脂の表面に木材を貼付した四角柱状の集成材が知られている。この集成材では、複数の木材を積層して芯材を形成しており、複数の木材における繊維の方向は平行になっている。さらに、木材の繊維の方向に対し、ほぼ垂直方向または交差する方向に炭素繊維樹脂の繊維を配置している。
【０００３】
このような構成により、下記特許文献１に記載の集成材は、高剛性かつ軽量とされ、大型建築物の構造材として適用可能になっている。また、炭素繊維樹脂の利用により、天然木材の使用量が低減されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１２２１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した従来の集成材では、木材が積層されてなる芯材と、炭素繊維強化樹脂との両方によって剛性を確保している。すなわち、炭素繊維強化樹脂は、剛性を確保するため、あくまで補助的に用いられるに過ぎない。このように、従来の集成材では、炭素繊維強化樹脂の特性を充分に生かすことができなかった。
【０００６】
本発明は、炭素繊維強化樹脂の特性を充分に生かしつつ、剛性を確保することができる集成材およびその製造方法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】
【０００７】
本発明に係る集成材は、複数の部材が積層されてなる集成材であって、木材によって形成され、表面層をなす第１部材と、炭素繊維強化樹脂によって形成され、第１部材の裏面側に配置された第２部材と、発泡体によって形成され、第２部材が接合された第３部材と、を有し、外力を受けた場合に、第１の部材には圧縮応力が生じると共に、第２の部材には引張応力が生じることを特徴とする。
【０００８】
この集成材によれば、外力を受けた場合に、木材によって形成された第１部材には圧縮応力が生じると共に、炭素繊維強化樹脂によって形成された第２部材には引張応力が生じる。ここで、炭素繊維強化樹脂は引張強度に優れた特性を有している。また、木材も所定の圧縮強度を有する。よって、外力に対する剛性を確保することができる。しかも、引張応力に対しては炭素繊維強化樹脂からなる第２部材が寄与するため、炭素繊維強化樹脂の特性が充分に生かされる。さらに、発泡体によって形成された第３部材を用いる分、軽量化が図られる。また、木材によって形成された第１部材が表面層をなすため、見映え、肌触り、匂いにおいて優れている。露出した第１部材は、集成材が配置された雰囲気中の湿度を吸収する機能も兼ね備える。
【０００９】
また、第１〜第３部材は板状をなしており、第１部材と第２部材との間に第３部材が配置され、第１部材および第２部材は、第３部材の表面側および裏面側にそれぞれ接合されていると好適である。この場合、発泡体から形成された第３部材が第１部材と第２部材とによってサンドイッチされ、板状の集成材が形成される。これにより、例えば建物の床材や家具材などに適した高剛性で軽量の板状部材が実現される。
【００１０】
また、第３部材は柱状をなしており、第２部材は第３部材の外周側に接合されると共に、第１部材は第２部材の外周側に接合されていると好適である。この場合、発泡体から形成された柱状の第３部材を芯材とする柱状の集成材が形成される。これにより、例えば建物の柱材や手すりなどに適した高剛性で軽量の柱状部材が実現される。
【００１１】
また、本発明に係る集成材の製造方法は、上記の集成材の製造方法であって、第３部材に常温硬化型の樹脂を塗布する工程と、第３部材に第２部材を構成するカーボン繊維を貼る工程と、カーボン繊維を第３部材に向けて押圧すると共に常温硬化型樹脂を硬化させ、第２部材を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
この製造方法によれば、常温硬化型の樹脂が塗布された第３部材にカーボン繊維を貼り、常温硬化型の樹脂の硬化によって、第２部材が形成されると共に第２部材が第３部材に接合される。よって、加熱用の炉が不要であると共に、炭素繊維強化樹脂を成形するための型も不要である。また、常温で第２部材を接合するため、加熱した場合に生じ得る木材の熱膨張を防止することができる。また、常温硬化型の樹脂が第２部材のマトリックス樹脂と第２部材を第３部材に接合するための樹脂とを兼ねるため、製造コストの低減が図られる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、炭素繊維強化樹脂の特性を充分に生かしつつ、剛性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る集成材の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の集成材に外力が作用した場合に生じる応力の説明図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、図１の集成材の製造手順を示す斜視図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、図３に続く製造手順を示す斜視図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、図４に続く製造手順を示す斜視図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、図５に続く製造手順を示す斜視図である。
【図７】本発明に係る集成材の第２実施形態を示す斜視図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、図７の集成材の製造手順を示す斜視図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、図８に続く製造手順を示す斜視図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、図９に続く製造手順を示す斜視図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は、図１０に続く製造手順を示す斜視図である。
【図１２】本発明に係る集成材の第３実施形態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１に示すように、集成材１は、複数の部材２〜４が積層されてなる３層構造の板材である。集成材１は、軽量かつ高剛性であり、例えば建物の床材や家具材として用いられる。集成材１が建物や家具に用いられた状態では、杉材（第１部材）２が外部に露出している。集成材１は、このような木目の表面により、優れた外観を有している。
【００１７】
集成材１は、表面層をなす板状の杉材２と、杉材２の裏面側に接合された板状の発泡材（第３部材）３と、発泡材３の裏面側に接合された板状の炭素繊維強化樹脂（第２部材）４とを有している。言い換えれば、発泡材３は、杉材２と炭素繊維強化樹脂４との間に配置され、杉材２および炭素繊維強化樹脂４は、発泡材３の表面側および裏面側にそれぞれ接合されている。
【００１８】
上記のように、集成材１は、杉材２と炭素繊維強化樹脂４とによって発泡材３をサンドイッチした構造になっている。杉材２、発泡材３、および炭素繊維強化樹脂４は、大きさの等しい直方体形状をなしている。杉材２と発泡材３、および、発泡材３と炭素繊維強化樹脂４は、常温硬化型の樹脂を介してそれぞれ互いに接着されている。この常温硬化型の樹脂は、炭素繊維強化樹脂４のマトリックス樹脂を兼ねている。常温硬化型の樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などを用いることができる。
【００１９】
杉材２は、最表面の層を構成している。杉材２としては特に種類は限られないが、例えば天竜杉が適している。杉材２の厚みは、例えば５〜２０ｍｍ程度である。なお、第１部材を形成する木材としては、杉材に限られず、例えば檜材や松材などを用いてもよい。
【００２０】
発泡材３は、発泡体によって形成されている。発泡材３としては、例えばポリウレタンフォームやポリスチレンフォーム等を用いることができる。発泡材３の厚みは、例えば５ｍｍ程度である。発泡材３としては、軽量で且つ所定の成形性を有する材料であれば、いかなる材料を用いてもよい。発泡材３は、耐熱性を有することが好ましい。
【００２１】
炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ；Carbon  Fiber  Reinforced  Plastics）４は、シート状のカーボン繊維にマトリックス樹脂を含浸させて硬化させたものである。前述したように、炭素繊維強化樹脂４のマトリックス樹脂は常温硬化型の樹脂であり、発泡材３に対して炭素繊維強化樹脂４を接合する機能を兼ねている。炭素繊維強化樹脂４は、例えば１〜８枚のＣＦＰＲシートが積層されてなる。炭素繊維強化樹脂４の厚みは、例えば０．２５〜２ｍｍ程度である。各ＣＦＰＲシートを構成するカーボン繊維は、繊維の方向を交差させたいわゆる平織り材である。なお、集成材１が用いられる場所によっては、一方向に繊維を配置したＵＤ（Uni-Directional）材を用いることもできる。ＵＤ材を用いる場合、高い引張強度が求められる方向に繊維を配置する。
【００２２】
図２は、集成材１に外力が作用した場合に生じる応力の説明図である。図２に示すように、集成材１の表面側（杉材２側）から裏面側（炭素繊維強化樹脂４側）へ向けて外力が作用すると、杉材２には圧縮応力が生じると共に、炭素繊維強化樹脂４には引張応力が生じる。炭素繊維強化樹脂４は引張強度に優れているため、この外力に対して集成材１は非常に高い剛性を有する。集成材１によれば、従来の板材に比して、最大曲げ応力が大幅に向上する。
【００２３】
続いて、集成材１の製造方法を説明する。図３〜図６は、集成材１の製造手順を示す斜視図である。まず、図３（ａ）に示すように、杉材２を用意する。次に、図３（ｂ）に示すように、杉材２の接着面、すなわち発泡材３に対して接合される裏面に常温硬化型のエポキシ樹脂を塗布する。
【００２４】
次に、図４（ａ）に示すように、発泡材３の表面にも常温硬化型のエポキシ樹脂を塗布する。さらに、図４（ｂ）に示すように、杉材２の裏面と発泡材３の表面とを合わせるようにして、杉材２に発泡材３を貼り合わせる。
【００２５】
次に、図５（ａ）に示すように、発泡材３の裏面に常温硬化型のエポキシ樹脂を塗布する。次に、図５（ｂ）に示すように、発泡材３の裏面にカーボン繊維６を貼り合わせる。
【００２６】
次に、図６（ａ）に示すように、ドライヤーなどを用いてカーボン繊維６に温風を吹きつけ、カーボン繊維６を６０〜８０℃に加熱しつつ、ローラー７を用いて脱泡する。このとき、エポキシ樹脂の粘土が低下してカーボン繊維６の空隙にエポキシ樹脂が浸み込むことにより、エポキシ樹脂がマトリックス樹脂としてカーボン繊維６に含浸される。次に、図６（ｂ）に示すように、カーボン繊維６を発泡材３に向けて押圧する。そして、樹脂の硬化後、炭素繊維強化樹脂４が形成され、図１に示した集成材１が成形される。樹脂の硬化温度および硬化時間は、例えば２５℃で２４時間である。なお、３０℃で１５時間としてもよい。
【００２７】
以上説明した集成材１によれば、外力を受けた場合に、杉材２には圧縮応力が生じると共に、炭素繊維強化樹脂４には引張応力が生じる（図２参照）。ここで、炭素繊維強化樹脂４は引張強度に優れた特性を有しており、杉材２も所定の圧縮強度を有する。よって、外力に対する剛性が確保される。しかも、引張応力に対しては炭素繊維強化樹脂４が寄与するため、炭素繊維強化樹脂４の特性が充分に生かされている。さらに、発泡材３を用いる分、軽量化が図られている。また、杉材２が表面層をなすため、見映え、肌触り、匂いにおいて優れている。炭素繊維強化樹脂４は杉材２に隠れて見えないため、炭素繊維強化樹脂４が外観に影響を及ぼすこともない。露出した杉材２は、集成材１が配置された雰囲気中の湿度を吸収する機能も兼ね備えている。
【００２８】
また、発泡材３が杉材２と炭素繊維強化樹脂４とによってサンドイッチされ、板状の集成材１が形成されるので、例えば建物の床材や家具材などに適した高剛性で軽量の板状部材が実現される。
【００２９】
また、上述した集成材１の製造方法によれば、常温硬化型の樹脂が塗布された発泡材３にカーボン繊維６を貼り、常温硬化型の樹脂の硬化によって、炭素繊維強化樹脂４が形成されると共に炭素繊維強化樹脂４が発泡材３に接合される。よって、加熱用の炉が不要であると共に、炭素繊維強化樹脂４を成形するための型も不要である。また、常温で炭素繊維強化樹脂４を接合するため、加熱した場合に生じ得る杉材２の熱膨張を防止することができる。また、常温硬化型の樹脂が炭素繊維強化樹脂４のマトリックス樹脂と炭素繊維強化樹脂４を発泡材３に接合するための樹脂とを兼ねるため、製造コストの低減が図られている。
【００３０】
なお、杉材２が熱膨張した場合であっても、集成材１およびその製造方法によれば、杉材２と炭素繊維強化樹脂４との間に発泡材３を介在させる構成のため、杉材２のズレやはがれを防止することができる。杉材２と炭素繊維強化樹脂４とを直接貼り合わせる場合には、杉材２の変形により炭素繊維強化樹脂４が杉材２から剥がれてしまうおそれがあるが、集成材１およびその製造方法では、そのような事態が防止される。
【００３１】
図７は、集成材の第２実施形態を示す斜視図である。この集成材１０は、芯材としての角柱状の発泡材（第３部材）１３と、この発泡材１３の外周側に接合された角筒状の炭素繊維強化樹脂（第２部材）１４と、炭素繊維強化樹脂１４の外周側に接合された角筒状の杉材（第１部材）１２とを有している。すなわち、集成材１０は、３層構造の柱材である。炭素繊維強化樹脂１４は、発泡材１３の外周面に１枚〜数枚のカーボン繊維が巻き付けられて形成される。また、杉材１２は、カーボン繊維の４面に４枚の杉材が貼り付けられて形成される。発泡材１３と炭素繊維強化樹脂１４、および、炭素繊維強化樹脂１４と杉材１２は、集成材１と同様、常温硬化型のエポキシ樹脂を介してそれぞれ互いに接着されている。
【００３２】
図８〜図１１は、集成材１０の製造手順を示す斜視図である。まず、図８（ａ）に示すように、発泡材１３を用意する。ここでは、発泡材１３の角をＣ５〜Ｃ１０で面取りする。次に、図８（ｂ）に示すように、発泡材１３の外周面に常温硬化型のエポキシ樹脂を塗布する。
【００３３】
次に、図９（ａ）に示すように、発泡材１３の外周面に１枚〜数枚のカーボン繊維１６を巻き付けて貼る。さらに、図９（ｂ）に示すように、カーボン繊維１６の表面に常温硬化型のエポキシ樹脂を塗布する。
【００３４】
次に、図１０（ａ）に示すように、ドライヤーなどを用いてカーボン繊維１６に温風を吹きつけ、カーボン繊維１６を６０〜８０℃に加熱しつつ、ローラー７を用いて脱泡する。このとき、エポキシ樹脂の粘土が低下してカーボン繊維１６の空隙にエポキシ樹脂が浸み込むことにより、エポキシ樹脂がマトリックス樹脂としてカーボン繊維１６に含浸される。次に、図１０（ｂ）に示すように、板状の杉材１２を用意し、杉材１２の接着面、すなわちカーボン繊維１６に対して接合される裏面に常温硬化型のエポキシ樹脂を塗布する。
【００３５】
次に、図１１（ａ）に示すように、カーボン繊維１６の表面に４枚の杉材１２を順次貼り付ける。次に、図１１（ｂ）に示すように、クランプ８などを用いて杉材１２の表面側から圧力をかけ、杉材１２およびカーボン繊維１６を発泡材１３に向けて押圧する。そして、樹脂の硬化後、炭素繊維強化樹脂１４が形成され、図７に示した集成材１０が成形される。樹脂の硬化温度および硬化時間は、例えば２５℃で２４時間である。なお、３０℃で１５時間としてもよい。
【００３６】
この集成材１０によれば、外力を受けた場合に、杉材１２には圧縮応力が生じると共に、炭素繊維強化樹脂１４には引張応力が生じ、第１実施形態の集成材１と同様の作用効果を得ることができる。また、発泡材１３を芯材とする柱状の集成材が形成されることで、例えば建物の柱材などに適した高剛性で軽量の角柱状部材が実現される。
【００３７】
図１２は、集成材の第３実施形態を示す斜視図である。この集成材２０は、芯材としての円柱状の発泡材（第３部材）２３と、この発泡材２３の外周側に接合された円筒状の炭素繊維強化樹脂（第２部材）２４と、炭素繊維強化樹脂２４の外周側に接合された円筒状の杉材（第１部材）２２とを有している。すなわち、集成材２０は、３層構造の棒材である。発泡材２３と炭素繊維強化樹脂２４、および、炭素繊維強化樹脂２４と杉材２２は、集成材１と同様、常温硬化型のエポキシ樹脂を介してそれぞれ互いに接着されている。
【００３８】
このような集成材２０によっても、集成材１，１０と同様の作用効果を得ることができる。また、例えば建物の手すりなどに適した高剛性で軽量の円柱状部材が実現される。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、集成材１の表面側のみならず、裏面側を杉材で覆ってもよい。この場合、裏面側の炭素繊維強化樹脂が露出することなく杉材によって覆われるため、裏面における見映えなども向上する。
【符号の説明】
【００４０】
１…集成材、２…杉材（第１部材）、３…発泡材（第３部材）、４…炭素繊維強化樹脂（第２部材）、６…カーボン繊維、１０，２０…集成材、１２，２２…杉材（第１部材）、１３，２３…発泡材（第３部材）、１４，２４…炭素繊維強化樹脂（第２部材）、１６…カーボン繊維。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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