(57)【要約】【課題】竹繊維を強化材とした複合素材の更なる強度向上を図った金属被覆強化材料及びその製造方法を提供する。【解決手段】金属被覆強化材料１０は、高分子材料１２に解繊した竹繊維１１が混入された複合素材１４の表面に、金属被覆層１３が形成されており、金属被覆層１３は、金属被覆層１３の表面側に形成されるクロム層１５、クロム層１５の下側に形成されるニッケル層１６、ニッケル層１６の下側に形成される銅層１７を有している。また、竹繊維１１は、竹を１８０〜３２０℃の温度の常圧過熱水蒸気で加熱処理した後、解繊して得られ、熱重量減少の微分曲線が３００〜４００℃の温度範囲に単一のピークを有し、繊維長１０００μｍ以下の繊維の含有量が８０質量％以上であり、平均アスペクト比が５以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子材料に解繊した竹繊維が混入された複合素材の表面に、金属被覆層が形成されていることを特徴とする金属被覆強化材料。
【請求項２】
請求項１記載の金属被覆強化材料において、前記金属被覆層は、少なくとも２種類の金属でそれぞれ形成された金属層を有していることを特徴とする金属被覆強化材料。
【請求項３】
請求項２記載の金属被覆強化材料において、前記金属被覆層は、銅層、ニッケル層、及びクロム層から任意に選択された２以上の組合わせから形成されていることを特徴とする金属被覆強化材料。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属被覆強化材料において、前記竹繊維と前記高分子材料の配合比率が、質量比で、竹繊維：高分子材料＝７０：３０〜５：９５であることを特徴とする金属被覆強化材料。
【請求項５】
高分子材料に解繊した竹繊維が混入された複合素材を金属被覆層によって強化した金属被覆強化材料の製造方法であって、
竹を１８０〜３２０℃の温度の常圧過熱水蒸気で加熱処理した後、解繊して得られ、熱重量減少の微分曲線が３００〜４００℃の温度範囲に単一のピークを有し、繊維長１０００μｍ以下の繊維の含有量が８０質量％以上であり、平均アスペクト比が５以上である前記竹繊維を強化材に用いて前記高分子材料との複合素材を造り、該複合素材の表面に前記金属被覆層を形成することを特徴とする金属被覆強化材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子材料（樹脂）に竹繊維を強化材として加えた複合素材の表面に金属被覆層が形成された金属被覆強化材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂は優れた諸特性を有するので、様々な用途に使用されている。例えば、熱可塑性樹脂は、射出成型機を用いることにより、容易に所望の形状に成型できる利点を有するため、軽量で強度を有する樹脂部材の量産化が安価で可能である。
近年、樹脂部材の更なる強度向上が求められるようになり、樹脂自体の強度向上を図る開発が鋭意進められている。しかしながら、樹脂の強度向上には多大な技術開発費が必要であり、強度向上には自ずと限界もある。そこで、樹脂に、強化材としてタルクやシリカ等のセラミック系微粒子、高純度炭素繊維やガラス繊維等の無機繊維、又は植物繊維等の有機系繊維を混ぜ込んで強度向上を図る手法が提案されている。例えば、特許文献１にはポリカーボネート樹脂にガラス繊維を加えて形成する技術が、特許文献２には熱可塑性樹脂に、セルロース、リグニン等の成分を含有する植物繊維とイソシアネート系樹脂を共に加えて加熱混練する技術が提案されている。
【０００３】
竹は、豊富に存在するバイオマス資源の一つであると共に、その長手方向に維管束が並んだ一方向強化材となっている。そして、一つの維管束は、四つの維管束鞘と複数の導管や師管から構成されている。維管束鞘は、厚壁細胞からなる竹繊維が一方向に並んだ集合体であり、繊維断面にほとんど空孔が見られず、この一方向に並んだ竹繊維が竹の強度を支えている。このため、竹から取り出した竹繊維を強化材に用いることにより、強度特性に優れた繊維強化樹脂を安価に製造できることが期待される。
【０００４】
竹から竹繊維を分離して取り出すには、竹の硬い構造を解きほぐす必要があるため、竹を破砕あるいは粉砕するための物理的方法が多数開示されている。例えば、ギア又はスクリュウ歯合の揉摺機を用いて常温で綿状に竹を揉摺する技術、表面の硬い部分を研削した後に、幹材を等間隔に分割して複数の板状竹材を形成し、更にこの板状竹材を粉砕して粉末にする技術、特殊な回転切削歯を持った竹粉製造装置やオガ粉製造装置を使って竹を粉砕し、篩分けして一定サイズ以下の竹粉を回収すると共に、篩上に存在するサイズの大きい竹粉をオガ粉製造装置に戻して再粉砕する技術等が開示されている。
【０００５】
一方、例えば、特許文献３には、所定長さに切断した天然の竹材を耐圧が１０ｋｇ／ｃｍ２の圧力容器に入れ、１００℃以上、例えば、１７０〜１７５℃の温度とその温度に対応する圧力の水蒸気による加熱加圧操作と、圧力を急激に解放する減圧操作を繰り返すことにより、竹繊維相互を分離させる竹繊維の製造方法が開示されている。
また、竹繊維を化学的に製造する方法として、例えば、特許文献４には、竹を予めチップ状にまで切断処理し、次に二酸化硫黄又は硫酸の存在下で１００〜２００℃の水又は水蒸気を用いて予備加水分解を行った後、水、アルカリ及びアントラキノンからなる薬液で蒸解してパルプ化する（竹繊維を分離する）技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１５５４５９号公報
【特許文献２】特開２００８−１６３２８４号公報
【特許文献３】特開２００３−１５５６７７号公報
【特許文献４】特表２００８−５０１０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、竹繊維を物理的に製造するためには、特殊な粉砕装置を必要とすると共に、処理に多大な時間を要するという問題がある。また、竹繊維は、繊維方向に長い（アスペクト比の大きい）ため、取り出すことが難しいという問題も生じる。
一方、竹繊維を化学的に製造する特許文献３に示す方法では、圧力容器を使用するため、各種のセンサや制御機器等の付帯設備を設けて安全性が確保された作業を実現しなければならず、製造設備が高価になるという問題がある。そして、スケールアップするためには多額の費用が更に必要になるという問題がある。また、特許文献４に示す方法では、薬液を使用するため、使用した薬液を回収し、無害化処理しなければならないという問題がある。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、竹繊維を強化材とした複合素材の更なる強度向上を図った金属被覆強化材料及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】
【０００９】
前記目的に沿う第１の発明に係る金属被覆強化材料は、高分子材料に解繊した竹繊維が混入された複合素材の表面に、金属被覆層が形成されている。
【００１０】
前記目的に沿う第２の発明に係る金属被覆強化材料の製造方法は、高分子材料に解繊した竹繊維が混入された複合素材を金属被覆層によって強化した金属被覆強化材料の製造方法であって、
竹を１８０〜３２０℃の温度の常圧過熱水蒸気で加熱処理した後、解繊して得られ、熱重量減少の微分曲線が３００〜４００℃の温度範囲に単一のピークを有し、繊維長１０００μｍ以下の繊維の含有量が８０質量％以上であり、平均アスペクト比が５以上である前記竹繊維を強化材に用いて前記高分子材料との複合素材を造り、該複合素材の表面に前記金属被覆層を形成する。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明に係る金属被覆強化材料及び第２の発明に係る金属被覆強化材料の製造方法においては、金属被覆層が形成されていることにより、金属被覆層を形成している金属が有する機械的特性を表面に付加することができ、従来の竹繊維を強化材として用いた複合素材と比較して、強度や硬度等の機械的特性の更なる向上や耐食性能の向上が得られる。また、金属被覆層を設けることにより、金属が有する特徴ある光沢や色調を付加することが可能となる。
従って、本発明に係る金属被覆強化材料は、特に、電気機器や電子機器等の筐体や内部部材、自動車、二輪車、航空機、建材用途等の部品や部材に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る金属被覆強化材料の側断面図である。
【図２】実施例１で作製した金属被覆強化材料の側断面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】同走査型電子顕微鏡写真における（Ａ）は炭素元素、（Ｂ）は酸素元素、（Ｃ）は銅元素、（Ｄ）はニッケル元素、（Ｅ）はクロム元素の分析結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る金属被覆強化材料１０は、竹繊維１１（繊維長１０００μｍ以下の繊維の含有量が８０質量％以上、平均アスペクト比が５以上）を強化材として高分子材料の一例である熱可塑性樹脂１２に混入して製造される複合素材１４の表面に、例えば、厚さが０．０３〜１５０μｍの金属被覆層１３が形成されている。以下、詳細に説明する。
なお、この複合素材１４が、高分子材料に解繊した竹繊維を強化材として混入させた従来の複合材に対応する。
【００１４】
金属被覆層１３は、例えば、３種類の金属でそれぞれ形成された金属層、例えば、金属被覆層１３の表面側に形成されるクロム層１５、クロム層１５の下側に形成されるニッケル層１６、ニッケル層１６の下側（複合素材１４の表面上）に形成される銅層１７とを有している。クロム層１５が存在することにより、複合素材１４に金属光沢を与えると共に、硬度向上、耐食性向上、表面導電性化を図ることができる。
ここで、銅層１７は、複合素材１４の表面を平滑化して、平滑なクロム層１５の形成を達成すると共に、複合素材１４と金属被覆層１３との間の寸法変化量の差に基づく金属被覆層１３の剥離を防止するための下地層である。また、ニッケル層１６は、銅層１７の保護層である。
【００１５】
図１に示すように、金属被覆強化材料１０においては、金属被覆層１３を形成することにより、金属被覆層１３の表層側に設けられたクロム層１５が有する機械的特性を備えた金属被覆強化材料１０が得られ、竹繊維を強化材として高分子材料に配合した従来の複合材（金属被覆層を有さない）と比較して、強度や硬度等の機械的特性の更なる向上や耐食性能の向上が得られる。また、金属被覆層１３の表層側にクロム層１５が形成されていることにより、クロム金属が有する特徴ある光沢や色調を備えた金属被覆強化材料１０が得られると共に、表面に導電性を付与することが可能となる。
【００１６】
続いて、本発明の一実施の形態に係る金属被覆強化材料の製造方法について説明する。
竹繊維１１は、竹を１８０〜３２０℃の温度の常圧過熱水蒸気で加熱処理した後、解繊することにより製造される。ここで、竹の種類は特に限定されず、マダケ、モウソウチク、ハチク等を使用することができる。また、竹繊維１１を取出す竹の部位は、幹、枝、葉、及び根から任意に選択することができるが、セルロース繊維成分が豊富な幹の部分が好適である。
【００１７】
この方法により、アルカリ性薬品や酸性薬品を使用することなく、繊維長１０００μｍ以下の繊維の含有量が８０質量％以上、平均アスペクト比が５以上となって、セルロース繊維含有率が５０質量％以上の竹繊維１１を得ることができる。なお、常圧過熱水蒸気の温度が１８０℃未満では、セルロース同士を結合させる結合剤であるヘミセルロースの除去が不十分となり、加熱して軟化させた熱可塑性樹脂１２中に竹繊維１１を混合して成形用配合物を作製する際に竹繊維１１から分解生成物が発生して作業環境を悪化させると共に、製造した成形用配合物からも分解生成物が発生するため、成形用配合物を成形して形成された複合素材１４中に気孔やき裂が発生する要因となって好ましくない。一方、常圧過熱水蒸気の温度が３２０℃を超えると、セルロースの分解が生じて、竹繊維１１の回収歩留りが低下するため好ましくない。
【００１８】
竹繊維１１において、繊維長が１０００μｍ以下の繊維の含有量を８０質量％以上とすることにより、熱可塑性樹脂１２中に竹繊維１１を均一に分散させることができる。また、竹繊維１１の平均アスペクト比を５以上とすることにより、複合材料のマトリックス（熱可塑性樹脂１２）中からの竹繊維１１の引き抜け効果を大きくする（引き抜き難くする）ことができる。そして、竹繊維１１のセルロース繊維含有率を５０質量％以上とすることにより、竹繊維１１の高強度化を図ることができる。なお、竹繊維１１のセルロース繊維含有率が５０質量％以上であることは、例えば、竹繊維１１の熱重量減少を測定した際、熱重量減少の微分曲線が、１８０〜３２０℃の温度範囲にサブピーク（ヘミセルロースの分解により生じる）を有さず、３００〜４００℃の温度範囲に単一のピーク（セルロースの分解により生じる）を有することで確認できる。
【００１９】
竹繊維１１と熱可塑性樹脂１２との配合比率は、質量比で、竹繊維：熱可塑性樹脂＝７０：３０〜５：９５である。熱可塑性樹脂１２中に含まれる竹繊維１１の含有率が７０質量％を超えると、成形用配合物の成形が困難となるので好ましくない。一方、熱可塑性樹脂１２中に含まれる竹繊維１１の含有率が５質量％未満では、竹繊維１１による強化の効果が薄れ、金属被覆強化材料１０において所望の強度が得られなくなるので好ましくない。
【００２０】
竹繊維１１を熱可塑性樹脂１２中に均一に分散させるには、熱可塑性樹脂１２を熱溶融させて、竹繊維１１にせん断力をかけながら練り込む方法、熱可塑性樹脂１２を溶剤に溶解させた後に竹繊維１１を分散させ、溶剤を気化除去する方法、軟化させた熱可塑性樹脂１２に竹繊維１１を加え、熱した上下対となるロール間を繰り返し通過させながら熱可塑性樹脂１２中に竹繊維１１を練り込む方法等を用いることができる。ここで、熱可塑性樹脂１２としては、２００〜３００℃の温度範囲で軟化する、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂を使用することができる。なお、成形用配合物から複合素材１４を成形する方法には、例えば、射出成形法、押出し成形法、ホットプレス法等を採用することができる。
【００２１】
熱可塑性樹脂１２の代わりに、熱硬化性樹脂を使用することもできる。熱硬化性樹脂を使用する場合は、熱硬化性樹脂のモノマーや硬化前のプレポリマーに竹繊維１１を均一分散させ、成形可能な状態の混合物を金型内に注入して、加熱硬化させて複合素材を形成する。ここで、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂等を使用することができる。
【００２２】
金属被覆層１３は、めっき法により形成することが工業的に有利であるが、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等の他の表面処理法を用いて形成することもできる。金属被覆層１３を、例えば、めっき法により形成する場合、複合素材１４の表面を脱脂洗浄した後、化学エッチングして複合素材１４表層に微細な凹凸を形成する。次いで、無電解めっき反応を進行させるための触媒化処理を行った後、無電解ニッケルめっきを行って、表面を導体化する。そして、導体化された複合素材１４に対して、銅、ニッケル、クロムの順に電気めっきを行う。その結果、複合素材１４の表面上に、銅層１７、ニッケル層１６、クロム層１５を積層状態で形成することができる。ここで、金属被覆層１３（銅層１７、ニッケル層１６、クロム層１５）の厚みは特に限定されないが、銅層１７、ニッケル層１６、クロム層１５の各めっき層の厚みは、０．０１μm〜５０μm、好ましくは、０．１〜３０μm程度である。
【実施例】
【００２３】
（実施例１）
竹を３００℃の温度の常圧過熱水蒸気で加熱処理した後、解繊して得られ、熱重量減少の微分曲線において、１８０〜３２０℃の温度範囲にサブピークを有さず、３００〜４００℃の温度範囲に単一のピークを有し、繊維長１０００μｍ以下の繊維の含有量が８０質量％以上であり、平均アスペクト比が５以上である竹繊維とＡＢＳ樹脂を、竹繊維：ＡＢＳ樹脂＝４０：６０（質量比）で混合してベント付２軸混練押出機に投入して溶融混練し、ＡＢＳ樹脂中に竹繊維が均一に分散している成形用配合物を作製した。次いで、ベント付２軸混練押出機から成形用配合物を押し出しながら、一定の長さに切断して冷却することのより、外径が５ｍｍ、長さが５ｍｍのペレットを作製した。そして、作製したペレットを射出成型機に投入して、板状の複合素材を作製した。
【００２４】
得られた板状の複合素材を硫酸水溶液を用いて脱脂洗浄して乾燥させた後、クロム酸と硫酸を混合したエッチング液で表面を化学エッチングした。次いで、化学エッチングした複合素材を塩化スズ溶液に浸漬して表面にスズイオンを吸着させた後、塩化パラジウム溶液に浸漬して表面にパラジウムを析出させる触媒化処理を行った。触媒化処理された複合素材を、塩化ニッケル溶液に浸漬して複合素材の表面にニッケルを析出させて（無電解ニッケルめっきを行って）表面を導体化した。そして、導体化された複合素材に対して通常の電気めっき法により、銅、ニッケル、クロムの順に電気めっきを行って、表面上に平均厚さが２５μｍの銅層、厚さが２０μｍのニッケル層、厚さが０．１５μｍのクロム層からなる金属被覆層を形成することにより金属被覆強化材料を製造した。
【００２５】
得られた金属被覆強化材料の側断面の走査型電子顕微鏡写真を図２に示す。図２から、ＡＢＳ樹脂中に竹繊維が均一に分散していることが確認できる。そして、金属被覆層の銅層の一部は、複合素材表層部に存在する微細な窪み内にも形成されており、金属被覆層は複合素材の表面に強固に一体化していることが確認できる。
図２に示す視野に対する炭素、酸素、銅、ニッケル、及びクロムの各元素のエネルギー分散型Ｘ線分析を行った結果をそれぞれ図３（Ａ）〜（Ｅ）に示す。図３（Ａ）に示す炭素元素の分布は、竹繊維を構成するセルロースに含まれる炭素元素に対応しており、図３（Ｂ）に示す酸素元素の分布は、竹繊維を構成するセルロースに含まれる酸素元素に対応している。酸素元素の分布状況からも、竹繊維がＡＢＳ樹脂中に均一分散していることが確認できる。
また、図３（Ｃ）〜（Ｅ）に示す銅、ニッケル、及びクロムの各元素の分布状態から、金属被覆層は、銅、ニッケル、及びクロムの３層から構成されていることが確認できる。
【００２６】
（実施例２）
実施例１で製造した板状の複合素材から、ゲージ長が５０ｍｍ、ゲージ部の断面積が４０ｍｍ２の原引張試験体を作製し、実施例１と同様の方法で、表面に金属被覆層を形成して金属被覆強化材料の引張試験片とした。
そして、引張速度が１０ｍｍ／分の試験条件で求めた引張強度は、５３．１ＭＰａ、引張破壊歪みは１．４％であった。
また、比較例として、実施例１で製造した板状の複合素材（ＡＢＳ樹脂に解繊した竹繊維を強化材として混入させた従来の複合材）から、原引張試験体と同一形状の引張試験片を作製し、同一の引張試験条件で求めた引張強度は、４６．１ＭＰａ、引張破壊歪みは２．０％であった。
その結果、本発明の金属被覆強化材料は、従来の複合材（複合素材）と比較して、引張強度が約１５％向上していることが判明した。なお、従来の複合材と比較して引張破壊歪みが低下したのは、金属被覆強化材料の引張破壊歪みが、金属被覆層（特に、クロム層）の引張破壊歪みの影響を受けたためと考えられる。
【００２７】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
更に、本実施の形態とその他の実施の形態や変形例にそれぞれ含まれる構成要素を組合わせたものも、本発明に含まれる。
例えば、金属被覆層として、複合素材の表面上に順に銅層、ニッケル層、クロム層を積層したが、複合素材の表面上に順に、銅層とクロム層、ニッケル層とクロム層、銅層とニッケル層をそれぞれ積層することもできる。
【符号の説明】
【００２８】
１０：金属被覆強化材料、１１：竹繊維、１２：熱可塑性樹脂、１３：金属被覆層、１４：複合素材、１５：クロム層、１６：ニッケル層、１７：銅層
【図１】
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【図２】
2017065222.tif 000004
【図３】
2017065222.tif 000005