(57)【要約】【課題】材料の強度を向上させつつ、薄型化を図ることを課題とする。【解決手段】繊維強化複合材は、布地を形成する繊維、前記繊維のそれぞれの周囲を覆っているセルロースナノファイバーによる被覆層と、前記被覆層に覆われている前記繊維間に入り込んでいる樹脂部と、を備える。セルロースナノファイバーは、繊維の一本一本の周囲に被覆層を形成することで繊維強化複合材の強度を向上させることができ、薄肉化に対応することができる。被覆層を設けることで強度が向上するため、繊維の目付量の増加を抑制することができるため、樹脂のヒケを抑制し、表面の凹凸量を低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
布地を形成している繊維と、
前記繊維のそれぞれの周囲を覆っているセルロースナノファイバーによる被覆層と、
前記被覆層に覆われている前記繊維間に入り込んでいる樹脂部と、
を備える繊維強化複合材。
【請求項２】
前記樹脂部は、層状に形成されており、少なくとも前記布地の一面側に露出している平滑面を有する請求項１に記載の繊維強化複合材。
【請求項３】
層状に形成されているセルロースナノファイバー部を備える請求項１又は２に記載の繊維強化複合材。
【請求項４】
前記セルロースナノファイバー部は、少なくとも前記布地の一面側に露出している平滑面を有する請求項３に記載の繊維強化複合材。
【請求項５】
繊維により布地を形成する工程と、
前記布地にセルロースナノファイバー溶液を通過させて、前記繊維の周囲にセルロースナノファイバーによる被覆層を形成する工程と、
前記繊維の周囲に前記被覆層が形成されている前記布地に樹脂を含浸する工程と、
を備える繊維強化複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材及び繊維強化複合材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、種々の繊維強化複合材が提案されている。例えば、炭素繊維層や熱硬化性樹脂層を積層した炭素繊維強化複合材料が知られている（特許文献１参照）。また、表面に熱可塑性樹脂を付着させて形成された熱可塑性樹脂部を有する織物が積層された強化繊維基材と、熱硬化樹脂製のマトリックス樹脂とからなる繊維強化複合材が知られている（特許文献２参照）。さらに、エポキシ樹脂にセルロースナノファイバーが解繊された状態で含有されている補強材により繊維強化樹脂を補強した繊維強化樹脂複合体が知られている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２８０９０３号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１２／０６６８７２号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２０１５／０１９６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、織物に樹脂を含浸させた従来公知の繊維強化複合材（ＦＲＰ：Fiber-Reinforced Plastics）は、種々の用途に用いられている。しかしながら、このようなＦＲＰを、ウェアラブルＰＣ（Personal Computer）や、スマートフォン、タブレット端末といったモバイル機器の筐体に用いようとした場合、以下のような不都合が想定される。従来のＦＲＰは、樹脂部分の硬度や強度が低いこともあり、薄肉に成形することが困難な場合がある。小型化、薄型化が求められるモバイル機器等の筐体に用いる場合に、薄肉化に伴う強度不足の問題は顕著となる。また、ＦＲＰの強度を向上させるために、樹脂を含浸させる繊維束を太くすることが考えられるが、その背反として樹脂のヒケが多くなり、ＦＲＰの表面の凹凸量が大きくなることが懸念される。繊維束を太くし、ＦＲＰの表面の凹凸量が大きくなることは、材料の薄型化の妨げともなる。
【０００５】
特許文献１乃至３は、いずれもこれらの点を改善するものではなく、また、特許文献２のように、積層構造とすることで強度を向上させようとすると、その反面、材料の厚みが増してしまう。このように、いずれの文献も、材料の強度を向上させつつ、薄型化を図るとの観点から、改良の余地があった。
【０００６】
１つの側面では、本明細書開示の繊維強化複合材及び繊維強化複合材の製造方法は、材料の強度を向上させつつ、薄型化を図ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書開示の繊維強化複合材は、布地を形成している繊維と、前記繊維のそれぞれの周囲を覆っているセルロースナノファイバーによる被覆層と、前記被覆層に覆われている前記繊維間に入り込んでいる樹脂部と、を備える。
【０００８】
本明細書開示の繊維強化複合材の製造方法は、繊維により布地を形成する工程と、前記布地にセルロースナノファイバー溶液を通過させて、前記繊維の周囲にセルロースナノファイバーによる被覆層を形成する工程と、前記繊維の周囲に前記被覆層が形成されている前記布地に樹脂を含浸する工程と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本明細書開示の繊維強化複合材及び繊維強化複合材の製造方法によれば、材料の強度を向上させつつ、薄型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１（Ａ）は第１実施形態の繊維強化複合材の概略構成を模式的に示す説明図であり、図１（Ｂ）は第１実施形態の繊維強化複合材の一部を拡大して示す説明図である。
【図２】図２（Ａ−１）は２枚の布地を重ねた状態を模式的に示す説明図であり、図２（Ａ−２）は布地の一部を拡大して示す説明図であり、図２（Ｂ）は布地にセルロースナノファイバー溶液を通過（含浸）させる様子を模式的に示す説明図である。
【図３】図３（Ａ−１）は布地を形成する繊維の周囲に被覆層を形成した状態を模式的に示す説明図であり、図３（Ａ−２）は布地の一部を拡大して示す説明図であり、図３（Ｂ）は布地に樹脂を含浸させる様子を模式的に示す説明図である。
【図４】図４（Ａ）はポーラス板上に敷かれたろ紙上に布地を載置した状態を模式的に示す説明図であり、図４（Ｂ）は布地にセルロースナノファイバー溶液を注ぐ様子を示す説明図であり、図４（Ｃ）はセルロースナノファイバー溶液を吸引する様子を模式的に示す説明図である。
【図５】図５は布地に樹脂を含浸させる様子を模式的に示す説明図である。
【図６】図６は第２実施形態の繊維強化複合材の概略構成を模式的に示す説明図である。
【図７】図７（Ａ）はポーラス板上に敷かれたろ紙上に布地を載置した状態を模式的に示す説明図であり、図７（Ｂ）は布地にセルロースナノファイバー溶液を注ぐ様子を示す説明図であり、図７（Ｃ）はセルロースナノファイバー溶液を吸引する様子を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては、説明の都合上、実際には存在する構成要素が省略されていたり、寸法が実際よりも誇張されて描かれていたりする場合がある。
【００１２】
（第１実施形態）
まず、図１乃至図５を参照しつつ、第１実施形態の繊維強化複合材１の概略構成について説明する。図１（Ａ）は第１実施形態の繊維強化複合材の概略構成を模式的に示す説明図であり、図１（Ｂ）は第１実施形態の繊維強化複合材の一部を拡大して示す説明図である。図２（Ａ−１）は２枚の布地を重ねた状態を模式的に示す説明図であり、図２（Ａ−２）は布地の一部を拡大して示す説明図であり、図２（Ｂ）は布地にセルロースナノファイバー溶液を通過（含浸）させる様子を模式的に示す説明図である。図３（Ａ−１）は布地を形成する繊維の周囲に被覆層を形成した状態を模式的に示す説明図であり、図３（Ａ−２）は布地の一部を拡大して示す説明図であり、図３（Ｂ）は布地に樹脂を含浸させる様子を模式的に示す説明図である。図４（Ａ）はポーラス板上に敷かれたろ紙上に布地を載置した状態を模式的に示す説明図であり、図４（Ｂ）は布地にセルロースナノファイバー溶液を注ぐ様子を示す説明図であり、図４（Ｃ）はセルロースナノファイバー溶液を吸引する様子を模式的に示す説明図である。図５は布地に樹脂を含浸させる様子を模式的に示す説明図である。なお、本実施形態の繊維強化複合材１は、モバイル機器の筐体の材料として使用されることが想定され、板状に成形されている。
【００１３】
図１（Ａ）を参照すると、繊維強化複合材１は、布地２０１を備える。本実施形態における布地２０１は、繊維２を織り込むことで形成されている織物地である。より具体的に、複数の繊維２を束ねた繊維束２１を縦糸と横糸として織ることによって布地２０１が形成されている。布地２０１の形成方法は、従来公知の種々の方法を採用することができる。また、本実施形態では、繊維２としてカーボンファイバーを採用しているが、従来公知の、例えば、グラスファイバー等の無機繊維、有機繊維を採用することもできる。また、金、銅、ニッケル等の金属線を採用してもよい。さらに、これらを適宜混合して用いてもよい。なお、本実施形態では、布地２０１を二枚重ねとして用いているが、重ねる枚数は、用途に応じて適宜選定することができる。
【００１４】
図１（Ｂ）を参照すると、繊維２のそれぞれの周囲は、被覆層３が設けられている。被覆層３は、セルロースナノファイバー（以下、ＣＮＦという）によって形成されている。被覆層３は、一本一本の繊維２の周囲を被覆している。このように、一本一本の繊維２がＣＮＦによって被覆されることにより、一本一本の繊維２が強化され、これにより、布地２０１の強度が向上する。この結果、繊維強化複合材１の強度が向上する。繊維強化複合材１自体の強度が向上すれば、繊維強化複合材１を薄肉に成形した場合であっても必要な強度を確保することができるようになる。
【００１５】
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）を参照すると、繊維強化複合材１は、繊維２間に入り込んでいる樹脂部４を備える。樹脂部４は、繊維強化複合材１の表面を形成している。すなわち、樹脂部４は、層状に形成されており、布地２０１の一面側に露出している平滑面１ａを有する。樹脂部４は、少なくとも布地２０１の一面側に露出し、平滑面を形成すればよいが、本実施形態では、図１（Ａ）に示すように、２枚重ねとされている布地２０１の他面側に露出している平滑面１ｂを有している。樹脂部４は、布地２０１よりも外側に平滑面１ａ、１ｂを形成することで、布地２０１の露出を防止している。
【００１６】
樹脂部４は、繊維束２１内に入り込み、繊維２間を埋めているだけでなく、繊維束２１間も埋めている。これにより、繊維強化複合材１の内部に空洞が形成されることが回避され、強度が高められている。
【００１７】
樹脂部４は、繊維強化複合材１の表面となる平滑面１ａ、１ｂを形成しているが、本実施形態の樹脂部４は、ヒケの発生を抑制することができ、繊維強化複合材１の表面の凹凸量を低減することができる。これは、繊維２自体が強化されていることから、強度を確保するための目付け量の増加が不要となるからである。材料の強度を向上させるべく、目付け量を増加させ、繊維量を増加させると、繊維束の太さが太くなる。繊維束の太さが太くなると、材料の表面に凹凸が表れやすくなる。本実施形態の繊維強化複合材１では、目付け量を増加させることなく、強度を向上させることができることから、材料表面の凹凸の発生を抑制することができる。また、仮に目付け量が増加し、繊維束の太さが太くなると、これを覆う樹脂部の厚みも厚くなるため、薄肉化の妨げとなるが、本実施形態では、このような不都合もなく、薄肉化を図ることができる。
【００１８】
つぎに、繊維強化複合材１の製造方法について説明する。まず、図２（Ａ−１）に示すように、繊維２を束ねた繊維束２０を縦糸と横糸として織った織物地である布地２００を二枚重ねる。なお、図２（Ａ−１）に示す段階では、図２（Ａ−２）に拡大して示すように、繊維２は被覆層３によって被覆されていない。このため、被覆されていない繊維束及び布地を、被覆層３によって被覆された繊維２によって形成されている繊維束２１及び布地２０１と区別するために、異なる参照番号を用いている。すなわち、被覆層３を備えていない繊維束及び布地には、それぞれ参照番号２０及び２００が付されている。
【００１９】
図２（Ｂ）を参照すると、矢示７で示すように、布地２００にＣＮＦ溶液８を供給し、通過させる。これにより、布地２００にＣＮＦを含浸し、繊維２の周囲にＣＮＦによる被覆層３を形成する。ここで、図４（Ａ）乃至（Ｃ）を参照しつつ、被覆層３の形成について具体的に説明する。図４（Ａ）を参照すると、上面が平滑なポーラス板１０の上にろ紙を敷き、その上に、２枚重ねとした布地２００を載置する。ここで、ポーラス板１０を用いるのは、下側からＣＮＦ溶液８を吸引するためである。なお、下側からＣＮＦ溶液８を吸引することができるものであれば、他の素材からなる板材を用いてもよい。例えば、複数の細孔が設けられたパンチングメタル等を用いてもよい。
【００２０】
図４（Ａ）のように布地２００をろ紙上に載置した後は、図４（Ｂ）に、矢示７を示すようにＣＮＦ溶液８を布地２００の上方から供給する。ＣＮＦ溶液８は、ろ紙９上に貯留されるため、布地２００にＣＮＦ溶液８が含浸される。図４（Ｃ）に矢示１１で示すように、ポーラス板１０の下方から吸引し、ＣＮＦ溶液８が布地２００内の空隙６を通過するように抜き取る。なお、本実施形態では、ＣＮＦ溶液８として、ＣＮＦ１％水溶液を用い、含浸後、１２０℃、１時間の条件で乾燥させる工程を５回繰り返した。なお、ＣＮＦ溶液８をろ紙９上に塗布しておき、そこへ布地２００を浸漬させ、その後、吸引するようにしてもよい。
【００２１】
このような工程を経ることにより、図３（Ａ−１）及び図３（Ａ−２）に示すように、繊維２の周囲にＣＮＦによる被覆層３が形成される。この結果、被覆層３が形成されていない繊維束２０及び布地２００は、それぞれ被覆層３が形成されている繊維束２１及び布地２０１となる。なお、布地２００にＣＮＦ溶液８を通過させるのは、ＣＮＦ溶液８によって被覆層３を形成すると共に、図３（Ａ−１）及び図３（Ａ−２）に示すように、被覆層３が形成された繊維２間及び繊維束２１間に空隙６ａを形成するためである。繊維２の周囲に被覆層３が形成された後は、図３（Ｂ）に示すように、布地２０１に樹脂が含浸され、樹脂部４が形成される。樹脂部４は、空隙６ａに入り込む。ここで、樹脂部４の形成につき、図５を参照しつつ、説明する。
【００２２】
本実施形態では、上型１３ａと下型１３ｂを用い、ＴＰＵ（熱可塑性ポリウレタン）樹脂シート１２を布地２０１に押し付けることで、樹脂部４を形成し、同時に、プリプレグ板を得る。すなわち、下型１３ｂ上にＴＰＵ樹脂シート１２を設置し、その上に布地２０１を載置する。そして、上型１３ａ及び下型１３ｂを用い、プレス温度１８０℃、圧力５ＭＰａ、保持時間５分間の条件で樹脂の含浸とプリプレグ板の成形を同時に行う。これにより、厚さ０．５ｍｍ板の形状で表面凹凸量が３μｍ、曲げ弾性率４３ＧＰａの繊維強化複合材１を得ることができた。なお、被覆層３を備えていない布地２００に対し、同一加圧条件でＴＰＵ樹脂シートを加圧し、樹脂部を形成して厚さ０．５ｍｍ板を得た場合、表面凹凸量が６０μｍ、曲げ弾性率３８ＧＰａの繊維強化複合材が得られた（比較例）。本実施形態によれば、比較例に対し、強度が高く、表面凹凸量の少ない繊維強化複合材１を得ることができた。
【００２３】
なお、本実施形態では、シート状の樹脂、すなわち、ＴＰＵ樹脂シート１２を用いたが、樹脂部４の成形方法は、これに限定されず、従来公知の他の方法を採用してもよい。例えば、樹脂を塗布し、その後、プレス工程に移行してもよい。
【００２４】
本実施形態の繊維強化複合材１によれば、材料の強度を向上させつつ、薄型化を図ることができる。このため、本実施形態の繊維強化複合材１を用い、例えば、モバイル機器等の小型、薄型化された筐体を作成した場合であっても強度を確保することができる。また、繊維束２１の量を増量することなく、強度を確保することができることから、繊維束２１を薄く成形することができ、この結果、表面の凹凸量を少なくすることができ、容易に薄肉化することができる。
【００２５】
（第２実施形態）
つぎに、図６乃至図７（Ｃ）を参照しつつ、第２実施形態について説明する。図６は第２実施形態の繊維強化複合材の概略構成を模式的に示す説明図である。図７（Ａ）はポーラス板上に敷かれたろ紙上に布地を載置した状態を模式的に示す説明図であり、図７（Ｂ）は布地にセルロースナノファイバー溶液を注ぐ様子を示す説明図であり、図７（Ｃ）はセルロースナノファイバー溶液を吸引する様子を模式的に示す説明図である。
【００２６】
第２実施形態の繊維強化複合材１４は、層状に形成されているセルロースナノファイバー（ＣＮＦ）部１５を備える。このＣＮＦ部１５は、少なくとも布地２０１の一面側に露出している平滑面１５ｂを有する。すなわち、第１実施形態における平滑面１ｂは、樹脂部４が露出することで形成されていたが、本実施形態の平滑面１５ｂは、ＣＮＦ部１５が露出することで形成されている。
【００２７】
平滑面１５ｂは、表面凹凸量がさらに少なく、硬度が高い。これは、平滑面１５ｂが、ＣＮＦ部１５により形成されているためである。ＣＮＦは、樹脂と比較して凹凸が生じにくい。これは、ＣＮＦ自体が繊維であり、いわば、繊維が積層されることでＣＮＦ部１５を形成しているため、凹凸が生じにくいからである。また、乾燥したＣＮＦは、樹脂と比較して硬度が高いため、平滑面１５ｂの硬度も高い。このような性質から、繊維強化複合材１４は薄肉化をし易い。
【００２８】
また、平滑面１５ｂは、その硬度が高いため、塗装等の工程を経ることなくなく、そのまま筐体の外周壁面として利用することができる。この場合、ＣＮＦは透光性が高く、内部に存在する布地２０１を観察できるため、平滑面１５ｂに塗装を施すことなく、内部の布地２０１の目を筐体の意匠として活用することができる。
【００２９】
このようなＣＮＦ部１５は、図７（Ａ）乃至図７（Ｃ）に示す工程を経ることで形成することができる。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示す工程は、第１実施形態と同様であり、布地２００がＣＮＦ溶液８に浸される。そして、図７（Ｃ）に示すように、ＣＮＦ溶液を下側から吸引し、抜き取る。このとき、ろ紙９上にＣＮＦが残留するように、ＣＮＦ溶液の抜き取り量を調整する。残留したＣＮＦは、アンカー接着層としてＣＮＦ部１５を形成する。ＣＮＦ部１５の形状は、平滑なポーラス板１０及びろ紙９に倣うため、平滑面１５ｂが形成される。なお、この後、第１実施形態と同様に樹脂部４が形成されるが、樹脂は、上方から供給される。例えば、ＴＰＵ樹脂シート１２を布地２０１の上方に配置してプレス加工を行うことで、樹脂部４を形成することができる。これにより、平滑面１５ｂの裏面側には、平滑面１５ａが形成される。
【００３０】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１、１４  繊維強化複合材
２  繊維
２０、２１  繊維束
３  被覆層
４  樹脂部
６、６ａ  空隙
８  ＣＮＦ溶液
９  ろ紙
１０  ポーラス板
１２  ＴＰＵ樹脂シート
１５  ＣＮＦ部
２００  布地
【図１】
2017218530.tif 000003
【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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