(57)【要約】【課題】  高価である強化繊維の使用を抑えつつ、強度や断熱性、耐水性、耐ねじれ強度にも優れた軽量な繊維強化プラスチックおよびこれを用いた保冷コンテナの壁材用の強化断熱複合材を提供する。【解決手段】  強化繊維材２に強化充填材４を混入したバインダー樹脂３を浸透させて硬化させる。また、強化充填材４を混入したバインダー樹脂３が浸透された一対の強化繊維材２によってシート状ないし板状の発泡材７の両側面を狭持させ、前記発泡材７を圧縮させて保冷コンテナの壁材用の厚さに成形する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維材に強化充填材を混入したバインダー樹脂を浸透させて硬化させてなることを特徴とする繊維強化プラスチック。
【請求項２】
シート状ないし板状の強化繊維材に強化充填材を混入したバインダー樹脂を浸透させるとともに、少なくとも一面に発泡材を積層して硬化させてなることを特徴とする強化断熱複合材。
【請求項３】
強化充填材を混入したバインダー樹脂が浸透された一対の強化繊維材によってシート状ないし板状の発泡材の両側面を狭持させ、前記発泡材を圧縮させて保冷コンテナの壁材用の厚さに成形したことを特徴とする強化断熱複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強化繊維にバインダー樹脂を浸透させて硬化させた繊維強化プラスチックおよびその繊維強化プラスチックと発砲材とを積層させてなる強化断熱複合材に関するものであり、特に、保冷コンテナの壁材に好適な強化断熱複合材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、繊維強化プラスチックは、高強度、軽量、耐腐食性などの特性を備えていることから車輌のボディー、テニスラケットのフレーム、お風呂の浴槽など様々な分野で利用されている。また、繊維強化プラスチックと他の物質とを組み合わせ、互いの特性を活かした複合材なども提案されている。
【０００３】
たとえばトレーラ等に搭載されて生鮮食品等の食材を輸送するための保冷コンテナには、一般に繊維強化プラスチックと木板とを接着剤により貼り合わせた断熱複合材が壁材として用いられている。
【０００４】
しかしながら、従来の保冷コンテナの壁材として使用される繊維強化プラスチックと木材との複合材は、木材が水分を吸収しやすく、数年使用すると車両重量が数十ｋｇ程度増加してしまうという問題がある。つまり保冷コンテナ内で冷凍と解凍が繰り返されると、解凍時の水分が壁材に吸収されてしまい車両重量が増加してしまう。このため水分が抜けるまで相当な時間がかかってしまうし、腐食しやすいという問題がある。近年、荷物の積載重量が超過することによる交通事故の発生が問題視されている状況においては見過ごせない問題になっている。また、重量が増大すると、長距離輸送にかかる燃費悪化のデメリットは大きい。
【０００５】
一方、特開２００５−２８９０５６号公報には、強化繊維の種類、樹脂の種類やその厚さなどを調整することにより、２つ以上の曲げ弾性率の異なる層を積層させた耐衝撃性繊維強化プラスチックおよびこの耐衝撃性繊維強化プラスチックにセラミックスまたは金属を接着した多層構造体が提案されている（特許文献１）。特許文献１によれば、例えば高速の飛来物の衝突面側に高い曲げ弾性率層を積層させることにより、耐衝撃性に優れ、軽量な防弾チョッキやヘルメット、航空機等に用いることができるとされている。
【０００６】
また、特開２００４−３１４５６１号公報には、完全に硬化する前の繊維強化プラスチックと、バルーン状のポリイミドを混入した熱硬化性の樹脂とを積層し、一度に加熱することにより硬化させて形成する複合材の製造方法が提案されている（特許文献２）。この特許文献２によれば、樹脂中にバルーン状のポリイミドの空気層を形成するため、優れた断熱性を有するとされている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２８９０５６号公報
【特許文献２】特開２００４−３１４５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載された発明においては、２つ以上の曲げ弾性率が異なる層を複合化するため、その調整や製造が難しく、製造コストが増大してしまう。また、各層が完全に硬化するまでの時間や温度、収縮率の違いから製品に歪みが生じてしまい、一定品質の製品を提供しにくいという問題もある。
【０００９】
また、特許文献２に記載された発明においては、バルーン状のポリイミドと樹脂との比重差が大きいため、加熱中にバルーン状のポリイミドが浮上しやすく、均一に分布させるとが難しい。よって、分布に偏りが生じたり、熱伝導率などの熱的な特性や引張強弾性率など強度的な特性にも偏りが生じるおそれがある。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、高価である強化繊維の使用を抑えつつ、強度や断熱性、耐水性、耐ねじれ強度にも優れた軽量な繊維強化プラスチックおよびこれを用いた保冷コンテナの壁材用の強化断熱複合材を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る繊維強化プラスチックの特徴は、強化繊維材に強化充填材を混入したバインダー樹脂を浸透させて硬化させてなる点にある。
【００１２】
また、本発明に係る強化断熱複合材の特徴は、シート状ないし板状の強化繊維材に強化充填材を混入したバインダー樹脂を浸透させるとともに、少なくとも一面に発泡材を積層して硬化させてなる点にある。
【００１３】
さらに、本発明に係る強化断熱複合材の特徴は、強化充填材を混入したバインダー樹脂が浸透された一対の強化繊維材によってシート状ないし板状の発泡材の両側面を狭持させ、前記発泡材を圧縮させて保冷コンテナの壁材用の厚さに成形した点にある。
【００１４】
本発明でいう浸透とは、強化充填材を混入したバインダー樹脂が強化繊維材の隙間、つまり強化繊維同士の間に浸透する場合をいう。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高価である強化繊維の使用を抑えつつ、強度や断熱性、耐ねじれ強度、耐水性にも優れた軽量な壁材等を安価に製造することができ、たとえば保冷コンテナに使用する場合、製品寿命を延ばすことができ、燃費効率・運送コストの低下を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る繊維強化プラスチックの第１実施形態について図面を用いて説明する。図１は第１実施形態における繊維強化プラスチック１の断面図である。
【００１７】
本第１実施形態における繊維強化プラスチック１は、図１に示すように、強化繊維材２と、強化充填材４を混入したバインダー樹脂３と、当該繊維強化プラスチック１の表面をコーティングするコーティング材５とから構成されている。
【００１８】
強化繊維材２は、強化材として使用されるものであり、グラスファイバーやカーボンファイバー、アラミド繊維などの一般的な強化繊維が用いられる。なお、本実施形態では、不織布が使用されるが、織布としてもよいし、それらを積層させた厚みのある立体的な形状としてもよい。
【００１９】
バインダー樹脂３は、繊維強化プラスチック１の主材となるものであり、強化繊維材２同士の間や繊維内に浸透させて硬化させることにより自ら硬化材として機能するとともに、強化繊維材２同士を接着する機能を果たし、繊維強化プラスチック１を構成するものである。本第１実施形態におけるバインダー樹脂３には、空気と接触すると硬化する不飽和ポリエステル樹脂が使用されるが、これに限られるものではなく、エポキシ系などの樹脂を用いてもよいし、２液またはそれ以上を混ぜ合わせることにより硬化する複液性樹脂を用いてもよい。
【００２０】
また、前記バインダー樹脂３に混入されている強化充填材４は、バインダー樹脂３の物理的特性を強化するのに好適な粉末状または短繊維状の材料をいい、たとえば適当な粒径の炭素粉末、金属粉末、セラミックス粉末、プラスチック粉末等の粉末状のもの、あるいは炭素、金属、グラスファイバー、プラスチック繊維などのうち短繊維状のもの等が挙げられる。本実施形態では、所定長さのカーボンファイバーを成形する前段階において生じる不均一な粉末状および短繊維状の炭素素材を利用した。強化充填材４は、バインダー樹脂３に混入されて一緒に硬化されることにより、長繊維の強化繊維材２を使用しなくても適当な曲げ弾性率および曲げ強さを保持しつつ、ねじりに対する耐力を向上させられるものである。
【００２１】
強化充填材４が混入されたバインダー樹脂３を強化繊維材２に浸透させる場合、刷毛等によりシート状の強化繊維材２に塗布したり、逆にゲル状あるいは液体状のバインダー樹脂３を容器に入れて強化繊維材２を漬けることにより、浸透させればよい。
【００２２】
たとえばバインダー樹脂内３に混入する強化充填材４として炭素充填材４１を使用した場合、この炭素充填材４１はバインダー樹脂３との重量比が１：１００〜３：１００となるように混入されることが好ましい。また、強化充填材４はバインダー樹脂３内に均一に分布していることが望ましく、そのために炭素充填材４１は所定量を１０回程度に分けて混ぜ合わせ、さらに３０分程度撹拌してから強化繊維材２に浸透させるのが好ましい。
【００２３】
コーティング材５は、繊維強化プラスチック１の表面を滑らかにして傷つき難くし、外観を良好に保つためのものである。本第１実施形態においては、繊維強化プラスチック１が完全に硬化した後にその表面にコーティング用樹脂を塗布した。
【００２４】
つぎに本第１実施形態の作用について説明する。
【００２５】
本第１実施形態による繊維強化プラスチック１は、強化充填材４をバインダー樹脂３に混入することによりバインダー樹脂３と強化繊維材２との結合力に効果的に作用すると考えられ、強化充填材４を含まない繊維強化プラスチック１と比べると、引張弾性率、引張強さおよび引張破壊伸びについて同等またはそれ以上の強度を保持しつつ、曲げ弾性率や曲げ強さが低下し、ねじれに対する耐久性が増す。よって保冷コンテナ等のように運送時に振動や衝撃を受けやすい部材に使用される場合、効果的な耐久性を発揮する。
【００２６】
以上のような第１実施形態によれば、バインダー樹脂３に強化充填材４を混入させることにより、強化繊維材２の量を減らしつつ、安価で強度の高い素材を得ることができる。また、強化充填材４の種類や粒径、混入量等を調整することによって強度等の特性を調整することが可能となる。
【００２７】
つぎに、本発明に係る強化断熱複合材の第２実施形態について図面を用いて説明する。図２は本第２実施形態における強化断熱複合材６の斜視図である。なお、本第２実施形態の構成のうち前述した第１実施形態の構成と同一若しくは同等の構成については同一の符号を付し、再度の説明を省略する。
【００２８】
本第２実施形態における強化断熱複合材６は、図２に示すように、強化充填材４を混入したバインダー樹脂３が浸透された一対のシート状ないし板状の強化繊維材２の間に、シート状ないし板状の断熱効果を有する発泡材７が狭持され、両表面にコーティング材５が塗布されている。本第２実施形態の強化断熱複合材６は、主に壁材として利用され、特に保冷コンテナ用の壁材として好適である。
【００２９】
本第２実施形態における強化充填材４が混入されたバインダー樹脂３は、樹脂素材として強化断熱複合材６の主材として機能する他に、強化繊維材２と発泡材７とを強固に接着する接着材としても機能する。
【００３０】
発泡材７は、強化断熱複合材６に断熱性を備えさせるためのものである。本第２実施形態においては、比較的安価なポリエチレン発泡体が用いられる。強化充填材４が混入されたバインダー樹脂３を浸透させた強化繊維材２は、バインダー樹脂３が完全に硬化する前に発泡材７に積層するように接着される。図２に示すように、強化繊維材２は発泡材７の両側面に積層させているが、ニーズに応じて片側面にのみ積層させてもよい。
【００３１】
本第２実施形態の強化断熱複合材６によれば、発泡材７が泡状の空気層を多数有しているため、熱伝導性を小さくして断熱性を高められる。また、バインダー樹脂３が接着材としても機能するため、繊維強化プラスチック１と発泡材７との接着が短時間で容易に行える。
【００３２】
また、本第２実施形態は、保冷コンテナ用の壁材として使用することを想定し、シート状ないし板状に形成された発泡材７の両側面を強化充填材４を混入したバインダー樹脂３で狭持し、その両側面に均一な圧力をかけて所定の厚さになるまで発泡材７を圧縮して、バインダー樹脂３が硬化するまで加圧を保持して形成される。ここで所定の厚さとは、保冷コンテナの壁材支持柱に狭持可能な厚さである。もちろん適用場所の要望に応じて適宜、厚みを調整してもよい。
【００３３】
また、発泡材７を介して一対の繊維強化プラスチック１により狭持させることにより、バインダー樹脂３が硬化する際の収縮によるたわみが極力抑えられる。さらに加圧することにより、強化繊維材２、バインダー樹脂３および発泡材７との接着が密になるため、バインダー樹脂３が均一に浸透し特性の偏りを抑えることができる。
【００３４】
また、発泡材７を圧縮することにより泡状の空気層の体積も圧縮されるが、空気層の総数等はかわらないため断熱効果は保持され、空気層に入り込む水分の量のみを減らし、吸水率を低下させることができる。
【００３５】
以上のような第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて以下のような効果を得ることができる。
１．優れた断熱性を有することができる。
２．吸水率を低下させ、長期間にわたって軽量に保つことができる。
３．繊維強化プラスチック１と発泡材７との接着が簡素化される。
４．運送時のねじれに強く、トラックに載せられて運送される保冷コンテナの壁材として優れた強化断熱複合材６を提供できる。
【実施例１】
【００３６】
『強化断熱複合材の作製方法』
つぎに上述した本発明の第２実施形態の強化断熱複合材６について具体的な実施例を説明する。実施例１では、保冷コンテナの壁材となる強化断熱複合材６を作製した。強化断熱複合材６の作製方法は、図３に示すように、バインダー樹脂３に強化充填材４として炭素充填材４１を混入するステップＳ１と、金型に強化繊維材２、炭素充填材４１を混入したバインダー樹脂３および発泡材７を積層するステップＳ２と、加圧ならびに硬化を行うステップＳ３と、最終成形作業を行うステップＳ４とからなる。
【００３７】
はじめに、不飽和ポリエステル樹脂を用いたバインダー樹脂３に炭素粉でできている炭素充填材４１を混入する。炭素充填材４１は、バインダー樹脂３との重量比が１：１００となる量を混入する。本実施例１では、カーボンファイバーを作製する前に生成される粒径の整っていない炭素粉を使用した。この状態の粒径の不均一な炭素粉は安価であり、これによって所望の効果が発揮できればコスト面からのメリットが大きいからである。バインダー樹脂３に混入するために、炭素充填材４１を１０回に分けて混ぜ合わせ、さらに３０分程度撹拌をしてバインダー樹脂３内の炭素充填材４１を均一に分布させる（ステップＳ１）。
【００３８】
つぎに、バインダー樹脂３がスムーズに流動できるように金型を５０℃に予熱しておく。その金型にグラスファイバーの不織布である強化繊維材２と、炭素充填材４１を混入したバインダー樹脂３とを積層する。本実施例１では片側面に２枚の強化繊維材２を間に炭素充填材４１を混入したバインダー樹脂３を介在させて積層させた。その上にポリエチレン製の板状の発泡材７を載置し、さらにその上に２枚の強化繊維材２とバインダー樹脂３を積層させて金型で狭持する（ステップＳ２）。
【００３９】
上下の金型から圧力を均一にかけて約１時間保持する。本実施例１では１枚を形成するのに約９６トンの圧力を加えた（ステップＳ３）。
【００４０】
その後、常温になるまで放置する。本実施例１においては約１．５時間で室温の２０℃まで降温した。その後、同型で温度制御を行わない別の金型で、ステップ３と同じ圧力を加え約６時間保持して定型作業を行った（ステップＳ４）。
【００４１】
なお、本実施例１においては、ステップＳ４の成形後にコーティング用樹脂を塗布することにより強化断熱複合材６の表面のコーティングを行った。
【実施例２】
【００４２】
『物理的特性』
実施例１によって作成された強化断熱複合材６について、物理的特性の評価を行った。比較対象として一般的な保冷用コンテナに使用されている従来の繊維強化複合材６と、強化繊維材２としてグラスファイバーの織布を用いた試験片１と、均一に混ざらない程度の長さの炭素繊維をバインダー樹脂３に充填せずに振りかけた試験片２との熱伝導率の比較を行った。
【００４３】
まず比較対象について説明する。従来品は、一般的な保冷コンテナの壁材に使用されているものであって、グラスファイバーを樹脂で硬化させた繊維強化プラスチックの一側面に木材を接着剤により貼り合わせて構成されている。
【００４４】
試験片１は、バインダー樹脂３に炭素充填材４１を混入せずに実施例１と同等の製造方法によって作製した断熱複合材である。また、発泡材７にはポリエチレンよりも高価で高い断熱性を有するなポリウレタンの発泡材７を使用し、強化繊維材２にはグラスファイバーを編み込んだものを使用している。
【００４５】
試験片２は、バインダー樹脂３に炭素充填材４１を混入せずに短繊維の炭素繊維を振りかけて実施例１と同等の手順によって作製した断熱複合材である。
【００４６】
以下、各試験片の特性の比較結果を図面を用いて説明する。図４は熱伝導率、強度および吸水率に関する試験データを表にまとめたものである。
【００４７】
『熱伝導率の比較』
熱伝導率は対象となる物体等を通過する熱の伝わり易さを表したものであり、その値が小さいほど断熱性が良いことを示している。比較結果は、図４および図５に示すように、外気温度が−２０℃帯の場合では、熱伝導率が最も大きかったのは従来品の約０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。一方、熱伝導率が最も小さかったのは試験片１であって約０．０４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。そして、試験片２は約０．０６Ｗ／（ｍ・Ｋ）、実施例１の製品は約０．０７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００４８】
同様に、外気温道が２０℃帯および４０℃帯の時の熱伝導率を比較すると、全体的に外気温度が上昇すると熱伝導率も上昇する傾向にあるが、同一温度帯での各試験片の熱伝導率の大小関係は−２０℃帯と同じ傾向にあった。
【００４９】
すなわち、実施例１の製品および各試験片の熱伝導率は従来品に比べると１／３程度小さく、断熱性が向上していることがわかる。
【００５０】
『強度の比較』
つぎに、実施例１の製品、試験片１、試験片２および従来品の引張弾性率、引張強さ、引張破壊伸び、曲げ弾性率および曲げ強さの比較を行った。引張試験はＪＩＳＫ７１１３に準拠して行い、曲げ試験はＪＩＳＫ７１７１に準拠して行った。
【００５１】
なお、曲げ弾性率および曲げ強さの値が小さいことは、複合材が曲がりやすいことを示しており、適度な曲がりやすさはねじれたときに力を逃がすことができるためねじれ強さにつながる。
【００５２】
図４および図６に示すように、引張弾性率は従来品と本実施例１の製品とはほぼ同程度であり、従来品が約５９００ｋｇｆ／ｍｍ２、本実施例１のものが約５８００ｋｇｆ／ｍｍ２であった。一方、これらの引張弾性率に比べると試験片１および試験片２のは若干小さくなるが、試験片１は約５３００ｋｇｆ／ｍｍ２であり、試験片２は約５４００ｋｇｆ／ｍｍ２を示した。したがって、バインダー樹脂３に炭素充填材４１を混入することによる引張弾性率の向上が推認され、本実施例１のものが他の比較試験片に比べて引張り力に影響されにくく、歪み難いことが示された。
【００５３】
つぎに、引張強さは、図４および図７に示すように、従来品が３９．６ｋｇｆ／ｍｍ２であったのに対し、発泡材７を狭持させた本実施例１の製品および試験片１の引張強さは約５２ｋｇｆ／ｍｍ２と大きい値を示し、試験片２も約４７ｋｇｆ／ｍｍ２ であった。
【００５４】
また、引張破壊伸びでは、従来品が０．７％であったのに対し、本実施例１の製品および試験片１は１％、試験片２は０．９％ と大きくなり、引張強さと同じ傾向を示した。
【００５５】
つぎに、曲げ弾性率の結果について比較すると、図４および図８に示すように、従来品の曲げ弾性率が２０６０ｋｇｆ／ｍｍ２ であるのに対し、試験片１では２５５０ｋｇｆ／ｍｍ２ と大きかったが、試験片２は３４３ｋｇｆ／ｍｍ２と大幅に小さくなった。また、本実施例１の製品は１２６０ｋｇｆ／ｍｍ２と従来品より小さい値を示した。したがって、試験片２および本実施例１の製品は従来品に比べると折り曲げに対する影響を受けにくく、たわみも少ないことがわかる。
【００５６】
また、曲げ強さについては、図４および図９に示すように、従来品の曲げ強さが３８．５ｋｇｆ／ｍｍ２ で最も高く、試験片１では３６．２ｋｇｆ／ｍｍ２ 、試験片２では９．６ｋｇｆ／ｍｍ２、本実施例１の製品では２３．８ｋｇｆ／ｍｍ２と従来品に比べると小さい値を示した。
【００５７】
以上のように、試験片１は従来品と比べて同等の曲げ強さを有している。そのため、ねじりに対する耐力も同等である。一方、試験片２は従来品と比べて著しく曲げに対して弱くなっているため、ねじれに対して弱く、力を逃がす前に破壊してしまうおそれがある。そして、本実施例１の製品は、ねじれに対しても適度な耐久性を備えており、保冷コンテナのようなトラックの走行によってねじれが生じる条件下で使用する場合には好適な強度を備えていると考えられる。
【００５８】
『吸水率の比較』
各試験片について、吸水率および完全乾燥までに要する時間の比較をおこなった。なお、吸水率試験はＪＩＳＫ６９１１に準拠して行った。
【００５９】
吸水率は、図４および図１０に示すように、従来品の吸水率は３２．２％であったが、試験片１では２．６％であり、試験片２では０．５％、本実施例１の製品では０．３％と極めて小さい値を示した。従来品の場合、木材を使用しているため吸水しやすいものと考えられる。また、飽和吸水状態から完全乾燥状態になるまでに要する時間は、従来品では約１０時間を要したのに対して、本実施例１の製品では約３０分と非常に短かった。
【００６０】
したがって、従来の保冷コンテナの壁材は吸水しやすいため冷解凍を繰り返すと吸水し、車両重量が増加することで積載重量が減少するという問題があったが、本実施例１の製品は、水に触れることの多い条件下で使用しても吸水量が非常に少ないため軽量に保つことができ、吸水による積載重量の増加を効果的に抑制することができる。また耐腐食性にも優れ、保冷コンテナ等の部材として好適であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に係る繊維強化プラスチックの第１実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る強化断熱複合材の第２実施形態を示す斜視図である。
【図３】本実施例１の強化断熱複合材の作製方法を示すフローチャートである。
【図４】本実施例１の強化断熱複合材と従来品および比較試験片との特性を比較した結果を示すデータ表である。
【図５】本実施形例１の強化断熱複合材と従来品および比較試験片との特性を比較した結果のうち熱伝導率に関するグラフである。
【図６】本実施形例１の強化断熱複合材と従来品および比較試験片との特性を比較した結果のうち引張弾性率に関するグラフである。
【図７】本実施形例１の強化断熱複合材と従来品および比較試験片との特性を比較した結果のうち引張強さに関するグラフである。
【図８】本実施形例１の強化断熱複合材と従来品および比較試験片との特性を比較した結果のうち曲げ弾性率に関するグラフである。
【図９】本実施形例１の強化断熱複合材と従来品および比較試験片との特性を比較した結果のうち曲げ強さに関するグラフである。
【図１０】本実施形例１の強化断熱複合材と従来品および比較試験片との特性を比較した結果のうち吸水率に関するグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１  繊維強化プラスチック
２  強化繊維材
３  バインダー樹脂
４  強化充填材
４１  炭素充填材
５  コーティング材
６  強化断熱複合材
７  発泡材
【図１】
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【図２】
2009019089.tif 000004
【図３】
2009019089.tif 000005
【図４】
2009019089.tif 000006
【図５】
2009019089.tif 000007
【図６】
2009019089.tif 000008
【図７】
2009019089.tif 000009
【図８】
2009019089.tif 000010
【図９】
2009019089.tif 000011
【図１０】
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