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JP2019210434A - Carbon fiber-reinforced plastic, and manufacturing method of carbon fiber-reinforced plastic - Google Patents

Carbon fiber-reinforced plastic, and manufacturing method of carbon fiber-reinforced plastic Download PDF

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JP2019210434A
JP2019210434A JP2018110415A JP2018110415A JP2019210434A JP 2019210434 A JP2019210434 A JP 2019210434A JP 2018110415 A JP2018110415 A JP 2018110415A JP 2018110415 A JP2018110415 A JP 2018110415A JP 2019210434 A JP2019210434 A JP 2019210434A
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Japan
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cnf
carbon fiber
resin composition
added
cfrp
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JP2018110415A
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Japanese (ja)
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大窪 和也
Kazuya Okubo
和也 大窪
研太 林
Kenta Hayashi
研太 林
西田 信雄
Nobuo Nishida
信雄 西田
杉野岳
Takeshi Sugino
岳 杉野
大坪 雅之
Masayuki Otsubo
雅之 大坪
裕輝 森本
Hiroki Morimoto
裕輝 森本
孝太 小倉
Kota Ogura
孝太 小倉
淳 峯村
Atsushi Minemura
淳 峯村
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Doshisha Co Ltd
Sugino Machine Ltd
Original Assignee
Doshisha Co Ltd
Sugino Machine Ltd
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Abstract

To provide a carbon fiber-reinforced plastic and a manufacturing method thereof in which fatigue life is improved by allowing cellulose nanofiber having an optimum fiber length to be contained.SOLUTION: There is provided carbon fiber-reinforced plastic in which cellulose nanofiber having the average fiber length of 20 to 80 μm is added. Further, there is provided a manufacturing method of carbon fiber-reinforced plastic in which cellulose nanofiber having the average fiber length of 20 to 80 μm is dried into a powder state and put into resin and stirred to obtain a resin composition, and carbon fiber-reinforced plastic is allowed to contain the resin composition, by which carbon fiber-reinforced plastic having tensile strength in static tensile test based on JIS K7164 and 7165 at 700 MPa or more in average, and an average tensile fatigue life of 2.5×10cycles or more in tensile fatigue life test based on JIS K7083 is obtained.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、疲労寿命を向上させる最適繊維長のセルロースナノファイバーを含有した炭素繊維強化プラスチックおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a carbon fiber reinforced plastic containing cellulose nanofibers having an optimum fiber length that improves fatigue life and a method for producing the same.

比強度や比剛性に優れた炭素繊維強化プラスチック(以下CFRPと呼称することがある)は、低燃費が要求される航空機では構造部材に利用が普及しており、また、自動車でも同様な目的で高級車に採用されつつある。   Carbon fiber reinforced plastics (hereinafter referred to as CFRP), which are excellent in specific strength and specific rigidity, are widely used for structural members in aircraft where low fuel consumption is required, and also for the same purpose in automobiles. It is being adopted for luxury cars.

構造部材には主に曲げ荷重が繰返し作用するので、引張強度、圧縮強度、および曲げ強度が大きく、疲労寿命が長いことが要求される。   Since bending load mainly acts repeatedly on the structural member, it is required to have high tensile strength, compressive strength and bending strength and a long fatigue life.

従来から、CFRPの母材にセルロースナノファイバー(以下CNFと呼称することがある)を添加することで機械的特性や疲労寿命が改善されることが確認されている(非特許文献1,2)。   Conventionally, it has been confirmed that mechanical properties and fatigue life are improved by adding cellulose nanofibers (hereinafter sometimes referred to as CNF) to a CFRP base material (Non-Patent Documents 1 and 2). .

特願2017−116235号Japanese Patent Application No. 2017-116235

2015/12/10第7回とやまナノテククラスター「セルロースナノファイバーを添加したCFRP(炭素繊維複合材料)の製作およびその疲労耐久性の改善」2015/12/10 7th Toyama Nanotech Cluster “Production of CFRP (Carbon Fiber Composite Material) with Cellulose Nanofibers and Improvement of Its Fatigue Durability” 第7回日本複合材料会議(JCCM‐7)「セルロースナノファイバ(CNF)を添加したCFRPの機械的特性―CNFの繊維長の違いによる影響」The 7th Japan Composite Material Conference (JCCM-7) “Mechanical properties of CFRP with cellulose nanofiber (CNF) added-Effect of differences in CNF fiber length”

しかし、CFRPの疲労寿命を向上させるCNFの最適繊維長は明らかとなってはいなかった。   However, the optimum fiber length of CNF that improves the fatigue life of CFRP has not been clarified.

そこで本発明の目的は、CFRPの疲労寿命を向上させる最適な繊維長のCNFを明らかにし、最適繊維長のCNFを含有させて疲労寿命を向上させたCFRPおよびその製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to clarify CNF having an optimum fiber length that improves the fatigue life of CFRP, and to provide a CFRP containing CNF having an optimum fiber length to improve the fatigue life and a method for producing the same. .

本発明の炭素繊維強化プラスチックは、平均繊維長が20〜80μmのセルロースナノファイバーを添加したことを特徴とする。本発明の炭素繊維強化プラスチックは、前記セルロースナノファイバーと樹脂を配合した樹脂組成物に、炭素繊維が配合されたことを特徴とする。
本発明によれば、セルロースナノファイバー無添加のCFRPと比較して、CFRPの引張疲労寿命が向上するだけでなく、平均繊維長が20μm未満のCNFを添加したCFRPや、平均繊維長が80μmよりも大きいCNFを添加したCFRPと比較しても、CFRPの引張疲労寿命が向上する。
The carbon fiber reinforced plastic of the present invention is characterized by adding cellulose nanofibers having an average fiber length of 20 to 80 μm. The carbon fiber reinforced plastic of the present invention is characterized in that carbon fiber is blended in the resin composition in which the cellulose nanofiber and the resin are blended.
According to the present invention, compared with CFRP without addition of cellulose nanofiber, not only the tensile fatigue life of CFRP is improved, but also CFRP added with CNF having an average fiber length of less than 20 μm, and an average fiber length of more than 80 μm. The tensile fatigue life of CFRP is improved even when compared with CFRP to which larger CNF is added.

本発明の炭素繊維強化プラスチックは、前記セルロースナノファイバーが乾燥させたセルロースナノファイバーであることを特徴とする。
本発明の炭素繊維強化プラスチックの製造方法は、平均繊維長が20〜80μmのセルロースナノファイバーを乾燥させて粉末状とし、樹脂に入れて撹拌することで樹脂組成物を得て、前記樹脂組成物を炭素繊維強化プラスチックに含有させることで炭素繊維強化プラスチックを得ることを特徴とする。
本発明の炭素繊維強化プラスチックの製造方法は、JIS K7164および7165に基づく静的引張試験における引張強さが平均700MPa以上であり、JIS K7083に基づく引張疲労寿命試験における平均の引張疲労寿命が2.5×10サイクル以上となる、前記炭素繊維強化プラスチックを得ることを特徴とする。
本発明によれば、平均繊維長が20〜80μmの乾燥させたCNF(以下ドライCNFと呼称することがある)を添加したCFRPでは、平均繊維長が20〜80μmのスラリー状のCNF(以下スラリーCNFと呼称することがある)を添加したCFRPと比較して、CFRPの引張疲労寿命がさらに向上する。
The carbon fiber reinforced plastic of the present invention is a cellulose nanofiber obtained by drying the cellulose nanofiber.
In the method for producing a carbon fiber reinforced plastic according to the present invention, cellulose nanofibers having an average fiber length of 20 to 80 μm are dried to obtain a resin composition by stirring in a resin, and the resin composition It is characterized in that carbon fiber reinforced plastic can be obtained by containing the carbon fiber reinforced plastic.
The carbon fiber reinforced plastic manufacturing method of the present invention has an average tensile strength of 700 MPa or more in a static tensile test based on JIS K7164 and 7165, and an average tensile fatigue life in a tensile fatigue life test based on JIS K7083 is 2. The carbon fiber reinforced plastic having 5 × 10 4 cycles or more is obtained.
According to the present invention, in CFRP to which dried CNF having an average fiber length of 20 to 80 μm (hereinafter sometimes referred to as dry CNF) is added, a slurry-like CNF having an average fiber length of 20 to 80 μm (hereinafter referred to as slurry) The tensile fatigue life of CFRP is further improved as compared with CFRP to which CNF is added).

本発明によれば、最適繊維長のCNFを含有させて疲労寿命を向上させたCFRPおよびその製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, CFRP which contained CNF of the optimal fiber length, and improved the fatigue life, and its manufacturing method can be provided.

本発明の実施例における、スラリーCNF添加樹脂組成物の作製を示す図であるIt is a figure which shows preparation of the slurry CNF addition resin composition in the Example of this invention. 上記実施例における、ドライCNF添加樹脂組成物の作製を示す図であるIt is a figure which shows preparation of the dry CNF addition resin composition in the said Example. 上記実施例における、CNF添加樹脂組成物を含有するCFRPの作製を示す図であるIt is a figure which shows preparation of CFRP containing the CNF addition resin composition in the said Example. 上記実施例における、スラリーCNF添加樹脂組成物を含有するCFRPの静的引張試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the static tensile test of CFRP containing the slurry CNF addition resin composition in the said Example. 上記実施例における、ドライCNF添加樹脂組成物を含有するCFRPの静的引張試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the static tensile test of CFRP containing the dry CNF addition resin composition in the said Example. 上記実施例における、スラリーCNF添加樹脂組成物を含有するCFRPの引張疲労寿命の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the tensile fatigue life of CFRP containing the slurry CNF addition resin composition in the said Example. 上記実施例における、ドライCNF添加樹脂組成物を含有するCFRPの引張疲労寿命の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the tensile fatigue life of CFRP containing the dry CNF addition resin composition in the said Example. 上記実施例における、スラリーCNF添加樹脂の炭素繊維との界面せん断強度の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the interface shear strength with the carbon fiber of the slurry CNF addition resin in the said Example.

本発明で使用するセルロースは、繊維状、粒状などの任意の形態であってもよい。本発明による構成単位糖までのセルロースの分解(糖化)に関しては、幅広い植物原料(稲わら、籾殻、麦わら、コーンコブなどに加えて木材、林地残材、製材工場など残材、建設発生木材、古紙などの廃材を含む)を直接原料として使用するのが好ましい。一方、ナノファイバー化に関しては、リグニンやヘミセルロースを除去した結晶セルロースを原料として使用するのが好ましい。また、ナノファイバー化の場合は市販の原料を使用してもよい。   The cellulose used in the present invention may be in any form such as fibrous or granular. Regarding the decomposition (saccharification) of cellulose into constituent unit sugars according to the present invention, in addition to a wide range of plant materials (rice straw, rice husk, wheat straw, corn cob, etc., wood, forest land residue, sawmill residue, construction generated wood, waste paper It is preferable to use as a raw material directly. On the other hand, for nanofiber formation, it is preferable to use crystalline cellulose from which lignin and hemicellulose have been removed as a raw material. In the case of nanofiber formation, commercially available raw materials may be used.

本発明において「ナノファイバー」は、繊維の幅がナノサイズになったものを意味する。例えば、セルロースは、繊維同士がほどけて1本の最小単位の繊維になると、その直径は、10〜50nm程度となる。ナノファイバーの直径(幅)は、電子顕微鏡写真により測定することができる。このような繊維は、長さはナノサイズではないが、直径(幅)がナノサイズであるので、本明細書においてナノファイバーと記載する。本発明の方法により処理されて得られたナノファイバーの平均繊維長は、好ましくは20〜80μm程度である。平均繊維長が短すぎると、耐疲労性等のCNFの機械的特性が十分に発現しない。平均繊維長が長すぎると、ファイバーの分散性が悪化する。   In the present invention, “nanofiber” means a fiber having a nano width. For example, when the fibers are unwound and become one minimum unit fiber, the diameter of the cellulose is about 10 to 50 nm. The diameter (width) of the nanofiber can be measured by an electron micrograph. Such a fiber is not nano-sized in length, but has a diameter (width) of nano-size, and is therefore referred to as nanofiber in this specification. The average fiber length of the nanofibers obtained by the treatment by the method of the present invention is preferably about 20 to 80 μm. If the average fiber length is too short, the mechanical properties of CNF such as fatigue resistance are not sufficiently exhibited. When the average fiber length is too long, the dispersibility of the fiber is deteriorated.

本発明において「CNF」は、セルロースを機械粉砕して得られる繊維であり、原料セルロースとしては、結晶形がI型のセルロース(セルロースI型)である木材パルプや、コットン、リンター、麻、バクテリアセルロース、柔細胞繊維などの非木系パルプ、結晶形がII型のセルロース(セルロースII型)である溶解剤としてN一メチルモルホリンN―オキシド/水溶媒、銅アンモニア錯体、水酸化ナトリウム/二硫化炭素を用いた再生セルロース繊維などが用いられる。セルロースII型は、分子量および結晶化度が低下しているため、セルロースI型よりも繊維が切断されやすく、また、耐熱性も低いので、特に好ましい材料としては、セルロースI型である。セルロースを機械粉砕する方法としては、パルプをビーターやリファイナーで所定の長さとして、高圧ホモジナイザー、グラインダー、衝撃粉砕機、ビーズミルなどを用いて、フィブリル化または微細化することで機械粉砕する方法が知られている。   In the present invention, “CNF” is a fiber obtained by mechanically pulverizing cellulose, and as raw material cellulose, wood pulp, cotton, linter, hemp, bacteria, whose crystal form is I-type cellulose (cellulose I-type) is used. Non-woody pulp such as cellulose and soft cell fibers, N-methylmorpholine N-oxide / water solvent, copper ammonia complex, sodium hydroxide / disulfide as a solubilizer that is cellulose of type II cellulose (cellulose type II) A regenerated cellulose fiber using carbon is used. Cellulose II type has a reduced molecular weight and crystallinity, so that the fiber is more easily cut than cellulose I type and has low heat resistance. Therefore, cellulose I type is a particularly preferable material. As a method of mechanically pulverizing cellulose, there is known a method of mechanically pulverizing pulp by fibrillation or refinement using a high-pressure homogenizer, grinder, impact pulverizer, bead mill, etc., with pulp having a predetermined length by a beater or refiner. It has been.

本発明において「スラリーCNF」は、CNFをスラリー状にしたものを意味する。CNFをスラリー状にする方法は、特に限定はされず、例えば、水に分散させてスラリー状に調整する。   In the present invention, “slurry CNF” means a slurry of CNF. The method of making CNF into a slurry is not particularly limited, and for example, it is dispersed in water and adjusted to a slurry.

本発明において「ドライCNF」は、CNFを乾燥させたものを意味する。CNFの乾燥方法は、限定はされないが、例えば、噴霧乾燥法、真空乾燥法、気流乾燥法、流動層乾燥法などが想定できる。具体例としては特願2017−116235号が挙げられる(特許文献1)。   In the present invention, “dry CNF” means a product obtained by drying CNF. Although the drying method of CNF is not limited, For example, a spray drying method, a vacuum drying method, an air flow drying method, a fluidized bed drying method, etc. can be assumed. A specific example is Japanese Patent Application No. 2017-116235 (Patent Document 1).

本発明のドライCNFは、CNFに有機成分を含有させて乾燥させたものとしてもよい。使用される有機成分は、乾燥工程の前にCNFのスラリー液と十分に撹拌混合し、乾燥工程に進むのが好ましい。混合方法としては、マグネチックスターラーや、プロペラ式の撹拌装置、ホモジナイザー、ホモミキサー、超音波分散機などが挙げられる。   The dry CNF of the present invention may be dried by adding an organic component to CNF. It is preferable that the organic component to be used is sufficiently stirred and mixed with the CNF slurry before the drying step and proceeds to the drying step. Examples of the mixing method include a magnetic stirrer, a propeller type stirring device, a homogenizer, a homomixer, and an ultrasonic disperser.

本発明において使用される有機成分は、水およびエタノール・メタノールなど水可溶性アルコールに溶解可能なアニオン系、ノニオン系界面活性剤およびこれらの混合物であれば良く、具体的には、ステアリン酸、オレイン酸、グリセリン、およびその化合物などが挙げられる。   The organic component used in the present invention may be an anionic or nonionic surfactant that can be dissolved in water and a water-soluble alcohol such as ethanol / methanol, and a mixture thereof. Specifically, stearic acid, oleic acid , Glycerin, and compounds thereof.

本発明の「CFRP」は、少なくとも、炭素繊維と、マトリックスとなる樹脂と、CNFとを含有する成形体であり、マトリックスとなる樹脂に0.05質量%〜1質量%の平均繊維長20〜80μmのCNFを配合した樹脂組成物100質量部に対して、炭素繊維を50〜250質量部配合してなる。   The “CFRP” of the present invention is a molded article containing at least carbon fibers, a resin that serves as a matrix, and CNF. It is formed by blending 50 to 250 parts by mass of carbon fiber with respect to 100 parts by mass of the resin composition blended with 80 μm CNF.

本発明に使用される「炭素繊維」は、PAN系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、気相成長系炭素繊維、これらの黒鉛化炭素繊維などがあげられ、コストと取扱い性の観点から、PAN系またはピッチ系の炭素繊維が好ましい。
炭素繊維束は、不連続な繊維束が好ましく、チップド繊維がより好ましい。炭素繊維束を構成する単繊維の本数には、特に制限はないが、生産性の観点からは12,000本以上が好ましい。炭素繊維束の繊維長は、特に限定されないが、1mm〜50mmであることが好ましい。炭素繊維は、公知の方法により製造してもよいし、市販の炭素繊維を入手してもよい。
Examples of the “carbon fiber” used in the present invention include PAN-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, cellulose-based carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, and graphitized carbon fiber. From the viewpoint, PAN-based or pitch-based carbon fibers are preferable.
The carbon fiber bundle is preferably a discontinuous fiber bundle, and more preferably a chipped fiber. The number of single fibers constituting the carbon fiber bundle is not particularly limited, but is preferably 12,000 or more from the viewpoint of productivity. The fiber length of the carbon fiber bundle is not particularly limited, but is preferably 1 mm to 50 mm. The carbon fiber may be produced by a known method, or a commercially available carbon fiber may be obtained.

本発明において「樹脂」は、熱硬化性樹脂である。具体的には、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイソシアネート樹脂、ポリイソシアヌレート樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。炭素繊維強化プラスチック中の樹脂の含有量は、50〜99質量%であることが好ましく、60〜90質量%であることがより好ましく、65〜85質量%であることがより好ましい。
本発明において「樹脂組成物」は、マトリックスとなる樹脂にCNFを配合したものである。
In the present invention, the “resin” is a thermosetting resin. Specific examples include epoxy resins, polyurethane resins, polyisocyanate resins, polyisocyanurate resins, phenol resins, silicone resins, urea resins, melamine resins, unsaturated polyester resins, polyimide resins, and the like. The content of the resin in the carbon fiber reinforced plastic is preferably 50 to 99% by mass, more preferably 60 to 90% by mass, and more preferably 65 to 85% by mass.
In the present invention, the “resin composition” is obtained by blending CNF into a matrix resin.

本発明のCFRPの製造方法は、(1)炭素繊維からなるシート状基材を形成した後、該シート状基材に対し、上記樹脂組成物を含侵させる方法、(2)上記樹脂組成物と、炭素繊維とを押出機に投入して、炭素繊維を分散させ、これを溶融状態で塊状またはシート状に押出した後、所定の形状に賦形してCFRPを得る方法などがあげられる。   The method for producing CFRP of the present invention includes (1) a method of impregnating the sheet-shaped substrate with the resin composition after forming a sheet-shaped substrate composed of carbon fibers, and (2) the resin composition. And carbon fiber are introduced into an extruder, the carbon fiber is dispersed, extruded into a lump or sheet in a molten state, and then shaped into a predetermined shape to obtain CFRP.

(スラリーCNFを添加した樹脂組成物の作製)
図1は本実施例の、スラリーCNFを添加した樹脂組成物の作製を示す図である。CNFは、「BiNFi‐s」(スギノマシン社製)を使用し、樹脂はJER828(登録商標。エポキシ当量190、三菱化学社製)を使用した。CNFは、平均繊維長が約20μmのCNF、20〜80μmのCNF、または120μmのCNFを使用した。CNFは、スラリー状態であるため、繊維に含有している水分をエタノールで置換した。具体的には、スラリーCNFにその10倍のエタノールを加えて、5,000rpmで30min撹拌した。その後、バキューム装置でろ過した。得られたCNFにエタノール100gを追加して、再度、5,000rpmで30min撹拌した。次に得られたCNFの添加率が0.3wt%となるようにエタノール100gと樹脂を入れ、10,000rpmで30min撹拌した。この混合物を80℃で真空環境下の電気炉中に7日間保持してエタノールを揮発させ、0.3wt%の、スラリーCNF添加樹脂組成物を得た(図1)。
(Preparation of resin composition to which slurry CNF is added)
FIG. 1 is a view showing the production of a resin composition to which slurry CNF is added in this example. As CNF, “BiNFi-s” (manufactured by Sugino Machine) was used, and JER828 (registered trademark, epoxy equivalent 190, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) was used as the resin. As CNF, CNF having an average fiber length of about 20 μm, 20 to 80 μm, or 120 μm was used. Since CNF is in a slurry state, the water contained in the fiber was replaced with ethanol. Specifically, 10 times the ethanol was added to the slurry CNF and stirred at 5,000 rpm for 30 minutes. Then, it filtered with the vacuum apparatus. 100 g of ethanol was added to the obtained CNF, and the mixture was stirred again at 5,000 rpm for 30 min. Next, 100 g of ethanol and a resin were added so that the addition ratio of CNF obtained was 0.3 wt%, and the mixture was stirred at 10,000 rpm for 30 min. This mixture was kept at 80 ° C. in an electric furnace in a vacuum environment for 7 days to evaporate ethanol, thereby obtaining a 0.3 wt% slurry CNF-added resin composition (FIG. 1).

(ドライCNFを添加した樹脂組成物の作製)
図2は本実施例の、ドライCNFを添加した樹脂組成物の作製を示す図である。粉末状のドライCNFを添加率が0.3wt%となるように樹脂を入れ、10,000rpmで30min撹拌し、0.3wt%のドライCNF添加樹脂組成物を得た。樹脂は、スラリーCNFに使用したものと同一である。ドライCNFを使用することでCNF添加樹脂組成物を作製するための作業時間を大幅に減少することが可能となる(図2)。
(Preparation of resin composition to which dry CNF is added)
FIG. 2 is a diagram showing the production of a resin composition to which dry CNF was added in this example. A resin was added so that the addition rate of powdered dry CNF was 0.3 wt%, and the mixture was stirred at 10,000 rpm for 30 min to obtain a 0.3 wt% dry CNF-added resin composition. The resin is the same as that used for the slurry CNF. By using dry CNF, the working time for producing the CNF-added resin composition can be greatly reduced (FIG. 2).

(樹脂組成物を含有するCFRPの作製)
図3は本実施例の、CNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPの作製を示す図である。CNF未添加樹脂か、上述のスラリーCNFを添加した樹脂組成物か、またはドライCNFを添加した樹脂組成物のいずれか一つを用いて、樹脂または樹脂組成物を含有するCFRPを作製した。炭素繊維は、PAN系炭素繊維束であるTR3110M(縦、横原糸ともにTR30S 3L、引張強度:4.12GPa、引張弾性率:234GPa、ひずみ率:1.8%、三菱レイヨン社製)を使用した。硬化剤には変形脂環族アミン系のJERキュア113(三菱化学社製)を用い、樹脂または樹脂組成物に対する割合は33wt%とした(図3)。
(Preparation of CFRP containing resin composition)
FIG. 3 is a view showing the production of CFRP containing a resin composition to which CNF is added in this example. A CFRP containing a resin or a resin composition was produced using any one of a resin not added with CNF, a resin composition added with the above-mentioned slurry CNF, or a resin composition added with dry CNF. The carbon fiber used is TR3110M which is a PAN-based carbon fiber bundle (TR30S 3L for both warp and weft yarns, tensile strength: 4.12 GPa, tensile elastic modulus: 234 GPa, strain rate: 1.8%, manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) did. A deformed alicyclic amine-based JER cure 113 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) was used as the curing agent, and the ratio to the resin or resin composition was 33 wt% (FIG. 3).

樹脂または樹脂組成物を含有するCFRPを作製するにあたり、樹脂や硬化剤は混合前後にバキューム装置で脱泡した。脱泡後の樹脂と平織炭素繊維クロス8枚をハンドレイアップした。その後、ヒートプレスで0.86MPa、80℃で1時間、そして、150℃で3時間、加圧加熱硬化させ、さらに炉中で徐冷した。また、CFRPの厚さは2mmとした。このようにしてCNF未添加の樹脂を含有するCFRP、スラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP、およびドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPを各々作製した(図3)。   In producing CFRP containing a resin or a resin composition, the resin and the curing agent were defoamed with a vacuum apparatus before and after mixing. The defoamed resin and 8 plain woven carbon fiber cloths were hand laid up. Thereafter, it was heated and cured at 0.86 MPa, 80 ° C. for 1 hour, and 150 ° C. for 3 hours, and further slowly cooled in a furnace. The CFRP thickness was 2 mm. Thus, CFRP containing a resin not added with CNF, CFRP containing a resin composition added with slurry CNF, and CFRP containing a resin composition added with dry CNF were each produced (FIG. 3).

<静的引張試験>
本試験は、JIS K7164,7165に準拠して行った。電気油圧式材料試験機は、サーボパルサ(登録商標。定格荷重:50kN、島津製作所製)を使用した。
<Static tensile test>
This test was conducted according to JIS K7164, 7165. As the electrohydraulic material testing machine, a servo pulser (registered trademark, rated load: 50 kN, manufactured by Shimadzu Corporation) was used.

図4は、本実施例におけるスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPの静的引張試験の結果を示すグラフである。グラフに示された試料(X軸)は、左から、CNF未添加の樹脂を含有するCFRP(Unmоdified)、平均繊維長約20μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(Modified with IMaCNF)、平均繊維長20〜80μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(Modified with #65CNF)、平均繊維長約120μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(Modified with 2mm CNF)である。   FIG. 4 is a graph showing the results of a static tensile test of CFRP containing a resin composition added with slurry CNF in this example. From the left, the sample (X-axis) shown in the graph is CFRP (Unmodified) containing a resin not added with CNF and CFRP (Modified with IMaCNF containing a resin composition added with slurry CNF having an average fiber length of about 20 μm. ), CFRP (Modified with # 65CNF) containing a resin composition to which a slurry CNF having an average fiber length of 20 to 80 μm is added, and CFRP (Modified with 2 mm) containing a resin composition to which a slurry CNF having an average fiber length of about 120 μm is added. CNF).

スラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPとすることで、CNF未添加の樹脂を含有するCFRPと比較して引張強度はわずかに低下した。添加したスラリーCNFの繊維長の違いの影響は殆ど見られなかった(図4)。   By using CFRP containing a resin composition to which slurry CNF was added, the tensile strength was slightly reduced as compared with CFRP containing a resin to which CNF was not added. The effect of the difference in fiber length of the added slurry CNF was hardly observed (FIG. 4).

図5は、本実施例におけるドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPの静的引張試験の結果を示すグラフである。グラフに示された試料(X軸)は、左から、CNF未添加の樹脂を含有するCFRP(Unmоdified)、平均繊維長約20μmのドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(Modified with Dry IMaCNF)、平均繊維長20〜80μmのドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(Modified with Dry #65CNF)、平均繊維長約120μmのドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(Modified with Dry 2mm CNF)である。   FIG. 5 is a graph showing the results of a static tensile test of CFRP containing a resin composition added with dry CNF in this example. From the left, the sample shown in the graph (X-axis) is CFRP (Unmodified) containing a resin not added with CNF, and CFRP (Modified with Dry) containing a resin composition added with dry CNF having an average fiber length of about 20 μm. CFa (Modified with Dry # 65CNF) containing a resin composition added with dry CNF having an average fiber length of 20 to 80 μm, CFRP containing a resin composition added with dry CNF having an average fiber length of about 120 μm (Modified) with Dry 2 mm CNF).

ドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPの場合、CNF未添加の樹脂を含有するCFRPと比較して引張強度への影響は殆ど見られなかった。また、添加したドライCNFの繊維長の違いの影響は殆ど見られなかった(図5)。   In the case of CFRP containing a resin composition to which dry CNF was added, there was almost no effect on tensile strength as compared with CFRP containing a resin to which CNF was not added. Moreover, the influence of the difference in the fiber length of the added dry CNF was hardly seen (FIG. 5).

<引張疲労寿命試験>
本試験は、定荷重引張−引張疲れ試験方法により評価した。定荷重引張−引張疲れ試験方法は、JIS K7083に準拠して行った。電気油圧式材料試験機は、サーボパルサ(登録商標。定格荷重:50kN、島津製作所製)を使用した。なお応力振幅は一定、最大応力は静的強度に対して75%、応力比は0.1、周波数5Hz、波形は正弦波とした。
<Tensile fatigue life test>
This test was evaluated by the constant load tension-tensile fatigue test method. The constant load tension-tensile fatigue test method was performed according to JIS K7083. As the electrohydraulic material testing machine, a servo pulser (registered trademark, rated load: 50 kN, manufactured by Shimadzu Corporation) was used. The stress amplitude was constant, the maximum stress was 75% of the static strength, the stress ratio was 0.1, the frequency was 5 Hz, and the waveform was a sine wave.

図6は、本実施例におけるスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPの引張疲労寿命の結果を示すグラフである。グラフに示された試料は、CNF未添加の樹脂を含有するCFRP(Unmоdified)、平均繊維長約20μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with IMaCNF)、平均繊維長20〜80μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with #65CNF)、平均繊維長約120μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with 2mm CNF)である。   FIG. 6 is a graph showing the results of tensile fatigue life of CFRP containing a resin composition to which slurry CNF is added in this example. The sample shown in the graph includes CFRP (Unmodified) containing a resin not containing CNF, CFRP (modified with IMaCNF) containing a resin composition added with slurry CNF having an average fiber length of about 20 μm, and an average fiber length of 20 to CFRP (modified with # 65CNF) containing a resin composition added with 80 μm slurry CNF, and CFRP (modified with 2 mm CNF) containing a resin composition added with slurry CNF having an average fiber length of about 120 μm.

CNF未添加の樹脂を含有するCFRP(Unmоdified)は、平均の引張疲労寿命(Number of cycles to failure[cycles])が、5.458×10サイクルとなった。平均繊維長約20μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with IMaCNF)は、平均の引張疲労寿命が、1.893×10サイクルとなった。平均繊維長20〜80μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with #65CNF)は、平均の引張疲労寿命が、4.899×10サイクルとなった。平均繊維長約120μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with 2mm CNF)は、平均の引張疲労寿命が、1.286×10サイクルとなった。 CFRP (Unknown) containing a resin not added with CNF had an average tensile fatigue life (Number of cycles to failure [cycles]) of 5.458 × 10 3 cycles. CFRP (modified with IMaCNF) containing a resin composition added with slurry CNF having an average fiber length of about 20 μm had an average tensile fatigue life of 1.893 × 10 4 cycles. CFRP (modified with # 65CNF) containing a resin composition to which slurry CNF having an average fiber length of 20 to 80 μm is added has an average tensile fatigue life of 4.899 × 10 4 cycles. CFRP (modified with 2 mm CNF) containing a resin composition added with slurry CNF having an average fiber length of about 120 μm had an average tensile fatigue life of 1.286 × 10 4 cycles.

スラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPとすることで、CNF未添加の樹脂を含有するCFRPと比較して、疲労寿命が向上した。平均繊維長20μm〜80μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPが、最も疲労寿命が向上し、CNF未添加の樹脂を含有するCFRPと比較して平均約9倍疲労寿命が向上した。平均繊維長20〜80μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with #65CNF)は、他の繊維長のスラリーCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPの場合とは異なり、平均の引張疲労寿命が、少なくとも2×10サイクル以上となった。 By using CFRP containing a resin composition to which slurry CNF was added, fatigue life was improved as compared with CFRP containing resin to which CNF was not added. CFRP containing a resin composition added with slurry CNF having an average fiber length of 20 μm to 80 μm has the most improved fatigue life, and the average fatigue life improved by about 9 times compared with CFRP containing a resin without CNF added. . CFRP (modified with # 65CNF) containing a resin composition to which slurry CNF having an average fiber length of 20 to 80 μm is added is different from the case of CFRP containing a resin composition to which slurry CNF having another fiber length is added. The average tensile fatigue life was at least 2 × 10 4 cycles or more.

図7は、本実施例におけるドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPの引張疲労寿命の結果を示すグラフである。グラフに示された試料は、CNF未添加の樹脂を含有するCFRP(Unmоdified)、平均繊維長約20μmのドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with IMaCNF)、平均繊維長20〜80μmのドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with #65CNF)、平均繊維長約120μmのドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with 2mm CNF)である。   FIG. 7 is a graph showing the results of tensile fatigue life of CFRP containing a resin composition to which dry CNF is added in this example. The samples shown in the graph are CFRP (Unmodified) containing a resin not added with CNF, CFRP (modified with IMaCNF) containing a resin composition added with dry CNF having an average fiber length of about 20 μm, an average fiber length of 20 to CFRP (modified with # 65CNF) containing a resin composition added with 80 μm dry CNF and CFRP (modified with 2 mm CNF) containing a resin composition added with dry CNF having an average fiber length of about 120 μm.

CNF未添加の樹脂を含有するCFRP(Unmоdified)は、平均の引張疲労寿命(Number of cycles to failure[cycles])が、5.458×10サイクルとなった。平均繊維長約20μmのドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with IMaCNF)は、平均の引張疲労寿命が、2.118×10サイクルとなった。平均繊維長20〜80μmのドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with #65CNF)は、平均の引張疲労寿命が、7.003×10サイクルとなった。平均繊維長約120μmのドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with 2mm CNF)は、平均の引張疲労寿命が、2.055×10サイクルとなった。 CFRP (Unknown) containing a resin not added with CNF had an average tensile fatigue life (Number of cycles to failure [cycles]) of 5.458 × 10 3 cycles. CFRP (modified with IMaCNF) containing a resin composition added with dry CNF having an average fiber length of about 20 μm has an average tensile fatigue life of 2.118 × 10 4 cycles. CFRP (modified with # 65CNF) containing a resin composition added with dry CNF having an average fiber length of 20 to 80 μm had an average tensile fatigue life of 7.003 × 10 4 cycles. CFRP (modified with 2 mm CNF) containing a resin composition added with dry CNF having an average fiber length of about 120 μm has an average tensile fatigue life of 2.055 × 10 4 cycles.

ドライCNFの場合もスラリーCNFとほぼ同じ傾向を示した。すなわち、ドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPとすることで、CNF未添加の樹脂を含有するCFRPと比較して、疲労寿命が向上した。平均繊維長20μm〜80μmのドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPが、最も疲労寿命が向上し、CNF未添加の樹脂を含有するCFRPと比較して平均約13倍疲労寿命が向上した。平均繊維長20〜80μmのドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRP(modified with #65CNF)は、他の繊維長のドライCNFを添加した樹脂組成物を含有するCFRPの場合とは異なり、平均の引張疲労寿命が、少なくとも2.5×10サイクル以上となった。 The dry CNF showed almost the same tendency as the slurry CNF. That is, by using CFRP containing a resin composition to which dry CNF was added, the fatigue life was improved as compared with CFRP containing a resin to which CNF was not added. CFRP containing a resin composition added with dry CNF having an average fiber length of 20 μm to 80 μm has the most improved fatigue life, and the average fatigue life improved by about 13 times compared with CFRP containing a resin without CNF added. . CFRP (modified with # 65CNF) containing a resin composition added with dry CNF having an average fiber length of 20 to 80 μm is different from CFRP containing a resin composition added with dry CNF having another fiber length, The average tensile fatigue life was at least 2.5 × 10 4 cycles or more.

<界面せん断強度試験>
本試験は、マイクロドロップレット法と呼ばれ、1本の炭素繊維上にエポキシ樹脂球を作製して、2枚のブレードで押さえながら引き抜く際に必要となる荷重を測定することでせん断強度τを算出する。せん断強度τは以下の数式により算出できる(数1)。ここで、τはせん断強度、Fは得られる最大引抜荷重、Lは埋め込み長さ、dは繊維径を表す。
<Interfacial shear strength test>
This test is called the microdroplet method, and the shear strength τ is determined by measuring the load required when pulling out an epoxy resin ball on one carbon fiber while holding it with two blades. calculate. The shear strength τ can be calculated by the following formula (Equation 1). Here, τ is the shear strength, F is the maximum drawing load that can be obtained, L is the embedding length, and d is the fiber diameter.

図8は、本実施例におけるスラリーCNF添加をした樹脂組成物の炭素繊維との界面せん断強度の結果を示すグラフである。グラフに示された試料(X軸)は、左から、平均繊維長約20μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物(IMaCNF)、平均繊維長20〜80μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物(#65CNF)、平均繊維長約120μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物(2mm CNF)である。   FIG. 8 is a graph showing the results of the interfacial shear strength with the carbon fiber of the resin composition to which the slurry CNF was added in this example. From the left, the sample shown in the graph (X-axis) is a resin composition (IMaCNF) to which slurry CNF having an average fiber length of about 20 μm is added, and a resin composition to which slurry CNF having an average fiber length of 20 to 80 μm is added (# 65 CNF) and a resin composition (2 mm CNF) to which slurry CNF having an average fiber length of about 120 μm is added.

上述した3種類のスラリーCNFの中で、平均繊維長約20μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物や、平均繊維長20〜80μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物は、炭素繊維との界面せん断強度が高く、平均繊維長約120μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物は、炭素繊維との界面せん断強度が低かった。   Among the three types of slurry CNF described above, the resin composition to which the slurry CNF having an average fiber length of about 20 μm is added and the resin composition to which the slurry CNF having an average fiber length of 20 to 80 μm is added are interfacial shear with carbon fibers. The resin composition to which the slurry CNF having a high strength and an average fiber length of about 120 μm was added had a low interfacial shear strength with the carbon fiber.

以上のように、平均繊維長20〜80μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物からなるCFRPは、JIS KJIS K7164および7165に基づく静的引張試験における引張強さが平均700MPa以上であった。またJIS K7083に基づく引張疲労寿命試験における平均の引張疲労寿命は4.899×10サイクルであり、他の繊維長のスラリーCNFを添加した樹脂組成物からなるCFRPの場合とは異なり、少なくとも2×10サイクル以上となった。また平均繊維長20〜80μmのスラリーCNFを添加した樹脂組成物は、マイクロドロップレット法に基づくせん断強度が70MPa以上となった。 As described above, the CFRP made of the resin composition to which the slurry CNF having an average fiber length of 20 to 80 μm is added has an average tensile strength of 700 MPa or more in the static tensile test based on JIS KJIS K7164 and 7165. Further, the average tensile fatigue life in the tensile fatigue life test based on JIS K7083 is 4.899 × 10 4 cycles, which is different from the case of CFRP made of a resin composition added with slurry CNF of other fiber lengths. × 10 4 cycles or more. Further, the resin composition to which the slurry CNF having an average fiber length of 20 to 80 μm was added had a shear strength of 70 MPa or more based on the microdroplet method.

平均繊維長20〜80μmのドライCNFを添加した樹脂組成物からなるCFRPは、JIS K7164および7165に基づく静的引張試験における引張強さが平均700MPa以上であった。JIS K7083に基づく引張疲労寿命試験における平均の引張疲労寿命は7.003×10サイクルであり、他の繊維長のドライCNFを添加した樹脂組成物からなるCFRPの場合とは異なり、平均の引張疲労寿命が、少なくとも2.5×10サイクル以上となった。 CFRP made of a resin composition to which dry CNF having an average fiber length of 20 to 80 μm was added had an average tensile strength of 700 MPa or more in a static tensile test based on JIS K7164 and 7165. In the tensile fatigue life test based on JIS K7083, the average tensile fatigue life is 7.003 × 10 4 cycles, which is different from the case of CFRP made of a resin composition to which dry CNF having other fiber length is added. The fatigue life was at least 2.5 × 10 4 cycles or more.

なお、本実施例では、CNFに限定して報告しているが、セルロースと同様にナノファイバー化するバイオマス由来材料であるキチン、キトサン、シルク、カルボキシメチルセルロースについても、同様の効果を得ることができる。

In addition, although it restrict | reports and limits to CNF in a present Example, the same effect can be acquired also about chitin, chitosan, silk, and carboxymethylcellulose which are the biomass origin materials which turn into nanofiber like cellulose. .

Claims (5)

平均繊維長が20〜80μmのセルロースナノファイバーを添加した炭素繊維強化プラスチック。   Carbon fiber reinforced plastic to which cellulose nanofibers having an average fiber length of 20 to 80 μm are added. 前記セルロースナノファイバーと樹脂を配合した樹脂組成物に、炭素繊維が配合された請求項1記載の炭素繊維強化プラスチック。   The carbon fiber reinforced plastic according to claim 1, wherein carbon fibers are blended in a resin composition in which the cellulose nanofibers and a resin are blended. 前記セルロースナノファイバーが乾燥させたセルロースナノファイバーである、請求項1または2記載の炭素繊維強化プラスチック。   The carbon fiber reinforced plastic according to claim 1 or 2, wherein the cellulose nanofiber is a dried cellulose nanofiber. 平均繊維長が20〜80μmのセルロースナノファイバーを乾燥させて粉末状とし、樹脂に入れて撹拌することで樹脂組成物を得て、前記樹脂組成物を炭素繊維に配合させることで炭素繊維強化プラスチックを得る、炭素繊維強化プラスチックの製造方法。   Cellulose nanofibers having an average fiber length of 20 to 80 μm are dried to form a powder, put into a resin and stirred to obtain a resin composition, and the resin composition is mixed with carbon fiber to add carbon fiber reinforced plastic. A method for producing a carbon fiber reinforced plastic. JIS K7164および7165に基づく静的引張試験における引張強さが平均700MPa以上であり、JIS K7083に基づく引張疲労寿命試験における平均の引張疲労寿命が2.5×10サイクル以上となる、前記炭素繊維強化プラスチックを得る、請求項4記載の炭素繊維強化プラスチックの製造方法。 The carbon fiber having an average tensile strength of 700 MPa or more in a static tensile test based on JIS K7164 and 7165 and an average tensile fatigue life of 2.5 × 10 4 cycles or more in a tensile fatigue life test based on JIS K7083 The manufacturing method of the carbon fiber reinforced plastics of Claim 4 which obtains a reinforced plastics.
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