JPH042876A - 補強用炭素繊維メッシュ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、主として建築材料として、屋根、床や外壁等
に用いられているモルタル、コンクリート等のセメント
系材料硬化体の補強材としての炭素繊維メツシュ及びそ
の製造方法、さらにこの炭素繊維メツシュを補強材とし
た炭素繊維補強無機質板に関する。

従来の技術 炭素繊維は、その優れた機械的性質、例えば比強度、比
弾性率等や化学的安定性により、広い分野においてその
有用性が認識され大量に使用されてきている。しかし、
炭素繊維は単独で用いられることは少なく、一般に複合
材料の補強材として使用されることが多い。

一方、セメント系材料はその硬化体の圧縮強度が強く、
安価であるため主として土木建築の分野で大量に使用さ
れている材料である。しかし、引張り強度が弱く脆いた
めに各種補強材料と共に使用されることが多い、近年で
は補強材料として、炭素繊維が注目されており、軽量で
耐久性があり高強度、高剛性な材料として、各種炭素繊
維で補強した炭素繊維強化セメント（ＣＦＲＣ）が知ら
れている。

炭素繊維とセメント系材料の両者を複合化した炭素繊維
強化セメント（Ｃ：ａｒｂｏｎ　Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎ
ｆｏｒｃｅｄＣｅｍｅｎｔ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　、
以下ＣＦＲＣと称する）は、その繊維の優れた機械的・
化学的性質のため、これまでのセメント系材料硬化体で
は発現し得なかった強度特性、変形特性、弾性特性、高
耐久性等の性質をもつ新高級建築用材料として期待され
、近年フリーアクセスフロア−（床材）やカーテンウオ
ール（壁材）として使用されている。

ところで一般に、複合材料においてはその材料物性を決
定する要因の中で、特に界面強度が重要であるといわれ
ている。けれども、炭素繊維にはセメント系材料との接
着性が悪いという化学的な性質がある。そのため界面強
度は弱く、炭素繊維の高強度、高弾性率をセメント系材
料硬化体中で十分に発揮することはできない、この問題
を解決する手段として、エポキシ樹脂エマルジ運ンとコ
ロイダルシリカをブレンドした樹脂で炭素繊維束を被覆
含浸する方法が報告されている（特開昭６３−２０３８
７８号公報）。

しかし従来、炭素繊維を連続繊維状態の炭素繊維束とし
て用いる場合には、炭素繊維束を編むことにより炭素ｍ
＃Ｉ束の交点を補強した後に、エポキシ樹脂等で被覆含
浸し硬化してメツシュ状にして用いる方法や、炭素繊維
束をエポキシ樹脂やポリエステル樹脂等で含浸した後表
面に砕砂等を付着させて表面に凹凸をつけたりして用い
る方法が主におこなわれている。

これらは、炭素繊維とセメント系材料硬化体との界面強
度を補うため、機械的なアンカー効果による定着を期待
したものとなる。そして、その定着強度はセメント系材
料硬化体のせん断強度に依存したものである。けれども
、このように加工された炭素繊維メツシュの交点強度は
メツシュの格子内のセメント系材料硬化体のせん断強度
を一般に上回るため、定着部の応力集中によりセメント
系材料硬化体はせん断破壊することとなっている。

そのため、高強度の炭素繊維を使用した場合には、ＣＦ
ＲＣにおける炭素繊維の強度発現率は低くなり、炭素繊
維の高強度、高弾性は、効果を発揮しない結果となる。

また、炭素繊維を編んだりして炭素繊維を２次加工する
ことは、炭素繊維ノー２シユのコストを大幅に上げる要
因となる。さらに、補強材料である炭素繊維を引張り方
向に向かって編んだり、捻糸することは繊維をわん曲さ
せることとなり、補強材料の見かけ上の弾性率を下げる
結果となるため、高弾性な炭素繊維を用いる場合には効
果的ではない。

発明が解決しようとする課題 本発明はＣＦＲＣの高強度、高剛性化のために機械的な
アンカー効果だけを期待したものでない炭素繊維メツシ
ュを提供することと、簡易な一工程で製造する方法を提
供することによって、ＣＦＲＣにおける炭素繊維の強度
発現率を向上させると同時に、炭素繊維メツシュの加工
コストを低減してセメント系材料硬化体のせん断破壊や
炭素繊維メツシュのコスト高という上述の問題点を解決
せんとするものである。

また、このように界面接着力を制御した炭素繊維メツシ
ュをセメント系材料硬化体無機質板の補強材として用い
ることにより、炭素繊維の高強度、高弾性という特性を
十分にいかした炭素繊維補強無機質板を提供するもので
ある。

課題を解決するための手段および作用 本発明の補強用炭素繊維メツシュは、平均粒径１〜　１
００ｎ鵬のＳｉＯ２粒子を含有したエポキシ樹脂を被覆
含浸してなる炭素繊維束を、直線状態を保持したまま交
点のみを接着させて直交してなるものである。

さらには平均粒径１〜１１００ｎのＳｉＯ２粒子を含有
したエポキシ樹脂で炭素繊維束を被覆含浸し、処理後の
炭素繊維束を直交状態を保持したまま一方向に平行に並
べ、それらを未硬化の状態で直交する方向に重ね合わせ
、交点部分を接触させた状態で硬化させることを特徴と
する補強用炭素繊維の製造方法、及び前記の補強用炭素
繊維メッシュを、セメント系材料硬化体を主成分とする
無機質板中に含有していることを特徴とする高性能な炭
素繊維補強無機質板である。

本発明における炭素繊維メツシュは、その表面を被覆し
ているＳｉｎ、、超微粒子を含有するエポキシ樹脂とセ
メント系材料硬化体ン炭素繊維との接着性が良好である
ため、炭素繊維−セメント系材料硬化体間の界面強度が
向上している。

そのため、炭素繊維メツシュの交点には機械的なアンカ
ー効果を期待するための交点強度は必要なく、作業性を
確保できるだけの交点接着強度があればよいことになる
。この炭素繊維メツシュは、炭素繊維束を引張り荷重が
かかる方向に配向することによりセメント系材料硬化体
無機質板の補強が可能となる。

この炭素繊維メツシュを製造する工程は、例えばプリプ
レグ法にて炭素繊維束を被覆含浸して枠状のフレームに
巻採り、炭素繊維束を平行に並べる工程と、次に、その
フレームをＳＯ度回転させることにより、平行に並べた
炭素繊維束と直交する方向に被覆含浸した炭素繊維束を
重ね合わせるようにして、巻取り炭素繊維メツシュを製
造する工程とからなる。

巻取る時のテンションを制御することにより、炭素繊維
メツシュの交点強度を制御することが可能である。また
別な方法として、プリプレグ法にて炭素繊維束を被覆含
浸した後、２列に平行に並べた突起物に炭素繊維束をＳ
字型に引っかけるようにして、平面状に炭素繊維束が平
行に並ぶ様に配列させ、この２つの未硬化の状態で直交
させて重ね合わせ、その状態で硬化させる工程からなる
ものである。

この様な簡易な方法を用いて炭素繊維メツシュを製造す
ると、界面強度向上のための表面被覆とメツシュの交点
接着処理を同一樹脂、同一工程で行なうことが可能であ
るため、加工コストも低減できるという経済的な効果も
生まれる。炭素繊維のような比較的高価な材料を使用す
る場合には、２次加工コストを低減して炭素繊維メツシ
ュを製造することも重要な要素である。

本発明の炭素繊維メツシュの形状は、Ｘ軸方向、ｙ軸方
向に炭素繊維がほぼ直交したものであり、炭素繊維量は
補強するセメント系材料硬化体の形状、物性等により決
められる。また、炭素繊維メツシュを形成する炭素繊維
束の断面形状はセメント系材料硬化体との接着面積を太
きくするため、楕円形のものが望ましい、しかし、補強
位置によっては大型、角形のものでも良く断面形状は特
に限定されるものではない。

本発明に用いられる５ｉｎ２超微粒子は活性なコロイダ
ルシリカであり、平均粒径が１〜１００ｎ層の範囲のも
のである。平均粒径が１００ｎｍより大きい場合には、
セメント系材料硬化体との界面接着力が低下するため好
ましくない、平均粒径がｌｎｍより小さい場合には、凝
集力が強いためエポキシ樹脂とのブレンドが困難であり
、エポキシ樹脂中で凝集し反応性がおちることとなる。

エポキシ樹脂中のＳｉＯ２超微粒子の分析は、Ｔｒａｎ
ｓｍｉｓｓｉｏｎ　ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏ
ｐｅ　（Ｔ　Ｅ　Ｍ）等により可能である。

用いられるエポキシ樹脂には、ビスフェノールＡ型、ビ
スフェノールＦ型、ビスフェノールＡＤ型、ノボラック
型等があり、ウレタン、タール、フェノール、キシレン
、クマロン、ケトン等で変性したものでもよい、エポキ
シ樹脂の使用方法は、各種乳化剤を添加してＯ／Ｗ型エ
マルジョンにして用いる事が好ましい。

硬化剤としては、アミン系、ポリアミノアミド系、酸お
よび酸無水物系等の公知のものが使用できる。エポキシ
樹脂の硬化時には、各種硬化促進剤を添加する場合もあ
る。また、ＳｉＯ２超微粒子の分散時に、分散性を向上
させるため、必要に応じて界面活性剤、カップリング剤
等を少量加えてもよい。

用いる炭素繊維は、ポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）繊
維を原料としたＰＡＮ系炭素繊鑑、石炭１石油系タール
・ピッチを原料としたピッチ系炭素繊維のいずれのもの
でもよく、炭素繊維の表面はエポキシ樹脂との接着性が
向上するため、Ｘ線光電子分光法（Ｘ−ｒａ７　ｐｈｏ
ｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　５ｐｅｃｔｒａｓｃｏｐｙ）に
よる表面分析で酸素原子／炭素原子比（０／Ｃ）が０．
０７以上に酸化処理の施されているものが好ましい、酸
化処理の方法としては、電解酸化法、プラズマ酸化法等
公知の方法を用いることが可能である。

サイジング処理はあってもなくてもよいが、サイジング
処理をする場合にはエポキシ樹脂マトリックス用のエポ
キシ基を含むサイジング剤を用いることが好ましい、炭
素ａ維の形態は、連続４１Ｍ状のものが好ましい。

一方、モルタルやコンクリート等を主成分とするパネル
ｋ、前記の処理を施した炭素繊維メツシュを補強材とし
て用いることにより、通常の炭素繊維メツシュに比べ、
炭素繊維の強度特性を生かした高強度高弾性な炭素繊維
補強無機質板を提供することができる。

この炭素繊維補強無機質板は、炭素繊維とセメント系材
料硬化体との界面の接着性が非常に良好であるため、編
み込んだり、交点の接着処理だけを施したアンカー効果
による定着だけの炭素繊維メツシュに比べて、炭素繊維
補強無機質板に加わる応力は炭素繊維とセメント系材料
硬化体との界面層を通じて緩やかに炭素繊維に伝わる。

そのため、セメント系材料硬化体への応力の集中が低減
でき、セメント系材料硬化体中で炭素繊維の高強度、高
弾性を利用することが可能となり、建築材料としての力
学的性質、及び信頼性を向上する。

さらに、交点の接着処理は従来のアンカー効果だけを期
待したものと違い、作業性だけを確保できるだけの強度
があれば良いため、炭素繊維メツシュの製造は容易であ
り加工コストを低減すると同時に、補強するセメント系
材料硬化体の強度、形状に応じて補強炭素繊維の量、配
向を簡単に変えることが可能である。

実施例 実施例１ ＰＡＮ系の炭素繊維束（強度：　２８５ｋｇ／ａｍ２．
　弾性率：　２１．５ｔ／ｍｍ２．繊度：　０．８８ｇ
／ｍ　、密度：　１．８１ｇ／ｃ墓３　、１２，０００
フィラメント：英ハイツル・ゲラフィル社製）を、プリ
プレグ法にてコロイダルシリカを用いてＳｉＯ２超微粒
子（平均粒径：　１０ｎｍ）を１０ｗｔ％含むＯ／Ｗ型
エポキシ樹脂エマルジョン（主剤：エピコー）　８２８
；油化シェル製）で被覆含浸した。

被覆含浸後、炭素繊維束を直線状態に保持したまま格子
状のフレームに一方向に平行に巻取り、次に炭素繊維束
を未硬化の状態で直交する方向に同様に巻取って、交点
部分を付着させた状態で巻取った炭素繊維束を８０℃で
硬化させて炭素繊維メツシュを作成した。この炭素繊維
メツシュを、モルタル（Ｗ／Ｃ＝０．４２、Ｓ／Ｃ＝０
．５．普通ポルトランドセメント、８号砕砂）の補強材
として用いた。

炭素繊維補強無機質板の形状は、５００（横）Ｘ５００
（縦）Ｘ１８（高さ）膳■とじ、炭素繊維メツシュをか
ぶり２層層として最下面に補強した。炭素繊維補強無機
質板中の炭素繊維の体積％（Ｖｆ）は１．８２％となる
ようにした。

４週間の水中養生後、４点支持による中央載荷試験にて
載荷速度を０．５腸■ｌ騰ｉｎとし、無機質板に加わる
荷重、及び載荷点直下での変位を連続的に測定した。載
荷部は５０■膳φ、支持部は３０Ｘ　３０ｍｍとした。

実験結果を表１に示した。また、第１図には荷重−変位
曲線を示した。実験結果より、載荷点直下での変位が４
１程度で最大荷重１０３９．６ｋｇｆを示しており、強
度、剛性共に優れた炭素繊維補強ｓＩａ質板であること
が判る。

実施例２ 実施例１と同様のＰＡＮ系の炭素繊維束を、プリプレグ
法にてコロイダルシリカを用いてＳｉＯ２超微粒子（平
均粒径：８０ｎ票）を１０ｗｔ％含む０／Ｗ型エポキシ
樹脂エマルジヨン（主剤：エピコート８２８：油化シェ
ル製）で被覆含浸した。

被覆含浸後、炭素繊維束を直線状態に保持したまま格子
状のフレームに一方向に平行に巻取り、次に炭素Ｉ１１
．Ｉ１束を未硬化の状態で直交する方向に同様に巻取っ
て、交点部分を付着させた状態で巻取った炭素繊維束を
８０℃で硬化させて炭素繊維メツシュを作成した。この
炭素繊維メツシュを、モルタル（Ｗ／Ｃ＝０．４２、Ｓ
／Ｃ＝０．５、普通ポルトランドセメント、骨材：８号
砕砂）の補強材として用いた。

炭素繊維強化パネルの形状は、５００（横）Ｘ５００（
縦）ＸｔＳ（高さ）■■とじ、炭素繊維メツシュをかぶ
り２■鳳として最下面に補強した。炭素繊維補強無機質
板中の炭素繊維の体積％（Ｖｆ）は１．８２％となるよ
うにした。

４週間の水中養生後、４点支持による中央載荷にて載荷
速度は、０．５層層／ｗｉｎとし、無機質板に加わる荷
重、及び載荷点直下での変位を連続的に測定した。載荷
部は５０腸■φ、支持部は３０Ｘ３０ｍｍとした。実験
結果を表１に示した。また、第１図には荷重−変位曲線
を示した。実験結果より、載荷点直下での変位が４簾腸
程度で最大荷重９５８．４ｋｇｆを示すことが判った。

これより、コロイダルシリカ中のＳｉＯ２超微粒子の平
均粒径を変化させることにより、炭素繊維補強無機質板
の強度が変化し、制御で−きることがわかる。

実施例３ 実施例１と同様のＰＡＮ系の炭素繊維束を、プリプレグ
法にてコロイダルシリカを用いてＳｉＯ２超微粒子（平
均粒径：１０ｎ膳）を１０ｗｔ％含むＯ／Ｗ型エポキシ
樹脂エマルジョン（主剤：エピコート８２８；油化シェ
ル製）で被覆含浸した。

被覆含浸後、炭素繊維束を直線状態に保持したまま格子
状のフレームに一方向に平行に巻取り、次に炭素繊維束
を未硬化の状態で直交する方向に同様に巻取って、交点
部分を付着させた状態で巻取った炭素繊維束を８０℃で
硬化させて炭素繊維ネットを作成した。この炭素繊維メ
ツシュを１モルタル（Ｗ／Ｃ＝０．４２、Ｓ／Ｃ＝０．
５．普通ポルトランドセメント、８号砕砂）の補強材と
して用いた。

炭素繊維補強無機質板の形状は、５００（横）Ｘ５００
（縦）Ｘ１Ｂ（高さ）■とし、炭素繊維メツシュをかぶ
り２璽鵬として最下面に補強した。炭素繊維補強無機質
板中の炭素繊維の体積％（Ｖｆ）は０．７３％となるよ
うにした。

４週間の水中養生後、４点支持による中央載荷にて、載
荷速度を０．５１腸／■ｉｎとし、無機質板に加わる荷
重、及び載荷点直下での変位を連続的に測定した。載荷
部は５０膿脂φ、支持部は３０Ｘ３０層層とした。実験
結果を表１に示した。また、第１図には荷重−変位曲線
を示した。

実験結果より、載荷点直下での変位が１５層層程度で最
大荷重５１２．８ｋｇｆを示すことがわかる。このこと
より、補強炭素繊維量を変化させることにより、炭素繊
維補強無機質板の強度、剛性共に変化し制御できること
がわかる。

比較例１ ＰＡＮ系の炭素繊維束（強度：　４３０ｋｇ＃＋＋１２
、弾性率：　２３．５ｔ／ｌｓ２．繊度：　０．８３ｇ
／ｓ＋　、密度：　１．７８ｇ／ｃ腸３．１２，０００
フィラメント：旭日本カーボン社製）を、縦糸にはｅ、
ｏｏｏフィラメントを２本用いて、直線状の横糸（１２
，Ｇｏｏフィラメント）を交互に上下から挟み込むよう
にしてメツシュ状に編み込み（からみ織り）、交点を拘
束したメツシュ状の縦糸、横糸共に１２，０００フイラ
メントの炭素繊維ネットを作成した。

この炭素繊維メツシュを、アセトンで希釈したエポキシ
樹脂（主剤：アラルダイトＧＹ−２８０；チバガイギー
社製、硬化剤ニジシアンジアミド；チバガイギー社製）
を被覆含浸した。この炭素繊維メツシュを１４０℃で硬
化させて、モルタル（Ｗ／Ｃ＝　０．４２、Ｓ／Ｃ＝０
．５．普通ポルトランドセメント、８号砕砂）の補強材
として用いた。

炭素繊維補強無機質板の形状は、５００（横）Ｘ５００
（縦）Ｘ１８（高さ）■とし、炭素繊維メツシュをかぶ
り２鵬婁とじて最下面に補強した。炭素繊維補強無機質
板中の炭素繊維の体積％（Ｖｆ）は１．８２％となるよ
うにした。

４週間の水中養生後、４点支持による中央載荷にて載荷
速度は、０．５■■／ｓｉｎとし、無機質板に加わる荷
重、及び載荷点での変位を連続的に測定した。載荷部は
５０ｍｍφ、支持部は３０Ｘ３０ａｍとした。

実験結果を表１に示した。また、第１図には荷重−変位
曲線を示した。その結果、炭素繊維メツシュの交点によ
る機械的な定着だけを考慮した、従来法による炭素繊維
メツシュを補強材とした炭素繊維補強無機質板の力学的
特性は、実施例１．２記載の炭素繊維補強無機質板に比
べ、炭素繊錐強度、補強炭素繊維量が上回っているにも
かかわらず、強度、剛性共に同程度であることがわかる
。

比較例２ ＰＡＮ系の炭素繊維束（強度：　４３０ｋｇ／薦厘２、
弾性率：　２３．５ｔ／鵬ＩＩ２、繊度：　０．８３ｇ
／鵬、密度：　１．７８ｇ／ｃ層３．１２．Ｇｏｏフィ
ラメント；旭日本カーボン社製）を、縦糸にはｅ、ｏｏ
ｏフィラメントを２木用いて、直線状の横糸（１２，０
００フイラメント）を交互に上下から挟み込むようにし
てメツシュ状に編み込み（からみ織り）、交点を拘束し
たメツシュ状の縦糸、横糸共に１２，０００フイラメン
トの炭素繊維ネー、トを作成した。この炭素繊維メツシ
ュを、アセトンで希釈したエポキシ樹脂（主剤：アラル
ダイ）　Ｇ　Ｙ−２８０，チバガイギー社製、硬化剤：
ジシアンジアミド：チバガイギー社製）を被覆含浸した
。

この炭素繊維メツシュを１４０℃で硬化させて、モルタ
ル（Ｗ／　Ｃ＝　０．４２、Ｓ／Ｃ＝０．５．普通ポル
トランドセメント、８号砕砂）の補強材として用いた。

炭素繊維補強無機質板の形状は、５００（横）Ｘ５００
（縦）Ｘ１Ｂ（高さ）腸厘とし、炭素繊維メツシュをか
ぶり２■として最下面に補強した。炭素繊維補強無機質
板中の炭素繊維の体積％（Ｖｆ）は１．１７％となるよ
うにした。

４週間の水中養生後、４点支持による中央載荷にて載荷
速度は、０．５ｍｍ／ｓｉｎとし、無機質板に加わる荷
重、及び載荷点での変位を連続的に測定した。載荷部は
５０■層φ、支持部は３０Ｘ３０層層とした。

実験結果を表１に示した。また、第１図には荷重−変位
曲線を示した。その結果、炭素繊維メツシュの交点によ
る機械的な定着だけを考慮した、従来法による炭素繊維
メツシュを補強材とした炭素繊維補強無機質板の力学的
特性は、実施例３記載の炭素繊維補強無機質板に比べ、
炭素繊維強度、補強炭素繊維量が上回っているにもかか
わらず、強度、剛性共に同程度であることがわかる。

（以下余白） 以上、実施例により、ＳｉＯ２超微粒子を含有したエポ
キシ樹脂で炭素繊維束の表面被覆と炭素繊維束間の交点
接着処理を施しである補強用炭素繊維メツシュは、セメ
ント系材料硬化体との接着性が良いため、セメント系材
料硬化体の補強材料として適し、そのため炭素繊維の強
度特性をいかした高性能な炭素繊維補強無機質板ができ
る。

発明の効果 本発明によれば、セメント系材料硬化体と接着性が良く
、作業性も確保された補強用炭素繊維メツシュを得るこ
とが可能となった。そのため、従来の機械的な定着だけ
を考慮した炭素繊維メツシュを用いた場合に比べ、炭素
繊維の特性を十分に、且つ容易に利用することが可能と
なり、炭素繊維補強無機質板の機械的物性が向上した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、炭素繊維補強無機質板の中央載荷による荷重
と載荷点直下での炭素繊維補強無機質板の変位との関係
を示した図である０曲線■には実施例１の結果、曲線■
には実施例２の結果１曲線■には実施例３の結果１曲線
■には比較例１の結果、曲線■には比較例２の結果をそ
れぞれ示した。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）平均粒径１〜１００ｎｍのＳｉＯ＿２粒子を含有
   したエポキシ樹脂を被覆含浸してなる炭素繊維束を、直
   線状態を保持したまま交点のみを接着させてなる補強用
   炭素繊維メッシュ。
2. （２）平均粒径１〜１００ｎｍのＳｉＯ＿２粒子を含有
   したエポキシ樹脂で炭素繊維束を束被覆含浸し、処理後
   の炭素繊維束を直線状態に保持したまま一方向に平行に
   並べ、それらを未硬化の状態で直交する方向に重ね合わ
   せ、交点部分を接触させた状態で硬化させる事を特徴と
   する補強用炭素繊維メッシュの製造方法。
3. （３）セメント系材料硬化体を主成分とする無機質板中
   に、請求項１記載の補強用炭素繊維メッシュを含有して
   いることを特徴とする炭素繊維補強無機質板。