JPS63282224A - チタン酸アルカリ金属繊維強化複合材料の製造方法 - 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、チタン酸アルカリ金属繊維強化複合材料の製
造方法に関する。

従来■蕉菫 炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、チタン酸カリウム繊維
を強化材とし、金属や樹脂をマトリックスとした繊維強
化複合材料の製造方法は、従来より種々提案されている
。

例えば繊維強化金属材料の製造方法としては、アルミニ
ウムやその合金等の溶湯を鋳造型内に強化材をセットし
た後に注入し、該型に符合する加圧装置により溶融金属
を鋳造型内に加圧しつつ強化材中に含浸凝固させる高圧
鋳造法が知られている。また、繊維強化樹脂材料の製造
方法としては、成形金型内に強化材をセットした後に不
飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を真空含浸した
後加熱硬化させる方法が知られている。

しかしながら、これらの方法では、繊維強化材料に所定
の性能を付与するために、繊維強化材料の密度等をコン
トロールしてマトリックスと複合化することが必要であ
る。このため、特開昭５９−１２１１９６号公報に開示
されているように、繊維強化材を予め水又は有機溶媒中
に懸濁させた後に濾過することにより繊維予成形体（プ
リフォーム）を作成する方法が提案されている。更にそ
の改良技術として、特開昭６１−１４・７８２４号公報
では、プリフォーム作成において繊維を水又は有機溶媒
中にてスラリー化することなく、逆にプリフォーム作成
上必要最少量の水又は有機溶媒を繊維中に賞状にて分散
させ、金型内で加圧成形してプリフォームを作成する方
法が開示されている。

また、特開昭６１−１２７８３６号公報では、チタン酸
カリウム繊維を用いた場合の問題点及びその問題点を解
決するための手段として無機バインダーを固結剤として
使用する旨のことが開示されている。

発明が解決しようとする問題点 前記プリフォーム作成において、用いられる繊維強化材
が炭化珪素や窒化珪素に代表されるウィスカーである場
合には、繊維長が比較的長いために、繊維同士の絡み合
いにより高圧鋳造法に耐え得るプリフォームを作成する
ことが可能である。

しかしながら、上記ウィスカーは高価であり、従って安
価な繊維強化複合材料用の強化剤としては不適当である
。

一方、安価な強化材としてはチタン酸カリウム繊維が知
られており、その利用のための研究が多方面で行なわれ
ている。例えば、安価なチタン酸カリウム繊維を繊維強
化材として使用するために開発乃至開示された技術とし
て特開昭６１−１２７８３６号公報、特開昭６１−１４
７８２４号公報等に記載の技術が挙げられる。しかしな
がら、これら公報の記載の技術にも、以下のような問題
点がある。即ち、特開昭６１−１２７８３６号公報に記
載の方法では、プリフォームの強度保持のために、固結
剤として無機バインダーを使用していることから、チタ
ン酸カリウム繊維とマトリックス材との界面において異
種化合物（無機バインダー）が介在することとなり、強
化複合材料の強度が低下する等の悪書が生ずるを避は得
ないという欠点がある。また、特開昭６１−１４７８２
４号公報に記載の方法では、チタン酸カリウム繊維に無
機バインダー１〜５重通％を均一に分散、更に水又は有
機溶媒１０〜２０重量％を均一に分散させることは極め
て困難であり、強化材中での無機バインダー、水乃至有
機溶媒の分布にバラツキを生じ、それ故繊維強化複合材
料内の強度のバラツキ及び製造ロット間のバラツキが生
ずるを避は得ないという欠点がある。

問題点を解決するための手段 本発明の目的は、上記問題点を有ざない繊維強化複合材
料の製造方法を提供することにおる。

即ち、本発明は、チタン酸アルカリ金属繊維よりなる強
化材に、マトリックスとして全屈又は熱硬化性樹脂を含
浸させて得られるチタン酸アルカリ金属繊維強化複合材
料の製造方法において、チタン源化合物及び含酸素アル
カリ金属化合物を混合し、約６００〜約１１００℃の温
度で焼成して初晶相Ｍ２　Ｔ　！　２０ｓ　　（Ｍはア
ルカリ金属原子を示づ。以下同じ）とＭｓ　Ｔ　！ａ　
Ｏ＋　＋　とのチタン酸アルカリ金属塩を合成し、次い
でこれを水洗、屹燥、粉砕してチタン酸アルカリ金属塩
の非晶質体を得、更に該非晶質体を加圧成形し、約９０
０〜約１３５０℃の温度で再焼成して得られる繊維状多
結晶体を上記強化材として使用することを特徴とするチ
タン酸アルカリ金属繊維強化複合材料の製造方法に係る
。

まず本発明において強化材として用いられる繊維状チタ
ン酸アルカリ金属塩の多結晶体について説明する。

上記多結晶体の製造原料として用いられるチタン源化合
物としては、実質的にＴｌＯ２を含有している化合物で
おる限り従来公知のものを広く使用でき、具体的には酸
化チタン、ルチル鉱石、水酸化チタンウェットケーキ、
含水チタニア等を例示できる。チタン源化合物の粒子形
状としては、なるべく微粒子が好ましい。例えば酸化チ
タンにおいては、アナターゼ型微粒子が、またルチル鉱
石においては、粒子を高速に衝突させて粉砕した所謂“
ジェット粉砕品゛′が好ましい。また粒径は、２００〜
４２５メツシユの範囲が適当である。

また、含酸素アルカリ金属化合物としては、焼成時にＭ
２０　（Ｍは前記に同じ〉を生成する化合物でおる限り
従来公知のものを広く使用できるが、その中でも特にア
ルカリ金属の硝酸塩が好ましい。

具体的には、カリウム、ナトリウム、セシウム、ルビジ
ウム等の硝酸塩を好ましく例示できる。

チタン源化合物と含酸素アルカリ金属化合物との混合割
合としては、特に限定されるものではないが、ＴｉＯ２
／Ｍ２０のモル比で約０．８〜約１．６となるように両
者を混合するのが望ましい。

本発明では、まずチタン源化合物と含酸素アルカリ金属
化合物とを所定の割合で混合し、この混合物を通常約６
００〜約１１００°Ｃ１好ましくは約８５０〜約１００
０℃の温度で、通常２〜２０時間程時間酸するのがよい
。斯くして得られる初晶相は、Ｍ２　Ｔ　！　２０ｓと
Ｍｓ　Ｔ　Ｉ　ｔ　Ｃｈ　１とのチタン酸アルカリ金属
塩混合物である。

本発明では、次いで上記で得られる初晶相を水洗、乾燥
、粉砕する。水洗処理を行なうに当っては、例えば初晶
相を水中に投入し、超音波処理等の方法により個々の粒
子に分散させた後、化学組成がモル比でＭ／Ｔ　ｉ　＝
０．６〜０．４程度になる迄水洗を行なうのがよい。斯
くしてチタン酸アルカリ金属塩の非晶質体が得られる。

更に本発明では、上記で得られるチタン酸アルカリ金属
塩の非晶質体を７１０圧成形し、約９００〜約１３５０
℃の温度で再焼成する。加圧成形する際の圧力は、通常
約１０〜約３５０ＭＰａの範囲内から適宜選択すること
ができる。成形圧と多結晶体の相対密度との間には相関
関係が認められているので、一定の成形圧に設定するこ
とによって、所望の相対密度を有する多結晶体を得るこ
とができる。

加圧成形後に行なわれる再焼成では、以下の点に注意を
要する。即ち、非晶質成形体では、表面に成形される温
度勾配により表面からの結晶化が起り易い。従って、非
晶質全体に微細結晶を析出させるには、１０〜ｂ し、約９００〜約１３５０℃の温度に４５分〜１０時間
程度保持するのが好ましい。また再焼成後は、６００℃
付近まで２〜ｂ 温速度で徐々に冷却するのが好ましい。特に温度勾配法
により、一方向の結晶化等を図る場合には、熱的な応力
歪みを緩和しつつ適当な時間内の冷却速度が要請される
。急冷することによる繊維状結晶には、徐冷法と比較し
て平均繊維長／径の比で必るアスペクト比で差異が認め
られる。

本発明においては、チタン酸アルカリ金属塩の非晶質体
を加圧成形するに先立ち、該非晶質体に有機質結合剤を
添加混合することもできる。有機質結合剤を添加すれば
、再焼成の際に有機質結合剤の熱分解が起り、その結果
大きな空洞を有する多結晶体を得ることができる。

用いられる有機質結合剤としては、例えばポリビニルア
ルコ−ル デキストリン、結晶化セルロース、フェノール樹脂、フ
ルフリルアルコール樹脂等を挙げることができる。斯か
る有機質結合剤の添加量としては、通常非晶質体１００
重ｆｉ部（以下単に「部」という）当り約１〜約４０部
とするのがよい。

また、本発明では、チタン酸アルカリ金属塩の非晶質体
を加圧成形するに先立ち、該非晶質体に硼素系化合物を
添加混合することもできる。ＩｉＩＡＭ系化合物を添加
すれば、アルカリ金属と硼素系化合物（Ｂ２０３　＞と
の反応によるガラス質化合物が生成されることにより、
チタン酸アルカリ金属塩のアルカリ分が消費され、組成
的に Ｍ２Ｏ・４Ｔ！０２からＭ２Ｏが消費されてＭ２Ｏ・６
Ｔ！０２になるものと考えられる。硼素系化合物の添加
量が多い場合には、Ｘ線的にＭ２０　・６Ｔ　！　０２
　トＴ　！　０２　　＜ルチ）’ｖ）　（７）混合多結
晶体となる。

用いられる硼素系化合物としては、例えば酸化硼素、硼
酸、Ｖ！Ａ酸アルカリ金属塩（具体的には硼酸カリウム
、硼酸ナトリウム等）、硼素系有機金属化合物（具体的
にはグリセロールボレイトパルミテート、グリセロール
ボレイトラウレート、グリセロールポレイトステアレー
ト等）等を挙げることができる。斯かる硼素系化合物の
添加１としては、通常非晶質体１００部当り８２０３換
痺で約１〜約１０部とするのがよい。特に上記非晶質体
１００部当り硼素系化合物を８２０３換算で５部添加混
合した場合には、加圧成形後の再焼成により、全て６チ
タン酸アルカリ金属塩結晶相（Ｍ２　Ｔ　！ｓ　Ｏ＋　
３　＞からなる多結晶体を得ることができる。ここで使
用される非晶質体は、初晶相ＩＶｈＴ！２０ｓとＭｓＴ
！ａｃｈ＋の混合相から得られる非晶質体であることが
必要であり、初晶相の各々単独相のみからでは本発明の
目的とする多結晶体を得ることは不可能である。

本発明では、上記で得られる繊維状チタン酸アルカリ金
属塩からなる多結晶体を強化材とし、これにマトリック
スとして金属又は熱硬化性樹脂を含浸させる。金属とし
ては従来公知のものを広く使用でき、例えばアルミニウ
ム、銅、亜鉛やこれにの合金等を挙げることができる。

また熱硬化性樹脂としては、例えば不飽和ポリエステル
、エポキシ樹脂等を挙げることができる。これら金属又
は熱硬化性樹脂の含浸方法としても、従来公知の方法を
そのまま適用でき、例えば高圧鋳造法、溶湯鋳造法、溶
解含浸法等を挙げることができる。

斯くして本発明のチタン酸アルカリ金属繊維強化複合材
料が製造される。

発明の効果 本発明の方法で強化材として用いられる繊維状チタン酸
アルカリ金属塩の多結晶体は、スペクト比が大きく、且
つ曲げ強度、引張強度等の機械的強度も大で、高い空孔
率を有するものであり、また再現性よく得られるもので
ある。それ故、該多結晶体を強化材とする複合材料は、
機械的強度等に優れたものであり、複合材料内部及び製
造ロット間での性能にバラツキが生ずることはない。ま
た、本発明で得られる複合材料は、強化剤とマトリック
スとの間で界面反応が起ることがないので、これらの間
に異種化合物が介在することもなく、従って機械的強度
が低下するという虞れもない。

更に本発明で用いられるチタン酸アルカリ金属繊維は、
安価に入手できる化合物であり、経済性にも優れている
。

実　　　施　　　例 以下に実施例を掲げて本発明をより一層明らかにする。

実施例１ 市販の酸化チタン（アナターゼ型）及び硝酸カリウムを
モル比で２：３となるように計量し、十分に混合した後
にアルミナ製ルツボ中に充填し、加熱炉中で昇温速度を
１０℃／分とし、１０００℃で１５時間焼成反応を行な
った。得られた塊状物（初晶相）はに２　Ｔ　ｌ　２０
ｓとＫｓＴ！ｔｏ＋＋どの混合相であることがＸＲＤ（
Ｘ−Ｒａｙ　　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）による相同窓
及び化学分析により明らかとなった。

得られた塊状物を粗砕し、水中に一夜浸漬した後、水洗
、濾過を行なった後、乾燥、粉砕して非晶質チタン酸カ
リウムを得た。この非晶質チタン酸カリウムは、Ｋを原
子吸光法、ＴｉをＨ２０２比色分析法にて分析した結果
、化学組成がモル比てに／Ｔ　ｉ　＝２／４に相当する
ものであった。

上記で得られる非晶質チタン酸カリウムを径５Ｑｍｍの
金型にて１００ＭＰａの圧力下で成形した。次に再び白
金製ルツボに入れ、・加熱炉中で昇温速度を１０℃／分
とし、１０５０℃で１０時間保持し、繊維状口チタン酸
カリウム多結晶体を得た。該多結晶体の相対密度は、５
３％であった。

該多結晶体を強化材とし、エポキシ樹脂を真空含浸法に
より含浸させ、加熱硬化させて、本発明のチタン酸カリ
ウム繊維強化複合材料を得た。

実施例２ 上記実施例１で得られる非晶質チタン酸カリｒクムに対
しポリビニルアルコールを重量で２０％０％添加混、実
施例１と同様に処理して繊維状口チタン酸カリウム多結
晶体を得た。得られる多結晶体の相対密度は、３２％で
あった。

該多結晶体を強化材とし、アルミニウムを用いた高圧鋳
造法により、本発明のチタン酸カリウム繊維強化複合材
料を得た。

実施例３ 上記実施例１で得られる非晶質チタン酸カリウムに対し
カルボキシメチルセルロース ％添加混合俊、実施例１と同様に処理して繊維状口チタ
ン酸カリウム多結晶体を得た。得られる多結晶体の相対
密度は、５０％であった。

該多結晶体を強化材とし、アルミニウムを用いた高圧鋳
造法により、本発明のチタン酸カリウム繊維強化複合材
料を得た。

実施例４ 上記実施例１で得られる非晶質チタン酸カリウムに対し
ポリビニルアルコールを重量で２０％及び酸化硼素を重
量で５％添加混合後、実施例１と同様に処理して繊維状
穴チタン酸カリウム多結晶体を得た。得られる多結晶体
の相対密度は、３０％であった。

該多結晶体を強化材とし、亜鉛を用いた溶湯鋳造法によ
り、本発明のチタン酸カリウム繊維強化複合材料を得た
。

（以　上）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）チタン酸アルカリ金属繊維よりなる強化材に、マ
   トリックスとして金属又は熱硬化性樹脂を含浸させて得
   られるチタン酸アルカリ金属繊維強化複合材料の製造方
   法において、チタン源化合物及び含酸素アルカリ金属化
   合物を混合し、約６００〜約１１００℃の温度で焼成し
   て初晶相Ｍ＿２Ｔｉ＿２Ｏ＿５（Ｍはアルカリ金属原子
   を示す。 以下同じ）とＭ＿６Ｔｉ＿４Ｏ＿１＿１とのチタン酸ア
   ルカリ金属塩を合成し、次いでこれを水洗、乾燥、粉砕
   してチタン酸アルカリ金属塩の非晶質体を得、更に該非
   晶質体を加圧成形し、約 ９００〜約１３５０℃の温度で再焼成して得られる繊維
   状多結晶体を上記強化材として使用することを特徴とす
   るチタン酸アルカリ金属繊維強化複合材料の製造方法。