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JPH10158524A - 繊維複合材料、その製造方法、その使用、サンドイッチ状構造部品、構造部材およびその製造方法 - Google Patents

繊維複合材料、その製造方法、その使用、サンドイッチ状構造部品、構造部材およびその製造方法

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JPH10158524A
JPH10158524A JP9316890A JP31689097A JPH10158524A JP H10158524 A JPH10158524 A JP H10158524A JP 9316890 A JP9316890 A JP 9316890A JP 31689097 A JP31689097 A JP 31689097A JP H10158524 A JPH10158524 A JP H10158524A
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fiber
fiber composite
composite material
producing
impregnated
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リーデル ウルリッヒ
Michael Chowanietz
コヴァニーツ ミヒャエル
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 良好な機械強度を有し、しかも加工技術的に
良好に処理できる繊維複合材料を提供する。 【解決手段】 前記複合材料は、強化するための繊維材
料およびマトリックス材料を有し、マトリックス材料が
実質的にシェラックからなる。前記複合材料は、シェラ
ックを溶剤に溶かし、繊維材料を含浸させ、含浸した繊
維材料を加熱し、含浸した繊維材料を加圧し、その際同
時にマトリックス材料を硬化することにより製造され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強化するための繊
維材料およびマトリックス材料を有する繊維複合材料お
よびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】繊維複合材料は少なくとも２つの成分、
繊維およびマトリックスからなる。その際繊維は材料を
強化するために用いられる。その際繊維は特に材料に作
用する引っ張り強さを吸収する。マトリックスは繊維の
間の中空を満たし、これを包囲する。それと共にマトリ
ックスは特に剪断応力を伝える。更にマトリックスは包
囲した繊維を外部の影響から保護する。例えば炭素繊維
またはガラス繊維を強化した合成物質としていわゆる従
来の繊維複合材料は知られている。しかしながらこの実
証された、高い負荷に耐える材料は、使用時間後に再利
用に供給することが困難であるという欠点を有する。
【０００３】繊維を強化した合成物質から新たな軽量構
造製品を形成する際に、環境適合性または有効な廃棄物
処理構想に対する疑問が絶えず頻繁に提起される。すべ
ての合成物質の完全な再利用という最初の幸福感に対し
て、材料の再利用構想は、特にその高い処理費用のため
にしばしば費用がかかりすぎると思われ、環境に適合す
る選択案として原料の再利用または生分解のような新た
な可能性が探求された。いわゆる生体高分子に埋め込ま
れた天然繊維からなる再生原料をベースとする生分解可
能な構造材料の開発は欧州特許出願公開第０６８７７１
１号明細書に記載されている。ここでは、例えば自動車
の内装用成形部品において、生分解可能な繊維材料およ
びマトリックス材料からなる繊維複合材料を製造するこ
とが提案されている。この種の、比較的長くもたない繊
維複合構造部品の廃棄物処理は堆肥化により生態的に問
題なく行うことができる。この生体複合材料（Bio-Verb
und）とよばれる新たな構造材料は、応力に応じて配向
されたまたは配向されていない天然繊維で強化されたい
わゆる生体高分子からなる。生体高分子の概念は、再生
原料または化石原料から製造され、堆肥化により廃棄物
処理できる生分解可能な合成物質のことである。天然
の、有機巨大分子は、例えばサトウダイコン、ジャガイ
モ、トウモロコシまたはセルロースおよび故紙から得ら
れる。
【０００４】生分解可能な合成物質はしばしば不十分な
特性を有し、加工することが困難であることが欠点であ
る。公知の生体高分子から生体複合材料を製造すること
はできるが、加工技術的または材料に特有の問題から最
適な結合強度が生じない。加工の際に、例えば加工温度
においてマトリックス材料が高い粘度を有することは問
題である。他方で良好に加工できる生分解可能なマトリ
ックス系は相当して劣った機械特性、例えば大きな伸び
を示す。
【０００５】市販されているマトリックス系はその使
用、例えば包装に関して最適であるが、繊維結合技術に
おける計画された使用領域に関して所望の特性を有しな
い。該マトリックス系は加工の面では良好に処理するこ
とができ、かつ劣った機械特性、例えば大きな伸びを示
すか、または良好な機械特性を有し、加工技術的に大き
な問題、例えば加工温度における高い粘度を生じる。結
合技術に関して２つの基準は決定的である。高過ぎる伸
びは繊維強度の最適な利用を阻止し、高過ぎる加工粘度
は劣った含浸を生じ、従って結合が不均一性を有し、こ
れは再び複合材料の機械的利点に不利に作用する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、強化するための繊維材料およびマトリックス材料を
有し、マトリックス材料のマトリックス系が天然の材料
から構成され、加工技術的に良好に処理することがで
き、かつ良好な機械特性を有する繊維複合材料を提供す
ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記課題は、冒頭に記載
の繊維複合材料において、マトリックス材料が実質的に
シェラックからなることにより解決される。
【０００８】製造するために、選択的に多くの製造方法
が該当する。特に有利な製造方法は、溶剤にシェラック
を溶かし、繊維材料を含浸させ、含浸した繊維材料を加
熱し、含浸した繊維材料を加圧し、その際同時にマトリ
ックス材料を硬化する工程により特徴づけられる。
【０００９】シェラックをベースとして展開したマトリ
ックス材料を繊維複合材料に導入することにより、複合
材料の容易な、かつ良好な加工能力が達成され、同時に
良好な機械的、物理的、熱機械的および化学的特性を有
する。溶解したシェラックは加工温度で十分に流動性で
あり、包囲する繊維材料の良好な浸透が保証される。本
発明による繊維複合材料を製造するために、シェラック
を溶剤に溶かす。それと共に埋め込むべき繊維を直接含
浸させるか、または選択的に粉末を製造し、これを繊維
材料に混入し、引き続き加熱し、加圧することにより所
望の複合材料に圧縮することができる。加圧の際に所定
の形を達成することができる。
【００１０】シェラックの使用により熱硬化性マトリッ
クス材料が生じる。この場合に、供給される熱によりマ
トリックスが硬化する。ほかのマトリックス系は熱によ
り軟化し、従って繊維材料を含浸する。冷却することに
よりはじめてこのマトリックスが再び硬化する。この工
程は原則的に任意に頻繁に繰り返すことができる。これ
に対してシェラックをベースとするマトリックス系は最
初の加熱工程において軟化するが、すでに加熱段階中に
硬化するかまたは不可逆的に架橋する。
【００１１】特に有利にはシェラックに架橋剤を添加す
る。シェラックと架橋剤の組合せは複合材料のためのマ
トリックス材料として純粋なシェラックより明らかに良
好に適している。
【００１２】マトリックス材料が架橋剤を含有する場合
は、マトリックス材料のより高い架橋度と同時により短
い加工時間が達成される。複合材料の均一性は高まる。
有利には架橋剤として、蓚酸、尿素、塩化アルミニウ
ム、炭酸ジルコニウムアンモニウムおよび／またはアン
モニウム化合物、例えば重炭酸アンモニウムを使用す
る。
【００１３】この場合に尿素ＣＨ4Ｎ2Ｏが特に有利であ
る。マトリックス材料に関してシェラック９０〜９５
％、尿素５〜１０％およびほかの成分５％未満からなる
組成物が、生じる繊維複合材料に対する良好な特性を示
す。
【００１４】マトリックス材料が可塑剤を含有する場合
は、繊維複合材料は所望の柔軟性を有することができ
る。有利には可塑剤として、クエン酸エステル、グリセ
リン、オレイン酸、ステアリン酸ナトリウム、ステアリ
ン酸カリウムおよび／またはステアリン酸カルシウムを
使用する。それと共にシェラックの特性を繊維材料の柔
軟性に調整することができる。
【００１５】マトリックス材料が難燃剤を含有する場合
は、燃焼を抑える部品に繊維複合材料を使用することが
可能である。難燃剤として、特にアンモニウム塩、ポリ
燐酸アンモニウム、マグネシウム塩、水酸化マグネシウ
ム、アルミニウム塩、水酸化アルミニウム、硼素塩また
はこれらの成分の混合物が適している。
【００１６】強化するために用いられる繊維複合材料の
繊維材料はフリース、織物、編み物、紡績糸またはメリ
ヤスの形で形成されていてもよい。従って繊維材料は所
望の機械特性に調整することができる。平面状に結合し
た繊維の使用形式に応じて、方向に依存した種々の引っ
張り強さを吸収することができる。織物の形式により伸
縮特性を方向に依存して制御することができる。
【００１７】有利には、天然に存在するマトリックス材
料を用いて天然繊維を繊維材料に使用する。このため
に、特にラミー、亜麻、ザイザル、ジュートまたは麻が
適している。天然繊維はしばしば中空であるので、曲げ
強さ、座屈強さおよび撓み強さに関して高い軽量構造ポ
テンシャルを有する。天然繊維をシェラックで被覆する
ことにより、機械的および化学的に、たいていはきわめ
て抵抗力のない天然繊維が外部の負荷に対して保護され
る。
【００１８】冒頭に記載の製造方法において、場合によ
り所望の架橋剤、可塑剤および／または難燃剤を、溶剤
に溶かしたシェラックに供給する。溶解したシェラック
中で添加物の均一な混合が簡単に確保される。選択的製
造方法により溶液を乾燥する場合に、得られた固形物に
添加物を均一に分散することが保証される。従ってこれ
から得られた粉末を用いて添加物が同様に繊維材料にな
じむ。
【００１９】シェラックの溶剤として、アルコール、例
えばエタノール、またはアルカリ水溶液、例えば重炭酸
アンモニウム溶液が適している。
【００２０】繊維複合材料構造部品に関して高めた材料
密度および／または特に高い機械的負荷能力が求められ
る場合は、含浸したまたは浸透した繊維材料を多くの層
に、場合により異なる方向に互いに積み重ねる。引き続
きこの層パケットを加熱し、加圧し、より高い強度の繊
維複合材料が得られ、これは平面状の構造部品でのより
高い点負荷を許容する。
【００２１】その際有利には繊維材料を重ね合わせて層
にする前に、含浸した繊維材料を平均温度で乾燥する。
その際マトリックス材料に使用される溶剤の大部分が消
散する。有利な乾燥温度は４０〜１００℃、特に約６０
℃である。
【００２２】引き続き、乾燥し、含浸した繊維材料、い
わゆるプレプレグを、所望の構造に応じて互いに積み重
ね、型内で加熱する。この場合に加熱温度は６０〜２０
０℃、特に約１６０℃であり、その際この温度に達した
直後に圧縮圧約６０バール、すなわち６ＭＰａをかけ
る。
【００２３】ほかのおよび変更可能な製造方法が可能で
ある。その際特に以下の方法を使用することができる。
巻き取り技術、レジンインジェクション法（例えばＲＴ
Ｍ法、ＤＰ−ＲＴＭ法）、引き抜き成形法、押出し法、
自動含浸装置を用いるプレプレグの製造方法、真空バッ
グ技術、ホットプレスまたはプレス技術、オートクレー
ブ技術、ＢＭＣ（bulk moulding compound）、ＳＭＣ
（sheet moulding compound）、手積み成形法（hand la
minating metod）。
【００２４】本発明による繊維複合材料は、例えば自動
車ドアの内装のようなライニング特性を有する圧縮成形
した構造部品および／または例えば事務用椅子のシート
シェルのような支持特性を有する構造部品を製造するた
めに適している。
【００２５】本発明を使用して通常の公知の材料に表面
加工を形成することも可能である。その際、純粋な繊維
複合材料の製造に使用され、ここで使用される導入工程
により、溶液の形で塗布し（例えばペインティング、ブ
ラッシング、ローラーコーティング等）、引き続き溶剤
を除去するかまたは粉末として塗布する構想を使用す
る。その後層を、場合により結合を改良するために圧力
をかけて、熱の作用下に硬化させる。
【００２６】
【実施例】以下に本発明を２つの実施例により説明す
る。
【００２７】第１の実施例においては、繊維複合材料を
製造するために、天然に存在するシェラックをエタノー
ルに溶かす。有利には３０％溶液を使用する。この溶液
に架橋剤として尿素５質量％を添加する。溶液を十分に
混合した後に、これを天然繊維フリース、例えば亜麻繊
維フリースに混入する。添加した尿素により、シェラッ
クの架橋が改良される。含浸した亜麻フリース、いわゆ
るプレプレグが所望の繊維容積含量が得られるように溶
液の量を計算する。
【００２８】シェラック溶液を含浸した亜麻フリースを
引き続き乾燥棚内で有利には６０℃で温和に乾燥する。
その際溶剤（エタノール）が消散する。
【００２９】更に加工するために、含浸した亜麻フリー
スを個々の長さに切断し、所望の材料の厚さおよび所望
の機械特性に応じて型内で重ね合わせて積み重ねる。引
き続きこの型を閉鎖し、加熱可能なプレス機に供給す
る。その際この型を有利には１６０℃に加熱すべきであ
る。この温度を達成するとすぐに、プレス機により約６
０バールの圧力をラミネート内に生じる。引き続き温度
および圧力を例えば２０分維持する。引き続き型を冷却
し、製造したラミネートを成形部品として取り出す。
【００３０】第２の実施例においては、２７％エタノー
ルのシェラック溶液を製造する。２０〜７０％であるべ
きであり、それと共に高い強度のおよび硬い構造が生じ
る所望の繊維容積含量に相当して、強化材料（例えば洗
浄し、縫い合わせた亜麻繊維フリース）のための溶液の
量を決定する。その際天然繊維の密度は約１．５ｇ／ｃ
ｍ3であり、マトリックスの密度は約１．２９ｇ／ｃｍ3
である。溶液に、固形物がシェラック９４％および尿素
６％を含有するように尿素を添加する。アイロン また
はカレンダー（ローラー対）を用いてフリースに溶液を
含浸させる。引き続きこのようにして生じたプレプレグ
を炉内で６０℃で４時間乾燥する。構造部品の求める壁
厚が達成されるまで乾燥した材料の多くの層を重ね合わ
せる。積層をプレス工具に供給し、これを１６０℃に加
熱する。引き続き構造部品を単位圧力６ＭＰａに相当し
て６０バールで１５分加圧する。構造部品をまだ熱い工
具から取り出すことができる。前記方法により製造した
構造部品は特に良好な機械強度を有する。

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 強化するための繊維材料およびマトリッ
    クス材料を有する繊維複合材料において、マトリックス
    材料が実質的にシェラックからなることを特徴とする繊
    維複合材料。
  2. 【請求項２】 マトリックス材料が架橋剤を含有する請
    求項１記載の繊維複合材料。
  3. 【請求項３】 架橋剤が蓚酸、尿素、塩化アルミニウ
    ム、炭酸ジルコニウムアンモニウムおよび／またはアン
    モニウム化合物から形成されている請求項２記載の繊維
    複合材料。
  4. 【請求項４】 マトリックス材料がシェラック９０〜９
    ５％、尿素５〜１０％およびほかの成分の割合５％未満
    を含有する請求項３記載の繊維複合材料。
  5. 【請求項５】 マトリックス材料が可塑剤を含有する請
    求項１から４までのいずれか１項記載の繊維複合材料。
  6. 【請求項６】 可塑剤がクエン酸エステル、グリセリ
    ン、オレイン酸、ステアリン酸ナトリウム、ステアリン
    酸カリウムおよび／またはステアリン酸カルシウムから
    形成されている請求項５記載の繊維複合材料。、
  7. 【請求項７】 マトリックス材料が難燃剤を含有する請
    求項１から６までのいずれか１項記載の繊維複合材料。
  8. 【請求項８】 難燃剤がアンモニウム塩、ポリ燐酸アン
    モニウム、マグネシウム塩、水酸化マグネシウム、アル
    ミニウム塩、水酸化アルミニウム、硼素塩またはこれら
    の成分の混合物から形成されている請求項７記載の繊維
    複合材料。
  9. 【請求項９】 繊維がフリース、織物、編み物、紡績糸
    またはメリヤスの形で形成されている請求項１から８ま
    でのいずれか１項記載の繊維複合材料。、
  10. 【請求項１０】 繊維が天然繊維からなる請求項１から
    ９までのいずれか１項記載の繊維複合材料。
  11. 【請求項１１】 請求項１から１０までのいずれか１項
    記載の繊維複合材料の製造方法において、 シェラックを溶剤に溶かし、 繊維材料を含浸させ、 含浸した繊維材料を加熱し、その際同時にマトリックス
    材料を硬化する工程からなることを特徴とする、繊維複
    合材料の製造方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１から１０までのいずれか１項
    記載の繊維複合材料の製造方法において、 シェラックを溶剤に溶かし、 繊維材料を含浸させ、 含浸した繊維材料を加熱し、 含浸した繊維材料を加圧し、その際同時にマトリックス
    材料を硬化する工程からなることを特徴とする、繊維複
    合材料の製造方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１から１０までのいずれか１項
    記載の繊維複合材料の製造方法において、 シェラックを溶剤に溶かし、 溶剤を除去することにより固形物を取得し、 固形物を粉末にし、 粉末にした固形物を繊維材料に混入し、 粉末にした固形物が浸透した繊維材料を加熱し、その際
    固形物が軟化し、繊維材料を浸透し、その際同時にマト
    リックス材料を硬化する工程からなることを特徴とす
    る、繊維複合材料の製造方法。
  14. 【請求項１４】 請求項１から１０までのいずれか１項
    記載の繊維複合材料の製造方法において、 シェラックを溶剤に溶かし、 溶剤を除去することにより固形物を取得し、 固形物を粉末にし、 粉末にした固形物を繊維材料に混入し、 粉末にした固形物が浸透した繊維材料を加熱し、その際
    固形物が軟化し、繊維材料を浸透し、 浸透した繊維材料を加圧し、その際同時にマトリックス
    材料を硬化する工程からなることを特徴とする、繊維複
    合材料の製造方法。
  15. 【請求項１５】 溶液に架橋剤、可塑剤および／または
    難燃剤を供給する請求項１１から１４までのいずれか１
    項記載の方法。
  16. 【請求項１６】 溶剤としてアルコールまたはアルカリ
    水溶液を使用する請求項１１から１５までのいずれか１
    項記載の方法。
  17. 【請求項１７】 含浸したまたは浸透した繊維材料を層
    状に重ね、引き続き加熱し、加圧する、請求項１１から
    １６までのいずれか１項記載の方法。
  18. 【請求項１８】 繊維材料を層状に重ねる前に含浸した
    繊維材料を平均温度で乾燥する請求項１７記載の方法。
  19. 【請求項１９】 乾燥温度が４０〜１００℃であり、層
    状に重ねた繊維材料を型内で６０〜２００℃に加熱し、
    この温度に達した後に約６０バール（６ＭＰａに相当す
    る）の圧縮圧をかける請求項１８記載の方法。
  20. 【請求項２０】 圧縮成形した構造部品を製造するため
    の請求項１から１０までのいずれか１項記載の繊維複合
    材料の使用。
  21. 【請求項２１】 請求項１から１０までのいずれか１項
    記載の繊維複合材料からなる２つの被覆層および心材か
    らなるサンドイッチ状構造部品。
  22. 【請求項２２】 心材としてフォーム、ハネカムまたは
    バルサ材を使用する請求項２１記載の構造部品。
  23. 【請求項２３】 心材がセルロースアセテートまたはほ
    かの再生原料をベースとして製造されている請求項２２
    記載の構造部品。
  24. 【請求項２４】 請求項１から１０までのいずれか１項
    記載の繊維複合材料を用いて表面加工された構造部材。
  25. 【請求項２５】 請求項２４記載の構造部材の製造方法
    において、請求項１１から１９までのいずれか１項記載
    の工程を実施し、その際加熱工程の前に、まだ表面熱処
    理されていない構造部材をまだ加熱されてなく、まだ硬
    化していない物質で被覆し、引き続き被覆を有する構造
    部材に、後続する作業工程を行うことを特徴とする構造
    部材の製造方法。
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