JPS63144153A - 炭素繊維強化セメント複合材料およびその製造法 - 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） 本発明は炭素繊維強化セメント／コンクリート複合材料
、特に曲げ強度および層間剪断強度の優れた上記腹合材
料並びにその製造法に関する。

（従来の技術） これまでセメント系材料の欠点を補強するために、アス
ベスト、ガラス繊維、鋼繊維及び炭素繊維等が試験的に
用いられたり、あるいは実際に使用されたりしてきた。

その中でも、アスベストは古くから使用されてきたが、
発ガン性物質を含む点から現在では使用が規制され、や
がては禁止されようとしている。また、ガラス繊維は、
耐アルカリ性のものでも、使用してから１〜２年の材令
で強度は半減するために広く使用されるに至っていない
。鋼繊維は、密度が高いことや、使用した際に、腐蝕が
生じこれによってセメント材料にひび割れが発生するた
めに、防錆処理が必要となり、コスト高になる等の問題
がある。

それに対し、炭素繊維は、軽量で高い引っ張り強度をも
ち、耐蝕性に優れていることから、フリーアクセスフロ
ア−の床材料や、ビルディングの外装材に最近使用され
るようになった。これら従来の炭素繊維強化セメント複
合材料の製造方法を第２図に示す。同図において、複合
材料は、長さ２ｍｍ〜ｌ　Ｑｍｍ程度の炭素短繊維を、
オムニミキサーでモルタル中に分散、混合し、型枠中に
流しこんだのちオートクレーブ中で養生することによっ
て製造される。この方法で、汎用炭素繊維（弾性率４、
　ｌ　ｘ　１０３ｋｇ／ｍｆｌ＋２）を使用して作られ
た炭素繊維強化セメント複合材料は、２ｖｏ　１％〜５
　ｖｏ　１％の炭素繊維混入率で、７０ｋｇ／ｃｍ２〜
２１０ｋｇ／ｃｍ２程度の曲げ強度を示し、また、高性
能炭素繊維（弾性率３８ｘｌＱ３ｋｇ／ｍｍりを用いて
同様の方法で製造した炭素繊維強化セメント複合材料の
曲げ強度は、ｌｖｏβ％〜５ｖＯ１％の炭素繊維混入率
で、２００ｋｇ／Ｃｍ”　〜７００ｋｇ／ｃｍ”程度で
ある。しかしながら、これら炭素繊維強化セメント複合
材料中のセメント水和物と炭素繊維との接着性は良好で
なく、炭素繊維の特性を十分に発揮していないのが現状
である。

この点を改善するための一つの試みとして、炭素繊維の
表面を硝酸で酸化し、カルボキシル基などの含酸素基を
導入することによって、炭素繊維の表面を改質し、炭素
繊維強化セメント１合材料の強度を増強しようとするこ
とが行われた。しかしながら硝酸による酸化は、繊維表
面だけにとどまらず繊維内部にまで及ぶために、炭素繊
維自体の強度が低下し、炭素繊維強化セメント複合材料
の強度増強には効果的ではなかった。

一方低温プラズマによる各種材料の表面処理技術が最近
発達してきた。この低温プラズマによる表面処理は、エ
レクトロニクス産業を中心にして発達したもので、極め
て精密かつ微細な処理を、室温付近の低い温度で、クリ
ーンに行うことが可能であると共に、短時間で大量に処
理することのできる技術である。ところがこれまでにプ
ラズマによる表面処理が、炭素繊維強化セメント複合材
料の製造に利用されたことはない。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明者は上記の低温プラズマ処理によって炭素繊維表
面を改質し、炭素繊維のセメント水和物に対する濡れ性
を高め、上述の問題点を解決することに成功したもので
ある。

すなわち、本発明の目的は、著しく増大した曲げ強度、
たわみ性および層間剪断強度を有する炭素繊維強化セメ
ント複合材料を提供するにある。

本発明の別の目的は耐熱性並びに上記強度特性において
極めて浸れた炭素繊維強化セメン）１合材料を提供する
にある。

更に別の目的は、強固な堅牢度を恒久的に維持し且つ軽
量なセメントコンクリート構造物を比較的安価に提供す
ることにある。

（問題点を解決するための手段） 上述の目的は、酸素、アルゴン、二酸化炭素、アンモニ
アおよび窒素よりなる群から選ばれた少なくとも１種の
気体の低温プラズマで表面処理された炭素繊維を強化材
として含有してなることを構成する炭素繊維強化セメン
ト複合材料によって達成され、またか＼る複合材料の製
造法は、炭素繊維を酸素、アルゴン、二酸化炭素、アン
モニアおよび窒素よりなる群から選ばれた少なくとも１
（重の気体の低温プラズマで表面処理した後、水−セメ
ント比が２０〜１００重量％のセメントペーストと合体
して上記炭素繊維を上記セメントペースト中に実質的に
均一に配置した成形体となし、該成形体を硬化せしめる
ことを構成する。

以下、本発明の構成をその作用とともに、添付図面を参
照し二詳述する。

本発明による炭素繊維強化セメント複合材料の製造工程
フローシートを第１図に示す。

原料の炭素繊維は、ポリアクリルニトリル（ＰＡＮ）繊
維等から出発した所謂、高性能炭素繊維および、タール
・ピッチを出発原料とする所謂、汎用炭素繊維の何れで
もよいが、経済性のみを考慮すれば後者が好ましい。

かＮる炭素繊維は、繊維径５〜２０μｍ程度の連続繊維
またはその織布、網状物、あるいは６０ｍｍ以下のチョ
ツプドストランド等の短繊維をそのまま、あるいはラン
ダムに配置した厚さＱ、　ｌ＋ｔ＋ｍ〜ｌｌＴ１ｍ１望
ましくは約０．３ｍｍのシート、または、厚さ１　ｍｌ
’ｎ〜ｌＱｍｍ、望ましくは約５ｍｍのフェルトないし
はチョツプドストランドマットとして使用する。

炭素繊維の表面改質は、繊維表面に親水性を付与させる
ことから、酸素プラズマ、アルゴンプラズマ、二酸化炭
素プラズマ、アンモニアプラズマまたは窒素プラズマを
単独または併用した低温プラズマ処理を常法に従って施
す。適用するガスとしては酸素、アルゴン、二酸化炭素
が枠に好ましい。

低温プラズマで処理した炭素繊維表面は、肉眼的にも、
走査型電子顕微鏡的にも変化はみられないが、極めて親
水性に改質される。特に、酸素プラズマの場合には、炭
素繊維表面に含酸素基が導入される。これらのプラズマ
処理した炭素繊維シートまたはフェルトは、セメントと
水とからなるセメントペースト中に含浸させる場合、プ
ラズマ処理なしの炭素繊維に比べてその含浸速度が著し
く早められる。

本発明腹合材料の他方の原料であるセメントとしては、
ケイ酸カルシウムを主成分とする通常のポルトランドセ
メント、またはアルミナセメント、スラグセメントを始
め、プラスター類まで何れも適用可能であるが、就中、
耐熱性良好なアルミナセメントは耐熱性複合材料を与え
るという点で特に好ましい。これらセメントの水性ペー
ストを織布、シート、フェルト等の炭素繊維構造物中に
充分に含浸させるには、セメント粒子は極力細かいこと
が良く、特にアルミナセメントは、比表面債にして３．
０００〜９．０００ｃｍ”／ｇ、望ましくは７，５００
〜８、５００ｃｍ２／ｇの微細粉状のものを使用するの
が効果的である。

炭素繊維強化セメン）１合材料の強度は、セメントペー
ストの水−セメント比すなわちセメント重量に対する水
の重量百分率によって影響される。

水−セメント比が大きすぎると、セメントペーストの流
動性は高くなり、炭素繊維シートまたはフェルトへの含
浸は容易になるが、製造された炭素繊維強化セメント複
合材料の強度は低い。それに対し、水−セメント比が低
すぎると、凝結速度は速いが流動性が小さいために、炭
素繊維シートや炭素繊維フェルトの空隙内に、セメント
ペーストは含浸されないので、強度の高い複合材料は製
造できない。従って、セメントペーストの望丈しい水−
セメント比は、製造時の作業性と炭素繊維強化セメント
複合材料の強度の点から２５〜４０％である。

また、セメントペースト中に砂、ケイ砂等のｉ′■骨材
を使用すること、減水剤やその他の混和剤を添加するこ
ともできる。

上記炭素繊維またはそのシート状繊維構造物は、セメン
トペーストと合体されセメントペースト中に実質的に均
一に配置される。既述の通り、炭素繊維はプラズマ処理
によってその表面のセメント水性ペーストに対する濡れ
性すなわち親和性が増大しているため、合体は頗る迅速
容易に行なわれる。か５る合体は、セメントペースト中
に、その型込め、注入等の成形に先立って炭素短繊維を
均一に混入分数せしめたプレミックスとなすこと、セメ
ントペーストを吹き付ける際、噴出嘴近傍で短繊維を混
入すること、炭素繊維織布、シート、マット等の繊維構
造物に予めセメントペーストを含浸させプリプレグによ
りシートモールディングコンパウンドとなすこと、ハン
ドレイアップ法によること、ストランド状プリプレグに
よりフィラメントワインディングと　すこと等、通常繊
維強化樹脂の製造に慣用されている方法に準じて行なう
ことができる。

この際、プラズマ処理したチョツプドストランド状の炭
素繊維のセメントペースト中への均一分散は、従来法の
ようにオムニミキサーを使用する必要はなく、通常のモ
ルタルミキサーで十分可能である。

炭素繊維強化セメント複合材料中の炭素繊維混入率は、
炭素繊維シートまたはフェルトの積層枚数によって、あ
るいはセメントペースト中に分散させる炭素繊維量によ
って調節できる。これによって、製造される複合材料の
強度やたわみ等の諸特性も制御される。

本発明の炭素繊維強化セメント複合材料は、従来法と同
様、オートクレーブ中で養生し得ることは勿論、単なる
水中養生だけで高強度となすことができる。

具体的には、例えばアルゴンプラズマで処理した炭素繊
維シートを用い、極微粉のアルミナセメント（比表面積
８０００ｃｍ２／ｇ）から作られた、炭素繊維強化セメ
ント複合材料（炭素繊維混入率３．３ｖｏＲ９６）　は
、５３０ｇ／ｃｒｎ”の曲げ強度を示すことが確認され
た。この強度は、プラズマ処理なしの炭素繊維シートか
ら同じ条件で作られた複合材料よりも約１，３倍高い。

また、プラズマ処理した炭素繊維強化セメント複合材料
のたわみは、無処理のものよりも約２．８倍大きい。

さらに、酸素プラズマで処理した炭素繊維シートを用い
、炭素繊維混入率を４，５ｖｏＡ％と高くした複合材料
は、１０００ｋｇ／ｃｍ２の曲げ強度を示すことも確認
された。この強度は、炭素繊維がランダムに配置された
炭素繊維強化セメント複合材料であるにもかかわらず、
これまでの炭素繊維強化セメント複合材料よりもはかる
かに高いもので、プラズマ処理なしの炭素繊維シートか
ら作られた複合材料（曲げ強度７２Ｑｋｇ／ｃｍ２）よ
りも１．３倍高い。

また、従来法では実施できなかった厚さ１ｍｍ程度の炭
素繊維強化セメント複合材料薄板の製造も可能である。

そして、型枠を使用することによりパイプ、丸棒、角棒
またはＵ字型等各種形状の炭素繊維強化セメント複合ｔ
オ科も、簡単な方法で製造できる。

本発明によって製造された炭素繊維強化セメント複合材
料は、プラズマを使用しない従来の方法で作られたもの
よりも、はるかに大きな曲げ強度、たわみおよび可撓性
等を有している。その他に、炭素繊維強化セメント複合
材料は、電気的には伝導性を、表面状況は堅牢性と光沢
を示している。

従って、本発明は、炭素繊維強化セメント複合材料の特
性をより高める製造方法を開発したものである。

更に本発明複合材料は従来の耐アルカリガラス繊維強化
セメントと相違し、その強度、堅牢性は恒久的であり、
また、鋼、鉄補強コンクリートに比し著しく軽量である
という利点もある。

（実施例） 本発明の具体例を、下記の実施例により説明する。

実施例Ｉ ＰＡＮ系の高性能炭素繊維（直径７．５μｍ、強度３０
０ｋｇ／＋ｎ＋ｎ２、弾性率２３　ｘ　１０’ｋｇ／ｍ
ｍ２）を長さ２　Ｑｍｒｎ程度に切断し、それをランダ
ムに配列した、厚さＱ、　３ｍｍのシート（目イ寸３３
ｇ／ｍ２．５ｃｍＸ］Ｑｃｍ）をプラズマ処理装置内に
設置し、アルゴンを１００ｍβ／ｍ１ｎ流しながら、真
空ポンプで装置内をＱ、　５ｔｏｒｒの減圧にした。三
役の平行平板型の電極間に周波数１３、５６！、ｌＨｚ
の高周波を出力２５Ｗで印加し、アルゴンプラズマを発
生させ、この状態に１０分間保持した。

プラズマ処理後の炭素繊維シートは親水性を示した。

また、同じ処理条件で、酸素プラズマまたは二酸化炭素
プラズマで炭素繊維シートを処理した場合も、親水性を
示した。

実施例２ 上記実施例１によりアルゴンプラズマで処理した炭素繊
維シート１２枚を、アルミナセメント　（比表面積８０
００ｃｍ２／ｇ）　３００　ｇに水１００ｇを加えて調
製したセメントペースト中に漬けて十分に含浸させ、型
枠（長さ１００ｍｍ　、幅５０ｍｍ、厚さ５　ｍｍ）の
中に積層した。炭素繊維とセメント水和物との複合物は
、−日後に脱型し、水中でオ令７日まで養生した。

作られた炭素繊維強化セメント複合材料の嵩密度は、１
．９ｇ／ｃｍ３、炭Ｓ繊維含有率は３，３ｖｏｊ％であ
った。この複合材料の曲げ強度測定時の荷重（強度）−
たわみ曲線を第３図の１に示す。この複合材料の曲げ強
度は５３０ｋｇ／ｃｍ２を示し、プラズマ処理なしく第
３図の３）に比べ１．３倍、アルミナセメント水和物（
第３図の４）より８倍も高くなった。そして、プラズマ
処理した炭素繊維強化セメント複合材料の最大荷重点の
たわみは１．７ｍｍ、層間剪断強度は４７ｋｇ／ｃｍ２
でプラズマ処理なしの場合に比べ前者では２．８倍、後
者では１．４倍も大きくなった。

実施例３ 実施例１と同じ炭素繊維シートをプラズマ処理装置内に
入れ、酸素を１００ｍ　ｆｆ／ｍｉｎ流しながらプラズ
マ処理を行った。その他の処理条件は、実施例１と同じ
である。プラズマ処理後の炭素繊維シートは親水性を、
浸漬した水溶液は酸性をそれぞれ示した。

酸素プラズマで処理した炭素繊維シート１２枚を、水セ
メント比３０％のアルミナセメントペースト中に漬け、
実施例２の場合と同じようにして厚さ６ｍｍの炭素繊維
強化セメント複合材料を製造した。

製造された複合材料の嵩密度は２．　Ｑｇ／ｃｍ３で、
炭素繊維含有率は３．５ｖｏβ％であった。この祠科の
曲げ強度測定時の荷重（強度）−たわみ曲線を第３図の
２に示す。この複合材料の曲げ強度は４８０ｋｇ／Ｃｍ
２を示し、プラズマ処理なしの場合に比べて１．２倍も
高くなった。また、プラズマ処理した炭素繊維強化セメ
ント複合材料の最大荷重点のたわみは１、５ｍｍで、プ
ラズマ処理なしの複合材料の場合＜０．５ｍｍ）よりも
２．５倍哩大きくなった。また、酸素プラズマで処理し
た炭ｆｆ１ｕＪ維強化セメント腹合材料の層間剪断強度
は、５２ｋｇ／ｃｍ２で、処理なしのものに比べ１．２
倍も高くなった。

実施例４ 実施例１と同じ炭素繊維シートをプラズマ処理装置内に
入れ、酸素を１００ｍ　ｌ　／ｍｉｎ流しながらプラズ
マ処理を行った。酸素プラズマで処理した炭素繊維シー
ト２５改を使用し、水セメント比３０％のアルミナセメ
ントペースト中に；ｎげ、実、肩側２の場合と同じよう
にして型枠（長さ１００ｍｍ　、幅５Ｑｍｍ、厚さ１０
ｍｍ）の中に積層させ、炭素繊維強化セメント複合材料
を製造した。作られた複合材料の嵩密度は２．１ｇ／Ｃ
ｍ３、炭素繊維含有率は４，６ｖｏβ％であった。この
複合材料の曲げ強度は１０００ｋｇ／ｃｍ２を示し、プ
ラズマ処理なしに比べ１．３倍も強度は大きくなった。

（発明の効果） 本発明による炭素繊維強化セメント複合材料は、炭素繊
維を酸素、アルゴン、または二酸化炭素などの低温プラ
ズマによって、炭素繊維の表面のみを改質し、炭素繊維
とセメント水和物との接着強度を高めたから、従来の炭
素繊維強化セメン）１合材料よりも、高強度、高たわみ
性および、すぐれた可撓性等の機截的特性に優れ、軽量
であると共に、その表面は、緻密で光沢のある堅牢性と
耐水性等をもつので、化粧タイル、キッチン用品の天板
、水［曹、屋根材、床材、ビルディング外装材、高温用
の濾過は、各種セメント二次製品およびモルタルを４書
の補強材料等へ使用できる。また、酎熱性の炭素繊維強
化セメン）１合材料はその電導性を利用し、寒冷地の融
雪用や、家畜舎の暖房用あるいは家庭用の面状発熱体、
ビルディング外壁の電波遮蔽材料等へも利用できる。更
に比較的安価な汎用炭素繊維を短繊維状で適用したもの
は経済的にも可成り有利であり、広汎な利用と普及とが
期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による炭素繊維強化セメント複合材料
の製造工程フローシート、 第２図は、従来公知の炭素繊維強化セメント複合材料の
製造工程フローシートであり、また第３図は、本発明お
よび従来公知の炭素繊維強化セメント複合材料並びに非
強化セメントコンクリートのそれぞれ荷重−たわみ曲線
を示す線図である。 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸素、アルゴン、二酸化炭素、アンモニアおよび窒
   素よりなる群から選ばれた少なくとも１種の気体の低温
   プラズマで表面処理された炭素繊維を強化材として含有
   してなることを特徴とする炭素繊維強化セメント複合材
   料。 ２、セメントがアルミナセメントである特許請求の範囲
   第１項記載の炭素繊維強化セメント複合材料。 ３、炭素繊維が繊維径約５〜２０μｍの短繊維である特
   許請求の範囲第１項記載の炭素繊維強化セメント複合材
   料 ４、短繊維が厚さ０．１〜１ｍｍのランダムシートを構
   成する特許請求の範囲第３項記載の炭素繊維強化セメン
   ト複合材料。 ５、短繊維が厚さ１〜１０ｍｍのチョップドストランド
   マットを構成する特許請求の範囲第３項記載の炭素繊維
   強化セメント複合材料。 ６、炭素繊維を酸素、アルゴン、二酸化炭素、アンモニ
   アおよび窒素よりなる群から選ばれた少なくとも１種の
   気体の低温プラズマで表面処理した後、水−セメント比
   が２０〜１００重量％のセメントペーストと合体して上
   記炭素繊維を上記セメントペースト中に実質的に均一に
   配置した成形体となし、該成形体を硬化せしめることを
   特徴とする炭素繊維強化セメント複合材料の製造法。 ７、水−セメント比が２５〜４０重量％である特許請求
   の範囲第６項記載の炭素繊維強化セメント複合材料の製
   造法。 ８、セメントペーストがアルミナセメントのペーストで
   ある特許請求の範囲第６項記載の炭素繊維強化セメント
   複合材料の製造法。 ９、アルミナセメントが３，０００〜９，０００ｃｍ＾
   ２／ｇの比表面積を有する細粒よりなる特許請求の範囲
   第８項記載の炭素繊維強化セメント複合材料の製造法。 １０、前記比表面積が７，５００〜８，５００ｃｍ＾２
   ／ｇである特許請求の範囲第９項記載の炭素繊維強化セ
   メント複合材料の製造法。 １１、炭素繊維が繊維径約５〜２０μｍの短繊維である
   特許請求の範囲第６項記載の炭素繊維強化セメント複合
   材料の製造法。 １２、短繊維が厚さ０．１〜１ｍｍのランダムシートを
   構成する特許請求の範囲第１１項記載の炭素繊維強化セ
   メント複合材料の製造法。 １３、短繊維が厚さ１〜１０ｍｍのチョップドストラン
   ドマットを構成する特許請求の範囲第１１項記載の炭素
   繊維強化セメント複合材料の製造法。