薄板を積層接着した板材の強度向上に関する検討
－炭素繊維による補強について－
朝倉 良平*1 竹内 和敏*1 岡村 博幸*1
Study on Improving Strength of Board Obtained by Laminating Ply Wood
- Reinforcement Method Using Carbon Fiber Sheet - Ryohei Asakura, Kazutoshi Takeuchi and Hiroyuki Okamura
薄板状の木質材料を複数積層接着した板材について，薄板間に引っ張り強度に優れた炭素繊維シートを挿入，接 着した場合の強度の向上を検証した。具体的には，厚さ1.6mmのシナ材曲げ合板の表面材の繊維方向が平行になる ように3，5，7層積層，曲げ合板の間に平織りの炭素繊維シートを1層挿入し，熱圧することで板材を作製した。比 較試料として，炭素繊維を挿入しないで同数積層，接着した板材を作製し，それらの強度を比較した。
それらの試験片の3点曲げ試験を行った結果，シナ材曲げ合板の積層数が3層の時，炭素繊維を挿入しても，曲げ 強さの向上はみられなかった。しかしながら，シナ材曲げ合板を5，7層積層した板材では，炭素繊維を挿入した板 材の方が，炭素繊維を挿入していない板材より，曲げ強さが約2割大きくなった。
1 はじめに
1-3mm程度に加工した板状の無垢材や同程度の厚さ の合板に接着剤を塗布し，複数の材料同士を貼り合わ せ，3次元形状の型で成型した面材料が，椅子の背板 や座面に使われている1)。椅子の部材に使われる材料 は，一般に剛性があり，且つ強度の高い木材が使われ，
軟質な木材は用いられない。スギなどの軟質な木材を 使う場合には，何らかの手段を用いて強度を向上させ ることが必要である。
一方，炭素繊維は，金属に比べ軽量にもかかわらず，
高弾性で引っ張り強度に優れているという特性から，
橋脚の補強材や航空機の主要素材に使われており，今 後も自動車の素材として期待されている材料である。
そこで，本テーマでは軟質な木材の強度向上を最終 目的として，その第一段階で合板を用いて，これを積 層接着した試験片と接着層に炭素繊維を挿入した試験 片を作製し，強度（曲げ強さ）を比較検討した。
2 実験方法
2-1 板状材料の作製
炭素繊維挿入の効果の検証は，一定方向に柔軟な特 徴を有する材料を積層接着して，炭素繊維挿入したも のとしていない板材の強度を比較することが適当であ ると考えた。そこで，材料には，厚さ1.6mmのシナ材
曲げ合板（25cm×25cm）を用いた。使用したシナ材曲 げ合板は，3枚の単板を繊維方向が直交するように積 層，接着した構造で，図1に示すように表裏の両表面 材の繊維方向が①に対して，②のように曲がりやすい 特徴を有している。
②
①
②
①
図1 シナ材曲げ合板
本実験に使用した炭素繊維シートは，図2に示すよ うに平織りの織物になっており，あらかじめエポキシ 樹脂が含浸されたプリプレグを使用した。
図2 平織りの炭素繊維シート
*1 インテリア研究所
本テーマでは，炭素繊維シート挿入の効果について，
図 3 に示す 3 点曲げ試験で曲げ強さを測定することに より検証を行った。一般に 3 点曲げ試験では，材料の 厚さ方向の中立軸より上側では圧縮応力が生じるのに 対し，下側では引っ張り応力が作用する。そこで，炭 素繊維シートは引っ張り強さに優れていることから，
シナ材曲げ合板と積層した際の炭素繊維シートの挿入 位置は，中立軸より下側に配置する方が良いと仮定し た。
荷重 中立軸
荷重 中立軸
図3 3点曲げ試験（正面から）
図4にシナ材曲げ合板の積層数が3層の場合の炭素繊 維シート挿入位置を示す。
シナ材曲げ合板
炭素繊維シート シナ材曲げ合板
炭素繊維シート
図4 シナ材曲げ合板の積層数が3層の場合の炭素繊維 シート挿入位置（模式図）
図5にシナ材曲げ合板の積層数が5，7層の場合の炭 素繊維シート挿入位置を示す。
炭素繊維シート シナ材曲げ合板
炭素繊維シート シナ材曲げ合板
図5 シナ材曲げ合板の積層数が5，7層の場合の炭素 繊維シートの挿入位置（断面の模式図）
シナ材 曲げ 合板 や炭 素繊 維 シート との 接着 には 水 性高分子イ ソシア ネート 系 接着剤を用 いた。 熱圧 条 件を表1に示す。
表1 熱圧条件
30分 圧締時間
10 kgf /cm2 圧力
100℃
ホットプレス温度
30分 圧締時間
10 kgf /cm2 圧力
100℃
ホットプレス温度
2-2 3点曲げ試験による曲げ強さ測定
図6に3点曲げ試験の模式 図を示す。曲げ試験の試 験片の 幅は 30mmとし ，シ ナ 材曲げ 合板 の表 面材 の繊 維方向と同 じ 向き にした 。 曲げ試験の スパン は ， 厚 さの14倍，荷重速度は5mm/minとした。曲げ強さは，
JIS Z 2101-2009 「 木 材 の 試 験 方 法 15 曲 げ 試 験 」 を参考にして算出した。
繊維方向 繊維方向
図6 3点曲げ試験
3 結果 3-1 曲げ強さ
シナ材曲げ合板の積層数が3-7層の場合の炭素シー ト挿入の有無による曲げ強さの比較を表2に示す。
表2 シナ材曲げ合板の積層数と炭素繊維シートの有 無による曲げ強さへの影響
曲げ強さ(MPa)
46.3±4.9 45.5±3.4 51.0±1.6 炭素繊維シート 炭素繊維シート なし
厚さ(mm)
56.7±1.0 12.0
7
53.4±0.2 8.6
5
51.4±2.5 5.2
3 積層数
曲げ強さ(MPa)
46.3±4.9 45.5±3.4 51.0±1.6 炭素繊維シート 炭素繊維シート なし
厚さ(mm)
56.7±1.0 12.0
7
53.4±0.2 8.6
5
51.4±2.5 5.2
3 積層数
※ N=3 曲げ強さは平均値，±標準偏差
なお，炭素繊維シート挿入の有無による材料厚の大 きな違いは見られなかった。
積層数が3層のとき，炭素繊維シートを挿入した板 材の曲げ強さは51.4MPaで，炭素繊維シートを挿入し ていない板材の曲げ強さ51.0MPaと大きな違いはみら れなかった。積層数が5層では，炭素繊維シートを挿
入した板材の曲げ強さが53.4MPaであるのに対し，炭 素 繊 維 シ ー ト を 挿 入 し て い な い 板 材 の 曲 げ 強 さ 45.5MPaで，曲げ強さに大きな違いがみられた。さら に積層数が7層では，炭素繊維シートを挿入していな い板材の曲げ強さは46.3MPaで，5層の場合と同等の強 さであった。一方，炭素繊維シートを挿入した場合は，
板材の曲げ強さは56.7Mpaとなり，シートを挿入した ことによって，5層の板材（53.4MPa）よりもさらに曲 げ強さが増加していることが確認できた。
4 まとめ
シナ材曲げ合板の積層数が3層では，炭素繊維挿入 による曲げ強さの向上はみられなかったが，積層数が 増えると曲げ強さは，向上することが示された。
今後，炭素繊維の挿入数を増やすことによる強度の 変化について，更に検討を進める必要がある。
5 参考文献
1）Dung Ngo & Eric Pfeiffer：BENT PLY The Art of Plywood Furniture， pp.112-159（2003）
