JP2013203771A - 擬似等方性複合板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、樹脂組成物を短冊状片に含浸する際に、比較的低温とすることで、エネルギー消費を抑制でき、かつ、樹脂劣化による変色や、性能低下のおそれが少ない複合板を提供できるものである。
【解決手段】 ２５０℃における粘度が１０００〜１５０００ポイズである熱可塑性樹脂組成物と、二次元平面内において無作為な方向に配置された、一方向に引き揃えられた１．０〜２．４ｄｔｅｘのＰＡＮ系炭素繊維からなる短冊状片とを前記熱可塑性樹脂組成物を１５０℃以上２５０℃未満の温度として前記短冊状片と複合化する熱可塑性樹脂組成物と炭素繊維との擬似等方性複合板の製造方法であって、
前記短冊状片が、特定の性質を満たす擬似等方性複合板の製造方法により達成する。
【選択図】なし

Description

本発明は、スタンピング成形法やプレスフロー成形法によって、いろいろな、熱可塑性樹脂組成物と炭素繊維との複合材料からなる製品を成形するのに適した、熱可塑性樹脂組成物と炭素繊維を複合化してなる擬似等方性複合板の製造方法に関する。

熱可塑性樹脂組成物と補強繊維からなる複合板はよく知られている。特許文献１には、一方向に引き揃えられた補強繊維からなる短冊状片を複合した板が開示されている。特許文献１は、実施例３において炭素繊維と、２５０℃における溶融粘度が３０００、１２０００ポイズのナイロン６を用いて、２６０℃でナイロン６被覆炭素繊維束を作り、それを赤外線ヒーターで２６０℃に予熱し、さらには、２６０℃に設定したロールで押圧することでテープを製造している。そのテープを切断した短冊状片を２６０℃で圧縮成形することで板を製造している。この方法で製造した板は、２５０℃の溶融粘度が５００ポイズや１７０００ポイズの場合よりも高い曲げ強度が得られることを示している。しかしながら、この方法では、赤外線ヒーター、ロール、金型等を高温にする必要があり、過大なエネルギー消費の問題や樹脂劣化の問題があった。

特開平２−１４３８１０号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、樹脂組成物を短冊状片に含浸する際に、比較的低温とすることで、エネルギー消費を抑制でき、かつ、樹脂劣化による変色や、性能低下のおそれが少ない複合板を提供できるものである。

本発明の複合板の製造方法は、２５０℃における粘度が１０００〜１５０００ポイズである熱可塑性樹脂組成物と、二次元平面内において無作為な方向に配置された、一方向に引き揃えられた１．０〜２．４ｄｔｅｘのＰＡＮ系炭素繊維からなる短冊状片とを前記熱可塑性樹脂組成物を１５０℃以上２５０℃未満の温度として前記短冊状片と複合化する熱可塑性樹脂組成物と炭素繊維との擬似等方性複合板の製造方法であって、
前記短冊状片が、以下の性質を満たす擬似等方性複合板の製造方法である。
厚みが０．２０ｍｍ以下、
繊維の方向に対して直交する方向における長さが２〜２５ｍｍ、
繊維の方向における長さが５〜３０ｍｍ、
繊維の方向に直交する方向における長さ／繊維の方向における長さの比が０．１５〜１．５０。
なお、本発明において、擬似等方性とは、複合板において、少なくとも互いに直交する２方向と、その方向に対して４５°の角度をなす方向とをみたとき、それら各方向における力学的特性が±１０％の範囲内であることをいう。

本発明によれば、２５０℃における粘度が１０００〜１５０００ポイズである熱可塑性樹脂組成物と、二次元平面内において無作為な方向に配置された、一方向に引き揃えられたＰＡＮ系炭素繊維からなる短冊状片とを複合してなる板であって、上記短冊状片が、
厚みが０．２ｍｍ以下であり、
繊維の方向に対して直交する方向における長さが２〜２５ｍｍであり、
繊維の方向における長さが５〜３０ｍｍであり、
繊維の方向に直交する方向における長さ／繊維の方向における長さが０．１５〜１．５であり、
かつ、面内において擬似等方性であることを特徴とする、熱可塑性樹脂組成物と炭素繊維との複合体を２５０℃未満で製造することができるので、エネルギー消費を削減することができるし、熱可塑性樹脂組成物の劣化を抑制することができる。

本発明の製造方法に用いる短冊状片は、熱可塑性樹脂組成物を炭素繊維に含浸したテープ状物を切断した物である。前記テープ状物の製造方法としては、既に知られている方法を利用することができる。具体的には、炭素繊維束に熱可塑性樹脂組成物を押し出し被覆した後、その被覆炭素繊維束を熱可塑性樹脂組成物のガラス転移温度以上、あるいは融点以上に加熱した一対のロール間に通し、加圧して炭素繊維束への熱可塑性樹脂組成物の含浸と扁平化を行う方法や、含浸ダイにおいて溶融した熱可塑性樹脂組成物を炭素繊維束に含浸させた後扁平化を行う方法や、炭素繊維束をシート状にしてその少なくとも片面に熱可塑性樹脂フィルムを積層した後、加熱ロール或いは加熱プレス機を用いて加熱しながら加圧する方法が挙げられる。本発明においては、熱可塑性樹脂組成物と炭素繊維が含浸したテープ状物の製造時は、１５０℃以上２５０℃未満とすることが必要である。

本発明の製造方法に用いる炭素繊維としては、単繊維繊度が、１．０〜２．４ｄｔｅｘのＰＡＮ系炭素繊維を使用することが必要である。ＰＡＮ系炭素繊維の単繊維繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘのＰＡＮ系炭素繊維を使用することにより、テープ状物の製造時の含浸性が向上し、１５０℃以上２５０℃未満の温度で含浸を施しても、空隙のない複合体が得られる。また、本発明の製造方法に用いる炭素繊維としては、断面形状が真円度０．７０以上０．９０以下であることが好ましい。さらに、断面形状が空豆型であることが好ましい。断面形状を比較的単純な形状である真円度０．７０以上０．９０以下の空豆型とすることで、単繊維の繊度が大きくなつても、真円度が０．９０より大きい丸に近い断面形状の炭素繊維より、ストランド強度は高い数値を維持できる。また、単繊維を密に詰めることが出来るため、プリプレグ中での繊維含有率が向上し、複合材料の力学特性を向上させることが可能となる。

さらに、前記短冊状片を圧縮成形することで、熱可塑性樹脂組成物と炭素繊維からなる複合板を製造することができる。単繊維繊度が、１．０〜２．４ｄｔｅｘのＰＡＮ系炭素繊維を使用することにより、テープ状物を切断した短冊状片を重ね合わせて圧縮成形する時に、重なりあい部分に隙間が発生することを防止することができる。このようにして得られた複合体においては、短冊状片の内部や、複数の短冊状片同士のかさなりあう部分に空隙がないので、高い機械的物性を発現するので好ましい。

テープ状物や複合板を製造する際に、熱可塑性樹脂組成物の温度を１５０℃以上２５０℃未満にすることにより、熱可塑性樹脂組成物の粘度は大きくなる傾向になるが、単繊維繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘのＰＡＮ系炭素繊維を使用することで炭素繊維間の空隙が大きくなるので、１５０℃以上２５０℃未満の熱可塑性樹脂組成物でも容易に炭素繊維間に浸透することができる。このことにより、さらに製造に必要な消費エネルギーを削減することができるし、樹脂組成物の劣化を抑制することができる。

本発明の製造方法に用いる熱可塑性樹脂組成物としては、２５０℃での溶融粘度が１０００〜１５０００ポイズであることが必要である。このような熱可塑性樹脂組成物に含まれる熱可塑性樹脂として、ポリアミド、または共重合のポリアミド、ポリエステル、または共重合のポリエステル、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルファイド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリオレフィン等を使用することができる。なお、これらの熱可塑性樹脂の溶融粘度はキャピラリー型の粘度計を使用し、せん断速度が０sec^-1ないし、その近辺において測定する。

本発明の製造方法に用いる短冊状片は、厚みが０．２０ｍｍ以下であり、繊維の方向に対して直交する方向における長さが２〜２５ｍｍであり、繊維の方向における長さが５〜３０ｍｍであり、繊維の方向に直交する方向における長さ／繊維の方向における長さが０．１５〜１．５であることが必要である。

短冊状片の厚みは、重なりあい部分における炭素繊維の屈曲を防止する観点から、０．２ｍｍ以下であることが必要である。

短冊状片の繊維の方向に対して直交する方向における長さは、シャルピー衝撃試験或いはアイゾット衝撃試験における耐衝撃値の観点から２ｍｍ以上であることが必要である。一方、複合板の破壊は短冊状片の末端において生じるので、短冊状片の繊維の方向における長さに対して繊維の方向に対して直交する方向における長さが広すぎると高い特性が得られなくなる。また、複合板の擬似等方性が悪くなる問題もある。したがって、短冊状片の繊維の方向における長さと繊維の方向に対して直交する方向における長さについては、繊維の方向に対して直交する方向における長さを２〜２５ｍｍとして、且つ、繊維の方向に対して直交する方向における長さ／繊維の方向における長さを０．１５〜１．５の間にすることが必要である。短冊状片の繊維の方向に対して直交する方向における長さが２ｍｍよりも狭いと耐衝撃性が悪くなり、一方、２５ｍｍよりも広いと、末端における影響が大きくなってやはり耐衝撃性が低下するようになる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
以下の実施例および比較例においては、原材料として下記のものを用いた。

（炭素繊維）
ＰＡＮ系炭素繊維１（単繊維繊度 １．３ｄｔｅｘ、強度 ４２１８ＭＰａ、弾性率 ２３６ＧＰａ）
ＰＡＮ系炭素繊維２（単繊維繊度 ２．４ｄｔｅｘ、強度 ３４７７ＭＰａ、弾性率 ２３０ＧＰａ）
ＰＡＮ系炭素繊維３（単繊維繊度 ０．６７ｄｔｅｘ、強度 ４９００ＭＰａ、弾性率 ２４０ＧＰａ）

（熱可塑性樹脂組成物）
ポリアミド６：２５０℃での溶融粘度が１００００ポイズであるポリアミド６樹脂（宇部興産社製、製品名：１０１１ＦB）

（実施例１）
（樹脂フィルムの作製）
加熱冷却二段プレス（神藤金属工業所社製、製品名：Ｆ−３７）を用いてポリアミド６樹脂のペレットを２４０℃の加熱盤で挟み込み、加圧して薄く引き延ばした。その後、冷却盤で冷却することにより厚み約６０μｍの樹脂フィルムを作製した。作製した樹脂フィルムの１ｍ^２あたりの重量は約７０ｇであった。

（炭素繊維シート及びテープ状の一方向プリプレグの作製）
炭素繊維として、ＰＡＮ系炭素繊維１を使用した。この炭素繊維をドラムワインドにて巻き付け、炭素繊維目付１００ｇ／ｍ^２の一方向の炭素繊維シートを作製した。作製した炭素繊維シートに適度に張力を掛け、炭素繊維シートに両面から前記樹脂フィルム、フッ素樹脂製フィルム（日東電工社製、商品名：ニトフロンフィルム９７０−４ＵＬ）、アルミ製の平板の順に挟み、前記加熱冷却二段プレスの加熱盤で２４０℃、５分、２０ｋＰａ、冷却盤で５分、２０ｋＰａの条件で、プリプレグ目付約２４０ｇ／ｍ^２、樹脂含有率約５８質量％である、厚み約１８０μｍのテープ状の一方向プリプレグを得た。

（短冊状片からなる複合板の作製）
前記テープ状の一方向プリプレグを繊維の方向に対して直交する方向における長さ２０ｍｍに切断した後、繊維の方向における長さ２５ｍｍで切断し、短冊状片を得た。この短冊状片を２４５ｇ採取し、平板金型中に散布して２４０℃で圧縮成形を行ない、厚みが約２ｍｍ、縦３０ｃｍ、横３０ｃｍの平板を得た。この板から縦２５ｍｍ、横１２０ｍｍの試験片を切り出し、万能試験機（Ｉｎｓｔｒｏｎ社製、製品名：Ｉｎｓｔｒｏｎ５５６５）と解析ソフト（製品名：Ｂｌｕｅｈｉｌｌ）を用い、ＪＩＳ Ｋ ７１７１に準拠して２５℃で曲げ試験を実施した。圧子のＲ＝５ｍｍ、支点のＲは２ｍｍ、スパンと厚みの比（Ｌ／Ｄ）は４０とした。その曲げ強度は、３５ｋｇｆ／ｍｍ^２であった。また、複合板の断面を光学顕微鏡で観察したところ、炭素繊維の間に空隙部が観察されなかった。

（比較例１）
ＰＡＮ系炭素繊維１の代わりにＰＡＮ系炭素繊維３を使用した以外は実施例１と同様な操作を実施した。この複合板の２５℃での曲げ強度は３１ｋｇｆ／ｍｍ^２であった。また、複合板の断面を光学顕微鏡で観察したところ、炭素繊維の間に空隙部が観察された。

（実施例２）
ＰＡＮ系炭素繊維１の代わりにＰＡＮ系炭素繊維２を使用し、樹脂フィルム製作時の温度、テープ状の一方向プリプレグ作製時の温度、圧縮成形の温度のすべてを２３０℃に変更した以外は実施例１と同じにして実施した。得られた複合板の２５℃での曲げ強度は３３ｋｇｆ／ｍｍ^２であった。また、複合板の断面を光学顕微鏡で観察したところ、炭素繊維の間に空隙部が観察されなかった。

（比較例２）
ＰＡＮ系炭素繊維１の代わりにＰＡＮ系炭素繊維３を使用した以外は実施例２と同様な操作を実施した。この複合板の２５℃での曲げ強度は２８ｋｇｆ／ｍｍ^２であった。また、複合板の断面を光学顕微鏡で観察したところ、炭素繊維の間に空隙部が観察された。

Claims (4)

1. ２５０℃における粘度が１０００〜１５０００ポイズである熱可塑性樹脂組成物と、二次元平面内において無作為な方向に配置された、一方向に引き揃えられた１．０〜２．４ｄｔｅｘのＰＡＮ系炭素繊維からなる短冊状片とを前記熱可塑性樹脂組成物を１５０℃以上２５０℃未満の温度として前記短冊状片と複合化する熱可塑性樹脂組成物と炭素繊維との擬似等方性複合板の製造方法であって、
   前記短冊状片が、以下の性質を満たす擬似等方性複合板の製造方法。
   厚みが０．２０ｍｍ以下、
   繊維の方向に対して直交する方向における長さが２〜２５ｍｍ、
   繊維の方向における長さが５〜３０ｍｍ、
   繊維の方向に直交する方向における長さ／繊維の方向における長さの比が０．１５〜１．５０
2. ２５０℃における粘度が１０００〜１５０００ポイズである熱可塑性樹脂組成物を、１５０℃以上２５０℃未満の温度として、一方向に引き揃えられた１．０〜２．４ｄｔｅｘのＰＡＮ系炭素繊維に、含浸させてテープ状物とし、引き続き、切断して前記短冊状片を製造する工程を含む、請求項１に記載の擬似等方性複合板の製造方法。
3. 前記短冊状片と前記熱可塑性樹脂組成物の複合化を圧縮成形で施す請求項１または２に記載の擬似等方性複合板の製造方法。
4. 前記ＰＡＮ系炭素繊維の単繊維の真円度が０．７０〜０．９０である請求項１〜３のいずれかに記載の擬似等方性複合板の製造方法。