JP2013208724A - 太い炭素繊維を用いた成形用中間材 - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、炭素繊維束に熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂を含浸した、ボイドが少なく高度な力学特性と成形流動性のバランスに優れた炭素繊維強化複合材料を提供することにより、マトリックス樹脂の含浸性を向上させ、成形時の金型への賦形性に優れた炭素繊維による繊維強化成形部材を提供することにある。
【解決手段】 単繊繊維度1.0dtex〜2.4dtexである炭素繊維からなる樹脂補強材により解決する。また、炭素繊維の単繊維の真円度が0.70以上0.90以下であること、炭素繊維が10〜90質量%の範囲で含まれること、炭素繊維の長さが1〜60mmであることが好ましい。
【選択図】なし
【解決手段】 単繊繊維度1.0dtex〜2.4dtexである炭素繊維からなる樹脂補強材により解決する。また、炭素繊維の単繊維の真円度が0.70以上0.90以下であること、炭素繊維が10〜90質量%の範囲で含まれること、炭素繊維の長さが1〜60mmであることが好ましい。
【選択図】なし
Description
本発明は炭素繊維に熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂を含浸した、加工性に優れた樹脂成形材料に用いる炭素繊維の形状や組成に関するものである。
従来、炭素繊維に熱可塑性樹脂、熱硬化樹脂を含浸させるためには高温・高圧でのプレスや反応が必要であった。特に可塑性樹脂においては加熱溶融させた状態では粘度が高く流動性に乏しいために、炭素繊維の間に入り込んで均一なマトリックスを形成するのは困難であり、ボイドも発生しやすい状態であった。
単繊繊維度が大きい繊維は樹脂を含浸させるのに粘度抵抗が従来の物よりも低くなり、流動性があがって材料中のボイドが少なく、高い物性が期待できる。また、板状やマット状に成形した物を金型内で圧縮加工する際には、繊維の移動や変形に対して抵抗が少ない傾向にあり、加工の自由度が高くなる。
本発明は、炭素繊維束に熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂を含浸した、ボイドが少なく高度な力学特性と成形流動性のバランスに優れた炭素繊維強化複合材料を提供する。
本発明は、単繊繊維度1.0dtex〜2.4dtexである炭素繊維からなる樹脂補強材である。
本発明によれば、加工性等に優れた炭素繊維強化複合材料を製造するに当たり、単繊維繊度が1.0dtex〜2.4dtex、真円度が0.70以上0.90以下である炭素繊維束を用いて、ここに熱硬化樹脂もしくは熱可塑性樹脂を含浸させることにより、加工性と物理的強度に優れた炭素繊維複合材料を製造する。
本発明によって製造される炭素繊維強化複合材料とは、少なくとも、炭素繊維と、マトリックス樹脂となる熱可塑性樹脂の2種類を含有した成形体を言う。本発明において使用される炭素繊維とは、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、芳香族ポリアミド繊維、ポリアラミド繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、ボロン繊維等の高強度、高弾性律繊維等を併用して使用でき、2種以上を混合してもよい。
炭素繊維は、力学的特性の付与効果のために必須であり、炭素繊維束の表面には予め表面処理、カップリング剤、サイジング剤の付与を行うことができる。
本発明におけるマトリックスとなる熱硬化樹脂の種類としてはウレタン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、熱硬化型アクリル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、熱硬化型ポリエステル樹脂などが適している。
また、熱可塑性樹脂の種類としては、特には制限はないが、耐衝撃性に優れ、かつ、成形が容易である熱可塑性樹脂が好ましい。そのような熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、液晶ポリエステル等のポリエステルや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン等のポリオレフィンや、ポリオキシメチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリメチレンメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、フェノール(ノボラック型)等や、これらの共重合体、変性体、および2種類以上ブレンドした樹脂等が挙げられる。また、更に耐衝撃性向上のために、上記樹脂にエラストマー、もしくは、ゴム成分を添加した樹脂であっても良い。
複合材としての成形方法は、形状が成形できれば特に制限はない。
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
「熱硬化樹脂マトリックスの場合」
使用される炭素繊維束は単繊繊維度1.0dtex〜2.4dtex、長さが1〜60mmであり、望ましくは長さ5〜40mmであり、さらに望ましくは15〜35mmである。形状はテープ、プリプレグ、チョップに加工され、取り扱いが容易である。炭素繊維束の加工法については従来、抄紙法、引き抜き法、プレス法などがあり、性能や形状が達成できれば特に制限はない。この炭素繊維束10〜90質量部を金型内になるべく均一に分散させた状態で樹脂10〜90質量部を型内に供給して反応させる。加熱条件はマトリックス樹脂の種類によって異なるがおおむね摂氏200度程度であり、硬化反応が十分に進んだ後に冷却し、型を開いて製品を取り出す。この場合、取り出された製品は後の工程で利用される中間材料としてでもよく、最終製品形状でも良い。
「熱硬化樹脂マトリックスの場合」
使用される炭素繊維束は単繊繊維度1.0dtex〜2.4dtex、長さが1〜60mmであり、望ましくは長さ5〜40mmであり、さらに望ましくは15〜35mmである。形状はテープ、プリプレグ、チョップに加工され、取り扱いが容易である。炭素繊維束の加工法については従来、抄紙法、引き抜き法、プレス法などがあり、性能や形状が達成できれば特に制限はない。この炭素繊維束10〜90質量部を金型内になるべく均一に分散させた状態で樹脂10〜90質量部を型内に供給して反応させる。加熱条件はマトリックス樹脂の種類によって異なるがおおむね摂氏200度程度であり、硬化反応が十分に進んだ後に冷却し、型を開いて製品を取り出す。この場合、取り出された製品は後の工程で利用される中間材料としてでもよく、最終製品形状でも良い。
「熱可塑性樹脂マトリックスの場合」
使用される炭素繊維束は繊維状のまま、あるいはテープ、プリプレグ、チョップ状に加工されて利用される。
使用される炭素繊維束は繊維状のまま、あるいはテープ、プリプレグ、チョップ状に加工されて利用される。
マトリックスの熱可塑性樹脂は金型内に分散配置された炭素繊維束に溶融含浸させるべく、押出成形や射出成形で金型内に供給され、保圧・冷却工程を経て製品となる。炭素繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させる方法としては、樹脂を加熱溶融して、繊維強化材に含浸させる方法(溶融含浸法)、粉末状の樹脂を流動床法や懸濁法によって繊維強化材に塗布・融着させる方法(パウダー法)、樹脂を溶液化し、繊維強化材に含浸後溶媒を除去する方法(溶液含浸法)等いずれの方法を用いても良いが、溶融含浸法を用いることが好ましい。また、炭素繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させる際、炭素繊維ウェブは積層させてもよい。
「用途」
本発明の炭素繊維強化複合材料の用途としては、「パソコン、携帯電話、携帯情報端末等のOA機器」、「冷蔵庫、エアコン、その他家電製品」、「支柱、パネル、補強材などの土木、建材用部品」、「ボディ外板、フレーム、ホイール、ギアボックスなど自動車部品」、「翼、本体、ランディングギア類などの航空機用部品」が挙げられる。
本発明の炭素繊維強化複合材料の用途としては、「パソコン、携帯電話、携帯情報端末等のOA機器」、「冷蔵庫、エアコン、その他家電製品」、「支柱、パネル、補強材などの土木、建材用部品」、「ボディ外板、フレーム、ホイール、ギアボックスなど自動車部品」、「翼、本体、ランディングギア類などの航空機用部品」が挙げられる。
以下、具体的な実施例により本発明を説明する。ただし下記の実施例は本発明を制限するものではない。
[プレス流動性]
炭素繊維束とポリプロピレン樹脂フィルムを150mm×150mmに切り出して積層し、この積層物を温度200℃、圧力20MPaで5分間プレス成形し、炭素繊維強化成型用基材を得た。炭素繊維強化成型用基材を70×70×4mm厚みに切り出し流動性評価サンプルを得た。100×100×2mmの平板金型に、流動性評価サンプルをセットし、温度200℃、20MPaと10MPaの加圧力で5分間プレス成形を行い、充填状況により、以下の3段階で評価を行った。
○:20MPa、10MPa何れの条件でも充填可能。
△:20MPaで充填可能、10MPaでは未充填部分が確認できる。
×:20MPa、10MPa何れの条件でも未充填部分を確認できる。
炭素繊維束とポリプロピレン樹脂フィルムを150mm×150mmに切り出して積層し、この積層物を温度200℃、圧力20MPaで5分間プレス成形し、炭素繊維強化成型用基材を得た。炭素繊維強化成型用基材を70×70×4mm厚みに切り出し流動性評価サンプルを得た。100×100×2mmの平板金型に、流動性評価サンプルをセットし、温度200℃、20MPaと10MPaの加圧力で5分間プレス成形を行い、充填状況により、以下の3段階で評価を行った。
○:20MPa、10MPa何れの条件でも充填可能。
△:20MPaで充填可能、10MPaでは未充填部分が確認できる。
×:20MPa、10MPa何れの条件でも未充填部分を確認できる。
[CF1〜CF5炭素繊維]
・CF1:1.4dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度:1.4dtex、単繊維直径:10μm、単繊維真円度:0.87、繊維長:6.4mm
・CF2:1.4dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度:1.4dtex、単繊維直径 10μm、単繊維真円度 0.87、繊維長 3.2mm
・CF3:2.4dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度 2.4dtex、単繊維直径 13μm、単繊維真円度 0.87、繊維長 6.4mm
・CF4:2.4dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度 2.4dtex、単繊維直径 13μm、単繊維真円度 0.87、繊維長 3.2mm
・CF5:1.4dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度 1.4dtex単繊維直径 10μm、単繊維真円度 0.75、繊維長 6.4mm
・CF6:1.4dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度 1.4dtex、単繊維直径 10μm、単繊維真円度 0.75、繊維長 3.2mm
・CF7:0.7dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度 0.7dtex、単繊維直径 7μm、単繊維真円度 0.90、繊維長 6.4mm、
・CF8:0.7dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度 0.7dtex、単繊維直径 7μm、単繊維真円度 0.90、繊維長 3.2mm
・CF1:1.4dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度:1.4dtex、単繊維直径:10μm、単繊維真円度:0.87、繊維長:6.4mm
・CF2:1.4dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度:1.4dtex、単繊維直径 10μm、単繊維真円度 0.87、繊維長 3.2mm
・CF3:2.4dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度 2.4dtex、単繊維直径 13μm、単繊維真円度 0.87、繊維長 6.4mm
・CF4:2.4dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度 2.4dtex、単繊維直径 13μm、単繊維真円度 0.87、繊維長 3.2mm
・CF5:1.4dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度 1.4dtex単繊維直径 10μm、単繊維真円度 0.75、繊維長 6.4mm
・CF6:1.4dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度 1.4dtex、単繊維直径 10μm、単繊維真円度 0.75、繊維長 3.2mm
・CF7:0.7dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度 0.7dtex、単繊維直径 7μm、単繊維真円度 0.90、繊維長 6.4mm、
・CF8:0.7dtex PAN系炭素繊維、単繊維繊度 0.7dtex、単繊維直径 7μm、単繊維真円度 0.90、繊維長 3.2mm
[熱可塑性樹脂]
・ポリプロピレン樹脂:日本ポリプロ(株)製、商品名:「ノバテック」PP(登録商標)SA06A
・ポリプロピレン樹脂:日本ポリプロ(株)製、商品名:「ノバテック」PP(登録商標)SA06A
[実施例1]
炭素繊維束(a)は長さ6.4mmにカットし、CF1を得た。また、炭素繊維束(b)として炭素繊維束を3.2mmにカットし、炭素繊維束CF2を得た。この炭素繊維束を用いて目付が60g/m2の基材を得た。分散には抄紙法を用いた。
炭素繊維束(a)は長さ6.4mmにカットし、CF1を得た。また、炭素繊維束(b)として炭素繊維束を3.2mmにカットし、炭素繊維束CF2を得た。この炭素繊維束を用いて目付が60g/m2の基材を得た。分散には抄紙法を用いた。
得られた抄紙基材を100℃の温度で1時間乾燥した。150mm×150mmの抄紙基材とPPフィルムを積層し、200℃のプレス熱盤内に投入し、20MPaで10分間プレス成形し、炭素繊維強化熱可塑性樹脂を得た。実施条件および得られた炭素繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を、表1に示した。
[実施例2]
炭素繊維束(a)の質量比を30%、炭素繊維束(b)の質量比を70%とした以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を表1に示した。
炭素繊維束(a)の質量比を30%、炭素繊維束(b)の質量比を70%とした以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を表1に示した。
[実施例3]
炭素繊維束(a)の質量比を80%、炭素繊維束(b)の質量比を20%をとした以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた炭素繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を、表1に示した。
炭素繊維束(a)の質量比を80%、炭素繊維束(b)の質量比を20%をとした以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた炭素繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を、表1に示した。
[実施例4]
CF3炭素繊維を使用し炭素繊維束(a)の質量比を50%、CF4炭素繊維を使用し炭素繊維束(b)の質量比を50%とした以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた炭素繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を、表1に示した。
CF3炭素繊維を使用し炭素繊維束(a)の質量比を50%、CF4炭素繊維を使用し炭素繊維束(b)の質量比を50%とした以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた炭素繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を、表1に示した。
[実施例5]
CF5炭素繊維を使用し炭素繊維束(a)の質量比を50%、CF6炭素繊維を使用し炭素繊維束(b)の質量比を50%をとした以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた炭素繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を、表1に示した。
CF5炭素繊維を使用し炭素繊維束(a)の質量比を50%、CF6炭素繊維を使用し炭素繊維束(b)の質量比を50%をとした以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた炭素繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を、表1に示した。
[比較例1]
長さ6.4mmのCF1炭素繊維束(a)のみで強化繊維束を作製した。それ以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を、表1に示した。
長さ6.4mmのCF1炭素繊維束(a)のみで強化繊維束を作製した。それ以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を、表1に示した。
[比較例2]
CF7炭素繊維を使用し炭素繊維束(a)の質量比を50%、CF8炭素繊維を使用し炭素繊維束(b)の質量比を50%をとした以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた炭素繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を、表1に示した。
CF7炭素繊維を使用し炭素繊維束(a)の質量比を50%、CF8炭素繊維を使用し炭素繊維束(b)の質量比を50%をとした以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた炭素繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を、表1に示した。
[比較例3]
CF7炭素繊維を使用し炭素繊維束(a)の質量比を70%、CF8炭素繊維を使用し炭素繊維束(b)の質量比を30%をとした以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた炭素繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を、表1に示した。
CF7炭素繊維を使用し炭素繊維束(a)の質量比を70%、CF8炭素繊維を使用し炭素繊維束(b)の質量比を30%をとした以外は実施例1と同様の方法で基材を得た。実施条件および得られた炭素繊維強化熱可塑性樹脂の評価結果を、表1に示した。
表1から明らかなように、単繊維繊度が1.0dtex〜2.4dtex、真円度が0.70以上0.90以下である炭素繊維を用いると流動性が向上し、結果としてプレス成形などの加工がしやすく、2次加工についても同様の性質を維持した炭素繊維複合材料が得られる。
Claims (10)
- 単繊繊維度1.0dtex〜2.4dtexである炭素繊維からなる樹脂補強材。
- 前記炭素繊維の単繊維の真円度が0.70以上0.90以下である請求項1に記載の樹脂補強材。
- 前記樹脂補強材に炭素繊維が10〜90質量%の範囲で含まれる請求項1または2のいずれかに記載の樹脂補強材。
- 前記炭素繊維の長さが1〜60mmである請求項1〜3のいずれかに記載の樹脂補強材。
- 補強される樹脂が熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂である請求項1〜4のいずれかに記載の樹脂補強材。
- 前記樹脂補強材の空隙率49〜98体積%である請求項1〜5のいずれかに記載の樹脂補強材。
- 前記樹脂補強材がマット材である請求項1〜6のいずれかに記載の樹脂補強材。
- 前記樹脂補強材が不織布である請求項1〜6のいずれかに記載の樹脂補強材。
- 前記樹脂補強材がチョップ材である請求項1〜6のいずれかに記載の樹脂補強材。
- プレス成形、RTM成形、ハンドレイアップ法のいずれか1種の成形法で請求項1〜10のいずれかに記載の樹脂補強材を製造する樹脂補強材の製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2012078863A JP2013208724A (ja) | 2012-03-30 | 2012-03-30 | 太い炭素繊維を用いた成形用中間材 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015078310A (ja) * | 2013-10-17 | 2015-04-23 | 三菱レイヨン株式会社 | プリプレグ |
JP2016107548A (ja) * | 2014-12-09 | 2016-06-20 | 東レ株式会社 | スタンパブル基材及びその製造方法、並びにスタンピング成形品 |
JP2016188271A (ja) * | 2015-03-30 | 2016-11-04 | 三菱レイヨン株式会社 | プリプレグの製造方法 |
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2012
- 2012-03-30 JP JP2012078863A patent/JP2013208724A/ja active Pending
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