JP2013208724A - 太い炭素繊維を用いた成形用中間材 - Google Patents

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

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。

特開２０１１−１５７５２４号公報

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。

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。

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。

［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

［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

［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。

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。

［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。

［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。

［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。

［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。

［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。

［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。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。