JP6902395B2 - 成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
<1>
炭素繊維束と熱可塑性樹脂とを含む成形材料を射出成形して成形体を製造する方法であって、
成形型キャビティ体積100に対して、射出容量を400以上2000以下に計量して成形する、成形体の製造方法。
ただし、成形材料は、炭素繊維束の周囲に熱可塑性樹脂が被覆された芯鞘構造であって、炭素繊維束の軸方向の長さL1と、成形材料の長さL2とが、0.9<L1/L2<1.0であり、成形材料に含まれる熱可塑性樹脂は炭素繊維束内部に含浸していない。
<2>
炭素繊維100質量部に対して、熱可塑性樹脂の重量割合が150質量部以上900質量部以下である、<1>に記載の成形体の製造方法。
<3>
熱可塑性樹脂の溶解性パラメーターSP値(単位:(J/cm 3 ) 1/2 )が18以上21以下である、<1>又は<2>に記載の成形体の製造方法。
<4>
熱可塑性樹脂がポリカーボネートである、<1>〜<3>いずれか1項に記載の成形体の製造方法。
<5>
成形材料がシリンダー内を通過する時間が、1min以上10min未満である、<1>〜<4>いずれか1項に記載の成形体の製造方法。
<6>
炭素繊維束を構成する炭素繊維の表面酸素濃度比[O/C]が0.1〜0.5である、<1>〜<5>いずれか1項に記載の成形体の製造方法。
なお、本発明は、上記<1>〜<6>に関するものであるが、参考のためその他の事項(例えば下記1.〜6.に記載した事項)についても記載する。
1. 炭素繊維束と熱可塑性樹脂とを含む成形材料を射出成形して成形体を製造する方法であって、
成形型キャビティ体積100に対して、射出容量を400以上2000以下に計量して成形する、成形体の製造方法。
2. 炭素繊維束の周囲に熱可塑性樹脂が被覆された芯鞘構造であって、炭素繊維束の軸方向の長さL1と、成形材料の長さL2とが、0.9<L1/L2<1.0である請求項1に記載の成形体の製造方法。
3. 成形材料に含まれる熱可塑性樹脂は炭素繊維束内部に含浸していない、前記2に記載の成形体の製造方法。
4. 炭素繊維100質量部に対して、熱可塑性樹脂の重量割合が150質量部以上900質量部以下である、前記1〜3いずれか1項に記載の成形体の製造方法。
5. 熱可塑性樹脂の溶解性パラメーターSP値(単位:(J/cm3)1/2)が18以上21以下である、前記1〜4いずれか1項に記載の成形体の製造方法。
6. 熱可塑性樹脂がポリカーボネートである、前記1〜5いずれか1項に記載の成形体の製造方法。
7. 成形材料がシリンダー内を通過する時間が、1min以上10min未満である、前記1〜6いずれか1項に記載の成形体の製造方法。
8. 炭素繊維束を構成する炭素繊維の表面酸素濃度比[O/C]が0.1〜0.5である、前記1〜7いずれか1項に記載の成形体の製造方法。
本発明の成形材料に含まれる炭素繊維は、ポリアクリロニトリル(PAN)系、石油・石油ピッチ系、レーヨン系、リグニン系など、何れの炭素繊維であっても良い。特に、PANを原料としたPAN系炭素繊維が、工場規模における生産性及び機械的特性に優れており好ましい。
本発明における成形材料に含まれる炭素繊維束とは、炭素繊維が単糸状ではなく束状に存在していることをいう。上述のように、炭素繊維は一般的に1000〜50000本の短繊維が繊維束となっており、これがそのまま成形材料中に含まれていることが好ましい。すなわち、本発明における成形材料は、炭素繊維と熱可塑性樹脂を混練して得られたものではない。
成形材料に炭素繊維束が含まれる場合(特に成形材料が炭素繊維束の周囲に熱可塑性樹脂が被覆された芯鞘構造である場合)、炭素繊維束内部の炭素繊維は含浸助剤によって一部濡らされていることがあったとしても、熱可塑性樹脂にはほとんど接触していない。そのため、炭素繊維の表面に存在する多くの官能基は熱可塑性樹脂と高い接着力を示す状態では無い。
本発明における炭素繊維束を構成する炭素繊維は、X線光電子分光法により測定される繊維表面の酸素(O)と炭素(C)の原子数の比である表面酸素濃度比[O/C]が0.1〜0.5であるものが好ましい。
なお、本発明における炭素繊維の表面酸素濃度比とは、サイズ剤や含侵助剤が付着していない状態での値である。
本発明にて用いられる含浸助剤に特に限定は無く、1種類であっても、複数種の含浸助剤を含むものでも良く、具体的には米国特許出願番号14/384857、名称「Material for Molding, Shaped Product Therefrom, and Method for Manufacturing the Shaped Product」に詳しく記載されている。
本発明に用いられる熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂(ポリオキシメチレン樹脂)、ポリカーボネート樹脂、(メタ)アクリル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルニトリル樹脂、フェノキシ樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリケトン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、熱可塑性ウレタン樹脂、フッ素系樹脂、熱可塑性ポリベンゾイミダゾール樹脂、ビニル系樹脂等を挙げることができる。
本発明における熱可塑性樹脂の溶解性パラメーターSP値(単位:(J/cm3)1/2)が18以上21以下であることが好ましい。
好ましい溶解性パラメーターSP値(単位:(J/cm3)1/2)は、19.5以上20.5以下である。
本発明における熱可塑性樹脂はポリカーボネートを用いることが好ましい。なお、ポリカーボネートの溶解性パラメーターSP値(単位:(J/cm3)1/2)は、20.2である。
本発明における成形材料の形状は特に限定されず、柱状、板状、粒状、塊状、糸状(紐状)、網状等が挙げられ、異なる形状の成形材料を複数種用いて成形することも可能である。
本発明における成形体の製造方法では、炭素繊維100質量部に対して、熱可塑性樹脂の重量割合が150質量部以上900質量部以下の成形材料を用いることが好ましい。より好ましい熱可塑性樹脂の重量割合の下限は200質量部以上である。
本発明における成形材料の製造方法に特に限定は無く、例えば国際公開第2013/137246号パンフレットに記載の方法を用いれば良い。
1.射出容量
本発明における成形体の製造方法は、炭素繊維束と熱可塑性樹脂とを含む成形材料を射出成形して成形体を製造する方法であって、成形型キャビティ体積100に対して、射出容量を400〜2000に計量して成形する。
射出成形においては、成形材料をシリンダー内で溶融可塑化し、これを成形型内へ射出し、成形型内部で固化して成形体を得る。なお、可塑化するためのシリンダーは、ホッパから投入された成形材料に熱を加えて溶かす部分であり、シリンダーで溶融可塑化した後に成形型内へ射出する。射出成形機としてはインライン方式射出成形機が好ましい。
成形材料がシリンダー内を通過する時間は、1min以上10min未満であると好ましい。
ここで、シリンダー内を通過する時間は、下記式で計算できる。
シリンダー内を通過する時間 = (射出容量の体積÷成形型キャビティ体積)×1ショットサイクル時間
反対に、上限は10min以下が好ましい。10min以下である場合、熱可塑性樹脂の劣化度合いを抑制できる。
本発明の成形材料を用い、他の成形材料や添加剤を加えることなく、成形を行って成形体を得た場合、該成形材料と該成形体の炭素繊維を含有する量や割合、つまり質量基準の組成は当然同じである。よって本発明の成形体に含まれる炭素繊維や熱可塑性樹脂の量やその好ましい範囲については、成形材料と成形体とで同じであると良い。
本発明の成形体の製造方法は、優れた機械強度を有する成形体を、簡素なプロセスにて製造することを可能とするものであり、自動車、船舶、航空機など輸送機器、電気・電子機器、事務用機器等の内外装材や部品といった種々の産業分野において極めて有用なものである。
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。なお、本実施例における各値は、以下の方法に従って求めた。
1.引張強度の測定
引張強度は、ダンベル状試験片の形状になっている本発明の成形体を用いて、JIS K 7161:1994に準拠した方法にて評価した。ダンベル状試験片としては、平行区間部の寸法が長さ80mm、幅10mm、厚み2mmのものである。
2.曲げ強度の測定
ダンベル状試験片(JIS K 7162:1994またはISO 527−2:1998の試験片1A形に準拠)の形状になっている本発明の成形体を用いて、JIS K 7171に準拠した方法にて評価した。
3.0.3mm以上の炭素繊維の割合
成形体の試料をルツボに入れ、550℃にて1.5時間有酸素雰囲気下で加熱し樹脂成分を燃焼除去した。残った炭素繊維を界面活性剤入りの水に投入し、超音波振動により十分に撹拌させた。撹拌させた分散液を計量スプーンによりランダムに採取し評価用サンプルを得て、ニレコ社製画像解析装置Luzex APにて、0.3mm以上の長さの炭素繊維の重量割合を算出した。
本発明で用いた原材料は以下の通りである。
1.炭素繊維束の作製
(1)ポリアクリロニトリルを主成分とする共重合体から紡糸、焼成処理、表面酸化処理を行い、総単糸数24,000本、単繊維径7μm、単位長さ当たりの質量1.6g/m、比重1.8g/cm3、表面酸素濃度[O/C]0.11の均質な炭素繊維束(1)を得た。この炭素繊維のストランド引張強度は4000MPa、ストランド引張弾性率は240GPaであった。
ポリカーボネート:帝人株式会社製:L−1225Y
ガラス転移温度:150度
溶解性パラメーター((J/cm3)1/2):20.2
3.含浸助剤
(1)ビスフェノールA ビス(ジフェニルホスフェート)(大八化学株式会社製;CR―741)
1.成形材料の準備
含浸助剤として、芳香族縮合リン酸エステルであるビスフェノールA ビス(ジフェニルホスフェート)(大八化学株式会社製;CR―741)を用い、これを不揮発分25質量%にエマルジョン化した溶液内に、炭素繊維束(1)を通過させた後、ニップロールにて過剰に付着した溶液を取り除き、更にその後、180℃に加熱された熱風乾燥炉内を2分間かけて通過させ、乾燥させた。この炭素繊維束の含浸助剤の含有率は炭素繊維100質量部あたり11.1質量部であった。
この成形材料を、成形型キャビティ体積100に対して射出容量の体積880に計量できるようにシリンダーを選定する。具体的には、成形型キャビティ体積PE換算96gに対して、東芝機械製「全電動式射出成形機EC450SX i26」(シリンダー容量PE換算842g)を選定した。
炭素繊維含有率を30質量%(炭素繊維100質量部あたり、ポリカーボネートが233質量部)としたこと以外は、実施例1と同様にして成形体を製造した。結果を表1に示す。
炭素繊維束として炭素繊維束(2)を使用し、炭素繊維含有率を30質量%(炭素繊維100質量部あたり、ポリカーボネートが233質量部)としたこと以外は、実施例1と同様にして成形体を製造した。結果を表1に示す。
成形型キャビティ体積100に対する射出容量を617に調整して、成形型と射出成形機を準備したこと以外は、実施例3と同様にして成形体を製造した。成形材料がシリンダー内を通過する時間は4.6minであった。結果を表1に示す。
成形型キャビティ体積100に対する射出容量を350に調整して、成形型と射出成形機を準備したこと以外は、実施例1と同様にして成形体を製造した。成形材料がシリンダー内を通過する時間は2.6minであった。結果を表1に示す。
成形型キャビティ体積100に対する射出容量を350に調整して、成形型と射出成形機を準備したこと以外は、実施例3と同様にして成形体を製造した。成形材料がシリンダー内を通過する時間は2.6minであった。結果を表1に示す。
芯鞘型の成形材料を用いず、成形材料中に炭素繊維が単糸状に分散したペレットを用いたこと以外は、実施例1と同様にして成形体を製造した。成形材料は炭素繊維束と熱可塑性樹脂を混練して製造したため、成形材料に含まれる炭素繊維の重量平均繊維長は0.3mmとなった。結果を表1に示す。
成形型キャビティ体積100に対する射出容量を350に調整して、成形型と射出成形機を準備したこと以外は、比較例3と同様にして成形体を製造した。結果を表1に示す。
炭素繊維束が含まれていない成形材料を用いた場合、成形型キャビティ体積100に対する、射出容量を変えても、ほとんど機械物性は変化しないことが分かる。
102 熱可塑性樹脂
Claims (6)
- 炭素繊維束と熱可塑性樹脂とを含む成形材料を射出成形して成形体を製造する方法であって、
成形型キャビティ体積100に対して、射出容量を400以上2000以下に計量して成形する、成形体の製造方法。
ただし、成形材料は、炭素繊維束の周囲に熱可塑性樹脂が被覆された芯鞘構造であって、炭素繊維束の軸方向の長さL1と、成形材料の長さL2とが、0.9<L1/L2<1.0であり、成形材料に含まれる熱可塑性樹脂は炭素繊維束内部に含浸していない。 - 炭素繊維100質量部に対して、熱可塑性樹脂の重量割合が150質量部以上900質量部以下である、請求項1に記載の成形体の製造方法。
- 熱可塑性樹脂の溶解性パラメーターSP値(単位:(J/cm3)1/2)が18以上21以下である、請求項1又は2に記載の成形体の製造方法。
- 熱可塑性樹脂がポリカーボネートである、請求項1〜3いずれか1項に記載の成形体の製造方法。
- 成形材料がシリンダー内を通過する時間が、1min以上10min未満である、請求項1〜4いずれか1項に記載の成形体の製造方法。
- 炭素繊維束を構成する炭素繊維の表面酸素濃度比[O/C]が0.1〜0.5である、請求項1〜5いずれか1項に記載の成形体の製造方法。
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