JPH03164414A - 炭素繊維複合体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ｌノ１塵☆しハ壬鱈ｍΔ説 本発明は炭素繊維によって強化された気孔率の高い複合
体．およびその製造方法に関する．本発明の複合体は弾
性率が大きく、熱膨張率が極めて小さい炭素ｕ／ｉ雄に
よって強化されているため、寸法安定性が優れており、
断熱材、軽量楕遣材、吸音材、衝撃吸収材として良好な
性能を有する． 本発明の複合体は自己潤滑性の材料である炭素繊維を主
戒分とするため、使用する樹脂を選択することにより、
あるいは樹脂もしくはビ・ソチを炭化することにより、
摺動材もしくはパ・７キング材として使用することがで
きる． 本発明の複合体は含有する炭素１ａ維の炭化程度を変え
ることにより、導電性材料にもあるいは゜絶縁性材料に
もすることができる．導電性材料としては電磁波遮蔽材
、制電ライニング材あるいは静電気除去用のエレメント
等に使用できる．絶縁性材料としては、＠線被覆材等に
使用できる．本発明の複合体のうち、樹脂もしくはピ・
７チ戒分を炭化させたものは、優れた導電性と耐熱性を
有し、また優れた化学的安定性を有するため、高温ｗ熱
材、、燃料電池等の！極材料、高温で使用されるフ゜イ
ルター材料等に使用される．（口）従来の技術 広範な産業分野において樹脂発泡体の用途は着実に伸び
つつあるが、その耐久性、形態安定性等に関して種々の
問題があることが知られている．特に耐摩耗性や強度が
劣る欠点があり、これに対しては成形物の表層部の発泡
率を低くする方法が有効とされている． また強度や形態安定性が劣る問題に対しては、織物、不
織布等の繊維構造体に樹脂を含浸させたものを用いる方
法が知られている．この方法の欠点は気泡構造が＃Ｓ維
構造体の形態に依存し、そ“のため高度な軽量化は困難
であることである．軽量の繊雑複合体を製造する方法と
しては、この外に成形時にガスもしくは発泡剤を混入す
る方法がよく知られているが、一般の発泡樹脂と異なり
繊維が樹脂の膨張を阻害するため，＃Ｒ維含量の低い箇
所に発泡が集中し、均一な発泡状態が得難い問題がある
．また発泡率を高めて気泡を薄膜化しても、繊，維が気
泡の破損を妨書するため、概してオープンセル型には成
形し難い問題がある．この問題を解決する方法として、
欧州特許出願第１４８　，７６３号には繊維長５〇一曽
以下の強化繊維をマットの形でランダム配置し、加熱に
よる容量の増加により空隙を増大させ、軽量の繊維複合
体を戒形する技術が開示されている．この方法は確かに
オープンセル型の気泡構造を製造するには優れた方法で
あるが、１！雄長が大きく′なると原料のマ・ノトの厚
さ方向の強度が低くなり、使用中に薄く剥離し易い欠点
がある． 特開昭６４−４０５３２号には曲がり状の炭素ＩＪＩＩ
ｌｌを用いて多孔質かつ軽量の繊維複合体を製造する方
゜法が開示されている．この方法は確かに軽量性の点で
は優れているが、樹脂含量を大きくすることが困難な欠
点があり、強度に著しい方向性があり、また層状に剥離
する問題がある． また特開平１−１９０４３４号には三次元織物、立体的
プレーデイング、パイルを有するｍｗ物、クレープを有
するｔａｉｉ物もしくはフリース等のような立体的な構
造．を有し、構造の間隙に気体を保持出来るよう゛な空
隙を有する繊維集合体を強化繊維として用い、含浸され
た繊維材料の厚さが増大するような温度で熱処理する技
術が開示されている．この技術は確かに極めて嵩高い繊
維複合体を製造できる利点を有するが、原料のｌｌｔＩ
Ｒ集合体の製造の際にｍ維を折り曲げたり摩擦する工程
が多く、ガラス繊維や炭素繊維のように伸度の小さい繊
維を原料とすることが困難である問題を有する．（ハ）
発明が解決しようとする課題 本発明は気泡のような空孔構造を有する繊維複合体の欠
点である、高密度が均一でなく、強度に顕著な方向性を
持ち、層状に剥離し易く、オープンセル構造を取り難い
性質を改善することを目的とする． 本発明はまた空孔構遣を有する繊維複合体の欠点を改善
するために、強化用繊維として特殊な集合体を用いる必
要があり、コスト高の原因となっている問題を解決する
ことを目的とする．（二）課題を解決する手段 本発明は．炭素ｊｉｌ　＃Ｉ　５〜７５重量％を含有し
、残余の土成．゛分が熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹
脂もしくはピッチ類（・以下これらを総称するときには
マトリックス成分と呼ぶ）であり、気孔率が３０〜９８
容積％であることを特徴とする炭素ｔ１維複合体である
． 本発明はまたこのような炭素繊維複合体において、これ
らのマトリックス成分を炭化させた炭素炭素繊維複合体
であってもよい．本発明の炭素炭素！雑複合体の場合、
気孔率は４５〜９９容積％の範囲であることが好ましい
． 本発明の炭素繊雑は好ましくはピッチ系のものである．
また該炭素繊維は連続ｙｉ雄もしくは不定長の短ｍ雑で
あることが特に好ましい．本発明の炭素繊維複合体は、
高密度０．００１−　０．３１Ｉ／Ｏ１のピッチ系の炭
素繊維のマット状物にマトリックス成分を含有率が２５
〜９５重量％になるように含浸させた後、該含浸に使用
した圧力よりも低い圧力下に、含浸後のシート状物が見
掛けの体積を１．２倍以上増大する条件で加熱処理する
ことにより製造す・る；マット状物とは紙、不織布のよ
うに繊維がある程度の厚さに、特別の構造を持たずに戒
形された繊維集合体である． 本発明のマット状物は、どのような炭素繊維から作った
ものであっても良いが、好ましくはピッチ系の炭素繊維
の連ｌ！繊維もしくは不定長の単繊維から成るものであ
り、好ましい製造法としてはスパンボンド法、メルトブ
ローン法、遠心紡糸法がある． スパンボンド法は紡糸口金から紡出されたー繊維を、連
続して平面的な受器上に採取してマット状物を製造する
方法である．紡出された繊維の移送にはアスピレーター
を一般的に使用する．繊維の受器としては多孔質のベル
トを用いることが一般的であり、一般の合成ｍ維では中
間に延伸工程を置くこともあるが、本発明のピッチ繊維
の場合には延伸工程を置くことはない．ａＩ維は一般的
には連続ｍ　！ｌとして採取される． メルトブローン法は高速気流の中に出口を有する紡糸孔
もしくはスリットから紡糸原料を吐出させ、繊維に．形
成する方法である．紡糸原料がピッチの場ゴ合．、・ス
リット状の高速気流の吐出孔の中に紡糸孔を一列に並べ
る方法、あるいは紡糸原料の吐出するスリットを設ける
方法、および孔状の高速気流の吐出孔の中に紡糸孔を１
個ないし数個設ける方法が知られている．紡出した繊維
はやはり平面的な受器の上に採取してマット状物を製造
する． 遠心紡糸法は紡糸原料を高′速回転するポットがら遠心
力によって散布して液流化し、固化して繊維とする方法
である．紡出した繊維はやはり平面的な受器の上に採取
してマット状物を製造する．メルトプローン法および遠
心紡糸法の場合、嶌られる繊維は連続繊維であることも
、不定長の短繊維であることもある．不定長の短繊維と
は、刃物等により切断された繊維ではなく、紡糸時に形
成された繊維長数一ないし数十一髄の短繊維であり、概
して広い繊維長分布を有するものである．このようにし
て得られたピッチ繊維のマット状物は、常法により不触
化および炭化を行い、炭素ａｌ　２Ｍのマツ．トとする
．炭化は加工性の良い状態で加工す゛るためｉこ炭化温
度５００〜８００℃で実施することも可能であり、導電
性を改良するために炭化温度１７００℃以上で実施する
ことも可能である．本発明の炭素繊維複合体に用いられ
る炭素１！！維のマット状物は、高密度がＯ．ＯＯ１〜
Ｏ−３ｇ／ｃｍ３のものである．高密度は多孔質の受器
の上にピッチ繊維を採取する際の、受器背面からの吸引
の強さ、および不融化、炭化時のマットに加えられる圧
力、およびマットに加えられる絡合処理によって変化す
る．高密度がＯ．ＯＯ１ｇ／ａｓ’以下のものは気流や
静電気等により変形し易く、，取り扱いが難しいので好
ましくない．高密度が０．３ｇ／ｃ一以上の物は含浸後
の加熱処理による体積の増大が小さく、軽量の炭素繊維
複合体が得られ難い．高密度は好ましくは０．００３　
〜０．１ｇ／ａｓ’である．マット状物に含浸するマト
リックス成分はフィラー、安定剤、触媒等の添加物を含
めて炭素繊維複合体の２５〜９５重量％である．マトリ
ックス戒分が２５％以下の場合には炭素ａ維マットに均
一に含浸すること，が難しいので好ましくない．また９
５％以上の場合、加熱処理による体積の増大を行う際に
流れて低い部分に移動し、高密度に大きな変動を生じる
ので好ましくない．このようなマトリックス成分の流れ
を止めるような条件で処理した場合は、体積の増大が困
難である．マトリックス戒分は好ましくは炭素ｌ１維複
合体の３５〜９０重量％である． 含浸後のシート状物の加熱処理による見掛けの体積の増
大は、１．２倍以上好ましくは１．５〜３０倍である．
また増大後の体積は含浸前の体積の８０％以下であるこ
とが好ましい．加熱処理の温度は含浸温度より高く、マ
トリックス戒分の流動性が良好な温度であれば良い．マ
トリックス成分としては熱可塑性樹脂もしくはピッチ類
が、このような温度条件を広く取ることが出来るため好
ましい．熱可塑性樹脂としてはポリエステル、ボリアミ
ド、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリエチレン、
ボリブロビレン、ボリスチレン、ボリアセタール、ボリ
フエニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン等
．が用いられる．これにはマイ力、タルク，シ゛リカ等
のフィラーや発泡剤、顔料等を添加することが可能であ
り、また２種類以上の樹脂の混合も可能である． マトリックス成分として、熱硬化性樹脂を使用する場合
、得られた炭素繊維複合体を概して高い温度で使用する
ことができる利点がある．また多くの熱硬化性樹脂では
、炭化の際に難黒鉛化炭素を生成するため、ピッチとは
異なる性能の炭素炭素繊維複合体の原料とすることがで
きる．熱硬化性樹脂としてはフェノール樹脂、メラミン
樹脂、エリア樹脂、エボキシ樹脂、ポリイミド樹脂、熱
硬化性ポリエステル樹脂、熱硬化性ポリウレタン樹脂等
が用いられる．この中でもフェノール樹脂のノボラック
やポリイミド樹脂のように硬化前の樹脂が熱熔融性であ
るものは、本発明による軽量炭素ＩＩ１雄複合体の製造
に好適である．熱硬化性樹脂を使用する場合には、複合
体の体積を増加させる処理を、熱硬化が高速で進行する
温度よりも低温で行う必要がある． とくに軽，ｊＥ化を必要とする場合には、フイラーとし
て中空部を有するものを使用することができる．中空部
を有するフイラーとしては、ガラスバルーン、シラスバ
ルーン、バーミキュライト、あるいは発泡した黒鉛等が
用いられる． 炭素繊雑マットに対するマトリックスの含浸は、樹脂も
しくはピッチの粉末とマットとの積層加熱による方法、
マトリックス戒分の熔融物の直接含漫による方法、マト
リックス威分を溶剤に溶かしてマット状物に含浸し、乾
燥等により溶剤を除去する方法により実施する． 本発明の炭素繊維複合体の製造の際の、見掛けの体積を
増大する条件での加熱処理は、好ましくは型の中で行わ
れ、型の内形に応じた形状に成形することが好ましい．
これによりある程度の範囲の形状の成形物が得られるほ
か、成形物の高密度も適当な値に制御することができる
．成形物は平板，曲板、波板、Ｌ字棒、Ｕ字棒、半球殻
等の形状が可能である． 見掛けの体積を増大する処理の後は冷却しても体積の減
少．は極めて少なく、多孔化した複合体が得られる． （ホ）作用 本発明の複合体の原料である炭素繊維の連続繊維もしく
は不定長の短繊維のマット状物は、ピッチの溶融紡糸の
際に比較的高密度が小さい状態で安定に堆積させ，゜不
融化、炭化することが可能である． このような高密度が小さいマット状物に、樹脂あるいは
ピッチ類を加圧下において含浸させた後、より高温かつ
低圧の状態で繊維形態を回復させて繊維の間隙に周辺気
体を侵入させ、高密度を低下させる．繊雄形態の回復は
炭素１！維の持つ形状記憶効果によるものと推定される
． （へ〉実施例 次に、実施例により本発明を更に具体的に説明する． 実施例　１ 軟化点２８５℃、光学異方性分率１００％の石油系ピッ
チを原料としてメルトブローン法により得た、目付１６
０ｇ／＠”の炭素繊維マット状物と、厚さ１９０ＩＪｍ
のｐＢＴフィルムを原料とし、繊維複合体の成形を行っ
た． 炭素繊維マット５枚とＰＢＴフィルム６枚を交互に積層
し、２８０℃のプレスに挟んで実質的に無荷重で７分間
予熱し、１２０ｋｇ／ｃｍ２の加圧下に１分間のプレス
成形を行い、厚さ２．４ｍ一の積層板を得た．この積層
板をホットプレスの間隔を開いて７分間放置し、間隙い
っぱいまで膨張させた後、冷却プレスに移して冷却して
低密度の成形体を得た．ホットプレスの間隙を開いた割
合（膨張率）と得られた成形体の性能を表ｌに示す．な
おいずれの成形体も眉間剥離はなく、良好であった．表
１ 膨張率と４形体の性能 実施例　２ 実施例ｌと同様のピッチから得た、目付５０ｇ／ｏ＋”
の炭素繊維マット６枚、厚さ２２μ論の熱可塑性ポリウ
レタンのフィルム７枚を交互に積層して、１９０℃のプ
レスに挟んで８分間予熱した後、３０ｋｇ／ｃｅｅ”の
加圧を８分間行うことにより繊維間に樹脂を含浸させた
．このシート状物を一旦冷却した後、２２０℃の加熱炉
中で厚さ３．０ｍ＋ｍの隙間の中で約４．０倍に膨張さ
せた後、冷却し成形物を得た．得られた成形体の性能，
を表２に示す． 使用したポリウレタンは（株）クラレ製造のポリエステ
ル系ポリウレタン「クラミロンＵ」である．表中のポリ
ウレタン種類を示す番号は型番である． 表２　ポリウレタン系の炭素繊維複合体の性能実施例　
３ 実施例１のＰＢＴ樹脂フィルムのかわりに、軟化点２９
０℃のメソフェースピッチの粉末を用い、同様にして，
加熱プレスして炭素繊維マットに含浸した後゛、・加熱
処理して体積を膨張させ、空気酸化によりピッチを不融
化し、炭化したものは炭素炭素繊維複合体として優れた
嵩高さと、形態安定性を有していた． 実施例　４ 実施例１のＰＢＴ樹脂フィルムのかわりに、ノボラック
樹脂をメタノール溶液で室温で加圧含浸し、６０℃で水
分およびメタノールを乾燥させながら膨張させた． このフェノール樹脂複合体は、さらに１６０℃６０分間
熱処理して樹脂を硬化させたところ、すぐれた軽量性、
形態安定性を示した． またこのフェノール樹脂複合体を１４００℃の不活性雰
囲気中で熱処理し、炭化させたものは、炭素炭素ａｍ複
合体として優れた嵩高さと、形態安定性を有していた． （ト）発明の効果 本発明の複合体は弾性率が大きく、熱膨張率が極めて小
さい炭素繊維によって強化されているため、寸法安・定
性が優れており、断熱材、軽量楕遣材、吸．゛音材、衝
撃吸収材として良好な性能を有する． 本発明の複合体は自己潤滑性の材料である炭素繊維を主
成分とするため、使用する樹脂の選択あるいは樹脂もし
くはピッチの炭化により、摺動材もしくはパッキング材
として使用することができる． 本発明の複合体は含有する炭素ｍＩｉの炭化程度を変え
ることにより、導電性材料にもあるいは絶縁性材料にも
することができる．導電性材料としては電磁波遮蔽材、
制電ライニング材あるいは静電気除去用のエレメント等
に使用できる．絶縁性材料としては、電線被覆材等に使
用できる．本発明の複合体のうち、樹脂もしくはピッチ
成分を炭化させたものは、優れた導電性と耐熱性を有し
、また優れた化学的安定性を有するため、高温断熱材、
燃料電池等の電極材料、高温で使用されるフィルター材
料等に使用される．

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素繊維５〜７５重量％を含有し、残余の主成分
   が熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂もしくはピッチ類
   であり、気孔率が３０〜９８容積％であることを特徴と
   する炭素繊維複合体。
2. （２）請求項１記載の熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹
   脂もしくはピッチ類を炭化させたものであることを特徴
   とする炭素繊維複合体。
3. （３）請求項１ないし２記載の炭素繊維がピッチ系のも
   のであることを特徴とする炭素繊維複合体。
4. （４）請求項１ないし３記載の炭素繊維が連続繊維もし
   くは不定長の短繊維であることを特徴とする炭素繊維複
   合体。
5. （５）高密度０．００１〜０．３ｇ／ｃｍ＾３の炭素繊
   維のマット状物に、熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂
   もしくはピッチ類を２５〜９５重量％の含有率になるよ
   うに含浸させた後、該含浸に使用した圧力よりも低い圧
   力下に、含浸後のシート状物が見掛けの体覆を１．２倍
   以上増大する条件で加熱処理することを特徴とする請求
   項１ないし２記載の炭素繊維複合体の製造方法。
6. （６）請求項５記載の見掛けの体積を増大する条件での
   加熱処理を、体積の増大を規制する間隙の中で行うこと
   を特徴とする高密度の調節された板状の炭素繊維複合体
   の製造方法。
7. （７）請求項５記載の見掛けの体積を増大する条件での
   加熱処理が、型の中で行われ、型の内形に応じた形状に
   成形することを特徴とする炭素繊維複合体の製造方法。
8. （８）請求項５ないし７記載の炭素繊維がピッチ系のも
   のであることを特徴とする炭素繊維複合体の製造方法。
9. （９）請求項５ないし７記載の炭素繊維が連続繊維もし
   くは不定長の短繊維であることを特徴とする炭素繊維複
   合体の製造方法。