CN1105210C - 遮光碳纤维及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有优良流动性和集束性的短碳纤维，及碳纤维强化复合材料制品的成形方法，其特征是付与浆纱剂的短碳纤维集合体，该集合体的构成单位短维束片的纤维长方向上每单位长度的平均重量为1.7～4mg/mm，而且，该纤维长方向的每单位长度的重量分布变动率为30～60%。

Description

遮光碳纤维及其制造方法
本发明是关于适用于将热可塑性树脂作基质的碳纤维强化树脂制造的短碳纤维及其制造方法，特别是关于将纤维数很多，总纤维度很大的碳纤维(所谓大丝束)作原料的短碳纤维及其制造方法。更详细讲，是关于作为短纤维强化树脂成形材料的强化材料，流动性、集束性等处理性极好的短碳纤维及其制造方法。
碳纤维强化树脂，由于强度、刚性、尺寸稳定性远远优于非强化树脂，所以广泛应用于办公设备和汽车等各个领域内。碳纤维的需求年年增长，从飞机、体育等高级用途向建筑、土木、能源有关的一般产业用途的需求转移，对于碳纤维要求很严，不仅仅其性能，就其降低价格已成为很大的课题。因此，近年来，随着价格趋于降低，已供应纤维数多，总纤维度大的碳纤维(束)。
作为碳纤维强化树脂的制造方法，有各种各样的方法，但最常用的方法是将切割成长度3-10mm的短碳纤维与树脂颗粒或树脂粉末一起用挤压机进行熔融混炼，再制成颗粒(把这个叫作复合工序)，再利用喷射成形将其制成成形品的方法。供给这种工序的短碳纤维，由于是定量地，而稳定地供给，所以通常是以浆纱剂进行集束的形态使用，这种用浆纱剂集束的短碳纤维，利用螺旋供料器，在自动计量下连续供入挤压机。
这时，特别重要的特性是流动性，当没有满足这个特性时，在极端情况下，在供料漏斗处形成堵塞，而不能进行加工。过去，在处理粉体领域内，都知道漏斗中粉体的流动性和摩擦系数，休止角、体积密度、形状因子等种种特性值之间有着密切相关关系。例如，摩擦系数越低、休止角越小、体积密度越高，其流动性越高，这早已明确。然而，短纤维的情况下，短纤维本身的形状因子对这些特性值的影响要大于粉体的情况。由于这个原故，例如，说说休止角的情况，受圆锥体大小的影响和堆积条件(落下高度、落下量的速度等)的影响当没有形成理想的圆锥形状时，根据受测定试料量影响等测定条件，其值也有很大不同。结果，实际状况是，虽然可以判定某种程度的特性值，但最终评价还必须用工业生产中的实际装置进行试验加以确认。
短碳纤维流动性和集束性的改进，可参照公知的粉体处理技术或极类似于短碳纤维的玻璃纤维技术，在特开平5-261729号公报和特开平5-261730号公报中提出了种种技术方案。短碳纤维的流动性，在短碳纤维粉体时相比，相当于粒径的尺寸极大，形状是棒状或薄片状，以及碳纤维中，对纤维数很少的纤维束进行合丝和进行处理玻璃纤维不同，因为是纤维数多，总纤维度大的纤维束，所以由它们获得的短碳纤维要比短玻璃纤维的流动性更低。因此，从高性能化和成本性能考虑，为了取代玻璃纤维短纤维，要求用现有设备，具有和玻璃纤维同等的加工性，而不招至降低生产性能。
然而，以前，短碳纤维是用纤维数1000～30000根左右的连续纤维作原料进行制造，但近年来，伴随着碳纤维费用的降低，制造比过去纤维数多，总纤维度大的纤维束的碳纤维，也就产生了要求用这些碳纤维作原料进行制造短纤维。
在制造纤维数多，总纤维度大的纤维束碳纤维时，由于去除烧成时的反应热要平稳进行，所以一般是在扁平形态下进行处理。
作为其结果，在将纤维数多，总纤维度大的纤维束碳纤维作原料制造短碳纤维时，这种碳纤维束是比过去扁平度更高的形态时，从浆纱剂易于从碳纤维束形态扁平一方浸透到丝条内部等理由考虑，当以和过去的纤维数1000～30000根的碳纤维束相同的加工方法制造短碳纤维时，制造时要提高扁平度。
另一方面，产生的问题是，当碳纤维束形成扁平形态时，形成的短碳纤维的流动性和集束性也很低。
当断面形状接近于圆形时，由于纤维束的体积密度增高，使浆纱剂难以浸透到纤维束内部，在集束性上产生不匀，进而，在复合工序中受到的剪切力很大，很容易使纤维束解纤，也很容易产生纤维球，而降低流动性，从复合工序的漏斗向挤压机输送时，也很容易引起堵塞等麻烦。
以前作为获得短碳纤维的方法是，首先将碳纤维(束)在浆纱剂中浸渍，接着，将在干燥工序中集束的碳纤维连续地或在其它工序中用切断机进行切割的方法。另一方面，切割玻璃纤维的方法是，向熔融纺丝的玻璃纤维付与浆纱剂，在湿润状态下进行切割，接着进行干燥的方法。根据这种玻璃纤维的切割方法，很容易以少量的浆纱剂就能获得高集束性短纤维，作为在碳纤维中采用这种方法的实例，在特开平5-261729号公报和特开平5-261730号公报中已有报导。然而，该公报中，切割的碳纤维束为12000根左右，却不是对纤维数多，总纤维度大的纤维束碳纤维进行处理的。另外，在上述短玻璃纤维中，付与浆纱剂工序中的纤维束是4000根，处理的不是粗纤维束。
本发明是关于主要供给碳纤维强化复合材料用的，流动性、集束性极好的短碳纤维。更详细讲是解决伴随着碳纤维成本的降低，将纤维数多，总纤维度大的碳纤维束作原料的必要性，以及由此而引起碳纤维束高度扁平，使短碳纤维的流动性和集束性降低的问题。
为了解决上述课题，本发明者们进行了大量研究，结果完成了本发明。
即，本发明的短碳纤维是付与了浆纱剂的短碳纤维集合体，其特征是陔集合体的构成单位短纤维束片的纤维长方向的每单位长度的平均重量为1.7～4mg/mm范围，而且，该纤维长方向的每单位长度的重量分布中的变动率为30～60％。
本发明的短碳纤维的最好的制造方法，其特征是是对纤维数为20000～150000根范围的连续碳纤维束，付与含有水分散系浆纱剂的浆纱剂，填充密度控制在5000～20000D/mm的范围内，而且，切割时是在含液量为10～35(重量)％湿润状态下切割碳纤维束，接着，以干燥前的含液量为15～45(重量)％的状态，在振动下进行干燥。
图1是实施例2中的特性评价结果示意图。
图2是实施例3中的特性评价结果示意图。
图3是比较例1中的特性评价结果示意图。
本发明中，虽然使用了通常广泛使用的强度为2000～7000MPa、弹性率为150～500Gpa的碳纤维，但并不仅限于这种碳纤维。
本发明短碳纤维制造方法中使用的碳纤维束是单纤维旦尼尔数为0.3～2.0旦尼尔，最好是0.6～1.0旦尼尔，由纤维数20000～150000根合成的多维纤数碳纤维，可以使用每1m具有0～10次捻数的碳纤维。碳纤维的供给方法是从碳纤维制造工序直接供入到本发明短工序中的方法，或者供给一次卷绕的纤维束的方法。因此，可使用无捻，或加捻的，根据需要适当决定。
这时，作为加捻方法，除了使用动力机械旋转筒管强制性加捻的方法外，也包括由筒管以纵取进行解舒时产生的解舒加捻。解舒加捻时也包括从筒管外侧引出的外引(アウトサイドプル)方式，和从筒管内侧引出，所谓内引(インサイドプル)方式等。根据工艺，为改善操作，也可以使用一次付与0.1～2.0(重量)％的浆纱剂，并进行干燥的碳纤维束作短碳纤维的原料。
本发明中使用的浆纱剂，若是付与集束性，可用热硬化性树脂、热可塑性树脂中任何一种。例如，聚氨酯树脂、环氧树脂、聚氨酯变性环氧树脂、环氧变性聚氨酯树脂、聚酯树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂，聚碳酸酯树脂、聚酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、二马来酰亚胺树脂、聚磺酸树脂、聚醚磺酸树脂、聚乙烯醇树脂、聚乙烯吡咯烷酮树脂、聚丙烯酸树脂、或这些树脂的单一树脂或混合物。这些树脂可以作为水分散液或水溶液使用。也可以在水分散液或水溶液中掺入若干溶剂。
这些树脂中，制成薄膜状测定薄膜时的拉伸弹性率，为1～30MPa的聚氨酯树脂特别好。聚氨酯树脂是能使碳纤维具有优良集束性能的树脂，最好对薄膜弹性率进行规定。当薄膜弹性率不足1MPa时，提高集束性的效果很小，当超过30MPa时，从复合工序的漏斗送入挤压机进行预定搅拌时，很容易碎裂开纤，造成很多麻烦。
所谓薄膜拉伸弹性率是将水系聚氨酯浆纱剂液薄薄地涂抹在板上，以此状态在室温下干燥24小时，80℃下干燥6小时，再在120℃下干燥20分钟，得到厚约0.4mm、宽10mm、长100mm的薄膜，以200mm/分的速度进行拉伸试验，以MPa表示伸长度达100％时的应力。
本发明中，浆纱剂最好是环氧树脂。环氧树脂是和基质树脂的粘合性和耐热性非常好的浆纱剂。环氧树脂单独使用很好，但为了提高短碳纤维的集束性，最好是和聚氨酯树脂合用。
本发明中，浆纱剂也可以是丙烯酸树脂。丙烯酸树脂作为浆纱剂，和环氧树脂一样，与基质树脂的粘合性和耐热性都非常好。这种丙烯酸树脂可单独使用，也可和聚氨酯树脂或环氧树脂合用。
进而，为了进一步提高短碳纤维的集束性，添加0.05～3(重量)％的像硅烷偶合剂一类的反应性浆纱剂非常有效。
本发明中所谓聚氨酯树脂可通过二异氰酸酯和具有异氰酸酯基和反应性氢原子的化合物多元醇的加成聚合而获得。
作为二异氰酸酯，例如有甲次苯基二异氰酸酯、萘二异氰酸酯、亚苯基二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、苯二甲基二异氰酸酯等芳香族二异氰酸酯、1-1-6六甲基二异氰酸酯、己烷二异氰酸酯等脂肪族二异氰酸酯等。
作为多元醇，第一多元醇是在乙二醇、丙二醇、丁二醇、丙三醇、己二醇、三羟甲基丙烷、季戊四醇等多价醇上，加成聚合乙烯氧化物、四氢呋喃等环氧化物中的1种或2种以上，在其末端具有羟基的聚醚多元醇，和像间苯二酚、双酚一类多价酚类的环氧化物加成聚合物、琥珀酸、己二酸、富马酸、马来酸、戊二酸、壬二酸、苯二酸、对酞酸、大麻酸、苯均四酸等多碱性羧酸类的环氧化物加成聚合物等。
第二多元醇，作为聚酯多元醇可使用像多价醇和多碱性羧酸的缩聚物、羟基羧酸和多价醇的缩聚物等，作为多价醇、多碱性羧酸可使用上述的。
第三多元醇，作为聚酯醚多元醇，有将在上述聚酯上加成聚合环氧化物的聚醚，用多碱性羧酸进行缩聚，在其末端上具有羟基的聚酯聚醚等，进而作为上述多元醇成分，在分子中含有具有聚碳酸酯骨架的聚碳酸酯多元醇的聚碳酸酯系聚氨酯树脂等。
作为环氧树脂，最好是将胺类、酚类等作前躯体的环氧树脂。
具体有，作为将胺类作前躯体的环氧树脂，有四缩水甘油二胺二苯甲烷、三缩水甘油对氨基酚、三缩水甘油间氨基酚、三缩水氨基甲酚。
作为将酚类作前躯体的环氧树脂，有双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、酚酚醛树脂型环氧树脂、甲酚酚醛树脂型环氧树脂，间苯二酚型环氧树脂。
环氧树脂几乎是不溶于水的，因此作为水分散系使用。这时，高分子量的环氧树脂和低分子量的环氧树脂合用时，可提高分散稳定性。进而付与浆纱剂以提高纤维的柔软性，最好形成工序通过性。具体讲，环氧树脂的分子量，以表双型(エピビスタイプ-)，为300～500的液状环氧化合物和分子量为800～2000的固体状环氧化合物，分别以重量比50∶50～5∶95进行配比。液状环氧过多时，集束性和耐热性降低。
作为丙烯酸树脂，主成分是丙烯酸酯系，甲基丙烯酸酯系等聚合物，也包括它们变性物，但对此没有特殊限定。具体讲有日本アクリル化学社制的普列麦尔(Primal)HA-16、HA-8、E-356等。
本发明中付与浆纱剂的方法，可通过如下方式付与浆纱剂，即，一边移动碳纤维束，一边在浆纱剂液中进行浸渍的浸渍方式，或者使附着在辊筒表面上的浆纱剂液与移动的碳纤维束接触的轻触辊筒方式，或者，通过在碳纤维移动的导轨接触部分上设置的孔或狭缝的导板送出浆纱剂液；付与导板的给油方式。从含液率的控制性和控制纤维束形态考虑，导板给油方式特别好。作为导板，通过由没定孔或狭缝进行定量排液，可以很容易地控制在所设定的含液率，利用导板的宽度可以稳定进行控制纤维的宽度。这时，可设置1个或2个以上导板，付与扁平状碳纤维束的单面或双面上。付与后，为了很容易地使表面浆纱剂液浸透到纤维束内部，利用辊筒一边刮浆一边移动。从付与浆纱剂液开始，若滞留10秒钟以上，可很容易地浸透到纤维束内。
含液率的最佳控制方法是使用喷孔的方法。是将碳纤维在浆纱剂液中浸渍后，通过规定直经的喷孔来确定含液量的方法。此时，喷咀孔经最好是用喷咀孔面积(cm2)除由碳纤维的目付(g/m)和比重计算的碳纤维束截面积(cm2)所得的值0.4～0.7。利用该方法时，一旦浆纱剂液附着量很多时，可以除去多余的量，同时能使浆纱剂液均匀地浸入到纤维束内部。
作为其它控制含液率的方法，有使用轧辊付与浆纱剂液，扭绞碳纤维束的方法，和一旦附着在丝束上的浆纱剂液很多时，利用由喷孔喷出的压力空气吹散的方法等。
含浸了浆纱剂液后，直到切割，纤维束的张力和形状，特别是纤维束的宽度控制，由于影响到短碳纤维的流动性和集束性。所以非常重要。为此，配置各种导板、沟状辊筒等，在5000～20000D/mm范围内，调整到目标填充密度后，再进行切割。填充密度是用纤维束宽(纤维轴和直角方向的长度(mm)除纤维束的总纤度(D)所得的值。
本发明中，向碳纤维束付与浆纱剂，必须使碳纤维的填充密度定为5000～20000D/mm的范围。碳纤维的填充密度不足5000D/mm状态下，即使控制含液量，由于受填充密度支配，难以得到很高的集束性。在超过20000D/mm状态下，当付与浆纱剂液时，由于液体要充分浸透到纤维束内部而需要时间，在连续加工中，很容易产生含浸不均匀，降低集束性。
本发明中由于切割时的含液率和干燥前的含液率不同，分别为10～35(重量)％、15～45(重量)％，所以在各个工序中的加工性和最适宜含液率的关系也不同。即，切割时的含液率，切割时由剪切力(解纤作用)使纤维束形成细分断化，作为极端情况，当分断成单纤维时，要防止短纤维附着到切割器的刀刃上。另一方面，供干燥时的含液率，由于液体表面张力的作用会提高纤维束的集束性，含液量越多，表面张力越大，干燥后的集束性越高。
根据上述理由，用切割器将湿润丝切割成短碳纤维时的含液率。可控制在10～35(重量)％的范围内。最好是15～25(重量)％范围内。超过35(重量)％时，短碳纤维相互间粘连在一起，使流动性变坏，切割时附着在切割器的刀刃上和辊筒上，在切割过程中很容易引起麻烦。当含液率不足10(重量)％时，切割过程中的切割力很容易分散碳纤维束，所以很不理想。接着，干燥前的含液率必须控制在14～45(重量)％范围内。最好是25～35(重量)％之间。超过45(重量)％，干燥加成变得很大，存在污染干燥机的问题。低于15(重量)％时，集束性降低。
本发明的特征也着眼于湿润丝切割后的水或追加付与浆纱剂液时，水进行蒸发时，能发挥集束效果。即，在远远低于10(重量)％的含水率下进行切割时，如上所述，由于切割器的剪切力，丝束很容易分散，难以得到集束性好的短纤维，切割后，干燥前，丝束中的水或追加付与浆纱剂液，通过干燥会得到集束性非常好的短碳纤维。此时，作为追加付与的，从费用考虑，水最适宜。此处所说的水系浆纱剂，是指水溶性浆纱剂或水乳液一类的，也可以含少量的有机溶剂。
本发明中，所谓含液率是浆纱剂液的重量对干燥后碳纤维重量的比。
此时浆纱剂液的浓度，像目标浆纱剂付着率那样必须进行设定，通常为0.3～10(重量)％。
作为切割湿润丝的方法，可以使用粗纱切割器等的旋转式切割器和通常使用的闸刀切割器。切割时，要随着在辊筒等旋转部件上，或用刷子等去除附着的切割纤维，最好是防止附着。切割时，通过选取适当范围的捻数、填充密度和含液率，以某种概率，在纤维轴方向上切割短碳纤维，可得到流动性的集束性都得到改善的短纤维。
本发明中，在将切割的短纤维进行干燥时，边施加振动，最好在流动状态下，边进行热风干燥。在烘炉内干燥湿润的短碳纤维时，通过施加振动，可防止切成扁平状的短碳纤维的纤维束片，相互间粘合在一起，同时，通过在纤维轴方向上进行切割，可形成扁平率很小的短碳纤维，富于流动性的形状。作为振动数，最好是5～25次/秒，振幅为3～10mm。为了确保流动性，也要适当考虑干燥速度。
这样制得的短碳纤维，在纤维轴方向上切割的结果，构成短纤维集合体的一个一个纤维束，即，短纤维束片的大小、重量或单纤维根数，都具有某种分布，平均值很小，流动性得到改善。
当将纤维来切割成长度为数mm时，根据制造方法，其形状有所不同，可成为圆柱状或平板状(薄片状)。特别是将粗纤维束作原料时，由于浆纱剂液的含浸工序、切割工序等加工上的制约，通常是形成平板状，特别是略成矩形有平板状。这种平板的扁平率越高，流动性越低，所以只能是希望形成扁平率小的形状。
根据本发明得到的短碳纤维，其优良的流动性和集束性，可根据本发明者们的技术见解进行说明。以下对该技术见解进行说明。
即，作为流动性和集束性的指标，不是单独使用体积密度或休止角，而是用休止角的正切值除体积密度得到的值，最适合作流动性的指标。然而，短碳纤维的休止角测定值，其问题是误差很大，进一步研究的结果可知是，用实际上和以休止角正切值除体积密度所得值同等物理量的W1 2/K.W2，可更准确地评价流动性。该值在特定的范围内，显示出特别好的流动性。
按如下数学式求出休止角的正切值除体积密度所得值，和W1 2/K.W2是同等物理量的值
体积密度＝W1/V1
V1：容积(此时为200cm3)
休止角＝tan-1(h/r)
h：堆积时，从底面到顶点的高度
r：测定台架的半经(此时为4cm)
测定台架上的短纤维重量为W2时，休止角如下所示。
W2＝(1/3)×π×r2×h×(W1×V1)
根据h＝r×tan(休止角)，所以tan(休止角)以下式表示。
tan(休止角)＝3W2V1/(πr3W1)
因此，用休止角的正切值除体积密度得到的值，如下
体积密度/tan(休止角)＝(W1×V1)/(3W2V1/(πr3W1))＝W1 2/K.W2
此处V1为200cm3、r为4cm时，
K＝3V1 2/(πr3)＝597
由于W2的测定精度高于休止角的测定精度，所以该值极实用作流动性的指标。
另外，关于休止角和体积密度的一段技术说明如下。
短纤维在漏斗中靠自身重量向下的流动性，取决于壁面和纤维束之间及纤维束相互之间的摩擦系数、自重产生的压力以及壁面上产生的截断应力。当截断应力达到摩擦力以上时，滑动开始，产生流动。截断应力和摩擦力都不是直接的，分别是近似于体积密度和休止角的物理量。过去一直将体积密度和休止角作短碳纤维的特性值用。
因此，体积密度是取决于构成短纤维付与了浆纱剂的密度和附着率的特性、碳纤维的密度和空隙率、休止角是取决于短纤维束片的大小、表面平滑性、吸湿性和形状等的特性，所以体积密度和休止角是原本独立变化得到的值，上述体积密度和休止角的关系是在限定条件下的现象。
通过将本发明的短碳纤维用作强化剂可制造出优良的碳纤维强化树脂。
这时，作为适用作基质的热可塑性树脂，可使用ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、聚乙烯对酞酸酯、聚丁烯对酞酸酯、聚醚酰亚胺、聚砜、聚醚聚砜、聚次苯氧化物、变性聚次苯氧化物、聚次苯硫化物、聚醚酮或这些树脂的合金等，几乎所有的热可塑性树脂。热可塑性树脂组合物一般由3～70(重量)％的上述集束处理的碳短纤维和97～30(重量)％的上述基质树脂形成。
以下根据实施例详细说明本发明
首先，对本发明中使用的测定方法进行说明。
[短纤维束片的重量求法]
程序1.对于由试料浆纱的100个碳纤维束片，用电子天秤称量到0.1mg，求出短纤维束片的重量，按既定方法求出平均值。
[短纤维束片的纤维长方向上，每单位长度原平均重量求法]
程序2.测定切割长度，用其平均值除程序1中求得的各个值，求短纤维束片的纤维长方向的每单位长度的平均重量。接着，按即定方法，求出变动率(CV值＝标准偏差/平均值)。
[短纤维束片的一边长度求法]
对进行重量测定的碳纤维束片，根据后述的画像处理，利用计算机测定投影面积和它的周长，用周长和程序2中求得的平均切割长度称出纤维轴方向和直角方向的边长。按既定方法，分别求出各个平均值和变动率。
[画像处理]
短碳纤维束片的宽形状的评价方法，为了更准确地测定，使用计算机画像处理进行。画像处理中使用的机器是Macintosh 7600/132、输入画像用的扫描器是EPSON G-6000。首先，对每一个纤维束片进行重量测定，并排放置在A-4纸上，测定N次为50～100。从其上喷雾浆糊，固定后、再贴付透明薄膜。这时，再贴付作基准用的涂有黑色的准确已知面积填补正方形。由于画像处理单位是峰单元(ピクヤル)，所以需要补正用的毫米空白(ブランク)。将这个装载在EPSON G-6000的画像处理器上，再输入存贮到Adobe PhotoshopTM3.0J软件中。接着解析NlHimage1.55软件上的画像。由于不是单纯解析宽度的软件，用峰单元求出Perimeter/Length下的周长，以补正用中贴付的某尺寸对毫米单位进行补正。从该补正值，减去切割长度的二边，再用分割时，可画像解析一边宽的大小。以这种画像处理进行评价的方法，虽然也考虑其它方法，即使是其它方法，若和本方法比较，没有特殊问题。
在计算流动性指标中所必须的W1、W2测定，按如下进行。
[W1 2/K.W2的求法]
(1)W1的测定：在500cc量筒中装入200cc的短纤维束、从3cm的高度下落10次后，读取量筒内短纤维束的最上部刻度，求出体积，以比例计算求出下落填充后体积为200cc的重量，将该重量定为W1(g)。
(2)W2的测定：从直径8cm、高5cm的干净水单测定台中心处，每次少量单滑落下试料，从测定台洒落试料，在其上进行堆积时的测定台上的试料重量定为W2(g)。边保持测定台面上或从堆积试料最上部1～2cm的高度，边进行试料下落。
(3)按既定方法算出W1 2/K.W2。
[集束性的评价]
以强制搅拌试验进行。即，在1000cc烧杯中装入200cc碳短纤维，用搅拌机以100rpm搅拌30分钟，以上述方法测定算出体积密度，当达到0.4g/cm3以下时，判定为集束性不好的方法。
[流动性的评价]
利用试机试验，若计量性不稳定，判定为流动性不好。所谓好的计量性，是说成形品的纤维含有率能稳定地控制在所希望值内。
实施例1
将纤维数70000根、总纤度49500D、付与1.5(重量)％的作为1次浆纱剂的环氧系浆纱剂(将双酚Aジグルシジル醚油化シエル制EP828和EP1001的等量混合物，用乳化剂进行分散的)干燥后，卷成筒管的目付为5.5g/m，实际无捻的碳纤维束，以15m/分的速度引出，导入含纯成分5％的薄膜100％拉伸弹性率为1.5Mpa的聚氨酯系水分散系浆纱剂溶中，付与浆纱剂液，之后，用孔经2.6mm的喷咀进行扭绞，调整含液率为30％，纤维束宽8300D/mm，再将这种纤维导入到粗纱切割机内，切割处理成长6mm。接着，将这种含液30％的短纤维在多孔的金属网上。以振动数16次/秒、振幅6mm，边振动，边在190℃下干燥5分钟，得到浆纱剂附着率为3.2(重量)％的短纤维。使用这种纤维，以漏斗容量为0.3m3的挤压机进行加工性试验，可以良好的流动性，进行计量性完全没问题的加工。结果示于表1。
实施例2
将纤维数70000根、总纤度49500D、付与1.5(重量)％的作为1次浆纱剂环氧系浆纱剂(将双酚Aジグルシジル醚的油化シエル制EP828和EP1001的等量混合物，用乳化剂进行水分散的)、干燥后卷成筒管的目付为5.5g/m，实际无捻的碳纤维束，以15m/分的速度引出，边与具有宽10mm，长100mm沟的导板给油装置接触。边以2kg张力移动。由这种导板给油装置的给油缝隙，以含液率30(重量)％计量供给浆纱剂，向碳纤维付与实施例1的浆纱剂。接着，以不规则并排的5个辊筒施加刮浆后，将纤维束宽调整为8300D/mm，再导入粗纱切割机，切割成6mm长。接着将这种含液率30％的短纤维，在多孔金属网上，以振数16次/秒、振幅6mm，边振动边在190℃下干燥5分钟，得到付与3.2(重量)％浆纱剂的短光纤维。用这种纤维，以漏斗容量0.3m3的挤压机进行加工性试验，可获得流动性良好，计量性完全没问题的加工。结果示于表1。短纤维束片的重量和宽度分布示检图1。
实施例3
除了将干燥下的振动条件改为振动粉16次/秒，振幅3mm外，在和实施例2相同的条件下进行实施、得到短纤维。使用这种纤维，以漏斗容量0.3m3的挤压机进行加工性试验，尽管流动性稍稍低于实施例2，但是计量性完全没问题的加工。结果示于表1。短纤维束片的重量和宽度分布示于图2。
实施例4
将纤维数70000、总纤度49500D、付与1.5(重量)％的作为1次浆纱剂环氧系浆纱剂(将双酚Aジグルシジル醚的油化シエル制EP828和EP1001的等量混合物用乳化剂进行水分散的)，干燥后卷成筒管的目付5.5g/m，实际无捻的碳纤维，以15m/分的速度引出，边与具有宽10mm，长100mm沟的导板给油装置接触。边以2kg张力移动。由这种导板给油装置的给油缝隙，以含液率20(重量)％计量供给浆纱剂，向碳纤维付与实施例1的浆纱剂液。接着以无规则排列的5个辊筒施加刮浆后，将纤维束宽调整为8300D/mm，再导入粗纱切割机切成6mm长。接着在开口的的金属网上扩散切丝后，用喷雾器向切丝上喷水，和预先付与的浆纱剂液合并形成30(重量)％的含液率。接着以和实施例2相同的方法进行干燥，得到付与3.5(重量)％浆纱剂的短纤维。使用这种纤维以漏斗容量0.3m3的挤压机进行加工性试验，可在计量性完全没有问题下加工。结果示于表1。
实施例5
除了使用不付与浆纱剂的碳纤维外，其它和实施例4相同的方法，得到浆纱剂附着率为1.5(重量)％的短碳纤维。使用这种纤维以漏斗容量0.3m3的挤压机进行加工性试验，和实施例4一样几乎没有变化，加工性不存在问题。
实施例6
除了用导板给油装置付浆纱剂是丙烯酸树脂(日本アクリル化学社制的プライスルHA-8)外，在和实施例2相同的条件F，得到浆纱剂附着率为3.3(重量)％的短纤维。使用漏斗容量300l的挤压机将这种纤维与萘树脂进行混合，漏斗内的流动性很好，计量性方面不存在问题。结果示于表1。
比较例1
在实施例2中，除了不振动进行干燥外，其它以和实施例2相同的条件进行实施，得到短纤维。使用这种纤维以漏斗容量0.3m3的挤压机进行加工性试验时，流动性很差，常常引起堵塞，加工性很不稳定。结果示于表1。短纤维束片的重量和宽度分布示于图3。
比较例2
在实施例2中，除了将纤维束宽度调整为3300D/mm外，其它以和实施例2相同的条件进行实施，得到短碳纤维。使用这种纤维以漏斗容量0.3m3的挤压机时行加工性试验时，流动性很低，完全不能加工，结果示于表1。
实施例7
实施例2中除了将纤维束宽度调整为5800/mm外，其它以和实施例2相同的条件进行实施，得到短碳纤维。使用这种纤维以漏斗容量0.3m3的挤压机进行加工性试验时，流动性比实施例2稍低，计量性不存问题可以加工。结果示于表1。
实施例8
实施例2中除了以切割时和干燥前的含液率为35(重量)％进行计量供给浆纱剂外，其它以和实施例2相同的条件进行实施，得到短纤维。由于碳纤维切割片在切割时附着在刀刃上，所以必须安装清除附着碳纤维的刷子，以确保切割工序的加工性。使用这种纤维以漏斗容量0.3m3的挤压机进行加工性试验时，流动性很好，计量性完全没有问题，可以加工。结果示于表1。
实施例9
在实施例2中，除了以切割时和干燥前含液率都为20(重量)％进行计量供给浆纱剂液外，其它以和实施例2相同的条件进行实施，得到短纤维。切割时碳纤维切割片不向刀刃附着，切割工序的加工性极好。使用这种纤维，以漏斗容量0.3m3的挤压机进行加工性试验时，流动性比实施例5稍低，计量性没有问题，可以加工。结果示于表1。
比较例3
将纤维数70000、总纤度49500D，付与1.5(重量)％1次浆纱剂环氧系浆纱剂(将双酚Aジグルシジル醚的油化シエル制EP828和EP1001的等量混合物用乳化剂进行水分散的)的，干燥后卷成筒管的目付为5.5g/m，实际无捻的碳纤维束，以15m/分的速度引出，一边与具有宽10mm，长100mm沟的导板给油装置接触。一边以2kg张力移动。以切割时含液率为10(重量)％，从该导板给油装置的给油缝隙计量供给纯成分为10(重量)％的浆纱剂液，向碳纤维付与实施例1的浆纱剂。接着，用不规则并列的5个辊筒进行刮浆后，将纤维束宽调整为8300D/mm，再导入粗纱切割机切成6mm长。接着，将该含液率10％的短纤维在多孔金属网上，边以振动数16次/秒、振幅3mm振动，边在190℃下干燥5分钟，得到浆纱剂附着量2.4％的短纤维。使用这种纤维以漏斗容量0.3m3的挤压机进行加工性试验时，流动性很低，完全不能加工。结果示于表1。当采用和实施例1相同的干燥条件时，存在的问题是产生一部分单纤维状，而向系统外飞散，加工性差。
表1
No        切割前   干燥前     干燥                  短纤维集合体的评价结果 流动性 集束性
  含液量％   充填密度KD/mm   含液量％     振幅mm     平均重量mg变动率(％) A*(mg/mm)变动率 B*(％)  C*(％) D*(mm)(变动率) E*
实施例1   30   8.3   30     6     12.8(50％) 2.1(50％) 4  4 3.2(34％) 0.8 良 良
2   30   8.3   30     6     12.9(50％) 2.2(50％) 3  5 3.2(35％) 0.8 良 良
3   30   8.3   30     3     24(51％) 4(51％) 4  9 5.4(32％) 0.7 良 良
4   20   8.3   30     6     13.3(50％) 2.5(50％) 4  7 4.3(32％) 0.8 良 良
6   30   8.3   30     6     20(50％) 2.3(53％) 3  5 4.5(35％) 0.6 良 良
比较例1   30   8.3   30     0     27(47％) 4.5(47％) 2  6 6.5(29％) 0.45 不良 良
2   30   3.3   30     6     4.9(58％) 0.8(58％) 12  6 2.5(43％) 0.4 不良 不良
实施例7   30   5.8   30     6     10.4(57％) 1.7(57％) 8  5 3.8(37％) 0.53 良 良
8   35   8.3   35     6     17.9(46％) 3(46％) 4  3 4.0(31％) 0.85 良 良
9   20   8.3   20     6     11.2(52％) 1.9(52％) 4  4 2.8(37％) 0.75 良 良
比较例3   10   8.3   10     3     9.6(63％) 1.6(63％) 7  14 2.4(46％) 0.37 不良 不良
A：纤维长方向上每单位长度的平均重量
B：短纤维束片的重量为平均重量2倍以上的个数与总个数的比率
C：短纤维束片的重量为平均重量1/3以下的个数与总个数的比率
D：短纤维束片的一边平均长度
E：W1 2/(597×W2)
比较例4
实施例1中，除了将切割时和干燥前的含液率定为45(重量)％外，其它以和实施例1相同的条件进行实施时，短纤维大量地附着在切割机的刀刃上，经常产生错位切割，得不到所希望的短碳纤维。
比较例5
实施例4中，除了由导板给油装置付与浆纱剂液、切割时含液率为7(重量)％，用喷雾器向遮光纤维喷水，与预先付与的浆纱剂液合并使干燥前的含液率为40(重量)％外，其它以和实施例4相同的条件进行实施，由于切割的冲击，细切割的短纤维束，在干燥时产生相互粘在一起的短碳纤维。使用这种纤维以漏斗容量0.3m3的挤压机进行加工性试验，流动性不稳定，供给稳定性存在问题。

Claims (14)

1.一种短碳纤维，其特征是，是付与浆纱剂的短碳纤维集合体，该集合体的构成单位，短纤维束片的纤维长度方向上，每单位长的平均重量为1.7～4mg/mm的范围，而且该纤维长度方向上每单位长的重量分布变动率为30～60％。
2.根据权利要求1中记载的短碳纤维，其特征是短纤维束片的重量，是平均重量2倍以上的个数和1/3倍以下的个数，对总个数的比率分别低于10％。
3.根据权利要求1或2中记载的短碳纤维，其特征是短纤维束片的横截面形状，略呈矩形，它的一边长度有分布，平均值为1.5～6mm的范围，变动率为25～40％之间。
4.根据权利要求1或2记载的短碳纤维，其特征是浆纱剂是单独以聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂或它们的混合树脂作为主要成分。
5.根据权利要求3记载的短碳纤维，其特征是浆纱剂是单独以聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂或它们的混合树脂作为主要成分。
6.根据权利要求1～3中任一项记载的短碳纤维，其特征是具有下述特性。
0.5≤W1 2/(K.W2)≤1.5
K：常数＝597
W1：在容积200cc的容器中填充时的重量(g)
W2：在直径8cm的平滑不锈钢制测定台上可堆积的最大重量(g)
7.一种制备权利要求1的短碳纤维的方法，其特征是在纤维数20000～150000根的连续碳纤维束上，付与含有水分散系浆纱剂的浆纱剂，填充密度控制在5000～20000D/mm之间，而且切割时，在含液量为10～35(重量)％的湿润状态下，对碳纤维束进行切割，接着，在干燥前含液量为15～45(重量)％状态下，在振动下进行干燥。
8.根据权利要求7中记载的短碳纤维制造方法，其特征是切割时、干燥前，含液率都为15～35(重量)％。
9.根据权利要求7记载的短碳纤维制造方法，其特征是切割时在含液量10～30(重量)％的湿润状态下，对碳纤维束进行切割，接着干燥前在短纤维束上追加付与水或浆纱剂液，使干燥前的含液量为25～45(重量)％。
10.根据权利要求9中记载的短碳纤维制造方法，其特征是在干燥前，对短纤维束追加付与浆纱剂液，可通过喷雾进行。
11.根据权利要求7中记载的短碳纤维的制造方法，其特征是使付与了浆纱剂液的连续纤维束通过喷孔控制含液率。
12.根据权利要求7中记载的短碳纤维的制造方法，其特征是通过导板供给浆纱剂液，由导板给油，是在连续碳纤维束上付与浆纱剂。
13.根据权利要求7～12中任一项记载的短碳纤维制造方法，其特征是对浆纱剂液呈湿润状态，切割的短纤维束片，边以5～25次/秒的范围振动，边进行热风干燥。
14.根据权利要求7～13中任一项记载的短碳纤维制造方法，其特征是在直接切割前的浆纱剂液呈湿润状态的碳纤维束的填充密度为8000～15000D/mm的范围。
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