JP2004019055A - Carbon fiber and thermoplastic resin composition - Google Patents

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Haruo Ohara
尾原 春夫
Soichi Ishibashi
石橋 壮一
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a resin composition having high electroconductivity, moldability of a thin film (fluidity or the like at molding), quality of appearance and mechanical characteristics; and to provide a molded product of the resin composition. <P>SOLUTION: The carbon fiber has a bulk resistance within a range of 1.0-8.0 Ω when measured after 2 min from the start of the measurement of an electric resistance of a carbon fiber assembly obtained by packing 50 g assembly of the carbon fiber cut into 6 mm length in a cylindrical container and compressed by loading 50 N load thereon. The cylindrical container is a nonconductive container having the bottom part made of a copper plate and 55 mm inner diameter. In the method for inserting the carbon fiber into the cylindrical container, 50 g of the carbon fiber cut into 6 mm length is equally divided to 20 portions, and the divided fiber portions are inserted into the cylindrical container one by one. In the method of compression, the carbon fiber assembly in the container is compressed from the upper part by a copper disk with 47 mm outer diameter as a pressure plate. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化樹脂製成形品に優れた電気的特性を発現させるための強化繊維としての炭素繊維およびその炭素繊維を用いた繊維強化熱可塑性樹脂組成物に関する。
【0002】
【従来の技術】
炭素繊維、ガラス繊維などで熱可塑性樹脂を強化した複合材料(以下、FRTPという)は、これらの繊維で熱硬化性樹脂を強化した複合材料(以下、FRTSという)に比べて、耐衝撃性や成形性に優れており、宇宙・航空分野、自動車工業分野、エネルギー分野、スポーツ用品分野、レジャー用品分野などの各種産業分野に幅広く使用され、さらなる需要増大が期待されている。特に炭素繊維を用いた繊維強化熱可塑性樹脂複合材料(以下、CFRTPという)は、炭素繊維の基質が導電性であることから電磁波シールド性や制電性が要求されるICトレーやパソコンなどに幅広く使用されている。
【0003】
従来、炭素繊維は複合材料の分野において、その優れた特性を生かして主に力学特性を重要視した分野で使用されるのがほとんどであった。しかし近年、前述したような電磁波シールド性等の分野でも幅広く使用されるようになってきた。
【0004】
すなわち、特開昭61−23629号公報には、繊維強化複合材料の機械的強度強化用として用いられる素材に炭素繊維を用い、他の性能の向上と共に炭素繊維の有する電気的特性を利用する試みが開示されている。しかしながら、他の性能向上との関連で単に炭素繊維を導電性物質として混入する程度では電気的特性の大幅な改善は得られず、炭素繊維を大量に混入する必要が出てくる。そこで炭素繊維を大量に練り込んで用いると、溶融時にマトリックス樹脂と炭素繊維の混合物の粘度を高くしたり、コストの上昇などの問題点があり、その使用には制限があった。
【0005】
このようなCFRTPの製造方法としては、たとえば、特公平5−83044号公報にはチョップド炭素繊維とPBT樹脂を短軸押出機で押出して、次いで定長にカットしたコンパウンドペレットの製造方法が開示されている。しかし、かかるコンパウンドペレットは、押出工程で炭素繊維が短く切断され、なおかつ射出成形工程でさらに炭素繊維が切断されるので、炭素繊維の繊維長が短くなるという問題があり、成形品の導電性や力学特性を向上させる方法としては限界があった。
【0006】
一方、特公昭63−37694号公報には、整列された強化用フィラメントが熱可塑性樹脂で含浸された繊維強化構造物が開示されている。また、特許公報第2626012号には、30重量%以上の平行に配列した補強繊維を含み、繊維配列方向の長さが3〜60mmであるペレットが開示されている(以下、これを長繊維ペレットという)。この長繊維ペレットを射出成形すると、成形後の成形品中に含まれる補強繊維の長さが、コンパウンドペレットに比べてはるかに長くなり、成形品の耐衝撃性、曲げ弾性率などが向上することが記載されている。
【0007】
かかる長繊維ペレットは、その特徴を生かして近年、炭素繊維を用いて、電磁波シールド性と高い剛性が要求される用途(例えば、パソコン筐体など)に使われている。
【0008】
上記先行例には、用いる炭素繊維の性能や導電性に関しては全く記載がなく、どのような特性を有する炭素繊維を用いるのが好ましいか、その特性がどの範囲であるのが好ましいかを明確にするに至っていない。特に導電性が要求される用途に拡大しているCFRTPは、熱硬化性樹脂をマトリックスとするCFRTSより電気特性がより重要な要因となり易く、早急な対応が要望されていた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み、高い導電性と力学的特性、特に、剛性などを有する繊維強化熱可塑性樹脂製成形品を得るとともに、使用する炭素繊維の性能を定量化し、導電性と剛性に優れた繊維強化熱可塑性樹脂製成形品を安定して得ることを課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。すなわち、本発明の炭素繊維は、長さ6mmにカットした炭素繊維の集合体50gを下記に示す条件の円筒状容器に詰め込み、これを上から50Nの荷重をかけて圧縮した炭素繊維集合体の電気抵抗値の測定を開始し、その2分後の嵩電気抵抗値が1.0〜8.0Ωの範囲内であることを特徴とする。
【0011】
円筒状容器:底部が銅板である内径55mmの絶縁性円筒状容器
円筒状容器に炭素繊維を投入する方法:6mmにカットした炭素繊維50gを20等分し、それを順番に円筒状容器に投入する。
【0012】
圧縮方法 :圧力板として外径47mmの銅製円板で上から容器内の炭素繊維集合体を圧縮する。
【0013】
また、本発明の熱可塑性樹脂組成物用炭素繊維は、上記炭素繊維のうち、繊維長が1〜15mmの範囲内の長さを有するものであり、本発明の熱可塑性樹脂組成物は、少なくとも、熱可塑性樹脂と、上記炭素繊維とが含まれるものである。
【0014】
また、本発明の長繊維ペレットは、上記熱可塑性樹脂組成物から構成されるものであり、本発明の射出成形品は、上記長繊維ペレットが含まれるペレットを射出成形してなるものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
【0016】
本発明で用いられる炭素繊維は、その集合体を後述の実施例の欄に記載の方法で測定した嵩電気抵抗が1.0〜8.0Ωの範囲内のものである。嵩電気抵抗が1.0Ω以下の場合、嵩電気抵抗が低い値であること自体は好ましいことであるが、炭素繊維の性能を損なうことになり好ましくない。たとえばこのように嵩電気抵抗が低い炭素繊維は一般的に炭素繊維の結晶サイズが大きく、この場合、引張、曲げなどの応力により破壊にいたるまでのひずみ量が小さくなる。したがって、例えば射出成形の際などにスクリュー等で混練したときに、炭素繊維が切断されやすくなる結果、成形品中の繊維長が短くなり、電磁波シールド性や制電性が低くなる。一方、嵩電気抵抗が8.0Ωより大きくなると炭素繊維と炭素繊維の接触しているときの電気抵抗が大きいため成形品の導電性が悪くなり電磁波シールド性や制電性が低下する。より好ましい嵩電気抵抗は2〜7Ω、さらに好ましくは3〜6Ωである。
【0017】
本発明における炭素繊維の用途は、専ら熱可塑性樹脂組成物用のものである。
【0018】
本発明は、上記要件を兼ね備える炭素繊維を用いたときに、特異的に高い導電性、薄肉成形性(特に成形時の流動性)、および外観品位を兼ね備えた導電性樹脂組成物を提供することができることを究明したものである。すなわち、上記範囲の嵩抵抗を有する炭素繊維を用いることが、上記高導電性、薄肉成形性、および外観品位を同時に満足するという優れた効果を達成することを見出したものである。このように前記嵩抵抗を測定することにより、炭素繊維の様々な実用的特性を各々測定することなく、簡便に、かつ、正確に前記特性が判断することができることから、工業的見地からも非常に有意義な指標である。
【0019】
ここで、本発明を別の観点で説明すると、電流は炭素繊維表面を選択的に流れる傾向にあることから、できるだけ炭素繊維表面の電気抵抗は低いことが好ましい。さらに、炭素繊維と炭素繊維が接触したときに、その接触抵抗が低いことが成形品の導電性向上に好ましい効果を発現する。上記接触抵抗は、炭素繊維表面の導電性や凹凸、断面形状、サイジング剤等の表面状態で大きく変化し、これが成形品の導電性の程度を左右する場合が多い。
【0020】
ところが、炭素繊維の製造工程では、焼成工程の次に、酸またはアルカリ電解質水溶液中で電解表面処理が通常行われている。これは、コンポジットの力学的特性を改善するために行われる処理であるが、処理後の表面状態には何らかの変化が起きている場合が多く、これを本発明者らは表面の結晶性が低下していると推察した。このような結晶性低下は、導電性低下をもたらすものであり好ましくない。
【0021】
本発明の炭素繊維は上記コンポジットの力学特性と導電性を両立させるための表面特性として、本文記載の方法で測定した層間剪断破壊強度(ILSS)が60〜85MPaの範囲内である。すなわちILSSが60MPa以下であると成形品の導電性は良好であるが炭素繊維と樹脂との接着性が悪く力学特性が低下し好ましくない。一方、85MPa以上になると樹脂との接着性は良好であるが炭素繊維の表面の結晶性が低下するため成形品の導電性が低下し好ましくない。さらに好ましくは65〜80MPaである。
【0022】
さらに本発明の炭素繊維は広角X線回折法にて測定される結晶サイズが1.6〜4.5nmの範囲内である。結晶サイズが1.6nmより小さいと、炭素繊維の結晶構造が十分に発達しない状態となることから、引張、曲げ強度など、炭素繊維に本来期待されている力学特性が低下する。一方、4.5nmを越えると、炭素繊維の弾性率が高くなり、引張、曲げなどの応力により破壊にいたるまでのひずみ量が小さくなるため、例えば射出成形の際などにスクリュー等で混練したときに、炭素繊維が切断されやすくなる結果、成形品中の繊維長が短くなり、導電性や制電性が低くなる。より好ましい炭素繊維の結晶サイズは1.8〜3.0nm、さらに好ましくは2.1〜2.5nmである。
【0023】
また、本発明で用いる炭素繊維は、ESCAにて測定される炭素繊維表面の炭素と酸素の原子数比(O/C)が0.02〜0.2の範囲内である。かかる(O/C)が0.02未満では炭素繊維表面の官能基量が少なく炭素繊維と熱可塑性樹脂との接着性が低下し、その結果力学特性が低下し好ましくない。一方0.2を越えると熱可塑性樹脂組成物からなる成形品の導電性が低下し好ましくない。より好ましくは0.025〜0.15、さらに好ましくは0.03〜0.1、とりわけ好ましくは0.03〜0.05未満の範囲内である。
【0024】
また、本発明で用いる炭素繊維は、単繊維断面の直径の平均(平均単繊維直径)が3〜15μmの範囲内である。平均単繊維直径が3μm未満では、炭素繊維束中への熱可塑性樹脂の含浸が困難となり、成形品中での炭素繊維の分散性に劣るなどの問題を生じる。一方、平均単繊維直径が20μmを超えると、力学的特性に優れる炭素繊維を得ることが困難になり、所望の補強効果が得られにくい。より好ましくは4〜11μm、さらに好ましくは5〜8μmの範囲内である。なお、かかる平均単繊維直径は、主として炭素繊維束の重量と繊維束本数および炭素繊維の比重から炭素繊維の断面が真円としたときの直径を求めたものであるがこの方法に限らない。詳細は実施例に記載した通りである。
【0025】
本発明の炭素繊維は、アクリル系繊維、ピッチ、レーヨン等を原料とすることができるが、特にアクリロニトリルを主成分としたアクリル系繊維から製造されたアクリル系炭素繊維が工業的な生産性に優れ、かつ力学特性にも優れており好ましい。
【0026】
アクリル系繊維としては耐炎化反応を促進するモノマー成分を含むものであれば特に限定されるものではなく、イタコン酸、アクリル酸、メタクリル酸およびそれらのメチルエステル、エチルエステル、プロピルエステル、アルカリ金属塩、アンモニウム塩、あるいはアリルスルホン酸、メタリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、およびそれらのアルカリ金属塩等を挙げることができるがこの限りではない。紡糸方法は湿式紡糸法や乾湿式紡糸法を適用することが好ましいが特に限定されるものではない。
【0027】
アクリル系炭素繊維は、アクリロニトリルを主成分として重合して得たアクリル系繊維を200〜400℃の空気雰囲気中で加熱して酸化繊維に転換する耐炎化工程と、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性雰囲気中でさらに高温で加熱して炭化する炭化工程を経ることで得られる(耐炎化工程と炭化工程をあわせて焼成工程と呼ぶ)。本発明で使用する炭素繊維は、アクリル系繊維を耐炎化し、次いで炭化する。炭化温度としては1200〜2200℃を採用することが好ましい。好ましくは1500〜2100℃である。
【0028】
このアクリル系炭素繊維は、層間剪断破壊強度(ILSS)が60〜85MPaの範囲内であり、さらにストランド引張弾性率が230〜400GPaの範囲内であることが好ましい。すなわちILSSが60MPa以下であると成形品の導電性は良好であるが炭素繊維と樹脂との接着性が悪く力学特性が低下し好ましくない。一方、85MPa以上になると樹脂との接着性は良好であるが炭素繊維の表面の結晶性が低下するため成形品の導電性が低下し好ましくない。さらに好ましくは65〜80MPaである。また、ストランド引張弾性率230GPa未満では炭素繊維の結晶構造が十分でない場合があり成形品の力学的性能が劣るとともに導電性も劣るので好ましくない。400GPa以上では、前述したように、炭素繊維の結晶サイズが大きくなって引張、曲げなどの応力により破壊にいたるまでのひずみ量が小さくなるため、例えば射出成形の際などにスクリュー等で混練したときに、炭素繊維が切断されやすくなる結果、成形品中の繊維長が短くなり、その結果、導電性が低下し好ましくない。さらに好ましくは250〜300GPaである。
【0029】
本発明の炭素繊維を熱可塑性樹脂組成物用の炭素繊維として用いる場合は、炭素繊維の長さは、1〜15mmの範囲であることが好ましい。1mmより短い場合は、樹脂と混練しペレットの形態にして射出、押出成形等をした際に成形品中の炭素繊維の長さが短く、導電性、力学特性が低下すること等があり、15mmより長い場合は、ペレットを溶融して射出成形するときの流動性が悪く成形品の外観不良や炭素繊維の分散性低下による導電性、力学特性低下をおこすこと等があるためである。
【0030】
本発明の炭素繊維の用途は、専ら、熱可塑性樹脂とで熱可塑性樹脂組成物を成すことである。本発明の炭素繊維は、前記熱可塑性樹脂組成物中に10〜60重量%の範囲で含まれていることが好ましい。10重量%より低いと樹脂組成物、およびその成形品の強度、剛性、導電性、特に電磁波シールド性が低下することがあり、また60重量%を越えると、成形時の流動性が低下し、金型キャビティに樹脂組成物が完全に充填できないことがあるためである。より好ましくは15〜40重量%、更に好ましくは18〜30重量%の範囲である。
【0031】
高い力学的特性を付与するためには、引張破断伸度が1.5%以上、より好ましくは引張破断伸度が1.7%以上、更に好ましくは引張破断伸度が1.9%以上の炭素繊維を用いるのがよい。本発明で使用する炭素繊維の引張破断伸度に上限はないが、一般的には5%未満であることが好ましい。
【0032】
表面処理としては、電解処理が好ましい。電解処理に用いられる電解液としては、硫酸、硝酸、塩酸等の無機酸や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化バリウムなどの無機水酸化物、アンモニア、または、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム等の無機塩類、酢酸ナトリウム、安息香酸ナトリウム等の有機塩類の水溶液、さらにこれらのカリウム塩、バリウム塩あるいは他の金属塩、およびアンモニウム塩、またはヒドラジンなどの有機化合物が挙げられる。この中でも電解液として無機酸が好ましく硫酸、硝酸が好ましく使用される。電解処理の程度は、電解処理で流れる電気量を設定することにより炭素繊維表面の(O/C)をコントロールすることができる。
【0033】
本発明の炭素繊維は、シランカップリング剤、アルミネートカップリング剤、チタネートカップリング剤などのカップリング剤、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、エステル系樹脂、スチレン系樹脂、オレフィン系樹脂、アミド系樹脂、テルペン・フェノールなどのフェノール系共重合体、液晶性樹脂などの集束剤で処理されていてもよい。
【0034】
本発明で好ましく用いられる熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド(ナイロン6、ナイロン66、ナイロン11、ナイロン12、ナイロン610、ナイロン612、ナイロン6I、ナイロン6T、ナイロン9Tなど)やこれらの共重合ポリアミド(液晶性ポリアミドを含む)、ポリエステル(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など)やこれらの共重合ポリエステル(液晶性ポリエステルを含む)、ポリカーボネート、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体(略称ABS)、アクリロニトリル・スチレン共重合体(略称AS)、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレンなど)、ポリスチレン、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、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルエーテルケトン、およびこれらを組み合わせたポリマーアロイなど、ほとんどすべての熱可塑性樹脂を用いることができる。それらの中で好ましいものとしてポリアミド、ポリカーボネート、ABS、ポリフェニレンオキサイドである。
【0035】
また、特に耐衝撃性改良の必要性に応じて、オレフィン系共重合体、ポリエステルポリエーテルエラストマー、ポリエステルポリエステルエラストマーなどのエラストマーから選ばれる1種または2種以上の混合物を添加して、所望の特性をさらに付与した樹脂も使用することもできる。更に、成形性、耐熱性、低吸水性などの必要特性に応じて、これらの共重合体、および2種類以上混合した樹脂も本発明で使用できる。また、更に耐衝撃性向上などのために、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や、樹脂を混合するときの相溶性制御などのために末端基を変性したり、封止した樹脂も、本発明に含まれる。
【0036】
かかる樹脂組成物には、その目的に応じて、充填材、本発明以外の難燃剤、難燃助剤、顔料、染料、滑剤、離型剤、相溶化剤、分散剤、結晶核剤、可塑剤、熱安定剤、酸化防止剤、着色防止剤、紫外線吸収剤、流動性改質剤、発泡剤、抗菌剤、制振剤、防臭剤、摺動性改質剤、導電性付与剤、帯電防止剤、剛性付与剤等の任意の添加剤を使用することができる。
【0037】
本発明の樹脂組成物の形態としては、成形材料としてプレス成形機や射出成形機で成形する材料であることが好ましい。特に射出成形用ペレットであることが好ましい。
【0038】
射出成形用ペレットとしては、好ましくは、炭素繊維と熱可塑性樹脂(および必要に応じて添加剤など)を1軸または2軸の押し出し機で溶融混練して押し出し、さらに必要に応じてカットしたコンパウンドペレットや、炭素繊維束を熱可塑性樹脂で被覆または含浸させ、成形材料の長手方向は、ほぼ同一の断面形状で成形方法によって適宜、適当な長さにカットした長繊維ペレットがある。
【0039】
本発明の樹脂組成物、特に射出成形用ペレットを成形してなる成形品が、導電性、力学的特性(強度、剛性、衝撃強度等)を兼ね備えるためには、成形品中の炭素繊維の長さを長くすることが有効であるが、コンパウンドペレットでは得られない導電性と力学特性を得るためには、前述のペレットの中でも長繊維ペレットの形態をとることが望ましい。
【0040】
本発明でいう長繊維ペレットとは、例えば特公昭63−37694号公報に示されるような、繊維がペレットの長手方向にほぼ平行に配列し、ペレット中の繊維の長さがペレット長さとほぼ同一、もしくはそれ以上であるペレットが含まれるものを指す。長さは、好ましくは1〜15mmである。
【0041】
長繊維ペレットを製造する際の強化繊維束への樹脂の含浸方法としては、例えば、
(1)樹脂のエマルジョン、サスペンジョン、溶液あるいは溶融物の入った含浸槽中を強化繊維束を通して、樹脂など本発明の各成分を含浸させる方法、
(2)樹脂粉末などを振動や気体で分散させた状態のところへ強化繊維束を通して粉末を強化繊維束に浸透させた後に加熱して、樹脂など本発明の各成分を含浸させる方法、
(3)溶融樹脂を押し出したクロスヘッドダイを用いて、強化繊維束を引き抜きながら、樹脂など本発明の各成分を含浸させる方法、
などの公知の含浸方法を利用することができるが、本発明の成分を均一かつ所望量配合するためには、上記(3)に記載の含浸方法を利用することが好ましい。
【0042】
さらに好ましくは、特開平10−138379号公報に示されたような、少なくとも強化繊維束炭素繊維に、熱可塑性樹脂中で最も配合量が多い熱可塑性樹脂(以下、主要熱可塑性樹脂という)よりも低粘度の樹脂(以下、低粘度樹脂という)を含浸させた複合体からなる芯部と、主要熱可塑性樹脂からなる鞘部とからなる芯鞘型の長繊維ペレットである。前記芯鞘型の長繊維ペレットの場合、強化繊維束は、低粘度樹脂(粘度差は、好ましくは50〜500Pa・s、尚、粘度は剪断速度10−1で240℃における溶融粘度をキャピラリーレオメーターで測定したものである)で予め含浸(樹脂中の含有量が好ましくは0.1〜20重量%)され、炭素繊維と前記低粘度樹脂との複合体に、少なくとも主要熱可塑性樹脂で被覆されていることが好ましい。好適には、前記複合体は、炭素繊維表面に前記低粘度樹脂で被覆されたものである。
【0043】
ここで、前記低粘度樹脂とは、炭素繊維に前記主要熱可塑性樹脂が含浸するのを促進させる樹脂であり、例えばエポキシ樹脂、アルコール可溶もしくは水可溶性ポリアミド樹脂またはポリエステル樹脂、前記熱可塑性樹脂よりも低分子量の熱可塑性樹脂、フェノール系樹脂(例えばノボラックフェノールやクレゾールフェノール等のフェノール樹脂、例えばアルキルベンゼン変性やカシュー変性やテルペン変性等の変性フェノール樹脂、フェノール共重合樹脂等)、液晶性樹脂などを挙げることができる。
【0044】
本発明のペレットの配合形態は特に制限されないが、好ましくは、前記低粘度樹脂で強化繊維束(炭素繊維)を含浸し、複合体を形成した後、主要熱可塑性樹脂で、前記複合体を被覆した長繊維ペレット単独、またはかかる長繊維ペレットと前記主要熱可塑性樹脂を含む成形材料、例えば熱可塑性樹脂ペレットとをドライブレンドしたものがよい。
【0045】
本発明の長繊維ペレットはそれを構成する炭素繊維のフィラメント数が3,000〜150,000本の範囲が好ましい。3,000本未満では生産性が低くコストアップの原因になったり、炭素繊維束を被覆する工程においてその細さから被覆工程において毛羽等による工程トラブルの原因になることがある。150,000本を超えると、ストランドが太くなるので、前記熱可塑性樹脂および前記溶融粘度が低い樹脂による含浸をしにくくなって、成形品の表面性や力学特性および導電性が低下することがある。より好ましくは10,000本以上100,000本以下である。
【0046】
本発明の成形品は、上述した射出成形用ペレットを用いて得られる成形品である。この場合所望の炭素繊維含有量にするため、熱可塑性樹脂を本発明の射出成形用ペレットとドライブレンドして調整することも好ましい。
【0047】
また、ドライブレンドされるペレットには、本発明の効果を妨げない限り、熱可塑性樹脂以外にタルクや炭素繊維などが含有していても良い。また、ドライブレンドされた後の混合ペレットにおいても、それに含まれる炭素繊維の特質(結晶サイズ、炭素と酸素の原子数比等)の平均値は本発明の炭素繊維の特質の範囲内(結晶サイズが1.6〜3nm、炭素と酸素の原子数比(O/C)が0.02〜0.2等)であることが好ましい。
【0048】
射出成形した成形品は、導電性、力学的特性(特に剛性、衝撃強度)を同時に達成するためには、成形品中の炭素繊維の長さを長くすることが有効であることは前述の通りであるが、この場合、特に成形条件および射出成形機、さらに金型の影響を考慮しなければならない。成形条件に関していえば、背圧が低いほど、射出速度が遅いほど、スクリュー回転数が遅いほど、成形品中の炭素繊維の長さが長くなる傾向があり、特に背圧は、計量性が不安定にならない程度に、できるだけ低く設定するのが好ましい。望ましい背圧は0.1〜1MPaである。射出成形機については、ノズル径が太く、ノズルのテーパー角度が小さく、スクリュー溝深さが深く、圧縮比が低いほど成形品中の炭素繊維の長さが長くなる傾向がある。金型については、スプルー径を大きくするほど、ゲート径を大きくするほど、成形品中の炭素繊維の長さが長くなる傾向がある。
【0049】
上述のように、本発明の成形品が、高い導電性、力学的特性を兼ね備えるためには、該成形品中に含まれる強化材である炭素繊維の重量平均繊維長(lw)が0.25〜1mm、好ましくは0.3〜1mm、更に好ましくは0.35〜1mmであることが好ましい。また、成形品中の炭素繊維総量の少なくとも3重量%の繊維長が1〜15mmの範囲であることが好ましい。より好ましくは、炭素繊維総量の少なくとも5重量%が1〜10mmの範囲であり、一層好ましくは炭素繊維総量の少なくとも5重量%が1〜7mmの範囲である。とりわけ好ましくは、炭素繊維総量の少なくとも8重量%が1〜7mmの範囲である。
【0050】
本発明はプレスや射出成形機で成形したCFRTP成形品が、特に射出成形した成形品の体積固有電気抵抗VRが100Ω・cm以下であることが好ましい。これは本発明が長繊維ペレットを射出成形する事により成形品中での炭素繊維の長さを長く維持することができるため、力学的特性の他に、特に、高い導電性を有する成形品を提供するものである。特に、炭素繊維の配合量が20重量%以下のような低い配合率の場合には、通常のペレットに比べて導電性の発現効果は顕著であり、このような範囲の炭素繊維の配合率で長繊維ペレットを用いることは、高い導電性を達成するためには非常に有効である。もちろん、力学的特性に関しても、同様にその向上効果は絶大である。より望ましい体積固有電気抵抗値は50Ω・cm以下である。特に炭素繊維の配合率が20重量%以上において体積固有電気抵抗が10Ω・cm以下となる特徴がある。好ましくは5Ω・cm以下である。
【0051】
本発明はこのときの電磁波シールド性として20dB以上であることが好ましくさらに好ましくは25dB以上である。尚、電磁波シールド性はアドバンテスト法に準じて測定し、厚さ1mmの平板に1GHzの電磁波を照射した時に平板で減衰する減衰量をデシベル(単位dB)で表した数値である。
【0052】
炭素繊維に起因する高い剛性を兼ね備えているため、ASTM D 790規格(スパン間距離L/板厚D=16)において、板厚6mmでの曲げ剛性が8〜40GPaの範囲であり、望ましくは10〜30GPaの範囲、特に望ましくは15〜25GPaの範囲の成形品として用いるのがよい。
【0053】
本発明の熱可塑性樹脂組成物および射出成形用ペレットは、薄肉成形性(成形時の流動性)、導電性を兼ね備えているので、従来の成形品より肉厚を薄くすることが可能であり、肉厚が0.3〜4mmの範囲である薄肉成形品として用いるのが最適である。より好ましくは、肉厚0.5〜3mm、さらに好ましくは0.6〜2mmの範囲である薄肉成形品として用いるのが、本発明の効果をより発揮できる。とりわけ好ましくは、肉厚0.7〜1.6mmの範囲である薄肉成形品として用いることである。ここでいう成形品の肉厚とは、成形品のうち、リブ部分やボス部分などの突起物などを除いた平板部分の肉厚を指す。
【0054】
本発明は、かかる特性を有する炭素繊維を用いた場合、特異的に高い導電性と薄肉成形性(特に成形時の流動性)を兼ね備えた導電性樹脂組成物を提供することができることを究明したものである。すなわち、実施例の欄で後述する測定法による特定の範囲の嵩抵抗とILSSおよびストランド引張弾性率を有する炭素繊維が、上記高導電性、薄肉成形性を同時に満足するという優れた効果を達成することを見出したものである。前記嵩抵抗やILSSおよびストランド引張弾性率は炭素繊維の様々な特性を各々測定することなく、簡便に、かつ、正確に選定することができることから、工業的見地からも非常に有意義である。
【0055】
上述した本発明の成形品は、マトリックスがポリアミド樹脂であるポリアミド成形品が特に好ましい。
【0056】
本発明における成形品の用途としては、薄肉成形品における、成形性、力学的特性(特に剛性)が求められる電子・電気機器用部材などが挙げられる。本発明の成形品は、高い剛性、軽量化、電磁波シールド性などが達成できるため、携帯用の電子・電気機器のハウジングなどの用途に有効である。より具体的には、大型ディスプレイ、ノート型パソコン、携帯用電話機、PHS、PDA(電子手帳などの携帯情報端末)、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯用ラジオカセット再生機などのハウジングなどに好んで使用される。
【0057】
また、高い導電性を有しているため、炭素繊維の少量添加で帯電/放電防止性を付与することができ、それらの特性が必要とされる部材、例えばICトレー、シリコンウェーハー運搬用バスケットなどへの適応にも有用である。
【0058】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前、後記の主旨を逸脱しない範囲で変更実施することは、全て本発明の技術範囲に包含される。
【0059】
本発明に関する評価項目およびその方法を下記する。また、各種測定結果は表1にまとめて示した。
(1)炭素繊維集合体の嵩抵抗測定
底部が銅板で構成されている内径55mmの円筒状容器に長さ6mmにカットした炭素短繊維50gを20等分し、その20等分した炭素繊維を順番に円筒状容器に振り落として入れ、次いで上部から外径47mmの銅板を圧力板として下ろし、炭素繊維集合体に50Nの荷重を加え、挟み込み圧縮しながら2つの銅板間の抵抗値を測定し測定開始から2分後の値を読みとった。同じロットの炭素繊維について3回サンプルを採取しそれぞれについて測定した結果の平均値を測定値とした。測定装置としてデジタルマルチメーター(アドバンテスト社製R6581)を用い、銅板電極間抵抗値0.001Ω、雰囲気温度23℃、相対湿度50%の環境下で測定した。尚、円筒状容器はガラス製の絶縁性を有する容器を用いた。
(2)ILSSの測定
所定の太さになるように巻き上げた炭素繊維束を金型に設置し、エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン社、商品名エピコート828)100部と硬化剤3フッ化硼素・モノメチルアミン3部を混合した樹脂を金型に流し込み脱気しながら170℃で1時間かけて硬化させ、次いで金型から取り出した硬化物をさらに170℃で2時間熱処理した。これを長さ方向にカットして幅5.9mm、厚み2.5mm、長さ190mm、炭素繊維の体積含有率が60vol%の試験片を作成した。尚、試験片の長さと体積含有率は実際に測定した値を用いた。この試験片をASTM D2344に準拠した測定方法で評価した(単位はMPa)。
(3)炭素繊維の結晶サイズ
(A)炭素繊維がフィラメントの形態の場合
炭素繊維を長さ4cmに切り、20mgを秤量し、金型(長さ3cm、幅1mm、深さ1mm)とコロジオン・アルコール溶液で角柱を作製し測定試料とした。
【0060】
(B)炭素繊維の繊維長が10mm前後の場合
炭素繊維を5mg秤量し、金型(長さ3cm、幅1mm、深さ1mm)とコロジオン・アルコール溶液で角柱を作製し測定試料とした。
【0061】
透過法により広角X線回析法で下記の条件で測定した。
【0062】

Figure 2004019055
・解析方法:透過法により得られた面指数(002)のピークの半価幅か らScherrerの次式を用いて結晶サイズを求めた。
【0063】
L(hkl)=Kλ/βCOSθ
L(hkl):微結晶(hkl)面に垂直な方向の平均の大きさ
K :1.0
λ :X線の波長
β:(β ーβ 1/2
β:見かけの半値幅(測定値)
β:1.05×10−2rad(装置定数)
θ:ブラッグ角
(4)炭素繊維の平均単繊維直径Df
下記式によって算出した。
【0064】
Df=[(W×4)/(N×ρf×100×3.14)]1/2×10000
Df:平均単繊維直径(μm)
W :1mあたりの繊維束重量(g)
N :繊維束中のフィラメント数(本)
ρf  :繊維の比重
また、上記炭素繊維の平均単繊維直径Dfは、下記の方法でも測定した。この方法は成形品中の炭素繊維の断面を観察して求める方法である。
【0065】
・無作為に抽出した100本の繊維断面から短径の判別可能な形状(円形、楕円形、前記形状の一部が切り欠かれた形状)を選択して以下により直径(μm)を算出した。
【0066】
Df=Dsの平均値
Df:平均単繊維直径(μm)
Ds:短径(μm)
(5)炭素繊維表面のESCA(O/C)測定
X線光電子分光法(島津製作所(株)製ESCA−750)を用いて測定を行った。
【0067】
(A)まず、サイジング剤などを溶媒で除去した炭素繊維を銅製の試料支持台上に拡げて並べた後、光電子脱出角度を90°とし、X線源としてMgKα1、2を用い、試料チャンバー中を1.3×10−6Pa(1×10−8Torr)に保つ。
【0068】
(B)測定時の帯電に伴うピークの補正としてC1Sの主ピークの運動エネルギー値B.E.を284.6eVに合わせる。C1Sピーク面積は、282〜296eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求める。O1Sピーク面積は、528〜540eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求める。
【0069】
(C)ここで表面酸素濃度(O/C)とは、前記O1Sピーク面積とC1Sピーク面積の比から、装置固有の感度補正値を用いて原子数比として算出する。
(6)体積固有電気抵抗VR
ファンゲートにて射出成形した幅12.7mm×長さ65mm×厚さ2mmの試験片を、絶乾状態(水分率0.1%以下)で測定に供した。まず、2面有る幅×厚さ面に導電性ペースト(藤倉化成株式会社製ドータイト)を塗布し、十分に導電性ペーストを乾燥させてから、その両面を電極に圧着し、電極間の電気抵抗値をデジタルマルチメーター(FLUKE社製)にて測定する。前記電気抵抗値から測定機器、治具等の接触抵抗を減じた値に、導電性ペースト塗布面の面積を乗じ、次いで、その値を試験片長さで除したものを体積固有電気抵抗値とした(単位はΩ・cm)。なお射出成形は、シリンダ温度280℃、金型温度70℃にて行った。
(7)曲げ剛性E
ASTM D 790規格(スパン間距離L/板厚D=16)に準拠した曲げ剛性にて評価した(単位はGPa)。用いた試験片の板厚は6mm厚で、水分率0.1%以下で試験に供した。なお射出成形は、シリンダ温度280℃、金型温度70℃にて行った。
(8)ノッチ無しアイゾット衝撃
ASTM D 256規格に準拠したモールドノッチ無しIZOD衝撃強度にて評価した(単位はkJ/m)。用いた試験片の板厚は3mm厚で、水分率0.1%以下で試験に供した。なお射出成形は、シリンダ温度280℃、金型温度70℃にて行った。
(9)平均繊維長lw
算出は、成形品から炭素繊維のフィラメントのみを、任意に少なくとも400本以上抽出し、その長さを1μm単位まで光学顕微鏡もしくは走査型電子顕微鏡にて測定して、下記の(1)式、もしくは(2)式を用いて算出した。但し、lwは平均繊維長、Wiは長さliの炭素繊維の重量、Niは長さliの炭素繊維の本数とする。
【0070】
lw=Σ(Wi×li)/ΣWi …………(1)
(1)式は一定直径の炭素繊維に対しては、(2)式の様に表すことができる。
【0071】
lw=Σ(Ni×li)/Σ(Ni×li)……(2)
本発明では、lwを測定する際の炭素繊維以外の成分を除去する方法として、炭素繊維以外の成分のみを溶解させ、含有される炭素繊維は溶解させない溶媒などに成形品を一定時間浸漬し、炭素繊維以外の成分を十分溶解させた後、濾過などにより炭素繊維と分離する手法を採用した。
【0072】
実施例1a〜1d
アクリロニトリル99.4モル%とメタクリル酸0.6モル%からなる共重合体を用いて、乾湿式紡糸方法により単繊維デニール1d、フィラメント数24000本のアクリル系繊維を得た。得られた繊維束を240〜280℃の空気中で、延伸比1.05で加熱し、耐炎化繊維に転換し、ついで窒素雰囲気中で300〜1800℃で延伸比1.00で加熱しながら焼成し炭素繊維を得た。さらにこの炭素繊維を濃度0.1モル/lの硫酸水溶液で2〜10クーロン/gの電流を流して電解処理し、さらにアルコール可溶ナイロン(アミランCM4000、東レ株式会社製)をサイジング剤として付与させた。サイジング剤付与はCM4000の1%メタノール溶液中に炭素繊維束を通した後、乾燥してメタノールを除去することにより行った。付着量は0.5%であった。このようにして得られた炭素繊維は、ストランド強度4500MPa、弾性率270GPa、繊維断面直径は7μm、結晶サイズは2.3nmであった。
【0073】
上記の炭素繊維のILSSとカッターで6mmにカットして測定した嵩抵抗の結果を表1に示す。
【0074】
上記炭素繊維を30m/分の速度で走行させながら連続的に処理した。
【0075】
130℃加熱されたロール上で、テルペンフェノール重合体(単環式モノテルペンフェノールとフェノールの付加物、ヤスハラケミカル株式会社製YP902、重量平均分子量460)を炭素繊維に連続的に付与し、さらに180℃に加熱した雰囲気でしごきを加えて重合体を炭素繊維束中に含浸させた。
【0076】
ナイロン樹脂ペレット(東レ株式会社製アミランCM1001 ηr=約2.35)を1軸押出機にて、その先端に取り付けたクロスヘッドダイ中に十分混練された状態で押し出すと同時に、前記重合体を含浸させた炭素繊維の連続糸も前記クロスヘッドダイ中に連続的に供給することによって、重合体を含浸した炭素繊維をナイロン樹脂が被覆したストランドを得た。さらに、その得られた樹脂ストランドを、カッターで7mmの長さに切断して長繊維ペレットを得た。
【0077】
得られた長繊維ペレットとナイロン樹脂ペレットとを乾燥後の成形品中の炭素繊維含有量は27重量%となるようにドライブレンドし、80℃にて5時間以上真空中で乾燥させた後、(1)〜(9)項記載の各試験の射出成形に供した。結果を表1に示す。
【0078】
実施例2
実施例1のアクリル繊維束を窒素雰囲気中で300〜1300℃で焼成した以外は実施例1と同様にして電解電気量を2クーロン/gで炭素繊維を得た。このようにして得られた炭素繊維は、ストランド強度4900MPa、弾性率230MPa繊維断面直径は7μm、結晶サイズは1.7nmであった。
【0079】
上記の炭素繊維を実施例1と同様な方法にて嵩抵抗とILSSを測定した。さらに実施例1と同様な方法で長繊維ペレットを得、さらに実施例1と同様に射出成形して評価した。結果を表1に示す。
【0080】
実施例3
アクリロニトリル99.4モル%とメタクリル酸0.6モル%からなる共重合体を用いて、乾湿式紡糸方法により単繊維デニール0.8d、フィラメント数24000本のアクリル系繊維を得た。得られた繊維束を240〜280℃の空気中で、延伸比1.05で加熱し、耐炎化繊維に転換し、ついで窒素雰囲気中で300〜2100℃で延伸比1.03で加熱しながら焼成し炭素繊維を得た。さらにこの炭素繊維を濃度0.1モル/lの硫酸水溶液で10クーロン/gの電流を流して電解処理し、さらにサイジング剤を実施例1aと同様な方法で付与した。このようにして得られた炭素繊維は、ストランド強度4500MPa、弾性率360GPa、繊維断面直径は約5.3μm、結晶サイズは2.8nmであった。
【0081】
実施例1と同様な方法にて嵩抵抗とILSSを測定した。さらに実施例1と同様な方法で長繊維ペレットを得、さらに実施例1と同様に射出成形して評価した。結果を表1に示す。
【0082】
比較例1
実施例1にて電解処理の電流を流さずに処理した以外は実施例1と同様に実施した。結果を表1に示す。
【0083】
比較例2
実施例1にて電解処理の電流を12クーロンで処理した以外は実施例1と同様に実施した。以上の実施例と比較例の結果を表1に示す。
【0084】
【表1】
Figure 2004019055
【0085】
表1の結果から、嵩抵抗が1〜8Ωの範囲外である比較例1〜2に比べて、範囲内である実施例1a〜3は、導電性が安定して高い成形品特性を得ることができ、しかも衝撃性や剛性も安定して高い。よって、その優位性は明らかである。
【0086】
【発明の効果】
本発明によれば、高い導電性と力学特性を発現する繊維強化熱可塑性樹脂組成物およびその成形品を提供することができる。このような樹脂組成物およびその成形品は、特に電子機器類のハウジングなどを始め、前記特性を必要とする幅広い産業分野に好適に用いることができる。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon fiber as a reinforcing fiber for exhibiting excellent electrical characteristics in a fiber-reinforced resin molded article, and a fiber-reinforced thermoplastic resin composition using the carbon fiber.
[0002]
[Prior art]
Composite materials reinforced with a thermoplastic resin with carbon fibers, glass fibers, etc. (hereinafter referred to as FRTP) are more impact-resistant and have higher impact resistance than composite materials reinforced with a thermosetting resin with these fibers (hereinafter referred to as FRTS). It has excellent moldability and is widely used in various industrial fields such as the space and aviation fields, the automobile industry field, the energy field, the sports equipment field, and the leisure equipment field, and further demand is expected. In particular, fiber-reinforced thermoplastic resin composite materials using carbon fibers (hereinafter referred to as CFRTP) are widely used in IC trays and personal computers, etc., which require electromagnetic shielding and antistatic properties because the carbon fiber substrate is conductive. It is used.
[0003]
Heretofore, carbon fibers have been mostly used in the field of composite materials, mainly in fields where mechanical properties are emphasized by taking advantage of their excellent properties. However, in recent years, it has been widely used in the field of electromagnetic wave shielding and the like as described above.
[0004]
In other words, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-23629 discloses an attempt to use carbon fibers as a material used for reinforcing the mechanical strength of a fiber-reinforced composite material, and to use the electrical characteristics of the carbon fibers together with other performance improvements. Is disclosed. However, a significant improvement in electrical properties cannot be obtained simply by mixing carbon fibers as a conductive substance in connection with other performance enhancements, and a large amount of carbon fibers must be mixed. Therefore, when a large amount of carbon fiber is kneaded and used, there are problems such as an increase in the viscosity of the mixture of the matrix resin and the carbon fiber at the time of melting and an increase in cost, and the use thereof is limited.
[0005]
As a method for producing such CFRTP, for example, Japanese Patent Publication No. 5-83044 discloses a method for producing compound pellets in which chopped carbon fiber and PBT resin are extruded with a short-screw extruder and then cut to a fixed length. ing. However, such compound pellets have a problem that the carbon fiber is cut short in the extrusion process and the carbon fiber is further cut in the injection molding process, so that the fiber length of the carbon fiber is shortened. There are limits to how to improve the mechanical properties.
[0006]
On the other hand, JP-B-63-37694 discloses a fiber reinforced structure in which aligned reinforcing filaments are impregnated with a thermoplastic resin. Further, Japanese Patent Publication No. 262012 discloses a pellet containing 30% by weight or more of reinforcing fibers arranged in parallel and having a length in the fiber arrangement direction of 3 to 60 mm (hereinafter referred to as a long fiber pellet). ). When this long fiber pellet is injection molded, the length of the reinforcing fiber contained in the molded product after molding is much longer than that of the compound pellet, and the impact resistance, bending elastic modulus, etc. of the molded product are improved. Is described.
[0007]
Such long fiber pellets have recently been used for applications requiring electromagnetic shielding properties and high rigidity (for example, personal computer housings) using carbon fibers, taking advantage of their features.
[0008]
In the above-mentioned prior example, there is no description about the performance and conductivity of the carbon fiber used, and it is clear whether it is preferable to use the carbon fiber having what kind of property, or what range the property is preferable. I have not done so. In particular, CFRTP, which is expanding to applications requiring conductivity, tends to have more important electrical characteristics than CFRTS using a thermosetting resin as a matrix, and there has been a demand for an immediate response.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the problems of the prior art, the present invention obtains a molded article made of a fiber-reinforced thermoplastic resin having high conductivity and mechanical properties, in particular, rigidity and the like, and quantifies the performance of the carbon fiber to be used. An object of the present invention is to stably obtain a fiber-reinforced thermoplastic resin molded article having excellent properties and rigidity.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations. That is, the carbon fiber of the present invention is a carbon fiber aggregate obtained by packing 50 g of an aggregate of carbon fibers cut to a length of 6 mm into a cylindrical container under the following conditions and compressing the same under a load of 50 N from above. The measurement of the electric resistance value is started, and the bulk electric resistance value two minutes after the measurement is within a range of 1.0 to 8.0Ω.
[0011]
Cylindrical container: Insulated cylindrical container with an inner diameter of 55 mm whose bottom is a copper plate
Method for charging carbon fiber into cylindrical container: 50 g of carbon fiber cut into 6 mm is divided into 20 equal parts, which are sequentially charged into the cylindrical container.
[0012]
Compression method: The carbon fiber aggregate in the container is compressed from above with a copper disk having an outer diameter of 47 mm as a pressure plate.
[0013]
Further, the carbon fiber for a thermoplastic resin composition of the present invention has a fiber length of 1 to 15 mm in the carbon fiber, and the thermoplastic resin composition of the present invention has at least , A thermoplastic resin and the carbon fiber.
[0014]
Further, the long fiber pellets of the present invention are constituted by the thermoplastic resin composition, and the injection molded article of the present invention is obtained by injection molding a pellet containing the long fiber pellets.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
[0016]
The carbon fiber used in the present invention has a bulk electric resistance in the range of 1.0 to 8.0 Ω when the aggregate is measured by the method described in the section of Examples described later. When the bulk electric resistance is 1.0Ω or less, it is preferable that the bulk electric resistance has a low value, but it is not preferable because the performance of the carbon fiber is impaired. For example, a carbon fiber having such a low bulk electric resistance generally has a large crystal size of the carbon fiber, and in this case, the amount of strain until fracture is caused by stress such as tensile or bending is reduced. Therefore, for example, when kneading with a screw or the like at the time of injection molding or the like, the carbon fibers are easily cut, so that the fiber length in the molded product is shortened, and the electromagnetic wave shielding property and the antistatic property are reduced. On the other hand, when the bulk electric resistance is larger than 8.0Ω, the electric resistance of the molded article when the carbon fibers are in contact with each other is large, so that the conductivity of the molded article is deteriorated, and the electromagnetic wave shielding property and the antistatic property are reduced. A more preferable bulk electric resistance is 2 to 7Ω, and further preferably 3 to 6Ω.
[0017]
The use of the carbon fiber in the present invention is exclusively for a thermoplastic resin composition.
[0018]
An object of the present invention is to provide a conductive resin composition having specific high conductivity, thin-wall moldability (particularly fluidity at the time of molding), and appearance quality when a carbon fiber having the above requirements is used. Is what we can do. That is, they have found that the use of carbon fibers having a bulk resistance in the above range achieves an excellent effect of simultaneously satisfying the above-described high conductivity, thin-wall moldability, and appearance quality. By measuring the bulk resistance in this way, without measuring various practical properties of the carbon fiber, it is possible to easily and accurately determine the properties. It is a meaningful index.
[0019]
Here, explaining the present invention from another viewpoint, it is preferable that the electric resistance of the carbon fiber surface be as low as possible, since the current tends to selectively flow on the carbon fiber surface. Further, when the carbon fibers come into contact with each other, a low contact resistance exerts a favorable effect on improving the conductivity of the molded article. The contact resistance varies greatly depending on the conductivity of the carbon fiber surface, surface irregularities, cross-sectional shape, surface condition of the sizing agent and the like, and this often affects the degree of conductivity of the molded product.
[0020]
However, in the carbon fiber manufacturing process, an electrolytic surface treatment is usually performed in an aqueous acid or alkaline electrolyte solution after the firing process. This is a treatment performed to improve the mechanical properties of the composite.However, in many cases, the surface state after the treatment has undergone some change, and the present inventors found that the crystallinity of the surface decreased. I suspected that. Such a decrease in crystallinity results in a decrease in conductivity and is not preferred.
[0021]
The carbon fiber of the present invention has an interlayer shear strength (ILSS) of 60 to 85 MPa as measured by the method described in the text as a surface property for satisfying both the mechanical properties and conductivity of the composite. That is, when the ILSS is 60 MPa or less, the conductivity of the molded product is good, but the adhesion between the carbon fiber and the resin is poor, and the mechanical characteristics are undesirably reduced. On the other hand, when the pressure is 85 MPa or more, the adhesiveness to the resin is good, but the crystallinity of the surface of the carbon fiber is reduced, so that the conductivity of the molded product is undesirably reduced. More preferably, it is 65 to 80 MPa.
[0022]
Further, the carbon fiber of the present invention has a crystal size measured by a wide-angle X-ray diffraction method in the range of 1.6 to 4.5 nm. When the crystal size is smaller than 1.6 nm, the crystal structure of the carbon fiber is not sufficiently developed, and mechanical properties originally expected of the carbon fiber such as tensile strength and bending strength are reduced. On the other hand, if the thickness exceeds 4.5 nm, the elastic modulus of the carbon fiber becomes high, and the amount of strain up to breakage due to stress such as tension and bending becomes small. Therefore, when kneading with a screw or the like at the time of injection molding, for example, In addition, as a result of the carbon fibers being easily cut, the fiber length in the molded product is shortened, and the conductivity and the antistatic property are reduced. More preferably, the crystal size of the carbon fiber is 1.8 to 3.0 nm, more preferably, 2.1 to 2.5 nm.
[0023]
The carbon fiber used in the present invention has a carbon / oxygen atomic ratio (O / C) of 0.02 to 0.2 on the carbon fiber surface measured by ESCA. When the (O / C) is less than 0.02, the amount of functional groups on the surface of the carbon fiber is small, and the adhesiveness between the carbon fiber and the thermoplastic resin is reduced. On the other hand, if it exceeds 0.2, the conductivity of the molded article made of the thermoplastic resin composition decreases, which is not preferable. It is more preferably in the range of 0.025 to 0.15, still more preferably 0.03 to 0.1, particularly preferably in the range of 0.03 to less than 0.05.
[0024]
The carbon fibers used in the present invention have an average diameter of the cross section of the single fiber (average single fiber diameter) in the range of 3 to 15 μm. If the average single fiber diameter is less than 3 μm, it becomes difficult to impregnate the thermoplastic resin into the carbon fiber bundle, which causes problems such as poor dispersibility of the carbon fiber in the molded product. On the other hand, when the average single fiber diameter exceeds 20 μm, it becomes difficult to obtain carbon fibers having excellent mechanical properties, and it is difficult to obtain a desired reinforcing effect. It is more preferably in the range of 4 to 11 μm, and still more preferably in the range of 5 to 8 μm. Note that the average single fiber diameter is obtained by mainly determining the diameter of the carbon fiber when the cross section is a perfect circle from the weight of the carbon fiber bundle, the number of the fiber bundles, and the specific gravity of the carbon fiber, but is not limited to this method. Details are as described in Examples.
[0025]
The carbon fiber of the present invention can be made of acrylic fiber, pitch, rayon, or the like as a raw material. In particular, acrylic carbon fiber produced from acrylic fiber containing acrylonitrile as a main component is excellent in industrial productivity. It is also preferable because of its excellent mechanical properties.
[0026]
The acrylic fiber is not particularly limited as long as it contains a monomer component that promotes a flame-resistant reaction, and itaconic acid, acrylic acid, methacrylic acid and their methyl esters, ethyl esters, propyl esters, alkali metal salts , Ammonium salts, allylsulfonic acid, methallylsulfonic acid, styrenesulfonic acid, and alkali metal salts thereof, but are not limited thereto. The spinning method is preferably a wet spinning method or a dry-wet spinning method, but is not particularly limited.
[0027]
The acrylic carbon fiber is obtained by heating an acrylic fiber obtained by polymerizing acrylonitrile as a main component in an air atmosphere at 200 to 400 ° C. to convert it into an oxidized fiber, and a non-flammable process such as nitrogen, helium, and argon. It is obtained by passing through a carbonization step in which carbonization is performed by heating at an even higher temperature in an active atmosphere (the flameproofing step and the carbonization step are collectively referred to as a firing step). The carbon fiber used in the present invention renders the acrylic fiber flame resistant and then carbonizes. It is preferable to employ 1200 to 2200 ° C. as the carbonization temperature. Preferably it is 1500-2100 degreeC.
[0028]
The acrylic carbon fiber preferably has an interlaminar shear strength (ILSS) in the range of 60 to 85 MPa and a strand tensile modulus in the range of 230 to 400 GPa. That is, when the ILSS is 60 MPa or less, the conductivity of the molded product is good, but the adhesion between the carbon fiber and the resin is poor, and the mechanical characteristics are undesirably reduced. On the other hand, when the pressure is 85 MPa or more, the adhesiveness to the resin is good, but the crystallinity of the surface of the carbon fiber is reduced, so that the conductivity of the molded product is undesirably reduced. More preferably, it is 65 to 80 MPa. On the other hand, if the strand tensile modulus is less than 230 GPa, the crystal structure of the carbon fiber may not be sufficient and the mechanical performance of the molded product is poor and the conductivity is also poor, which is not preferable. At 400 GPa or more, as described above, since the crystal size of the carbon fiber becomes large and the amount of strain until breaking due to stress such as tensile and bending becomes small, for example, when kneading with a screw or the like at the time of injection molding In addition, as a result of the carbon fibers being easily cut, the fiber length in the molded article is shortened, and as a result, the conductivity is lowered, which is not preferable. More preferably, it is 250 to 300 GPa.
[0029]
When the carbon fiber of the present invention is used as a carbon fiber for a thermoplastic resin composition, the length of the carbon fiber is preferably in the range of 1 to 15 mm. When the length is shorter than 1 mm, the length of the carbon fiber in the molded product is short when kneaded with a resin, formed into a pellet, and injected, extruded, or the like, and the conductivity and mechanical properties may be reduced. If the length is longer, the fluidity when the pellets are melted and injection-molded is poor, resulting in poor appearance of the molded product, and reduced conductivity and mechanical properties due to reduced dispersibility of carbon fibers.
[0030]
The use of the carbon fiber of the present invention is to form a thermoplastic resin composition solely with a thermoplastic resin. The carbon fiber of the present invention is preferably contained in the thermoplastic resin composition in a range of 10 to 60% by weight. If the amount is less than 10% by weight, the strength, rigidity and conductivity, especially the electromagnetic wave shielding properties of the resin composition and the molded product thereof may be reduced. If the amount exceeds 60% by weight, the fluidity at the time of molding decreases. This is because the mold cavity may not be completely filled with the resin composition. It is more preferably in the range of 15 to 40% by weight, and still more preferably 18 to 30% by weight.
[0031]
In order to impart high mechanical properties, the tensile elongation at break is 1.5% or more, more preferably 1.7% or more, even more preferably 1.9% or more. It is preferable to use carbon fiber. The tensile elongation at break of the carbon fiber used in the present invention has no upper limit, but is generally preferably less than 5%.
[0032]
As the surface treatment, an electrolytic treatment is preferable. Examples of the electrolytic solution used for the electrolytic treatment include inorganic acids such as sulfuric acid, nitric acid, and hydrochloric acid, inorganic hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, and barium hydroxide, ammonia, and sodium carbonate, sodium hydrogen carbonate, and the like. And aqueous solutions of organic salts such as sodium acetate and sodium benzoate, and potassium salts, barium salts or other metal salts thereof, and ammonium salts, and organic compounds such as hydrazine. Of these, inorganic acids are preferred as the electrolytic solution, and sulfuric acid and nitric acid are preferably used. The degree of the electrolytic treatment can control the (O / C) of the carbon fiber surface by setting the amount of electricity flowing in the electrolytic treatment.
[0033]
The carbon fibers of the present invention include coupling agents such as silane coupling agents, aluminate coupling agents, titanate coupling agents, urethane resins, epoxy resins, ester resins, styrene resins, olefin resins, and amide resins. It may be treated with a sizing agent such as a resin, a phenolic copolymer such as terpene / phenol, or a liquid crystalline resin.
[0034]
Examples of the thermoplastic resin preferably used in the present invention include polyamides (eg, nylon 6, nylon 66, nylon 11, nylon 12, nylon 610, nylon 612, nylon 6I, nylon 6T, nylon 9T) and copolymerized polyamides thereof. (Including liquid crystalline polyamide), polyester (polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, etc.) and their copolyesters (including liquid crystalline polyester), polycarbonate, acrylonitrile / butadiene / styrene copolymer (abbreviation: ABS), acrylonitrile / styrene Copolymer (abbreviation: AS), polyolefin (polyethylene, polypropylene, etc.), polystyrene, polyetherimide, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, poly E two alkylene oxide, polyether ether ketone, and a polymer alloy including a combination thereof, can be used almost all thermoplastic resins. Among them, polyamide, polycarbonate, ABS and polyphenylene oxide are preferred.
[0035]
Further, according to the necessity of improving impact resistance, one or more kinds of mixtures selected from elastomers such as olefin copolymers, polyester polyether elastomers and polyester polyester elastomers are added to obtain desired properties. Can be used. Further, depending on required properties such as moldability, heat resistance and low water absorption, these copolymers and resins obtained by mixing two or more kinds thereof can be used in the present invention. Further, in order to further improve impact resistance, etc., a resin obtained by adding an elastomer or a rubber component to the above resin, or a resin whose terminal group is modified or sealed for controlling compatibility when mixing the resin, or the like. Are also included in the present invention.
[0036]
Such a resin composition may contain, depending on its purpose, a filler, a flame retardant other than the present invention, a flame retardant auxiliary, a pigment, a dye, a lubricant, a mold release agent, a compatibilizer, a dispersant, a crystal nucleating agent, and a plastic nucleating agent. Agents, heat stabilizers, antioxidants, anticolorants, ultraviolet absorbers, flow modifiers, foaming agents, antibacterial agents, vibration dampers, deodorants, slidability modifiers, conductivity improvers, electrification Optional additives such as inhibitors and stiffeners can be used.
[0037]
The form of the resin composition of the present invention is preferably a material that can be molded by a press molding machine or an injection molding machine as a molding material. In particular, it is preferable to use pellets for injection molding.
[0038]
As the injection molding pellets, preferably, a compound obtained by melt-kneading and extruding carbon fiber and a thermoplastic resin (and additives as necessary) with a single-screw or twin-screw extruder, and further cutting as necessary. There is a pellet or a long fiber pellet obtained by coating or impregnating a carbon fiber bundle with a thermoplastic resin and cutting the molding material to an appropriate length with a substantially same cross-sectional shape as appropriate according to a molding method.
[0039]
In order for the molded article formed by molding the resin composition of the present invention, particularly the injection molded pellet, to have both conductivity and mechanical properties (strength, rigidity, impact strength, etc.), the length of the carbon fiber in the molded article is required. Although it is effective to increase the length, it is desirable to take the form of long fiber pellets among the aforementioned pellets in order to obtain conductivity and mechanical properties that cannot be obtained with compound pellets.
[0040]
The long fiber pellets referred to in the present invention are, for example, as shown in JP-B-63-37694, in which the fibers are arranged substantially parallel to the longitudinal direction of the pellets, and the length of the fibers in the pellet is substantially the same as the pellet length. , Or higher. The length is preferably between 1 and 15 mm.
[0041]
As a method of impregnating the resin into the reinforcing fiber bundle when producing long fiber pellets, for example,
(1) a method of impregnating each component of the present invention such as a resin through a reinforcing fiber bundle in an impregnation tank containing a resin emulsion, suspension, solution or melt;
(2) a method of impregnating each component of the present invention such as resin by heating the resin powder and the like through a reinforcing fiber bundle to penetrate the reinforcing fiber bundle into a state where the resin powder and the like are dispersed by vibration or gas;
(3) a method of impregnating each component of the present invention such as a resin while pulling out a reinforcing fiber bundle using a crosshead die extruding a molten resin;
Although a known impregnation method such as that described above can be used, it is preferable to use the impregnation method described in (3) above in order to uniformly and desirably mix the components of the present invention.
[0042]
More preferably, at least the reinforcing resin bundled carbon fiber as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-138379 has a higher mixing ratio than the thermoplastic resin (hereinafter referred to as a main thermoplastic resin) having the largest amount of the thermoplastic resin. It is a core-sheath type long-fiber pellet comprising a core made of a composite impregnated with a low-viscosity resin (hereinafter, referred to as a low-viscosity resin) and a sheath made of a main thermoplastic resin. In the case of the core-sheath type long fiber pellet, the reinforcing fiber bundle is made of a low-viscosity resin (the viscosity difference is preferably 50 to 500 Pa · s, and the viscosity is 103s-1The melt viscosity at 240 ° C. is measured by a capillary rheometer in advance), and the mixture is preliminarily impregnated (the content in the resin is preferably 0.1 to 20% by weight), and a composite of carbon fiber and the low-viscosity resin is prepared. It is preferable that the coating is at least coated with a main thermoplastic resin. Preferably, the composite has a carbon fiber surface coated with the low-viscosity resin.
[0043]
Here, the low-viscosity resin is a resin that promotes the impregnation of the carbon fiber with the main thermoplastic resin, such as an epoxy resin, an alcohol-soluble or water-soluble polyamide resin or a polyester resin, and a thermoplastic resin. Also low-molecular-weight thermoplastic resins, phenolic resins (for example, phenolic resins such as novolak phenol and cresol phenol, for example, modified phenolic resins such as alkylbenzene-modified, cashew-modified and terpene-modified, phenolic copolymer resins, etc.), and liquid crystalline resins. Can be mentioned.
[0044]
The blending form of the pellets of the present invention is not particularly limited, but preferably, the low-viscosity resin is impregnated with a reinforcing fiber bundle (carbon fiber) to form a composite, and then the composite is coated with a main thermoplastic resin. It is preferable that the obtained long fiber pellets are used alone, or the long fiber pellets are dry-blended with a molding material containing the main thermoplastic resin, for example, a thermoplastic resin pellet.
[0045]
In the long fiber pellets of the present invention, the number of filaments of carbon fibers constituting the pellets is preferably in the range of 3,000 to 150,000. If the number is less than 3,000, the productivity may be low and the cost may increase. In addition, due to the thinness in the step of coating the carbon fiber bundle, a process trouble due to fluff or the like may occur in the coating step. If it exceeds 150,000, the strand becomes thick, so that it becomes difficult to impregnate with the thermoplastic resin and the resin having a low melt viscosity, and the surface properties, mechanical properties and conductivity of the molded product may be reduced. . More preferably, the number is from 10,000 to 100,000.
[0046]
The molded article of the present invention is a molded article obtained by using the above-mentioned pellets for injection molding. In this case, it is also preferable to dry blend a thermoplastic resin with the pellets for injection molding of the present invention in order to obtain a desired carbon fiber content.
[0047]
In addition, pellets to be dry-blended may contain talc, carbon fiber, and the like, in addition to the thermoplastic resin, as long as the effects of the present invention are not hindered. Also in the mixed pellets after dry blending, the average value of the characteristics (crystal size, atomic ratio of carbon and oxygen, etc.) of the carbon fibers contained therein is within the range of the characteristics of the carbon fibers of the present invention (crystal size). Is preferably 1.6 to 3 nm, and the atomic ratio of carbon and oxygen (O / C) is 0.02 to 0.2).
[0048]
As described above, it is effective to increase the length of carbon fibers in a molded product to simultaneously achieve conductivity and mechanical properties (especially stiffness and impact strength). However, in this case, the effects of the molding conditions, the injection molding machine, and the mold must be considered. As for the molding conditions, the lower the back pressure, the lower the injection speed, and the lower the screw rotation speed, the longer the length of the carbon fiber in the molded product tends to be. It is preferable to set the temperature as low as possible so as not to be stable. Desirable back pressure is 0.1-1 MPa. As for the injection molding machine, there is a tendency that the longer the diameter of the nozzle, the smaller the taper angle of the nozzle, the deeper the screw groove depth, and the lower the compression ratio, the longer the carbon fiber in the molded product. As for the mold, as the diameter of the sprue increases and the diameter of the gate increases, the length of the carbon fiber in the molded article tends to increase.
[0049]
As described above, in order for the molded article of the present invention to have both high electrical conductivity and mechanical properties, the carbon fiber as a reinforcing material contained in the molded article must have a weight average fiber length (lw) of 0.25. 11 mm, preferably 0.3-1 mm, more preferably 0.35-1 mm. Further, the fiber length of at least 3% by weight of the total amount of carbon fibers in the molded product is preferably in the range of 1 to 15 mm. More preferably, at least 5% by weight of the total amount of carbon fibers is in the range of 1 to 10 mm, and even more preferably, at least 5% by weight of the total amount of carbon fibers is in the range of 1 to 7 mm. Particularly preferably, at least 8% by weight of the total amount of carbon fibers is in the range from 1 to 7 mm.
[0050]
In the present invention, it is preferable that the CFRTP molded product molded by a press or an injection molding machine has a volume specific electric resistance VR of 100 Ω · cm or less, particularly of a molded product molded by injection molding. This is because the present invention can maintain the length of the carbon fiber in the molded article long by injection molding the long fiber pellets. To provide. In particular, when the compounding amount of the carbon fiber is as low as 20% by weight or less, the effect of expressing the conductivity is remarkable as compared with the ordinary pellets. The use of long fiber pellets is very effective in achieving high conductivity. Of course, the effect of improving the mechanical properties is also enormous. A more desirable volume specific electric resistance value is 50 Ω · cm or less. Particularly, when the compounding ratio of the carbon fiber is 20% by weight or more, the volume specific electric resistance is 10 Ω · cm or less. Preferably it is 5 Ω · cm or less.
[0051]
In the present invention, the electromagnetic wave shielding property at this time is preferably 20 dB or more, and more preferably 25 dB or more. In addition, the electromagnetic wave shielding property is measured according to the Advantest method, and is a numerical value in dB (unit: dB) representing an attenuation amount of the flat plate having a thickness of 1 mm when the flat plate is irradiated with an electromagnetic wave of 1 GHz.
[0052]
Since it has high rigidity due to carbon fiber, the bending stiffness at a plate thickness of 6 mm is in the range of 8 to 40 GPa according to ASTM D 790 standard (distance between spans L / plate thickness D = 16), preferably 10 GPa. It is good to use as a molded product in the range of -30 GPa, particularly preferably in the range of 15-25 GPa.
[0053]
Since the thermoplastic resin composition and the pellets for injection molding of the present invention have both thin moldability (fluidity during molding) and conductivity, it is possible to make the wall thickness smaller than conventional molded products, Most preferably, it is used as a thin molded product having a thickness in the range of 0.3 to 4 mm. More preferably, it is used as a thin molded product having a thickness of 0.5 to 3 mm, more preferably 0.6 to 2 mm, so that the effects of the present invention can be more exhibited. Particularly preferably, it is used as a thin-walled molded product having a wall thickness of 0.7 to 1.6 mm. Here, the thickness of the molded product refers to the thickness of a flat portion of the molded product excluding protrusions such as a rib portion and a boss portion.
[0054]
The present invention has determined that when a carbon fiber having such characteristics is used, it is possible to provide a conductive resin composition having both specific high conductivity and thin-wall moldability (particularly fluidity during molding). Things. That is, a carbon fiber having a specific range of bulk resistance and ILSS and strand tensile modulus by a measurement method described later in the Examples section achieves an excellent effect of simultaneously satisfying the high conductivity and thin-wall moldability. It was found that. The bulk resistance, the ILSS and the strand tensile modulus can be easily and accurately selected without measuring various properties of the carbon fiber, and are therefore extremely significant from an industrial viewpoint.
[0055]
The above-mentioned molded article of the present invention is particularly preferably a polyamide molded article whose matrix is a polyamide resin.
[0056]
Examples of the use of the molded article in the present invention include members for electronic and electric devices, which are required to have moldability and mechanical properties (particularly rigidity) in a thin molded article. Since the molded article of the present invention can achieve high rigidity, light weight, electromagnetic wave shielding properties, and the like, it is effective for uses such as housings of portable electronic and electric devices. More specifically, it is preferred for housings for large displays, notebook computers, portable telephones, PHS, PDAs (portable information terminals such as electronic notebooks), video cameras, digital still cameras, portable radio cassette players, and the like. used.
[0057]
In addition, because of its high conductivity, it is possible to impart antistatic / discharge properties by adding a small amount of carbon fiber, and members requiring such properties, for example, IC trays, baskets for transporting silicon wafers, etc. It is also useful for adaptation.
[0058]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples do not limit the present invention, and changes and implementations that do not depart from the gist of the preceding and following descriptions are all within the technical scope of the present invention. Is included.
[0059]
The evaluation items and the method for the present invention are described below. Table 1 summarizes the results of the various measurements.
(1) Bulk resistance measurement of carbon fiber aggregate
50 g of short carbon fiber cut into a length of 6 mm is divided into 20 equal parts in a cylindrical container having an inner diameter of 55 mm made of a copper plate, and the carbon fibers divided into 20 equal parts are sequentially shaken down into a cylindrical container, Next, a copper plate having an outer diameter of 47 mm was lowered from above as a pressure plate, a load of 50 N was applied to the carbon fiber aggregate, the resistance value between the two copper plates was measured while sandwiching and compressing, and the value 2 minutes after the start of the measurement was read. . A sample was taken three times for the same lot of carbon fiber, and the average value of the results measured for each sample was taken as the measured value. Using a digital multimeter (R6581 manufactured by Advantest) as a measuring device, the measurement was performed in an environment where the resistance between the copper plate electrodes was 0.001Ω, the ambient temperature was 23 ° C., and the relative humidity was 50%. The cylindrical container used was a container made of glass and having an insulating property.
(2) ILSS measurement
A carbon fiber bundle wound up to a predetermined thickness was placed in a mold, and 100 parts of an epoxy resin (Japan Epoxy Resin Co., trade name: Epicoat 828) and 3 parts of boron trifluoride / monomethylamine as a curing agent were mixed. The resin was poured into a mold and cured at 170 ° C. for 1 hour while being deaerated, and the cured product taken out of the mold was further heat-treated at 170 ° C. for 2 hours. This was cut in the length direction to prepare a test piece having a width of 5.9 mm, a thickness of 2.5 mm, a length of 190 mm and a carbon fiber volume content of 60 vol%. The length and volume content of the test piece used were the values actually measured. This test piece was evaluated by a measuring method according to ASTM D2344 (unit is MPa).
(3) Crystal size of carbon fiber
(A) When the carbon fiber is in the form of a filament
A carbon fiber was cut into a length of 4 cm, 20 mg was weighed, and a prism was prepared with a mold (length 3 cm, width 1 mm, depth 1 mm) and a collodion-alcohol solution to prepare a measurement sample.
[0060]
(B) When the carbon fiber length is around 10 mm
5 mg of carbon fiber was weighed, and a prism was prepared using a mold (length: 3 cm, width: 1 mm, depth: 1 mm) and a collodion-alcohol solution to prepare a measurement sample.
[0061]
It was measured under the following conditions by a transmission method and a wide-angle X-ray diffraction method.
[0062]
Figure 2004019055
Analysis method: From the half width of the peak of the plane index (002) obtained by the transmission method, the crystal size was determined using Scherrer's formula below.
[0063]
L (hkl) = Kλ / β0COSθB
L (hkl): average size in the direction perpendicular to the microcrystal (hkl) plane
K: 1.0
λ: X-ray wavelength
β0: (ΒE 21 2)1/2
βE: Apparent half width (measured value)
β1: 1.05 × 10-2rad (equipment constant)
θB: Bragg angle
(4) Average single fiber diameter Df of carbon fiber
It was calculated by the following equation.
[0064]
Df = [(W × 4) / (N × ρf × 100 × 3.14)]1/2× 10000
Df: average single fiber diameter (μm)
W: Weight of fiber bundle per meter (g)
N: Number of filaments in fiber bundle (number)
ρf: specific gravity of fiber
The average single fiber diameter Df of the carbon fibers was also measured by the following method. This method is a method of observing a cross section of a carbon fiber in a molded article and obtaining the same.
[0065]
A shape (circular, elliptical, or a shape in which a part of the shape was cut out) from which a short diameter could be determined was selected from the cross sections of 100 randomly extracted fibers, and the diameter (μm) was calculated as follows. .
[0066]
Df = average value of Ds
Df: average single fiber diameter (μm)
Ds: short diameter (μm)
(5) ESCA (O / C) measurement of carbon fiber surface
The measurement was performed using X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA-750, manufactured by Shimadzu Corporation).
[0067]
(A) First, carbon fibers from which a sizing agent or the like has been removed with a solvent are spread and arranged on a copper sample support, the photoelectron escape angle is set to 90 °, and MgKα1 and 2 are used as X-ray sources. Is 1.3 × 10-6Pa (1 × 10-8Torr).
[0068]
(B) As a correction of the peak due to the charging during the measurement, C1SKinetic energy value of the main peak of B. E. FIG. To 284.6 eV. C1SThe peak area is determined by drawing a linear base line in the range of 282 to 296 eV. O1SThe peak area is determined by drawing a linear baseline in the range of 528 to 540 eV.
[0069]
(C) Here, the surface oxygen concentration (O / C)1SPeak area and C1SFrom the ratio of the peak areas, it is calculated as an atomic ratio using a sensitivity correction value unique to the apparatus.
(6) Volume specific electric resistance VR
A test piece having a width of 12.7 mm, a length of 65 mm and a thickness of 2 mm, which was injection-molded with a fan gate, was subjected to measurement in a completely dry state (water content: 0.1% or less). First, a conductive paste (Dotite manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd.) is applied to the width × thickness surface having two surfaces, and the conductive paste is sufficiently dried. The value is measured with a digital multimeter (manufactured by FLUKE). The value obtained by subtracting the contact resistance of the measuring instrument and the jig from the electric resistance value was multiplied by the area of the conductive paste applied surface, and then the value was divided by the length of the test piece to obtain a volume specific electric resistance value. (Unit is Ω · cm). The injection molding was performed at a cylinder temperature of 280 ° C. and a mold temperature of 70 ° C.
(7) Flexural rigidity E
The bending rigidity was evaluated according to the ASTM D 790 standard (distance between spans L / plate thickness D = 16) (unit: GPa). The test specimens used were 6 mm thick and had a moisture content of 0.1% or less. The injection molding was performed at a cylinder temperature of 280 ° C. and a mold temperature of 70 ° C.
(8) Izod impact without notch
Evaluated by IZOD impact strength without mold notch conforming to ASTM No. 256 standard (unit is kJ / m2). The test specimens used were 3 mm thick and had a moisture content of 0.1% or less. The injection molding was performed at a cylinder temperature of 280 ° C. and a mold temperature of 70 ° C.
(9) Average fiber length lw
For the calculation, at least 400 or more carbon fiber filaments are arbitrarily extracted from the molded article, and the length is measured with an optical microscope or a scanning electron microscope to a unit of 1 μm, and the following formula (1) or It was calculated using equation (2). Here, lw is the average fiber length, Wi is the weight of the carbon fiber having the length li, and Ni is the number of carbon fibers having the length li.
[0070]
lw = {(Wi × li) / {Wi}... (1)
Equation (1) can be expressed as equation (2) for a carbon fiber having a constant diameter.
[0071]
lw = Σ (Ni × li2) / Σ (Ni × li) ... (2)
In the present invention, as a method of removing components other than carbon fibers when measuring lw, only the components other than carbon fibers are dissolved, and the contained carbon fibers are immersed in a solvent or the like that does not dissolve the molded article for a certain time, After sufficiently dissolving the components other than the carbon fiber, a method of separating from the carbon fiber by filtration or the like was employed.
[0072]
Examples 1a to 1d
Using a copolymer consisting of 99.4 mol% of acrylonitrile and 0.6 mol% of methacrylic acid, an acrylic fiber having 1 d of single fiber denier and 24,000 filaments was obtained by a dry-wet spinning method. The obtained fiber bundle is heated in air at 240 to 280 ° C. at a draw ratio of 1.05 to convert it into oxidized fiber, and then heated at 300 to 1800 ° C. in a nitrogen atmosphere at a draw ratio of 1.00. It was calcined to obtain a carbon fiber. Further, the carbon fiber is subjected to electrolytic treatment with a 0.1 mol / l aqueous sulfuric acid solution at a current of 2 to 10 coulombs / g, and alcohol-soluble nylon (Amilan CM4000, manufactured by Toray Industries, Inc.) is applied as a sizing agent. I let it. The sizing agent was applied by passing a carbon fiber bundle through a 1% methanol solution of CM4000 and then drying to remove methanol. The adhesion amount was 0.5%. The carbon fiber thus obtained had a strand strength of 4500 MPa, an elastic modulus of 270 GPa, a fiber cross-sectional diameter of 7 μm, and a crystal size of 2.3 nm.
[0073]
Table 1 shows the results of the bulk resistance measured by cutting the carbon fiber into 6 mm with the ILSS and the cutter.
[0074]
The carbon fibers were continuously treated while running at a speed of 30 m / min.
[0075]
On a roll heated at 130 ° C., a terpene phenol polymer (adduct of monocyclic monoterpene phenol and phenol, YP902 manufactured by Yasuhara Chemical Co., Ltd., weight average molecular weight 460) is continuously applied to the carbon fiber, and further 180 ° C. Ironing was performed in a heated atmosphere to impregnate the polymer into the carbon fiber bundle.
[0076]
A nylon resin pellet (Amilan CM1001100ηr = about 2.35 manufactured by Toray Industries, Inc.) is extruded by a single screw extruder while being sufficiently kneaded into a crosshead die attached to the tip of the pellet, and at the same time, the polymer is impregnated. The continuous yarns of the carbon fibers thus obtained were also continuously supplied into the crosshead die to obtain a strand in which the carbon fibers impregnated with the polymer were covered with a nylon resin. Further, the obtained resin strand was cut into a length of 7 mm with a cutter to obtain a long fiber pellet.
[0077]
The obtained long fiber pellets and nylon resin pellets are dry-blended so that the carbon fiber content in the molded article after drying is 27% by weight, and dried in vacuum at 80 ° C. for 5 hours or more. The samples were subjected to injection molding in the tests described in (1) to (9). Table 1 shows the results.
[0078]
Example 2
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that the acrylic fiber bundle of Example 1 was fired at 300 to 1300 ° C. in a nitrogen atmosphere, and the amount of electrolytic electricity was 2 coulombs / g. The carbon fiber thus obtained had a strand strength of 4900 MPa, an elastic modulus of 230 MPa, a fiber cross-sectional diameter of 7 μm, and a crystal size of 1.7 nm.
[0079]
The bulk resistance and ILSS of the carbon fiber were measured in the same manner as in Example 1. Further, long fiber pellets were obtained in the same manner as in Example 1, and injection molding was performed in the same manner as in Example 1 to evaluate. Table 1 shows the results.
[0080]
Example 3
Using a copolymer consisting of 99.4 mol% of acrylonitrile and 0.6 mol% of methacrylic acid, an acrylic fiber having a single fiber denier of 0.8 d and a filament number of 24,000 was obtained by a dry-wet spinning method. The obtained fiber bundle is heated in air at 240 to 280 ° C. at a draw ratio of 1.05 to convert it into oxidized fiber, and then heated at 300 to 2100 ° C. in a nitrogen atmosphere at a draw ratio of 1.03. It was calcined to obtain a carbon fiber. Further, the carbon fiber was subjected to an electrolytic treatment with a 0.1 mol / l aqueous solution of sulfuric acid at a current of 10 coulomb / g, and a sizing agent was applied in the same manner as in Example 1a. The carbon fiber thus obtained had a strand strength of 4500 MPa, an elastic modulus of 360 GPa, a fiber cross-sectional diameter of about 5.3 μm, and a crystal size of 2.8 nm.
[0081]
The bulk resistance and ILSS were measured in the same manner as in Example 1. Further, long fiber pellets were obtained in the same manner as in Example 1, and injection molding was performed in the same manner as in Example 1 to evaluate. Table 1 shows the results.
[0082]
Comparative Example 1
Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1 except that the treatment was performed without passing the current for the electrolytic treatment. Table 1 shows the results.
[0083]
Comparative Example 2
Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1 except that the current of the electrolytic treatment was 12 coulombs. Table 1 shows the results of the above examples and comparative examples.
[0084]
[Table 1]
Figure 2004019055
[0085]
From the results in Table 1, it can be seen that Examples 1a to 3 in which the bulk resistance is within the range of 1 to 8 Ω are more stable than those of Comparative Examples 1 to 2 in which the conductivity is higher than that of Comparative Examples 1 and 2. And the impact and rigidity are stable and high. Therefore, its superiority is clear.
[0086]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a fiber-reinforced thermoplastic resin composition exhibiting high electrical conductivity and mechanical properties, and a molded product thereof. Such a resin composition and a molded product thereof can be suitably used particularly in a wide range of industrial fields requiring the above-described properties, particularly for housings of electronic devices and the like.

Claims (13)

長さ6mmにカットした炭素繊維の集合体50gを下記に示す条件の円筒状容器に詰め込み、これに上から50Nの荷重をかけて圧縮した炭素繊維集合体の電気抵抗値の測定を開始し、その2分後の嵩電気抵抗値が1.0〜8.0Ωの範囲内であることを特徴とする炭素繊維。
円筒状容器:底部が銅板である内径55mmの絶縁性円筒状容器
円筒状容器に炭素繊維を投入する方法:6mmにカットした炭素繊維50gを20等分し、それを順番に円筒状容器に投入する。
圧縮方法 :圧力板として外径47mmの銅製円板で上から容器内の炭素繊維維集合体を圧縮する。
A carbon fiber aggregate 50 g cut to a length of 6 mm was packed in a cylindrical container under the following conditions, and a measurement of the electrical resistance value of the carbon fiber aggregate compressed by applying a load of 50 N from above was started. A carbon fiber, wherein the bulk electric resistance value after 2 minutes is in the range of 1.0 to 8.0Ω.
Cylindrical container: Insulating cylindrical container having a bottom part made of a copper plate and having an inner diameter of 55 mm Method of charging carbon fiber into cylindrical container: 50 g of carbon fiber cut to 6 mm is divided into 20 equal parts, which are sequentially charged into the cylindrical container I do.
Compression method: The carbon fiber assembly in the container is compressed from above with a copper disk having an outer diameter of 47 mm as a pressure plate.
下記に示す条件で測定した層間剪断破壊強度(ILSS)が60〜85MPaの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の炭素繊維。
成形条件:
・樹脂;エポキシ樹脂 商品名エピコート828、硬化剤3フッ化硼素モノメチルアミン
・炭素繊維体積含有率;60vol%
硬化条件:170℃で1時間加熱後、アフターキュアを170℃で2時間加熱
測定条件:ASTM D2344に準拠
The carbon fiber according to claim 1, wherein an interlayer shear strength (ILSS) measured under the following conditions is in a range of 60 to 85 MPa.
Molding condition:
・ Resin: Epoxy resin Epicoat 828, curing agent Boron trifluoride monomethylamine ・ Carbon fiber volume content: 60 vol%
Curing condition: After heating at 170 ° C. for 1 hour, after-curing is heated at 170 ° C. for 2 hours Measurement condition: According to ASTM D2344
広角X線回折法で測定した炭素繊維の結晶サイズが1.6〜4.5nmの範囲内であり、かつESCAで測定したO/Cが0.02〜0.2の範囲内であり、さらに平均単繊維直径が3〜15μmの範囲内であることを特徴とする請求項1または2に記載の炭素繊維。The crystal size of the carbon fiber measured by the wide-angle X-ray diffraction method is in the range of 1.6 to 4.5 nm, and the O / C measured by ESCA is in the range of 0.02 to 0.2. The carbon fiber according to claim 1, wherein the average single fiber diameter is in a range of 3 to 15 μm. ストランド引張弾性率が230〜400GPaの範囲内であるアクリル系炭素繊維であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊維。The carbon fiber according to any one of claims 1 to 3, wherein the strand is an acrylic carbon fiber having a tensile elastic modulus in a range of 230 to 400 GPa. 繊維長が1〜15mmの範囲内の長さを有するものである請求項1〜4のいずれかに記載の熱可塑性樹脂組成物用炭素繊維。The carbon fiber for a thermoplastic resin composition according to any one of claims 1 to 4, wherein the fiber length has a length in a range of 1 to 15 mm. 少なくとも、熱可塑性樹脂と、請求項1〜4のいずれかに記載の炭素繊維とが含まれるものである熱可塑性樹脂組成物。A thermoplastic resin composition comprising at least a thermoplastic resin and the carbon fiber according to any one of claims 1 to 4. 前記熱可塑性樹脂組成物中に前記炭素繊維が10〜60重量%の範囲内で含まれるものである請求項6に記載の熱可塑性樹脂組成物。The thermoplastic resin composition according to claim 6, wherein the carbon fiber is contained in the thermoplastic resin composition in a range of 10 to 60% by weight. 請求項6または7に記載の熱可塑性樹脂組成物から構成されるものである長繊維ペレット。A long-fiber pellet comprising the thermoplastic resin composition according to claim 6. 少なくとも、前記炭素繊維と前記熱可塑性樹脂より溶融粘度が低い熱可塑性樹脂重合体とを含有する複合体と、前記熱可塑性樹脂とが直接に接するように配置されているものである請求項7または8に記載の長繊維ペレット。At least, a composite containing a thermoplastic resin polymer having a lower melt viscosity than the carbon fiber and the thermoplastic resin, and the thermoplastic resin are arranged so as to be in direct contact with each other. 8. The long fiber pellet according to 8. 前記熱可塑性樹脂が、前記複合体の周囲を被覆するように配置されてなるものである請求項9のいずれかに記載の長繊維ペレット。The long fiber pellet according to claim 9, wherein the thermoplastic resin is arranged so as to cover the periphery of the composite. 前記炭素繊維が、フィラメント数3,000〜150,000本の範囲内の炭素繊維束で構成されているものである請求項8〜10のいずれかに記載の長繊維ペレット。The long fiber pellet according to any one of claims 8 to 10, wherein the carbon fiber is constituted by a carbon fiber bundle having a number of filaments in the range of 3,000 to 150,000. 少なくとも請求項8〜11のいずれかに記載の長繊維ペレットが含まれるペレットを射出成形してなる射出成形品。An injection-molded product obtained by injection-molding a pellet containing at least the long fiber pellet according to any one of claims 8 to 11. 前記炭素繊維の重量平均繊維長lwが0.25〜1mmの範囲内である請求項12に記載の射出成形品。The injection molded article according to claim 12, wherein the weight average fiber length lw of the carbon fiber is in a range of 0.25 to 1 mm.
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