JP2004244531A

JP2004244531A - 熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランド及び繊維強化複合材料

Info

Publication number: JP2004244531A
Application number: JP2003036610A
Authority: JP
Inventors: Tadayuki Aoyama; 忠幸青山
Original assignee: Toho Tenax Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】マトリックス樹脂との接着性が高く、集束性、成形安定性に優れた熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランド及び前記チョップドストランドを用いた繊維強化複合材料を提供する。
【解決手段】フレーム原子吸光分析法により測定される１価又は２価の金属元素の総含有量が５０〜６００ｐｐｍで、サイズ剤付着量が１．５〜６．０質量％である熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランド。前記チョップドストランドと、熱可塑性樹脂とを含む維強化複合材料。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集束性、成形安定性に優れた熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランドに関する。また、本発明は、前記チョップドストランドと熱可塑性樹脂とを含む力学特性に優れた繊維強化複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維チョップドストランドは、サイズ剤で集束した炭素繊維束を所定の長さで切断した束状の補強材繊維である。炭素繊維チョップドストランドは熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化複合材料に汎用され、例えばシート・モールディング・コンパウンド（ＳＭＣ）、バルク・モールディング・コンパウンド（ＢＭＣ）、ハンドレイアップ等により製造される。
【０００３】
また、炭素繊維チョップドストランドは、熱硬化性樹脂だけでなく、熱可塑性樹脂、特にエンジニアプラスチックをマトリックス樹脂とする繊維強化複合材料の製造にも多用される。熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化複合材料（炭素繊維強化熱可塑性樹脂）は、非強化樹脂に比べ、強度、剛性、電気特性、寸法安定性等に優れており、ＯＡ機器、自動車等に利用されている。
【０００４】
通常、炭素繊維チョップドストランドは、長さ１〜１０ｍｍ、フィラメント数３，０００本（３Ｋ）乃至５０，０００本（５０Ｋ）程度の束状に形成される。熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化複合材料の一般的な製造方法は、この炭素繊維チョップドストランドを熱可塑性樹脂ペレット或いはパウダーと共に押出機で溶融混練してペレット化し、射出成形することにより行われる。
【０００５】
マトリックス樹脂に使用する熱可塑性樹脂としては、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート等のエンジニアプラスチック、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルスルホン等のスーパーエンジニアプラスチック、ＡＢＳ、ポリプロピレンなどの汎用樹脂等があり、これらの樹脂は用途により適宜選択され用いられる。
【０００６】
成形温度が高い熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂として用いる場合にはコンパウンド及び成形温度を高温にする必要があるが、高温においてはチョップドストランドを被覆したサイズ剤が熱分解領域に達して分解ガスが発生する。サイズ剤の熱分解は、マトリックス樹脂の成形不良や分子量低下を起こす原因の一つとなる。
【０００７】
従って、強化材を被覆するサイズ剤の付着量は、サイズ剤の熱分解によるマトリックス樹脂への影響を考慮すると、極力減らす事が求められる。その一方で、ペレット製造用の押出機に定量的に且つ安定的に供給する工程安定性の観点からは、ある程度の付着量が必要となり、サイズ付着量の範囲の適正化が重要となる。
【０００８】
炭素繊維チョップドストランドに用いるサイズ剤としては、ウレタン系樹脂及びエポキシ系樹脂等がある。特開平４−８２９６９号公報（特許文献１）に水系ポリウレタンで収束した炭素繊維が開示されているが、上記のようなサイズ剤の熱分解に関する耐熱性については考慮されていない。また、特公昭６２−５６２６６号公報（特許文献２）には、低分子量エポキシ樹脂で収束した炭素繊維が開示されている。エポキシ系樹脂はウレタン系樹脂に比べ比較的熱分解温度が高いものの、低分子量であることから耐熱性が低い。更にエポキシ樹脂は、集束性が充分でない為、コンパウンド時に炭素繊維チョップドストランドを安定して供給することが困難である。
【０００９】
また、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いた場合には、金属塩類の存在はコンパウンド及び成形時のマトリックス樹脂の成形不良及び分子量低下を起こす原因の一つとなる。ポリカーボネート樹脂は、特に金属塩類の影響を受けやすく、中でも炭酸塩類の影響は極めて大きい（非特許文献１参照）。炭素繊維チョップドストランド中に金属塩類が含まれる場合も例外でなく、金属塩類が多く含まれているとポリカーボネート樹脂の分子量の低下率が大きくなり、成形不良等につながる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平４−８２９６９号公報（請求項１）
【特許文献２】
特公昭６２−５６２６６号公報（特許請求の範囲）
【非特許文献１】
本間精一編「ポリカーボネート樹脂ハンドブック」日刊工業、１９９２年８月２８日、ｐ．３３２
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、マトリックス樹脂と炭素繊維との接着性を高めるためにはある程度のマトリックス樹脂の分子量低下が必要であり、炭素繊維チョップドストランド中の金属塩類が極端に少ない場合は、マトリックス樹脂と炭素繊維との接着性が悪くなって繊維強化複合材料の機械特性が低下すると考えた。
【００１２】
このように、マトリックス樹脂に影響する炭素繊維チョップドストランド中の金属塩類の量をある程度の範囲内に制御することが望ましいが、炭素繊維チョップドストランド中の金属量を考慮したものは、未だ提案されていない。
【００１３】
従って、本発明の目的は、サイズ剤の付着量とチョップドストランドに含まれる金属成分の含有量を一定の範囲とすることによりコンパウンド及び成形時に於ける熱可塑性樹脂の分子量低下を適度に調整し、マトリックス樹脂との接着性が高く、集束性、成形安定性に優れる熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランドを提供することにある。
【００１４】
また、本発明の目的は、前記熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランドと熱可塑性樹脂を用いた優れた力学特性を有する繊維強化複合材料を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明は、以下に記載するものである。
【００１６】
〔１〕フレーム原子吸光分析法により測定される１価又は２価の金属元素の総含有量が５０〜６００ｐｐｍで、サイズ剤付着量が１．５〜６．０質量％であることを特徴とする熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランド。
【００１７】
〔２〕フレーム原子吸光分析法により測定されるナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、鉄及び亜鉛の総含有量が５０ｐｐｍ以上である〔１〕に記載の熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランド。
【００１８】
〔３〕Ｘ線光電子分光法（ＥＳＣＡ法）により測定される表面酸素濃度比Ｏ／Ｃピークが０．０３〜０．２である炭素繊維にサイズ剤を付着してなる〔１〕又は〔２〕に記載の熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランド。
【００１９】
〔４〕サイズ剤がウレタン樹脂である〔１〕乃至〔３〕のいずれかに記載の熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランド。
【００２０】
〔５〕嵩密度が３００ｇ／ｌ以上である〔１〕乃至〔４〕のいずれかに記載の熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランド。
【００２１】
〔６〕〔１〕乃至〔５〕のいずれかに記載の熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランドと、熱可塑性樹脂とを含む繊維強化複合材料。
【００２２】
〔７〕熱可塑性樹脂が、ポリカーボネートである〔６〕に記載の繊維強化複合材料。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の炭素繊維チョップドストランドは、フレーム原子吸光分析法により測定される１価又は２価の金属元素の総含有量が５０〜６００ｐｐｍである。
【００２４】
炭素繊維チョップドストランドに含まれる１価及び２価の金属元素の総含有量が５０ｐｐｍ未満の場合、繊維強化複合材料に用いた場合にマトリックス樹脂の分子量低下が少なく、マトリックス樹脂と炭素繊維の接着性が不十分であり、機械特性に優れた繊維強化複合材料を得ることができない。
【００２５】
また、炭素繊維チョップドストランドの１価及び２価の金属元素の総含有量が６００ｐｐｍを超える場合、マトリックス樹脂の分子量低下が大きく、成形安定性及び生産性が劣るものとなる。
【００２６】
１価又は２価の金属元素の含有量を上記範囲に調整することにより、本発明のチョップドストランドと熱可塑性樹脂とを用いて繊維強化複合材料を製造したときに、炭素繊維の極近傍に存在するマトリックス樹脂が適度に分解し、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性を高めることができる。
【００２７】
なお、本発明において、１価又は２価の金属元素とは、イオン化したときに通常１価又は２価のイオンとなる金属元素をいい、例えば、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属、マグネシウム、カルシウム等のアルカリ土類金属、鉄、亜鉛、銅等を挙げることができる。１価又は２価の金属元素の好ましい総含有量は、７０〜５５０ｐｐｍである。
【００２８】
本発明のチョップドストランドは１価又は２価の金属元素の総含有量が上記範囲内であればよいが、１価又は２価の金属元素の中でもチョップドストランドに多く含まれる金属元素であって、マトリックス樹脂に及ぼす影響が大きいと考えられるナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、鉄及び亜鉛の総含有量が５０ｐｐｍ以上であることが好ましく、７０〜５５０ｐｐｍであることがより好ましく、１００〜５００ｐｐｍであることが更に好ましい。
【００２９】
また、本発明において、フレーム原子吸光分析法による分析は、炭素繊維チョップドストランドを灰化し、その残分を塩酸、王水等の溶媒に加熱溶解させ、冷却して得た溶液について行うものとする。
【００３０】
本発明の炭素繊維チョップドストランドのサイズ剤付着量は１．５〜６．０質量％とする。
【００３１】
炭素繊維チョップドストランドのサイズ剤付着量が１．５質量％未満の場合、集束性が不十分であることから、繊維強化複合材料を製造する際の押出機にてペレット化する工程で、ストランドが容易に開繊してフィード性が低下し、一定量の供給が困難となる。
【００３２】
また、炭素繊維チョップドストランドのサイズ剤付着量が６．０質量％を超える場合、コンパウンド及び成形時の炭素繊維チョップドストランドの分散性が悪くなる。更に、押出機にてペレット化する工程で、サイズ剤の熱分解ガスの発生量が多くなり、それに伴うマトリックス樹脂の分子量低下が大きく、繊維強化複合材料の成形安定性及び生産性が劣る。
【００３３】
サイズ剤は、使用するマトリックス樹脂との相溶性が良いものをマトリックス樹脂の種類の応じて選択することが好ましい。
【００３４】
サイズ剤としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂等を挙げることができ、これらの樹脂を２種以上混合して用いてもよい。
【００３５】
熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂として繊維強化複合材料を製造する場合、サイズ剤には、集束性及び靭性に優れるウレタン樹脂を用いることが好ましい。ウレタン樹脂は熱可塑性樹脂になじみが良く、特にポリカーボネート樹脂との相溶性に優れる。このため、ポリカーボネート樹脂等の熱可塑性樹脂を用いた場合には力学特性の高い繊維強化複合材料を得ることができる。
【００３６】
以下、本発明のチョップドストランドの製造方法について説明する。
【００３７】
本発明のチョップドストランドに用いる炭素繊維は、公知の炭素繊維、例えばレーヨン、ポリアクリロニトリル、ピッチ、リグニン、炭化水素ガスを用いて製造した炭素繊維や黒鉛質繊維の中から任意に選んで用いることができる。特に、汎用性、強度及び弾性率、価格のバランスを考慮して、ポリアクリロニトリル系重合体繊維をプリカーサーとする炭素繊維が好ましい。
【００３８】
チョップドストランドの１価又は２価の金属元素の総含有量が上記範囲となるように、必要によりプリカーサー等の炭素繊維前駆体の製造工程において洗浄を行う。炭素繊維ストランドに含まれる金属塩類の含有量と、プリカーサー等の炭素繊維前駆体に含まれる金属塩類量との間には相関性があることから、プリカーサー等の金属塩類量を制御することで、炭素繊維チョップドストランドの金属塩類の含有量を所望のものとすることが可能となる。
【００３９】
プリカーサーに含まれる金属塩類量を調節する具体的な方法としては、紡糸したプリカーサーの凝固液を洗浄水として用いた洗浄工程において、洗浄流量、洗浄時間、洗浄液量に対する洗浄対象物の割合等を制御する方法を挙げることができる。また、プリカーサーに含まれる金属塩類の含有量の調節は、プリカーサーの洗浄を行って金属塩類を完全に除去した後に、金属塩類を付着する方法を用いてもよい。
【００４０】
なお、チョップドストランドに含まれる１価又は２価の金属元素の総含有量が上記範囲となるようにするには、プリカーサーに含まれる１価又は２価の金属元素の総含有量が概ね１００〜１２００ｐｐｍ程度となるよう調整すればよい。
【００４１】
洗浄工程を経たプリカーサーは公知の方法により炭素化して炭素繊維とする。炭素繊維は、炭素繊維ストランド（束）として得る。
【００４２】
炭素繊維ストランドのフィラメント（単繊維）の本数は、特に限定されないが、成形加工性等を考慮して３，０００本（３Ｋ）〜５０，０００本（５０Ｋ）であることが好ましい。また、単繊維直径は５〜１０μｍであることが好ましい。
【００４３】
また、炭素繊維ストランドを構成する炭素繊維表面は、マトリックス樹脂との接着性の改良を目的として表面処理を施すことが好ましい。
【００４４】
表面処理方法としては、公知の方法として液相及び気相処理等があるが、生産性、安定性、価格面等の点から液相電解表面処理が好ましい。
【００４５】
この表面処理を行う程度の目安の指標として、Ｘ線光電子分光法（ＥＳＣＡ）により測定される炭素繊維の表面酸素濃度比Ｏ／Ｃ、表面窒素濃度比Ｎ／Ｃによって管理することが好ましい。本発明においては、炭素繊維の表面酸素濃度比Ｏ／Ｃを用いることがより好ましい。
【００４６】
炭素繊維の表面酸素濃度比Ｏ／Ｃの測定は、例えば日本電子（株）製Ｘ線光電子分光器ＥＳＣＡＪＰＳ−９０００ＭＸ等を用いて以下のように行う。サイズ剤付与前のあるいは予めサイズ剤を除いた炭素繊維に、Ｍｇを対極として電子線加速電圧１０ｋＶ、電流１０ｍＡの条件にて発生したＸ線を照射し、炭素原子、酸素原子より発生する光電子のスペクトルを測定し、その面積比を算出する。
【００４７】
炭素繊維の表面処理の程度としては、表面酸素濃度比Ｏ／Ｃが０．０３〜０．２となるように行うことが好ましい。
【００４８】
表面酸素濃度比Ｏ／Ｃが０．２を越えた場合、炭素繊維の熱重量減少が多くなり、炭素繊維の熱分解物がマトリックス樹脂、特にポリカーボネート等の熱可塑性樹脂の分子量低下を促し、繊維強化複合材料としての本来の性能を発揮し得ない傾向がある。
【００４９】
一方、表面酸素濃度比Ｏ／Ｃが０．０３未満の場合、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性が不足し、繊維強化複合材料に於ける機械特性が充分に発揮されない傾向がある。
【００５０】
上記のように表面処理を施した炭素繊維は、充分洗浄して表面に存在する電解物質を除去した後、サイズ剤を付与する。
【００５１】
サイズ剤の付与方法としては、スプレー法、液浸法、転写法等、公知の方法を用いることができるが、汎用的で効率性が高く、均一に付与できることから液浸法が好ましい。
【００５２】
炭素繊維ストランドをサイズ液に含浸させる際には、サイズ液中に設けた液没ローラ又は液浸ローラを用いて開繊と絞りを繰り返して、炭素繊維ストランドの内部までサイズ剤を含浸させ、集束性を良くすることが好ましい。
【００５３】
更にサイズ剤の付与方法は、サイズ剤を溶解させる溶媒によりエマルジョン法と溶剤法とに分類できる。溶剤法においては、サイズ剤を溶解させる溶媒としてケトン類、アルコール類、有機塩素化合物等を使用できる。
【００５４】
本発明においては、環境汚染防止、安全性等の観点からエマルジョン法を用いることが好ましい。
【００５５】
また、サイズ剤の付与は、サイズ剤樹脂を二段階以上に分けて付与してもよい。
【００５６】
サイズ剤付与処理を行った炭素繊維ストランドは、溶剤や水分を除去するため乾燥を行う。乾燥ゾーンの雰囲気温度は、溶剤法を用いた場合は、サイズ剤の溶媒として用いた溶剤の沸点により決定する。汎用的なエマルジョンを用いた場合は、乾燥ゾーンの雰囲気温度は８０〜２００℃が好ましい。乾燥温度が高い場合、或いは乾燥時間が長い場合は乾燥状態が良好である。但し、乾燥温度が２００℃を超えるとサイズ剤の樹脂劣化が生じ、ストランドは柔軟性に欠けたものとなりやすい。一方、水分が揮発可能な温度より低い温度（８０℃未満）の場合は乾燥不足となる。水分を多く含んだ炭素繊維チョップドストランドは、マトリックス樹脂、特にポリカーボネート樹脂等のコンパウンド工程でマトリックス樹脂の加水分解を誘発し、分子量低下を招きやすい。
【００５７】
エマルジョン法によりサイズ剤付与処理を行った炭素繊維チョップドストランドは、絶乾状態であることが好ましい。また、その水分率は、生産工程での雰囲気及びマトリックス樹脂の成形時に於ける熱分解による影響を考慮して、０．０４〜０．２質量％であることが好ましい。
【００５８】
なお、水分率は、炭素繊維チョップドストランドの質量（Ｗ_１）と、１３０℃の乾燥機１時間放置した後、更に温度２６℃、湿度６０％の雰囲気に１０分放置して測定した炭素繊維チョップドストランドの質量（Ｗ_２）との差から次式（１）により導かれる値である。
【００５９】
水分率（質量％）＝（Ｗ_１−Ｗ_２）／Ｗ_１×１００（１）
炭素繊維製造原料のプリカーサーからサイズ剤付与処理後に行う乾燥までのいずれかの段階で、プリカーサー又は炭素繊維ストランドを加撚してもよい。加撚することにより、ストランドの集束性を高め、フィラメント切れによる毛羽立ちを抑制できる。加撚の程度としては、２個／ｍ〜３０個／ｍが好ましい。
【００６０】
このようにして得られる炭素繊維ストランドは切断することにより本発明のチョップドストランドとする。本発明のチョップドストランドには引張強度３０００ＭＰａ以上、引張弾性率２００ＧＰａ以上のものを用いることが好ましい。
【００６１】
切断工程においては、炭素繊維ストランドをロービングカッター等のロータリーカッター式カッター、ギロチンカッター等通常用いられるカッターで繊維長１〜１０ｍｍ程度、好ましくは３〜８ｍｍに切断する。
【００６２】
なお、炭素繊維ストランドは、プリカーサー等の炭素化後、巻き取ることなくサイズ剤付着工程、乾燥工程を経て複数本合糸しながら切断工程により所定長に切断するまで連続的に製造を行う方法が生産効率が高く好ましい。
【００６３】
このようにして得られる炭素繊維チョップドストランドの集束性を評価する尺度として、嵩密度を用いることができる。
【００６４】
炭素繊維チョップドストランドの嵩密度は３００ｇ／ｌ以上が好ましく、３５０ｇ／ｌがより好ましく、４００ｇ／ｌが更に好ましい。
【００６５】
本発明の炭素繊維チョップドストランドは、公知の方法により熱可塑性樹脂と溶融混練してペレット化し、成形することにより繊維強化複合材料を製造できる。
【００６６】
マトリックス樹脂として用いられる熱可塑性樹脂としては、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート等の汎用エンジニアリングプラスチック；ＡＢＳ、ポリプロピレン等の汎用プラスチック；ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルスルホン等のスーパーエンジニアリングプラスチックス等を挙げることができる。本発明においてはマトリックス樹脂として、ポリカーボネートを用いることが好ましい。
【００６７】
炭素繊維チョップドストランドの配合量は特に制限がないが、繊維強化複合材料の全質量に対して５〜４０質量％とすることが好ましい。
【００６８】
【実施例】
以下の実施例により本発明を更に具体的に説明する。実施例に於ける各測定値は下記の方法で求めた。
【００６９】
［金属分析］
炭素繊維チョップドストランド中の金属元素の含有量について、下記の手順に従い、フレーム原子吸光分析法により測定した。フレーム原子吸光分析には、ジャーレル・アッシュ製フレーム原子吸光分析装置ＡＡ−８８０を用いた。
（ａ）炭素繊維チョップドストランドを電気炉にて灰分化した。
（ｂ）前記残分を塩酸、王水などの溶媒に加熱溶解させた。
（ｃ）前記溶解液を冷却後、純水で所定量希釈した後、該分析を行った。
【００７０】
［サイズ付着量］
サイズ付着量は、硫酸分解法にて測定を行った。測定は下記の手順にて行った。
炭素繊維チョップドストランドを２ｇ（Ｗ_ａ）秤量した。次いでこれに濃硫酸１００ｍｌを加え、時計皿で蓋をし、約２００℃で１時間加熱してサイズ剤を除去した。冷却後、精秤してあるガラスフィルター（Ｗ_ｂ）を用いて炭素繊維を濾別した。次いで充分な水で炭素繊維を洗浄した後、炭素繊維の入ったガラスフィルターを１１０℃±３℃で２時間乾燥し、デシケーターで室温まで冷却した後の質量（Ｗ_ｃ）を測定した。
【００７１】
次式（２）によって、サイズ付着量を求めた。
サイズ付着量（質量％）＝（Ｗ_ａ−Ｗ_ｃ＋Ｗ_ｂ）／Ｗ_ａ×１００（２）
【００７２】
［炭素繊維の表面酸素濃度（Ｏ／Ｃ）］
日本電子（株）製Ｘ線光電子分光器ＥＳＣＡＪＰＳ−９０００ＭＸにより、予めサイズ剤を除いた炭素繊維にＭｇを対極として電子線加速電圧１０ｋＶ、電流１０ｍＡの条件にて発生したＸ線を照射した。炭素原子、酸素原子より発生する光電子のスペクトルを測定し、その面積比を算出した。
【００７３】
［嵩密度］
２０００ｍｌのメスシリンダーに３００ｇの炭素繊維チョップドストランドを充填し、軽く衝撃を与えて体積に変化が無くなった時の体積を求め、この体積と炭素繊維チョップドストランドの質量とから嵩密度を算出した。
【００７４】
［分子量］（ポリカーボネート）
塩化メチレンにコンパウンドペレット（又はポリカーボネート樹脂ペレット）を溶解させた後、炭素繊維を完全に濾別し、溶媒を揮発させた。次いで、析出したポリカーボネート樹脂を再度塩化メチレンで、所定濃度（０．７ｇ／ｌ）に溶解し、２０℃の温度下で比粘度（η_ｓｐ）を測定し、分子量を下記式（３）より算出した。
η_ｓｐ／Ｃ＝［η］＋０．４５×［η］^２Ｃ（３）
［η］＝１．２３×１０^−４Ｍ
（Ｃ：濃度、［η］：極限粘度、Ｍ：分子量）
【００７５】
［力学特性試験］
各力学特性試験は、下記ＪＩＳ規格に準拠して測定を行った。
（ａ）引張強度測定ＪＩＳＫ７１１３
（ｂ）曲げ強度測定ＪＩＳＫ７２０３
（ｃ）アイゾット衝撃値測定ＪＩＳＫ７１１０
【００７６】
実施例１〜３
ポリアクリロニトリルの塩化亜鉛水溶液を紡糸液として紡糸したプリカーサーの凝固系洗浄水の洗浄流量を調整し、表１に示す金属元素総量の炭素繊維ストランド（２４０００フィラメント、引張強度４８００ＭＰａ、引張弾性率２４０ＧＰａ、単繊維径７μｍ）を製造した。ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系プリカーサーを酸化性雰囲気中２４０〜２７０℃の範囲内で温度勾配を有する耐炎化炉にて処理し、耐炎繊維比重１．３〜１．４５のＰＡＮ系耐炎繊維を得た。次いで、得られた耐炎繊維を不溶性雰囲気中３００〜１４００℃の温度勾配を有する炭素化炉にて処理し、炭素繊維比重１．７〜１．８５の炭素繊維を得た。得られた炭素繊維を電解表面処理した後、水洗して電解物質を取り除いた。その後、エステル系ウレタン樹脂エマルジョン溶液であるハイドランＨＷ−３０１（大日本インキ化学製）又はハイドランＨＷ−９４０（大日本インキ化学製）のサイジング浴に連続的に含浸させた。次いで、１５０℃の乾燥機にて乾燥した後、繊維長６ｍｍにカットした。得られた炭素繊維チョップドストランドは品質良好であった。
【００７７】
この炭素繊維チョップドストランドとポリカーボネート樹脂ペレット（″パンライト″Ｌ−１２５０［帝人化成製］）を炭素繊維含有量が３０質量％となるように、４ｍｍベント式押出機にて溶融混練（３００℃）してストランド状に押出し、水冷後切断してコンパウンドペレットを得た。このペレットを１２０℃にて十分乾燥した後、射出成形機にて試験片を作製し、機械特性について測定した。その結果を表１に示す。表１に示すように、いずれのコンパウンドペレットも分子量の適度な低下が見られ、得られた試験片も高い機械特性を示すものであった。
【００７８】
尚、原料のポリカーボネート樹脂ペレットの分子量は２１６００であった。
【００７９】
【表１】

【００８０】
実施例４
サイズの付着量を４．０質量％とした以外は、実施例１〜３と同様の試験を行った。結果を表１に示す。コンパウンドペレットは分子量の適度な低下が見られ、得られた試験片も高い機械特性を示すものであった。
【００８１】
実施例５
サイズの付着量を２．６質量％、Ｏ／Ｃを０．１９とした以外は、実施例１〜３と同様の試験を行った。結果を表１に示す。コンパウンドペレットは分子量の適度な低下が見られ、得られた試験片も高い機械特性を示すものであった。
【００８２】
比較例１
炭素繊維チョップドストランド中の金属元素総量を３０ｐｐｍとした以外は、実施例１〜３と同様の試験を行った。結果を表１に示す。表１に示すように、比較例１ではコンパウンドペレットの分子量低下が少なく、マトリックス樹脂と炭素繊維との接着性が悪くなり、試験片の機械特性面で満足する結果が得られなかった。
【００８３】
比較例２
炭素繊維チョップドストランド中の金属元素総量を８６５ｐｐｍとした以外は実施例１〜３と同様の試験を行った。結果を表１に示す。表１に示すように、コンパウンドペレットの分子量が１７５００と低下度が大きく、射出成形機投入時の樹脂フローが多くなり、良品の成形物が得られなかった。
【００８４】
比較例３
サイズの付着量を１．２質量％とした以外は、実施例１〜３と同様の試験を行った。結果を表１に示す。押出工程に於ける炭素繊維チョップドストランドの毛羽立ちにより炭素繊維チョップドストランドの供給が不安定となり、まともなコンパウンドペレットが得られなかった。
【００８５】
比較例４
サイズの付着量を６．５質量％とした以外は、実施例１〜３と同様の試験を行った。結果を表１に示す。表１に示すように、コンパウンドペレットの分子量が１７９００と低下度が大きく、射出成形機投入時の樹脂フローが多くなり、良品の成形物が得られなかった。
【００８６】
【発明の効果】
本発明の熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランドは、サイズ剤の付着量と金属成分の含有量が所定の範囲内であるのでコンパウンド及び成形時に於ける熱可塑性樹脂の分子量低下率を適度に調整することができるため、マトリックス樹脂との接着性が高く、集束性、成形安定性に優れる。
【００８７】
また、前記チョップドストランドをポリカーボネート樹脂等の熱可塑性樹脂の繊維強化材として用いれば力学特性に優れた繊維強化複合材料を得ることができる。

Claims

フレーム原子吸光分析法により測定される１価又は２価の金属元素の総含有量が５０〜６００ｐｐｍで、サイズ剤付着量が１．５〜６．０質量％であることを特徴とする熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランド。
フレーム原子吸光分析法により測定されるナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、鉄及び亜鉛の総含有量が５０ｐｐｍ以上である請求項１に記載の熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランド。
Ｘ線光電子分光法（ＥＳＣＡ法）により測定される表面酸素濃度比Ｏ／Ｃピークが０．０３〜０．２である炭素繊維にサイズ剤を付着してなる請求項１又は２に記載の熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランド。
サイズ剤がウレタン樹脂である請求項１乃至３のいずれかに記載の熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランド。
嵩密度が３００ｇ／ｌ以上である請求項１乃至４のいずれかに記載の熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランド。
請求項１乃至５のいずれかに記載の熱可塑性樹脂用炭素繊維チョップドストランドと、熱可塑性樹脂とを含む繊維強化複合材料。
熱可塑性樹脂が、ポリカーボネートである請求項６に記載の繊維強化複合材料。