JP2004300267A - 炭素繊維強化モールディングコンパウンドおよびそれからなる成形体 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、高い機械的特性を発現可能な炭素繊維強化モールディングコンパウンドおよびその成形体を提供せんとするものである。
【解決手段】本発明の炭素繊維強化モールディングコンパウンドは、炭素繊維を強化繊維とし、かつ、ビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂を主成分とする樹脂からなるモールディングコンパウンドにおいて、該炭素繊維が、単繊維の原子間力顕微鏡によって測定される表面積比が１．０以上１．１以下の断面形状が真円状であり、、繊維長が１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、かつ末端不飽和基と極性基を共に有する化合物からなるサイジング剤が表面にコーティングされなるものであることを特徴とするものである。また、本発明の成形体は、かかる炭素繊維強化モールディングコンパウンドを加圧成形することによって得られることを特徴とするものである。
【選択図】なし
【解決手段】本発明の炭素繊維強化モールディングコンパウンドは、炭素繊維を強化繊維とし、かつ、ビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂を主成分とする樹脂からなるモールディングコンパウンドにおいて、該炭素繊維が、単繊維の原子間力顕微鏡によって測定される表面積比が１．０以上１．１以下の断面形状が真円状であり、、繊維長が１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、かつ末端不飽和基と極性基を共に有する化合物からなるサイジング剤が表面にコーティングされなるものであることを特徴とするものである。また、本発明の成形体は、かかる炭素繊維強化モールディングコンパウンドを加圧成形することによって得られることを特徴とするものである。
【選択図】なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維強化モールディングコンパウンドおよびそれからなる成形体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、自動車用外板、内装材および構造材料などにガラス繊維強化のバルクモールディングコンパウンドあるいはシートモールディングコンパウンドといったモールディングコンパウンドおよびその成形体が用いられているが、ガラス繊維の比重が２．５と大きいため、さらに軽量化を狙って比重が１．８前後と軽く、かつ弾性率もガラス繊維対比約３倍高く薄肉軽量化が可能な炭素繊維で強化したモールディングコンパウンドおよびその成形体が検討されている。マトリックス樹脂の主剤としては、コストパフォーマンスからビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂が重要である。
【０００３】
炭素繊維を強化繊維とするモールディングコンパウンドおよびその成形体については、たとえば、特定の強度、弾性率を有する炭素繊維を強化繊維とする技術などが提案されている（特許文献１参照）。しかし、炭素繊維とビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂との接着性が不十分なために、得られる成形体の機械的特性はエポキシ樹脂の場合に比べて低く、炭素繊維の特長を充分に発現することができないという問題があった。
【０００４】
炭素繊維とビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂との接着性の向上については、たとえば特定のサイジング剤組成物を使用することにより、長繊維において樹脂接着性が向上する技術が提案されている（特許文献２参照）。しかし、そのまま短繊維に適用しても、その成形体では良い機械的特性が得られないという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１３９８３１号公報
【０００６】
【特許文献２】特開平１１−９３０７８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来技術が有する問題点に鑑み、高い機械的特性を発現可能な炭素繊維強化モールディングコンパウンドおよびその成形体を提供せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の炭素繊維強化モールディングコンパウンドは、炭素繊維を強化繊維とし、かつ、ビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂を主成分とする樹脂からなるモールディングコンパウンドにおいて、該炭素繊維が、単繊維の原子間力顕微鏡によって測定される表面積比が１．０以上１．１以下である断面形状が真円状であり、繊維長が１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、かつ末端不飽和基と極性基を共に有する化合物からなるサイジング剤が表面にコーティングされなるものであることを特徴とするものである。また、本発明の成形体は、かかる炭素繊維強化モールディングコンパウンドを加圧成形することによって得られることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、前記課題、つまり高い機械的特性を発現可能な炭素繊維強化モールディングコンパウンドについて、鋭意検討し、特定の表面積比を有する真円状の断面形状と特定の長さを有する炭素繊維に特定な化合物からなるサイジング剤をコーティングしてなる炭素繊維を使用してみたところ、ビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂を主成分とする樹脂との接着性が著しく改善され、得られる成形体の機械的特性も、エポキシ樹脂の場合に比べて、大幅に向上し、炭素繊維の特長を充分に発現することができることを究明したものである。
【００１０】
本発明において、モールディングコンパウンドとは、バルクモールディングコンパウンドあるいはシートモールディングコンパウンドを意味し、用途によってバルクまたはシートをコストおよび要求性能から使い分けることが望ましい。すなわち、より機械的特性が厳しく求められる場合にはシートモールディングコンパウンドが好ましい。
【００１１】
本発明において、重要なことは、特定の表面積比を有する真円状の断面形状と、特定の長さの炭素繊維に、特定な化合物をコーティングした点にある。かかる断面形状が真円状で、モールディングコンパウンドに使用可能な特定繊維長の炭素繊維を用い、かつかかる化合物は、成形体の機械的特性を発現させるために使用され、つまり、繊維と樹脂をよく接着させる機能を有するものである。かかる機能を発揮されるためには、繊維の表面に樹脂とのカップリング効果を有する化合物からなるサイジング剤を表面にコーティングしておくことが重要である。しかも高い機械的特性発現のためには、モールディングコンパウンドおよびその成形体の内部において、炭素繊維が蛇行することなく、真直度を保って分散することが好ましく、このように炭素繊維の真直度を上げて、炭素繊維の屈曲を防ぐためには真円状の断面形状であることが好ましい。すなわちベータ型などの断面形状では、繊維が屈曲してしまい機械的特性が低下するのである。
【００１２】
本発明は、特定の真円状の断面形状を有する炭素繊維としては、真円状に対応する単繊維の原子間力顕微によって測定される表面積比が１．０以上１．１以下、より好ましくは１．０以上１．０３以下であり、特定の繊維長として１ｍｍ以上１００ｍｍ以下である炭素繊維を用いることが重要であり、さらに、該炭素繊維にコーティングする特定化合物からなるサイジング剤として、末端不飽和基と極性基を共に有する化合物を使用することが必須であることを究明したものである。
【００１３】
かかるサイジング剤は、その極性基は炭素繊維表面の酸素含有極性基と相互作用を有し、末端不飽和基はビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂と反応することにより、炭素繊維と樹脂サイジング機能を発現するものである。かかる極性基としては、アミド結合、イミド結合、ウレタン結合、ウレア結合、イソシアネート基およびスルホ基などから選ばれる１種類以上のものを使用することができる。また、末端不飽和基としては、ビニル基、アクリレート基、メタクリレート基などから選ばれる１種類以上のものを使用することができる。その際の極性基および末端不飽和基の濃度としては、炭素繊維と樹脂との接着力向上効果の上から、重量平均分子量当たり１×１０−３ 以上、より好ましくは１×１０−２以上１×１０−１以下であるのがよい。
【００１４】
本発明の末端不飽和基と極性基を共に有する化合物としては、不飽和アルコールあるいは不飽和カルボン酸とイソシアネート化合物とを反応せしめた化合物などが使用され、たとえば具体的には不飽和ポリウレタン化合物などが使用される。かかる化合物の構造としては、炭素繊維と樹脂との間で立体障害となりにくいように、芳香族を有さない、脂肪族の化合物が好ましく使用される。また重量平均分子量としては、取り扱い性などから、２００以上５０００以下であるものが好ましく使用される。
【００１５】
かかる炭素繊維の繊維長は１ｍｍ以上１００ｍｍ以下が必須である。用途、樹脂および成形条件等によって、最適化することが好ましいが、代表的にはバルクモールディングコンパウンドには２ｍｍ以上１５ｍｍ以下の繊維長のものが、シートモールディングコンパウンドには１５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の繊維長のものが好ましく使用される。
【００１６】
繊維と樹脂の接着性をより向上させるためには、繊維の表面にカルボキシル基などの酸素含有官能基を適正量含有させることが好ましい。すなわち、酸素含有官能基の量はＸ線光電子分光法により測定される表面酸素濃度Ｏ／Ｃで定量化することが可能であり、該Ｏ／Ｃの指標で０．０２以上０．２０以下であることが好ましい。０．０２未満では前記サイジング剤をコーティングしてもその効果を発現しにくい場合があり、一方０．２０を超えると表面が酸化されすぎて構造が脆いものとなり、表層内部で凝集破壊を起こす場合がある。より好ましくは０．０４〜０．１５、さらに好ましくは０．０６〜０．１０が良い。
【００１７】
本発明の炭素繊維としては、弾性率が高いほど、剛性を維持して材料厚みを薄くできるため好ましいが、高すぎると引張伸度が低下する場合があるので、樹脂含浸ストランド引張試験（ＪＩＳ Ｒ−７６０１）による引張弾性率の範囲としては２００〜４００ＧＰａの範囲であるものが好ましく、２２０〜３００ＧＰａであるものがより好ましい。また引張強度が高く引張伸度が高いことが好ましく、引張伸度で好ましくは１．７％以上、より好ましくは１．８５％以上、特に好ましくは２．０％以上であり、かかる引張伸度には上限は特にないが、２．５％以下の範囲が現実的である。かかる引張伸度は高いほど、繊維がタフで扱いやすく、得られる成形体の機械的特性が高く発現するために好ましい。
【００１８】
また硬化した成形板を窒素中４５０℃、３０分間加熱して樹脂を焼き飛ばし、露出した炭素繊維束を観察した炭素繊維束の分割単位について、できるだけ小さい単位に分割して分散することが、均質な構造を得る上で好ましい。具体的には、炭素繊維束の分割単位が１０００〜３００００本であることが好ましく、１０００〜１５０００本がより好ましく、１０００〜６０００本がさらに好ましい。
【００１９】
炭素繊維がモールディングコンパウンド中で蛇行せず、真直であることが機械的特性を発現するために望ましい。かかる繊維の真直度としては、平均真直度で６０％〜１００％となるように制御することが好ましい。ここで真直度とは、シート状にしたモールディングコンパウンド表面で測定した繊維の両端間直線距離を、樹脂を焼き飛ばして繊維のみを真っ直ぐに伸ばして測定した実繊維長で除した値を百分率で示した値である。すなわち、繊維がいかに屈曲しないで、真っ直ぐに分散しているかを示す指標である。なお、表面で測定した値と実繊維長とを比較するため、深さ方向への分散による外乱を受けるが、その影響は小さい。平均真直度とは３０ｃｍ四方のモールディングコンパウンドをランダムに測定した２０点以上の繊維の真直度の相加平均をいう。
【００２０】
上記平均真直度とするためには、繊維束を硬くすることも有効である。繊維束を硬くするためには硬いサイジング剤を用いることが有効であり、硬さの指標としてＪＩＳ Ｋ−７２１５（タイプＡデュロメーター）により測定される硬さが３０以上であることが好ましい。より硬くするためには４０以上がより好ましく、５０以上がさらに好ましい。上限については硬すぎない程度として、１００以下が好ましい。硬さを上記の範囲にするためには、サイジング剤の分子量および構造を適正化することが好ましい。また、該サイジング剤の付着量および乾燥度合いを最適化して炭素繊維束の硬さを調整し、平均真直度が上記範囲になるように適正化することが有効である。
【００２１】
本発明の炭素繊維強化モールディングコンパウンドおよびその成形体は、次のようにして製造することができる。
【００２２】
すなわち、単繊維の原子間力顕微によって測定される表面積比が１．０以上１．１以下であり、かつ末端不飽和基と極性基を共に有する化合物からなるサイジング剤が表面にコーティングされた炭素繊維を、繊維長が１ｍｍ以上１００ｍｍ以下となるようにカットし、定法にしたがって、樹脂に混練してバルクモールディングコンパウンドを製造し、また樹脂上に散布してシートモールディングコンパウンドを製造することができる。
【００２３】
繊維含有率としては機械的特性を発現するためには、重量含有率で５％以上とすることが好ましく、５〜６０％の範囲がより好ましい。かかる繊維含有率としては、バルクモールディングコンパウンドの場合は、１０〜４０％が好ましく、シートモールディングコンパウンドの場合は、自動車外板などで求められる平滑性がクラスＡである用途には１０〜３０％、構造材用途には２０〜６０％が好ましい。かかる繊維含有率が５％未満では機械的特性などの補強効果が小さく好ましくない。
【００２４】
単繊維の原子間力顕微鏡によって測定される表面積比が１．０以上１．１以下の炭素繊維を製造するためには、炭素繊維の前駆体繊維を円形断面で平滑表面な繊維とすることが重要である。そのためにはポリアクリロニトリルを原料として用い、紡糸には湿式あるいは乾湿式紡糸を採用できるが、特に凝固開始時の張力を実質的に無張力に近い状態に下げるとともに、製糸工程での延伸倍率を好ましくは１５倍以下、より好ましくは１２倍以下、特に好ましくは１０倍以下に抑えるのがよい。該前駆体繊維の焼成条件としては、従来公知の焼成技術を適用でき、目的とする強度および弾性率に合わせて、焼成条件を最適化することが好ましい。得られた炭素繊維の表面処理条件についても、従来公知の表面処理条件が適用できるが、表面酸素濃度Ｏ／Ｃが０．０２以上０．２０以下となるように適正化することが好ましい。表面処理後の炭素繊維は、次いで末端不飽和基と極性基を共に有する化合物からなるサイジング剤をコーティングすることが必須である。かかるコーティング方法については、従来公知の方法を適用できる。かかるサイジング剤の付着量については、０．１重量％以上５重量％以下とすることが好ましく、０．３重量％以上３重量％以下とすることがより好ましい。
【００２５】
得られた炭素繊維を用いて下記のような従来公知の方法で、モールディングコンパウンドおよびその成形体を得ることができる。
【００２６】
モールディングコンパウンドの樹脂としては、ビニルエステル樹脂および不飽和ポリエステル樹脂が使われる。バルクモールディングコンパウンド用途あるはシートモールディングコンパウンドのクラスＡ用途には不飽和ポリエステル樹脂が多く、より高い機械的特性が求められる構造材用途にはビニルエステル樹脂が多く使われる。
【００２７】
かかる樹脂には炭酸カルシウムなどの増量剤など、通常の添加物が適用できる。モールディングコンパウンドの製造条件としては、基本的にはガラス繊維強化モールディングコンパウンドの製造条件を適用できる。
【００２８】
成形体の成形条件についても、基本的にガラス繊維強化モールディングコンパウンドの成形条件を適用できる。前記炭素繊維の平均真直度を上記範囲にするためには、カバーファクター、すなわち成形体面積に対するモールディングコンパウンドの専有面積を２０〜８０％程度にすることが好ましい。前記クラスＡ用の成形体を得るためには２０〜５０％と低めに設定して、型内で流すことにより、平滑な表面を得ることが望ましいが、構造材を成形する場合には５０〜８０％と高めに設定して、流れによる糸の蛇行を抑制することが好ましい。すなわち、いずれの場合にも、モールディングコンパウンドを成形して得られる成形板においても平均真直度を６０〜１００％に設定することが好ましく、カバーファクターに対応して糸の硬さを設定することが好ましい。すなわち、流れを大きくする場合には、糸を硬くすることが好ましいが、流れが小さい場合には、かかる糸の硬さを低めに抑えることも可能である。
【００２９】
このようにして得られた本発明の炭素繊維強化モールディングコンパウンドは、炭素繊維の特性を十分に成形体に発現できることにより、従来不可能であった高性能な成形体を提供することを可能にしたものである。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。なお、実施例で用いた特性の測定方法は以下の通りである。
＜炭素繊維の表面積比測定＞
測定に供する炭素繊維を試料台に固定し、原子間力顕微鏡（ＤｉｇｉｔａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製 ＮａｎｏＳｃｏｐｅＩＩＩ）を用い、下記条件にて３次元表面形状の像を得る。
・探針：Ｓｉカンチレバー一体型探針（オリンパス光学工業社製 ＯＭＣＬ−ＡＣ１２０ＴＳ）
・測定環境：２０℃〜３０℃の室温大気中
・観察モード：タッピングモード
・走査速度：０．３〜０．４Ｈｚ
・走査範囲：２．５μｍ×２．５μｍ
・ピクセル数：５１２×５１２
得られた像全体について、前記装置付属ソフトウエア（ＮａｎｏＳｃｏｐｅＩＩＩバージョン４．２２ｒ２、１次Ｆｌａｔｔｅｎフィルタ、Ｌｏｗｐａｓｓフィルタ、３次Ｐｌａｎｅ Ｆｉｔフィルタ使用）によりデータ処理し、実表面積と投影面積を算出する。なお、投影面積については、繊維断面積の曲率を考慮し近似した、ほぼ円筒形である糸形状の横断面に相当する２次曲面への投影面積を算出したものを用い、表面積比は以下の式で求めた。
【００３１】
表面積比＝実表面積／投影面積
同様の測定を２回行い、その平均値をその炭素繊維の表面積比とした。
【００３２】
なお、投影面積として、繊維断面積の曲率を考慮し近似した２次曲面への投影面積を用いているため、厳密には完全な真円ではないが、上記視野での両端部の２次曲面の真円からのズレは無視できるものであり、表面積比１．０が真円に対応するという定義は妥当なものである。
＜ストランド引張強度の測定＞
束状の炭素繊維に下記組成の樹脂を含浸させ、１３０℃で３５分間硬化させた後、得られた樹脂含浸ストランドを用いてＪＩＳ Ｒ−７６０１に基づいて引張試験を行った。
【００３３】
（樹脂組成）
・３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシ−シクロヘキシル−カルボキシレート（ＥＲＬ−４２２１、ユニオンカーバイド社製）１００重量部
・３フッ化ホウ素モノエチルアミン（ステラケミファ（株）製） ３重量部
・アセトン（和光純薬工業（株）製） ４重量部
＜炭素繊維の表面酸素濃度（Ｏ／Ｃ）＞
表面酸素濃度比Ｏ／Ｃは、次の手順に従ってＸ線光電子分光法により求めた。試料となる炭素繊維は、適当な長さにカットしてステンレス製の試料支持台上に拡げて並べた。光電子脱出角度を９０゜とし、Ｘ線源としてＭｇＫα１，２を用い、試料チャンバー内を１×１０−８Ｔｏｒｒの真空度に保った。測定時の帯電に伴うピークの補正として、Ｃ１ｓの主ピークの結合エネルギー値を２８４．６ｅＶに合わせた。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、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た。表面酸素濃度Ｏ／Ｃは、上記Ｃ１ｓピーク面積に対するＯ１ｓピーク面積の比を、装置固有の感度補正値で割ることにより算出した原子数比で表した。なお、本実施例ではＸ線光電子分光測定装置として島津製作所（株）製ＥＳＣＡ−７５０を用い、かかる装置固有の感度補正値は２．８５であった。
＜成形板の曲げ強度＞
得られた平板状成形品を切断し、長さ１００±１ｍｍ、幅１５±０．２ｍｍ、厚さ２±０．２ｍｍの試験片を作製した。加圧くさびの曲率半径を５ｍｍとし、支点の曲率半径を２ｍｍとし、支点間距離は試験片厚さの４０倍の８０ｍｍ、試験速度５ｍｍ／分として、ＪＩＳ Ｋ−７０７４に規定する試験方法に従って測定した。本実施例においては、試験機としてインストロン（登録商標）試験機４２０８型を用いた。
＜炭素繊維束の分割単位＞
炭素繊維束の分割単位は、硬化した成形板を窒素中４５０℃、３０分間加熱して樹脂を焼き飛ばし、露出した炭素繊維束の分割単位を糸束太さなどを測定し、３０００フィラメント、６０００フィラメントなどのフィラメント数が既知の糸束太さと比較することにより、概算して求めた。
＜炭素繊維の真直度＞
シート状にしたモールディングコンパウンド表面で繊維の両端間直線距離を定規などを使って測定後、同モールディングコンパウンドを窒素中４５０℃、３０分間加熱して樹脂を焼き飛ばし、繊維のみを真っ直ぐに伸ばして測定した測定した実繊維長で除した値を百分率で示した値である。平均真直度とは３０ｃｍ四方のモールディングコンパウンドをランダムに測定した２０点以上の繊維の真直度の相加平均をいう。
【００３４】
なお、モールディングコンパウンドを成形した成形板での真直度は、モールディングコンパウンドの場合と同様に、成形板表面で繊維の測定した両端間直線距離を、樹脂を焼き飛ばして繊維のみを真っ直ぐに伸ばして測定した実繊維長で除した値を百分率で示した値である。平均真直度とは３０ｃｍ四方の成形板をランダムに測定した２０点以上の繊維の真直度の相加平均をいう。
【００３５】
いずれの場合においても、シートモールディングコンパウンドなどでカット長が既知であり、モールディングコンパウンドあるいは成形プロセスの過程で繊維が細断されないことが明確な場合には、実繊維長としてカット長を使ってもよい。
＜サイジング剤の硬さ＞
サイジング剤の硬さの指標としてＪＩＳ−Ｋ７２１５（タイプＡデュロメーター）により測定される硬さを求めた。サイジング剤溶液を純分として厚みが２ｍｍ程度になるようにアルミ製容器に注ぎ、１０５℃で３時間乾燥することにより、溶媒を除去する。さらに１５０℃で３時間熱処理して成形物を得る。作成した成形物をＪＩＳ−Ｋ７２１５に準じたタイプＡデュロメーターを用いて、ｎ＝５の点について測定し、その相加平均をサイジング剤硬さとした。
【００３６】
（実施例１）
ポリアクリロニトリルを原料として、乾湿式紡糸を用い、特に凝固開始時の張力を実質的に無張力に近い状態に下げ、製糸工程での延伸倍率を１０倍として前駆体繊維を得た。該前駆体繊維を張力下１４００℃で焼成し、強度５．３ＧＰａ、弾性率２４０ＧＰａ、比重１．７９の炭素繊維を得た。得られた炭素繊維を希硝酸中で電解酸化することにより、表面酸素濃度Ｏ／Ｃが０．１２の炭素繊維を得た。得られた炭素繊維を、樹脂成分が３重量％になるようにグリセリンジメタクリレートヘキサメチレンジイソシアネート化合物（ＵＡ１０１Ｈ、共栄化学社製）、ポリオキシエチレン（７０モル）スチレン化（５モル）クミルフェノール（重量比９０：１０）の乳化液を調整した浸漬浴中を通すことにより付与し、熱風循環型乾燥機にて２３０℃、３００秒で乾燥して、サイジング剤１．５重量％付与させた炭素繊維束を得た。ここでサイジング剤の硬さ６５であった。
【００３７】
得られた炭素繊維は、単繊維直径７μｍ、フィラメント数は６０００本であり、原子間力顕微鏡による表面積比は１．０４であった。
【００３８】
得られた炭素繊維は５ｍｍに切断しながら、主剤樹脂が不飽和ポリエステル樹脂である下記組成に、繊維含有率３０重量％となるように加圧ニーダー中室温で混練して、バルクモールディングコンパウンドを得た。ここで繊維の平均真直度は８０％であった。該バルクモールディングコンパウンドを加圧成形法により３００ｍｍ四方、厚み２ｍｍの成形板を得るための金型に圧入し、圧力１０ＭＰａで１５０℃、２分間硬化して成形板を得た。得られた成形板を幅１５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚み２ｍｍにカットし、曲げ特性を評価した。結果を表１に併せて示す。なお、成形板での繊維分割単位はほぼ６０００本であった。
・不飽和ポリエステル樹脂（武田薬品工業（株）リゴラック１５７ＢＱＴ−２）１００部
・ｔ−ブチルパーオキシベンゾエート（化薬アクゾ社製カヤブチルＢ） ３部
・ステアリン酸亜鉛（堺化学工業（株）ＳＺ−２０００） ６部
（実施例２）
主剤樹脂をビニルエステル樹脂（ダウ・ケミカル（株）ＤＥＲＡＫＡＮＥ ４１１Ｃ４）に変えた以外は、実施例１と同じ条件で成形板を測定し、曲げ特性を評価した。結果を表１に併せて示す。
【００３９】
（比較例１）
末端不飽和基を有さないサイジング剤として、樹脂成分が３重量％になるようにビスフェノールＡジグリシジルエーテル（油化シェルエポキシ社製 エピコート８２８／エピコート１００１＝５０／５０（重量比））８０部、ポリオキシエチレン（７０モル）スチレン化（５モル）クミルフェノール２０部の乳化液を調整して使用した以外は、実施例１と同じ条件で成形板を測定し、曲げ特性を評価した。結果を表１に併せて示す。
【００４０】
（比較例２）
主剤樹脂をビニルエステル樹脂（ダウ・ケミカル（株）ＤＥＲＡＫＡＮＥ ４１１Ｃ４）に変えた以外は、比較例１と同じ条件で成形板を測定し、曲げ特性を評価した。結果を表１に併せて示す。
【００４１】
（比較例３）
炭素繊維のカット長を０．５ｍｍに変えた以外は実施例１と同じ条件で成形板を測定し、曲げ特性を評価した。結果を表１に併せて示す。
【００４２】
（比較例４）
前駆体繊維の紡糸時に、乾湿式紡糸において凝固開始時張力を上げ、かつ製糸工程での延伸倍率を１６倍として前駆体繊維を得た以外は実施例１と同じ条件で成形板を測定し、曲げ特性を評価した。結果を表１に併せて示す。
【００４３】
ここで、炭素繊維は強度４．４ＧＰａ、弾性率２４０ＧＰａ、比重１．７９、単繊維直径７μｍ、フィラメント数は６０００本であり、原子間力顕微鏡による表面積比は１．１５であった。
【００４４】
【表１】
【００４５】
表１から明らかなように、バルクモールディングコンパウンドにおいて、実施例１および実施例２に比して、末端不飽和基を有さないサイジング剤使用した比較例１および比較例２、および、繊維長が短い炭素繊維使用の比較例３、ならびに、断面形状が真円ではない炭素繊維使用の比較例４は、成形板の曲げ強度および弾性率が低いレベルにあることがわかる。
【００４６】
（実施例３）
実施例１で得られた炭素繊維は２５ｍｍに切断しながら、繊維含有率４０重量％となるようにシートモールディングコンパウンドシートを下記仕様で作成した。ここで繊維の平均真直度は８２％であった。該シートモールディングコンパウンドを加圧成形法により、３００ｍｍ四方、厚み２ｍｍの成形板を得るための金型にカバーファクターを７０％として圧入し、圧力１０ＭＰａで１５０℃、２分間硬化して成形板を得た。得られた成形板を幅１５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚み２ｍｍにカットし、曲げ特性を評価した。結果を表２に併せて示す。なお、成形板での繊維分割単位はほぼ６０００本であった。成形板での繊維の平均真直度は７３％であった。
・不飽和ポリエステル樹脂（武田薬品工業）リゴラック１５７ＢＱＴ−２ １００部
・ｔ−ブチルパーオキシベンゾエート（化薬アクゾ社製カヤブチルＢ） ３部
・ステアリン酸亜鉛（堺化学工業（株）ＳＺ−２０００） ６
（実施例４）
主剤樹脂をビニルエステル樹脂（ダウ・ケミカル（株）ＤＥＲＡＫＡＮＥ ４１１Ｃ４）に変えた以外は、実施例３と同じ条件で成形板を測定し、曲げ特性を評価した。結果を表２に併せて示す。
【００４７】
【表２】
【００４８】
表２から明らかなように、シートモールディングコンパウンドの実施例３、４においても、実施例１，２と同様に優れた効果を奏することがわかる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、機械的特性に優れた炭素繊維強化モールディングコンパウンドおよびその成形体が得られる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維強化モールディングコンパウンドおよびそれからなる成形体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、自動車用外板、内装材および構造材料などにガラス繊維強化のバルクモールディングコンパウンドあるいはシートモールディングコンパウンドといったモールディングコンパウンドおよびその成形体が用いられているが、ガラス繊維の比重が２．５と大きいため、さらに軽量化を狙って比重が１．８前後と軽く、かつ弾性率もガラス繊維対比約３倍高く薄肉軽量化が可能な炭素繊維で強化したモールディングコンパウンドおよびその成形体が検討されている。マトリックス樹脂の主剤としては、コストパフォーマンスからビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂が重要である。
【０００３】
炭素繊維を強化繊維とするモールディングコンパウンドおよびその成形体については、たとえば、特定の強度、弾性率を有する炭素繊維を強化繊維とする技術などが提案されている（特許文献１参照）。しかし、炭素繊維とビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂との接着性が不十分なために、得られる成形体の機械的特性はエポキシ樹脂の場合に比べて低く、炭素繊維の特長を充分に発現することができないという問題があった。
【０００４】
炭素繊維とビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂との接着性の向上については、たとえば特定のサイジング剤組成物を使用することにより、長繊維において樹脂接着性が向上する技術が提案されている（特許文献２参照）。しかし、そのまま短繊維に適用しても、その成形体では良い機械的特性が得られないという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１３９８３１号公報
【０００６】
【特許文献２】特開平１１−９３０７８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来技術が有する問題点に鑑み、高い機械的特性を発現可能な炭素繊維強化モールディングコンパウンドおよびその成形体を提供せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の炭素繊維強化モールディングコンパウンドは、炭素繊維を強化繊維とし、かつ、ビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂を主成分とする樹脂からなるモールディングコンパウンドにおいて、該炭素繊維が、単繊維の原子間力顕微鏡によって測定される表面積比が１．０以上１．１以下である断面形状が真円状であり、繊維長が１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、かつ末端不飽和基と極性基を共に有する化合物からなるサイジング剤が表面にコーティングされなるものであることを特徴とするものである。また、本発明の成形体は、かかる炭素繊維強化モールディングコンパウンドを加圧成形することによって得られることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、前記課題、つまり高い機械的特性を発現可能な炭素繊維強化モールディングコンパウンドについて、鋭意検討し、特定の表面積比を有する真円状の断面形状と特定の長さを有する炭素繊維に特定な化合物からなるサイジング剤をコーティングしてなる炭素繊維を使用してみたところ、ビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂を主成分とする樹脂との接着性が著しく改善され、得られる成形体の機械的特性も、エポキシ樹脂の場合に比べて、大幅に向上し、炭素繊維の特長を充分に発現することができることを究明したものである。
【００１０】
本発明において、モールディングコンパウンドとは、バルクモールディングコンパウンドあるいはシートモールディングコンパウンドを意味し、用途によってバルクまたはシートをコストおよび要求性能から使い分けることが望ましい。すなわち、より機械的特性が厳しく求められる場合にはシートモールディングコンパウンドが好ましい。
【００１１】
本発明において、重要なことは、特定の表面積比を有する真円状の断面形状と、特定の長さの炭素繊維に、特定な化合物をコーティングした点にある。かかる断面形状が真円状で、モールディングコンパウンドに使用可能な特定繊維長の炭素繊維を用い、かつかかる化合物は、成形体の機械的特性を発現させるために使用され、つまり、繊維と樹脂をよく接着させる機能を有するものである。かかる機能を発揮されるためには、繊維の表面に樹脂とのカップリング効果を有する化合物からなるサイジング剤を表面にコーティングしておくことが重要である。しかも高い機械的特性発現のためには、モールディングコンパウンドおよびその成形体の内部において、炭素繊維が蛇行することなく、真直度を保って分散することが好ましく、このように炭素繊維の真直度を上げて、炭素繊維の屈曲を防ぐためには真円状の断面形状であることが好ましい。すなわちベータ型などの断面形状では、繊維が屈曲してしまい機械的特性が低下するのである。
【００１２】
本発明は、特定の真円状の断面形状を有する炭素繊維としては、真円状に対応する単繊維の原子間力顕微によって測定される表面積比が１．０以上１．１以下、より好ましくは１．０以上１．０３以下であり、特定の繊維長として１ｍｍ以上１００ｍｍ以下である炭素繊維を用いることが重要であり、さらに、該炭素繊維にコーティングする特定化合物からなるサイジング剤として、末端不飽和基と極性基を共に有する化合物を使用することが必須であることを究明したものである。
【００１３】
かかるサイジング剤は、その極性基は炭素繊維表面の酸素含有極性基と相互作用を有し、末端不飽和基はビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂と反応することにより、炭素繊維と樹脂サイジング機能を発現するものである。かかる極性基としては、アミド結合、イミド結合、ウレタン結合、ウレア結合、イソシアネート基およびスルホ基などから選ばれる１種類以上のものを使用することができる。また、末端不飽和基としては、ビニル基、アクリレート基、メタクリレート基などから選ばれる１種類以上のものを使用することができる。その際の極性基および末端不飽和基の濃度としては、炭素繊維と樹脂との接着力向上効果の上から、重量平均分子量当たり１×１０−３ 以上、より好ましくは１×１０−２以上１×１０−１以下であるのがよい。
【００１４】
本発明の末端不飽和基と極性基を共に有する化合物としては、不飽和アルコールあるいは不飽和カルボン酸とイソシアネート化合物とを反応せしめた化合物などが使用され、たとえば具体的には不飽和ポリウレタン化合物などが使用される。かかる化合物の構造としては、炭素繊維と樹脂との間で立体障害となりにくいように、芳香族を有さない、脂肪族の化合物が好ましく使用される。また重量平均分子量としては、取り扱い性などから、２００以上５０００以下であるものが好ましく使用される。
【００１５】
かかる炭素繊維の繊維長は１ｍｍ以上１００ｍｍ以下が必須である。用途、樹脂および成形条件等によって、最適化することが好ましいが、代表的にはバルクモールディングコンパウンドには２ｍｍ以上１５ｍｍ以下の繊維長のものが、シートモールディングコンパウンドには１５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の繊維長のものが好ましく使用される。
【００１６】
繊維と樹脂の接着性をより向上させるためには、繊維の表面にカルボキシル基などの酸素含有官能基を適正量含有させることが好ましい。すなわち、酸素含有官能基の量はＸ線光電子分光法により測定される表面酸素濃度Ｏ／Ｃで定量化することが可能であり、該Ｏ／Ｃの指標で０．０２以上０．２０以下であることが好ましい。０．０２未満では前記サイジング剤をコーティングしてもその効果を発現しにくい場合があり、一方０．２０を超えると表面が酸化されすぎて構造が脆いものとなり、表層内部で凝集破壊を起こす場合がある。より好ましくは０．０４〜０．１５、さらに好ましくは０．０６〜０．１０が良い。
【００１７】
本発明の炭素繊維としては、弾性率が高いほど、剛性を維持して材料厚みを薄くできるため好ましいが、高すぎると引張伸度が低下する場合があるので、樹脂含浸ストランド引張試験（ＪＩＳ Ｒ−７６０１）による引張弾性率の範囲としては２００〜４００ＧＰａの範囲であるものが好ましく、２２０〜３００ＧＰａであるものがより好ましい。また引張強度が高く引張伸度が高いことが好ましく、引張伸度で好ましくは１．７％以上、より好ましくは１．８５％以上、特に好ましくは２．０％以上であり、かかる引張伸度には上限は特にないが、２．５％以下の範囲が現実的である。かかる引張伸度は高いほど、繊維がタフで扱いやすく、得られる成形体の機械的特性が高く発現するために好ましい。
【００１８】
また硬化した成形板を窒素中４５０℃、３０分間加熱して樹脂を焼き飛ばし、露出した炭素繊維束を観察した炭素繊維束の分割単位について、できるだけ小さい単位に分割して分散することが、均質な構造を得る上で好ましい。具体的には、炭素繊維束の分割単位が１０００〜３００００本であることが好ましく、１０００〜１５０００本がより好ましく、１０００〜６０００本がさらに好ましい。
【００１９】
炭素繊維がモールディングコンパウンド中で蛇行せず、真直であることが機械的特性を発現するために望ましい。かかる繊維の真直度としては、平均真直度で６０％〜１００％となるように制御することが好ましい。ここで真直度とは、シート状にしたモールディングコンパウンド表面で測定した繊維の両端間直線距離を、樹脂を焼き飛ばして繊維のみを真っ直ぐに伸ばして測定した実繊維長で除した値を百分率で示した値である。すなわち、繊維がいかに屈曲しないで、真っ直ぐに分散しているかを示す指標である。なお、表面で測定した値と実繊維長とを比較するため、深さ方向への分散による外乱を受けるが、その影響は小さい。平均真直度とは３０ｃｍ四方のモールディングコンパウンドをランダムに測定した２０点以上の繊維の真直度の相加平均をいう。
【００２０】
上記平均真直度とするためには、繊維束を硬くすることも有効である。繊維束を硬くするためには硬いサイジング剤を用いることが有効であり、硬さの指標としてＪＩＳ Ｋ−７２１５（タイプＡデュロメーター）により測定される硬さが３０以上であることが好ましい。より硬くするためには４０以上がより好ましく、５０以上がさらに好ましい。上限については硬すぎない程度として、１００以下が好ましい。硬さを上記の範囲にするためには、サイジング剤の分子量および構造を適正化することが好ましい。また、該サイジング剤の付着量および乾燥度合いを最適化して炭素繊維束の硬さを調整し、平均真直度が上記範囲になるように適正化することが有効である。
【００２１】
本発明の炭素繊維強化モールディングコンパウンドおよびその成形体は、次のようにして製造することができる。
【００２２】
すなわち、単繊維の原子間力顕微によって測定される表面積比が１．０以上１．１以下であり、かつ末端不飽和基と極性基を共に有する化合物からなるサイジング剤が表面にコーティングされた炭素繊維を、繊維長が１ｍｍ以上１００ｍｍ以下となるようにカットし、定法にしたがって、樹脂に混練してバルクモールディングコンパウンドを製造し、また樹脂上に散布してシートモールディングコンパウンドを製造することができる。
【００２３】
繊維含有率としては機械的特性を発現するためには、重量含有率で５％以上とすることが好ましく、５〜６０％の範囲がより好ましい。かかる繊維含有率としては、バルクモールディングコンパウンドの場合は、１０〜４０％が好ましく、シートモールディングコンパウンドの場合は、自動車外板などで求められる平滑性がクラスＡである用途には１０〜３０％、構造材用途には２０〜６０％が好ましい。かかる繊維含有率が５％未満では機械的特性などの補強効果が小さく好ましくない。
【００２４】
単繊維の原子間力顕微鏡によって測定される表面積比が１．０以上１．１以下の炭素繊維を製造するためには、炭素繊維の前駆体繊維を円形断面で平滑表面な繊維とすることが重要である。そのためにはポリアクリロニトリルを原料として用い、紡糸には湿式あるいは乾湿式紡糸を採用できるが、特に凝固開始時の張力を実質的に無張力に近い状態に下げるとともに、製糸工程での延伸倍率を好ましくは１５倍以下、より好ましくは１２倍以下、特に好ましくは１０倍以下に抑えるのがよい。該前駆体繊維の焼成条件としては、従来公知の焼成技術を適用でき、目的とする強度および弾性率に合わせて、焼成条件を最適化することが好ましい。得られた炭素繊維の表面処理条件についても、従来公知の表面処理条件が適用できるが、表面酸素濃度Ｏ／Ｃが０．０２以上０．２０以下となるように適正化することが好ましい。表面処理後の炭素繊維は、次いで末端不飽和基と極性基を共に有する化合物からなるサイジング剤をコーティングすることが必須である。かかるコーティング方法については、従来公知の方法を適用できる。かかるサイジング剤の付着量については、０．１重量％以上５重量％以下とすることが好ましく、０．３重量％以上３重量％以下とすることがより好ましい。
【００２５】
得られた炭素繊維を用いて下記のような従来公知の方法で、モールディングコンパウンドおよびその成形体を得ることができる。
【００２６】
モールディングコンパウンドの樹脂としては、ビニルエステル樹脂および不飽和ポリエステル樹脂が使われる。バルクモールディングコンパウンド用途あるはシートモールディングコンパウンドのクラスＡ用途には不飽和ポリエステル樹脂が多く、より高い機械的特性が求められる構造材用途にはビニルエステル樹脂が多く使われる。
【００２７】
かかる樹脂には炭酸カルシウムなどの増量剤など、通常の添加物が適用できる。モールディングコンパウンドの製造条件としては、基本的にはガラス繊維強化モールディングコンパウンドの製造条件を適用できる。
【００２８】
成形体の成形条件についても、基本的にガラス繊維強化モールディングコンパウンドの成形条件を適用できる。前記炭素繊維の平均真直度を上記範囲にするためには、カバーファクター、すなわち成形体面積に対するモールディングコンパウンドの専有面積を２０〜８０％程度にすることが好ましい。前記クラスＡ用の成形体を得るためには２０〜５０％と低めに設定して、型内で流すことにより、平滑な表面を得ることが望ましいが、構造材を成形する場合には５０〜８０％と高めに設定して、流れによる糸の蛇行を抑制することが好ましい。すなわち、いずれの場合にも、モールディングコンパウンドを成形して得られる成形板においても平均真直度を６０〜１００％に設定することが好ましく、カバーファクターに対応して糸の硬さを設定することが好ましい。すなわち、流れを大きくする場合には、糸を硬くすることが好ましいが、流れが小さい場合には、かかる糸の硬さを低めに抑えることも可能である。
【００２９】
このようにして得られた本発明の炭素繊維強化モールディングコンパウンドは、炭素繊維の特性を十分に成形体に発現できることにより、従来不可能であった高性能な成形体を提供することを可能にしたものである。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。なお、実施例で用いた特性の測定方法は以下の通りである。
＜炭素繊維の表面積比測定＞
測定に供する炭素繊維を試料台に固定し、原子間力顕微鏡（ＤｉｇｉｔａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製 ＮａｎｏＳｃｏｐｅＩＩＩ）を用い、下記条件にて３次元表面形状の像を得る。
・探針：Ｓｉカンチレバー一体型探針（オリンパス光学工業社製 ＯＭＣＬ−ＡＣ１２０ＴＳ）
・測定環境：２０℃〜３０℃の室温大気中
・観察モード：タッピングモード
・走査速度：０．３〜０．４Ｈｚ
・走査範囲：２．５μｍ×２．５μｍ
・ピクセル数：５１２×５１２
得られた像全体について、前記装置付属ソフトウエア（ＮａｎｏＳｃｏｐｅＩＩＩバージョン４．２２ｒ２、１次Ｆｌａｔｔｅｎフィルタ、Ｌｏｗｐａｓｓフィルタ、３次Ｐｌａｎｅ Ｆｉｔフィルタ使用）によりデータ処理し、実表面積と投影面積を算出する。なお、投影面積については、繊維断面積の曲率を考慮し近似した、ほぼ円筒形である糸形状の横断面に相当する２次曲面への投影面積を算出したものを用い、表面積比は以下の式で求めた。
【００３１】
表面積比＝実表面積／投影面積
同様の測定を２回行い、その平均値をその炭素繊維の表面積比とした。
【００３２】
なお、投影面積として、繊維断面積の曲率を考慮し近似した２次曲面への投影面積を用いているため、厳密には完全な真円ではないが、上記視野での両端部の２次曲面の真円からのズレは無視できるものであり、表面積比１．０が真円に対応するという定義は妥当なものである。
＜ストランド引張強度の測定＞
束状の炭素繊維に下記組成の樹脂を含浸させ、１３０℃で３５分間硬化させた後、得られた樹脂含浸ストランドを用いてＪＩＳ Ｒ−７６０１に基づいて引張試験を行った。
【００３３】
（樹脂組成）
・３，４−エポキシシクロヘキシルメチル−３，４−エポキシ−シクロヘキシル−カルボキシレート（ＥＲＬ−４２２１、ユニオンカーバイド社製）１００重量部
・３フッ化ホウ素モノエチルアミン（ステラケミファ（株）製） ３重量部
・アセトン（和光純薬工業（株）製） ４重量部
＜炭素繊維の表面酸素濃度（Ｏ／Ｃ）＞
表面酸素濃度比Ｏ／Ｃは、次の手順に従ってＸ線光電子分光法により求めた。試料となる炭素繊維は、適当な長さにカットしてステンレス製の試料支持台上に拡げて並べた。光電子脱出角度を９０゜とし、Ｘ線源としてＭｇＫα１，２を用い、試料チャンバー内を１×１０−８Ｔｏｒｒの真空度に保った。測定時の帯電に伴うピークの補正として、Ｃ１ｓの主ピークの結合エネルギー値を２８４．６ｅＶに合わせた。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、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た。表面酸素濃度Ｏ／Ｃは、上記Ｃ１ｓピーク面積に対するＯ１ｓピーク面積の比を、装置固有の感度補正値で割ることにより算出した原子数比で表した。なお、本実施例ではＸ線光電子分光測定装置として島津製作所（株）製ＥＳＣＡ−７５０を用い、かかる装置固有の感度補正値は２．８５であった。
＜成形板の曲げ強度＞
得られた平板状成形品を切断し、長さ１００±１ｍｍ、幅１５±０．２ｍｍ、厚さ２±０．２ｍｍの試験片を作製した。加圧くさびの曲率半径を５ｍｍとし、支点の曲率半径を２ｍｍとし、支点間距離は試験片厚さの４０倍の８０ｍｍ、試験速度５ｍｍ／分として、ＪＩＳ Ｋ−７０７４に規定する試験方法に従って測定した。本実施例においては、試験機としてインストロン（登録商標）試験機４２０８型を用いた。
＜炭素繊維束の分割単位＞
炭素繊維束の分割単位は、硬化した成形板を窒素中４５０℃、３０分間加熱して樹脂を焼き飛ばし、露出した炭素繊維束の分割単位を糸束太さなどを測定し、３０００フィラメント、６０００フィラメントなどのフィラメント数が既知の糸束太さと比較することにより、概算して求めた。
＜炭素繊維の真直度＞
シート状にしたモールディングコンパウンド表面で繊維の両端間直線距離を定規などを使って測定後、同モールディングコンパウンドを窒素中４５０℃、３０分間加熱して樹脂を焼き飛ばし、繊維のみを真っ直ぐに伸ばして測定した測定した実繊維長で除した値を百分率で示した値である。平均真直度とは３０ｃｍ四方のモールディングコンパウンドをランダムに測定した２０点以上の繊維の真直度の相加平均をいう。
【００３４】
なお、モールディングコンパウンドを成形した成形板での真直度は、モールディングコンパウンドの場合と同様に、成形板表面で繊維の測定した両端間直線距離を、樹脂を焼き飛ばして繊維のみを真っ直ぐに伸ばして測定した実繊維長で除した値を百分率で示した値である。平均真直度とは３０ｃｍ四方の成形板をランダムに測定した２０点以上の繊維の真直度の相加平均をいう。
【００３５】
いずれの場合においても、シートモールディングコンパウンドなどでカット長が既知であり、モールディングコンパウンドあるいは成形プロセスの過程で繊維が細断されないことが明確な場合には、実繊維長としてカット長を使ってもよい。
＜サイジング剤の硬さ＞
サイジング剤の硬さの指標としてＪＩＳ−Ｋ７２１５（タイプＡデュロメーター）により測定される硬さを求めた。サイジング剤溶液を純分として厚みが２ｍｍ程度になるようにアルミ製容器に注ぎ、１０５℃で３時間乾燥することにより、溶媒を除去する。さらに１５０℃で３時間熱処理して成形物を得る。作成した成形物をＪＩＳ−Ｋ７２１５に準じたタイプＡデュロメーターを用いて、ｎ＝５の点について測定し、その相加平均をサイジング剤硬さとした。
【００３６】
（実施例１）
ポリアクリロニトリルを原料として、乾湿式紡糸を用い、特に凝固開始時の張力を実質的に無張力に近い状態に下げ、製糸工程での延伸倍率を１０倍として前駆体繊維を得た。該前駆体繊維を張力下１４００℃で焼成し、強度５．３ＧＰａ、弾性率２４０ＧＰａ、比重１．７９の炭素繊維を得た。得られた炭素繊維を希硝酸中で電解酸化することにより、表面酸素濃度Ｏ／Ｃが０．１２の炭素繊維を得た。得られた炭素繊維を、樹脂成分が３重量％になるようにグリセリンジメタクリレートヘキサメチレンジイソシアネート化合物（ＵＡ１０１Ｈ、共栄化学社製）、ポリオキシエチレン（７０モル）スチレン化（５モル）クミルフェノール（重量比９０：１０）の乳化液を調整した浸漬浴中を通すことにより付与し、熱風循環型乾燥機にて２３０℃、３００秒で乾燥して、サイジング剤１．５重量％付与させた炭素繊維束を得た。ここでサイジング剤の硬さ６５であった。
【００３７】
得られた炭素繊維は、単繊維直径７μｍ、フィラメント数は６０００本であり、原子間力顕微鏡による表面積比は１．０４であった。
【００３８】
得られた炭素繊維は５ｍｍに切断しながら、主剤樹脂が不飽和ポリエステル樹脂である下記組成に、繊維含有率３０重量％となるように加圧ニーダー中室温で混練して、バルクモールディングコンパウンドを得た。ここで繊維の平均真直度は８０％であった。該バルクモールディングコンパウンドを加圧成形法により３００ｍｍ四方、厚み２ｍｍの成形板を得るための金型に圧入し、圧力１０ＭＰａで１５０℃、２分間硬化して成形板を得た。得られた成形板を幅１５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚み２ｍｍにカットし、曲げ特性を評価した。結果を表１に併せて示す。なお、成形板での繊維分割単位はほぼ６０００本であった。
・不飽和ポリエステル樹脂（武田薬品工業（株）リゴラック１５７ＢＱＴ−２）１００部
・ｔ−ブチルパーオキシベンゾエート（化薬アクゾ社製カヤブチルＢ） ３部
・ステアリン酸亜鉛（堺化学工業（株）ＳＺ−２０００） ６部
（実施例２）
主剤樹脂をビニルエステル樹脂（ダウ・ケミカル（株）ＤＥＲＡＫＡＮＥ ４１１Ｃ４）に変えた以外は、実施例１と同じ条件で成形板を測定し、曲げ特性を評価した。結果を表１に併せて示す。
【００３９】
（比較例１）
末端不飽和基を有さないサイジング剤として、樹脂成分が３重量％になるようにビスフェノールＡジグリシジルエーテル（油化シェルエポキシ社製 エピコート８２８／エピコート１００１＝５０／５０（重量比））８０部、ポリオキシエチレン（７０モル）スチレン化（５モル）クミルフェノール２０部の乳化液を調整して使用した以外は、実施例１と同じ条件で成形板を測定し、曲げ特性を評価した。結果を表１に併せて示す。
【００４０】
（比較例２）
主剤樹脂をビニルエステル樹脂（ダウ・ケミカル（株）ＤＥＲＡＫＡＮＥ ４１１Ｃ４）に変えた以外は、比較例１と同じ条件で成形板を測定し、曲げ特性を評価した。結果を表１に併せて示す。
【００４１】
（比較例３）
炭素繊維のカット長を０．５ｍｍに変えた以外は実施例１と同じ条件で成形板を測定し、曲げ特性を評価した。結果を表１に併せて示す。
【００４２】
（比較例４）
前駆体繊維の紡糸時に、乾湿式紡糸において凝固開始時張力を上げ、かつ製糸工程での延伸倍率を１６倍として前駆体繊維を得た以外は実施例１と同じ条件で成形板を測定し、曲げ特性を評価した。結果を表１に併せて示す。
【００４３】
ここで、炭素繊維は強度４．４ＧＰａ、弾性率２４０ＧＰａ、比重１．７９、単繊維直径７μｍ、フィラメント数は６０００本であり、原子間力顕微鏡による表面積比は１．１５であった。
【００４４】
【表１】
表１から明らかなように、バルクモールディングコンパウンドにおいて、実施例１および実施例２に比して、末端不飽和基を有さないサイジング剤使用した比較例１および比較例２、および、繊維長が短い炭素繊維使用の比較例３、ならびに、断面形状が真円ではない炭素繊維使用の比較例４は、成形板の曲げ強度および弾性率が低いレベルにあることがわかる。
【００４６】
（実施例３）
実施例１で得られた炭素繊維は２５ｍｍに切断しながら、繊維含有率４０重量％となるようにシートモールディングコンパウンドシートを下記仕様で作成した。ここで繊維の平均真直度は８２％であった。該シートモールディングコンパウンドを加圧成形法により、３００ｍｍ四方、厚み２ｍｍの成形板を得るための金型にカバーファクターを７０％として圧入し、圧力１０ＭＰａで１５０℃、２分間硬化して成形板を得た。得られた成形板を幅１５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚み２ｍｍにカットし、曲げ特性を評価した。結果を表２に併せて示す。なお、成形板での繊維分割単位はほぼ６０００本であった。成形板での繊維の平均真直度は７３％であった。
・不飽和ポリエステル樹脂（武田薬品工業）リゴラック１５７ＢＱＴ−２ １００部
・ｔ−ブチルパーオキシベンゾエート（化薬アクゾ社製カヤブチルＢ） ３部
・ステアリン酸亜鉛（堺化学工業（株）ＳＺ−２０００） ６
（実施例４）
主剤樹脂をビニルエステル樹脂（ダウ・ケミカル（株）ＤＥＲＡＫＡＮＥ ４１１Ｃ４）に変えた以外は、実施例３と同じ条件で成形板を測定し、曲げ特性を評価した。結果を表２に併せて示す。
【００４７】
【表２】
表２から明らかなように、シートモールディングコンパウンドの実施例３、４においても、実施例１，２と同様に優れた効果を奏することがわかる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、機械的特性に優れた炭素繊維強化モールディングコンパウンドおよびその成形体が得られる。
Claims (10)
- 炭素繊維を強化繊維とし、かつ、ビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂を主成分とする樹脂からなるモールディングコンパウンドにおいて、該炭素繊維が、単繊維の原子間力顕微鏡によって測定される表面積比が１．０以上１．１以下である断面形状が真円状であり、繊維長が１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、かつ末端不飽和基と極性基を共に有する化合物からなるサイジング剤が表面にコーティングされてなるものであることを特徴とする炭素繊維強化モールディングコンパウンド。
- 該極性基が、アミド結合、イミド結合、ウレタン結合、ウレア結合、イソシアネート基およびスルホ基から選ばれる少なくとも１種であり、該末端不飽和基が、ビニル基、アクリレート基およびメタクリレート基から選ばれる少なくとも１種である請求項１に記載の炭素繊維強化モールディングコンパウンド。
- 該極性基および該末端不飽和基の濃度が、いずれも分子量当たり１×１０−３以上である請求項１または２に記載の炭素繊維強化モールディングコンパウンド。
- 該末端不飽和基と極性基を共に有する化合物が、脂肪族の化合物である請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維強化モールディングコンパウンド。
- 該末端不飽和基と極性基を共に有する化合物が、２００以上５０００以下の重量平均分子量を有するものである請求項１〜４のいずれかに記載の炭素繊維強化モールディングコンパウンド。
- 該炭素繊維が、Ｘ線光電子分光法により測定される表面酸素濃度Ｏ／Ｃが０．０２以上０．２０以下の範囲のものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の炭素繊維強化モールディングコンパウンド。
- 該炭素繊維が、樹脂含浸ストランド引張試験による引張弾性率が２００ＧＰａ以上、引張伸度が１．７％以上である請求項１〜６のいずれかに記載の炭素繊維強化モールディングコンパウンド。
- 該炭素繊維が、該モールディングコンパウンド中に５〜６０重量％含有されている請求項１〜７のいずれかに記載の炭素繊維強化モールディングコンパウンド。
- モールディングコンパウンド表面で測定した繊維の両端間直線距離を、樹脂を焼き飛ばして繊維のみを真っ直ぐに伸ばして測定した実繊維長で除して求められる該炭素繊維の平均真直度が６０〜１００％であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の炭素繊維強化モールディングコンパウンド。
- 請求項１〜９のいずれかに記載の炭素繊維強化モールディングコンパウンドを加圧成形することによって得られることを特徴とする成形体。
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|---|---|---|---|---|
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| WO2019163616A1 (ja) | 2018-02-21 | 2019-08-29 | 帝人株式会社 | サイジング剤組成物、炭素繊維の製造方法及びサイジング剤付着炭素繊維 |
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2003
- 2003-03-31 JP JP2003094292A patent/JP2004300267A/ja active Pending
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