JP2007231441A - Carbon fiber strand for reinforcing thermoplastic resin - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱可塑性樹脂マトリックスとの接着性に優れるサイジング剤が付与された熱可塑性樹脂強化用炭素繊維ストランド及び当該炭素繊維ストランドによって強化された熱可塑性樹脂に関する。 The present invention relates to a carbon fiber strand for reinforcing a thermoplastic resin provided with a sizing agent having excellent adhesion to a thermoplastic resin matrix, and a thermoplastic resin reinforced by the carbon fiber strand.
炭素繊維及び炭素繊維複合材料は、引張強度・引張弾性率が高く、耐熱性、耐薬品性、疲労特性、耐摩耗性に優れる、線膨張係数が小さく寸法安定性に優れる、電磁波シールド性、X線透過性に富むなどの優れた特長を有している。このことから、スポーツ・レジャー、航空・宇宙、一般産業用途に幅広く適用されている。従来は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を複合材料のマトリックス樹脂とすることが多かったが、最近、リサイクル性・高速成型性の観点から熱可塑性樹脂が注目されている。 Carbon fiber and carbon fiber composite material have high tensile strength / tensile modulus, excellent heat resistance, chemical resistance, fatigue characteristics, wear resistance, low linear expansion coefficient, excellent dimensional stability, electromagnetic shielding, X It has excellent features such as high line transparency. Therefore, it is widely applied to sports / leisure, aviation / space, and general industrial applications. Conventionally, a thermosetting resin such as an epoxy resin is often used as a matrix resin of a composite material, but recently, a thermoplastic resin has attracted attention from the viewpoint of recyclability and high-speed moldability.
炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料のマトリックス樹脂としては、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ABS)、ポリアミド(ナイロン6、ナイロン66など)、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリプロピレン、高密度ポリエチレン、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、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンなどが挙げられる。 As a matrix resin of the carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), polyamide (nylon 6, nylon 66, etc.), polyacetal, polycarbonate, polypropylene, high density polyethylene, polyethylene terephthalate, poly Examples include butylene terephthalate, polyetherimide, polystyrene, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyether ketone, and polyether ether ketone.
これら熱可塑性樹脂のうち、ポリアミド樹脂は、安価であり、耐熱性、機械的特性(強度、弾性率)、耐薬品性に優れた性質を有する。そのため、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料のマトリックスとして、今後飛躍的な成長が期待されている。 Of these thermoplastic resins, polyamide resins are inexpensive and have properties excellent in heat resistance, mechanical properties (strength, elastic modulus), and chemical resistance. Therefore, dramatic growth is expected in the future as a matrix for carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite materials.
炭素繊維は、多数本の極細フィラメントを束ねた繊維束(ストランド)形状のものとして製造されるが、その取扱時において機械的摩擦などによって毛羽が発生し易い。このため、炭素繊維の集束性を向上させて取扱性を改善し、且つ、マトリックスとの親和性・接着性を向上させるために、炭素繊維にサイジング剤を付与するのが一般的である。 The carbon fiber is manufactured as a fiber bundle (strand) shape in which a large number of ultrafine filaments are bundled, and fluff is likely to occur due to mechanical friction during handling. Therefore, a sizing agent is generally added to the carbon fiber in order to improve the bundling property of the carbon fiber to improve the handleability and to improve the affinity and adhesiveness with the matrix.
熱可塑性樹脂をマトリックスとする炭素繊維複合材料は、コンパウンドペレットの射出成型、樹脂含有長繊維ストランドをカットしたもので繊維強化樹脂複合材料用中間素材(いわゆる長繊維ペレット)の射出成型、射出圧縮成型、押出成型、ランダムマットを使用したスタンピング成型などの成型材料として用いられ、これらに含まれる炭素繊維は比較的短い繊維形態で使用されることが多い。 Carbon fiber composite material with thermoplastic resin as matrix is compound pellet injection molding, resin-containing long fiber strand cut, injection molding of fiber reinforced resin composite material (so-called long fiber pellet), injection compression molding These are used as molding materials such as extrusion molding and stamping molding using a random mat, and carbon fibers contained in these are often used in a relatively short fiber form.
このため、炭素繊維複合材料の強度・弾性率等の機械的特性は、炭素繊維とマトリックスである熱可塑性樹脂との親和性・接着性に大きく影響を受ける。特に、近年は炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に対して更なる性能向上が要求されており、上記成型方法による場合は必要な強度が得られない場合がある。 For this reason, the mechanical properties such as strength and elastic modulus of the carbon fiber composite material are greatly influenced by the affinity and adhesiveness between the carbon fiber and the thermoplastic resin as the matrix. In particular, in recent years, further improvement in performance has been demanded for carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite materials, and the required strength may not be obtained in the case of the above molding method.
サイジング剤と熱可塑性樹脂マトリックスとの親和性を考慮した炭素繊維用サイジング剤については、これまでに多くの提案がなされている(例えば、特許文献1、2参照)。特許文献1には、ポリウレタンで被覆処理された炭素繊維ストランドが提案されている。この提案によれば、炭素繊維ストランドの取扱性の向上、並びに、炭素繊維強化熱可塑性樹脂の機械的特性の向上を図ることができることが開示されている。 Many proposals have been made regarding carbon fiber sizing agents in consideration of the affinity between the sizing agent and the thermoplastic resin matrix (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Patent Document 1 proposes a carbon fiber strand coated with polyurethane. According to this proposal, it is disclosed that the handleability of carbon fiber strands can be improved and the mechanical properties of the carbon fiber reinforced thermoplastic resin can be improved.
また、特許文献2には、常温で液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂、常温で固形状のビスフェノールA型エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ステアリン酸を必須成分とするサイジング剤が提案されている。更に、特許文献2には、上記サイジング剤が炭素繊維ストランドに良好な耐擦過性を与えることが記載されている。 Patent Document 2 proposes a sizing agent containing bisphenol A type epoxy resin that is liquid at room temperature, bisphenol A type epoxy resin that is solid at room temperature, unsaturated polyester resin, and stearic acid as essential components. Furthermore, Patent Document 2 describes that the sizing agent gives good scratch resistance to carbon fiber strands.
しかしながら、特許文献1及び2で開示されたサイジング剤では、近年の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に対する更なる性能向上の要求に対しては、満足すべき補強効果を確保できなかった。
本発明の目的は、熱可塑性樹脂マトリックスとの親和性・接着性に優れた熱可塑性樹脂強化用炭素繊維ストランド、及び当該炭素繊維ストランドを配合した炭素繊維強化熱可塑性樹脂を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a carbon fiber strand for reinforcing a thermoplastic resin excellent in affinity and adhesiveness with a thermoplastic resin matrix, and a carbon fiber reinforced thermoplastic resin containing the carbon fiber strand.
上記目的を達成する本発明は、以下に記載のものである。 The present invention for achieving the above object is as follows.
〔1〕 ポリウレタン樹脂を含むサイジング剤が付与されてなる炭素繊維ストランドであって、前記サイジング剤の乾燥被膜の破断伸度が400%以下であり、その付着量が炭素繊維に対し0.1〜5.0質量%である熱可塑性樹脂強化用炭素繊維ストランド。 [1] A carbon fiber strand provided with a sizing agent containing a polyurethane resin, wherein the rupture elongation of the dry film of the sizing agent is 400% or less, and the amount of adhesion is 0.1 to carbon fiber. Carbon fiber strands for reinforcing thermoplastic resin that are 5.0% by mass.
〔2〕 前記サイジング剤の乾燥被膜の軟化温度が50〜150℃である〔1〕に記載の熱可塑性樹脂強化用炭素繊維ストランド。 [2] The carbon fiber strand for reinforcing a thermoplastic resin according to [1], wherein the softening temperature of the dried film of the sizing agent is 50 to 150 ° C.
〔3〕 前記ポリウレタン樹脂のポリオール成分がエステル系である〔1〕又は〔2〕に記載の熱可塑性樹脂強化用炭素繊維ストランド。 [3] The carbon fiber strand for reinforcing a thermoplastic resin according to [1] or [2], wherein the polyol component of the polyurethane resin is ester-based.
〔4〕 〔1〕乃至〔3〕の何れかに記載の熱可塑性樹脂強化用炭素繊維ストランドを5〜70質量%配合してなる炭素繊維強化熱可塑性樹脂。 [4] A carbon fiber reinforced thermoplastic resin obtained by blending 5 to 70% by mass of the thermoplastic resin reinforcing carbon fiber strand according to any one of [1] to [3].
〔5〕 熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂である〔4〕に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂。 [5] The carbon fiber reinforced thermoplastic resin according to [4], wherein the thermoplastic resin is a polyamide resin.
本発明の炭素繊維ストランドにおいては、所定のポリウレタンが炭素繊維に付着し、ポリアミド樹脂に対する接着性に優れた被膜を形成している。 In the carbon fiber strand of the present invention, a predetermined polyurethane adheres to the carbon fiber to form a film having excellent adhesion to the polyamide resin.
本発明の炭素繊維ストランドは、コンパウンドペレットの射出成型、樹脂含有長繊維ストランドをカットしたもので繊維強化樹脂複合材料用中間素材(いわゆる長繊維ペレット)の射出成型、射出圧縮成型、押出成型等の成型に好適に供される。これらの成型により得られる炭素繊維強化熱可塑性樹脂は、フィラメントを覆う被膜とポリアミド樹脂との親和性が高いので、曲げ強度等の機械的強度に優れる。 The carbon fiber strand of the present invention is an injection molding of compound pellets, a resin-containing long fiber strand cut, an injection molding of an intermediate material for fiber reinforced resin composite material (so-called long fiber pellets), injection compression molding, extrusion molding, etc. It is suitably used for molding. The carbon fiber reinforced thermoplastic resin obtained by these moldings is excellent in mechanical strength such as bending strength since the affinity between the coating covering the filament and the polyamide resin is high.
以下本発明を詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below.
本発明の炭素繊維ストランドに付与されるサイジング剤は、乾燥被膜の破断伸度が400%以下、好ましくは350%以下である。破断伸度が400%を超える場合は、ポリアミド樹脂との接着性が低下するため、機械的強度が良好な炭素繊維強化熱可塑性樹脂が得られない。破断伸度が400%以下のサイジング剤が良好な理由は明らかではないが、炭素繊維ストランドの伸度が1.5〜2.5%に対し、ポリアミド樹脂の未延伸フィルムの伸度が400%であることから、炭素繊維とポリアミド樹脂との間に存在するサイジング剤は、破断伸度が400%以下のものが好ましいと考えられる。 The sizing agent applied to the carbon fiber strand of the present invention has a dry elongation at break of 400% or less, preferably 350% or less. When the elongation at break exceeds 400%, the adhesion with the polyamide resin is lowered, so that a carbon fiber reinforced thermoplastic resin having good mechanical strength cannot be obtained. The reason why a sizing agent having a breaking elongation of 400% or less is good is not clear, but the elongation of the unstretched film of polyamide resin is 400% while the elongation of the carbon fiber strand is 1.5 to 2.5%. Therefore, it is considered that the sizing agent present between the carbon fiber and the polyamide resin preferably has a breaking elongation of 400% or less.
本発明の炭素繊維ストランドに付与されるサイジング剤は、乾燥被膜の軟化温度が50〜150℃が好ましく、70〜130℃がより好ましい。軟化温度が150℃を超える場合は、ポリアミド樹脂との接着性が低下するため、機械的強度が良好な炭素繊維強化熱可塑性樹脂が得られない場合がある。軟化温度が50℃未満の場合も、軟化温度が150℃を超える場合と同様である。 The sizing agent applied to the carbon fiber strand of the present invention preferably has a dry film softening temperature of 50 to 150 ° C, more preferably 70 to 130 ° C. When the softening temperature exceeds 150 ° C., the adhesiveness with the polyamide resin is lowered, so that a carbon fiber reinforced thermoplastic resin having good mechanical strength may not be obtained. The case where the softening temperature is less than 50 ° C. is the same as the case where the softening temperature exceeds 150 ° C.
本発明の炭素繊維ストランドに付着されるサイジング剤中のポリウレタン樹脂のポリオール成分はエステル系とすることが好ましい。即ち、ポリウレタン樹脂の製造原料のポリオール成分としては、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、ポリカーボネートポリオール等が挙げられるが、ポリアミド樹脂との接着性が良好なポリオール成分はポリエステルポリオールである。 The polyol component of the polyurethane resin in the sizing agent attached to the carbon fiber strand of the present invention is preferably an ester system. That is, examples of the polyol component of the raw material for producing the polyurethane resin include polyester polyol, polyether polyol, polycarbonate polyol, and the like, but the polyol component having good adhesion to the polyamide resin is polyester polyol.
ポリエステルポリオールとしては、下記グリコール成分と下記酸成分とを脱水縮合反応させて得られるポリエステルポリオールを使用することができる。 As the polyester polyol, a polyester polyol obtained by subjecting the following glycol component and the following acid component to a dehydration condensation reaction can be used.
ポリエステルポリオールを得る際に使用することができるグリコール成分としては、例えばエチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール(分子量300〜6000)、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、ビスヒドロキシエトキシベンゼン、1,4−シクロヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、ビスフェノールA、水素添加ビスフェノールA、ハイドロキノン及びそれらのアルキレンオキシド付加体等が挙げられる。 Examples of the glycol component that can be used in obtaining the polyester polyol include ethylene glycol, propylene glycol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, 1,5-pentanediol, 3-methyl-1, 5-pentanediol, 1,6-hexanediol, neopentyl glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycol (molecular weight 300 to 6000), dipropylene glycol, tripropylene glycol, bishydroxyethoxybenzene, 1, Examples include 4-cyclohexanediol, 1,4-cyclohexanedimethanol, bisphenol A, hydrogenated bisphenol A, hydroquinone, and their alkylene oxide adducts.
ポリエステルポリオールを得る際に使用することができる酸成分としては、コハク酸、アジピン酸、アゼライン酸、サバチン酸、ドデカンジカルボン酸、無水マレイン酸、フマル酸、1,3−シクロペンタンジカルボン酸、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、フタル酸、1,4−ナフタレンジカルボン酸、2,5−ナフタレンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、ナフタール酸、ビフェニルジカルボン酸、1,2−ビス(フェノキシ)エタン−p,p’−ジカルボン酸及びこれらジカルボン酸の無水物若しくはエステル形成性誘導体、並びに、p−ヒドロキシ安息香酸、p−(2−ヒドロキシエトキシ)安息香酸及びこれらヒドロキシカルボン酸のエステル形成性誘導体等が挙げられる。 Examples of acid components that can be used in obtaining the polyester polyol include succinic acid, adipic acid, azelaic acid, sabatic acid, dodecanedicarboxylic acid, maleic anhydride, fumaric acid, 1,3-cyclopentanedicarboxylic acid, 1, 4-cyclohexanedicarboxylic acid, terephthalic acid, isophthalic acid, phthalic acid, 1,4-naphthalenedicarboxylic acid, 2,5-naphthalenedicarboxylic acid, 2,6-naphthalenedicarboxylic acid, naphthalic acid, biphenyldicarboxylic acid, 1,2- Bis (phenoxy) ethane-p, p'-dicarboxylic acid and anhydride or ester-forming derivatives of these dicarboxylic acids, as well as p-hydroxybenzoic acid, p- (2-hydroxyethoxy) benzoic acid and the hydroxycarboxylic acids Examples thereof include ester-forming derivatives.
また、ε−カプロラクトン等の環状エステル化合物の開環重合反応によって得られるポリエステル及びこれらの共重合ポリエステルも使用することができる。 In addition, polyesters obtained by ring-opening polymerization reaction of cyclic ester compounds such as ε-caprolactone and copolymerized polyesters thereof can also be used.
サイジング剤には上記ポリウレタン樹脂以外に、オレイン酸メチルやジオクチルセバケートなどの合成潤滑油、植物油、マッコーアルコールなどの高級アルコール、ポリエチレングリコール型非イオン界面活性剤や低度硫酸化油などの乳化剤等が含まれていてもよい。 In addition to the above polyurethane resins, sizing agents include synthetic lubricants such as methyl oleate and dioctyl sebacate, higher alcohols such as vegetable oil and macco alcohol, emulsifiers such as polyethylene glycol type nonionic surfactants and low-sulfated oils, etc. May be included.
上記サイジング剤を付与する炭素繊維ストランドは、ポリアクリロニトリル(PAN)系、石油・石炭ピッチ系、レーヨン系、リグニン系など、何れの炭素繊維も使用することができる。特に、PANを原料としたPAN系炭素繊維が、工業規模における生産性及び機械的特性に優れており好ましい。これらは市販品として入手できる。 As the carbon fiber strand to which the sizing agent is applied, any carbon fiber such as polyacrylonitrile (PAN), petroleum / coal pitch, rayon, and lignin can be used. In particular, PAN-based carbon fibers using PAN as a raw material are preferable because they are excellent in productivity and mechanical properties on an industrial scale. These are available as commercial products.
炭素繊維ストランドを構成するフィラメント数は特に制限はないが、通常の製造工程で得られる炭素繊維ストランドのフィラメント数は1000〜50000本程度である。 The number of filaments constituting the carbon fiber strand is not particularly limited, but the number of filaments of the carbon fiber strand obtained in a normal production process is about 1000 to 50000.
炭素繊維ストランドを構成するフィラメントの直径は4〜10μmが好ましく、6〜8μmがより好ましい。 The diameter of the filament constituting the carbon fiber strand is preferably 4 to 10 μm, and more preferably 6 to 8 μm.
PAN系炭素繊維は、概略以下の工程を経て製造される。 The PAN-based carbon fiber is manufactured through the following steps.
まず最初の耐炎化工程では、アクリル繊維を200〜300℃の空気雰囲気中で加熱し、ニトリル基を閉環させ、アクリルポリマー中に酸素を導入して、高温下でも安定な構造にする。 In the first flameproofing step, the acrylic fiber is heated in an air atmosphere at 200 to 300 ° C., the nitrile group is closed, oxygen is introduced into the acrylic polymer, and a stable structure is obtained even at high temperatures.
炭素化工程では、不活性ガス雰囲気中1000℃以上の高温で焼成し、炭素含有率を90質量%以上まで高めた炭素繊維とする。 In the carbonization step, the carbon fiber is baked at a high temperature of 1000 ° C. or higher in an inert gas atmosphere to increase the carbon content to 90% by mass or higher.
表面処理工程では、炭素繊維表面にマトリックス樹脂との接着性を高めるための含酸素官能基を導入する。 In the surface treatment step, an oxygen-containing functional group is introduced on the surface of the carbon fiber to enhance the adhesion with the matrix resin.
炭素繊維の表面処理としては、液相における薬液酸化・電解酸化、気相酸化などが挙げられる。これら表面処理のうちでも、生産性、処理の均一性の観点から、液相における電解酸化処理が好ましい。電解酸化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、水酸化カリウムなどの無機水酸化物、硫酸アンモニウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム等の無機塩類などが挙げられる。 Examples of the carbon fiber surface treatment include chemical liquid oxidation / electrolytic oxidation in a liquid phase, gas phase oxidation, and the like. Among these surface treatments, an electrolytic oxidation treatment in a liquid phase is preferable from the viewpoint of productivity and treatment uniformity. Examples of the electrolytic solution used for the electrolytic oxidation treatment include inorganic acids such as sulfuric acid, nitric acid, and hydrochloric acid, inorganic hydroxides such as sodium hydroxide and potassium hydroxide, and inorganic salts such as ammonium sulfate, sodium carbonate, and sodium bicarbonate. Can be mentioned.
炭素繊維ストランドに対するサイジング剤の付着量は、炭素繊維に対し0.1〜5.0質量%、好ましくは0.5〜2.0質量%とする。付着量が0.1質量%未満では成型加工時における炭素繊維ストランドの取扱性が劣る。一方、5.0質量%を超えると、炭素繊維ストランドの風合が低下し、ボビンに巻き取ったときの巻き密度が低下するので運送時に巻き崩れなどの問題が生じやすい。 The adhesion amount of the sizing agent to the carbon fiber strand is 0.1 to 5.0% by mass, preferably 0.5 to 2.0% by mass with respect to the carbon fiber. When the adhesion amount is less than 0.1% by mass, the handleability of the carbon fiber strand during molding is inferior. On the other hand, if it exceeds 5.0% by mass, the texture of the carbon fiber strand is lowered, and the winding density when wound on the bobbin is lowered, so that problems such as collapse during transportation are likely to occur.
以下、本発明の炭素繊維ストランドの製造方法の一例について説明する。 Hereinafter, an example of the manufacturing method of the carbon fiber strand of this invention is demonstrated.
[サイジング液]
ポリウレタン樹脂を水に分散させた形態で使用するのが一般的である。ポリウレタン樹脂は、分子中に親水基を導入して自己乳化させてもよいし、公知の界面活性剤を用いて強制乳化させてもよい。
[Sizing liquid]
In general, the polyurethane resin is used in a form dispersed in water. The polyurethane resin may be self-emulsified by introducing a hydrophilic group into the molecule, or may be forcedly emulsified using a known surfactant.
[サイジング剤]
本発明でサイジング剤とは、炭素繊維表面に付着したサイジング液中の組成物をいう。
[Sizing agent]
In the present invention, the sizing agent refers to a composition in the sizing liquid attached to the carbon fiber surface.
[サイジング工程]
炭素繊維ストランドへのサイジング法は、スプレー法、ローラー浸漬法、ローラー転写法などがある。これらサイジング法のうちでも、生産性、均一性に優れるローラー浸漬法が好ましい。炭素繊維ストランドをサイジング液に浸漬する際には、サイジング浴中に設けられた浸漬ローラーを介して、開繊と絞りを繰り返し、ストランドの中までサイジング液を含浸させることが肝要である。
[Sizing process]
Examples of sizing methods for carbon fiber strands include spraying, roller dipping, and roller transfer. Among these sizing methods, a roller dipping method excellent in productivity and uniformity is preferable. When dipping the carbon fiber strand in the sizing liquid, it is important to repeat the opening and drawing through an immersion roller provided in the sizing bath and impregnate the sizing liquid into the strand.
サイジング液を炭素繊維ストランドに含浸させた後、続く乾燥処理によって水分又は溶剤を除去して、目的とするサイジング剤を付与した炭素繊維ストランドを得る。炭素繊維に対するサイジング剤の付着量の調整は、サイジング液の濃度調整や、絞りローラーの調整などによって行う。 After impregnating the carbon fiber strand with the sizing liquid, the moisture or solvent is removed by the subsequent drying treatment to obtain the carbon fiber strand to which the target sizing agent is applied. The amount of the sizing agent attached to the carbon fiber is adjusted by adjusting the concentration of the sizing liquid or adjusting the squeezing roller.
炭素繊維ストランドの乾燥は、例えば、熱風、熱板、ローラー、赤外線ヒーターなどを使用することができ、120〜150℃の温度に1〜10分保持させることが好ましい。 For drying the carbon fiber strand, for example, hot air, a hot plate, a roller, an infrared heater or the like can be used, and the carbon fiber strand is preferably held at a temperature of 120 to 150 ° C. for 1 to 10 minutes.
上記方法により製造した本発明の炭素繊維ストランドは、コンパウンドペレット、樹脂含有長繊維ストランドをカットした中間素材(いわゆる長繊維ペレット)、ランダムマット、一方向強化プリプレグなどに加工し、これを成型して成型品(炭素繊維強化熱可塑性樹脂)とすることができる。本発明の炭素繊維ストランドは、コンパウンドペレット、長繊維ペレットに加工して行う射出成型、射出圧縮成型、押出成型等の成型品を製造する場合に特に好適である。 The carbon fiber strands of the present invention produced by the above method are processed into compound pellets, intermediate materials (so-called long fiber pellets) obtained by cutting resin-containing long fiber strands, random mats, unidirectional reinforcing prepregs, etc., and molded. It can be set as a molded product (carbon fiber reinforced thermoplastic resin). The carbon fiber strand of the present invention is particularly suitable for producing molded products such as injection molding, injection compression molding, extrusion molding, etc., which are processed into compound pellets and long fiber pellets.
炭素繊維強化熱可塑性樹脂に配合する本発明の炭素繊維ストランドの配合量は、炭素繊維の形態や成型方法、用途等によって異なるが、コストパフォーマンスの観点から5〜70質量%の範囲が好ましく、20〜40質量%がより好ましい。 The blending amount of the carbon fiber strand of the present invention to be blended with the carbon fiber reinforced thermoplastic resin varies depending on the form, molding method, use, etc. of the carbon fiber, but is preferably in the range of 5 to 70% by mass from the viewpoint of cost performance. -40 mass% is more preferable.
以下の実施例1〜3及び比較例1〜4に記載した条件によりサイジング剤の付着した炭素繊維ストランドを作製した。得られた炭素繊維ストランドの諸物性値について、以下の方法により測定した。 Carbon fiber strands to which a sizing agent was adhered were produced under the conditions described in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 below. Various physical properties of the obtained carbon fiber strand were measured by the following methods.
〔界面接着強度の測定〕
界面接着強度は、複合材界面特性評価装置(東栄産業社製)を用いたマイクロドロップレット試験により評価した。
[Measurement of interfacial bond strength]
The interfacial adhesive strength was evaluated by a microdroplet test using a composite material interface property evaluation apparatus (manufactured by Toei Sangyo Co., Ltd.).
はじめに、炭素繊維ストランドから炭素繊維モノフィラメントを取り出した。図1に示すように、コ字状の台紙13の両端側に設けた突出部13a、13bに炭素繊維モノフィラメント11の両端をそれぞれ接着剤12で固定し、炭素繊維モノフィラメント11を台紙13に張設した。この台紙を装置の台紙ホルダーにセットした。台紙ホルダーはロードセルを備えた試料移動装置と連結されており、炭素繊維モノフィラメント11の繊維軸方向に台紙13を一定の速度で移動させることが可能となっている。250℃に加熱し溶融させたポリアミド樹脂(宇部興産製、宇部ナイロン 1011FB)を、装置に備えられた試料容器の網目から液滴状に懸垂して台紙13に張設した炭素繊維モノフィラメント11に接触させた。この操作により、炭素繊維モノフィラメント11にマイクロドロップレット14を付着させ、測定用試料を得た。マイクロドロップレットを室温で十分に冷却した後、炭素繊維モノフィラメント11をSUS製ブレード15a、15bで挟んだ。その後、台紙13を0.06mm/minの速度で炭素繊維モノフィラメント11の繊維軸方向に移動させ、マイクロドロップレット14から炭素繊維モノフィラメント11を引き抜くとともに、ロードセルで引き抜き時の最大荷重Fを測定した。10個以上の測定用試料を作製して測定を行い、直径30〜100μmのマイクロドロップレットについて最大荷重Fの平均値を求めた。なお、測定は、窒素雰囲気下、雰囲気温度23℃で行い、1個の測定用試料で測定するサンプル数は5個とした。
First, the carbon fiber monofilament was taken out from the carbon fiber strand. As shown in FIG. 1, both ends of the
次式(iii)により界面剪断強度τを算出し、炭素繊維フィラメントとポリプロピレン樹脂の接着強度を評価した。
τ=F/πdl……(iii)
なお、式(iii)中、Fは引き抜き時の最大荷重、dは炭素繊維フィラメント径、lはマイクロドロップレットの引き抜き方向の粒子径を示す。
The interfacial shear strength τ was calculated by the following formula (iii), and the adhesive strength between the carbon fiber filament and the polypropylene resin was evaluated.
τ = F / πdl (iii)
In the formula (iii), F represents the maximum load during drawing, d represents the carbon fiber filament diameter, and l represents the particle diameter in the drawing direction of the microdroplet.
〔一方向積層板の曲げ試験〕
図2に示す装置を用いてサイジング剤を付与した炭素繊維にポリアミド樹脂(宇部興産製、宇部ナイロン 1022B)を含浸させて炭素繊維強化ストランドプリプレグを製造した。
[Bending test of unidirectional laminate]
A carbon fiber reinforced strand prepreg was produced by impregnating a carbon fiber provided with a sizing agent with a polyamide resin (manufactured by Ube Industries, Ube Nylon 1022B) using the apparatus shown in FIG.
サイジング剤を付与した炭素繊維31を、270℃に保持された恒温槽38中にセットしたポリアミド樹脂浴39(幅10cm×長さ30cm)に30cm/分で連続的に浸漬し、樹脂浴の出側で絞りローラー34により余剰の樹脂を絞り取った後、ワインダー37で巻き取った。得られた炭素繊維強化ストランドプリプレグにおける炭素繊維の体積含有率は30%であった。なお、図2中、32はガイドローラー、33は浸漬ローラー、35は炭素繊維ストランドのパッケージを示す。
The
得られた炭素繊維強化ストランドプリプレグを、炭素繊維の配向方向を一方向に揃えてシート状に形成し、炭素繊維の配向方向をシート間で同一にして金型内に7枚積層した。金型内に積層した炭素繊維強化ストランドプリプレグを、270℃中6kgf/cm2(0.59MPa)で加圧下4分間加熱し、幅10mm×厚さ2mm×長さ12mmの炭素繊維強化プラスチック(CFRTP)試験片を作製した。CFRTP試験片の炭素繊維の体積含有率は30%であった。試験片5本について、JIS K 7074に準拠して曲げ試験(スパン/厚さ比=32、試験速度5.0mm/分)を実施した。 The obtained carbon fiber reinforced strand prepreg was formed into a sheet shape with the orientation direction of the carbon fibers aligned in one direction, and seven sheets were laminated in the mold with the same orientation direction of the carbon fibers between the sheets. The carbon fiber reinforced strand prepreg laminated in the mold was heated under pressure at 6 kgf / cm 2 (0.59 MPa) at 270 ° C. for 4 minutes to obtain a carbon fiber reinforced plastic (CFRTP) 10 mm wide × 2 mm thick × 12 mm long. ) A test piece was prepared. The carbon fiber volume content of the CFRTP test piece was 30%. A bending test (span / thickness ratio = 32, test speed 5.0 mm / min) was performed on five test pieces in accordance with JIS K7074.
〔破断伸度の測定〕
フィルム上にサイジング剤溶液を塗布し、乾燥後の膜厚が100〜200μmとなるように、室温で20時間乾燥させた後、更に140℃で5分間乾燥させてフィルムから剥離することにより試料を作製した。次に、この試料を用いて、引張試験機〔オリエンテック社製〕にて、25℃の雰囲気下で、クロスヘッドスピード50mm/分で引張試験を実施した時の破断点伸度を測定した。
(Measurement of elongation at break)
A sizing agent solution is applied on the film, dried at room temperature for 20 hours so that the film thickness after drying is 100 to 200 μm, then further dried at 140 ° C. for 5 minutes and peeled off from the film. Produced. Next, using this sample, the elongation at break when a tensile test was carried out at a crosshead speed of 50 mm / min in an atmosphere at 25 ° C. with a tensile tester (manufactured by Orientec) was measured.
〔軟化温度の測定〕
フィルム上にサイジング剤溶液を塗布し、乾燥後の膜厚が100〜200μmとなるように、室温で20時間乾燥した後、更に140℃で5分間乾燥させてフィルムから剥離することにより試料を作製した。次に、この試料を使用し、高化式フローテスター[島津製作所(株)製 CFT−500D]にて、荷重98N、内径1mm且つ長さ1mmのオリフィスで流動開始温度を測定した。前述、後述の軟化温度はこの流動開始温度のことを指す。
[Measurement of softening temperature]
A sample is prepared by applying a sizing agent solution on the film, drying at room temperature for 20 hours so that the film thickness after drying is 100 to 200 μm, and further drying at 140 ° C. for 5 minutes and peeling from the film. did. Next, using this sample, the flow start temperature was measured with an orifice having a load of 98 N, an inner diameter of 1 mm, and a length of 1 mm using a Koka flow tester [CFT-500D manufactured by Shimadzu Corporation]. The softening temperature described later refers to this flow start temperature.
実施例1
(1) 炭素繊維ストランドの製造
サイジング液として、水系ポリウレタン樹脂[大日本インキ化学工業(株)製ハイドランAP−40、破断伸度:30%、軟化温度:106℃]を純水で希釈し、樹脂濃度が25g/Lとなるように調整した。このサイジング液に未サイジングの炭素繊維ストランド[東邦テナックス社製「ベスファイトSTS−24K N00」、直径7μm×24000フィラメント、繊度1.6g/m、引張強度4000MPa(408kgf/mm2)、引張弾性率238GPa(24.3tonf/mm2)]を連続的に浸漬させ、フィラメント間に前記サイジング液を含浸させた。続いて、140℃の乾燥機に3分間通して水分を蒸発させ、サイジング剤が1.0質量%付着した炭素繊維ストランドを得た。
Example 1
(1) Production of carbon fiber strand As a sizing liquid, a water-based polyurethane resin [Hydran AP-40 manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc., elongation at break: 30%, softening temperature: 106 ° C.] was diluted with pure water, The resin concentration was adjusted to 25 g / L. Unsized carbon fiber strand [“BETHFITE STS-24K N00” manufactured by Toho Tenax Co., Ltd., diameter 7 μm × 24000 filament, fineness 1.6 g / m, tensile strength 4000 MPa (408 kgf / mm 2 ), tensile elastic modulus 238 GPa (24.3 tonf / mm 2 )] was continuously immersed, and the sizing solution was impregnated between the filaments. Subsequently, the moisture was evaporated by passing through a dryer at 140 ° C. for 3 minutes to obtain a carbon fiber strand having 1.0% by mass of a sizing agent attached thereto.
(2) 炭素繊維ストランドの界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度
得られた炭素繊維ストランドについて測定した界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度は表1に示すように、それぞれ63MPa及び733MPaと高いものであった。
(2) Interfacial adhesive strength of carbon fiber strands and bending strength of unidirectional laminates As shown in Table 1, the interfacial adhesive strength and unidirectional laminate bending strengths measured for the obtained carbon fiber strands were 63 MPa and 733 MPa, respectively. It was expensive.
実施例2
(1) 炭素繊維ストランドの製造
サイジング液を水系ポリウレタン樹脂[大日本インキ化学工業(株)製ハイドランAP−30F、破断伸度:30%、軟化温度:105℃]にした以外は実施例1と同様に操作してサイジング剤が1.0質量%付着した炭素繊維ストランドを得た。
Example 2
(1) Production of carbon fiber strands Example 1 except that the sizing solution was changed to water-based polyurethane resin [Hydran AP-30F, Dainippon Ink & Chemicals, Inc., elongation at break: 30%, softening temperature: 105 ° C.] The same operation was performed to obtain a carbon fiber strand to which 1.0% by mass of the sizing agent was adhered.
(2) 炭素繊維ストランドの界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度
得られた炭素繊維ストランドについて測定した界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度は表1に示すように、それぞれ59MPa及び740MPaと高いものであった。
(2) Interfacial adhesive strength of carbon fiber strands and bending strength of unidirectional laminates As shown in Table 1, the interfacial adhesive strength and unidirectional laminate bending strengths measured for the obtained carbon fiber strands were 59 MPa and 740 MPa, respectively. It was expensive.
実施例3
(1) 炭素繊維ストランドの製造
サイジング液を水系ポリウレタン樹脂[大日本インキ化学工業(株)製ハイドランAP−20、破断伸度:340%、軟化温度:90℃]にした以外は実施例1と同様に操作してサイジング剤が1.0質量%付着した炭素繊維ストランドを得た。
Example 3
(1) Production of carbon fiber strands Example 1 except that the sizing solution was changed to water-based polyurethane resin [Hydran AP-20 manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc., elongation at break: 340%, softening temperature: 90 ° C.] The same operation was performed to obtain a carbon fiber strand to which 1.0% by mass of the sizing agent was adhered.
(2) 炭素繊維ストランドの界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度
得られた炭素繊維ストランドについて測定した界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度は表1に示すように、それぞれ58MPa及び741MPaと高いものであった。
(2) Interfacial adhesive strength of carbon fiber strand and bending strength of unidirectional laminate As shown in Table 1, the interfacial adhesive strength and unidirectional laminate bending strength measured for the obtained carbon fiber strand were 58 MPa and 741 MPa, respectively. It was expensive.
実施例4
(1) 炭素繊維ストランドの製造
サイジング液を水系ポリウレタン樹脂[大日本インキ化学工業(株)製ハイドランHW140SF、破断伸度:350%、軟化温度:75℃]にした以外は実施例1と同様に操作してサイジング剤が1.0質量%付着した炭素繊維ストランドを得た。
Example 4
(1) Production of carbon fiber strands As in Example 1, except that the sizing solution was changed to water-based polyurethane resin [Hydran HW140SF, Dainippon Ink & Chemicals, Inc., elongation at break: 350%, softening temperature: 75 ° C.] A carbon fiber strand having 1.0% by mass of a sizing agent attached thereto was obtained by operation.
(2) 炭素繊維ストランドの界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度
得られた炭素繊維ストランドについて測定した界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度は表1に示すように、それぞれ59MPa及び730MPaと高いものであった。
(2) Interfacial adhesive strength of carbon fiber strands and bending strength of unidirectional laminates As shown in Table 1, the interfacial adhesive strength and unidirectional laminate bending strengths measured for the obtained carbon fiber strands were 59 MPa and 730 MPa, respectively. It was expensive.
比較例1
(1) 炭素繊維ストランドの製造
サイジング液を水系ポリウレタン樹脂[大日本インキ化学工業(株)製ハイドランHW930、破断伸度:600%、軟化温度:170℃]にした以外は実施例1と同様に操作してサイジング剤が1.0質量%付着した炭素繊維ストランドを得た。
Comparative Example 1
(1) Production of carbon fiber strands As in Example 1, except that the sizing solution was changed to water-based polyurethane resin [Hydran HW930 manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc., elongation at break: 600%, softening temperature: 170 ° C.] A carbon fiber strand having 1.0% by mass of a sizing agent attached thereto was obtained by operation.
(2) 炭素繊維ストランドの界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度
得られた炭素繊維ストランドについて測定した界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度は表1に示すように、それぞれ50MPa及び655MPaと低いものであった。
(2) Interfacial bond strength of carbon fiber strands and bending strength of unidirectional laminates As shown in Table 1, the interfacial adhesive strength and unidirectional laminate bending strengths measured for the obtained carbon fiber strands were 50 MPa and 655 MPa, respectively. It was low.
比較例2
(1) 炭素繊維ストランドの製造
サイジング液を水系ポリウレタン樹脂[大日本インキ化学工業(株)製ハイドランHW940、破断伸度:700%、軟化温度:180℃]にした以外は実施例1と同様に操作してサイジング剤が1.0質量%付着した炭素繊維ストランドを得た。
Comparative Example 2
(1) Production of carbon fiber strands As in Example 1, except that the sizing solution was changed to water-based polyurethane resin [Hydran HW940, Dainippon Ink & Chemicals, Inc., elongation at break: 700%, softening temperature: 180 ° C.] A carbon fiber strand having 1.0% by mass of a sizing agent attached thereto was obtained by operation.
(2) 炭素繊維ストランドの界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度
得られた炭素繊維ストランドについて測定した界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度は表1に示すように、それぞれ48MPa及び654MPaと低いものであった。
(2) Interfacial bond strength of carbon fiber strands and bending strength of unidirectional laminates As shown in Table 1, the interfacial adhesive strength and unidirectional laminate bending strengths measured for the obtained carbon fiber strands were 48 MPa and 654 MPa, respectively. It was low.
比較例3
(1) 炭素繊維ストランドの製造
サイジング液を水系ポリウレタン樹脂[大日本インキ化学工業(株)製ボンディック1310NE、破断伸度:450%、軟化温度:173℃]にした以外は実施例1と同様に操作してサイジング剤が1.0質量%付着した炭素繊維ストランドを得た。
Comparative Example 3
(1) Production of carbon fiber strands The same as Example 1 except that the sizing solution was changed to water-based polyurethane resin [Bondic 1310NE manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc., elongation at break: 450%, softening temperature: 173 ° C.] To obtain a carbon fiber strand having 1.0% by mass of a sizing agent attached thereto.
(2) 炭素繊維ストランドの界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度
得られた炭素繊維ストランドについて測定した界面接着強度及び一方向積層板の曲げ強度は表1に示すように、それぞれ52MPa及び650MPaと低いものであった。
(2) Interfacial adhesive strength of carbon fiber strand and bending strength of unidirectional laminate As shown in Table 1, the interfacial adhesive strength and unidirectional laminate bending strength measured for the obtained carbon fiber strand were 52 MPa and 650 MPa, respectively. It was low.
11 炭素繊維モノフィラメント
12 接着剤
13 台紙
13a、13b 突出部
14 マイクロドロップレット
15a、15b ブレード
31 炭素繊維ストランド
32 ガイドローラー
33 浸漬ローラー
34 絞りローラー
35 パッケージ
37 ワインダー
38 恒温槽
39 樹脂浴
DESCRIPTION OF
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