JP2011246621A - 炭素繊維の樹脂含浸ストランドおよびペレットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂含浸性に優れた炭素繊維の熱可塑性樹脂含浸ストランド、および炭素繊維の長繊維ペレットを提供する。
【解決手段】溶融状態の熱可塑性樹脂が充填されかつ円弧形状を有するブロックが配置された含浸浴中に、炭素繊維束を導入し、ブロックの円弧部分に炭素繊維束を接触通過させ開繊させつつ、炭素繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させ熱可塑性樹脂含浸ストランドを製造する方法であって、円弧形状を有するブロックは凸状の円弧を有する開繊ブロックと逆凹状の円弧を有する収束ブロックから構成され、その弧の向きは同一であり、開繊ブロックをはさむように収束ブロックが配列されていることを特徴とする熱可塑性樹脂含浸ストランドの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維の熱可塑性樹脂含浸ストランド、および長繊維ペレットの製造方法に関するものである。

繊維強化ペレット構造物、繊維強化複合材料の製造方法に関しては特許文献１および２がある。特許文献１では３０Ｎｓ／ｍ^２より小さい溶融粘度を有する熱可塑性ポリマーと強化用フィラメントとから構造物を得ることが記載されているが、とくに含浸条件については規定が無い。

特許文献２ではとくにガラス繊維複合材料の製造方法において、溶融物の粘度や第１スプレダー表面に進入する際の張力について記載があり、中程度またはかなり高い粘度（特許文献１に比べ高い）の熱可塑性樹脂を用いて繊維強化複合材料を製造する方法について、溶融物の粘度が増大するのに伴って、要求されるフィラメントの予備張力を増大させなければならないことが記載されている。

また特許文献３は、強化繊維束を複数の治具にジグザグ状に巻き掛けて通過させてこれを開繊させる繊維強化樹脂成形材料の製造方法であって、治具の前後で強化繊維が為す角度、および最後に強化繊維と接する前記治具から強化繊維を収束させる部分までの距離を特徴とする。

また特許文献４は、強化繊維束を、表面が凸曲面に形成され長手方向中央部程大径の曲面バー、すなわち凹曲面表面のつづみ形状の曲面バーを接触通過させる強化繊維束の拡開方法である。

また特許文献５は、表面がアール形状をなす少なくとも１個の拡張スプレッダーと、リング状スプレッダーからなるスプレッダー部を内蔵するダイボックスに溶融樹脂を供給しながらロービングする長繊維強化熱可塑性樹脂組成物の製造方法である。拡張スプレッダー９はその形状はそろばん玉型であってもあるいは串ダンゴ型のごとく球状のものであっても良いとある。

特開昭５７−１８１８５２号公報 特開平６−１５５５９３号公報 特開２００５−２８７１２号公報 特開平３−１４６７３６号公報 特開平７−６２２４６号公報

本発明の目的は樹脂含浸性に優れた炭素繊維の熱可塑性樹脂含浸ストランドの製造法、および炭素繊維の長繊維ペレットを提供することである。

本発明は、溶融状態の熱可塑性樹脂が充填されかつ円弧形状を有するブロックが配置された含浸浴中に、炭素繊維束を導入し、ブロックの円弧部分に炭素繊維束を接触通過させ開繊させつつ、炭素繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させ熱可塑性樹脂含浸ストランドを製造する方法であって、円弧形状を有するブロックは凸状の円弧を有する開繊ブロックと逆凹状の円弧を有する収束ブロックから構成され、その弧の向きは同一であり、開繊ブロックをはさむように収束ブロックが配列されされていることを特徴とする熱可塑性樹脂含浸ストランドの製造方法である。

本発明により樹脂含浸性に優れた炭素繊維の熱可塑性樹脂含浸ストランドおよび炭素繊維の長繊維ペレットが得られる。本発明の長繊維ペレットにより引張強度、引張伸び、曲げ強度、曲げ弾性率といった機械物性に優れた成形体が提供できる。

含浸ストランド製造装置の模式図 ブロックの配置および繊維束搬送の模式図

溶融状態の熱可塑性樹脂が充填されかつ円弧形状を有するブロックが配置された含浸浴中に、炭素繊維束を導入し、ブロックに炭素繊維束を接触通過させ開繊させつつ、炭素繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させ熱可塑性樹脂含浸ストランドを製造する方法である。本発明方法の含浸ストランド製造装置を例示する模式図を図１に、ブロックの配置および円弧の説明および繊維束搬送を例示する模式図を図２に示す。以下詳細に述べる。

（ブロックの形状）
本発明の円弧形状のブロックは凸状の円弧を有する開繊ブロックと逆凹状の円弧を有する収束ブロックから構成される。
開繊ブロックにおいては円弧の外周にストランドを接触通過させることにより開繊作用をもつ。また収束ブロックにおいては、逆凹状の円弧の内周にストランドを接触通過させることにより収束作用をもたせる。
したがって、含浸浴中におけるブロックの配置は、収束ブロックが繊維束の糸道の両端、すなわちストランドの送り出し部と含浸ストランドの引き取り部にそれぞれ配置されることが好ましい。

ブロックを複数本用いるにあたり、開繊ブロックで開繊された繊維束を、収束ブロックに導くことで糸道から外れるのを防止することができるように配置することが好ましく、収束ブロック、開繊ブロックを交互に用いること、あるいは収束ブロック、開繊ブロック、および収束ブロックの３要素の組み合わせの繰り返しで用いることが好ましい。なかでも収束ブロック、開繊ブロック、および収束ブロックの３要素の組み合わせの繰り返しが好ましい。

また各ブロックは互いに平行に配置しても、互いのブロックをずらせて配置しても構わない。ブロックの円弧の扇端の位置は一直線上であっても、ジグザグ状に配置されていても良い。ブロックは互いの高さをずらせて配置しても構わないが、各ブロックが互いに平行に配置していることが好ましい

（ブロックの円弧の半径）
収束ブロックの逆凹状の円弧の半径をＲ１，開繊ブロックの凸状の円弧の半径をＲ２としたとき、
Ｒ１＞Ｒ２
を満たすことが本発明方法の特徴である。図２に具体的に例示したとおり、繊維束は収束ブロックの円弧下側を通って開繊ブロックに導かれ、開繊ブロックの円弧上側を通り、収束ブロックへ搬送させる。円弧の半径が大きい方がブロックの円弧が緩いカーブを描いているわけだが、このようにブロックの円弧のカーブを変化させることで適切に炭素繊維束を開繊することができる。

Ｒ１がＲ２よりも小さい、または同一であると収束効果が開繊効果よりも大きくなり、炭素繊維束が十分に開繊せず、樹脂含浸性に優れた熱可塑性樹脂含浸ストランドが得られない。Ｒ１とＲ２とが同一であると炭素繊維束が十分に開繊せず、樹脂含浸性に優れた熱可塑性樹脂含浸ストランドが得られない。
集束ブロックの円弧の半径Ｒ１と開繊ブロックの円弧の半径Ｒ２の比である（Ｒ１／Ｒ２）は１．１〜１．６であることが好ましい。より好ましくは（Ｒ１／Ｒ２）は１．２〜１．５であることが好ましい。（Ｒ１／Ｒ２）が１．６を超える場合、開繊効果が強すぎて糸道から外れることがある。

複数の開繊ブロック、収束ブロックを配置するとき、開繊ブロックと収束ブロックのそれぞれの円弧の半径は等しくても、異なっていても構わないが、それぞれ独立に上記条件を満たすことが好ましい。各ブロックの円弧の半径が異なる場合、進行方向で順次大きくしていっても、小さくしていっても、また大小交互に配置しても構わないが、ブロックに架かる角度（抱き角）をある範囲とするためにはブロックに架かる角度は３０°〜１２０°になるように配置することが好ましい。例えば収束ブロック、開繊ブロック、および収束ブロックの３要素の組み合わせの場合、この繰り返し単位で、順次大きくまたは順次小さくすることが好ましい。
上記の条件とすることにより、ブロックの曲面に沿って炭素繊維束はしごくように搬送されるので、十分に繊維束が開繊され樹脂含浸性に優れた炭素繊維の熱可塑性樹脂含浸ストランドを得ることができる。

（ブロック）
上記の条件とすることにより、ブロックの曲面に沿って炭素繊維束はしごくように搬送されるので、十分に繊維束が開繊され樹脂含浸性に優れた炭素繊維の熱可塑性樹脂含浸ストランドを得ることができる。
熱可塑性樹脂中に繊維束を導入して樹脂含浸ストランドを得ることができ、従来は得られなかった樹脂含有率の高い炭素繊維の樹脂含浸ストランドを安定して得ることが可能となる。
また本発明方法において、含浸浴中の炭素繊維束を接触通過させ開繊させる機構において、円弧形状を有するブロックに加え、本発明の目的を損なわない範囲で開繊や収束を司る他の構造、例えばロール、ピン、バー、治具等を設けても良い。

[炭素繊維]
本発明における炭素繊維は好ましくは平均直径５〜１０μｍの炭素繊維のモノフィラメント１０００〜４８０００本から構成される。炭素繊維の平均直径は６〜８μｍがさらに好ましい。炭素繊維の引張強度は３０００〜６０００ＭＰａのものを用いることが好ましい。なお炭素繊維の強度（ＭＰａ）＝（単繊維強度（ｇｆ）／１０００）／単繊維断面積（mm²）という関係となる。

[熱可塑性樹脂]
熱可塑性樹脂は熱可塑性樹脂浴容器内に必要な加温条件下に適切な粘度となるように保持することが可能なものであれば、本発明方法に用いることができる。熱可塑性樹脂の具体的な種類としては例えばポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂、およびその共重合体やブレンド物であるポリオレフィン系樹脂、ポリアミド６６、ポリアミド６、ポリアミド１２等の脂肪族ポリアミド系樹脂、酸成分として芳香族成分を有する半芳香族ポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）やポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）等の芳香族ポリエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリスチレン系樹脂（ポリスチレン樹脂、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂等）、あるいは、ポリ乳酸系などの脂肪族ポリエステル系樹脂などを挙げることができる。なかでも好ましくはポリカーボネート系樹脂や脂肪族ポリアミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂が好ましく挙げられる。

[含浸ストランドの製造装置]
本発明の熱可塑性樹脂含浸ストランド製造の装置例の概略図を図１に示す。炭素繊維束を送り出しローラー１より、糸道ガイド２を通って、含浸浴４中に導入される。熱可塑性樹脂は押出機５から含浸浴４中に導入され、含浸浴は溶融状態の熱可塑性樹脂で満たされている。含浸浴には複数の円弧形状のブロック３が設置される。含浸浴中を６で示される引取方向に熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維のストランドを搬送し、引き取り機にて引き取る。

[引き取りテンション]
引き取り機手前の地点で測定した含浸ストランドの引き取りテンションは単一フィラメント２４０００本当たり５０〜４００Ｎであることが好ましい。単一フィラメント２４０００本当たりの引き取りテンションが４００Ｎを超えると、毛羽が立ったり、破断してしまうことがある。引き取りテンションが５０Ｎ未満であると十分な含浸性が実現できないことがある。さらに好ましくは引き取りテンションが２４０００本当たり１００〜３００Ｎである。
引き取りテンションは予備テンションの設定条件や、搬送速度により適宜調整可能である。搬送速度を上げることで引き取りテンションを高くすることができる。また引き取りテンションはローラーの形状やローラーの配置によって適宜調整可能である。

[搬送速度]
引き取り成形時の含浸ストランドの搬送速度は１ｍ／min以上５０ｍ／min以下であることが好ましい。搬送速度が１ｍ／min未満だと含浸ストランドの生産性から好ましくない。５０ｍ／minを超えると十分な樹脂含浸を達成できない場合があり、また炭素繊維の毛羽が発生することがある。含浸ストランドのより好ましい搬送速度は２ｍ／min以上４０ｍ／min以下、３ｍ／min以上３０ｍ／min以下である。

[予備テンション]
熱可塑性樹脂溶融物中に引き入れる際の炭素繊維の単一フィラメント２４０００本当たりの張力は１〜２０Ｎであることが好ましい。さらには５〜１０Ｎであることが好ましい。張力が３Ｎ未満だと樹脂の含浸性が不十分となることがあり、２０Ｎを超えると炭素の毛羽が立つことがある。予備テンションは回転体に接触式もしくは非接触式のブレーキを働かせることにより調整可能である。
熱可塑性樹脂含浸ストランドを得ようとした際に、予備テンションを低く設定した場合であっても、本発明の方法にて搬送することにより十分な樹脂含浸を可能とすることが、本発明の大きな特徴である。（炭素繊維の予備テンション／熱可塑性樹脂の粘度η）が０．０２以下であることが好ましい。

[熱可塑性樹脂の粘度]
樹脂浴中の熱可塑性樹脂の粘度は１００〜３０００Ｐａ・ｓ（Ｎｓ／ｍ^２）とすることが好ましい。粘度が３０００Ｐａ・ｓを超えると十分な含浸性が得られないことがある。この範囲の粘度とするには樹脂の種類にもよるが、例えばポリアミドの場合、樹脂浴の温度を、融点プラス１０℃〜融点プラス３０℃とすることが好ましい。

[長繊維ペレット]
本発明の製造方法で得られた熱可塑性樹脂含浸ストランドを切断することにより炭素繊維の長繊維ペレットを得ることができる。本発明の製造方法により樹脂含有率の高い（炭素繊維含有率の低い）含浸ストランドを得ることが可能であるので、これより樹脂含有率の高い（炭素繊維含有率の低い）長繊維ペレットを得ることができる。炭素繊維含有率は好ましくは１０〜５０重量％、より好ましくは２０〜４０%である。

以下に実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。ペレットの物性は以下のようにして求めた
（１）繊維重量含有率：ペレットを硫酸に溶解させ樹脂成分を除きその重量変化から求めた。
（２）含浸率：得られたペレットを割り、樹脂が含浸されていない炭素繊維をより分けてドライファイバーの重量を求め、下記式により求めた。
含浸率（重量％） ＝ １００−Wdf/(Wp×Wf)
（Wdfは長繊維ペレット中のドライファイバー重量であり、Wpは長繊維ペレット重量であり、Wfは繊維の重量含有率である。）
（３）引張強度、引張伸び
得られたペレットより射出成型機を用いてダンベル試験片を作成し、ＪＩＳ Ｋ ７１６１に準拠し引張強度、引張伸びの測定を行った。
（４）曲げ強度、曲げ弾性率
得られたペレットより射出成型機を用いてダンベル試験片を作成し、ＪＩＳ Ｋ ７１６１に準拠し曲げ強度、曲げ弾性率の測定を行った。

［実施例１］
炭素繊維フィラメント（東邦テナックス社製ＳＴＳ４０ 平均直径７μｍ フィラメント本数 ２４０００本、引張強度４０００ＭＰａ、繊維束の幅９ｍｍ。ここで平均直径、フィラメント本数、引張強度はカタログ値である。繊維束の幅は実測値である）を概略図２に示す装置（収束ブロックと開繊ブロック計３個それぞれ交互に配置、ブロックの厚みは全て５ｍｍ、収束ブロック２個は円弧半径４５ｍｍ、開繊ブロッ１個は円弧半径３０ｍｍ、ブロックの間隔は３本全て中心間距離２０ｍｍ均等間隔とし４０ｍｍ幅の含浸浴に配置）表１に記載の条件で、ポリカーボネート樹脂（帝人化成株式会社製 登録商標 パンライトＬ１２２５Ｙ）のせん断速度１００（１／ｓ）におけるせん断粘度を３００Ｐａ・ｓに調整し、炭素繊維フィラメントとポリカーボネート樹脂を一緒に引抜き成形し、含浸ストランドを得て、それを切断してペレットを得た。得られたペレットの物性値を表１に示す。張力は含浸浴手前時点での張力を予備テンションとし、引き取り機手前時点の張力を引き取りテンションとした。
実施例１で得られたペレットの含浸率は９３％であった。得られたペレットの物性値を表２に示す。

［実施例２］
樹脂として ナイロン６６（宇部興産 登録商標ＵＢＥ ＮＹＬＯＮ ６６ ２０１５Ｂ）を用いてせん断速度１００（１／ｓ）におけるせん断粘度を１００Ｐａ・ｓに調整した以外は実施例１と同様に表１に記載の条件で含浸ストランドを得て、それを切断してペレットを得た。得られたペレットの物性値を表２に示す。

［実施例３］
収束ブロック２個は円弧半径３７ｍｍ、開繊ブロック１個は円弧半径３５ｍｍとした以外は実施例２と同様に表１に記載の条件で含浸ストランドを得て、それを切断してペレットを得た。得られたペレットの物性値を表２に示す。

［実施例４］
樹脂として ナイロン６（宇部興産 登録商標ＵＢＥ ＮＹＬＯＮ ６ １０１５Ｂ）を用いてせん断速度１００（１／ｓ）におけるせん断粘度を１００Ｐａ・ｓに調整した以外は実施例１と同様に表１に記載の条件で含浸ストランドを得て、それを切断してペレットを得た。得られたペレットの物性値を表２に示す。

［実施例５］
収束ブロック２個は円弧半径３７ｍｍ、開繊ブロック１個は円弧半径３５ｍｍとした以外は実施例４と同様に表１に記載の条件で含浸ストランドを得て、それを切断してペレットを得た。得られたペレットの物性値を表２に示す。

［実施例６］
樹脂として ポリプロピレン（プライムポリマー社製、プライムポリプロ（登録商標）Ｊ１０８Ｍ）を用いてせん断速度１００（１／ｓ）におけるせん断粘度を１００Ｐａ・ｓに調整した以外は実施例１と同様に表１に記載の条件で含浸ストランドを得て、それを切断してペレットを得た。得られたペレットの物性値を表２に示す。

［比較例１］
収束ブロック２個は円弧半径１７ｍｍ、開繊ブロック１個は円弧半径２０ｍｍとした以外は実施例２と同様に表１に記載の条件で含浸ストランドを得て、それを切断してペレットを得た。得られたペレットの物性値を表２に示す。

１ 炭素繊維束
２ 糸道ガイド
３ 開繊ローラー
４ 含浸浴
５ 押出機
６ 冷却槽
７ 引取機
８ ペレタイザー
９ 収束ブロック
１０ 開繊ブロック
１１ 開繊ブロックの円弧の半径Ｒ２
１２ 収束ブロックの円弧の半径Ｒ１

Claims (5)

1. 溶融状態の熱可塑性樹脂が充填されかつ円弧形状を有するブロックが配置された含浸浴中に、炭素繊維束を導入し、ブロックの円弧部分に炭素繊維束を接触通過させ開繊させつつ、炭素繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させ熱可塑性樹脂含浸ストランドを製造する方法であって、円弧形状を有するブロックは凸状の円弧を有する開繊ブロックと逆凹状の円弧を有する収束ブロックから構成され、その弧の向きは同一であり、開繊ブロックをはさむように収束ブロックが配列されていることを特徴とする熱可塑性樹脂含浸ストランドの製造方法。
2. 集束ブロックの円弧の半径Ｒ１，開繊ブロックの円弧の半径Ｒ２が
   Ｒ１＞Ｒ２
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の含浸ストランド製造方法。
3. 集束ブロックの円弧の半径Ｒ１，開繊ブロックの円弧の半径Ｒ２が以下の関係を満たす請求項１に記載の含浸ストランド製造方法。
   Ｒ１／Ｒ２＝比１．１〜１．６
4. 収束ブロックが含浸浴中の両端、すなわちストランドの送り出し部と含浸ストランドの引き取り部にそれぞれ配置される請求項１に記載の含浸ストランドの製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の方法で得られた含浸ストランドを切断することにより得られる炭素繊維強化熱可塑性樹脂ペレット。

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