JP2013203773A - シートモールディングコンパウンドおよびそれを用いて成形する繊維強化複合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、シートモールディングコンパウンドおよびそれを用いて成形する繊維強化複合材料に関する。
【課題を解決するための手段】 単繊維繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘである炭素繊維からなる炭素繊維束とマトリックス樹脂組成物とからなるシートモールディングコンパウンド、さらに、炭素繊維の単繊維の繊維軸に垂直な断面の真円度０．７０以上０．９０以下であるシートモールディングコンパウンドならびに、これらを用いて成形する繊維強化複合材料により解決される。
【選択図】なし

Description

本発明は、シートモールディングコンパウンドおよびそれを用いて成形する繊維強化複合材料に関する。

繊維強化樹脂製の構造体は、高強度かつ高剛性であるという点から、スポーツやレジャー用途、航空機、船舶、鉄道車両、自動車等の産業用途といった幅広い分野で利用されている。また、このような繊維強化樹脂製構造体は、圧縮成形により製造する方法が広く行われている。成形材料としては、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグや、シートモールディングコンパウンド（以下、ＳＭＣという）等が用いられている。
ＳＭＣは繊維長が短い不連続繊維を使用するため、一般に連続繊維を使用するプリプレグに比べて繊維強化樹脂製構造体の機会物性が低くなるという問題があるものの、材料を流動させて型内に充填させるため、プリプレグでは成形が困難な細かい凹凸を有する複雑な形状を形成するのに好適である。

強化繊維のなかでも、炭素繊維は、比強度、比弾性率が最も高く、部材を大幅に軽量化できることから、前記分野で実用化が進んでおり、ＳＭＣに使用される強化繊維も従来のガラス繊維から炭素繊維への置き換えが進んでいる。
炭素繊維は、通常、繊維一本の太さが数ミクロン〜数十ミクロンの炭素繊維フィラメントが数万本から数十万本集合してなるストランド形態で使用される。（炭素繊維ストランドを構成する炭素繊維フィラメントの本数を、以降、フィラメント数と記載し、単位を付さずに表すこととする：業界では１０００をＫと表し例えば３０００を３Ｋと称す）

近年では、炭素繊維自体の製造コストを下げる目的、部材の製造コストダウンを目的として、フィラメント数が１万（１０Ｋ）以上で構成される炭素繊維ストランドが実用化されている。フィラメント数が１万以上の炭素繊維ストランドは、フィラメント本数が多い結果として外観的に太くなることから、太物ストランドと呼ばれる。（以降、簡略化のため、これに倣って、太物ストランドと記載する）

太物ストランドはコストが下がる一方で、これを強化繊維として用いた繊維強化樹脂製構造体は、機械物性が低下する場合がある。たとえば、非特許文献１には、炭素繊維ストランドのフィラメント数が増えるほど、ＳＭＣ成形で得られた複合材料の強度と弾性率が低下することが示されている。

Ｎ． Ｔｓｕｃｈｉｙａｍａ，"Ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ ＳＭＣ"， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ ｔｈｅ Ｆｏｕｒｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ （ＩＣＣＭ−ＩＶ）， １９８２， ｐ．４９７−５０３

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み、良好な機械物性を示す繊維強化複合材料を成形するためのＳＭＣおよびそれを用いて成形する繊維強化複合材料を提供することを目的とする。

本発明は、前記の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、
（１）単繊維繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘ、単繊維の繊維軸に垂直な断面の真円度０．７０以上０．９０以下である炭素繊維束とマトリックス樹脂組成物とからなるシートモールディングコンパウンド。
（２）（１）に記載のシートモールディングコンパウンドを用いて成形する繊維強化複合材料。

本発明のシートモールディングコンパウンド（以下、ＳＭＣと称す）を用いて成形することにより良好な機械物性を示す繊維強化複合材料を得ることができる。

本発明のＳＭＣは、単繊維繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘ、単繊維の繊維軸に垂直な断面の真円度０．７０以上０．９０以下である炭素繊維束とマトリックス樹脂とからなるＳＭＣであり、繊維強化複合材料は前記ＳＭＣを用いて成形するものである。

本発明のＳＭＣに用いることができる炭素繊維束は、ポリアクリロニトリル系の炭素繊維前駆体繊維を耐炎化処理、前炭素化処理、炭素化処理して得られるもので、単繊維繊度が１．０ｄｔｅｘ以上、２．４ｄｔｅｘ以下であることが必要である。単繊維繊度が１．０ｄｔｅｘより小さいと良好な機械物性が得られず、２．４ｄｔｅｘより大きいと炭素繊維を低コストで製造することが難しくなる。

また、炭素繊維束は単繊維の繊維軸に垂直な断面の真円度が０．７０以上０．９０以下であることが必要である。真円度が０．７０以上０．９０以下であれば、ＳＭＣ中の炭素繊維の含有率を高くすることが可能となり、繊維強化複合材料の機械物性を維持できる。また、耐炎化処理時に前駆体繊維束を構成する単繊維内部への酸素拡散が不足することなく、耐炎化反応が十分に進行する。その結果、炭素化工程での毛羽が抑えられ、得られる炭素繊維束の強度や弾性率を適正に維持できる。
ここで、真円度は下記式（１）にて求められる値であって、Ｓは、単繊維の繊維軸に垂直な断面をＳＥＭ観察し、画像解析することにより得られる単繊維の断面積であり、Ｌは、同様に単繊維の断面の周長の長さである。
真円度 ＝ ４πＳ／Ｌ^２・・・（１）
炭素繊維の繊維長は２５ｍｍ程度の一般的なＳＭＣで用いられる長さで良く、特に限定されるものではない。

本発明のＳＭＣに用いるマトリックス樹脂組成物としては、熱可塑性樹脂や、熱硬化性樹脂などを用いることが可能であるが、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、マレイミド樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。炭素繊維との接着性の点からエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂が望ましい。エポキシ樹脂組成としては、エポキシ樹脂成分、硬化剤成分以外に、エラストマー成分を含有することが更に好ましい。エラストマー成分としてはＣａｒｂｏｘｙｌ−ＴｅｒｍｉｎａｔｅｄＢｕｔａｄｉｅｎｅ−Ｎｉｔｒｉｌｅ（ＣＴＢＮ）等が挙げられる。

熱可塑性樹脂としては、特に制限はなく、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、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等のポリエステル、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニル、ポリアミド６等のポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルスルフォン、ポリサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンなどを使用できる。また、これら各樹脂の変性体を用いてもよいし、複数種の樹脂をブレンドして用いてもよい。また、熱可塑性樹脂は、各種添加剤、フィラー、着色剤等を含んでいてもよい。

本発明の繊維強化複合材料は、前記ＳＭＣを用い、一般的に用いられるプレス成形法を用いて得ることができる。すなわち、目的の成形品形状をなした上下分離可能な金型を準備し、金型に前述したＳＭＣを所定量だけ重ね置きまたは１枚物で投入し、加熱加圧し、その後金型を開き目的の成形体を取り出すという通常のプレス成形法等によりＳＭＣの成形品を製造する。なお、成形温度、成形圧力は目的とする成形品の形状等にあわせて選択することができる。

以下、本発明の実施形態として、ＳＭＣ、繊維強化複合材料の成形、評価方法について説明する。
（炭素繊維束Ａ）
単繊維繊度２．５ｄｔｅｘ、フィラメント数２４０００本のポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維を、熱風循環式耐炎化炉にて２４０℃〜２６０℃ の加熱空気中で伸張率＋２％で７０分間耐炎化処理を行い耐炎化繊維束を得た後、窒素雰囲気下、最高温度６６０℃、伸張率３．０％にて１．５分間低温熱処理し、さらに窒素雰囲気下、最高温度が１３５０℃ の高温熱処理炉にて伸張率−４．５％で、約１．５分間、炭素化処理して、炭素繊維束を得た。得られた炭素繊維束の単繊維繊度は１．３ｄｔｅｘであり、真円度は０．８であつた。更に、ストランド引張強度は４１５０ＭＰａ、ストランド引張弾性率は２４９ＧＰａであった。

（炭素繊維束Ｂ）
使用するポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維の単繊維繊度を４．５ｄｔｅｘ、フィラメント数を１５０００本に変更し、耐炎化処理の温度を２５０℃〜２９０℃、処理時間を９０分間に変えた以外は炭素繊維束Ａと同様にして炭素繊維束を得た。得られた炭素繊維束Ｂの単繊維繊度は２．３ｄｔｅｘであり、真円度は０．８であつた。更に、ストランド引張強度は３６００ＭＰａ、ストランド引張弾性率は２３２ＧＰａであった。

（ＳＭＣの製造法）
ビニルエステル樹脂（日本ユピカ（株）製、製品名：８０５１ＡＡ）７０．０質量部、不飽和ポリエステル樹脂（日本ユピカ（株）製、製品名：ＡＧＵ２０００Ｘ）３０．０質量部の樹脂１００質量部に対し、硬化剤（日本油脂（株）製、製品名：パーヘキサＣ）０．５質量部、（化薬アクゾ（株）製、製品名：カヤカルボンＢＩＣ−７５）０．５質量部、内部離型剤（アクセルプラスチックリサーチラボラトリー社製、製品名：ＭＯＬＤ ＷＩＺ ＩＮＴ−ＥＱ−６）０．５質量部、増粘剤として変性ジフェニルメタンジイソシアネート（三井物産ケミカル（株）製、製品名：コスモネートＬＬ）１７．０質量部、安定剤として１，４ベンゾキノン（和光純薬工業（株）製）０．２質量部をハンドミキサーにて約５分間混合攪拌してＳＭＣ用ペーストを得た。

ＳＭＣ製造装置（月島機械（株）製）を用いて上記ＳＭＣ用ペーストをドクターブレードを用いて、厚み２．０ｍｍで下側キャリアフィルム（サン・トックス株式会社製、ポリプロピレン製フィルム、商品名：サン・トックスＣＰ、厚み：４０μｍ）の上に塗布し、ＳＭＣ用ペースト５０質量部に対して炭素繊維束５０質量部の割合で炭素繊維束を散布した上に、下側キャリアフイルムと同様にしてＳＭＣ用ペーストを塗布したものを、ペーストが下側になる様に配置し、散布した炭素繊維束をペーストの間にはさみ込んで炭素繊維束にＳＭＣ用ペーストを含浸させ、その後、室温で熟成処理を行い、２．５ｋｇ／ｍ^２のＳＭＣを作製した。なお、散布する炭素繊維束の長さは２５．４ｍｍに調整した。

（繊維強化複合材料の成形）
端部に嵌合部を有するパネル成形用のプレス成形金型（３００ｍｍ×３００ｍｍ×２ｍｍｔ、表面クロムメッキ仕上げ）にＳＭＣを３００ｇ投入し、金型を閉めて加熱加圧（１４０℃、８ＭＰａ×５分）して、金型内形状と同型のＳＭＣ成形品を得た。

（繊維強化複合材料の評価）
プレス成形で得られた厚み２ｍｍのＳＭＣ成形品から、幅２５ｍｍ、長さ２５０ｍｍの試験片を切り出し、万能試験機（Ｉｎｓｔｒｏｎ社製、製品名：４４８２型）を用いてＡＳＴＭ Ｄ ３０３９に準拠した引張試験を実施した。

以下、実施例及び比較例を示して本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の記載によって限定されるものではない。
［実施例１］
前記炭素繊維束Ａを用い、前記ＳＭＣの製造法によりＳＭＣを用意した。
ついで、前記繊維強化複合材料の成形に従いＳＭＣの成形を行ない、得られたＳＭＣ成形品を前記繊維強化複合材料の評価方法に従って引張試験を実施した。得られた結果を表１に示す。

［実施例２］
使用する炭素繊維束を前記炭素繊維束Ｂに変えた以外は、実施例１と同様にして引張試験を実施した。得られた結果を表１に示す。

［比較例１］
使用する炭素繊維束を三菱レイヨン（株）製パイロフィルＰ３３０（単繊維繊度０．５ｄｔｅｘ、フィラメント数６０００００本、引張強度４９００ＭＰａ、引張弾性率２５０ＧＰａ）に変えた以外は、実施例１と同様にして引張試験を実施した。得られた結果を表１に示す。

実施例１、２では比較例に比べより優れた機械物性をしめすことが確認された。

Claims (3)

1. 単繊維繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘである炭素繊維からなる炭素繊維束とマトリックス樹脂組成物とからなるシートモールディングコンパウンド。
2. 前記炭素繊維束を構成する炭素繊維の単繊維の繊維軸に垂直な断面の真円度０．７０以上０．９０以下である請求項１に記載のシートモールディングコンパウンド。
3. 請求項１または２のいずれかに記載のシートモールディングコンパウンドを用いて成形する繊維強化複合材料。