JP2015078260A - 高導電性炭素繊維素材及びそれを用いた成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な導電性を有する高導電性炭素繊維素材及びそれを用いた成形方法を提供することを目的とする。
【解決手段】離型紙に硬化剤を混合したエポキシ樹脂を塗布した樹脂コートペーパの上に、複数本の炭素繊維と金属繊維を引きそろえてホットプレスローラーで押し広げ、エポキシ樹脂を含浸してシート状としたプリプレグを、所定の大きさに切断したシートを複数枚積層してプリプレグ積層体を作成する工程と、プリプレグ積層体にバギングフィルムを被せて減圧する工程と、オートクレープ中で加熱・加圧して硬化する工程と、を有することを特徴とする高伝導性炭素繊維素材を用いた成形方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、高導電性炭素繊維素材及びそれを用いた成形方法に関する。

「炭素繊維」の定義は、ＩＳＯ（国際標準化機構）によると、「有機繊維を焼成して得られる炭素含有率が９０％以上の繊維」とされている。有機繊維には、炭素原子の他に水素原子や窒素原子などが含まれるが、これを焼成（高温加熱処理）して、ほとんど炭素原子だけからなる繊維としたのが炭素繊維である。

炭素繊維は、直径が５〜１５μｍと髪の毛の１／１０程度の太さの短繊維が数千本から数万本束ねられ、さらにボビンに巻き取られている。炭素繊維の一番の特徴は、軽くて強い、軽くて硬いことである。炭素繊維は、比重が鉄の約１／４と軽く、しかも比強度が鉄の１０倍、比弾性率が７倍と非常に高い力学的特性を持っている。

炭素繊維は、繊維状態のままで使用されることはなく、樹脂などの中に埋め込まれた複合材料として、主に構造材料に使用される。また、炭素繊維は、ほぼ炭素原子だけからできているため、錆びない、耐熱性や耐薬品性が高い、電気伝導性やＸ線透過性があるなどの機能的な特徴もある。

炭素繊維は原料や製造法により特性が異なる。ＰＡＮ系炭素繊維は、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）を原料とする炭素繊維である。繊維束を構成する単繊維の本数によりレギュラートウタイプとラージトウタイプに分類される。レギュラートウタイプは、繊維束が１０００本〜２４０００本の単繊維で構成された比較的細束の炭素繊維で、高い力学的特性を有し取扱い性にもすぐれ、高性能グレードに分類される。ラージトウタイプは、繊維束が４００００本以上の単繊維で構成された太束の炭素繊維であり、レギュラートウタイプと比較すると力学的特性も取扱い性も低く、汎用グレードに分類される。

ピッチ系炭素繊維は、原料ピッチの特性に応じて、メゾフェーズ（異方性）タイプと等方性タイプに分類される。等方性タイプは、石油や石炭から得られたピッチをそのまま原料に用いて製造する。黒鉛構造の成長が低く等方的（均質）な微細構造をしていて、力学的特性が低いため、低性能グレードに分類される。メゾフェーズ（異方性）タイプは、ピッチを熱処理して得られるピッチの分子が一方向に配列したメゾフェーズピッチが原料に用いられる。黒鉛構造が成長した異方的な微細構造をしていて、力学的特性も高く、高性能グレードに分類される。なお、炭素繊維の使用量の９０％以上はＰＡＮ系が占め、ピッチ系は１０％以内と推定される。

炭素繊維の航空機での使用例を、図９を参照しつつ説明する。カーボンラミネートが胴体５０及び主翼５１の表面部材として使用されている。また、カーボンサンドウィッチがエンジン５２の構造部材として使用されている。炭素繊維以外の部材としては、パイロン５３にアルミニウム，鉄，チタンが、主翼の前縁部５４にはアルミニウムが、主翼の付け根５５にはファイバーグラスが使用されている。素材の使用量において、炭素繊維素材が大量に使用されていることが分かる。

次に、炭素繊維の自動車での使用例を、図１０を参照しつつ説明する。まず、フード６０，ルーフ６１，ドアー６２等の板状部材に多く使用されている。また、ドアフレームピラー６３，フェンダーサポート６４，ラジコアサポート６５等の構造部材にも使用されている。更に、スポイラー６６やシートバック６７等の内装材にまで使用されている。

ここで、従来からある種々の素材における体積固有抵抗を図１１の表に示す。炭素繊維の電気的特性を見ると、体積固有抵抗がおおよそ１×１０^−３Ω・ｃｍとかなり金属に近い値を示し、電気を通しやすい材料であることがわかる。

また、例えば特許文献１には、低抵抗であり、かつ電力輸送用途にも使用可能な長尺の高導電性炭素繊維及びその製造方法に関する技術が開示されている。

特開２００９−１７９９１５号公報

しかし、炭素繊維を用いた部材は体積固有抵抗が金属に近い値を有しているものの、十分であるとは言えない。このため、例えば静電気により航空機や自動車の制御系の異常が発生したり、落雷に遭遇した場合に重大な事故に繋がることも考えられる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、十分な導電性を有する高導電性炭素繊維素材及びそれを用いた成形方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するため、以下の構成を備えるものである。

（１）離型紙に硬化剤を混合したエポキシ樹脂を塗布した樹脂コートペーパの上に、複数本の炭素繊維と金属繊維を引きそろえてホットプレスローラーで押し広げ、エポキシ樹脂を含浸してシート状のプリプレグとしたことを特徴とする高伝導性炭素繊維素材。

（２）炭素繊維及び金属繊維を同時に織り込んでクロスとしたことを特徴とする高伝導性炭素繊維素材。

（３）１０ｍｍ前後に切断された炭素繊維及び金属繊維を不規則に広げ、不飽和ポリエステル樹脂をバインダーとして紙状のマットとしたことを特徴とする高導電性炭素繊維素材。

（４）熱可塑性樹脂に炭素繊維及び金属繊維を分散混練させた米粒状のペレットとしたことを特徴とする高導電性炭素繊維素材。

（５）前記（１）記載のプリプレグを所定の大きさに切断したシートを複数枚積層してプリプレグ積層体を作成する工程と、
前記プリプレグ積層体にバギングフィルムを被せて減圧する工程と、
オートクレープ中で加熱・加圧して硬化する工程と、
を有することを特徴とする高伝導性炭素繊維素材を用いた成形方法。

（６）前記（１）記載のプリプレグを所定の大きさに切断したシートとマンドレルを複数のローラの間に入れて、前記マンドレルに前記シートを巻き付ける工程と、
前記マンドレルを加熱することで前記シートを硬化させる工程と、
前記マンドレルを引き抜く工程と、
を有することを特徴とする高導電性炭素繊維素材を用いた成形方法。

（７）前記（１）記載のプリプレグを所定の大きさに切断したシートを樹脂を含浸させて積層する工程と、
前記積層されたシートを金型の間に入れて予熱する工程と、
前記金型で加圧・加熱・硬化する工程と、
を有することを特徴とする高導電性炭素繊維素材を用いた成形方法。

（８）前記（２）記載のクロスを積層してプリホームを作成する工程と、
前記プリホームを上金型と下金型の間に入れる工程と、
前記上金型と前記下金型を密閉した後、樹脂と硬化剤を注入する工程と、
前記密閉した前記上金型と前記下金型を加熱する工程と、
を有することを特徴とする高導電性炭素繊維素材を用いた成形方法。

（９）複数本の炭素繊維束と金属繊維束を引き出す工程と、
引き出された前記繊維束を樹脂槽の中を通すことによって熱可塑性樹脂を含浸させる工程と、
前記熱可塑性樹脂が含浸された繊維束をアイ部分を通した後、回転状態のマンドレルに巻き付ける工程と、
前記マンドレルをオーブンに入れて加熱する工程と、
前記マンドレルを抜き取る工程と、
を有することを特徴とする高導電性炭素繊維素材を用いた成形方法。

（１０）前記（４）記載のペレットを射出成形機のプランジャーに入れる工程と、
前記射出成形機のスクリューの動きにより、一定量の前記ペレットが前記スクリューに噛み込まれて加熱溶融され金型のキャビティーに押し込まれる工程と、
前記ペレットが前記金型内で冷却固化される工程と、
を有することを特徴とする高導電性炭素繊維素材を用いた成形方法。

本発明によれば、十分な導電性を有する高導電性炭素繊維素材及びそれを用いた成形方法を提供することができる。

実施例のプリプレグの作成方法を示す図 実施例のオートクレープ成形法を説明するための図 実施例のシートワインディング成形法を説明するための図 実施例のプレス成形法を説明するための図 実施例のレジントランスファー成形法を説明するための図 実施例のフィラメントワインディング成形法を説明するための図 実施例の引き抜き成形法を説明するための図 実施例の射出成型法を説明するための図 従来の炭素繊維を使用した航空機を説明するための図 従来の炭素繊維を使用した自動車を説明するための図 従来の種々の素材における体積固体抵抗を示す表

以下、本発明を実施するための形態を、実施例により詳しく説明する。

まず、本実施例の炭素繊維素材の種々の中間基材について以下に説明する。炭素繊維複合材料を成形する前段階として、その成型方法に応じた炭素繊維の中間基材を作成する。

［プリプレグ］
フィラメントワインディング法で圧力容器などを成形する場合は直接炭素繊維を用いるが、オートクレープ法で航空機部材を成形する場合は中間基材であるプリプレグＰＰを用いる。プリプレグＰＰの作成方法を図１を参照しつつ説明する。

プリプレグＰＰは、離型紙に薄く硬化剤を混合したエポキシ樹脂を塗布した樹脂コートペーパ１０の上に、多数本の炭素繊維ＣＦを引きそろえてホットプレスローラーで押し広げ、エポキシ樹脂を含浸してシート状にしたものである。プリプレグＰＰのシートはボビンに巻き取られた状態で、エポキシ樹脂の硬化を防ぐため、−２０℃程度の低温で保管される。本実施例では、プリプレグＰＰを作成する際に金属繊維も同時に炭素繊維ＣＦとともに樹脂コートペーパ１０の上にホットプレスローラーで押し広げ、エポキシ樹脂を含浸してシート状にする。作成されたプリプレグＰＰは、炭素繊維のみのプリプレグＰＰよりも高い導電性を有する。

［クロス（織物）］
クロス（織物）は、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法でボートの外板などを成形したり、エポキシ樹脂を含浸した織物プリプレグとして航空機部材や土木建築の補修補強用途などに使用される。本実施例のクロスは、炭素繊維のみならず金属繊維も同時に織り込んだクロスであるものとする。その結果、炭素繊維のみのクロスより高い導電性を有する。

［チョップド（カットファイバー）］
チョップド（カットファイバー）は１０ｍｍ前後にカットされた短繊維で、熱可塑性樹脂、ゴム、紙、セメントなどに混練して補強や静電気の帯電防止等の目的で使用される。本実施例のチョップドは、１０ｍｍ前後にカットされた金属の短繊維も同時に含まれているものとする。

［ミドルファイバー］
ミドルファイバーは長さ１００μｍ程度の粉末状に粉砕されたもので、カットファイバーと同様の用途に使用される。本実施例のミドルファイバーは、金属粉末も含むものとする。

［マット］
マットはカットファイバーをランダムに広げて不飽和ポリエステル樹脂などをバインダーに用いて紙状にしたもので、床材の帯電防止や耐食フィルターなどに使用される。本実施例のマットは金属製のカットファイバーも同時に含むものとする。

［ペレット］
ペレットは、ポリアミドなどの熱可塑性樹脂に炭素繊維ＣＦを分散混練させた米粒状のもので、射出成形法により小形部品などを作るのに使用される。本実施例のペレットは、炭素繊維と同時に金属繊維も分散混練されているものとする。

次に、本実施例のＣＦＲＰ製の部材の代表的な成形方法について以下に説明する。

［オートクレープ成形法］
オートクレープ成形法を図２を参照しつつ説明する。まず、金属繊維を含んだプリプレグＰＰを所定の大きさにカット（図２（ａ））した後、積層する（図２（ｂ））。次にプリプレグ積層体１１にバギングフィルム１２を被せて減圧した後（図２（ｃ））、オートクレープ（圧力釜）１３中で加熱・加圧して硬化させ成形品を作成する。

なお、加圧はオートクレープ１３内に加圧窒素を入れて、バッグの上から加圧する。手間が掛かりコストも高くつくが、大型で高性能の部材を作るのに適した成形法であり、航空機用途などで多用されている。また、成形品とプリプレグＰＰを接触する形でバッグ内に同時に入れて加熱硬化することで、複雑な形状を一体成形することができる。

［シートワインディング成形法］
シートワインディング成形法を図３を参照しつつ説明する。プリプレグＰＰを所定の大きさに切断する（図３（ａ））。次に、複数のロール１５の間にマンドレル（芯金棒）１４と金属繊維を含んだプリプレグＰＰを入れてマンドレル１４上にプリプレグＰＰを巻き付ける（図３（ｂ）））。さらにプリプレグＰＰの種類や角度を変えて順次巻き重ねて設計通りの積層構成にする。オーブン中で加熱硬化させた後（図３（ｃ））、マンドレル１４を引き抜いて成形品１６を得る（図３（ｄ））。高性能な管状の成形品１６を作るのに適した方法であり、スポーツ用途のゴルフシャフトや釣竿などの成形に用いられている。

［プレス成型法］
プレス成型法を図４を参照しつつ説明する。本実施例のプレス成形法は、金属繊維を含んだプリプレグＰＰを所定の大きさに切断し（図４（ａ））、樹脂を含浸させて積層し（図４（ｂ））する。そして、プリプレグ積層体１１を上下の金型１７の間に入れて予熱した後（図４（ｃ））、金型で加圧・加熱・硬化して成形品１８を得る（図４（ｄ））。高性能で形状精度も高い成形品１８が得られ、医療用途のＣＴ（コンピュータ断層撮影）天板などの成形に用いられる。

［レジントランスファー成形法］
レジントランスファー成形法を図５を参照しつつ説明する。本実施例のレジントランスファー成形法（ＲＴＭ）は、金属繊維を含んだ織物などの基材を積層してプリホーム１９を作成し（図５（ａ））、このプリホーム１９を上金型２０と下金型２１の間に入れ（図５（ｂ））、金型を密閉、樹脂と硬化剤を混合しながら金型内へ注入し（図５（ｃ））、加熱硬化して成形品２２を得る（図５（ｄ））。高い力学的特性や表面品位が得られ、比較的量産に適した成形法であり、自動車のフードやルーフなど外板の作製に用いられる。

［フィラメントワインディング成形法］
フィラメントワインディング成形法を図６を参照しつつ以下に説明する。本実施例のフィラメントワインディング成形法（ＦＷ）は、数本の炭素繊維束２３と数本の金属繊維束２４を引き出し、個別に樹脂槽２５の中を通して熱硬化性樹脂を含浸した後に引きそろえて、アイ２６部分を通して回転しているマンドレル２７上に巻き付ける。その後マンドレル２７ごとオーブン内に入れて加熱硬化させる。なお、アイ２６部分は左右にトランスバース（横走行）され、設計された巻きパターンなるように制御される。ロールなど管状製品２８の場合は、硬化後マンドレルを抜き取るが、製品が圧力容器の場合にはアルミ製容器（ライナー）の上に炭素繊維を巻き付けて硬化させ、そのまま製品とする。

［引き抜き成形法］
引き抜き成形法を図７を参照しつつ以下に説明する。本実施例の引き抜き成形法（プルトルージョン）は、数本ないし数十本の炭素繊維束２９と金属繊維束３０を引き出し、個々に樹脂槽３１の中を通して熱硬化性樹脂を含浸させる。その後引きそろえて、加熱された金型３２の中を通して断面形状を整えるとともに硬化をすすめる。なお、硬化時間が長くかかる場合は、金型３２より後ろに後硬化炉３３を設けて硬化度を深める。また、本工程では金型の後ろに引取り装置３４及び切断装置３５があり、一定長さの成形品が連続的に作られる。本成形法は丸棒やアイビームなど、一様断面形状の長尺の製品を成形するのに用いられる。

［射出成型法］
射出成型法を図８を参照しつつ説明する。射出成形法（インジェクション）は、まずナイロンなどの熱可塑性樹脂の中に短くカットされた炭素繊維及び金属繊維が分散混練されているペレット３６を、射出成形機のプランジャー３７内に入れる。スクリュー３８の動きにより、一定量のペレット３６がスクリュー３８に噛み込まれて加熱溶融され、金型４０のキャビティー３９中に押し込まれる。金型内で冷却されて固化した後、金型４０を開いて製品４１を取り出す。本成形法は、ノートパソコンのハウジングなど小型の部品を作るのに用いられる。

本実施例によれば、十分な導電性を有する高導電性炭素繊維素材及びそれを用いた成形方法を提供することができる。

１０ 樹脂コートペーパ
１１ プリプレグ積層体
１２ バギングフィルム
１３ オートクレープ
１４ マンドレル
１５ ロール
１６，１８，２２ 成形品
１７，３２，４０ 金型
１９ プリホーム
２０ 上型
２１ 下型
２３，２９ 炭素繊維束
２４，３０ 金属繊維束
２５ 樹脂槽
２６ アイ
２７ マンドレル
２８ 管状製品
３１ 樹脂槽
３３ 後硬化炉
３４ 引取り装置
３５ 切断装置
３６ ペレット
３７ プランジャー
３８ スクリュー
３９ キャビティー
４１ 製品
ＣＦ 炭素繊維
ＰＰ プリプレグ

Claims (10)

1. 離型紙に硬化剤を混合したエポキシ樹脂を塗布した樹脂コートペーパの上に、複数本の炭素繊維と金属繊維を引きそろえてホットプレスローラーで押し広げ、エポキシ樹脂を含浸してシート状のプリプレグとしたことを特徴とする高伝導性炭素繊維素材。
2. 炭素繊維及び金属繊維を同時に織り込んでクロスとしたことを特徴とする高伝導性炭素繊維素材。
3. １０ｍｍ前後に切断された炭素繊維及び金属繊維を不規則に広げ、不飽和ポリエステル樹脂をバインダーとして紙状のマットとしたことを特徴とする高導電性炭素繊維素材。
4. 熱可塑性樹脂に炭素繊維及び金属繊維を分散混練させた米粒状のペレットとしたことを特徴とする高導電性炭素繊維素材。
5. 請求項１記載のプリプレグを所定の大きさに切断したシートを複数枚積層してプリプレグ積層体を作成する工程と、
   前記プリプレグ積層体にバギングフィルムを被せて減圧する工程と、
   オートクレープ中で加熱・加圧して硬化する工程と、
   を有することを特徴とする高伝導性炭素繊維素材を用いた成形方法。
6. 請求項１記載のプリプレグを所定の大きさに切断したシートとマンドレルを複数のローラの間に入れて、前記マンドレルに前記シートを巻き付ける工程と、
   前記マンドレルを加熱することで前記シートを硬化させる工程と、
   前記マンドレルを引き抜く工程と、
   を有することを特徴とする高導電性炭素繊維素材を用いた成形方法。
7. 請求項１記載のプリプレグを所定の大きさに切断したシートを樹脂を含浸させて積層する工程と、
   前記積層されたシートを金型の間に入れて予熱する工程と、
   前記金型で加圧・加熱・硬化する工程と、
   を有することを特徴とする高導電性炭素繊維素材を用いた成形方法。
8. 請求項２記載のクロスを積層してプリホームを作成する工程と、
   前記プリホームを上金型と下金型の間に入れる工程と、
   前記上金型と前記下金型を密閉した後、樹脂と硬化剤を注入する工程と、
   前記密閉した前記上金型と前記下金型を加熱する工程と、
   を有することを特徴とする高導電性炭素繊維素材を用いた成形方法。
9. 複数本の炭素繊維束と金属繊維束を引き出す工程と、
   引き出された前記繊維束を熱可塑性樹脂槽の中を通すことによって熱可塑性樹脂を含浸させる工程と、
   前記熱可塑性樹脂が含浸された繊維束をアイ部分を通した後、回転状態のマンドレルに巻き付ける工程と、
   前記マンドレルをオーブンに入れて加熱する工程と、
   前記マンドレルを抜き取る工程と、
   を有することを特徴とする高導電性炭素繊維素材を用いた成形方法。
10. 請求項４記載のペレットを射出成形機のプランジャーに入れる工程と、
    前記射出成形機のスクリューの動きにより、一定量の前記ペレットが前記スクリューに噛み込まれて加熱溶融され金型のキャビティーに押し込まれる工程と、
    前記ペレットが前記金型内で冷却固化される工程と、
    を有することを特徴とする高導電性炭素繊維素材を用いた成形方法。

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