JP2015506292A - 含浸性に優れた連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

含浸性に優れた連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材及びその製造方法を開示する。本発明に係る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材は、熱可塑性樹脂に含浸された連続炭素繊維を含み、前記連続炭素繊維は、初期繊維束の幅が４倍〜８倍に広幅化された連続炭素繊維であることを特徴とする。

Description

本発明は、炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材に関し、より詳細には、含浸性に優れた連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材及びその製造方法に関する。

炭素繊維をマトリックス樹脂中に分散させた炭素繊維補強複合材は、軽量性、力学特性、寸法安定性、導電性などに優れるという点で、自動車、航空機、電気・電子機器、光学機器、精密機器、娯楽・玩具、家庭・事務製品、建築材料などの幅広い分野で活用されており、その需要も毎年増加している。

この炭素繊維補強複合材を用いた成形基材を得る方法の一つとして、炭素繊維をマトリックス樹脂などが含まれている浴槽に含浸させる方法を挙げることができる。

品質の高い炭素繊維補強複合材を工業的に安定的に成形するためには、炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させる含浸工程で、数千個のフィラメントを含む炭素繊維束とマトリックス樹脂の含浸が容易で、且つ完全に行えるようにする必要がある。

しかし、炭素繊維は、伸張度が小さく、脆弱な性質を有するので、機械的摩擦などによって毛羽が発生しやすく、また、マトリックス樹脂に対する湿潤性が不足している。このために、強化材として使用する炭素繊維は、前記のような優れた性質を発揮しにくい。これを改善するために、従来から繊維強化複合材の強化材に使用する炭素繊維に対して集束剤による処理が実施されている。すなわち、炭素繊維に集束剤による処理を実施することによって、炭素繊維の取り扱い性を向上させると同時に、マトリックス樹脂に対する湿潤性を向上させる。

このような集束剤の例として、エポキシ樹脂と、不飽和二塩基酸とビスフェノール類のアルキレンオキシド付加物との縮合物と、単環フェノール及び多環フェノール類から選ばれるフェノール類のアルキレンオキシド付加物とを必須成分とする集束剤が提案された。また、エポキシ樹脂と、単環または多環フェノール類のアルキレンオキシド付加物と、不飽和二塩基酸またはそのエステル形成性誘導体とビスフェノール類のアルキレンオキシド付加物との酸価が４０以下のポリエステル縮合物とからなる集束剤が提案された。

一般に、マトリックス樹脂に炭素繊維が分散された炭素繊維補強複合材では、炭素繊維が短繊維状に分散されるほど、特性の均一性及び表面外観品位において有利である。しかし、炭素繊維を集束処理する場合、含浸工程で炭素繊維束の広がり特性が低下することによって、炭素繊維補強複合材の機械的物性が低下するという問題がある。

一方、連続炭素繊維を用いて繊維補強熱可塑性プラスチックを製造するためには、一般に３０００個の繊維束を有する連続繊維を用いる。３０００個の繊維束を有する連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の場合、高い原材料費と低い生産性により高い製造原価を要するという問題がある。

関連先行文献としては、日本公開特許ＪＰ２００９―２６３４０６号（２００９．１１．１２．公開）がある。

本発明の一つの目的は、優れた含浸性によって機械的物性を向上させ得る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、製造単価は低下させつつ含浸性を高め、機械的物性を向上させ得る連続炭素繊維補強熱可塑性複合材の製造方法を提供することにある。

前記一つの目的を達成するための本発明に係る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材は、熱可塑性樹脂に含浸された連続炭素繊維を含み、前記連続炭素繊維は、初期繊維束の幅が４％〜８倍に広幅化された連続炭素繊維であることを特徴とする。

前記の他の一つの目的を達成するための本発明に係る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の製造方法は、水溶性樹脂を含む集束剤（Ｓｉｚｉｎｇ Ａｇｅｎｔ）によって炭素繊維の各フィラメントが集束された連続炭素繊維を用意するステップ；前記水溶性樹脂との溶解パラメーターの差がＳＩ単位（ＭＰａ^１／２）を基準にして２．０以下の溶媒を使用して前記集束剤を除去するステップ；及び前記集束剤が除去された連続炭素繊維束を熱可塑性プラスチックに含浸させるステップ；を含むことを特徴とする。

本発明に係る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材は、熱可塑性プラスチックに対する連続炭素繊維の含浸性が高いので、屈曲強度及び屈曲剛性などの機械的物性に優れる。

また、本発明に係る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の製造方法は、集束剤に含まれた水溶性樹脂との溶解パラメーター差がＳＩ単位（ＭＰａ^１／２）を基準にして２．０以下の溶媒を使用して集束剤を除去することによって、製造社別の集束処理と関係なく連続炭素繊維の含浸性を高め、機械的物性に優れる連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材を製作することができる。

さらに、連続炭素繊維の含浸性を高めることができ、汎用的な連続炭素繊維を利用できるので、製造単価を低下させ、生産性に優れる。

本発明に係る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の製造方法を説明するためのフローチャートである。

本発明に係る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材は、熱可塑性樹脂に含浸された連続炭素繊維（カーボンファイバーまたはグラファイトファイバー）を含み、連続炭素繊維は、初期繊維束の幅が４倍〜８倍に広幅化された連続炭素繊維であることを特徴とする。

一例として、連続炭素繊維は、５ｍｍである初期繊維束の幅が２０ｍｍ〜４０ｍｍに広幅化されたものであり得る。

このとき、使用される連続炭素繊維は、１２０００個または２４０００個の繊維束を有する炭素繊維であり得る。

連続炭素繊維を用いて繊維補強熱可塑性プラスチックを製造するためには、一般に３０００個の繊維束を有する連続繊維を用いるが、これは、高い原材料費と低い生産性により高い製造原価を要する。したがって、本発明では、汎用的な１２０００個または２４０００個の繊維束を有する連続炭素繊維を使用して製造単価を低下させながら、生産性向上の効果を期待することができる。

本発明に係る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材は、高い含浸性によって４６０ＭＰａ以上、好ましくは４６０ＭＰａ〜６８０ＭＰａの屈曲強度、及び３８ＧＰａ以上、好ましくは３８ＧＰａないし４４ＧＰａの屈曲剛性を有することを特徴とする。これは、連続炭素繊維束の広がり特性（開繊性）を高めたことに起因する。

以下、添付の図面を参照して本発明に係る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の製造方法を説明する。

図１は、本発明に係る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の製造方法を説明するためのフローチャートである。

図１を参照すると、本発明に係る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の製造方法は、連続炭素繊維の用意ステップ（Ｓ１０）、集束剤の除去ステップ（Ｓ２０）及び連続炭素繊維束の含浸ステップ（Ｓ３０）を含む。

図１を参照すると、連続炭素繊維の用意ステップ（Ｓ１０）では、水溶性樹脂を含む集束剤によってそれぞれの炭素繊維フィラメントが集束されたバンドルの連続炭素繊維を用意する（Ｓ１０）。

ここで、集束された連続炭素繊維は、連続炭素繊維フィラメントが集束され、連続炭素繊維の取り扱い性が向上した連続炭素繊維を意味する。本発明において、連続炭素繊維の集束性とは、連続炭素繊維の形態を維持するための性質を意味する。

本明細書に使用された集束剤という用語は、連続炭素繊維フィラメントの集束のために、連続炭素繊維の特定の物理的特性を変化または増加させるためにコーティング剤として使用された物質を総称する。

前記の連続炭素繊維用意ステップ（Ｓ１０）では、通常の方法を使用して得られた連続炭素繊維のフィラメントが集束された連続炭素繊維を用いることができる。

このとき、水溶性樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリフェニレンオキシド（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｏｘｉｄｅ；ＰＰＯ）、ポリ塩化ビニル（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ；ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＥＴ）、ナイロン６．６、ポリメチルメタクリレート（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ；ＰＭＭＡ）などを使用することができ、これらを単独で用いたり、または２種以上混合して用いることができる。しかし、水溶性樹脂は、特別にこれに限定されるものではない。

前記の水溶性樹脂の溶解パラメーターは、下記の表１に示した通りである。溶解度（δ）の単位は、ＳＩ単位であるＭＰａ^１／２と表記した。

ここで、連続炭素繊維は、炭素繊維補強複合材を用いた成形基材の製造を容易にするために初期繊維束の幅が５ｍｍであることが好ましい。そして、連続炭素繊維は、経済的側面と生産性側面を考慮して、３０００個の繊維束を有する連続炭素繊維に比べて相対的に製造原価が低い汎用の１２０００個または２４０００個の繊維束を有することができる。

一方、連続炭素繊維の用意ステップ（Ｓ１０）では、通常の方法を通じて獲得した集束された連続炭素繊維を用いる場合を記載したが、これに限定されるのではない。これと異なって、連続炭素繊維の用意ステップ（Ｓ１０）は、水溶性樹脂を含む集束剤を使用して連続炭素繊維を集束処理するステップであり得る。

次に、集束剤に含まれた水溶性樹脂との溶解パラメーターの差がＳＩ単位（ＭＰａ^１／２）を基準にして２．０以下である溶媒を使用して連続炭素繊維から集束剤を除去する（Ｓ２０）。

一般に、製造社の集束処理によって含浸工程時の連続炭素繊維束の開繊性が定められるが、本発明では、製造社による別途の集束処理とは関係なく、マトリックス樹脂に対する連続炭素繊維の含浸性を高めるために集束剤を除去する。

本発明に使用される溶媒としては、連続炭素繊維の集束処理に主に使用される水溶性樹脂を溶解すると共に、連続炭素繊維に侵食などの化学的な影響を与えないものを選ぶことが好ましく、また、連続炭素繊維の化学的特性を阻害しないものを選ぶことが好ましい。

このために、溶媒は、集束剤に含まれた水溶性樹脂との溶解パラメーターの差がＳＩ単位（ＭＰａ^１／２）を基準にして２．０以下であることが好ましい。

例えば、溶媒としては、ペンタン（ｎ―Ｐｅｎｔａｎｅ）、へキサン（ｎ―ｈｅｘａｎｅ）、ジエチルエーテル、エチルアセテート、クロロホルム、ジクロロメタン、２―プロパノール、エタノールなどを使用することができ、これらを単独で用いたり、または２種以上混合して用いることができる。

前記の溶媒の溶解パラメーターは、下記の表１に示した通りである。溶解度（δ）の単位は、ＳＩ単位であるＭＰａ^１／２と表記した。

すなわち、本発明に係る溶媒は、連続炭素繊維の集束剤に含まれた水溶性樹脂の種類に応じて採択可能である。

例えば、ナイロン６．６を用いて集束された連続炭素繊維を使用した場合、溶媒として、ナイロン６．６との溶解パラメーター差が１．８であるエタノールを使用することができる。ポリスチレンまたはポリフェニレンオキシドを用いて集束された連続炭素繊維を使用した場合、溶媒として、ポリスチレンまたはポリフェニレンオキシドとの溶解パラメーターの差がそれぞれ０．１であるエチルアセテートまたはクロロホルムを使用することができる。

また、集束剤の除去工程時、連続炭素繊維に適用される溶媒の含量は、含浸工程で連続炭素繊維束の開繊性に影響を与えるので重要である。その結果、溶媒は、連続炭素繊維１００重量部に対して２００重量部〜３００重量部で使用することが好ましい。

溶媒の含量が連続炭素繊維１００重量部に対して２００重量部未満である場合、集束剤が残留され、含浸工程で連続炭素繊維束の開繊性を低下させ得る。その一方、溶媒の含量が連続炭素繊維１００重量部に対して３００重量部を超える場合、集束が容易に解け、その結果、連続工程上で中間ピンに引っ掛かってねじれが発生することもあり、ピンと繊維との間の摩擦を起こす要素として作用することもある。また、溶媒が連続炭素繊維束から流れ出て、金属からなる複合材料製造装備を腐食させ得る。

本発明によると、ディスペンサーまたはピペットなどを使用して集束された連続炭素繊維に一定の量の溶媒を供給することができる。

ディスペンサーは、デジタル方式またはアナログ方式などを使用して生産速度による溶媒の吐出量を調節することができる。ディスペンサーは、溶媒が入るものであるので、耐化学性に優れた材質で形成されることが好ましい。

次に、集束剤が除去された連続炭素繊維束を熱可塑性プラスチックに含浸させる（Ｓ３０）。

熱可塑性プラスチックとしては、特別に限定されることなく、例えば、ポリアミド（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ；ＰＡ）、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアセテート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌ―ｂｕｔａｄｉｅｎｅ―ｓｔｙｒｅｎｅ；ＡＢＳ）樹脂などを使用することができ、これらを単独で用いたり、または２種以上混合して用いることができる。熱可塑性プラスチックは、シート、織布、不織布などの形態であり得る。

一方、含浸工程は、熱可塑性プラスチックを加熱して流体として作り、連続炭素繊維束を加熱された熱可塑性プラスチックに混合した後、圧力をかけ、これらを圧着して実施することができる。

本発明に係る含浸工程は、前記の溶媒を用いて集束剤を除去した後で実施されることによって、連続炭素繊維束の開繊性を向上させ得るが、この場合、初期連続炭素繊維束の幅を４倍〜８倍の広幅に均一に広げることができる。

すなわち、初期連続炭素繊維束の幅が５ｍｍである場合、含浸工程後、連続炭素繊維は２０ｍｍ〜４０ｍｍに広幅化することができる。

このように、連続炭素繊維束の開繊性が向上すると、熱可塑性プラスチックに対する連続炭素繊維束の含浸性を高めることができ、屈曲強度、屈曲剛性などの機械的物性に優れた連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の製作が可能である。

さらに、連続炭素繊維束の含浸性を高めることができ、汎用的な連続炭素繊維を利用できるので、製造単価を低下させることができ、含浸時間の短縮を通じて生産性に優れるという長所を有する。

本発明に係る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材は、軽量化と反りや屈曲特性などの優れた機械的物性を必要とする成形基材、一例として、自動車、航空機、船舶、電子機器などの製造に幅広く活用することができる。

以下、本発明に係る連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の性能を下記の実施例で具体的に説明するが、本発明がこれら実施例によって限定されることはない。

実施例１
マトリックス基材であるポリアミド６を２７０℃の温度で加熱し、炭素繊維綾織物クロスＣＯ６３４７（東レイ社製）を体積分率（ｗｌ％）４９で混合した後、１０ＭＰａの圧力下で１０分間圧着し、２０ｍｍの幅に広げられた複合材を製造した。その後、屈曲強度及び屈曲剛性を測定するために複合材をダイヤモンドカッターで切断し、６ｍｍ長さの試片を製造した。

実施例２
４０ｍｍの幅に広げたことを除いては、実施例１と同一に製作した。

比較例
１０ｍｍの幅に広げたことを除いては、実施例１と同一に製作した。

物性測定試験
＜屈曲強度＞
ＡＳＴＭ Ｄ６３８規格に基づいて３点曲げ試験を行い、その結果を表２に示した。

＜屈曲剛性＞
ＡＳＴＭ Ｄ６３８規格に基づいて３点曲げ試験を行い、その結果を表２に示した。

表２を参照すると、実施例１、２の場合、比較例に比べて屈曲強度及び屈曲剛性の特性に優れることを確認することができた。特に、連続炭素繊維束の幅が最も広い実施例２の場合、屈曲強度及び屈曲剛性において最も優れた機械的物性を示すことを確認することができた。

これを通じて、熱可塑性プラスチックに対する連続炭素繊維束の含浸性を高めるほど、複合材が優れた機械的物性を有することを確認することができた。

以上では、本発明の実施例を中心に説明したが、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する技術者の水準で多様な変更や変形を行うことができる。このような変更と変形は、本発明が提供する技術思想の範囲を逸脱しない限り、本発明に属するものと言える。したがって、本発明の権利範囲は、以下で記載される特許請求の範囲によって判断すべきであろう。

Ｓ１０：集束された連続炭素繊維の用意ステップ、Ｓ２０：集束剤の除去ステップ、Ｓ３０：連続炭素繊維束の含浸ステップ

Claims (10)

1. 熱可塑性樹脂に含浸された連続炭素繊維を含み、
   前記連続炭素繊維は、初期繊維束の幅が４％〜８倍に広幅化された連続炭素繊維であることを特徴とする連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材。
2. 前記連続炭素繊維は、２０ｍｍ〜４０ｍｍに広幅化されたことを特徴とする、請求項１に記載の連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材。
3. 前記連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材料は、４６０ＭＰａ以上の屈曲強度を有することを特徴とする、請求項１に記載の連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材。
4. 前記連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材料は、３８ＧＰａ以上の屈曲剛性を有することを特徴とする、請求項１に記載の連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材。
5. 前記連続炭素繊維は、１２０００個または２４０００個の繊維束を有することを特徴とする、請求項１に記載の連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材。
6. 水溶性樹脂を含む集束剤によって炭素繊維の各フィラメントが集束された連続炭素繊維を用意するステップ；
   前記水溶性樹脂との溶解パラメーターの差がＳＩ単位（ＭＰａ^１／２）を基準にして２．０以下である溶媒を使用して前記集束剤を除去するステップ；及び
   前記集束剤が除去された連続炭素繊維束を熱可塑性プラスチックに含浸させるステップ；を含むことを特徴とする連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の製造方法。
7. 前記溶媒は、ペンタン（ｎ―Ｐｅｎｔａｎｅ）、へキサン（ｎ―ｈｅｘａｎｅ）、ジエチルエーテル（Ｄｉｅｔｈｙｌ Ｅｔｈｅｒ）、エチルアセテート（Ｅｔｈｙｌ Ａｃｅｔａｔｅ）、クロロホルム、ジクロロメタン、２―プロパノール及びエタノールから選ばれた１種以上であることを特徴とする、請求項６に記載の連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の製造方法。
8. 前記溶媒は、前記連続炭素繊維１００重量部に対して２００重量部〜３００重量部であることを特徴とする、請求項６に記載の連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の製造方法。
9. 前記溶媒は、ディスペンサーまたはピペットを使用して前記の集束された連続炭素繊維に一定の量が供給されることを特徴とする、請求項６に記載の連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の製造方法。
10. 前記連続炭素繊維としては、１２０００個または２４０００個の繊維束を有する連続炭素繊維を使用することを特徴とする、請求項６に記載の連続炭素繊維補強熱可塑性プラスチック複合材の製造方法。

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