JP2018532899A - 強化繊維用のポスト−コート組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
上記繊維と上記マトリックス物質との間の界面が、複合体の様々な機械的特性を決定する上で重要な役割を演じていることは周知である。該繊維と該マトリックス物質との間の応力伝達の効率は、主に該界面における分子的相互作用により決定される。複合体の特性を制御する一つの効果的な方法は、サイズ剤組成物を用いた繊維表面の処理によるものである。例えば、ガラス繊維に適用されるサイズ剤組成物におけるシランカップリング剤の使用は、該ガラス繊維と該マトリックス樹脂との間の界面における界面付着性を改良することが知られている。該ガラス繊維と該シランカップリング剤との間の界面において、該シランのヒドロキシル基は、該無機ガラス繊維と反応性であって、該ガラス繊維の表面と化学的な結合を形成し、一方でその他方の反応性基(例えば、ビニル、エポキシ、メタクリル、アミノ、およびメルカプト基)は、各種の有機樹脂と反応性であって、化学的な結合を形成する。
炭素繊維の濡れ性を改善するためのこれまでの試みは、炭素繊維を酸化性の表面処理に曝し、およびその後に該繊維にサイズ剤組成物を適用する工程を含んでいた。例えば、米国特許第3,957,716号は、炭素繊維を、ポリグリシジルエーテル、脂環式ポリエポキサイド、およびこれらの混合物からなる群から選択されるエポキシ化合物を含有するサイズ剤組成物で被覆することを開示している。
しかし、このようなサイズ剤組成物は、サイズ剤の施されていない炭素繊維に比して、炭素繊維の加工性改善に役立つ可能性があるが、サイズ剤組成物単独では、依然として、不飽和ポリエステルまたはポリアミドの如き多くの樹脂系との相溶性の問題を克服する必要がある。
幾つかの模範的態様において、上記繊維はガラス、炭素、アラミド、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、炭化ケイ素(SiC)、および窒化ホウ素繊維の内の少なくとも1種を含む。幾つかの模範的態様において、該繊維は、12,000本以下のフィラメント、または約1,000〜約6,000本の間のフィラメント、または約2,000〜約3,000本の間のフィラメントを含む炭素繊維束である。
幾つかの模範的態様において、上記フィルム形成剤は、ポリビニルピロリドンからなっている。該ポリビニルピロリドンは、1,000,000〜1,700,000という分子量を持つことができる。
幾つかの模範的態様において、上記フィルム形成剤はポリビニルピロリドンを含み、およびそこで上記相溶化剤は、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)およびγ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)を1:1〜3:1という比で、および硫酸トリエチルアルキルエーテルアンモニウムを含む。
幾つかの模範的態様において、上記繊維はガラス、炭素、アラミド、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、炭化ケイ素(SiC)、および窒化ホウ素繊維の内の少なくとも1種を含む。
幾つかの模範的態様において、上記繊維は、12,000本以下のフィラメント、または約1,000〜約6,000本の間のフィラメント、または約2,000〜約3,000本の間のフィラメントを含む炭素繊維束である。
本発明の一般的発明の概念に係る様々な局面に従えば、複数の強化繊維をポリマーマトリックス物質と相溶化するための方法が開示される。該方法は、該強化繊維を特定の被覆組成物で被覆する段階を含み、該被覆組成物は、約0.5〜約5.0質量%(これら端点間の任意のおよび全ての質量%を含む)という、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、およびポリウレタンの内の少なくとも一つを含むフィルム形成剤の固形物;約0.05〜約2.0質量%(これら端点間の任意のおよび全ての質量%を含む)という、シリコーンベースのカップリング剤、チタネートカップリング剤、ジルコネートカップリング剤、有機ジアルデヒド、および四級アンモニウム系帯電防止剤の内の少なくとも一つを含む相溶化剤の固形物;および水を含む。
幾つかの模範的態様において、上記フィルム形成剤はポリビニルピロリドンを含む。幾つかの模範的態様において、上記シリコーンベースのカップリング剤は、γ-アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)、n-トリメトキシシリルプロピルエチレンジアミン(A-1120)、γ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(A-187)、メチルトリクロロシラン(ArI 54)、メチルトリメトキシシラン(A-163)、γ-メルカプトプロピルトリメトキシシラン:(A-189)、ビス(3-[トリエトキシシリル]プロピル)テトラスルファン(A-1289)、γ-クロロプロピルトリメトキシシラン(A-143)、ビニルトリエトキシシラン(A-151)、ビニル-トリス-(2-メトキシエトキシ)シラン(A-172)、ビニルメチルジメトキシシラン(A-2171)、ビニルトリアセトキシシラン(A-188)、オクチルトリエトキシシラン(A-137)、およびメチルトリエトキシシラン(A-162)の内の少なくとも1種を含む。幾つかの模範的態様において、該シリコーンベースのカップリング剤は、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)と、メチルトリメトキシシラン(A-163)およびγ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)の内の少なくとも1種との混合物である。幾つかの模範的態様において、該シリコーンベースのカップリング剤は、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)およびメチルトリメトキシシラン(A-163)を、1:1〜3:1という比で含む。幾つかの模範的態様において、該シリコーンベースのカップリング剤は、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)およびγ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)を、1:1〜3:1という比で含む。
幾つかの模範的な態様において、上記の有機ジアルデヒドは、グルテルジアルデヒド、グリコキサール(glycoxal)、マロンジアルデヒド、サクシジアルデヒド(succidialdehyde)、およびフタルアルデヒドの内の1種または2種以上を含む。幾つかの模範的態様において、該有機ジアルデヒドはグルテルジアルデヒドを含む。
本発明の一般的発明の概念に係る様々な局面に従えば、特定の組成物で被覆された炭素繊維が開示される。該組成物は、約0.5〜約5.0質量%(これら端点間の任意のおよび全ての質量%を含む)という、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、およびポリウレタンの内の少なくとも一つを含むフィルム形成剤の固形物;約0.05〜約2.0質量%(これら端点間の任意のおよび全ての質量%を含む)という、シリコーンベースのカップリング剤、チタネートカップリング剤、ジルコネートカップリング剤、グルテルジアルデヒド、および四級アンモニウム系帯電防止剤の内の少なくとも一つを含む相溶化剤の固形物;および水を含み、そこで該炭素繊維は約12,000本未満のフィラメントを含む。
幾つかの模範的態様において、上記炭素繊維は、約10,000本未満のフィラメント、または約8,000本未満のフィラメント、または約6,000本未満のフィラメント、または約4,000本未満のフィラメント、または約2,000本未満のフィラメント、または約2,000〜約3,000本のフィラメントを含む。幾つかの模範的態様において、該炭素繊維は約0.5mm〜約4.0mmの間の幅を持つ。
幾つかの模範的態様において、上記炭素繊維はエポキシ、ビニルエステル、およびウレタンフィルム形成剤の内の少なくとも1種を含むサイズ剤組成物で被覆されている。
幾つかの模範的態様において、上記強化繊維は、ガラス、炭素、アラミド、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、炭化ケイ素(SiC)、および窒化ホウ素繊維の内の少なくとも1種を含む。幾つかの模範的態様において、該フィルム形成剤はポリビニルピロリドンを含む。幾つかの模範的態様において、該ポリビニルピロリドンは、1,000,000〜1,700,000という分子量を持つ。
幾つかの模範的態様において、上記シリコーンベースのカップリング剤は、γ-アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)、n-トリメトキシシリルプロピルエチレンジアミン(A-1120)、γ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(A-187)、メチルトリクロロシラン(ArI 54)、メチルトリメトキシシラン(A-163)、γ-メルカプトプロピルトリメトキシシラン:(A-189)、ビス(3-[トリエトキシシリル]プロピル)テトラスルファン(A-1289)、γ-クロロプロピルトリメトキシシラン(A-143)、ビニルトリエトキシシラン(A-151)、ビニル-トリス-(2-メトキシエトキシ)シラン(A-172)、ビニルメチルジメトキシシラン(A-2171)、ビニルトリアセトキシシラン(A-188)、オクチルトリエトキシシラン(A-137)、およびメチルトリエトキシシラン(A-162)の内の少なくとも一つを含む。
幾つかの模範的態様において、上記四級アンモニウム系帯電防止剤は、硫酸トリエチルアルキルエーテルアンモニウムを含む。
幾つかの模範的態様において、上記有機ジアルデヒドは、グルテルジアルデヒド、グリコキサール、マロンジアルデヒド、サクシジアルデヒド、およびフタルアルデヒドの内の1種または2種以上を含む。幾つかの模範的態様において、該有機ジアルデヒドはグルテルジアルデヒドを含む。
幾つかの模範的態様において、上記複合体は、少なくとも50MPa、または少なくとも60MPa、または少なくとも30MPa、または少なくとも50MPaという乾燥層間剪断強さを持つ。
幾つかの模範的態様において、上記ポリマー樹脂物質は、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ、ポリイミド、およびスチレンの内の少なくとも1種である。
幾つかの模範的態様において、上記強化繊維は、約12,000本以下のフィラメント、または約1,000〜約12,000本のフィラメント、または約2,000〜約6,000本のフィラメント、または約2,000〜約3,000本のフィラメントを含む炭素繊維である。
幾つかの模範的態様において、上記炭素繊維トウは、少なくとも約50,000本のフィラメントを含む。
幾つかの模範的態様において、上記炭素繊維束は、約10,000本以下のフィラメント、または約8,000本以下のフィラメント、または約6,000本以下のフィラメント、または約4,000本以下のフィラメント、または約2,000本以下のフィラメント、または約2,000〜約3,000本のフィラメントを含む。
幾つかの模範的態様において、上記サイズ剤組成物はエポキシ、ビニルエステル、およびウレタンフィルム形成剤の内の少なくとも1種を含む。
本発明の一般的発明の概念に係る更なる模範的態様は、特定の組成物で被覆された炭素繊維を対象としている。該組成物は、約0.5〜約5.0質量%(これら端点間の任意のおよび全ての質量%を含む)という、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、およびポリウレタンの内の少なくとも1種を含むフィルム形成剤の固形物;約0.05〜約2.0質量%(これら端点間の任意のおよび全ての質量%を含む)という、1:1〜3:1という比にある、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)と、メチルトリメトキシシラン(A-163)およびγ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)の少なくとも1種との混合物である、シリコーンベースのカップリング剤を含む相溶化剤の固形物;および水を含む。該炭素繊維は、12,000本未満のフィラメントを含む。
本発明の一般的発明の概念に係る様々な局面は、以下に与えられ、また添付図面において例解された如き特定の模範的態様の説明から、より一層容易に理解されるであろう。
特段の規定がない限り、ここにおいて使用される用語は、該一般的発明の概念を包含する技術における当業者により普通に理解されているものと同一の意味を持つ。ここにおいて使用されている専門用語は、単に該一般的発明の概念に係る模範的態様を説明するためのものであり、また該一般的発明の概念を限定することを意図するものではない。ここにおいて使用されているような、単数形「ア(a)」、「アン(an)」および「ザ(the)」は、文脈上明らかに別の意味を表していない限り、複数形をも含むことを意図している。用語「約(about)」とは、特定の値±10%以内を意味し、またはより好ましくは特定の値±5%以内、および最も好ましくは特定の値±1%以内を意味する。用語「濡れ(wetting)」とは、上記樹脂が上記繊維の表面に結合し、また該表面上に均一に拡がる能力を表す。濡れは、液体と固体表面との間の分子間相互作用の結果生じる。用語「トウ(tow)」とは、一群の繊維フィラメントを表し、該フィラメントは、典型的には同時に形成され、また随意にサイズ剤組成物で被覆されている。トウは、これらが含有する繊維フィラメントの数によって指定される。例えば、12Kのトウは、約12,000本のフィラメントを含んでいる。
炭素繊維は、一般的に疎水性の導電性繊維であり、該繊維は高い剛性、高い引張強さ、高い温度許容度、および低い熱膨張率を持ち、また一般的に軽量であり、このことは該繊維を強化複合体の形成において評判の良いものとしている。しかし、炭素繊維は、下流用途において加工することが難しい可能性があり、これは、より遅くかつより経費の掛かる製品製造へと導く。このことは、少なくとも部分的には炭素繊維の疎水性によるものであり、これが、伝統的なマトリックス内の疎水性ガラス繊維よりも、該炭素繊維の濡れを一層困難にしている。
炭素繊維は導電性であり、また高い引張強さと高いモジュラスとの組合せを持つ。その結果、炭素繊維は、様々なマトリックス樹脂と組合された場合に、所望の機械的な特性を持つ軽量複合体を製造するのに非常に適したものとなる。マトリックス樹脂の選択に依存して、炭素繊維は、高い耐熱性および/または耐薬品性を与えることができる。この特性の組合せは、自動車、航空宇宙、およびスポーツ用品等の工業における、重量に対して敏感な用途に対する、これら物質の高い利用度へと導いた。
炭素繊維表面が化学的に不活性であるために、これらは、しばしば表面官能基を形成するようにサイズ剤組成物で被覆されて、ポリマーマトリックス内での改善された化学的結合およびその中での均質混合を促進する。ポリマーマトリックス物質内での該繊維の均質混合または「濡れ」は、如何に良好に該強化物質が、該ポリマーマトリックスによってカプセル化されるかに係る尺度である。非乾燥繊維で該強化繊維を完全に濡れさせることが望ましい。この初期加工中の不完全な濡れは、その後の加工並びにその最終的な複合体の表面特性に悪影響を及ぼす恐れがある。
炭素繊維は、しばしばリール上に巻回された連続するトウの形状で供給される。該トウにおける各炭素製フィラメントは、径約5μm〜約10μmを持つ連続する円柱である。該炭素製のトウは、1k、3k、6k、12k、24k、50kから50kを超えるまで等の広範囲に及ぶ寸法で入荷する。該kの値は、該トウ内の個々の炭素フィラメント数を示す。例えば、12kのトウは、約12,000本の炭素フィラメントからなっており、一方50kのトウは、約50,000本の炭素フィラメントからなる。
このような微細なトウ(例えば、12kまたはそれよりも小さい)を得るために、上記炭素は、微細な炭素トウとして製造する必要があるか、あるいは炭素トウは、そのフィラメント数を減じるように分割する必要がある。しかし、上述のように、大きな炭素トウを効果的に分割することは、該炭素の追加の加工を極めて困難かつ経費の掛かるものとする、繊維の破壊および毛羽形成のために困難であった。更に、炭素繊維は、トウパッケージ内で絡み合う傾向にあり、このことは繊維の破損の無い清浄な分割を、より一層骨の折れるものとする。本発明者等は、繊維の毛羽立ちおよび破損を排除し、また同様に下流域の複合体における分散性および付着性、例えばシート成型コンパウンド(「SMC」)用のチョップト繊維に係る分散および濡れ性を高める、炭素繊維を分割しかつ加工するための方法を首尾よく特定した。該高炭素トウ(例えば、24k、50kまたはそれ以上)のより小さなスプリット(例えば、12k未満)への分割は、より良好な樹脂を用いた含浸およびより良好な分散性をもたらし得る。
予想外のことに、炭素繊維を広げるための、第二の組成物または「ポスト-コート(post-coat)」組成物の適用が、これら大きな炭素繊維トウの、各々12k以下のフィラメントを含む任意の数のより小さな炭素繊維束への分割を容易にすることを見出した。
この第二のまたは「ポスト-コート」組成物は、典型的には炭素繊維トウをより小さな炭素繊維束へと分割しようとした場合に遭遇する、様々な既知の障害を克服し、また付随的に該炭素繊維のおよびこのようなポスト-コートされた繊維を用いて形成される任意の強化複合体の特性を改善する。ここにおいて使用されるような、「ポスト-コート」組成物とは、強化繊維が予めサイズ剤組成物で被覆され、かつそのサイズ剤組成物が完全に乾燥された後に、第二の被覆として該強化繊維に適用される組成物を表す。あるいは、該ポスト-コート組成物は、予めサイズ剤組成物で被覆されていない強化繊維に対して適用し得る。とりわけ、具体的には炭素繊維を参照すると、該ポスト-コート組成物は、毛羽の発現、繊維の破壊、および/または繊維のほつれを減じることによって、炭素繊維トウを分割する能力;ストランドの凝集力を改善することにより炭素繊維を細断する能力;および該サイズ剤組成物で被覆されただけの、その他の点は同等な炭素繊維を凌駕する、樹脂マトリックスにおける炭素繊維の濡れ性を改善する。
幾つかの模範的態様において、上記ポスト-コート組成物は、少なくとも1種のフィルム形成剤を含む。例えば、該ポスト-コート組成物は、フィルム形成剤としてポリビニルピロリドン(PVP)、ポリ酢酸ビニル(PVA)、およびポリウレタン(PU)の内の1種または2種以上を含むことができる。
ポリビニルピロリドンは、K-値により特徴付けられる数種の分子量グレードの状態で存在する。例えばおよび非限定的なものとして、PVP K-12は約4,000〜約6,000という分子量を持ち、PVP K-15は約6,000〜約15,000の分子量を持ち、PVP K-30は約40,000〜約80,000の分子量を持ち、およびPVP K-90は約1,000,000〜約1,700,000の分子量を持つ。幾つかの模範的態様において、上記フィルム形成剤はPVP K-90を含む。PVPは、より均一な分布を得るべくマトリックス内の該繊維の分散を、並びに水溶性および付着性を得るべく親水性を向上させる。同様に、PVPは該繊維および付随的に水性分散剤中に存在するオイル等の潤滑剤に対するカプセル化剤として作用し得る。
上記フィルム形成剤は、上記ポスト-コート組成物中に、その水性組成物の全質量を基準として、約0.5〜約5.0質量%、または約1.0〜約4.75質量%、または約3.0〜約4.0質量%の量で存在し得る。この測定値は、該溶液の全質量で割った、フィルム形成剤の固形物の質量%に基いている。一旦上記繊維ストランドに適用されると、該フィルム形成剤は、ストランド固形物について、約0.1〜約2.0質量%、またはストランド固形物について約0.3〜約0.6質量%の量で存在し得る。
上記ポスト-コート組成物において使用するための適切なシランカップリング剤は、γ-アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)、n-トリメトキシシリルプロピルエチレンジアミン(A-1120)、γ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(A-187)、メチルトリクロロシラン(A-154)、メチルトリメトキシシラン(A-163)、γ-メルカプトプロピルトリメトキシシラン:(A-189)、ビス(3-[トリエトキシシリル]プロピル)テトラスルファン(A-1289)、γ-クロロプロピルトリメトキシシラン(A-143)、ビニルトリエトキシシラン(A-151)、ビニル-トリス-(2-メトキシエトキシ)シラン(A-172)、ビニルメチルジメトキシシラン(A-2171)、ビニルトリアセトキシシラン(A-188)、オクチルトリエトキシシラン(A-137)、およびメチルトリエトキシシラン(A-162)を含むが、これらに限定されない。
幾つかの模範的態様において、上記相溶化剤は、有機ジアルデヒドを含む。模範的なジアルデヒドは、グルテルジアルデヒド、グリコキサール、マロンジアルデヒド、サクシジアルデヒド、フタルアルデヒド等を含む。幾つかの模範的態様において、該有機ジアルデヒドはグルテルジアルデヒドである。
幾つかの模範的態様において、上記相溶化剤は、1種または2種以上の帯電防止剤、例えば四級アンモニウム系帯電防止剤を含む。該四級アンモニウム系帯電防止剤は、硫酸トリエチルアルキルエーテルアンモニウムを含むことができ、これは、炭素原子数1〜3のトリアルキル基、炭素原子数4〜18のアルキル基を持つアルキルエーテル基、およびエチレンオキサイドまたはプロピレンオキサイドの何れかのエーテル基を持つ一つのトリアルキルアルキルエーテルアンモニウム塩である。硫酸トリエチルアルキルエーテルアンモニウムの一例はエマースタット(EMERSTAT) 6660Aである。
幾つかの模範的態様において、上記ポスト-コート組成物は、約10未満のpHを持つ。幾つかの模範的態様において、該ポスト-コート組成物は、約3〜約7の間、または約4〜約6の間、または約4.5〜約5.5の間のpHを持つ。
以下の表1は、本発明の一般的発明の概念に従う、幾つかの典型的なポスト-コート組成物を例示する。
幾つかの模範的態様において、上記ポスト-コート組成物は、上記トウを、図1に示されているように、管理された張力の下にポスト-コート浴12を通して引っ張っている、1またはそれ以上の被覆ローラーおよび/または被膜アプリケータを用いて適用することができる。幾つかの模範的態様において、該ポスト-コート適用ローラーは、コーマ処理された(combed)、蛇腹状の(convoluted)、または溝付きのローラーであり得る第一の被覆ローラー14、および浸漬浴12に沈められたモーター付き被膜アプリケータローラー10を含む。該モーター付き被膜アプリケータローラー10は、約70rpm〜約120rpmにて、または約90rpm〜約100rpmにて回転することができ、該ローラーは、該浸漬浴12を通して該トウを引っ張って、該ポスト-コート組成物を、該トウに適用する。該第一の被覆ローラーは、該第一の被覆ローラー14と該被膜適用ローラー10との間に該炭素繊維トウを挟むように、上昇かつ下降して、あらゆる過剰量のポスト-コート組成物を除き、かつ該被覆されたトウの厚みを制御するのに役立つものであり得る。
幾つかの模範的態様において、該トウを、ポスト-コート浸漬タンクを介して引っ張るのではなく寧ろ、該ポスト-コート組成物を、任意の他の適切な被覆法、例えばキスコーティング法により、該トウに適用し得る。もう一つの例として、該ポスト-コート組成物は、1または2以上の噴霧デバイスにより該繊維トウに噴霧することができ、または1または2以上のアプリケータロールを用いて、該トウに適用することができる。
上記被覆された炭素繊維を、図2に示された如く、過剰量のポスト-コート組成物を取除き、かつ該繊維を少なくとも部分的に乾燥するために、ローラー16,18,20の組合せ上で引っ張ることができる。ローラー16,18,20の任意の組合せを自動化し、および/または加熱して、該被覆された繊維の乾燥または完全な乾燥を開始し、かつ必要ならば、乾燥オーブン内に導入する前に、該ポスト-コート組成物を融合させて、該繊維上でフィルムとすることができる。
一旦乾燥されると、上記被覆繊維トウは、次いでワインダ上に巻取られて、被覆繊維からなるパッケージの生成を可能とし、あるいは該繊維は、例えば長繊維熱可塑性樹脂圧縮成形工程における熱可塑性組成物との配合のための下流域での加工において直ちに利用でき、あるいはSMC等の配合工程において使用するために細断することができる。幾つかの模範的態様において、該被覆繊維トウは、米国仮特許出願第62/061,323号に記載されているように、ハイブリッド集成ロービングを製造するために使用される。該米国仮特許出願の開示を、言及することによりここに組入れる。
上記炭素トウへのポスト-コート組成物の適用が、該炭素トウの分割を容易にする(例えば、毛羽の形成およびフィラメントの破損を減じることにより)ばかりでなく、下流域の加工における、マトリックス物質に対する該繊維の分散性、流動性、および付着性をも改善することが見出された。炭素繊維が、下流域での加工のために細断される場合、該毛羽の形成は、マトリックス物質内での該細断繊維の分散を妨害する。従って、該ポスト-コート組成物の適用によって、該毛羽の形成は減じられ、このことが、繊維の分散性を改善する。
上記炭素繊維トウの加工性を改善することに加えて、上記ポスト-コート組成物は、同様に複合体製造のために、該炭素繊維とポリマー樹脂マトリックスとを相溶化する。該炭素繊維と該マトリックス物質との相溶化は、該炭素繊維が適切に流動し、かつ濡れることを可能とし、このことは、該ポリマーマトリックス物質内での炭素繊維の実質的に均一な分散体を生じる。同様に、該ポスト-コート組成物は高い凝集性を付与し、これは、該繊維の改善された細断および団結化工程における改善された濡れを可能とする。
加えて、ここに記載される上記被覆繊維は、上記ポスト-コート組成物で被覆されていない繊維を超えて、少なくとも10%の引張強さにおける増加を示す。幾つかの模範的態様において、該被覆された繊維は、少なくとも15%の引張強さにおける増加、また幾つかの態様においては、少なくとも20%の引張強さにおける増加を示した。
実施例
図3は、シート成形コンパウンド(「SMC」)の製造における模範的ポスト-コート組成物で被覆されている細断された炭素繊維における改善されたチョップ分散性(乾燥層間剪断強さ(「ILSS」))およびマトリックス付着性(エイジング熱/湿潤(aging hot/wet)ILSS)を示す。図3は、ビニルエステル相溶性サイズ剤組成物およびポスト-コート組成物で被覆された炭素繊維を60%±2%で含む、炭素繊維強化SMC物質に係るILSSにおける改善を例示する。複合体のILSSは、主にその強化繊維とそのマトリックス物質との間の界面結合によって決定される。図3に示されているように、少なくとも1種のシラン、帯電防止剤、およびグルテルジアルデヒドに加えて、3.5〜4.0質量%の固体PVPを含むポスト-コート組成物で被覆された、サイズ剤の施された炭素繊維を用いて形成されたビニルエステル複合体は、ビニルエステル-相溶性サイズ剤組成物で被覆されただけの炭素繊維と比較して、25%までの乾燥ILSSにおける改善および70%までのエイジング熱/湿潤耐性における改善を示した。特に、PVPおよび少なくとも1種の帯電防止剤、グルテルジアルデヒド、および少なくとも1種のシランカップリング剤で被覆された、サイズ剤を施した炭素繊維を用いて形成されたビニルエステル複合体は、55MPaを超え、および幾つかの模範的態様においては60MPaを超える層間剪断強さを明らかに示した。同様に、この同一の複合体は、また少なくとも35MPa、および幾つかの模範的態様においては少なくとも50MPaという層間剪断強さと共に、エイジング熱/湿潤性能における改善をも示した。
以下の表2および3は、ここに列挙されたポスト-コートサンプルの1種で被覆された炭素繊維を用いて形成されたビニルエステル複合体に係る比較を示す。表2は、エポキシ相溶性サイズ剤でサイズ剤処理された炭素繊維を用いて形成された炭素-強化複合体を含む。表3は、ビニルエステル相溶性サイズ剤でサイズ剤処理された炭素繊維を用いて形成された炭素-強化複合体を含む。表2および3は、該複合体の濡れ特性(乾燥ILSS)および経時ILSS(熱/湿潤72時間沸騰)を介する付着特性を反映している。
図5は、未充填のポリエステル/ビニルエステルコンパウンドを用いて形成された、2種のSMCサンプル間の比較を説明する。各サンプルは、35質量%の炭素繊維および65質量%のガラス繊維を含んでいた。サンプル1において使用された炭素繊維は、ポスト-コート処理され、および1k〜6kの炭素繊維束に分割された、50kのトウから形成された。該ポスト-コート組成物は、0.5質量%の75%A-174/25%A-1100からなる相溶化剤混合物と共に3.5質量%のPVPフィルム形成剤を含んでいた。サンプル2において使用された炭素繊維は、50kの未変性繊維トウ(ポスト-コート処理または分割処理なし)を含んでいた。これらサンプルは、その他の点では一致しており、また同一の加工条件を用いて形成された。これら複合体は、平板状に成型され、またISO-527-4によりテストされた。図5に示されているように、サンプル1は、約128MPaという高い引張強さを明らかに示し、一方でサンプル2は、約113MPaという引張強さを示した。これは、約13%という実質上有意な改善である。
図7は、上記のポスト-コート組成物および上記炭素繊維スプリットの寸法両者の組合せが、未充填のポリエステル/ビニルエステルSMC複合体に係る引張強さに及ぼす影響を説明している。各サンプルは、35質量%の炭素繊維および65質量%のガラス繊維を用いて形成された。サンプル3および4において使用された炭素繊維は、24kのポスト-コート処理された炭素トウから形成(夫々、2kおよび4kの束)された。該ポスト-コート組成物は、0.5質量%の、75%A-174/25%A-1100からなる相溶化剤の混合物と共に3.5質量%のPVPフィルム形成剤を含んでいた。サンプル5は、12kの未被覆炭素繊維トウを用いて形成された。これらサンプルは、その他の点では一致しており、また同一の加工条件を用いて形成された。該複合体は、平板に成型され、かつISO-527-4によってテストされた。図7に示されているように、サンプル5は、約160MPaという最小の引張強さを示し、一方ポスト-コート処理されかつ分割された炭素繊維束を含むサンプル3および4は、少なくとも180MPaという高い引張強さを示した。その上、最小の炭素繊維束(2k)を含むサンプル3は、約185MPaという最大の引張強さを示した。このことは、該複合体の引張強さを改善するのが、該炭素繊維束の寸法および該ポスト-コート組成物の存在両者であることを示している。
ここにおいて、様々な模範的態様を記載し、また提案してきたが、多くの変更が、本発明の一般的発明の概念に係る精神および範囲を逸脱すること無しに成し得ることを理解すべきである。あらゆるこのような変更が、本発明の範囲内に含まれるものと意図されており、本発明は、添付した特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
ここにおいて使用されているような方法または工程段階のあらゆる組合せは、特段の指定がない限り、あるいは参照された組合せがなされている文脈によって逆のことが明確に意味されていない限り、任意の順序で実施することができる。
上記方法は、ここに記載された工程段階、並びにここに記載されたまたはそれ以外の有用な任意の追加のまたは随意の工程段階を含み、これらからなり、またはこれらから本質的になるものであり得る。
幾つかの態様において、上記様々な発明の概念を、相互の組合せで利用することができる(例えば、模範的態様の第一、第二、その他の1種または2種以上を、相互の組合せで利用し得る)。加えて、特別に開示された態様に関連するものとして述べられた任意の特定の要素は、該特定の要素の組入れが該態様の明示された用語と矛盾しない場合、全ての開示された態様と共に利用し得るものと解釈されるべきである。付随的利点および変更は、当業者には容易に明らかになるであろう。従って、上記開示は、そのより広い局面において、ここに提示された具体的な細部、表示されたおよび記載された代表的な装置、または説明に役立つ実施例に限定されない。従って、本発明の一般的発明の概念に係る精神または範囲から逸脱すること無しに、このような細部から逸脱することが可能である。
Claims (71)
- 繊維を被覆するための組成物であって、
約0.5〜約5.0質量%のフィルム形成剤の固形物であって、該フィルム形成剤が、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニルおよびポリウレタンの内の少なくとも1つを含む、フィルム形成剤の固形物、
約0.05〜約2.0質量%の相溶化剤の固形物であって、該相溶化剤が、シリコーンベースのカップリング剤、チタネートカップリング剤、ジルコネートカップリング剤、有機ジアルデヒド、および四級アンモニウム系帯電防止剤の内の少なくとも1つを含む、相溶化剤の固形物、ならびに
水
を含む、前記組成物。 - 前記繊維が、ガラス、炭素、アラミド、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、炭化ケイ素(SiC)、および窒化ホウ素繊維の内の少なくとも1つを含む、請求項1に記載の組成物。
- 前記繊維が、12000本以下のフィラメントを含む炭素繊維束である、請求項2に記載の組成物。
- 前記繊維が、約1000〜約6000本のフィラメントを含む炭素繊維束である、請求項2に記載の組成物。
- 前記繊維が、約2000〜約3000本のフィラメントを含む炭素繊維束である、請求項2に記載の組成物。
- 前記フィルム形成剤が、ポリビニルピロリドンからなる、請求項1に記載の組成物。
- 前記ポリビニルピロリドンが、1000000〜1700000の分子量を有する、請求項6に記載の組成物。
- 前記シリコーンベースのカップリング剤が、γ-アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)、n-トリメトキシシリルプロピルエチレンジアミン(A-1120)、γ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(A-187)、メチルトリクロロシラン(A-154)、メチルトリメトキシシラン(A-163)、γ-メルカプトプロピルトリメトキシシラン:(A-189)、ビス(3-[トリエトキシシリル]プロピル)テトラスルファン(A-1289)、γ-クロロプロピルトリメトキシシラン(A-143)、ビニルトリエトキシシラン(A-151)、ビニル-トリス-(2-メトキシエトキシ)シラン(A-172)、ビニルメチルジメトキシシラン(A-2171)、ビニルトリアセトキシシラン(A-188)、オクチルトリエトキシシラン(A-137)、およびメチルトリエトキシシラン(A-162)の内の少なくとも1つを含む、請求項1に記載の組成物。
- 前記シリコーンベースのカップリング剤が、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)と、メチルトリメトキシシラン(A-163)およびγ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)の内の少なくとも1つとの混合物である、請求項1または8に記載の組成物。
- 前記シリコーンベースのカップリング剤が、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)およびメチルトリメトキシシラン(A-163)を1:1〜3:1の比で含む、請求項1または8に記載の組成物。
- 前記シリコーンベースのカップリング剤が、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)およびγ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)を1:1〜3:1の比で含む、請求項1または8に記載の組成物。
- 前記フィルム形成剤が、ポリビニルピロリドンを含み、かつ前記相溶化剤が、1:1〜3:1の比のアミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)およびメチルトリメトキシシラン(A-163)と、硫酸トリエチルアルキルエーテルアンモニウムとを含む、請求項1または8に記載の組成物。
- 前記フィルム形成剤が、ポリビニルピロリドンを含み、かつ前記相溶化剤が、1:1〜3:1の比のアミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)およびγ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)と、硫酸トリエチルアルキルエーテルアンモニウムとを含む、請求項1または8に記載の組成物。
- 繊維を被覆するための組成物であって、
ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、およびポリウレタンの内の少なくとも1つを含む、フィルム形成剤、
シリコーンベースのカップリング剤、チタネートカップリング剤、ジルコネートカップリング剤、グルテルジアルデヒド、および四級アンモニウム系帯電防止剤の内の少なくとも1つを含む、相溶化剤、ならびに
水
から本質的になる、前記組成物。 - 前記繊維が、ガラス、炭素、アラミド、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、炭化ケイ素(SiC)、および窒化ホウ素繊維の内の少なくとも1つを含む、請求項14に記載の組成物。
- 前記繊維が、12000本以下のフィラメントを含む炭素繊維束である、請求項15に記載の組成物。
- 前記繊維が、約1000〜約6000本のフィラメントを含む炭素繊維束である、請求項15に記載の組成物。
- 前記繊維が、約2000〜約3000本のフィラメントを含む炭素繊維束である、請求項15に記載の組成物。
- 複数の強化繊維とポリマーマトリックス物質とを相溶化するための方法であって、該強化繊維を被覆組成物で被覆する工程を含み、該被覆組成物が、
約0.5〜約5.0質量%のフィルム形成剤の固形物であって、該フィルム形成剤が、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、およびポリウレタンの内の少なくとも1つを含む、フィルム形成剤の固形物、
約0.05〜約2.0質量%の相溶化剤の固形物であって、該相溶化剤が、シリコーンベースのカップリング剤、チタネートカップリング剤、ジルコネートカップリング剤、有機ジアルデヒド、および四級アンモニウム系帯電防止剤の内の少なくとも1つを含む、相溶化剤の固形物、ならびに
水
を含む、前記方法。 - 前記強化繊維が、ガラス、炭素、アラミド、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、炭化ケイ素(SiC)、および窒化ホウ素繊維の内の少なくとも1つを含む、請求項19に記載の方法。
- 前記強化繊維が、炭素繊維である、請求項19に記載の方法。
- 前記強化繊維を前記被覆組成物で被覆する前に、該強化繊維をサイズ剤組成物で被覆して該サイズ剤組成物を乾燥する、請求項19に記載の方法。
- 前記サイズ剤組成物が、エポキシ、ビニルエステル、およびウレタンフィルム形成剤の内の少なくとも1つを含む、請求項22に記載の方法。
- 前記フィルム形成剤が、ポリビニルピロリドンを含む、請求項19に記載の方法。
- 前記シリコーンベースのカップリング剤が、γ-アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)、n-トリメトキシシリルプロピルエチレンジアミン(A-1120)、γ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(A-187)、メチルトリクロロシラン(ArI 54)、メチルトリメトキシシラン(A-163)、γ-メルカプトプロピルトリメトキシシラン:(A-189)、ビス(3-[トリエトキシシリル]プロピル)テトラスルファン(A-1289)、γ-クロロプロピルトリメトキシシラン(A-143)、ビニルトリエトキシシラン(A-151)、ビニル-トリス-(2-メトキシエトキシ)シラン(A-172)、ビニルメチルジメトキシシラン(A-2171)、ビニルトリアセトキシシラン(A-188)、オクチルトリエトキシシラン(A-137)、およびメチルトリエトキシシラン(A-162)の内の少なくとも1つを含む、請求項19に記載の方法。
- 前記シリコーンベースのカップリング剤が、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)と、メチルトリメトキシシラン(A-163)およびγ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)の内の少なくとも1つとの混合物である、請求項19に記載の方法。
- 前記シリコーンベースのカップリング剤が、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)およびメチルトリメトキシシラン(A-163)を1:1〜3:1の比で含む、請求項19に記載の方法。
- 前記シリコーンベースのカップリング剤が、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)およびγ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)を、1:1〜3:1の比で含む、請求項19に記載の方法。
- 前記四級アンモニウム系帯電防止剤が、硫酸トリエチルアルキルエーテルアンモニウムを含む、請求項19に記載の方法。
- 前記有機ジアルデヒドが、グルテルジアルデヒド、グリコキサール、マロンジアルデヒド、サクシジアルデヒド、およびフタルアルデヒドの内の1つ以上を含む、請求項19に記載の方法。
- 前記有機ジアルデヒドが、グルテルジアルデヒドを含む、請求項19に記載の方法。
- 組成物で被覆された炭素繊維であって、該組成物が、
約0.5〜約5.0質量%のフィルム形成剤の固形物であって、該フィルム形成剤が、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、およびポリウレタンの内の少なくとも1つを含む、フィルム形成剤の固形物、
約0.05〜約2.0質量%の相溶化剤の固形物であって、該相溶化剤が、シリコーンベースのカップリング剤、チタネートカップリング剤、ジルコネートカップリング剤、グルテルジアルデヒド、および四級アンモニウム系帯電防止剤の内の少なくとも1つを含む、相溶化剤の固形物、ならびに
水
を含み、該炭素繊維が、約12000本未満のフィラメントを含む、前記炭素繊維。 - 約10000本未満のフィラメントを含む、請求項32に記載の炭素繊維。
- 約8000本未満のフィラメントを含む、請求項32に記載の炭素繊維。
- 約6000本未満のフィラメントを含む、請求項32に記載の炭素繊維。
- 約4000本未満のフィラメントを含む、請求項32に記載の炭素繊維。
- 約2000本未満のフィラメントを含む、請求項32に記載の炭素繊維。
- 約2000〜約3000本のフィラメントを含む、請求項32に記載の炭素繊維。
- 約0.5mm〜約4.0mmの幅を有する、請求項32に記載の炭素繊維。
- エポキシ、ビニルエステル、およびウレタンフィルム形成剤の内の少なくとも1つを含むサイズ剤組成物で被覆されている炭素である、請求項32に記載の炭素繊維。
- 繊維-強化複合体であって、その上に被膜を有する複数の強化繊維を含み、該被膜が、
約0.5〜約5.0質量%のフィルム形成剤の固形物であって、該フィルム形成剤が、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、およびポリウレタンの内の少なくとも1つを含む、フィルム形成剤の固形物、
約0.05〜約2.0質量%の相溶化剤の固形物であって、該相溶化剤が、シリコーンベースのカップリング剤、チタネートカップリング剤、ジルコネートカップリング剤、有機ジアルデヒド、および四級アンモニウム系帯電防止剤の内の少なくとも1つを含む、相溶化剤の固形物、
水、ならびに
ポリマー樹脂物質
を含む、前記繊維-強化複合体。 - 前記強化繊維が、ガラス、炭素、アラミド、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、炭化ケイ素(SiC)、および窒化ホウ素繊維の内の少なくとも1つを含む、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 前記フィルム形成剤が、ポリビニルピロリドンを含む、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 前記ポリビニルピロリドンが、1000000〜1700000の分子量を有する、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 前記シリコーンベースのカップリング剤が、γ-アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)、n-トリメトキシシリルプロピルエチレンジアミン(A-1120)、γ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(A-187)、メチルトリクロロシラン(ArI 54)、メチルトリメトキシシラン(A-163)、γ-メルカプトプロピルトリメトキシシラン:(A-189)、ビス(3-[トリエトキシシリル]プロピル)テトラスルファン(A-1289)、γ-クロロプロピルトリメトキシシラン(A-143)、ビニルトリエトキシシラン(A-151)、ビニル-トリス-(2-メトキシエトキシ)シラン(A-172)、ビニルメチルジメトキシシラン(A-2171)、ビニルトリアセトキシシラン(A-188)、オクチルトリエトキシシラン(A-137)、およびメチルトリエトキシシラン(A-162)の内の少なくとも1つを含む、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 前記シリコーンベースのカップリング剤が、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)と、メチルトリメトキシシラン(A-163)およびγ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)の内の少なくとも1つとの混合物である、請求項41または請求項45に記載の繊維-強化複合体。
- 前記シリコーンベースのカップリング剤が、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)およびメチルトリメトキシシラン(A-163)を1:1〜3:1の比で含む、請求項41または請求項45に記載の繊維-強化複合体。
- 前記シリコーンベースのカップリング剤が、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)およびγ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)を1:1〜3:1の比で含む、請求項41または請求項45に記載の繊維-強化複合体。
- 前記四級アンモニウム系帯電防止剤が、硫酸トリエチルアルキルエーテルアンモニウムを含む、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 前記有機ジアルデヒドが、グルテルジアルデヒド、グリコキサール、マロンジアルデヒド、サクシジアルデヒド、およびフタルアルデヒドの内の1つ以上を含む、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 前記有機ジアルデヒドが、グルテルジアルデヒドを含む、請求項50に記載の繊維-強化複合体。
- 少なくとも50MPaの乾燥層間剪断強さを有する、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 少なくとも60MPaの乾燥層間剪断強さを有する、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 少なくとも30MPaの熱/湿潤層間剪断強さを有する、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 少なくとも50MPaの熱/湿潤層間剪断強さを有する、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 前記ポリマー樹脂物質が、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ、ポリイミド、およびスチレンの内の少なくとも1つである、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 前記強化繊維が、約12000本以下のフィラメントを含む炭素繊維である、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 前記強化繊維が、約1000〜約12000本のフィラメントを含む炭素繊維である、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 前記強化繊維が、約2000〜約6000本のフィラメントを含む炭素繊維である、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 前記強化繊維が、約2000〜約3000本のフィラメントを含む炭素繊維である、請求項41に記載の繊維-強化複合体。
- 分割されポスト-コート処理された炭素繊維束を形成する方法であって、
炭素繊維トウを準備する工程であって、該炭素繊維トウが、サイズ剤組成物で被覆された少なくとも24000本のフィラメントを含む、工程、
該少なくとも1つの炭素繊維トウにポスト-コート組成物を適用する工程、および
該炭素繊維トウを、約12000本以下のフィラメントを含む少なくとも1つの炭素繊維束に分離する工程、
を含み、該ポスト-コート組成物が、
約0.5〜約5.0質量%のフィルム形成剤の固形物であって、該フィルム形成剤が、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、およびポリウレタンの内の少なくとも1つを含む、フィルム形成剤の固形物、
約0.05〜約2.0質量%の相溶化剤の固形物であって、該相溶化剤が、シリコーンベースのカップリング剤、チタネートカップリング剤、ジルコネートカップリング剤、グルテルジアルデヒド、および四級アンモニウム系帯電防止剤の内の少なくとも1つを含む、相溶化剤の固形物、ならびに
水
を含む、前記方法。 - 前記炭素繊維トウが、少なくとも約50000本のフィラメントを含む、請求項61に記載の方法。
- 前記炭素繊維束が、約10000本以下のフィラメントを含む、請求項61に記載の方法。
- 前記炭素繊維束が、約8000本以下のフィラメントを含む、請求項61に記載の方法。
- 前記炭素繊維束が、約6000本以下のフィラメントを含む、請求項61に記載の方法。
- 前記炭素繊維束が、約4000本以下のフィラメントを含む、請求項61に記載の方法。
- 前記炭素繊維束が、約2000本以下のフィラメントを含む、請求項61に記載の方法。
- 前記炭素繊維束が、約2000〜約3000本のフィラメントを含む、請求項61に記載の方法。
- 前記炭素繊維束が、約0.5mm〜約4.0mmの幅を有する、請求項61に記載の方法。
- 前記サイズ剤組成物が、エポキシ、ビニルエステル、およびウレタンフィルム形成剤の内の少なくとも1つを含む、請求項61に記載の方法。
- 組成物で被覆された炭素繊維であって、該組成物が、
約0.5〜約5.0質量%のフィルム形成剤の固形物であって、該フィルム形成剤が、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、およびポリウレタンの内の少なくとも1つを含む、フィルム形成剤の固形物、
約0.05〜約2.0質量%の相溶化剤の固形物であって、該相溶化剤が、シリコーンベースのカップリング剤を含み、該カップリング剤が、1:1〜3:1の比の、アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)と、メチルトリメトキシシラン(A-163)およびγ-メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(A-174)の内の少なくとも1つとの混合物である、相溶化剤の固形物、ならびに
水
を含み、該炭素繊維が、12000本未満のフィラメントを含む、前記炭素繊維。
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