JP2019522740A - 炭素繊維ランダムマットと炭素繊維複合材料 - Google Patents
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Abstract
Description
特に本発明は、ランダムマット材と高い機械的特性がある複合材料を提供することを目的とする。とりわけ本発明は、そのような材料を低い製造コストで提供することを目的とする。特に本発明は、炭素繊維ランダムマットの生産方法を複雑な工程なしで提供することを目的とする。
本発明によれば、特に断りのない限り「繊維」は「繊維」のことをいう。
一例において、繊維束内の繊維数の標準偏差SDNは、1,000<SDN<6,000を満たす。
また生産コストは低くなる。
一例において、SDNは2,000<SDN<6,000を満たし、好ましくは3,000<SDN<6,000を満たす。
(i)切り込みが繊維方向に対し斜めの角度θを有するように、繊維束を実質的に一定の間隔で切断する;
(ii)繊維束のサイズを縮小することにより本発明に係るランダムマット材を提供する。
100RPM<vc<400RPM
本発明に係る繊維束を得ることができる限り、切断ロールと延伸ロールの間の距離Lは特に限定されない。Lは切断ロール3上の切断ツールと延伸ロール2を間の距離であり、切断繊維束の長さを特定する。工業的製造プロセスで安い生産コストで高い機械的特性を持つ複合材料を製造するために、切断ロールから5〜100mmの範囲の距離Lを隔てて設置される延伸ロールによって繊維束のサイズが縮小され、上記延伸ロールが下記範囲の回転速度vrで回転することが好ましい。
3000RPM <vr<15000RPM
20mm<L<55mm
好ましい一例において、比率vr/vcは下記式を満たす。
20<vr/vc<80
a:切断ロールに繊維束を走らせるフィーダー
b:ロール上に一列に組み込まれた刃を備えた切断ロール
c:切断ロールの下で切断繊維束を集めるバスケット
10mm×100mmのサイズを有するサンプルが炭素繊維複合材料から切り取られ、そのサンプルはマトリックス樹脂のような有機物質を燃焼するために500℃の電気炉で約1時間加熱された。冷却した後に室温で静置された炭素繊維集合体の質量を測定した。炭素繊維束は、ピンセットで炭素繊維集合体から全て抽出された。全ての抽出された炭素繊維束は、1/10,000g単位まで測定可能な天秤を用いて測定された。各炭素繊維束の長さLnおよび重さMnを測定した。測定後、各束ごとにxn=Mn×4/D2/π/Ln/Sが算出された。ここでDは炭素繊維径、Sは炭素繊維の比重、xnは炭素繊維束を形成する繊維数である。切り出された材料から100個の繊維束をピックアップして標準偏差SDと平均束数Nを算出した。
(2)曲げ弾性率
曲げ弾性率は、ISO−14125に従って測定した。
曲げ強度は、ISO−14125に従って測定した。
市販の繊維トウ(T700SC−12K−50C;Toray Carbon Fibers Europe, S. A.)が選定され、かごにセットされた。繊維径Dは7マイクロメートル(μm)であった。繊維トウは、ガイド8を通って切断ロール3、ニップロール7、そして駆動ロール6を経由し、延伸ロール2に引っ張られた(図1参照)。延伸ロール2と切断ロール3の間の距離は、L=33mmにセットされた。切断刃4は、46度の斜めの角度θで、切断ロール上にセットされた。また、剥離紙上で250マイクロメートル(μm)の厚さの市販のエポキシ樹脂コートされた樹脂フィルムは切断繊維束5を集めるために延伸ロール2の直下で調製され、切断後にフィルム上で繊維のランダムマットを形成した。それから、延伸ロール2はvr=9778RPMで回転し始め、切断ロール3はvc=275RPMで回転し始めた。樹脂フィルム(図1では図示されない)もまた、10mm/分の速度で供給開始し、樹脂シート表面にランダムマットが得られた。ランダムマットからなる樹脂シートは30cm×30cmの正方形に切断されて、10枚まで積層された。その層はプレス成形機にセットされ、3気圧および120℃で1時間硬化されて複合材料パネルが得られた。そのパネルを切断して試験片とし、曲げ弾性率と曲げ強度をISO−14125に従って評価した。
処理パラメーターを表1に示し、その結果を表2に示す。曲げ弾性率と強度は高い機械的特性を有する複合材料を提供するのに十分高く、低コストの12K繊維トウの使用により生産費は低かった。繊維束の幅は、繊維数の減少により中心から端にかけて徐々に狭くなった。繊維束の平均数Nと標準偏差SDNを上述の方法に従って測定し、表2に示す。
繊維トウ、切断ロールおよび延伸ロールの回転速度を変化させ、実施例と同様の評価を実施した。処理パラメーターとその結果を表1および表2に示す。
繊維トウをT300−3K−4BおよびT300−1K−40B(共に東レ株式会社製の市販品)に変更したほかは実施例1と同様の条件で表3に示す評価を実施した。結果を表4に示す。Nが本発明の範囲外であったため、比較例1に係る複合物の機械的特性は実施例1〜6よりも低かった。比較例2および3に係る複合物の機械的特性は、実施例1〜6と同様に良好であったが、生産コストは12Kまたは24Kよりも高価な3Kや1K繊維トウを使用したため、本発明に係る実施例よりも高かった。
2 延伸ロール
3 切断ロール
4 切断刃
5 繊維束
6 駆動ロール
7 ニップロール
8 ガイド
41 側縁
12、52 縁
Claims (15)
- 繊維束内の繊維数の標準偏差SDNが2,000<SDN<6,000を満たす、請求項1に記載のランダムマット。
- 前記繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維およびそれらの混合物から構成される群から選ばれる、請求項1または2に記載のランダムマット。
- 熱硬化性または熱可塑性マトリックスと繊維束からなる、請求項1〜3のいずれかに記載のランダムマット。
- 繊維からなる繊維束で構成されるランダムマットの製造方法であって、
(i)切り込みが繊維方向に対し斜めの角度θを有するように、繊維束を実質的に一定の間隔で切断する切断工程と、
(ii)繊維束のサイズを縮小する縮小工程と、
を含むことを特徴とするランダムマットの製造方法。 - 前記繊維束が請求項2〜5のいずれかに記載の繊維束である、請求項5または6に記載のランダムマットの製造方法。
- 切断ロールから5〜100mmの範囲の距離Lを隔てて設置される延伸ロールによって繊維束のサイズが縮小され、前記切断ロールの回転速度vcよりも前記延伸ロールの回転速度vrが大きい、請求項5〜7のいずれかに記載のランダムマットの製造方法。
- 切断工程(i)が、100RPM<vc<400RPMの回転速度vcで実施される、請求項5〜8のいずれかに記載のランダムマットの製造方法。
- 前記延伸ロールの回転速度vrと前記切断ロールの回転速度vcの比率vr/vcが、20<vr/vc<80を満たす、請求項5〜9のいずれかに記載のランダムマットの製造方法。
- 前記ロールが円筒形状または円錐形状を有する、請求項8〜10のいずれかに記載のランダムマットの製造方法。
- 切断工程(i)で12Kまたは24K炭素繊維束が切断される、請求項5〜11のいずれかに記載のランダムマットの製造方法。
- 前記フィルムが熱硬化性または熱可塑性ポリマーフィルムまたは粉で被覆される、請求項5〜12のいずれかに記載のランダムマットの製造方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のランダムマットからなる複合材料であって、請求項5〜13のいずれかに記載の方法で製造されることを特徴とする複合材料。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のランダムマットまたは請求項5〜13のいずれかに記載の方法で製造されるランダムマットの1つまたは複数からなり、もしくは請求項14に記載の複合材料の1つまたは複数からなる繊維強化成型品であって、全質量に対する繊維束の質量が10〜65%であることを特徴とする繊維強化成型品。
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