JP2021041561A - 炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法および炭素繊維を含む複合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】長さや向きが不均一で不連続な状態となっている不連続炭素繊維を原料として、高強度な炭素繊維強化複合材料成形体を効率よく製造する製造方法を提供する。【解決手段】本発明の製造方法は、不連続炭素繊維からなる不織布を帯状に加工する工程と、帯状の不織布と熱可塑性樹脂とを溶融混練機に導入して溶融する工程と、射出成形機により射出、又はプレス機によりプレスする成形工程とを備えている。本発明はまた、不連続炭素繊維からなる不織布に、熱可塑性樹脂を被覆、積層、または付着させた複合材料を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法と、炭素繊維を含む複合材料に関する。特に炭素繊維強化プラスチックから再生した炭素繊維や炭素繊維の端材等から得られた不連続炭素繊維を用いて、炭素繊維強化複合材料成形体を製造する方法と、炭素繊維強化複合材料成形体の原料として使用可能な複合材料に関する。

炭素繊維は、有機物を繊維化して熱処理することで製造される繊維であって、軽量でありながら剛性や強度などの力学的特性に優れており、錆による劣化がない。このため、従来は金属製品が利用されてきた多くの分野に適用されている。たとえば、炭素繊維を樹脂の母材に分散させて成形した炭素繊維強化複合材料は、自動車や航空機の構造材に広く利用されている。

炭素繊維は、通常、ボビン等に巻き取られた連続繊維の状態で供給される。連続繊維の炭素繊維は、設備に投入する際の供給方向や供給量を容易に制御することができ、様々な製造方法によって多様な炭素繊維強化複合材料を製造することができる。以下、単繊維の状態で、加工に必要十分な長さを有し、連続繊維と同様に取り扱うことができる炭素繊維を、連続炭素繊維と称する。

炭素繊維強化複合材料は、使用する母材の種類ごとに、異なる製造方法が適用される。母材として熱硬化性樹脂を利用する炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、炭素繊維にエポキシ樹脂などの樹脂を含浸させてシート状の中間基材（以下、プリプレグという）を作製し、このプリプレグを所望の形状に裁断し、積層し、含浸した樹脂を硬化させて製造される。母材に熱可塑性のものを使用する炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＴＰ）は、炭素繊維と樹脂とをペレット状あるいはシート状にし、加熱によって樹脂を可塑化して射出あるいはプレスにより成形して製造される。

連続炭素繊維から炭素繊維強化複合材料を製造する一つの方法として、炭素繊維と熱可塑性樹脂を溶融混練機に別々に投入して混練する方法が知られている。通常はペレットである熱可塑性樹脂は、成形機の上流に設けられたホッパー部より投入することで、充分に溶融される。連続炭素繊維は予めボビン等に巻き取られており、溶融混練機の下流側に設けられたベント部より投入する（例えば、特許文献１、特許文献２）。これらに類似する技術として、ＬＦＴ−Ｄ Ｌｏｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ Ｄｉｒｅｃｔ ＭｏｌｄｉｎｇやＤＦＦＩＭ Ｄｉｒｅｃｔ−ｆｉｂｅｒ−ｆｅｅｄｉｎｇ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇが知られている。

特許文献１および２記載の製造方法を連続炭素繊維に適用した場合、混練時の炭素繊維の切断を防止して細片化を抑制できるとの利点がある。また、繊維と樹脂の組み合わせや含有率を自由に変更できるとの利点がある。しかしながら、連続繊維にしか適用できないことや炭素繊維と樹脂との混練距離が短いために、供給する材料の形態によっては、均一な混練が行われないおそれがある。

炭素繊維強化複合材料の利用が拡大するのに伴って、一度使用された後に回収された炭素繊維や、製造工程で端材として排出される炭素繊維が、増加している。炭素繊維は高価な材料であるので、これらの有効利用が強く求められている。

未使用の炭素繊維が連続繊維の形態であるのに対し、使用後に回収された炭素繊維や端材として排出された炭素繊維のほとんどは、長さや向きが不均一であり、不連続な状態となっている。以下、このような炭素繊維を不連続炭素繊維と称する。

炭素繊維強化複合材料から取り出した不連続炭素繊維を、炭素繊維強化複合材料として再利用するためには、樹脂と混練したり、樹脂を含浸させたりして、再び成形体に再成形する必要がある。

不連続炭素繊維と熱硬化性樹脂を用いてプリプレグを製造するには、樹脂の含浸工程の前に炭素繊維を整列させる工程が必要となる。また、不連続炭素繊維と樹脂とをペレット化する方法は、繊維長が１ｍｍ未満に粉砕されたミルド繊維を用いる以外、実用化されていない。ミルド繊維を用いて、樹脂との混練からペレットを得る技術は知られているものの、繊維長が短いために力学特性が低下すると言われている。

発明者らは、不連続炭素繊維の利用方法として、合成繊維が炭素繊維に交絡して混棉された炭素繊維スライバを製造する方法を発明し、特許文献３に開示した。特許文献３の炭素繊維スライバの製造方法は、開繊された綿状繊維となっている炭素繊維と、短繊維状に形成されて略同一方向に配列された捲縮可能な綿状繊維となっている合成繊維とを混棉して炭素繊維スライバを製造している。しかしながら、特許文献３に開示した製造方法で製造される炭素繊維スライバは嵩高な綿状となっていることに加え、連続状になっているものの張力を受け持つことができないため、プリプレグの製造、あるいは樹脂とのペレットの製造には適していない。

そこでさらに発明者は、不連続炭素繊維を含む炭素繊維ストランドを用いて炭素繊維強化複合材料成形体を製造する方法を発明して、特許文献４に開示した。特許文献４の炭素繊維強化複合材料成形体を製造する方法は、繊維の方向が平行になるように配向された炭素繊維含有スライバを撚糸するか、フィルムなどを強く巻き付けた紐（ストランド）を製造し、溶融混練して成形することを特徴とする。

特許文献４に開示した炭素繊維ストランドは、繊維が平行に揃えられて嵩が小さく張力にも耐えることから、混練機へスムーズに投入できる。それにより、連続炭素繊維を用いた時と同様に、不連続炭素繊維から炭素繊維強化複合材料を製造することができる。しかしながら、不連続炭素繊維を配向された炭素繊維含有スライバに形成する一般的な工程は、カード機で炭素繊維を開繊し、樹脂繊維と混繊し、練条機で一方向にドラフトしながら一体化する工程が必要である。これに加えて、炭素繊維含有スライバを形成する工程は、通常乾式で作業するため、繊維折損の問題が潜在的に存在する。

特開２０１６−１６５８２号公報 特開平１１−１３８５３０号公報 特開２０１６−１０８６７９号公報 特開２０１８−１２３４３８号公報

本発明は上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであって、長さや向きが不均一で不連続な状態となっている不連続炭素繊維を原料として、高強度な炭素繊維強化複合材料成形体を効率よく製造する製造方法の提供を解決すべき課題としている。

また本発明は、炭素繊維強化複合材料成形体の製造に好適に用いることのできる、不連続炭素繊維を含む複合材料の提供を、解決すべき課題としている。

上記課題を解決するために、本発明の炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法は、不連続炭素繊維からなる不織布を帯状に加工する工程と、帯状の不織布と熱可塑性樹脂とを溶融混練機に導入して溶融する工程と、射出成形機により射出、又はプレス機によりプレスする成形工程と、を備えていることを特徴とする。

不連続炭素繊維は、既知の方法によって不織布に成形することができる。炭素繊維の不織布は、繊維が絡み合って形成されているので、混練機による張力が付与されていても形状が保持される。そこで、不連続炭素繊維から成る不織布を帯状に加工し、溶融混練機に導入して溶融した樹脂と混練し、成形することで、炭素繊維強化複合材料成形体を効率よく製造することができる。

本発明が提供する複合材料は、不連続炭素繊維からなる不織布に、熱可塑性樹脂を被覆、積層、または付着させた複合材料である。

本発明はさらに、不連続炭素繊維からなる不織布と熱可塑性樹脂からなる複合材料を用いた、炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法を提供する。本発明の炭素繊維強化複合材料成形体製造方法は、不連続炭素繊維からなる不織布に、熱可塑性樹脂を被覆、積層、または付着させた複合材料を用い、この複合材料を帯状に加工する工程と、帯状の複合材料を溶融混練機に導入して溶融する工程と、射出成形機により射出、又はプレス機によりプレスする成形工程と、を備えていることを特徴とする。

本発明の炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法は、１ｍｍよりも長い繊維長の不連続炭素繊維を原料とした不織布を用いて、炭素繊維強化複合材料成形体を製造することができる。このため、粉砕されたミルド状の炭素繊維を用いた場合と比較して、より強度の増した成形体を得ることができる。

本発明の製造方法で使用する炭素繊維の不織布は、帯状に加工されていることにより、溶融混練機のベントからスクリューに巻きつけて連続的に供給することが可能である。不織布は、繊維が絡み合って形成されているため、張力に耐えて形状を保持でき、連続炭素繊維と同様に、混練機のベントからの供給をスムーズに行うことができる。不連続炭素繊維からなる不織布に、フィルムやパウダー形態の熱可塑性樹脂を被覆、積層または付着させた複合材料を、溶融混練機で溶融混練することで、ベント部からの供給のような従来よりも短い混練距離で樹脂を溶融させることができる。これにより炭素繊維の折損の抑制と高分散を両立することが可能となる。また、あらかじめ樹脂と炭素繊維の比率や配置を制御して供給複合材料を調整できることから、より均質な混練体を得ることが可能である。

このように、不織布の溶融混練機への供給を常時制御された状態で行うことで、投入量を、正確に制御することができる。したがって、樹脂との混練において炭素繊維と均一に混練することができることに加え、混練体の炭素繊維の含有量を均一となるよう正確に制御することができる。

樹脂と炭素繊維を比率一定で、同一箇所から同時供給できることから、樹脂をホッパーから、炭素繊維をベントから供給する方法で問題となる、気体の排気口としても機能するベント部から溶融樹脂が噴き出してしまう「ベントアップ現象」などの不具合の発生を低下させることができる。

本発明の複合材料の原料となる不連続炭素繊維の不織布は、大量生産が可能であるので、従来のスライバよりも低コストで製造することができる。

図１は、溶融混練機に、帯状の不織布と熱可塑性樹脂とを導入する状態を模式的に示す図である。 図２は、溶融混練機に、帯状の不織布と熱可塑性樹脂とをホッパーから導入する状態を模式的に示す図である。 図３は、溶融混練機に、帯状の不織布と熱可塑性樹脂からなる複合材料を導入する状態を模式的に示す図である。 図４は、帯状に加工した不織布の図面代用写真である。 図５は、実施例５の各工程における不織布の状態を示す図であって、図５（ａ）は、ロール状に巻き取られている不織布の図面代用写真であり、図５（ｂ）は、不織布を帯状に切断する工程を模式的に示す図であり、図５（ｃ）は、帯状の不織布に樹脂フィルムを巻き付ける工程を模式的に示す図であり、図５（ｄ）は、樹脂で被覆した帯状の不織布の図面代用写真である。 図６は、実施例１，２と比較例１，２の製造方法によって製造した混練物中に占める炭素繊維の繊維長別の出現頻度を示すグラフである。 図７は、実施例１，２と比較例１の製造方法によってそれぞれ製造した成形品の引張弾性率（ＧＰａ）と引張強度（ＭＰａ）を示す図である。 図８は、実施例３〜５と比較例２の製造方法によってそれぞれ製造した成形品の引張弾性率（ＧＰａ）と引張強度（ＭＰａ）を示す図である。 図９は、実施例１，５と比較例１の製造方法によってそれぞれ製造した混練物表面を光学顕微鏡によって撮影した図面代用写真であって、図９（ａ）が比較例１、図９（ｂ）が実施例１、図９（ｃ）が実施例５の製造方法による混練物の図面代用写真である。 図１０は、比較例１の、スライバに樹脂フィルムを巻き付けたストランドの図面代用写真である。

（不連続炭素繊維の不織布）
本発明の炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法で用いる不連続炭素繊維の不織布は、数ｍｍから約１００ｍｍまでの任意の長さの炭素繊維を原料として、通常の不織布製造方法と同様の工程によって製造することができる。不織布の製造方法には、大きく分けて湿式法と乾式法があるが、炭素繊維の不織布はいずれの方法でも製造することができる。特に湿式法は、原料を水に分散させる工程と、すきあげの工程と、乾燥工程とを備えており、厚さムラが小さいので、本発明の不連続炭素繊維の不織布の製造に適している。完成した不連続炭素繊維の不織布は、たとえば図５（ａ）の図面代用写真に示すように、ロール状に巻いた状態で供給することができる。

（溶融混練機の態様）
図１及び図３に、本発明の炭素繊維強化複合材料成形体の製造に用いることのできる、溶融混練機１の態様を示す。溶融混練機１の内部には、排出口６を備えたシリンダ４が設けられている。シリンダ４の中には、らせん状の回転翼を備えたスクリュー５が、回転自在に収容されている。スクリュー５が１本のものが一軸の溶融混練機であり、スクリューが２本のものが二軸の溶融混練機である。シリンダ４の上流側には、原料の供給口となるホッパー２が開口している。また、ホッパー２よりも排出口６に近い上側壁面に、ベント３が開口している。ベント３は、気体の排出と共に、原材料の投入を行うことができる。図２に示した溶融混練機１’には、ベントが設けられていない。

（炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法の第一の態様）
溶融混練機１を用いた、炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法の第一の態様について説明する。炭素繊維強化複合材料の製造方法は、不連続炭素繊維からなる不織布１０を帯状に切断して、連続した帯状の不織布１１に加工する第一工程と、帯状の不織布１１と熱可塑性樹脂１３とを溶融混練機１に導入して溶融する第二工程と、溶融した複合材料を、射出成形機により射出するか、又はプレス機によりプレスすることによって成形する第三工程と、を備えている。

第一工程では、不織布を、溶融混練機１に供給可能な形状に加工する。不連続炭素繊維からなる不織布１０は、通常、図５（ａ）に示すように、ロール状に巻いた長尺物として供給される。不織布１０を、所定の幅に切断することで、連続した帯状の不織布１１が得られる。帯状の不織布１１の図面代用写真を図４に示す。

第二工程では、図１に示すように、原料の投入を行う。溶融混練機１のホッパー２からは、熱可塑性樹脂からなる樹脂ペレット１３を投入する。樹脂ペレット１３は、シリンダ４内で加熱溶融されつつ、スクリュー５の回転翼の回転によって排出口６側に押し出される。一方、原料供給ローラ７を経由して供給される帯状の不織布１１は、ベント３からシリンダ４内に投入することができる。溶融した樹脂と帯状の不織布１１は、シリンダ内で均一に混合されて複合材料となった後、排出口６から排出される。第二工程では、不織布１１とペレット１３の供給量の割合は、炭素繊維含有率（Ｖｆ）が２０〜４０ｖｏｌ％となるように制御することが好ましい。

第三工程では、第二工程で溶融した複合材料を、射出成形機により射出するか、又はプレス機によりプレスすることによって任意の形状に成形する。

（炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法の第二の態様）
溶融混練機１を用いた、炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法の第二の態様について説明する。この炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法においては、不連続炭素繊維からなる不織布に、熱可塑性樹脂を被覆、積層、または付着させた複合材料を、帯状に加工する材料加工工程と、帯状の複合材料を溶融混練機に導入して溶融する溶融混練工程と、射出成形機により射出、又はプレス機によりプレスする成形工程とを備えている。

材料加工工程について、図５を参照しつつ説明する。図５（ａ）に示すように、不連続炭素繊維からなる不織布１０が、ロール状に巻いた長尺物として供給される。図５（ｂ）に示すように、不織布１０を、溶融混練機１に供給可能な任意の幅に切断することで、連続した帯状の不織布１１が得られる。図５（ｃ）に示すように、帯状の不織布１１に、任意の熱可塑性樹脂のフィルム１２を巻き付けるか積層することで、帯状の不織布１１を被覆して、複合材料２１を得ることができる。図５（ｄ）に、複合材料２１の図面代用写真を示す。材料加工時には、炭素繊維含有率（Ｖｆ）が２０〜４０ｖｏｌ％となるように、被覆する樹脂フィルムの量（厚み、幅、重なりのいずれか）を調整することが好ましい。

図３に示すように、溶融混練工程では、複合材料２１を溶融混練機１のベント３から導入することで、複合材料を充分均一に溶融させて混練して、排出口６から排出することができる。

溶融した複合材料は、成形工程において、射出成形機により射出、又はプレス機によりプレスすることで、所望の形状に成形することができる。

（成形体の原料となる複合材料）
本発明は、炭素繊維強化複合材料成形体の原料となる複合材料を提供する。複合材料は、不連続炭素繊維からなる不織布に、熱可塑性樹脂を被覆、積層、または付着させた複合材料である。複合材料は、例えば、図５（ｃ）に示したように、帯状の不織布１１の表面を、フィルム状の熱可塑性樹脂１２を巻き付けることによって被覆したものであってもよい。また、帯状の不織布１１にフィルム状の熱可塑性樹脂１２を積層し、部分的に熱可塑性樹脂を溶融して帯状の不織布１１と熱可塑性樹脂１２と結着したものであっても良い。さらにまた、帯状の不織布１１に、「パウダーインプレグメンテーション」により粉末状の樹脂を静電塗装や接着剤で付着させたものであっても良い。

本発明を、リサイクル炭素繊維と熱可塑性の樹脂を使用した炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＴＰ）の製造方法として具現化した実施例を示し、本発明の製造方法によって得られたＣＦＲＴＰの物性を評価した結果を以下に説明する。以下に示す製造方法と特性値は例示であって、特許請求の範囲を限定することを意図したものではない。

（実施例１）
本実施例では、帯状の不織布１１と熱可塑性樹脂のペレット１３とを溶融混練したのち、成形して炭素繊維強化プラスチックを製造している。

第一工程として、ワメンテクノ（株）製の炭素繊維の不織布ロール１０を、１０ｍｍ幅に切断し、帯状の不織布１１を得た。不織布ロール１０は、平均長数十ｍｍ、繊維径φ６μｍのリサイクル炭素繊維を湿式法で加工して得られており、幅９００ｍｍ、長さ１，８００ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの炭素繊維の不織布ロールである。この帯状の不織布１１を、以下においては、「不織布ストリップ」または単に「ストリップ」とも称する。

さらに、熱可塑性樹脂であるポリプロピレン（ＰＰ）のペレット１３（住友化学（株）ノーブレンＺ１４４）を用意した。

本実施例では、帯状の前記不織布と熱可塑性樹脂とを溶融する第二工程の溶融混練機１に、同方向回転二軸押出機（ＫＺＷ１５−３０ＴＧＮ、（株）テクノベル製）を用いた。二軸の溶融混練機１は、スクリュー径Ｄ＝１５ｍｍ、ホッパー２から排出口６までの距離が４５０ｍｍ（Ｌ／Ｄ＝３０）、ベント３から排出口６までの距離が１８０ｍｍ（Ｌ／Ｄ＝１２）となっている。スクリューの回転数は５０ｒｐｍで一定とした。加熱温度は１８３℃とした。

図１に示すように、溶融混練機１のホッパー２からポリプロピレンのペレット１３を供給し、ベント３から帯状の不織布１１を供給した。不織布１１とペレット１３の供給量の割合は、炭素繊維含有率（Ｖｆ）が２７ｖｏｌ％となるように制御した。

溶融混練機１で混練した溶融混練物を排出口６から取り出した。さらに溶融混練物を熱プレス加工により１２０×２０×１．５ｍｍの板材に成形した。熱プレス加工では、型を２００℃に加熱した後、押出材を設置し１０分予熱した。その後、３ＭＰａで加圧してさらに１０分保持して、板材を成形した。得られた炭素繊維強化プラスチックの物性を評価した。

（実施例２）
本実施例では、実施例１と同一の帯状の不織布と、ベントが開口していない溶融混練機１’を用いた。二軸の溶融混練機１のホッパー２から同時に不織布１１とペレット１３を供給した。不織布１１とペレット１３の供給量は、炭素繊維含有率（Ｖｆ）が２７ｖｏｌ％となるように制御した。

（実施例３）
本実施例では、実施例１の帯状の不織布１１とポリプロピレンのペレット１３を原料として、一軸の溶融混練機１により混練を行い、さらに成形加工を行った。不織布は溶融混練機１のベント３から、樹脂ペレットはホッパー２から供給した。不織布１１とペレット１３の供給量は、炭素繊維含有率（Ｖｆ）が２７ｖｏｌ％となるように制御した。一軸の溶融混練機１として一軸押出機（ラボブラストミル、（株）東洋精機製作所製）を用いた。溶融混練機１は、スクリュー径Ｄ＝２０ｍｍ、ホッパー２から排出口６までの距離が５００ｍｍ（Ｌ／Ｄ＝２５）、ベント３から排出口６までの距離が２００ｍｍ（Ｌ／Ｄ＝１０）となっている。スクリューの回転数は５０ｒｐｍで一定とした。加熱温度は１８３℃とした。

（実施例４）
本実施例では、実施例１の帯状の不織布１１とポリプロピレンのペレット１３を原料として、実施例３と同じ一軸の溶融混練機１により混練を行い、さらに成形加工を行った。不織布１１とポリプロピレンのペレット１３は、溶融混練機１のホッパー２から同時に供給した。不織布１１とペレット１３の供給量は、炭素繊維含有率（Ｖｆ）が２７ｖｏｌ％となるように制御した。スクリューの回転数は５０ｒｐｍで一定とした。加熱温度は１８３℃とした。

（実施例５）
本実施例では、材料加工工程によって帯状の不織布１１に樹脂フィルム１２を一体化した、帯状の加工物である複合材料２１を得ている。さらに複合材料２１を溶融混練し、熱プレス法で成形することにより、炭素繊維強化プラスチックを得ている。

材料加工工程では、実施例１と同様の方法より、帯状の不織布１１を得た。次に、熱可塑性樹脂であるポリプロピレン（ＰＰ）製の厚さ４０μｍのフィルムを帯状の不織布に巻き付けて被覆した。炭素繊維含有率（Ｖｆ）が２７ｖｏｌ％となるように、樹脂フィルムの量を調整した。熱溶着機または半田鏝で部分的に樹脂フィルムを溶着することで、帯状の不織布１１と樹脂フィルム１２を一体化して、複合材料２１を得た。以下においては、この複合材料２１を「不織布／ＰＰフィルム 積層体」とも称する。

本実施例では、実施例３と同一の一軸の溶融混練機１を用いた。そして、図３に示すように、溶融混練機１のベント３から、複合材料２１を供給した。溶融混練機１で混練し、排出口６から溶融混練物を取り出した。さらに、実施例１と同様の条件で、溶融混練物を熱プレス加工して２００×２０×１．５ｍｍの板材に成形し、得られた炭素繊維強化プラスチックの物性を評価した。

（比較例１）
比較例１の炭素繊維強化プラスチックは、特許文献４に記載の不連続炭素繊維スライバを原料とした炭素繊維ストランドを用いて製造されている。比較例１の炭素繊維スライバは、長さ２００ｍｍ、繊維径φ６μｍのＰＡＮ系炭素繊維と、５．６ｄｔｅｘ×７６ｍｍのポリプロピレン綿材（ダイワボウポリテック（株）製）とを混合して一方向に梳くようにして延伸したものである。比較例１の炭素繊維ストランドは、スライバに軽く撚りをかけた後、ポリプロピレンフィルムを巻き付けて加圧し、減容した状態で熱により仮止めし、直径約６ｍｍの紐状の炭素繊維ストランド３１としたものである。このときの炭素繊維の体積含有率は２７ｖｏｌ％である。比較例１の炭素繊維スライバを原料とした炭素繊維ストランド３１の図面代用写真を、図１０に示す。

比較例１では、実施例１と同じ二軸の溶融混練機１を用い、ベント３から炭素繊維ストランド３１を供給した。そして溶融混練機１で混錬した溶融混練物を、実施例１と同じ条件で熱プレス加工して炭素繊維強化プラスチックを得た。スクリューの回転数は５０ｒｐｍ、加熱温度は１８３℃とした。

（比較例２）
比較例２では、ＰＰに炭素繊維を３０ｗｔ％含有させた市販の長繊維ペレット（トレカペレットＴＬＰ８１６９、東レ（株）製）を用いた。ペレット中の炭素繊維の長さは、約７ｍｍである。この長繊維ペレットを、実施例５と同一の一軸の溶融混練機１を用い、実施例５と同様に、ベント３から投入して溶融混練を行い、成形した。スクリューの回転数は５０ｒｐｍで一定とした。加熱温度は１８３℃とした。

以下に、実施例１〜５、及び比較例１、２の製造方法で得られた溶融混練物と、炭素繊維強化プラスチックの特性について、特性を比較評価した結果を示す。

（溶融混練物中の炭素繊維長）
溶融混練物をガスバーナーで燃やし、残った繊維束をエタノール中で単繊維に分散させたものを、顕微鏡観察することにより、混練後の繊維長を測定した。倍率２．５倍の対物レンズを用いて撮影した写真を複数枚合成し、繊維全体が観察可能とした後、画像処理ソフト（ｉｍａｇｅＪ）により繊維長を評価した。繊維長評価は、ランダムに選んだ３０本の繊維で行った。

図６に、実施例１，２の製造方法による溶融混練物中の繊維長の測定結果と、比較例１，２の製造方法による溶融混練物中の繊維長の測定結果とを示す。図中、「不織布」と記載した実線の測定結果が実施例１，２の製造方法の溶融混練物である。比較例１の溶融混練物の繊維長は「スライバ」と記載した破線で示し、比較例２の溶融混練物の繊維長は「長繊維ペレット」と記載した破線で示している。

実施例１および２の製造方法では、不織布１０を幅１０ｍｍに切断しているため、２００ｍｍの炭素繊維を出発材料に用いた比較例１の溶融混練物よりも繊維長が短くなっているが、比較例１の平均繊維長約９ｍｍに対し、ベントから不織布を供給した実施例１で平均長約５．２ｍｍ、ホッパーから供給した実施例２で平均長約３．７ｍｍの繊維が残存することが確認できた。また、長い残存繊維長を残すために通常用いられている長繊維ペレットを用いた比較例２の残存繊維の平均長さ約３ｍｍよりも長い繊維を残存できることが確認できた。繊維径により異なるが、一般に炭素繊維の長さが１ｍｍまでは引張弾性率が向上し、１０ｍｍまで引張強度が向上するとされていることから、本発明による複合材料成形体では、引張特性の向上に寄与可能な繊維長を残存させることが可能である。また、実施例１と２の比較で、混練距離の短いベントからの供給の方が長い繊維長を残存していることから、混練距離を短くすることや不織布１０の切断幅を広く変更することにより、より長い繊維長を確保することが可能となると考えられる。

（炭素繊維強化プラスチックの力学特性）
実施例１〜５の製造方法で製造した炭素繊維強化プラスチックの板材から、プレス方向を考慮して幅１０ｍｍ、長さ１００ｍｍの短冊状の試験片を切り出して、引張試験により力学特性を評価した。引張試験は、万能試験機（５９５８型 インストロン社）を用い、チャック間距離８０ｍｍ、引張速度１ｍｍ／ｍｉｎで行った。弾性率は、ゲージ長５０ｍｍの接触式変位計（２６３９−１１１型 インストロン社）を用いて測定した変位から求めた。また、比較例１、２及びポリプロピレン単体の板材について、同様の試験方法で引張試験を行った。

図７に実施例１，２と比較例１のそれぞれの製造方法で製造した炭素繊維強化プラスチックの試験片と、ポリプロピレン単体の板材について、引張試験を行った結果を示す。図中の丸印で示した値が引っ張り強度（ＭＰａ）を示し、棒グラフの値が引張弾性率（ＧＰａ）を示している。「ＰＰ」と記載した試験結果が、ポリプロピレン単体の板材である。

図８に実施例３，４，５と比較例２のそれぞれの製造方法で製造した炭素繊維強化プラスチックの試験片について、引張試験を行った結果を示す。図中菱形で示した値が引っ張り強度（ＭＰａ）を示し、棒グラフの値が引張弾性率（ＧＰａ）を示している。

図７に示すように、実施例１の試験片については、比較例１のスライバを用いた試験片と同等の引張強度とやや大きい引張弾性率を示す。混練距離が長くなる実施例２の試験片でも、比較例１と近い引張特性が得られている。

図８に示すように、実施例３、４については、二軸の溶融混練機を用いた実施例１，２と比べて、実施例１の引張弾性率を除き、ほぼ同じ引張強度、引張弾性率が得られている。一軸の溶融混練機は二軸の溶融混練機に比べ、発生せん断力が小さいが、本発明によれば二軸の混練とほぼ同じ効果が得られることが確認された。

図８に示すように、樹脂と繊維との複合材料を供給する実施例５は、樹脂と繊維を別々に供給する実施例３に比べ、引張弾性率が低下するものの引張強度は向上する。また、市販の長繊維ペレットを用いた比較例２と比較すると、同等の引張弾性率が得られていることが確認された。本実施例ではＰＰ樹脂のマレイン酸処理や炭素繊維の界面処理を行っていないため、処理を施した市販の長繊維ペレットと比較すると低めの引張強度を示す。ＰＰ樹脂のマレイン酸変性や界面処理を行うことで、強度を向上させることが可能である。

図９に、実施例１、５および比較例１のそれぞれの製造方法で得られた溶融混練物の押出し方向垂直断面を光学顕微鏡により撮影した図面代用写真を示す。図９より、いずれの溶融混練物も、炭素繊維が樹脂内にほぼ均一に分散していることが確認できる。より子細に見ると、あらかじめ樹脂と炭素繊維を複合材料として供給する実施例５は、別々に供給する実施例１よりもより均一に分散しており、比較例１のスライバとほぼ同等の分散状態であることが確認できる。

実施例１から実施例５の製造方法により製造した炭素繊維強化複合材料成形体は、全て混繊スライバを用いた複合材料と同等以上の力学特性を有する。また、ＰＰの変性や界面改質を行えば引張強度の向上は可能であることから、実施例で示した成形体は、不連続繊維を用いて最も高い力学特性を達成できるとされている長繊維ペレットと同等以上の力学特性を実現できる。したがって、本発明によって炭素繊維のリサイクルという点で新たな事業分野の創生が可能となった。

以上、実施例に基づいて、本発明の炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法と複合材料について説明したが、本発明の特許請求の範囲には、実施例および実施の態様を様々に変形または応用した製造方法と複合材料が含まれる。例えば、熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン以外に、ポリアミドを用いても良い。炭素繊維強化複合材料を成形する方法として、熱プレスではなく、射出成形機による射出を行ってもよい。

本発明の複合材料およびそれを用いた製造方法を使用して得られる成形体としては、従来の炭素繊維を適用した製品全般に使用することができる。例えば、ゴルフクラブのシャフトや釣り竿、自動車や飛行機の構造材、建築資材、橋梁の耐震補強などに使用することができる。

１、１’ 溶融混練機
２ ホッパー
３ ベント
４ シリンダ
５ スクリュー
６ 排出口
１０ 不連続繊維不織布
１１ 帯状の不織布
１２ 樹脂フィルム
１３ 樹脂ペレット
２１ 帯状の複合材料
３１ 不連続炭素繊維スライバを原料としたストランド

Claims (3)

1. 不連続炭素繊維からなる不織布を帯状に加工する工程と、
   帯状の前記不織布と熱可塑性樹脂とを溶融混練機に導入して溶融する工程と、
   射出成形機により射出、又はプレス機によりプレスする成形工程と、
   を備える、炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法。
2. 不連続炭素繊維からなる不織布に、熱可塑性樹脂を被覆、積層、または付着させた複合材料。
3. 請求項２記載の複合材料を、帯状に加工する工程と、
   帯状の前記複合材料を溶融混練機に導入して溶融する工程と、
   射出成形機により射出、又はプレス機によりプレスする成形工程と、
   を備える、炭素繊維強化複合材料成形体の製造方法。

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