JP2023098385A - 炭素繊維強化弾性高分子複合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、炭素繊維と弾性高分子化合物を複合した炭素繊維強化弾性高分子複合材料において、炭素繊維が複合材料の内部に均一に存在する炭素繊維強化弾性高分子複合材料を得ることを課題としている。【解決手段】炭素繊維と弾性高分子化合物が複合した炭素繊維強化弾性高分子複合材料において、炭素繊維不織布と炭素繊維不織布に浸透している弾性高分子化合物とを含有し、炭素繊維の配合比率が、炭素繊維不織布に含まれる全繊維に対して２０質量％以上であり、炭素繊維不織布は、１０本以上の炭素繊維で構成される結束を５個／ｃｍ２以上有し、結束を構成する炭素繊維の平均繊維本数が５００本／結束以下であり、炭素繊維不織布全体の質量に対して、弾性高分子化合物の配合比率が１００～８００質量％であることを特徴とする炭素繊維強化弾性高分子複合材料。【選択図】なし

Description

本発明は、炭素繊維強化弾性高分子複合材料に関する。

炭素繊維は鉄よりも軽量であり、強度が強いという優れた力学特性を有している。そのため、炭素繊維と他の材料を複合した炭素繊維複合材料は、航空機、自動車、テニスラケット、釣り竿、風力発電の羽根などの幅広い分野で使用されており、今後も用途が拡大すると予想される。

炭素繊維としては、現在主に、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を炭素化、黒鉛化することで得られるＰＡＮ系炭素繊維と、タールピッチ液化石炭を溶融紡糸してから炭素化、黒鉛化することで得られるピッチ系炭素繊維とが使用されている。こうして生産された炭素繊維と他の材料を複合した炭素繊維複合材料としては、炭素繊維織物、一方向炭素繊維などに、未硬化樹脂を含浸させた炭素繊維プリプレグと呼ばれる材料を、目標とする成形物の型に合うように裁断した後に樹脂を硬化することで得られる、炭素繊維強化プラスチック（以下、「炭素繊維強化プラスチック」を「ＣＦＲＰ」と略記する場合がある）が一般的であるが、それ以外の炭素繊維複合材料も日夜研究がなされている。

ＣＦＲＰ以外の炭素繊維複合材料としては、例えば、特許文献１には、加熱処理され、接着剤が含浸した炭素繊維織布と弾性高分子化合物とが接合されている複合素材が開示されている。また、炭素繊維織布を加熱処理する工程、前記加熱処理した炭素繊維織布をイソシアネート化合物及びエチレングリコール化合物を含む接着液に浸漬させる工程、前記接着液に浸漬させた炭素繊維織布を乾燥処理する工程、及び前記乾燥処理した炭素繊維織布と弾性高分子化合物とをプレス成型して架橋成型する工程からなる複合素材の製造方法が開示されていて、炭素繊維織布としてサイジング処理した炭素繊維織物が用いられている。そして、特許文献１には、サイジング剤の化合物が接着剤と弾性高分子化合物間のバインダーとして強固に共有結合し、炭素繊維織布の強靭性と弾性高分子化合物の柔軟性を併せ持つとともに、弾性高分子化合物の柔軟性が外力に対する衝撃を受け止め、炭素繊維織布がそれを支えるため、衝撃吸収性が高いという効果が得られることが開示されている。

また、特許文献２には、ゴムラテックスを含む樹脂組成物が付着した炭素繊維束に撚りをかけた下撚りコードが１本以上撚り合わされたゴム補強用炭素繊維コードであって、かつ、該ゴム補強用炭素繊維コードの最外層がレゾルシノール－ホルムアルデヒド樹脂とゴムラテックスの混合物から構成され、かつ、該ゴム補強用炭素繊維コードの横断面の断面扁平度が１～１．２であり、かつガーレー曲げ硬さが１０００～５０００ｍｇであることを特徴とするゴム補強用炭素繊維コードが開示されている。また、無撚りの炭素繊維束に５～５０ｍｇ／ｄの張力下でゴムラテックスを含む樹脂組成物（弾性高分子化合物）を含浸させた後熱処理する工程Ａ、樹脂組成物を含浸した炭素繊維束に２０～１００回／ｍの片撚りを施す工程Ｂ、撚り合わされた炭素繊維束にレゾルシノール－ホルムアルデヒド樹脂とゴムラテックスの混合物を付着させて０．１～０．８ｇ／ｄＴｅｘの張力下で熱処理を行う工程Ｃを含むゴム補強用炭素繊維コードの製造方法が開示されている。

しかし、これらいずれの方法も、炭素繊維と弾性高分子化合物は複合材料内で均一に混合されておらず、炭素繊維が複合材料の内部で局在化している懸念がある。炭素繊維複合材料は、炭素繊維複合材料内に炭素繊維が均一に存在しなければ、炭素繊維による強度向上の効果を均一に発揮することができず、炭素繊維が少ない箇所から破壊される場合があった。

また、特許文献３には、ガスケット本体と導電性の不織布又は織布とを一体化したガスケットであって、導電性の不織布又は織布部分を避けてシール部を形成せしめてなる電磁波シールド用ガスケットが開示されている。また、ガスケット成形材料（ゴム）を導電性の不織布（炭素繊維不織布）又は織布に含浸させることによりゴム製ガスケット本体と不織布又は織布と一体化させることが開示されている。

特許文献４には、導電性不織布又は織布（炭素繊維製）にビード部を形成させ、ビード部形成導電性不織布又は織布に高分子材料（液状ゴム）を含浸せしめてなる電磁波シールド用ガスケットが開示されている。

しかし、特許文献３及び４でも、炭素繊維不織布にゴム（弾性高分子化合物）を均一に混合する方法については、何ら開示されていない。

特開２０１９－１８１７１７号公報 特開２００６－１８３２０３号公報 国際公開第２００６／０６４６４２号パンフレット 特開２００９－３０２１３０号公報

本発明は、炭素繊維と弾性高分子化合物を複合した炭素繊維強化弾性高分子複合材料において、炭素繊維が複合材料の内部に均一に存在する炭素繊維強化弾性高分子複合材料を得ることを課題としている。

この課題を解決するため研究を行い、下記手段が見出された。

＜１＞炭素繊維と弾性高分子化合物が複合した炭素繊維強化弾性高分子複合材料において、炭素繊維不織布と炭素繊維不織布に浸透している弾性高分子化合物とを含有し、炭素繊維の配合比率が、炭素繊維不織布に含まれる全繊維に対して２０質量％以上であり、炭素繊維不織布は、１０本以上の炭素繊維で構成される結束を５個／ｃｍ^２以上有し、該結束を構成する炭素繊維の平均繊維本数が５００本／結束以下であり、炭素繊維不織布全体の質量に対して、弾性高分子化合物の配合比率が１００～８００質量％であることを特徴とする炭素繊維強化弾性高分子複合材料。
＜２＞上記＜１＞において、炭素繊維不織布がセルロース繊維を含有し、セルロース繊維の配合比率が、炭素繊維不織布の全繊維に対して１～５０質量％である炭素繊維強化弾性高分子複合材料。

本発明によれば、炭素繊維と弾性高分子化合物を複合した炭素繊維強化弾性高分子複合材料において、炭素繊維が複合材料の内部に均一に存在する炭素繊維強化弾性高分子複合材料を得ることができる。

すなわち、炭素繊維と弾性高分子化合物が複合した炭素繊維強化弾性高分子複合材料において、炭素繊維不織布と炭素繊維不織布に浸透している弾性高分子化合物とを含有し、炭素繊維の配合比率が、炭素繊維不織布に含まれる全繊維に対して２０質量％以上であり、炭素繊維不織布は、１０本以上の炭素繊維で構成される結束を５個／ｃｍ^２以上有し、結束を構成する炭素繊維の平均繊維本数が５００本／結束以下であり、炭素繊維不織布全体の質量に対して、弾性高分子化合物の配合比率が１００～８００質量％であることを特徴とする炭素繊維強化弾性高分子複合材料であれば、炭素繊維が複合材料内部に均一に分布され、均一な品質の複合材料が得られることを見出した。

炭素繊維織布、一方向炭素繊維などのシートの場合、炭素繊維間に空隙が少ないため、弾性高分子化合物が炭素繊維間に入らず、炭素繊維による強化の効果が十分に発揮されない場合がある。また、炭素繊維織布や一方向炭素繊維の表面が平滑であるため、炭素繊維と弾性高分子化合物の界面で剥離が発生することで、十分な強度が得られない場合がある。一方、弾性高分子化合物にチョップド炭素繊維を混合して複合材料を得ようとした場合、炭素繊維は弾性高分子化合物内で凝集することで炭素繊維が局在化して、炭素繊維複合材料内に強度の差が発生する場合がある。また、弾性高分子化合物の量に対して十分な量の炭素繊維を配合することができず、十分な強度を発揮できない場合がある。本発明では、炭素繊維不織布全体の質量に対する弾性高分子化合物の配合比率が１００～８００質量％であることによって、炭素繊維強化弾性高分子複合材料の物性及び特性を、均一な目標品質に合わせることができ、炭素繊維の高強度・高弾性率・軽量といった特徴を十分に発揮することができる。また、炭素繊維不織布に炭素繊維の結束があることによって、炭素繊維不織布が適度に高密度になり、炭素繊維強化弾性高分子複合材料内の炭素繊維も適度な密度で存在するため、炭素繊維強化弾性高分子複合材料の強度を十分に高めることができる。

本発明は、炭素繊維が内部に均一に分布され、高強度で、均一性に優れた炭素繊維強化弾性高分子複合材料を得るための発明である。

本発明において、炭素繊維の配合比率は、炭素繊維不織布に含まれる全繊維に対して２０質量％以上であり、２５質量％以上であることがより好ましく、３０質量％以上であることが更に好ましく、１００質量％であっても何ら問題はない。ただし、炭素繊維の配合比率が１００質量％である場合、炭素繊維にはバインダー能力がないことから、繊維同士をよく絡ませることができる方式で抄紙を行う必要がある。炭素繊維の配合比率が２０質量％未満である場合、炭素繊維の強度を上げる効果が十分に発揮できない。

本発明において、炭素繊維不織布全体の質量に対する弾性高分子化合物の配合比率は１００～８００質量％であり、より好ましくは１２０～７５０質量％であり、更に好ましくは１５０～７００質量％である。弾性高分子化合物の配合比率が１００質量％未満である場合、弾性高分子化合物が少ないことから、炭素繊維強化弾性高分子複合材料として十分な性能を発揮できない。弾性高分子化合物の配合比率が８００質量％超である場合は、炭素繊維が炭素繊維強化弾性高分子複合体に均一に分布されず、弾性高分子化合物を補強する効果が十分に発揮できない。

炭素繊維としては、ポリアクリロニトリルを炭素化、黒鉛化することで得られるＰＡＮ系炭素繊維、タールピッチ液化石炭を溶融紡糸してから炭素化、黒鉛化することで得られるピッチ系炭素繊維など、どのような製法で製造された炭素繊維でも使用することができる。また、新品未使用の炭素繊維でも良いし、廃棄された炭素繊維をリサイクル処理して得られた炭素繊維でも良い。炭素繊維を得るのに必要なコストを考慮すると、ＰＡＮ系炭素繊維であることが好ましく、リサイクル処理して得られた炭素繊維がより好ましい。

本発明において、炭素繊維不織布の坪量は４０ｇ／ｍ^２以上５００ｇ／ｍ^２未満であることが好ましく、５０ｇ／ｍ^２以上４５０ｇ／ｍ^２未満であることがより好ましく、６０ｇ／ｍ^２以上４００ｇ／ｍ^２未満であることが更に好ましい。炭素繊維不織布の坪量が４０ｇ／ｍ^２未満である場合、炭素繊維強化弾性高分子複合材料の加工が難しくなる場合がある。炭素繊維不織布の坪量が５００ｇ／ｍ^２以上である場合、炭素繊維不織布を製造することが難しくなる場合がある。

本発明において、炭素繊維は短くカットされた炭素繊維（炭素短繊維）であることが好ましい。炭素繊維が長繊維である場合、炭素繊維不織布を製造することが難しい場合がある。炭素繊維の平均繊維長は、５０ｍｍ未満であることが好ましく、４５ｍｍ未満であることがより好ましく、４０ｍｍ未満であることが更に好ましい。炭素繊維の平均繊維長が５０ｍｍ以上である場合、炭素繊維同士が複雑に絡まるため、炭素繊維が均一に分散せず、炭素繊維不織布を製造することが難しい場合がある。また、炭素繊維の平均繊維長は０．１ｍｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上であることがより好ましい。炭素繊維の平均繊維長が０．１ｍｍ未満の場合は、炭素繊維が短いため、炭素繊維不織布の強度が十分に発揮されず、また、炭素繊維不織布から炭素繊維が脱落する場合がある。

ここで、炭素繊維の平均繊維長は以下の方法により求められる。まず、炭素繊維をランダムに２０本採取し、その繊維長を測定する。その後以下の計算方法で炭素繊維の平均繊維長を求める。

平均繊維長＝｛（炭素繊維１の繊維長（ｍｍ））＋（炭素繊維２の繊維長（ｍｍ））＋（炭素繊維３の繊維長（ｍｍ））＋…＋（炭素繊維２０の繊維長（ｍｍ））｝／２０

結束を構成する炭素繊維の平均繊維本数は、５００本／結束以下であり、３００本／結束以下であることがより好ましい。該平均繊維本数は、「１０本以上の炭素繊維で構成される結束」を対象としているので、該平均繊維本数の好ましい下限値は１０本／結束である。結束を構成する炭素繊維の平均繊維本数が５００本／結束超である場合、結束内部まで弾性高分子化合物が浸透せず、結束内部の強度が非常に弱くなることから、炭素繊維強化弾性高分子複合材料に欠点が生じる。

本発明において、炭素繊維不織布が有する１０本以上の炭素繊維で構成される結束の数は、５個／ｃｍ^２以上であり、１０個／ｃｍ^２以上であることがより好ましい。１０本以上の炭素繊維で構成される結束が５個／ｃｍ^２よりも少ない場合、炭素繊維不織布の密度が低くなり過ぎ、弾性高分子化合物を均一に浸透させることが難しくなる場合がある。

結束を構成する炭素繊維の平均繊維本数を目視で測定することは極めて困難であることから、本発明では、以下の方法で結束を構成する炭素繊維の平均繊維本数を求める。

まず、炭素繊維を電子顕微鏡（ＳＥＭ）撮影して、繊維一本あたりの断面積を測定する。次に、１０本以上の炭素繊維で構成される結束を１００個ランダムに炭素繊維湿式不織布から採取し、１００個の結束の合計質量を測定する。その後、以下の計算方法で、結束１００個の炭素繊維本数の合計を求め、その平均値を求めることで、結束を構成する炭素繊維の平均繊維本数［単位：本／結束］を算出する。

（炭素繊維の断面積）×（炭素繊維の平均繊維長）×（炭素繊維密度）＝（炭素繊維の一本あたりの質量）

（結束１００個の質量の合計）÷（炭素繊維の一本あたりの質量）＝（結束１００個の炭素繊維本数の合計）

（結束１００個の炭素繊維本数の合計）÷１００＝（結束を構成する炭素繊維の平均繊維本数）

本発明の炭素繊維不織布は、炭素繊維を抄紙機でシート化する抄紙法によって得られる不織布であることが好ましい。

抄紙法としては、繊維を空気中に分散させてネットに捕捉してウェブを形成する乾式抄紙法、繊維を水中に分散させてネットに捕捉してウェブを形成する湿式抄紙法のいずれも使用することができる。

乾式抄紙法の種類は特に限定しておらず、例えば、繊維を空気流にて分散シート化するエアレイド法や、繊維を機械的に櫛削りながら形状を整えシート化するカーディング法などの乾式プロセスを使用することができる。繊維の結合方法としては、接着剤で結合するケミカルボンド方式、自己溶融繊維で結合するサーマルボンド方式、特殊針でニードリングして結合するニードルパンチ方式、高圧水流で繊維同士を絡ませて結合するウォーターパンチ方式、ウェブを縫合して結合するステッチボンド方式などの方式を使用することができる。

湿式抄紙法の種類は特に限定しておらず、例えば、抄紙方式としては、長網式、円網式、傾斜ワイヤー式を用いることができる。これらの抄紙方式を単独で有する抄紙機を使用しても良いし、同種又は異種の２機以上の抄紙方式がオンラインで設置されているコンビネーション抄紙機を使用しても良い。均一性に優れた炭素不織布を製造するには、長網式、傾斜ワイヤー式のように、緩やかに、ワイヤー上のスラリーから脱水することができる抄紙方式を使用することが好ましい。本発明において、不織布は、単層であっても良いし、複層であっても良い。

湿式抄紙法において、繊維を分散することを目的に、パルパーでの離解作業を行う。パルパーの種類は特に限定しておらず、縦型パルパーを使用しても良いし、横型パルパーを使用しても良いし、その他の形式のパルパーでも何ら問題はない。パルパーの離解能力も特に限定していないが、パルパーの離解能力が強すぎる場合、炭素繊維がパルパーによって砕かれ、ミルド状となり、炭素繊維強化弾性高分子複合材料の強度が低くなる場合がある。パルパーの離解能力が弱すぎる場合、炭素繊維が全く離解せずに、地合いが悪くなり、炭素繊維不織布が不均一になり、炭素繊維強化弾性高分子複合材料の強度も不均一になる場合がある。炭素繊維の離解の状態については、パルパーの離解能力、離解時間を調節することで、コントロールすることができる。

抄紙機で製造された湿紙を、ヤンキードライヤー、エアードライヤー、シリンダードライヤー、サクションドラム式ドライヤー、赤外方式ドライヤー等で乾燥することにより、炭素繊維不織布を得る。湿紙の乾燥の際に、ヤンキードライヤー等の熱ロールに密着させて熱圧乾燥させることによって、密着させた面の平滑性が向上する。熱圧乾燥とは、タッチロール等で熱ロールに湿紙を押しつけて乾燥させることを言う。熱ロールの表面温度は、１００～１８０℃が好ましく、１００～１６０℃がより好ましく、１１０～１６０℃が更に好ましい。圧力は、好ましくは５０～１０００Ｎ／ｃｍであり、より好ましくは１００～８００Ｎ／ｃｍである。

本発明において、炭素不織布には、性能を阻害しない範囲で、半合成繊維、合成繊維（バインダー繊維を除く）、バインダー繊維、無機繊維、セルロース繊維等を含有することもできる。

合成繊維（バインダー繊維を除く）としては、例えば、ポリオレフィン系、ポリアミド系、ポリアクリル系、ビニロン系、ポリ塩化ビニリデン系、ポリ塩化ビニル系、ポリエステル系、ベンゾエート系、ポリクラール系、フェノール系などの合成繊維を挙げることができる。また、無機繊維としては、ガラス繊維、岩石繊維、スラッグ繊維、金属繊維などの無機繊維が挙げられる。また、半合成繊維としては、アセテート、トリアセテート、プロミックス等が挙げられる。

合成繊維（バインダー繊維を除く）、バインダー繊維、無機繊維及び半合成繊維の繊維長は特に限定しないが、３ｍｍ以上３０ｍｍ未満であることが好ましい。これらの繊維の繊維長が長いほど、一本あたりの繊維同士の接触点が多くなり、繊維が脱落しにくくなる傾向があるため、これらの繊維の繊維長は３ｍｍ以上であることが好ましい。繊維長が長過ぎる場合は、抄紙性や炭素繊維不織布の地合いが悪化する場合があるため、３０ｍｍ未満であることが好ましい。繊維径についても特に限定しないが、１μｍ以上３０μｍ未満であることが好ましく、２μｍ以上２０μｍ未満であることが特に好ましい。繊維径が１μｍ未満の繊維を配合すると、炭素繊維不織布内が過剰に密な構造になることから、炭素繊維不織布への弾性高分子化合物の浸透が阻害され、炭素繊維強化弾性高分子複合材料の性能が下がる場合がある。繊維径が３０μｍ以上である場合は、合成繊維（バインダー繊維を除く）又は無機繊維が脱落しやすい場合がある。

セルロース繊維の種類としては、天然セルロース繊維、再生セルロース繊維等が挙げられる。天然セルロース繊維としては、針葉樹パルプ、広葉樹パルプなどの木材パルプ；藁パルプ、竹パルプ、リンターパルプ、ケナフパルプなどの木本類又は草本類のパルプが挙げられる。再生セルロース繊維としては、レーヨン、キュプラ、リヨセル等の再生セルロース繊維が挙げられる。これらのセルロース繊維は、フィブリル化（叩解）されていても何ら差し支えない。更に、古紙、損紙などから得られるパルプ繊維を使用してもよい。

上記セルロース繊維の中で、針葉樹パルプ、リンターパルプ及びリヨセルの群から選ばれる１種以上のセルロース繊維を使用することが好ましく、リヨセルを使用することがより好ましい。また、リヨセルはフィブリル化（叩解）されていることが好ましい。これらの好ましいセルロース繊維を使用することによって、繊維の脱落を抑制することができる。また、炭素繊維不織布を抄紙法で製造する場合の操業性が安定するという効果も得られる。

フィブリル化（叩解）セルロース繊維は、上記のセルロース繊維をフィブリル化することによって製造することができる。フィブリル化するための装置としては、ビーター、ＰＦＩミル、シングルディスクリファイナー（ＳＤＲ）、ダブルディスクリファイナー（ＤＤＲ）、また、顔料等の分散や粉砕に使用するボールミル、ダイノミル、ミキサー、摩砕装置、高速の回転刃により剪断力を与える回転刃式ホモジナイザー、高速で回転する円筒形の内刃と固定された外刃との間で剪断力を生じる二重円筒式の高速ホモジナイザー、超音波による衝撃で微細化する超音波破砕器、繊維懸濁液に少なくとも２０ＭＰａの圧力差を与えて小径のオリフィスを通過させて高速度とし、これを衝突させて急減速することにより繊維に剪断力、切断力を加える高圧ホモジナイザー等の装置が挙げられる。これらの装置を、単独又は組み合わせて用いることによって、フィブリル化セルロース繊維を製造することができる。そして、これらの装置の種類、処理条件（繊維濃度、温度、圧力、回転数、リファイナーの刃の形状、リファイナーのプレート間のギャップ、処理回数）等のフィブリル化条件の調整により、目的のフィブリル化状態を得ることができる。

セルロース繊維を配合する場合、その配合比率は、炭素繊維不織布に含まれる全繊維に対して、１質量％以上であることが好ましく、２質量％以上であることがより好ましい。また、５０質量％未満であることが好ましく、４０質量％未満であることがより好ましく、２０質量％以下であることがさらに好ましい。セルロース繊維の配合比率が１質量％未満である場合、セルロース繊維の量が少なく、セルロース繊維を配合したことによる効果が十分に得られない場合がある。セルロース繊維の配合比率が１質量％以上であると、繊維同士の接触点が増え、抄紙の際に紙切れがより起こり難くなり、より安定した生産が可能になる。セルロース繊維の配合比率が５０質量％以上である場合、弾性高分子化合物の浸透が阻害される場合がある。

本発明において、炭素繊維不織布に、バインダー繊維を含有させることができる。バインダー繊維としては、熱融着性のバインダー繊維、湿熱接着性のバインダー繊維などを挙げることができる。熱融着性のバインダー繊維としては、芯鞘繊維（コアシェルタイプ）、並列繊維（サイドバイサイドタイプ）、放射状分割繊維などの複合繊維；未延伸繊維；低融点合成樹脂単繊維などが挙げられる。熱融着性のバインダー繊維は、繊維全体又は繊維の一部のガラス転移温度又は溶融温度（融点）が低く、抄紙機の乾燥工程において、バインダー能力を発現する。複合繊維は、皮膜を形成しにくいので、炭素繊維不織布の空間を保持したまま、機械的強度を向上させることができる。より具体的には、複合繊維としては、ポリプロピレン（芯）とポリエチレン（鞘）の組み合わせ、ポリプロピレン（芯）とエチレンビニルアルコール（鞘）の組み合わせ、高融点ポリエステル（芯）と低融点ポリエステル（鞘）の組み合わせ、高融点ポリエステル（芯）とポリエチレン（鞘）の組み合わせ等が挙げられる。未延伸繊維としては、ポリエステル等の未延伸繊維が挙げられる。また、ポリエチレンやポリプロピレン等の低融点樹脂のみで構成される単繊維（全融タイプ）等の低融点合成樹脂単繊維や、ポリビニルアルコール系のような湿熱接着性のバインダー繊維は、乾燥工程で皮膜を形成しやすいが、本発明では、性能を阻害しない範囲で使用することができる。

本発明において、炭素繊維不織布が熱融着性のバインダー繊維を含有する場合、熱融着性のバインダー繊維の配合比率は、炭素繊維不織布に含まれる全繊維に対して、２０質量％未満であることが好ましく、１５質量％未満であることがより好ましく、１０質量％未満であることが更に好ましい。また、熱融着性のバインダー繊維は全く配合していなくても何ら問題はない。熱融着性のバインダー繊維が２０質量％以上である場合、熱融着性のバインダー繊維が被膜を形成することで弾性高分子化合物の浸透を阻害する場合がある。

本発明において、炭素繊維不織布が湿熱接着性バインダー繊維を含有する場合、炭素繊維不織布に含まれる全繊維に対して、湿熱接着性バインダー繊維の配合比率は１５質量％未満であることが好ましく、１２質量％未満であることがより好ましく、１０質量％未満であることが更に好ましい。湿熱接着性バインダー繊維の配合比率が１５質量％以上である場合、湿熱接着性バインダー繊維が皮膜化することによって、弾性高分子化合物の浸透を阻害する場合がある。湿式接着性バインダー繊維の配合比率の下限値は、特に限定させず、０（ゼロ）質量％でも何ら問題はないが、２質量％以上であることによって、湿潤状態でもある程度強度を発現するため、抄紙性が安定する傾向にある。

本発明において、湿式抄紙法を行う場合、繊維を均一に水中に分散させる目的や各種機能を付与する目的で、繊維を水中に分散する際に、各種アニオン性、ノニオン性、カチオン性、あるいは両性の分散剤、消泡剤、親水剤、濾水剤、紙力向上剤、粘剤、帯電防止剤、高分子粘剤、離型剤、抗菌剤、殺菌剤、ｐＨ調整剤、ピッチコントロール剤、スライムコントロール剤等の薬品を添加することもできる。

本発明の炭素繊維不織布には、必要に応じてサイズ剤を配合することができる。サイズ剤としては、本発明の所望の効果を損なわないものであれば、強化ロジンサイズ剤、ロジンエマルジョンサイズ剤、石油樹脂系サイズ剤、合成サイズ剤、中性ロジンサイズ剤、アルキルケテンダイマー（ＡＫＤ）などのサイズ剤の中からいずれをも用いることができる。

本発明において、弾性高分子化合物の種類は特に限定されず、目的とする性能によって弾性高分子化合物の材料を選択することができる。弾性高分子化合物としては、例えば、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、シリコーンゴム、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム、エチレン酢酸ビニルゴム、エピクロルヒドリンゴム、多硫化ゴム等などが挙げられる。これらの中から１種以上の弾性高分子化合物を用いることができ、用途によって自由に選択することができる。

本研究において、炭素繊維不織布に弾性高分子化合物を含有させる手段は特に限定されるものではないが、炭素不織布を弾性高分子化合物を主原料とする塗液に浸漬後、プレス加工を行い、硬化させるという簡便な手段によって、均一な品質の炭素繊維強化弾性高分子複合材料を得ることができる。

以下、実施例によって本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。なお、実施例中の部数や百分率は質量基準である。

実施例１～１４、比較例１～６
炭素繊維、セルロース繊維、合成繊維、バインダー繊維を、表１記載の配合比率（質量基準）で水に投入して、縦型パルパーで１０分間混合分散した後、傾斜ワイヤー方式を用いて一層抄きで湿式抄紙して得られた湿紙を、表面温度１３０℃のヤンキードライヤーで乾燥し、抄紙速度２０ｍ／ｍｉｎで、表１記載の坪量の炭素繊維不織布を得た。比較例５の炭素繊維不織布は抄紙の前に、完全離解機ＶＦ型（ＶＦポンプ、新浜ポンプ製作所製）による高圧分散をかけることにより、炭素繊維不織布の結束を完全に分散した上で同様に抄紙を行った。

弾性高分子化合物（シリコーンゴム）を硬化剤と混合後型に入れ、得られた不織布をそこに浸漬してプレス加工を行い、炭素繊維強化弾性高分子複合材料を得た。

表１に記載されている繊維の詳細は、以下のとおりである。

叩解リヨセル：リヨセル繊維（繊度１．４ｄｔｅｘ、繊維長３ｍｍ）を、ダブルディスクリファイナーを用いて処理し、平均繊維径１４．０μｍの幹部から平均繊維径１μｍ以下の枝部を発生させるように調製した繊維。
叩解針葉樹パルプ：ろ水度５００ｍｌＣＳＦとなるように調製した天然針葉樹パルプ。
ＰＶＡバインダー：ポリビニルアルコール系バインダー繊維（湿熱接着性のバインダー繊維、クラレ製、製品名：ＶＰＢ１０７－１）
ＰＥＴバインダー：ＰＥＴ未延伸バインダー繊維（熱融着性のバインダー繊維、繊度１．２ｄｔｅｘ、繊維長５ｍｍ

シリコーンゴム：ＫＥ－１２（信越化学工業）

実施例及び比較例で作製した炭素繊維不織布の坪量、炭素繊維の平均繊維長、結束の個数、結束の平均繊維本数及び弾性高分子化合物の含有量を測定した。また、実施例及び比較例で作成した炭素繊維強化弾性高分子複合材料の均一性と強度を評価した。測定結果及び評価結果を表１に示した。

＜不織布の坪量及び弾性高分子化合物の坪量＞
不織布の坪量をＪＩＳ Ｐ ８１２４：２０１１に則って測定した。また、弾性高分子化合物の含有量は、炭素繊維強化弾性高分子複合材料に使用する弾性高分子化合物の質量と炭素繊維強化弾性高分子複合材料の面積から計算した。

＜炭素繊維強化弾性高分子複合材料の均一性評価＞
炭素繊維不織布を１０枚積層して型に入れ、表１の含有量になるように、硬化剤と共に弾性高分子化合物を加えた後、プレス加工を行い、炭素繊維強化弾性高分子複合材料の品質の確認を行った。

○：炭素繊維と弾性高分子化合物は均一に分布され、強度・品質が均一な炭素繊維強化弾性高分子複合材料が得られた。
△：炭素繊維と弾性高分子化合物はほぼ均一に分布されていたが、強度・品質に僅かにムラが確認された。
×：炭素繊維と弾性高分子化合物の配置が不均一で強度・品質にムラが確認され、十分な性能を有する炭素繊維強化弾性高分子複合材料を得ることができなかった。

＜炭素繊維強化弾性高分子複合材料の強度評価＞
炭素繊維複合材料の強度（曲げ強さ）をＪＩＳ Ｋ ７０７４：１９８８に則って、サンプルごとにＮ＝１０回測定して、評価を行った。

○：実施例８の強度を基準とし、１．２倍以上の強度であった。
△：実施例８の強度を基準とし、０．８倍以上１．２倍未満の強度であった。
×：実施例８の強度を基準とし、０．８倍未満の強度であった。

炭素繊維不織布と炭素繊維不織布に浸透している弾性高分子化合物とを含有し、炭素繊維の配合比率が、炭素繊維不織布に含まれる全繊維に対して２０質量％以上であり、炭素繊維不織布は、１０本以上の炭素繊維で構成される結束を５個／ｃｍ^２以上有し、結束を構成する炭素繊維の平均繊維本数が５００本／結束以下であり、炭素繊維不織布の坪量が５０～５００ｇ／ｍ^２であり、炭素繊維不織布全体の質量に対して、弾性高分子化合物の配合比率が１００～８００質量％である実施例１～１４の炭素繊維強化弾性高分子複合材料は、強度・品質が均一で、高い強度の炭素繊維強化弾性高分子複合材料が得られた。

弾性高分子化合物の配合比率が８００質量％超である比較例１では、弾性高分子化合物の量に対して炭素繊維不織布の量が不足しており、炭素繊維強化弾性高分子複合材料を強化するのに十分な炭素繊維の質量が得られなかったことから、炭素繊維強化弾性高分子複合材料の品質が不均一で、十分な強度を得ることができなかった。

弾性高分子化合物の配合比率が１００質量％未満である比較例２及び３では、炭素繊維不織布の量に対して弾性高分子化合物の量が不足しており、炭素繊維不織布の空隙を埋められなかったことから、炭素繊維強化弾性高分子複合材料の品質の均一性が低下し、十分な強度を得ることができなかった。

炭素繊維不織布に炭素繊維の結束がない比較例４及び５では、炭素繊維不織布内の空隙が多くなり、弾性高分子化合物を均等に浸透させることができなかった。そのため炭素繊維強化弾性高分子複合材料の品質が不均一で、十分な強度を得ることができなかった。

炭素繊維の配合比率が２０質量％未満である比較例６では、炭素繊維強化弾性高分子複合材料を強化するのに必要な炭素繊維の質量が不足しているため、炭素繊維強化弾性化合物複合材料の強度が十分得られなかった。

本発明は、均一性に優れ、高強度の炭素繊維強化弾性高分子複合材料に好適に利用できる。

Claims (2)

1. 炭素繊維と弾性高分子化合物が複合した炭素繊維強化弾性高分子複合材料において、炭素繊維不織布と炭素繊維不織布に浸透している弾性高分子化合物とを含有し、炭素繊維の配合比率が、炭素繊維不織布に含まれる全繊維に対して２０質量％以上であり、炭素繊維不織布は、１０本以上の炭素繊維で構成される結束を５個／ｃｍ^２以上有し、結束を構成する炭素繊維の平均繊維本数が５００本／結束以下であり、炭素繊維不織布全体の質量に対して、弾性高分子化合物の配合比率が１００～８００質量％であることを特徴とする炭素繊維強化弾性高分子複合材料。
2. 炭素繊維不織布がセルロース繊維を含有し、セルロース繊維の配合比率が、炭素繊維不織布の全繊維に対して１～５０質量％である請求項１記載の炭素繊維強化弾性高分子複合材料。