JP2861260B2 - 炭素繊維及びそれを用いた炭素繊維強化樹脂組成物 - Google Patents

炭素繊維及びそれを用いた炭素繊維強化樹脂組成物

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、炭素繊維及びその炭素繊維を配合してなる
炭素繊維強化樹脂組成物に関するものである。
[従来の技術] 近年炭素繊維を各種のマトリックス樹脂に混合、分散
させてなる繊維強化樹脂組成物は、高強度、高剛性、低
比重、高摩耗性などの機械的特性が評価され工業的に重
要な材料として注目されている。
また炭素繊維の強度、弾性率等の機械的特性以外に電
気伝導性、熱伝導性、X線透過性等の性質を活用した用
途の開発も進められている。特にエレクトロニクス関連
分野に於ては炭素繊維そのものの高導電性を生かした導
電性複合材として使用されることが多い。
ところが、単に炭素繊維を樹脂と混合成形するだけで
は、炭素繊維を大量に添加しないと十分な導電性が得ら
れない。このことは一般に樹脂よりも高価な炭素繊維の
大量使用による樹脂コンパウンドのコスト上昇や、耐衝
撃性等の物性低下、比重の増加、加工性低下等をもたら
す場合があり炭素繊維の使用を制約してきた。こうした
問題点を解決するため、これまでにも導電性を改良する
ことが試みられてきた。例えば特開昭57−56586号公報
ではポリビニルピロリドンで炭素繊維を被覆し複合材の
導電性の向上を図っている。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、用途によっては、いまだ十分な導電性
を持つとは言えず、従来の複合材よりも更にいっそう導
電性の優れた炭素繊維強化樹脂複合材の開発が求められ
ていた。
[課題を解決するための手段] そこで、本発明者等はかかる課題を解決すべく鋭意検
討した結果、特定の組成からなる重合物で被覆した炭素
繊維を使用すると、従来よりも少量の配合量で同等の導
電性を発現する炭素繊維強化樹脂が得られ、かつ配合量
を従来と同量とすれば従来の樹脂組成物よりも高い導電
性が得られることを見いだし、本発明に到達した。
即ち、本発明の目的は高い導電性を発現する樹脂組成
物を与える樹脂強化用炭素繊維及びそれを用いた炭素繊
維強化樹脂組成物を提供することにある。
そして、その目的は、 ジアミン化合物、ジカルボン酸化合物、環状アミド化
合物と下記一般式(I)で示されるグリシジル化ポリア
ルキレンオキシド誘導体からなる共重合体であって、該
ポリアルキレンオキシド誘導体をモノマー組成として10
〜30重量%含んでなる共重合物で炭素繊維の表面が被覆
されていることを特徴とする樹脂強化用炭素繊維、 (式中、R1はH、または炭素数20以下のアルキル基、R2
はHまたはCH3、nは1〜40の整数をを表わす。) および ジアミン化合物、ジカルボン酸化合物、環状アミド化
合物と下記一般式(I)で示されるグリシジル化ポリア
ルキレンオキシド誘導体からなる共重合体であって、該
ポリアルキレンオキシド誘導体をモノマー組成として10
〜30重量%含んでなる共重合物で炭素繊維の表面が被覆
された炭素繊維1〜50重量部を熱可塑性樹脂100重量部
に対して配合したことを特徴とする炭素繊維強化樹脂組
成物により容易に達成される。
(式中R1は水素または炭素数20以下のアルキル基、R2
HまたはCH3、nは1〜40の整数をを表わす。) 以下本発明を詳細に説明する。
本発明では炭素繊維として、従来公知の種々の炭素繊
維が使用でき、具体的にはポリアクリロニトリル系、ピ
ッチ系、レーヨン系等の炭素繊維が挙げられる。
被覆に使用する重合物としてはジアミン化合物、ジカ
ルボン酸化合物、環状アミド化合物とグリシジル化ポリ
アルキレンオキシドの共重合体である。ジアミン化合物
としては特に限定されないが一般式(II)で示される化
合物でR3が炭素数15以下のアルキル基、およびその誘導
体からなるものが好ましい。具体的にはエチレンジアミ
ン、テトラメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミ
ン、オクタメチレンジアミン、デカメチレンジアミンや
そのメチル化、エチル化、ハロゲン化物等の誘導体が挙
げられる。
H2N-R3-NH2 (II) ジカルボン酸化合物としては一般式(III)で示され
る化合物であり、好ましくはR4が炭素数15以下のアルキ
ル基、単核または2核芳香族環及びこれらの誘導体から
なるものである。具体的にはコハク酸、グルタル酸、ア
ジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セ
バシン酸およびそのメチル化、エチル化、ハロゲン化物
等の誘導体や、テレフタル酸、イソフタル酸、2,6−ナ
フタレンジカルボン酸等の芳香族ジカルボン酸が挙げら
れる。
HOOC−R4−COOH (III) 環状アミド化合物としては一般式(IV)で示される化
合物であり、好ましくはR5は炭素数20以下のアルキル基
及びその誘導体からなるものである。具体的には、カプ
ロラクタム、ラウリルラクタム等が挙げられる。
一般式(I)で示されるグリシジル化ポリアルキレン
オキシド誘導体は、片末端にグリシジル基を有するエチ
レンオキシド、プロピレンオキシドの付加反応生成物の
アルエルキーテルでありnは1〜40、好ましくは5〜2
0、R1は炭素数20以下のアルキル基、R2はHまたはCH3
挙げられる。具体的には、ポリオキシエチレンラウリル
グリシジルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルグリ
シジルエーテル等が挙げられる。
モノマー組成比は混合物がほぼ完全に重合し適当な分
子量のポリマーが得られる範囲において決定されるが、
導電性向上の効果を得るにはグリシジル化ポリアルキレ
ンオキシド誘導体の含有率としては、10〜30重量%。好
ましくは15〜25重量%の範囲とするのがよい。含有率が
高すぎても、また低すぎても良好な導電性を得ることが
困難となる。
通常炭素繊維は数千本から数万本の単糸を束ねたスト
ランドを樹脂により被覆集束することにより取り扱い性
を向上させたり、樹脂に配合し複合材としたときの特性
向上を図っている。
得られた重合物の炭素繊維表面への付着法に制約はな
いが水溶液とし炭素繊維束を含浸する方法が実用的であ
る。水溶液の濃度は炭素繊維に付着する重合物の量が所
望するレベルとなるよう設定すれば良い。炭素繊維に付
着する重合物量としては、0.5〜20重量%、好ましくは
2〜10重量%である。被覆量が少ないと、集束剤による
複合材特性向上の効果がみられなかったり、炭素繊維の
集束性不が十分だったりする。また、被覆量が多すぎる
と、かえって複合材物性が低下したり、集束後の炭素繊
維ストランドの取扱い性が低下したりする。該重合物水
溶液に含浸した炭素繊維ストランドは赤外線、熱風等に
よって乾燥されるが、乾燥温度は集束剤の分解が起こら
ないよう300℃以下とする事が好ましい。乾燥し集束さ
れた炭素繊維束は、樹脂との配合を容易にするため長さ
1〜20mm好ましくは3〜10mmに切断し使用する。(切断
された炭素繊維ストランドをチョップトストランドと呼
ぶ。)。
次に本発明の樹脂強化用炭素繊維を熱可塑性樹脂に配
合した優れた導電性を有する炭素繊維強化樹脂組成物に
ついて説明する。マトリックス樹脂としては、ポリカー
ボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリオレフィ
ン、アクリル樹脂、ポリオキシメチレン、ポリフェニレ
ンエーテル、ポリフェニレンオキシド、ポリブチレンテ
レフタート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニ
レンスルホン、フッ素樹脂などのポリマー類またはこれ
らのコポリマー類などの公知の熱可塑性樹脂が挙げら
れ、好ましくは、アクリロニトリル−ブタジエン−スチ
レン樹脂(ABS樹脂)、ポリブチレンテレフタレート、
ポリフェニレンオキシドを用いるのがよい。
上述した樹脂強化用炭素繊維とマトリックス樹脂の配
合割合は、熱可塑性樹脂100重量部に対して、炭素繊維
を1〜50重量部、好ましくは、5〜40重量部の範囲であ
る。炭素繊維の配合量が1重量部未満では炭素繊維の導
電効果が低く、また50重量部を越えるとマトリックス樹
脂への混合、分散の工程に於て種々の問題が発生しやす
い。
また、この様なマトリックス樹脂と本発明の炭素繊維
との配合方法としては特に限定されるものではないが、
通常一軸押し出し機、二軸押し出し機、プレス機、高速
ミキサー、射出成形機、引き抜き成形機等の方法により
行われる。更に、上記成分以外に本発明の効果を損なわ
ない程度に例えば、他種炭素繊維、ガラス繊維、アラミ
ド繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維等の短繊維及び長
繊維、ホイスカー類、これらにニッケル、アルミニウ
ム、銅などの金属をコーティングした繊維あるいは金属
繊維などの繊維状強化材類、あるいはカーボンブラッ
ク、二硫化モリブデン、マイカ、タルク、炭酸カルシウ
ムなどのフィラー類からなる強化材、安定剤、滑剤、そ
の他添加剤などを加えることが出来る。
この様にして得られた炭素繊維強化可塑性樹脂組成物
は従来の炭素繊維で強化された場合に比べ高い導電性を
示す。
[実施例] 次に実施例により本発明を更に詳細に説明する。尚、
導電性の評価は日本ゴム協会標準規格(SRIS)2301に記
された体積固有抵抗の測定により実施した。
実施例1 (A)サイジング剤の調製 ヘキサメチレンジアミン25重量部、アジピン酸31重量
部、カプロラクタム24重量部、ポリオキシエチレンラウ
リルグリシジルエーテル(分子量約700)20重量部を加
え窒素置換後220℃に加熱、脱水しながらこれらのモノ
マーを重合せしめ重合物を得た。この重合物の水溶液を
調製し炭素繊維束の含浸用サイジング剤液として使用し
た。
(B)チョップトストランドの製造 ピッチ系炭素繊維(“ダイアリード"K223、三菱化成
(株)製)連続糸6000本フィラメントを、前記重合物ポ
リマー4%水溶液中に含浸させた後、約120℃で20分間
加熱乾燥し、更に切断機で6mm長のチョップトストラン
ドを製造した。得られたチョップトストランドの重合物
付着量を比較例1〜5の結果とともに表1に示す。
(C)炭素短繊維強化樹脂成形体の製造 予め乾燥した10重量部の前記チョップトストランドと
ポリブチレンテレフタレート樹脂“ノバドゥール"5008
(三菱化成(株)製)のペレット100重量部をドライブ
レンドした後、スクリュー押し出し機に投入、溶融混合
し、押し出し物を水冷後ペレット状に切断した。この様
にして得られた炭素繊維配合樹脂材料を120℃5時間乾
燥した後、射出成形機にて成形し試験片を得て体積固有
抵抗を測定した。比較例1〜5とともに測定結果を表1
に示す。
比較例1 ヘキサメチレンジアミン29重量部、アジピン酸36重量
部、ポリオキシエチレンラウリルグリシジルエーテル
(分子量700)35重量部からなるモノマー組成で実施例
1と同様に重合、チョップトストランドの製造、炭素繊
維強化樹脂成形体の製造を行ない体積固有抵抗を測定し
た。
比較例2 実施例1のサイジング剤水溶液の代わりにα−(N,N
−ジメチルアミノ)−ε−カプロラクタム重合体の水溶
液を用い実施例1と同様にチョップトストランドの製
造、炭素繊維強化樹脂成形体の製造を行い体積固有抵抗
を測定した。
比較例3 実施例1のサイジング剤水溶液の代わりにエポキシ樹
脂“エピコート"834(シェル化学(株)製)60重量部と
“エピコート"1004(シェル化学(株)製)40重量部と
の水乳化系サイジング剤を使用した他は実施例1と同様
の方法で試作を行い試験片を製造した。
比較例4 実施例1のサイジング剤水溶液の代わりにポリビニル
ピロリドン(分子量40,000)の水溶液サイジング剤を使
用した他は実施例1と同様の方法で試験片を製造した。
比較例5 実施例1のサイジング剤水溶液の代わりにポリエチレ
ングリコール(分子量50000)の水溶液サイジング剤を
使用した他は実施例1と同様の方法で試験片を製造し
た。
実施例2 実施例1のマトリックス樹脂ポリブチレンテレフタレ
ートの代わりにポリカーボネート樹脂を用い樹脂被覆炭
素繊維の配合量を20重量部とした他は、実施例1と同様
の方法で試験片を製造した。体積固有抵抗の測定結果を
比較例6〜10とともに表3に示す。
比較例6〜10 比較例1〜5に使用した樹脂被覆炭素繊維を用いマト
リックス樹脂をポリブチレンテレフタレートからポリカ
ーボネート樹脂に変え樹脂被覆炭素繊維配合量を20重量
部とした他は、比較例1〜5と同様の方法で試験片を製
造し体積固有抵抗を測定した。
表1、2に示したように本特許請求範囲に記載した組
成の樹脂で被覆した炭素繊維を用いると他の樹脂で被覆
した炭素繊維より良好な導電性を有する樹脂組成物が得
られる。
[発明の効果] 本発明の樹脂被覆炭素繊維は従来の炭素繊維に比べ炭
素繊維強化熱可塑性樹脂の導電性を大幅に向上させる効
果を有し、該繊維を配合した繊維強化樹脂ともども工業
上極めて有用である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI // D06M 101:40 (72)発明者 藤谷 学 神奈川県横浜市緑区鴨志田町1000番地 三菱化成株式会社総合研究所内 (56)参考文献 特開 平4−2898(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) D06M 15/507 - 15/53 D06M 15/59 - 15/598 C08L 77/06 C08K 7/06 C08K 9/04

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ジアミン化合物、ジカルボン酸化合物、環
    状アミド化合物と下記一般式(I)で示されるグリシジ
    ル化ポリアルキレンオキシド誘導体からなる共重合物で
    あって、該ポリアルキレンオキシド誘導体をモノマー組
    成として10〜30重量%含んでなる共重合体で炭素繊維の
    表面が被覆されていることを特徴とする炭素繊維。 (式中、R1は水素または炭素数20以下のアルキル基、R2
    は水素またはメチル基、nは1〜40の整数をを表わ
    す。)
  2. 【請求項2】ジアミン化合物、ジカルボン酸化合物、環
    状アミド化合物と下記一般式(I)で示されるグリシジ
    ル化ポリアルキレンオキシド誘導体からなる共重合体で
    あって、該ポリアルキレンオキシド誘導体をモノマー組
    成として10〜30重量%含んでなる共重合物で炭素繊維の
    表面が被覆された炭素繊維1〜50重量部を熱可塑性樹脂
    100重量部に対して配合したことを特徴とする炭素繊維
    強化樹脂組成物。 (式中、R1は水素または炭素数20以下のアルキル基、R2
    は水素またはメチル基、nは1〜40の整数をを表わ
    す。)
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