JP3480096B2

JP3480096B2 - ピッチ系炭素繊維強化樹脂及びその製造方法

Info

Publication number: JP3480096B2
Application number: JP3081395A
Authority: JP
Inventors: 忠弘西本
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1995-02-20
Filing date: 1995-02-20
Publication date: 2003-12-15
Anticipated expiration: 2018-12-15
Also published as: JPH08225659A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はピッチ系炭素繊維強化樹
脂及びその製造方法に関する。更に詳しくは、高剛性
で、成形性に優れたピッチ系炭素繊維強化樹脂及びその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、樹脂材料は金属材料に比して剛性
が低く構造材に用いる場合、部材の厚みを増したり、補
強構造を取る必要があった。剛性を高くする為には繊維
補強をすることが一般的でありガラス繊維や炭素繊維が
補強繊維として用いられてきた。繊維補強を行う手法と
して、大きく分けて長繊維に樹脂を含浸した物を附形し
成形する方法と短繊維を樹脂中に混練し金型等に射出し
成形する方法がある。前者は繊維を切らずに用いる為、
繊維の物性を十分利用出来るが附形や成形に手間がかか
り生産性に問題がある。一方、後者に関しては、短繊維
を樹脂に機械的に混練する為生産性が高いが混練中に繊
維が短く切断してしまう為繊維の物性を十分に利用出来
ていなかった。

【０００３】また、長繊維を混練機に直接投入し、混練
機中で切断、混練を行なう事でマトリックス樹脂中の繊
維長さを長くする等の手法があるが、このような方法で
は繊維長のバラツキ、繊維の分散不良等が起こり、物性
のバラツキ、押し出された樹脂ストランドの切断、蛇行
等による生産性の低下等の問題がおこる。これにたいし
て押出ノズル形状を横長スリット状にしシート状物を引
き取り縦横に切断する方法も提案されているがペレット
化装置等が大掛かりとなりこれも生産性に問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明においては生産
性の高い短繊維補強の手法を用い、より高剛性を発現出
来る材料について検討した。高い生産性を維持したまま
高剛性の材料を製造することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記の課
題を解決すべく鋭意検討した結果、特定弾性率のピッチ
系炭素繊維を特定の繊維長分布で樹脂中に存在させるこ
とにより、前記の問題点が解決された高剛性で成形性の
優れたピッチ系炭素繊維強化樹脂が得られること、及
び、該炭素繊維強化樹脂は特定弾性率と長さのピッチ系
炭素繊維を特定の方法で混練することによって得られる
ことを見出して、本発明に到達した。

【０００６】すなわち、本発明の第１の要旨は、ピッチ
系炭素繊維により強化された炭素繊維強化樹脂におい
て、前記ピッチ系炭素繊維の弾性率が３０×１０³ｋｇ
／ｍｍ ²以上であり、前記強化樹脂中におけるピッチ系
炭素繊維の繊維長の分布が４００μｍ以上のものが２〜
３０重量％、１００μｍ以下のものが３０重量％以下で
あり、かつ、該ピッチ系炭素繊維の合計含有量が１５〜
５０重量％であることを特徴とするピッチ系炭素繊維強
化樹脂に存する。

【０００７】また、第２の要旨は、樹脂混練装置を用い
てピッチ系炭素繊維強化樹脂を製造する方法において、
樹脂混練装置の樹脂投入口から樹脂を投入、混練し、該
樹脂投入口より後方において弾性率が３０×１０³ｋｇ
／ｍｍ²以上であり、平均長さ２０ｍｍ以上のピッチ系
炭素繊維をピッチ系炭素繊維強化樹脂総量に対して１５
〜５０重量％の範囲になるよう連続的に供給することを
特徴とするピッチ系炭素繊維強化樹脂の製造方法に存す
る。

【０００８】以下、本発明を詳細に説明する。本発明の
ピッチ系炭素繊維強化樹脂において用いる炭素繊維はピ
ッチ系であり、弾性率は３０×１０³ｋｇ／ｍｍ²以
上、好ましくは５０×１０³ｋｇ／ｍｍ ²以上のものを
用いる。弾性率が高い方が得られた強化樹脂の剛性が高
くなる。強化樹脂中における該炭素繊維は、通常、２０
μｍ〜３ｍｍ程度の長さの分布を有する。樹脂の流動
性、均一性、物性のバランス等から平均長さは１００〜
４００μｍが好ましく、繊維長さの分布は４００μｍ以
上のものが２〜３０重量％、１００μｍ以下のものが３
０重量％以下とする。長いものが多すぎると、樹脂の流
動性が落ちたり、表面が荒れ、成形品のソリが生じる傾
向にあり、短すぎると、炭素繊維による物性強化の効果
が発現し難い。また、樹脂中の炭素繊維含有量も、樹脂
の流動性、物性の発現し易さから、１５〜５０重量％と
する。

【０００９】炭素繊維強化樹脂に使用できるマトリック
ス樹脂としては特に制限は無く、例えば、ポリカーボネ
ート、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ＡＢ
Ｓ樹脂、ＡＳ樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポ
リアセタール、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホ
ン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルイミ
ド、ポリイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニ
レンスルフィド、ポリスチレン、熱可塑性ポリウレタ
ン、ポリ塩化ビニル、ふっ素樹脂、またはこれらの混合
物等の熱可塑性樹脂が挙げられる。また、ガラス繊維、
アラミド繊維等の強化繊維、ガラスフレーク、金属粉、
無機物等の各種フィラー、可塑剤、難燃性付与剤、帯電
防止剤等の各種添加剤を併用してもよく、例えばこれら
を予め添加した樹脂も利用できる。

【００１０】本発明のピッチ系炭素繊維強化樹脂の製造
方法は特に限定されないが、特に適した方法を次に説明
する。１軸又は２軸の押出機等による樹脂混練装置にお
いて、該装置の樹脂投入口から前記したマトリックス樹
脂を投入、混練する。一方、ピッチ系炭素繊維は、弾性
率３０×１０³ｋｇ／ｍｍ²以上、好ましくは５０×１
０³ｋｇ／ｍｍ²以上のものを、平均長さ２０ｍｍ以
上、好ましくは連続繊維で、得られる炭素繊維強化樹脂
総量に対して１５〜５０重量％となる量で連続的に供給
する。炭素繊維を供給する位置は、樹脂投入口よりも後
方とし、特に、混練装置全体の半分より後段の位置であ
って、混練装置から得られる強化樹脂中の繊維長４００
μｍ以上のものが２〜３０重量％、かつ１００μｍ以下
のものが３０重量％以下となるような位置を、混練時の
温度、樹脂の粘度、等に応じて定めた位置が好ましい。
通常は、樹脂混練装置は、多段式になっており、その最
終段の前又は最終段の１つ前の段の前より供給すればよ
い。

【００１１】従来の樹脂強化用の炭素繊維は、ＰＡＮ系
では弾性率２０×１０³ｋｇ／ｍｍ ²程度、ピッチ系で
は弾性率３×１０³〜１０×１０³ｋｇ／ｍｍ²の繊維
を１０００〜１０万本程度フィラメントを束ねて３〜１
２ｍｍ程度の長さに切られたチョップドストランド形状
のものが多く使われてきた。これらを混練装置の樹脂投
入口又はサイドから供給して樹脂と共に混練して炭素繊
維強化樹脂を製造してきた。しかし、これらのチョップ
ドストランドを樹脂と強く混練すると、炭素繊維の分散
は良いが、炭素繊維の折れによる炭素繊維長の低下が発
生し、強化樹脂の機械的物性は低下する。また、混練が
弱く分散が不十分であると強化樹脂の品質のバラツキが
おこると共にブレーカープレートやノズルの閉塞を招
く。

【００１２】本発明の製造方法では、高弾性で所定長さ
の炭素繊維を連続的に供給するため、炭素繊維の分散が
良好であり、短い混練で均一な分散ができ、繊維長もあ
る程度の長さを維持できる。また、従来の方法では、チ
ョップドストランドの形状を維持するためのサイジング
剤が１〜１０％程度、好ましくは３〜６％程度塗布され
ているが、熱可塑樹脂との混練時にサイジング剤の種類
によっては熱分解を起こし、ガスを発生したり、マトリ
ックス樹脂の性能を損ねたりすることがある。しかし、
チョップドストランド炭素繊維の作業性の面から必ずし
もサイジング剤の量を減らすことが出来なかった。

【００１３】これに対して、本発明ではサイジング剤を
２．０重量％以下に低減して０．１〜２．０重量％、特
に０．２〜２．０重量％と低減しても炭素繊維の取扱い
性を満たし並びにマトリックス樹脂中でのガス発生、マ
トリックス樹脂の物性低下を抑えることが可能となる。
サイジング剤の成分としてはエポキシ、ポリアミド、ポ
リウレタン、ポリエステル、エチレン酢ビコポリマー等
の樹脂、または混合物を用いることができる。これらの
樹脂を有機溶媒で希釈または乳化剤にてエマルジョン化
したものを添着し、有機溶媒、水等を乾燥することでサ
イジングが出来る。また複合材のマトリックスに用いる
熱可塑性樹脂を溶融し添着、サイジングすることもでき
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
るが、本発明はその要旨を越えない限り以下の実施例に
限定されるものではない。なお、以下において「％」は
「重量％」を表わす。

【００１５】実施例１補強用炭素繊維として三菱化学（株）製「ダイアリー
ド」（商標）Ｋ１３７（弾性率６５×１０³ｋｇ／ｍｍ
²、サイジング剤１．５％）を用いた。このサイジング
剤はエポキシ樹脂（油化シェル製「エピコート」（商
標）８３４：「エピコート」１００４＝６：４重量比）
を用いた。マトリックス樹脂として、ポリカーボネート
樹脂とＡＢＳ樹脂からなるアロイ（以下、「ＰＣ／ＡＢ
Ｓアロイ」と略す。）を用いた。

【００１６】図１に示す２軸押出機からなる樹脂混練装
置（１）の樹脂投入口に設けた計量フィーダー（２）か
らＰＣ／ＡＢＳアロイを投入し、後述の炭素繊維導入位
置までに溶融させた。一方、樹脂混練装置（１）のバレ
ルの最終ブロックに炭素繊維導入用開口部（３）を設
け、その部分にスクリュ溝と平行となるように炭素繊維
を配置し、スクリュの回転により炭素繊維を巻込ませな
がら炭素繊維ボビン（４）から繊維を最終のコンパウン
ド中３４％となる量で導入した。ノズルより押し出され
たストランドを引き取りながら冷却しストランドカッタ
ーにて切断しペレット状のコンパウンドを得た。

【００１７】実施例２炭素繊維含量を２１％とした以外は実施例１と同様にし
コンパウンドを得た。

【００１８】実施例３補強用炭素繊維として三菱化学（株）製「ダイアリー
ド」Ｋ１３５（弾性率５５×１０³ｋｇ／ｍｍ²、サイ
ジング剤１．５％）を用い、炭素繊維量はコンパウンド
当たり１９％とした以外は実施例１と同様にコンパウン
ドを作った。

【００１９】実施例４補強用炭素繊維として三菱化学（株）製「ダイアリー
ド」Ｋ６３１（弾性率３５×１０³ｋｇ／ｍｍ²、サイ
ジング剤１．５％）を用いた以外は実施例１と同様にコ
ンパウンドを作った。

【００２０】比較例１炭素繊維量を１２％とした以外実施例１と同様にしコン
パウンドを得た。

【００２１】比較例２炭素繊維量を６０％とした以外実施例１と同様にしコン
パウンドを得た。ノズル閉塞がおこり安定的な生産がで
きなかった。

【００２２】比較例３補強用炭素繊維として三菱化学（株）製「ダイアリー
ド」Ｋ１３５（弾性率５５×１０³ｋｇ／ｍｍ²、サイ
ジング剤１．５％）を脱サイジングした後、エポキシ系
サイジング剤を４．５％添着し、その後６ｍｍ長にカッ
トしたものを図１に示した混練装置（１）のサイドフィ
ード口より炭素繊維量が３０％となるように投入し、マ
トリックス樹脂としてＰＣ／ＡＢＳアロイを用いてコン
パウンドを作った。

【００２３】比較例４補強用炭素繊維として三菱化学（株）製「ダイアリー
ド」Ｋ２２３（弾性率２２×１０³ｋｇ／ｍｍ²、サイ
ジング剤４．５％）をサイドフィード口より炭素繊維量
が３０％となるように投入し、マトリックス樹脂として
ＰＣ／ＡＢＳアロイを用いてコンパウンドを作った。

【００２４】比較例５補強用炭素繊維として三菱化学（株）製「ダイアリー
ド」Ｋ２２３（弾性率２２×１０³ｋｇ／ｍｍ²、サイ
ジング剤４．５％）のチョップド前の長繊維を用い、マ
トリックス樹脂としてＰＣ／ＡＢＳアロイを用いて実施
例１と同様にコンパウンドを作った。ノズル閉塞がおこ
り安定的な生産ができなかった。

【００２５】（評価）曲げ弾性率はＪＩＳＫ７０７４に
準拠して測定した。残存繊維長は製造したコンパウンド
を空気中５００℃で熱分解し、残った炭素繊維をガラス
プレート上に溶媒で分散したものを顕微鏡にて拡大、撮
影しその繊維長を２００本以上測定した。繊維長の分布
は全炭素繊維量に対する重量％で表した。

【００２６】結果を表１に示す。なお、表中、作業性、
成形性の○は良好、×は不良を示し、比較例２及び５の
「−」は評価不能を示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【発明の効果】本発明により高い生産性を保ちながら高
剛性で成形性の高い樹脂複合材料および成形物を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に用いた樹脂混練装置の概念図。

【符号の説明】

１樹脂混練装置２計量フィーダー３炭素繊維導入用開口部４炭素繊維ボビン

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ピッチ系炭素繊維により強化された炭素
繊維強化樹脂において、前記ピッチ系炭素繊維の弾性率
が３０×１０³ｋｇ／ｍｍ²以上であり、前記強化樹脂
中におけるピッチ系炭素繊維の繊維長の分布が４００μ
ｍ以上のものが２〜３０重量％、１００μｍ以下のもの
が３０重量％以下であり、かつ、該ピッチ系炭素繊維の
合計含有量が１５〜５０重量％であることを特徴とする
ピッチ系炭素繊維強化樹脂。
【請求項２】ピッチ系炭素繊維が０．１〜２．０重量
％のサイジング処理されたものであることを特徴とする
請求項１記載のピッチ系炭素繊維強化樹脂。
【請求項３】樹脂混練装置を用いてピッチ系炭素繊維
強化樹脂を製造する方法において、樹脂混練装置の樹脂
投入口から樹脂を投入、混練し、該樹脂投入口より後方
において弾性率が３０×１０³ｋｇ／ｍｍ²以上であ
り、平均長さ２０ｍｍ以上のピッチ系炭素繊維をピッチ
系炭素繊維強化樹脂総量に対して１５〜５０重量％の範
囲になるよう連続的に供給することを特徴とするピッチ
系炭素繊維強化樹脂の製造方法。
【請求項４】ピッチ系炭素繊維が０．１〜２．０重量
％のサイジング処理がされたものであることを特徴とす
る請求項３記載のピッチ系炭素繊維強化樹脂の製造方
法。