JP3639236B2

JP3639236B2 - 形態の優れた炭素繊維チョップ

Info

Publication number: JP3639236B2
Application number: JP2001266453A
Authority: JP
Inventors: 祥一久米; 富士夫中尾
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: JP2002173872A

Description

【０００１】
【産業状の利用分野】
本発明は、形態の優れた炭素繊維チョップに関する。更に詳しくは、繊維強化複合材料に供する低いサイズ付着率で集束性及び形態の優れた炭素繊維チョップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、炭素繊維と各種マトリックスを混合して得られる繊維強化複合材料は、その優れた性質、即ち高強度、高弾性率、高電気伝導性、高耐摩耗性、低比重等により、工業的に重要な材料として注目されている。
例えば、マトリックスに熱可塑性樹脂を用いた繊維強化複合材料を得ようとする場合には、予め炭素繊維を１〜数１０ｍｍに切断して炭素繊維チョップとし、これと熱可塑性樹脂ペレット或いはパウダーを押出機に投入し、溶融混練して繊維強化複合材料である混合ペレットとし、この混合ペレットを成形機にかけ、目的とする成形体を得る。
【０００３】
この混合ペレットを得るに当り重要なことは、炭素繊維チョップが定量的に押出機内に供給されることである。もしそうでない場合には吐出むらとなり、一定の押し出し速度が得られずストランド切れが起こり、生産性が大幅に低下することとなる。この、定量的供給に大きな影響を及ぼす要因として、押出機のホッパー部での炭素繊維チョップの喰い込み性があり、これは炭素繊維チョップの集束性や形態と密接な関係にある。
【０００４】
炭素繊維チョップの集束性が低い場合には、ホッパー下部のスクリューと接するところで開繊して毛羽塊となり、定量的な供給が阻害される。この他、ホッパー投入前に樹脂ペレットと炭素繊維チョップとを予め混合する場合に於て、集束性が低いと毛羽が発生して押出機への定量供給性が損なわれ、また形態が偏平になるに従い、ペレットとの均一な混合が難かしくなってやはり定量供給性に問題が生じる。これらのことから、集束性や形態、即ち偏平率は炭素繊維チョップを評価する時の重要な指標となる。
【０００５】
ところで、繊維強化複合材料に供される炭素繊維チョップを得るには、次のような方法が一般的である。先ず炭素繊維をサイズ剤に浸漬して含浸させ、続く乾燥工程で水などの溶媒を除去して集束した炭素繊維を、連続的或いは非連続的にロービングカッターやギロチンカッターなどを用いて所定の長さに切断して炭素繊維チョップとしている。
【０００６】
炭素繊維をサイジング処理し、次に乾燥機に通して乾燥した後、カッターで所定の長さに切断する。これら工程の中で最も時間がかかるのは乾燥工程であり、その処理速度は数ｍ／ｍｉｎから十数ｍ／ｍｉｎである。このため処理量を増やそうとすると、乾燥機に通す炭素繊維を多くするか、或いは乾燥距離を長くしたり乾燥温度を上げるなどして乾燥能力を高め処理速度を増やすことが考えられる。しかしながら、何れの場合に於てもこの方法では大掛かりな設備、あるいは改造が必要となる。
【０００７】
また、乾燥後の炭素繊維はサイズ剤のバインダー成分のみで集束されているため、切断するとき衝撃性の剪断力がかかるとチョップ割れが生じ、この欠点は修復されないまま毛羽の原因となって、次の工程である押出機への定量的供給が難かしくなる。
このことから明らかなように、従来の炭素繊維チョップの製造方法では集束性を良好なレベルに保とうとするため、サイズ剤付着率を上げようとする傾向にある。しかしながら、サイズ剤付着率の上昇は、最終的なコンポジット特性の低下を招く懸念があり、好ましいものではない。
【０００８】
また、押出機のペレットと炭素繊維チョップのドライブレンド性には、炭素繊維チョップの形態が大きく関与している。つまり、炭素繊維チョップの偏平率が低くなるに従いペレットの形状に近づくため、ドライブレンド性が向上する。
尚、本発明でいうロービングカッターとは、ロール上に複数の刃が取り付けられたカッターロールと、切断するためカッターロールに押し当てられるゴム製のアンビルロールと、切断部に繊維束を供給する、アンビルロールに押し当てられたニップロールからなるものを言う。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、繊維強化複合材料に供する低サイズ率で、集束性及び形態の優れた炭素繊維チョップを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、サイズ剤を用いて集束された炭素繊維チョップであって、かつ該炭素繊維チョップのサイズ剤付着率が０．５〜５重量％、集束性が１．０５以下、偏平率が５．５〜１２であることを特徴とする形態の優れた炭素繊維チョップにある。
【００１１】
本発明におけるサイズ剤付着率は、炭素繊維チョップの特性と密接な関係にある。即ち、サイズ剤付着率が上がると炭素繊維チョップの嵩密度、見掛け密度は増加し、集束性は向上する。ところが、一方ではサイズ剤付着率の上昇は、最終的なコンポジット特性の低下を招く懸念があり、好ましいものではない。
本発明におけるサイズ剤付着率は０．５〜５重量％である。この量が０．５重量％未満では炭素繊維チョップが開繊して毛羽や毛羽塊を生じ、押出機内への定量的な供給が難かしく吐出むらとなり、ストランド切れが発生して生産性が低下する。また、５重量％を越える場合にはコンポジット特性の低下を招く懸念があり、好ましくない。
【００１２】
次に炭素繊維チョップの集束性は、１．０５以下であり、この値を超えるとサイズ剤付着率のときと同様、開繊して毛羽などを生じ易く、押出機内への定量的な供給が難かしく吐出むらとなりストランド切れが発生して生産性が低下する。集束性は、炭素繊維チョップをミキサーで撹拌した後の該炭素繊維チョップの嵩密度を、撹拌処理前の嵩密度で除して求める。１が最良値であり、数値が大きくなるに従い、集束性は悪くなる。
本発明における炭素繊維チョップの偏平率は１２以下であり、より好ましくは、５．５〜１２である。なお、偏平率は、炭素繊維チョップの断面方向の幅を厚みで除して求める。
【００１３】
本発明の炭素繊維チョップは、撚りのかかった炭素繊維をサイジング処理し、乾燥する前にロービングカッターで切断することによって得られる。
この方法によれば、撚りを掛けることで炭素繊維を集束し、それを切断することで形態の優れた炭素繊維チョップが得られる。
【００１４】
また、この方法ではサイズ剤の表面張力による炭素繊維の集束効果、及び切断時の衝撃性の剪断力を乾燥しない柔らかい状態で吸収してチョップ割れを防いだり、また生じた欠点を修復する効果を利用して、高品質の炭素繊維チョップを得る。
【００１５】
炭素繊維にかける撚り数は３〜５０ターン／ｍが適しており、好ましくは３〜３０ターン／ｍである。この量が３ターン／ｍ未満では撚りの効果が得られず、また５０ターン／ｍを超えると、偏平率に殆ど差がなくなる。
【００１６】
本発明におけるサイズ剤は、バインダー成分を乳化剤を用いて水中でエマルジョン化したものか、或いはバインダー成分を直接溶媒に溶かすか分散させたものであり、濃度は０．８〜１７重量％、好ましくは１．７〜９重量％である。この量が０．８重量％未満ではバインダーとしての効果が発揮されず、また１７重量％を超えると切断に適したピックアップ量の範囲内で目標のサイズ剤付着率を得ることが困難となる。
【００１７】
サイズ剤のバインダー成分は特に制限なく、公知の各種バインダーの中から本用途に適したものを適宜用いる。例えば集束性の観点からは、バインダー成分に高分子量成分と低分子量成分の混合系を用い、その比率を変えることで最適の条件を見いだすのも一法である。ここでは高分子量成分により剛性を、低分子量成分により可塑性、柔軟性を炭素繊維チョップに与えている。また、実際に選択するにあたっては、炭素繊維チョップの集束性、チョップ化工程通過性、ガムアップ性、コンポジット特性への影響などを考慮する必要がある。
【００１８】
本発明におけるサイジング処理の方法は、サイズ剤のピックアップ量を随意に制御し得るならば何れの方法でも良く、これにより、切断時の炭素繊維の保液量を適正な範囲内に調整することが可能となる。
【００１９】
サイジング処理時の炭素繊維の張力は０．１〜２ｋｇ／糸条、好ましくは０．３〜１ｋｇ／糸条である。この張力が０．１ｋｇ／糸条未満では水またはサイズ剤のピックアップ量が一定せず、また２ｋｇ／糸条を越えると毛羽が発生し易くなる。
【００２０】
本発明における炭素繊維のチョップ化工程と、それに続く乾燥、選別及び金属除去の工程は連続的に運転することが可能で、生産性の高いプロセスとなっている。
乾燥工程では乾燥過程での炭素繊維チョップどうしの接着に注意する。また、乾燥を連続化することで生産性を高められる。乾燥温度、乾燥速度は、チョップ化速度、サイズ剤の種類によって適正値を求める必要がある。
選別、金属除去については要求される品質を維持するため、適切な装置を用いる必要がある。
【００２１】
本発明は、水噴霧処理をサイジング処理の前に行なうことも可能で、例えば炭素繊維を捲き出し中のボビンに直接水を噴霧すると、炭素繊維の集束性が良くなり工程通過性及び作業性が向上する。この時の水噴霧量は付着量で炭素繊維の０．１〜１０重量％、好ましくは０．３〜５重量％である。この量が０．１重量％未満では充分でなく、また１０重量％を超えると、サイジング処理のときサイズ剤との置換が充分に行なわれず、炭素繊維チョップの集束性が低下する。
【００２２】
本発明はサイジング処理のところでサイズ剤の代わりに水を用いることでサイズ剤を付着させることなく炭素短繊維を得ることが可能である。しかも、必要な場合には、水に各種処理剤を溶解、或いは分散させて使用することも出来る。こうして得られた炭素短繊維は、サイズ剤が付着していないため分散性に優れ、ＣＦＲＣや、Ｃ／Ｃコンポジットの基材などに用いられる炭素繊維不織布に適用できる。本発明における炭素繊維は特に制限なく、公知の各種炭素繊維の中から任意に選び用いることが出来る。
【００２３】
【実施例】
次に実施例により本発明を更に詳細に説明する。
本例中の各種評価は次のようにして行なった。
（１）炭素繊維チョップの嵩密度
５００ｍｌメスシリンダーに７０ｇの炭素繊維チョップを投入し、メスシリンダーに１分間６０回の上下振動を与えた後の炭素繊維チョップの体積でその重さを除して求める。
（２）炭素繊維チョップの集束性
炭素繊維チョップをミキサーで４００ｒｐｍ、３分間撹拌した後の該炭素繊維チョップの嵩密度を、撹拌処理前の嵩密度で除して求める。１が最良値であり、数値が大きくなるに従がい、集束性は悪くなる。
【００２４】
（３）炭素繊維チョップの偏平率
炭素繊維チョップの断面方向の幅（Ｗ，ｍｍ）を厚み（Ｄ，ｍｍ）で除したものを偏平率とする。
ここで、該炭素繊維チョップの幅（Ｗ，ｍｍ）は実測値であり、また厚み（Ｄ，ｍｍ）は次式により算出する。
厚み（Ｄ）＝（全フィラメント数×単糸径）／（Ｗ／単糸径）
【００２５】
実施例１
撚りを３０ターン／ｍかけた、ポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維１２，０００本から成る炭素繊維束を、３〜５重量％の付着量になるように水噴霧処理しながら、ボビンの軸方向に６０ｍ／ｍｉｎの速度で捲き出し、テンションロール、ゴテットロールを経て張力を０．５〜０．７ｋｇ／糸条に調整し、タッチロール方式でサイジング処理を行なった。サイズ剤のピックアップ量は４３〜４７重量％となるように調整した。
こうして得られた未乾燥の状態にある炭素繊維束を、連続的にロービングカッターで６ｍｍ長さに切断して炭素繊維チョップを製造した。
【００２６】
ここで使用したサイズ剤は分子量４７０と２，９００のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂／水系エマルジョンの混合物で、固形分濃度８重量％に調製した。
この結果、偏平率の低いドライブレンド性に優れた炭素繊維チョップを得た。
結果を表１に示す。
尚、ドライブレンド性は、炭素繊維チョップと樹脂ペレットを適量混合し、撹拌後炭素繊維チョップの分散状況を見て評価した。
【００２７】
比較例１
炭素繊維をボビンの軸に対して垂直方向に捲き出し、実施例１と同様に炭素繊維チョップを作成した。
この結果、偏平率の高いドライブレンド性に劣る炭素繊維チョップを得た。
結果を表１に示す。
【００２８】
実施例２，３
次表に示した条件で、実施例１と同様にして炭素繊維チョップを作成した。
結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【発明の効果】
本発明の炭素繊維チョップは、割れが少なく、しかも低いサイズ付着率で集束性及び形態に優れた高品質の炭素繊維チョップであって、工業的価値は極めて高い。

Claims

サイズ剤を用いて集束された炭素繊維チョップであって、該炭素繊維チョップのサイズ剤付着率が０．５〜５重量％、集束性が１．０５以下、偏平率が５．５〜１２であることを特徴とする形態の優れた炭素繊維チョップ