JP4711473B2 - 炭素繊維織物の製造法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は熱可塑性プラスチック含浸用の炭素繊維から実質上成る織物の製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス繊維織物を製造する場合には、予め保護コーティングを該繊維に付着させる。このコーティングは製織後にガラス繊維を高温でかなり長時間処理することによって除去される。一般的な処理サイクルは約４００℃で７０時間である。一般的には「強靭層（strong layer）」と呼ばれているこのコーティングは通常はＰＶＡ（ポリビニルアルコール）またはスターチから成る。加熱工程中において保護コーティングは完全に焼失するが、この焼失は、当該加熱処理の前後における織物の重量を測定することによって容易に確認することができる。加熱処理後に含浸用ガラス繊維織物を調製するためには、プラスチック系への接着のためにより適切なコーティングをガラス繊維に添加する。一般的なコーティング用材料はクロム（III）とシロキサンとのコンプレックスである。
【０００３】
構造用軽量複合材料は炭素繊維とプラスチックマトリックスを組合せることによって製造される。宇宙旅行、航空産業および工業の分野における用途に対しては、プラスチックを含浸法によって炭素繊維に添加する。全ての繊維が相互に実質上平行に配列した繊維系に対して含浸工程を実施する場合に得られる製品は一方向テープ（unidirectional tape）と呼ばれているが、これは個々の繊維間に摩擦力が発生しないからである。
【０００４】
炭素繊維は摩擦力によつて損傷を受けやすい。しかしながら、このような一方向テープの含浸工程においては個々の繊維間に摩擦力が発生しないので炭素繊維の保護は不要である。
【０００５】
しかしながら、繊維を組合せて織物にする場合には、よこ繊維をたて繊維に対して垂直に挿入する間には、摩擦が繊維間で発生する。このような摩擦力が発生する結果、炭素繊維は製織工程中に損傷を受けやすくなる。
【０００６】
製織工程を促進するために、炭素糸はメーカーによって標準的なサイジング（例えば、不飽和エポキシ材料を０．５〜１％含有するサイジング）によって予め処理された状態で供給されている。このサイジングは、織物をその後で硬化性プラスチック系を含浸させる場合は除去する必要はない。このようなエポキシをベースとするサイジングは大部分のプラスチック系に対して相溶性がある。しかしながら、熱可塑性マトリックスを用いる含浸法の場合には、エポキシサイジングが繊維とプラスチックの間の接着性に対して不利な効果をもたらす。
【０００７】
このような理由に起因して、熱可塑性物質を含浸させた材料としては一方向テープの形態のもののみが市販されているに過ぎない。該一方向テープの製造法においてはコーティングもしくはサイジングを有さない繊維を使用している。製織をおこなうと共に繊維とプラスチック間に十分な接着性を付与するためには、エポキシサイジングを製織工程の後で中和しなければならない。
【０００８】
この問題は非常に注目されており、従来から、製織工程の後で炭素繊維上のエポキシサイジングを除去もしくは中和する方法が追求されており、また、炭素繊維と熱可塑性プラスチックの接着性を改良することによって構造的用途に使用するための信頼性の高い複合材料の基礎原料を提供する方法が要請されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は当該分野の上記の実情に鑑み、炭素繊維を損傷させることなく炭素繊維織物上のエポキシサイジングを効果的に老化もしくは中性化させることによって炭素繊維と熱可塑性プラスチックの接着性を改良する技術を提供するためになされたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
即ちこの発明は、下記の工程（ａ）および（ｂ）を含む、熱可塑性プラスチック含浸用の実質上炭素繊維から成る織物の製造法に関する：
（ａ）硬化剤不含エポキシ材料製コーティングを有する炭素繊維から実質上成る織物を供給し、次いで、
（ｂ）該織物を高温条件下へ案内し、炭素繊維は変化しないがエポキシ材料が老化（age）もしくは中性化（neutralization）によってその粘着性を喪失するように該織物を高温条件下で所定時間にわたって保持する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ガラス繊維の場合とは異なり、上記の熱処理後に付加的なサイジングを炭素繊維材料へ添加することは不要である。エポキシサイジングは該熱処理後でも炭素繊維上に存在しており、このことは熱処理前後の重量の比較によって確認できる。
【００１２】
エポキシコーティングは存在しているが、該コーティングの性状はこの熱的人工老化工程によって変化する。このコーティング層は反応性と粘着性を喪失し、熱可塑性プラスチックに対する接着用中性べースを形成する。
【００１３】
炭素繊維を織物にした後、該織物を高温条件下へ案内する。この温度は粘着性エポキシ樹脂を中性化するのに十分に高くなければならないが、同時に炭素繊維の機械的特性が不都合な影響を確実に受けないように十分に低くなければならない。
【００１４】
この場合の一般的な方法は、該織物を最初に４５０±７０℃で１５±５分間保持した後、２２０±３０℃で２４０±６０分間保持することによって工程（ｂ）を実施する方法である。別の方法は、該織物を３８０±５０℃で１８０±６０分間保持することによって工程（ｂ）を実施する方法である。
【００１５】
コーティングの付着量を織物に対して約０．３〜２重量％にすることによって、所望の効果の実現と比較的少量のエポキシ材料の使用という２つの要求を非常に良好に折衷させることができる。
【００１６】
本発明は、上記のいずれかの方法によって得られる加工織物にも関する。この織物は老化もしくは中性化したエポキシ材料製コーティングを有する炭素繊維から実質上成る。
【００１７】
本発明はさらに上記の製法によって得られる加工織物と熱可塑性プラスチックが交互に積層した複数層から成るラミネートの製造法であって、予備調製したフォイルまたは粉状もくしは粒状層から成る熱可塑性プラスチック層または同時押出成形された熱可塑性プラスチック層を各々の加工織物に高温および随意の加圧下において含浸させることによってラミネートを形成させることを含む該ラミネートの製造法にも関する。
【００１８】
この場合の特定の態様においては、熱可塑性プラスチックは半結晶質である。
【００１９】
さらにこの方法の別態様においては、熱可塑性プラスチックとしてＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）を用いておこなう。
【００２０】
また、この方法の好ましい態様においては、ラミネートは熱可塑性プラスチックかＰＰＳであるという特徴を有する。
【００２１】
熱可塑性プラスチックの著しい粘度低減によって含浸工程は促進される。例えば、ＰＰＳ材料が水の粘度に匹敵する粘度（例えば、７５〜２１０Ｐａ・ｓ）までその粘度を著しく低減させる温度においてラミネートを形成させるのが好ましい。
【００２２】
後者の製造法は処理温度が３１０±３０℃になるという特徴を有する。
【００２３】
ＰＰＳの結晶質特性は、形成されるラミネートを冷却のための冷却ローラーへ案内することによって調節することができる。
熱可塑性プラスチック（特にＰＰＳ）が非晶質もしくは結晶質またはこれらの混成質であるかどうかはこの冷却ローラーの温度から決定することが可能である。この温度が１６０℃よりも低温の場合には該プラスチックは主としては非晶質であり、１６０℃よりも高温の場合には該プラスチックは主として結晶質である。
【００２４】
さらに本発明は請求項１から１１いずれかに記載の方法によって得られるラミネートであって、請求項５記載の加工織物およぴ該加工織物内へ含浸された熱可塑性プラスチック層が交互に積層した複数層を含むラミネートに関する。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、炭素繊維を損傷させることなく調製される炭素繊維織物に付着するエポキシサイジングを効果的に老化もしくは中性化させることによって炭素繊維と熱可塑性プラスチックの接着性を改良することができるので、信頼性の高い汎用複合材料の製造が可能となる。

Claims (10)

  1. 下記の工程（ａ）および（ｂ）を含む、熱可塑性プラスチック含浸用の実質上炭素繊維から成る織物の製造法：
    （ａ）硬化剤不含エポキシ材料製コーティングを有する炭素繊維から実質上成る織物を供給し、次いで、
    （ｂ）該織物を４５０±７０℃の温度で１５±５分間保持した後、２２０±３０℃で２４０±６０分間保持することによって、炭素繊維は変化しないがエポキシ材料が老化もしくは中性化によってその粘着性を喪失するようにする。
  2. 下記の工程（ａ）および（ｂ）を含む、熱可塑性プラスチック含浸用の実質上炭素繊維から成る織物の製造法：
    （ａ）硬化剤不含エポキシ材料製コーティングを有する炭素繊維から実質上成る織物を供給し、次いで、
    （ｂ）該織物を３８０±５０℃で１８０±６０分間保持することによって、炭素繊維は変化しないがエポキシ材料が老化もしくは中性化によってその粘着性を喪失するようにする。
  3. コーティングの量が織物に対して０．３〜２重量％である請求項１または２記載の方法。
  4. 老化もしくは中性化したエポキシ材料製コーティングを有する炭素繊維から実質上成る、請求項１から３いずれかに記載の方法によって得られる加工織物。
  5. 請求項３記載の方法によって得られる加工織物と熱可塑性プラスチックが交互に積層した複数層から成るラミネートの製造法であって、予備調製したフォイルまたは粉状もしくは粒状層から成る熱可塑性プラスチック層または同時押出成形された熱可塑性プラスチック層を各々の加工織物に高温および随意の加圧下において含浸させることによってラミネートを形成させることを含む該ラミネートの製造法。
  6. 熱可塑性プラスチックが半結晶質である請求項５記載の方法。
  7. 熱可塑性プラスチックがＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）である請求項５記載の方法。
  8. ＰＰＳ材料が、水の粘度に匹敵する粘度である７５〜２１０Ｐａ・ｓまでその粘度を著しく低減させる温度である３１０±３０℃においてラミネートを形成させる請求項５または７記載の方法。
  9. 形成されたラミネートを冷却のために冷却ローラー上へ案内する請求項８記載の方法。
  10. 請求項５から９いずれかに記載の方法によって得られるラミネートであって、請求項４記載の加工織物および該加工織物内へ含浸された熱可塑性プラスチック層が交互に積層した複数層を含むラミネート。
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