JP5395385B2

JP5395385B2 - 炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法および炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体

Info

Publication number: JP5395385B2
Application number: JP2008223815A
Authority: JP
Inventors: 義武西; 廣明武井; 啓介高田; 竜一末永; 圭祐岩田
Original assignee: Tokai University Educational Systems
Current assignee: Tokai University Educational Systems
Priority date: 2008-09-01
Filing date: 2008-09-01
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2028-09-01
Also published as: JP2010058286A

Description

本発明は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法および炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体に関する。

繊維強化複合材料として、炭素繊維と樹脂とからなる炭素繊維強化樹脂が知られている。炭素繊維強化樹脂は、機械的強度が高いことから、航空、宇宙、スポーツ用品分野、一般産業用途、土木、建築、輸送用機器分野など、広い分野での応用が可能な材料として、開発が進んでいる。

炭素繊維強化樹脂として、炭素繊維と熱可塑性樹脂とからなる炭素繊維強化熱可塑性樹脂が知られている。炭素繊維強化熱可塑性樹脂は、樹脂として熱硬化性樹脂を用いた場合と比べ、成形性が良好であり、大量生産に好適であるため、繊維強化複合材料の一つとして有用である。

しかしながら、従来の炭素繊維強化熱可塑性樹脂においては、炭素繊維が一般に熱可塑性樹脂に対するぬれ性（含浸性）が乏しいため、炭素繊維と熱可塑性樹脂との接着性不良が起こり、充分な物性向上が図れなかった。

炭素繊維の熱可塑性樹脂に対するぬれ性を改良した、炭素繊維強化熱可塑性樹脂としては、例えば特定の結晶サイズ、炭素と酸素との原子数比（Ｏ／Ｃ）、および平均短繊維直径を有する炭素繊維を用いた、炭素繊維強化熱可塑性樹脂が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、１価または２価の金属元素の総含有量およびサイズ剤付着量が特定の範囲にある、炭素繊維チョップドストランドを用いた、炭素繊維強化熱可塑性樹脂が提案されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、改質した熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維強化熱可塑性樹脂が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

上記特許文献１〜３に開示された発明は、炭素繊維の外形（炭素繊維の結晶サイズ、平均短繊維直径等）や、炭素繊維または熱可塑性樹脂の組成を規定することにより、炭素繊維の熱可塑性樹脂に対するぬれ性を改良するものであるが、未だ炭素繊維強化熱可塑性樹脂の機械的強度は充分ではなかった。
特開２００３−１２８７９９号公報特開２００４−２４４５３１号公報特開２００５−３２５２４８号公報

本発明は上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、機械的強度に優れた炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体および該成型体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を達成するために鋭意研究を重ねた結果、特定の加速電圧の範囲で炭素繊維および熱可塑性樹脂に電子線を照射することにより、機械的強度に優れた炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体が得られることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法は、加速電圧が１００〜３００ｋｅＶの範囲で、炭素繊維および熱可塑性樹脂に電子線を照射することを特徴とする。

炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法としては、前記照射の後に、電子線が照射された炭素繊維および熱可塑性樹脂を加熱複合化してもよく、前記照射における電子線照射線量が、０．１〜０．９ＭＧｙの範囲であることが好ましい。

炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法としては、前記照射の前に、炭素繊維および熱可塑性樹脂を加熱複合化してもよく、前記照射における電子線照射線量が、０．１〜０．５ＭＧｙの範囲であることが好ましい。

また、本発明には、上記製造方法により得られる炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体が含まれる。

本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法により得られる、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体は、炭素繊維および熱可塑性樹脂の両方に電子線を照射することのない、従来の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体と比べ、機械的強度に優れる。

また、本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法により得られる、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体は、航空機、宇宙ロケット、自動車、輸送機器、スポーツ用品、土木建築用品等の各種産業分野における製品や機械部品等として用いることができる。

次に本発明について具体的に説明する。
本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法は、加速電圧が１００〜３００ｋｅＶの範囲で、炭素繊維および熱可塑性樹脂に電子線を照射することを特徴とする。本発明においては、熱可塑性樹脂や炭素繊維の放射線損傷や、Ｘ線の発生を防ぐため、また加熱による熱可塑性樹脂や炭素繊維の変形や融解を防ぐため、加速電圧が１００〜３００ｋｅＶ、好ましくは１２０〜２００ｋｅＶ、より好ましくは１５０〜１８０ｋｅＶの範囲で電子線照射を行う。

前記電子線の照射時間は通常０．２〜５．０秒であり、電子線照射時の温度は通常室温〜５０℃の範囲である。
本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法では、炭素繊維および熱可塑性樹脂の双方に電子線を照射することを特徴とし、本発明の製造方法により得られる、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体は、機械的強度に優れる。この理由は明らかではないが、本発明者らは炭素繊維および熱可塑性樹脂の双方に電子線を照射することにより、炭素繊維の熱可塑性樹脂に対するぬれ性および炭素繊維および熱可塑性樹脂間の界面接着性が向上し、機械的強度に優れると推定した。

（炭素繊維）
本発明に用いる炭素繊維としては特に限定はないが、例えばアクリル系繊維、あるいはピッチやレーヨン等を原料にして製造した繊維から、炭化工程を経て製造された炭素繊維が用いられる。前記炭素繊維は、例えばアクリロニトリルを主成分にしたアクリル系繊維を加熱酸化し、さらに不活性雰囲気中で炭化する方法で製造される。また、本発明に用いる炭素繊維としては、アクリル系繊維から製造される炭素繊維が工業的な生産性に優れ、かつ力学的特性にも優れており好ましい。前記アクリル系繊維としては耐炎化反応を促進するモノマー成分を含むものであれば特に限定されず、前記モノマー成分としては例えば
イタコン酸、アクリル酸、メタクリル酸およびそれらのメチルエステル、エチルエステル、プロピルエステル、アルカリ金属塩、アンモニウム塩、あるいはアリルスルホン酸、メタクリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、およびそれらのアルカリ金属塩等が挙げられる。なお、原料繊維の紡糸方法は湿式紡糸法や乾湿式紡糸法を適用することが好ましいが特に限定されない。

本発明に用いる炭素繊維は、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤等のカップリング剤、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂等の収束剤で表面処理されていてもよい。

本発明に用いる炭素繊維としては、１〜２５ｍｍ程度の長さに切断した短繊維をばらばらにして、あるいはそれらを集めた例えばトウ（多数のフィラメントを揃えた束）の形状で使用してもよく、また長繊維ないし連続繊維を幅方向に引き揃えた形状で使用してもよく、更にそれらを織物、編物、不織布の形状に変えてから使用してもよい。

また、上記炭素繊維は、一種単独で用いてもよく、二種以上を混合して用いてもよい。
本発明に用いる炭素繊維の量は、本発明の製造方法により得られる炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体中に占める炭素繊維の割合が１０〜９０体積％、好ましくは、２０〜６５体積％（ただし、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体を１００体積％とする）の範囲となる量であることが好ましい。前記範囲では、本発明の製造方法により得られる炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体が熱可塑性樹脂の有する柔軟性を保持しつつ、高い機械的強度を有するため好ましい。

（熱可塑性樹脂）
本発明に用いられる熱可塑性樹脂としては特に限定はなく、汎用樹脂、耐熱性樹脂、エンジニアリング樹脂等様々な熱可塑性樹脂を用いることができる。

本発明に用いられる熱可塑性樹脂としては例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン；ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル等のポリ（メタ）アクリル酸エステル、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体、アクリルニトリル・スチレン共重合体等のビニル系重合体；ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６１０、ナイロン６１２、ナイロン６１、ナイロン６Ｔ、ナイロン９Ｔ等のポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド等の縮合系重合体；ポリアセタール；ポリフェニレンオキサイド；ポリフェニレンサルファイド；ポリエーテルスルホン等が挙げられる。

中でも、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアセタール、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルスルホンが機械的強度、耐熱性、加工性などの点で好ましい。

また、上記熱可塑性樹脂は一種単独で用いてもよく、二種以上をブレンドして用いてもよい。
本発明に用いる熱可塑性樹脂の量は、本発明の製造方法により得られる炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体中に占める熱可塑性樹脂の割合が１０〜９０体積％、好ましくは３５〜８０体積％（ただし、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体を１００体積％とする）の範囲となる量であることが好ましい。前記範囲では、本発明の製造方法により得られる炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体が熱可塑性樹脂の有する柔軟性を保持しつつ、高い機械的強度を有するため好ましい。

熱可塑性樹脂の形状としては、フィルムまたはシート状であることが、電子線の均一な照射の観点から好ましい。
（添加剤）
本発明においては、上記炭素繊維、熱可塑性樹脂以外の成分として、各種添加剤が含まれていてもよい。

添加剤としては、例えば、充填材、難燃剤、難燃助剤、顔料、染料、滑剤、離型剤、相溶化剤、分散剤、結晶核剤、可塑剤、熱安定剤、酸化防止剤、着色防止剤、紫外線吸収剤、流動性改質剤、発泡剤、抗菌剤、制振剤、防臭剤、摺動性改質剤、導電性付与剤、帯電防止剤、剛性付与剤等の任意の添加剤を使用することができる。

離型剤としては、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）やワックスが使用できる。
本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体において、添加剤が含まれる場合には、通常上記熱可塑性樹脂１００重量部に対して、０．１〜５０重量部、好ましくは０．５〜３０重量部含有される。

本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法では、通常炭素繊維と熱可塑性樹脂とを加熱複合化等により一体化する。一体化は、炭素繊維と熱可塑性樹脂とに電子線を照射する前に行っても、電子線を照射した後に行ってもよい。

なお、炭素繊維と熱可塑性樹脂とを一体化するには、通常加熱複合化により行うことができる。加熱複合化とは、炭素繊維と熱可塑性樹脂とを加熱加圧下で一体化することを意味する。加熱複合化の方法としては、炭素繊維を熱可塑性樹脂のフィルムで挟み込み、加熱加圧下で一体化する方法が挙げられる。また、加熱複合化の条件としては特に限定されないが、好ましくは不活性ガス雰囲気中、熱可塑性樹脂の軟化する温度、あるいは融点以上の温度で、４〜３０００ｋＰａの印加圧力下で、０．０２〜２分保持することにより、加熱複合化を行うことができる。

本発明の製造方法は、通常炭素繊維および熱可塑性樹脂を加熱複合化するが、本発明の製造方法は、加熱複合化を電子線を照射する前に行う態様と、照射した後に行う態様の二つの態様に大きく分けることができる。以下、それぞれの態様を説明する。

（第一の態様）
本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法における第一の態様は、加速電圧が１００〜３００ｋｅＶの範囲で、炭素繊維および熱可塑性樹脂に電子線を照射する炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法において、前記照射の後に、電子線が照射された炭素繊維および熱可塑性樹脂を加熱複合化することを特徴とする。

第一の態様では、前記照射における電子線照射線量が、０．１〜０．９ＭＧｙの範囲であることが好ましく、０．２〜０．８ＭＧｙの範囲であることがより好ましい。
電子線照射線量が上記範囲にあると、得られる炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の引張強度や曲げ強度さらには衝撃強度等の機械的な物性が、従来の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体と比べて向上するため好ましい。

第一の態様の具体例としては、加速電圧が１００〜３００ｋｅＶの範囲で、炭素繊維および熱可塑性樹脂に電子線を照射する炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法において、前記照射が炭素繊維を熱可塑性樹脂で挟み込んだ積層体に行われ、電子線照射後の積層体を、加熱複合化する方法が挙げられる。図２（ａ）に前記第一の態様の具体例の概念図を示す。なお、図２においてＥＢは電子線を、ＣＦは炭素繊維を意味する。

なお、炭素繊維を熱可塑性樹脂で挟み込んだ積層体は、例えばフィルムまたはシート状の熱可塑性樹脂上に、炭素繊維の短繊維を平面的に配置、炭素繊維の長繊維（フィラメント）を引き揃えて平面的に配置、あるいは炭素繊維の織物、編物または不織布を配置し、該炭素繊維上に別のフィルムまたはシート状の熱可塑性樹脂を配置することにより得られる。

第一の態様では前述のように、電子線の照射の後に、電子線が照射された炭素繊維および熱可塑性樹脂を加熱複合化する。すなわち、電子線を照射する前には、炭素繊維と熱可塑性樹脂とは加熱複合化されておらず、例えば、炭素繊維と熱可塑性樹脂とが別々に存在していてもよく、前述の積層体として存在していてもよい。炭素繊維と熱可塑性樹脂とが別々に存在する場合には、電子線の照射は、炭素繊維と熱可塑性樹脂とで、異なる電子線照射装置を用いてもよく、同一の電子線照射装置を用いて、順次電子線の照射を行ってもよく、同時に行ってもよい。

図１に本発明に使用可能な電子線照射装置の一例を示す。該電子線照射装置は、マルチ電子銃７を備えた真空室２と、その下部に炭素繊維および熱可塑性樹脂が供給される筐体１とが設置され、真空室２と筐体１とが接するように構成されている。筐体１の内部は、窒素ガスのような不活性ガス雰囲気に保たれ、駆動ロール３および従動ロール４に懸架されたコンベヤ５が配置されている。該コンベヤ５の上を試料６が搬送される。前記真空室２内には、カソードとなるマルチ電子銃７が配置され、真空室２の下部でかつ筺体１と接する箇所にアノードとなる窓８がチタン膜によって形成され配置されている。真空室２内のマルチ電子銃７から、筐体１中の試料６に向かって電子線が窓８を通して照射されるので、筐体１の内部がプロセス領域９を構成している。

なお、前記試料６とは、電子線が照射される対象であり、具体的には前述の炭素繊維を熱可塑性樹脂で挟み込んだ積層体、炭素繊維および熱可塑性樹脂が挙げられる。
また試料６として積層体を用いる場合には、積層体の厚さが増すと、一般に電子線が内部まで充分に進入しないため、積層体の厚さが１００〜２７０μｍであることが好ましい。なお、炭素繊維強化樹脂成型体として厚みのある成形体を製造する場合には、上記範囲の厚さを有する積層体を複数準備して、各積層体に電子線照射を行った後に、それらを積層し一体化することが好ましい。

ここで電子線照射量Ｄ（ＭＧｙ）は、Ｉ（Irradiation current（ｍＡ））、Ｓ（Conveyor speed(ｍ／ｍｉｎ.)）、ｎ（Number of Irradiation）との間の関係式（下記式
１）から算出される。

Ｄ＝０．２１６×（Ｉ／Ｓ）×ｎ (式１)
なお、加速電圧（Ｖ）が１７０ｋｅＶで、厚さ２５μｍのナイロン−６フィルム、および直径６μｍの炭素繊維を用いたときに、電子線は１００〜２７０μｍの深さへと侵入するので、電子線の進入深さを考慮して、使用素材の密度や厚さ、照射環境等を適宜制御することが必要になる。

前記加熱複合化を行う際に用いる装置としては、電子線が照射された炭素繊維および熱可塑性樹脂を加熱および加圧することができれば特に限定は無く、例えば図３に示す加熱加圧装置が用いられる。

図３に示す加熱加圧装置は、二つの加熱器２５の間に、成型容器２８が設置され、成型容器２８には、容器内部の雰囲気を非酸化状態に保つために不活性ガス、例えば窒素、アルゴン、アルゴン‐水素混合ガスを供給するための吸気口２６および排気口２７が設けら
れている。成型容器２８の内部には、加圧器２４が配置されており、保温板２３で挟み込まれた、炭素繊維２１および熱可塑性樹脂２２を加圧することができる。なお、第一の態様においては前記炭素繊維２１および熱可塑性樹脂２２は、電子線が照射された炭素繊維および熱可塑性樹脂であるが、後述する第二の態様においては、電子線が照射される前の炭素繊維および熱可塑性樹脂が用いられる。

なお、加熱複合化を行う際に用いる装置としては、図３に示す加熱加圧装置以外にも、例えば、加熱した状態にある、炭素繊維および熱可塑性樹脂からなる積層体を、一対のローラー間に通過させることにより一体化する機能を有する装置等も用いることができる。

なお、第一の態様において加熱複合化は、炭素繊維および熱可塑性樹脂に電子線を照射した後に行われるが、電子線照射後、長時間放置すると、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の機械的強度の向上効果が低下する。このため、電子線照射後すみやかに炭素繊維と熱可塑性樹脂とを加熱複合化することが好ましく、具体的には電子線照射後１０分以内に炭素繊維と熱可塑性樹脂とを加熱複合化することが好ましい。

（第二の態様）
本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法における第二の態様は、加速電圧が１００〜３００ｋｅＶの範囲で、炭素繊維および熱可塑性樹脂に電子線を照射する炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法において、前記照射の前に、炭素繊維および熱可塑性樹脂を加熱複合化することを特徴とする。

第二の態様では、前記照射における電子線照射線量が、０．１〜０．５ＭＧｙの範囲であることが好ましく、０．２〜０．４ＭＧｙの範囲であることがより好ましい。
電子線照射線量が上記範囲にあると、得られる炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の引張強度や曲げ強度、さらには衝撃強度等の機械的な物性が、従来の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体と比べて向上するため好ましい。

第二の態様の具体例としては、加速電圧が１００〜３００ｋｅＶの範囲で、炭素繊維および熱可塑性樹脂に電子線を照射する炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法において、前記照射が炭素繊維を熱可塑性樹脂で挟み込んだ積層体を、加熱複合化することにより得られる複合体に行われる方法が挙げられる。図２（ｂ）に前記第二の態様の具体例の概念図を示す。

なお、炭素繊維を熱可塑性樹脂で挟み込んだ積層体は、上述の第一の態様で記載した積層体と同様のものを用いることができる。
また、第二の態様においては、積層体を加熱複合化することにより複合体を得るが、加熱複合化を行う際に用いる装置としては、炭素繊維および熱可塑性樹脂を加熱および加圧することができれば特に限定は無く、例えば上述の第一の態様で記載した図３に示す加熱加圧装置が用いられる。

第二の態様では前述のように、複合体に電子線の照射を行うが、電子線の照射に用いる電子線照射装置としては、特に限定は無く、例えば上述の第一の態様で記載した図１に示す電子線照射装置等を用いることができる。なお、第二の態様においては、試料６として、前記複合体が用いられる。

第二の態様には、炭素繊維および熱可塑性樹脂を加熱複合化することにより得られる複合体を用いるが、複合体としては、上述の積層体を加熱複合化することにより得られる複合体以外に、熱可塑性樹脂と炭素繊維（好ましくは短繊維）とを混合し、射出成型や押出成型法により所望の形状に成型された成型品を複合体として用いてもよい。

なお、複合体の厚さが増すと、一般に電子線が内部まで充分に進入しないため、複合体の厚さが１００〜２７０μｍであることが好ましい。なお、炭素繊維強化樹脂成型体として厚みのある成形体を製造する場合には、上記範囲の厚さを有する複合体を複数用いて、電子線照射を行った後に、それらを積層することが好ましい。

なお、上述の炭素繊維熱可塑性樹脂成型体の製造方法においては、一体化した複合体に真空成型や圧空成型等の様々な二次成形を加えてもよい。
本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体は、上述の炭素繊維強化熱可塑性樹脂の製造方法により得ることができる。本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体は、機械的強度に優れる。このため本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体は、航空機、宇宙ロケット、自動車、輸送機器、スポーツ用品、土木建築用品等の各種産業分野における製品や機械部品等として用いることができる。

次に本発明について実施例を示してさらに詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
〔実施例１〕
ポリアミドフィルム(ナイロン−６、ユニチカ製 EMBLEM ON、厚さ２５μｍ、幅１５．
０ｍｍ、長さ３０．０ｍｍ)と、一方向性の炭素繊維束（以下、炭素繊維とも記す）(東レ製 T-800HB、直径６μｍ、長さ４０．０ｍｍ、本数１２０００本、厚さ約１１５μｍ、表面にサイジング剤処理がなされている)とを準備した。

２枚のポリアミドフィルムの間に炭素繊維を挟み込み積層体を得た。次いで図３に記載した加熱加圧装置を用いて、温度２３０℃、印加圧力４．４ｋＰａ、時間２分、雰囲気Ａｒ−Ｈ₂ガスの条件で積層体をプレスすることにより加熱複合化を行い、ポリアミド層／
炭素繊維層／ポリアミド層からなる３層を一体化した。この加熱複合化の際に、炭素繊維間にポリアミド樹脂が混入し、長さ２３．８ｍｍ、幅１０．２ｍｍ、厚さ１５０μｍ、体積３６．４ｍｍ³のフィルム状の複合体を得た。この時、両端からはみ出した不要な炭素
繊維部分を切除した。この複合体の炭素繊維含有量は、２３．３体積％であった。

次いで、複合体を図１に示した電子線照射装置にセットし、室温、窒素ガス雰囲気中（１０１３ｈＰａ）で電子線を照射し、フィルム状の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（１−１）を得た。照射条件は、Acceleration voltage（加速電圧）が１７０ｋｅＶ、Irradiation currentがＩ＝２ｍＡ、Conveyor speedがＳ＝１０ｍ／ｍｉｎ、真空室の真空度が３×１０^-4Ｐａ以下、Ｔｉ箔窓の厚さが１５μｍ、窓から試料までの距離が１０ｍｍ、試料にかかる電圧が約１３０ｋｅＶで、1回当たりの照射量は、４３．２ｋＧｙで、1回当たりの照射時間は０．２３秒であった。照射回数は７回で、照射時間は１．６１秒、照射量は０．３０ＭＧｙで行った。

前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（１−１）の引張試験を、ＪＩＳＫ７０７３に準拠して行った。すなわち、インストロン引張試験機（型番３３６７）を用い、厚さ１５０μｍ、幅１０．２ｍｍ、長さ２３．８ｍｍ、炭素繊維含有率２３．３体積％の短冊形の試験片を用い、下記式より引張強度を算出し、引張応力と伸び歪との関係を図４に示す。

σ＝Ｆ／Ｓ
（σ：引張強度（ＭＰａ）、Ｆ：引張荷重（Ｎ）、Ｓ：試験片の断面積（ｍ²））
また、前述と同様の方法で、厚さ２４９μｍ、幅１．９３ｍｍ、長さ２４．０ｍｍ、重さ０．０１ｇ、炭素繊維含有率４３．６体積％のフィルム状の複合体を得た。複合体に電子線を照射し、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（１−２）を得た。電子線照射は、同様
の装置を用い、電子線の照射条件を、照射回数１０回、照射時間２．３秒、照射線量０．４３ＭＧｙとして行った。なお、加熱複合化工程で、試験片中に、僅かな空隙が入った為に、予定した厚さよりも厚くなった。

前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（１−２）の曲げ試験を、ＪＩＳＫ７０７４に準拠して行った。すなわち、３点曲げ試験機を用い、厚さ２４９μm、幅１．９３mm、長
さ２４．０mm、重さ０．０１g、炭素繊維含有率４３．６体積％の試験片を用いて、支点
間距離９．５mmの条件で曲げ試験を行い、下記式に従って曲げ強度を算出し、曲げ応力と曲げ歪との関係を図５に示した。

σ＝３ＰＬ／（２ｂｈ²）
（σ：曲げ強度（ＭＰａ）、Ｐ：曲げ荷重（Ｎ）、Ｌ：ゲージ間距離（ｍ）、ｂ：試験片の幅（ｍ）、ｈ：スパン間距離（ｍ））
〔実施例２〕
実施例１と同様のポリアミドフィルムと、炭素繊維とを準備した。

２枚のポリアミドフィルムの間に炭素繊維を挟み込み積層体を得た。
次いで、積層体を図１に示した電子線照射装置にセットし、室温、窒素ガス雰囲気中（１０１３ｈＰａ）で電子線を照射した。照射条件は、Acceleration voltage（加速電圧
）が１７０ｋｅＶ、Irradiation currentがＩ＝２ｍＡ、Conveyor speedがＳ＝１０ｍ
／ｍｉｎ．、真空室の真空度が３×１０^-4Ｐａ以下、Ｔｉ箔窓の厚さが１５μｍ、窓から試料までの距離が１０ｍｍ、試料にかかる電圧が約１３０ｋｅＶで、1回当たりの照射量
は、４３．２ｋＧｙで、1回当たりの照射時間は０．２３秒であった。照射回数は１０回
で、照射時間は２．３秒、照射量は０．４３２ＭＧｙで行った。

次いで図３に記載した加熱加圧装置を用いて、温度２３０℃、印加圧力４．４ｋＰａ、時間２分、雰囲気Ａｒ−Ｈ₂ガスの条件で電子線照射後の積層体をプレスすることにより
加熱複合化を行い、ポリアミド層／炭素繊維層／ポリアミド層からなる３層が強固に一体化した、長さ２３．８ｍｍ、幅１０．２ｍｍ、厚さ１５０μｍ、体積３６．４ｍｍ³のフ
ィルム状の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（２−１）を得た。この時、両端からはみ出した不要な炭素繊維部分を切除した。この炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（２−１）の炭素繊維含有量は、２３．３体積％であった。

実施例１と同様に炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（２−１）の引張試験を、ＪＩＳＫ７０７３に準拠して行った。
また、前述と同様の方法で、積層体に電子線を照射し、加熱複合化を行うことにより、厚さ２４９μｍ、幅１．９３ｍｍ、長さ２４．０ｍｍ、重さ０．０１ｇ、炭素繊維含有率４３．６体積％の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（２−２）を得た。電子線照射は、同様の装置を用い、電子線の照射条件を、照射回数１０回、照射時間２．３秒、照射線量０．４３ＭＧｙとして行った。

実施例１と同様に、前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（２−２）の曲げ試験を、ＪＩＳＫ７０７４に準拠して行った。
結果を図６、７に示す。

〔比較例１〕
実施例１と同様のフィルム状の積層体から、電子線を照射することなく試験片を作成し、ＪＩＳＫ７０７３に準拠した引張試験、およびＪＩＳＫ７０７４に準拠した曲げ試験を行った。

結果を図４〜７に示す。
比較例１および実施例１、２より、電子線の照射を行わなかった場合（比較例１）と比べ、電子線を照射することにより得た炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（実施例１、２）は、高い引張強度および高い曲げ弾性率を有することが分かった。

〔比較例２〕
実施例１と同様のポリアミドフィルムと、炭素繊維とを準備した。
炭素繊維に電子線を照射した。照射条件は、Acceleration voltage（加速電圧）が１
７０ｋｅＶ、Irradiation currentがＩ＝２ｍＡ、Conveyor speedがＳ＝１０ｍ／ｍｉ
ｎ．、真空室の真空度が３×１０^-4Ｐａ以下、Ｔｉ箔窓の厚さが１５μｍ、窓から試料までの距離が１０ｍｍ、試料にかかる電圧が約１３０ｋｅＶで、1回当たりの照射量は、４
３．２ｋＧｙで、1回当たりの照射時間は０．２３秒であった。照射回数は７回で、照射
時間は１．６秒、照射量は０．３０２ＭＧｙで行った。

２枚のポリアミドフィルムの間に電子線照射後の炭素繊維を挟み込み積層体を得た。次いで図３に記載した加熱加圧装置を用いて、温度２３０℃、印加圧力４．４ｋＰａ、時間２分、雰囲気Ａｒ−Ｈ₂ガスの条件で積層体をプレスすることにより加熱複合化を行い、
ポリアミド層／炭素繊維層／ポリアミド層からなる３層が強固に一体化した、厚さ１５０μｍ、幅１０．２ｍｍ、長さ２３．８ｍｍ、炭素繊維含有率２３．３体積％のフィルム状の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（ｃ２−１）を得た。同様の方法で、厚さ２４９μｍ、幅１．９３ｍｍ、長さ２４．０ｍｍ、重さ０．０１ｇ、炭素繊維含有率４３．６体積％のフィルム状の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（ｃ２−２）を得た。この時、両端からはみ出した不要な炭素繊維部分を切除した。

実施例１と同様に炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（ｃ２−１）の引張試験を、ＪＩＳ
Ｋ７０７３に準拠して行った。
実施例１と同様に、前記炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体（ｃ２−２）の曲げ試験を、ＪＩＳＫ７０７４に準拠して行った。

結果を図４〜７に示す。
比較例２のように、炭素繊維にのみ電子線照射を行い、熱可塑性樹脂には電子線の照射を行わずに得た、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体は、実施例１および実施例２で得た炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体と比べて引張強度および曲げ弾性率が劣っていた。

〔比較例３、実施例３、４、５、参考例１〕
実施例１において、電子線照射回数を０（比較例３）、３（実施例３）、７（実施例４）、１０（実施例５）、１５（参考例１）回、照射線量を０（比較例３）、０．１３０（実施例３）、０．３０２（実施例４）、０．４３２（実施例５）、０．６４８（参考例１）ＭＧｙ、照射時間を０（比較例３）、０．６９（実施例３）、１．６１（実施例４）、２．３０（実施例５）、３．４５（参考例１）秒へと変えた以外は、実施例１と同様に行い、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体を得た。

実施例１と同様に炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体から試験片を作成し、ＪＩＳＫ７０７３に準拠した引張試験を行い、引張強度と電子線照射量と関係を図８（実線）に示した。

〔実施例６、７、８、９、１０〕
実施例２において、電子線照射回数を３（実施例６）、７（実施例７）、１０（実施例８）、１５（実施例９）、２０（実施例１０）回、照射線量を０．１３０（実施例６）、０．３０２（実施例７）、０．４３２（実施例８）、０．６４８（実施例９）、０．８６
４（実施例１０）ＭＧｙ、照射時間を０．６９（実施例６）、１．６１（実施例７）、２．３０（実施例８）、３．４５（実施例９）、４．６０（実施例１０）秒へと変えた以外は、実施例２と同様に行い、炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体を得た。

実施例２と同様に炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体から試験片を作成し、ＪＩＳＫ７０７３に準拠した引張試験を行い、引張強度と電子線照射量と関係を図８（点線）に示した。

〔実施例１１〕
実施例１と同様の炭素繊維束を用い、炭素繊維束（本数１２，０００本）のうち２，０００本分を数えて取り除き、１０，０００本へと調整し、炭素繊維含有量が４５．５体積％へと変えた以外は実施例１と同様に行い炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体を得た。

実施例１と同様に炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体から試験片を作成し、ＪＩＳＫ７０７３に準拠した引張試験を行い、結果を図９に示した。
なお、試験片の形状は炭素繊維含有率４５．５体積％：炭素繊維本数１０，０００本、厚さ３２３μｍ、幅４．５５ｍｍ、長さ３０．５ｍｍであった。

〔比較例４〕
実施例１１において、電子線照射を行わなかった以外は実施例１１と同様にして、炭素繊維含有率４５．５体積％の試験片を作成し、ＪＩＳＫ７０７３に準拠した引張試験を行い、結果を図９に示した。

比較例４および実施例１１より、電子線の照射を行わなかった場合と比べ、電子線を照射することにより得た炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体は、高い引張強度を有することが分かった。

電子線照射装置の一例を示す概略図である。炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法の第一の態様の具体例を示す概念図（ａ）および第二の態様の具体例を示す概念図である。熱可塑性樹脂と炭素繊維とを加熱複合化するための、加熱加圧装置の一例を示す概略図である。実施例１、比較例１、２の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体における引張応力と伸び歪みとの関係を示す図である。実施例１、比較例１、２の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体における曲げ応力と曲げ歪みとの関係を示す図である。実施例２、比較例１、２の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体における引張応力と伸び歪みとの関係を示す図である。実施例２、比較例１、２の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体における曲げ応力と曲げ歪みとの関係を示す図である。実施例３〜１０、比較例３、および参考例１の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の引張応力と電子線照射量との関係を示す図である。実施例１１および比較例４の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の引張応力と伸び歪みとの関係を示す図である。

符号の説明

１・・・筐体
２・・・真空室
３・・・駆動ロール
４・・・従動ロール
５・・・コンベヤ
６・・・試料
７・・・マルチ電子銃（カソード）
８・・・窓（アノード）
９・・・プロセス領域
２１・・・炭素繊維
２２・・・熱可塑性樹脂
２３・・・保温板
２４・・・加圧器
２５・・・加熱器
２６・・・吸気口
２７・・・排気口
２８・・・成型容器

Claims

加速電圧が１００〜３００ｋｅＶの範囲で、炭素繊維および熱可塑性樹脂に電子線を照射することを特徴とする炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法。
前記照射の後に、電子線が照射された炭素繊維および熱可塑性樹脂を加熱複合化することを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法。
前記照射における電子線照射線量が、０．１〜０．９ＭＧｙの範囲であることを特徴とする請求項２に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法。
前記照射の前に、炭素繊維および熱可塑性樹脂を加熱複合化することを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法。
前記照射における電子線照射線量が、０．１〜０．５ＭＧｙの範囲であることを特徴とする請求項４に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体の製造方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法により得られることを特徴とする炭素繊維強化熱可塑性樹脂成型体。