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 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
1)から算出される。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
〔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。
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。
(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。
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: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。
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。
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。
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。
結果を図6、7に示す。
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、JIS K7073に準拠した引張試験、およびJIS K7074に準拠した曲げ試験を行った。
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。
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。
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。
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、JIS K7074に準拠して行った。
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。
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。
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。
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、JIS K7073に準拠した引張試験を行い、結果を図9に示した。
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 (6)
- 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。
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