JP5592775B2 - 炭素繊維巻きテープとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、円筒状芯材に炭素テープが巻き付けられた炭素繊維巻きテープと、その製造方法に関する。

炭素繊維は、軽量で機械的強度が高いため、各種用途に適用する樹脂材料の強化繊維として汎用されている。

特許文献１は、長繊維強化複合材料の製造方法の発明であり、段落番号０００７には繊維の例として、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、芳香族ポリアミド繊等の連続した繊維が示されている。しかしながら、実施例で使用されているのはガラス繊維のみであり、他の繊維、特に機械的強度が大きく異なる炭素繊維であっても同様に製造できるものとは認められない。

特許文献２は、所定の条件式を満たす強化繊維を熱可塑性樹脂で含浸して得られるテープ状成形材料の発明である。段落番号０００７では、強化繊維としてガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、セラミックス繊維、金属繊維等が例示されている。しかし、実施例で使用されているのはガラス繊維のみであり、他の繊維、特に機械的強度が大きく異なる炭素繊維であっても同様に製造できるものとは認められない。なお、請求項１に記載の条件式を満たす炭素繊維を使用した場合、特許文献２の実施例の方法では、事実上、テープ状成形体は製造することができない。

特許文献３は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造装置の発明である。前記製造装置は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造時に発生する毛羽を排出することが特徴のものである。

特許文献４は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造方法の発明である。得られたテープ厚みは１３０μm以下となり、１３０μmを超えるものは曲げ強度が劣っていることが記載されている（表１参照）。特許文献４の発明は、テープの厚みが大きいと曲げ強度が劣るとの知見に基づき、テープ厚みを小さくすることで、曲げ強度を高めようとしたものである。

特許第３１１９６９９号公報 特許第３３８６１５８号公報 特開２００７−７６２２４号公報 特開２００７−１１８２１６号公報

炭素繊維テープを保管したり運搬したりする場合には、長いままでは取り扱いが難しいため、芯材に巻き取った巻きテープの状態で保管・運搬できれば容易であり、使用時の作業性も良くなる。さらに作業の種類によっては、小さな径の巻きテープが使い易い場合や、大きな径の巻きテープが使いやすい場合がある。

しかし、特許文献４に記載のとおり、従来は、炭素繊維テープの厚みが大きくなると（厚みが１３０μmを超えると）曲げ強度が劣る（即ち、厚みが大きくなると巻き取り保存が困難である）ことが知られていた。この事実からすると、炭素繊維テープを薄くすれば良いことになるが、過度に薄くすることは技術的に困難であり、返って作業性を損なうことも考えられる。

本発明は、保管や運搬が容易であり、作業性を著しく向上させることができる、円筒状芯材に炭素テープが巻き付けられた炭素繊維巻きテープと、その製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、課題の解決手段として、
炭素繊維と芳香族ポリアミド樹脂又は脂肪族ポリアミド樹脂を含む複合体からなる炭素繊維テープが、円筒状芯材に巻き付けられた炭素繊維巻きテープであって、
式（I）から求められる炭素繊維テープの幅（Ｗ）が５〜１００ｍｍの範囲であり、
前記幅（Ｗ）が５〜１００ｍｍの範囲の炭素繊維テープが巻き付けられた円筒状芯材の最小直径（Ｄ）が、式（II）から求められるものである炭素繊維巻きテープを提供する。
０．２×１０^-3×Ｎ≦Ｗ≦２×１０^-3×Ｎ （I）
（式（I）中、Ｎは、炭素繊維を構成する炭素繊維の本数である。）
４．５×Ｆ×ｔ≦Ｄ≦５０×Ｆ×ｔ （II）
（式（II）中、Ｆは炭素繊維量で、２０〜６０質量％の範囲であり、ｔは炭素繊維テープの厚みで、０．１〜０．５ｍｍの範囲である。）

また本発明は、他の課題の解決手段として、
請求項上記の炭素繊維巻きテープの製造方法であって、
１本又は２本以上の炭素繊維を含む集束体をクロスヘッドダイに導入する工程、
クロスヘットダイ内において、加熱及び加圧状態にて、炭素繊維を含む集束体を開繊しながら溶融樹脂と接触させ、炭素繊維と熱可塑性樹脂が一体化されたテープ状の複合体を得る工程、
前記テープ状の複合体をクロスヘットダイのスリット出口から押し出し、厚さ方向の両側からローラーで支持し、かつ冷却することにより、炭素繊維テープを得る工程、
得られた炭素繊維テープ円筒状芯材に巻き付ける工程、
を有している炭素繊維巻きテープの製造方法を提供する。

本発明の炭素繊維巻きテープは、芯材の周囲に炭素繊維テープが巻き取られた形態であることから、保管及び運搬が容易であり、必要量だけ取り出して使用できることから、作業性も良い。

炭素繊維巻きテープの製造方法を説明するための製造フローを示す概略図。 炭素繊維巻きテープの製造方法を説明するための他の製造フローを示す概略図。

＜炭素繊維巻きテープ＞
本発明の炭素繊維巻きテープは、炭素繊維テープが円筒状芯材の周囲に多数回（多数層）巻き取られたものである。

本発明の炭素繊維巻きテープで使用する炭素繊維テープは、円筒状芯材に巻き取ることができ、かつ少なくとも実施例に記載の耐久試験１を実施したときに外観に変化がないもの（クラック等が生じないもの）であり、好ましくはさらに耐久試験２を実施したときにも変化がないものである。

本発明の炭素繊維巻きテープ（炭素繊維テープ）は、下記式（I）から求められる炭素繊維テープの幅（Ｗ）が５〜１００ｍｍの範囲である。

０．２×１０^-3×Ｎ≦Ｗ≦２×１０^-3×Ｎ （I）
（式（I）中、Ｎは、炭素繊維を構成する炭素繊維の本数である。）
なお、市販されている炭素繊維の外径は、ほぼ同一径（７μm程度）であるから、式（I）では考慮していない。

式（I）から求められる炭素繊維テープの幅（Ｗ）は、例えば、
炭素繊維２５，０００本を使用することで、炭素繊維テープの幅（Ｗ）を５〜５０ｍｍの範囲にすることができ、
炭素繊維５０，０００本を使用することで、炭素繊維テープの幅（Ｗ）を１０〜１００ｍｍの範囲にすることができる。

式（I）から求められる炭素繊維テープの幅（Ｗ）が下限値（5mm）以上であると、樹脂（芳香族ポリアミド樹脂又は脂肪族ポリアミド樹脂）の含浸が充分になるので、炭素繊維テープ自体の強度が高められ、上限値（100mm）以下であると、テープ内の炭素繊維の分布が均一になるので、炭素繊維を含んでいることによる機能が充分に発現される。
式（I）から求められる炭素繊維テープの幅（Ｗ）は、１０〜８０ｍｍが好ましく、１０〜５０ｍｍがより好ましい。

本発明の炭素繊維巻きテープで使用する円筒状芯材は、幅（直径）方向の断面が円形のものであるが、多角形（三角形以上であるが、望ましくは六角形、八角形等）でもよいし、楕円形でもよい。
円筒状芯材は、紙、木、プラスチック、金属、セラミックス等からなるものを用いることができる。

円筒状芯材の最小直径（最小外径）（Ｄ）は、式（II）から求められるものである。円筒状芯材の最小直径（Ｄ）は、上記幅（Ｗ）の炭素繊維テープを巻き取ることができ、かつ少なくとも実施例に記載の耐久試験１を実施したときに外観に変化を生じさせない（クラック等を生じさせない）ような最小値であり、好ましくはさらに耐久試験２を実施したときにも変化を生じさせないような最小値である。

４．５×Ｆ×ｔ≦Ｄ≦５０×Ｆ×ｔ （II）
（式（II）中、Ｆは炭素繊維量で、２０〜６０質量％の範囲であり、ｔは炭素繊維テープの厚みで、０．１〜０．５ｍｍの範囲である。）
なお、円筒状芯材の断面形状が多角形、例えば六角形の場合には、正対する角同士を結んだ長さが前記Ｄとなり、楕円形の場合には長径の長さが前記Ｄとなる。

炭素繊維テープは、炭素繊維量が少ないほど（即ち、芳香族ポリアミド樹脂量又は脂肪族ポリアミド樹脂量が多いほど）、柔軟性が向上して芯材に巻きやすくなり、炭素繊維量が多いほど（即ち、芳香族ポリアミド樹脂量又は脂肪族ポリアミド樹脂量が少ないほど）、柔軟性が低下して、芯材に巻き難くなる。
さらに炭素繊維テープは、厚みが大きいと製造は容易であるが、芯材に巻きにくくなり、厚みが小さいと製造が困難になるが、芯材に巻きやすくなる。

式（II）は、炭素繊維テープの炭素繊維濃度（Ｆ）及び厚み（ｔ）の関係から、炭素繊維テープを巻き付けて保持できる円筒状芯材の直径（Ｄ）を求めるものである。
具体的には、様々な濃度（Ｆ）及び厚み（ｔ）を有する炭素繊維テープを様々な直径の芯材に巻き付けたとき、炭素繊維テープに外観変化が生じない場合の芯材の直径（Ｄ）を実験により測定し、濃度（Ｆ）及び厚み（ｔ）との関連から式（II）を導くことができる。

式（II）から求められる円筒状芯材の最小直径（Ｄ）以上であると、巻き付けて保持したときに炭素繊維テープにクラック等が生じることがない。なお、円筒状芯材の最小直径（Ｄ）は、運搬時、保管時、作業時等における取り扱い易さの観点からは、式（II）から求められる最小直径（Ｄ）を満たすものの内、２５ｍｍ以上であることが好ましく、３０ｍｍ以上であることがより好ましい。
また、円筒状芯材の上限値は、炭素繊維テープを巻くことができ、かつクラック等を生じさせないとの理由からは制限はなく、製造工程、保管及び運搬、作業現場等の要請に応じて適宜選択することができるものであり、例えば１０００ｍｍ以下にすることができるが、取り扱い上の観点からは８００ｍｍ以下が好ましく、６００ｍｍ以下、５００ｍｍ以下がより好ましい。

炭素繊維巻きテープとなる炭素繊維テープは、炭素繊維とポリアミド樹脂を含む複合体からなるものである。
炭素繊維は周知のものであり、ＰＡＮ系、ピッチ系、レーヨン系、リグニン系等のものを用いることができる。

芳香族ポリアミドは、芳香族ジカルボン酸と脂肪族ジアミン又は脂肪族ジカルボン酸と芳香族ジアミンから得られるもの、例えば、ポリアミドMXD（メタキシリレンジアミンとアジピン酸）、ポリアミド6T（ヘキサメチレンジアミンとテレフタル酸）、ポリアミド6I（ヘキサメチレンジアミンとイソフタル酸）、ポリアミド9T（ノナンジアミンとテレフタル酸）、ポリアミドM5T（メチルペンタジアミンとテレフタル酸）、ポリアミド10T（デカメチレンジアミンとテレフタル酸）を用いることができる。

脂肪族ポリアミドは、ポリアミド６、ポリアミド４６、ポリアミド６６、ポリアミド１１、ポリアミド１２、ポリアミド１２１２、ポリアミド１０１０、ポリアミド１０１２、ポリアミド１１１２、ポリアミド６１０、ポリアミド６１２、ポリアミド６９、ポリアミド８１０等を用いることができる。

本発明の炭素繊維巻きテープは、円筒状芯材に巻き取られた形態のものであり、作業時には、適当長さを繰り出し、所望長さに切断して、炭素繊維テープとして使用することができる。

本発明の炭素繊維巻きテープから取り出した炭素繊維テープは、各種樹脂成形体の補強材として使用することができる。

本発明の炭素繊維巻きテープから取り出した炭素繊維テープは、平織り、綾織り、朱子織り等の方法を適用して、シート状の織物にすることもでき、前記のシート状の織物を筒状等に加工することもできる。
また本発明の炭素繊維巻きテープから取り出した炭素繊維テープを筒状に編み上げることもできる。

本発明の炭素繊維巻きテープから取り出した炭素繊維テープ、それらから得られたシートや筒状体等は、芳香族ポリアミド樹脂を含んでいるため、加熱することにより、所望形状に変形させることができる。

＜炭素繊維巻きテープの製造方法＞
図１、図２により、炭素繊維巻きテープの製造方法を説明する。
最初の工程にて、送りロール１５、１６で支持しながら、１本又は２本以上の炭素繊維を含む集束体１０をクロスヘッドダイ２０に導入する。
集束体１０は、繊維径が５〜２４μ、繊維本数が１０００〜２００，０００本の範囲の炭素繊維束が好ましく、より好ましくは３０００〜１５０，０００本の範囲の炭素繊維束である。
この炭素繊維束は、市販の炭素繊維束（例えば、３０Ｋ＝30,000本）をそのまま使用してもよいし、複数の市販の炭素繊維束を組み合わせて使用（例えば、１０Ｋ＝10,000本の繊維束を３束組み合わせて30,000本にして使用）してもよい。
またこの集束体１０は、炭素繊維束をそのまま使用しもよいし、炭素繊維束の表面を集束剤にて表面処理して仮留め状態（束がばらけず、かつ後の開繊作業が損なわれない程度に一体化された状態）にしたものでもよい。

次に、クロスヘットダイ２０内において、加熱及び加圧状態にて、炭素繊維を含む集束体１０を開繊しながら溶融樹脂（溶融状態の芳香族ポリアミド樹脂）と接触させる。

集束体１０の開繊は、集束体１０に対して厚み方向に圧力を加えることができる方法であればよく、本発明では、上型２１と下型２２とを組み合わせたクロスヘットダイ２０を用いる。

クロスヘッドダイ２０は、長さ方向に連続して形成された波形状の凹凸２１ａを有する上型２１と、上型２１の波形状の凹凸２１ａと嵌合できるように形成された波形状の凹凸２２ａを有する下型２２が組み合わされている。

上型２１（又は下型２２でもよい）に溶融樹脂の導入ライン（導入孔）２５が設けられており、上型２１と下型２２との間の集束体１０の通過間隙に溶融樹脂を供給できるようになっている。

上型２１と下型２２には、それぞれ加熱手段が取り付けられ、それらの通過間隙を通る集束体１０を加熱する。このときの加熱温度は、導入ライン（導入孔）２５から供給した樹脂（芳香族ポリアミド樹脂）の融点以上の温度である。

集束体１０は、上型２１と下型２２との間の通過間隙を通るとき、凹凸２１ａ、２２ａの間隙をジグザグに通過する過程で開繊され、炭素繊維間に溶融した芳香族ポリアミド樹脂が含浸される。

その後、集束体１０と芳香族ポリアミド樹脂が一体化された複合体が、クロスヘッドダイ２０のスリット出口２６からテープ状（炭素繊維テープ１１）に押し出される。このとき、スリット出口２６の大きさを調整することで、炭素繊維テープ１１の厚みと幅が調整される。

その後、適宜配置された冷却ロール３１、３２、３３で冷却されながら引き取られ、円柱状の芯材に巻き取られ、炭素繊維巻きテープが得られる。
図１では、冷却ロール３１、３２、３３が、それぞれ炭素繊維テープ１１を介して当接しない位置に配置されており、炭素繊維テープ１１のいずれか一面が先に冷却され、続いて他面が冷却される。
図２では、冷却ロール３１、３２が、それぞれ炭素繊維テープ１１を介して当接する位置に配置されており、炭素繊維テープ１１の両面が同時に冷却される。

製造例（炭素繊維テープの製造）
図１に示すフローにより、表１に示す炭素繊維濃度と厚みを有する炭素繊維テープを製造した。

〔炭素繊維集束体１０〕
トレカ糸，Ｔ７００Ｓ（東レ株式会社製）
〔芳香族ポリアミド樹脂〕
ＰＡ ＭＸＤ６，レニー6002（三菱エンジニアリングプラスチックス（株）製）
〔脂肪族ポリアミド樹脂〕
ＰＡ６６，ＵＢＥナイロン2015B（宇部興産（株）製）
ＰＡ６１２，ＶＥＳＴＡＭＩＤ ＤＸ9308（ダイセル・エボニック（株）製）

＜ＰＡ ＭＸＤ６使用時の製造条件＞
集束体１０の送り速度：５ｍ／分
クロスヘッドダイ２０の加熱温度：２９０℃（但し、ＰＡ６６，ＰＡ６１２の場合は３００℃）
スリット出口：幅（テープの厚み）０．１〜０．６ｍｍ×長さ（テープの幅）１０〜５０ｍｍ
冷却ロール３１の表面温度：８０℃（但し、ＰＡ６６，ＰＡ６１２の場合は８５℃）
冷却ロール３２の表面温度：８０℃（但し、ＰＡ６６，ＰＡ６１２の場合は８５℃）
冷却ロール３３の表面温度：６０℃

得られた各炭素繊維テープの炭素繊維濃度（Ｆ）と厚み（ｔ）を用い、式（II）：４．５×Ｆ×ｔ≦Ｒ≦５０×Ｆ×ｔ、から円筒状芯材の外径（Ｄ）を求めたものを表１に示す。

表１の結果から、例えば炭素繊維濃度（Ｆ）が２０質量％、厚み（ｔ）が０．４ｍｍのとき、直径（Ｄ）３６ｍｍの芯材に巻き取ることができることになる。

実施例１〜６及び比較例
炭素繊維と芳香族ポリアミド樹脂(ＭＸＤ６)を使用して製造した表２、表３に示す炭素繊維（ＣＦ）テープについて、下記の耐久試験１を実施した。結果を表２、３に示す。

耐久試験１
炭素繊維巻きテープは、図１に示す装置を使用し、表２、３に示す直径の芯材に対して機械的に３〜５層となるように巻き取って製造した。巻き終わり端部は粘着テープで固定した。得られた炭素繊維巻きテープは、肉眼観察では各層が密な状態で巻き取られていた。得られた炭素繊維巻きテープについて、次に示す耐久試験１をした。
炭素繊維巻きテープを、室温（２０〜２５℃）で、湿度（５０％）の雰囲気で２４時間（１日間）以上保持した。
その後、炭素繊維巻きテープから炭素繊維テープを全て繰り出し、その表面を肉眼で観察して、クラック等の変化があるかどうかを観察した。結果を表２、３に示す。

比較例Ａは、炭素繊維の濃度が本発明の範囲外の例（６質量％）であり、繊維分散が不均一になった結果、繊維間隔が開きすぎて外観不良を起こすとともに、炭素繊維を配合したことによる充分な機械的性質が得られず、製品不良となった。
実施例１〜６と比較例１〜６がそれぞれ対の例である。実施例１〜６では、芯材として表１に示した最小直径（Ｄ）を満たすものを使用したことにより、クラックの発生がなかったが、比較例１〜６は、最小直径（Ｄ）よりも小さな直径の芯材を使用したため、クラックの発生があった。

耐久試験２
表２、表３に示す実施例１〜６の各テープは、テープの一端を固定した状態で、他端をつかんで１８０°回転させて変形させた後、他端を解放すると直ちに元の形状に回復した。これを１０回以上繰り返してもテープの外観には変化が見られなかった。

実施例７、８及び比較例
炭素繊維と脂肪族ポリアミド樹脂（PA612，PA66）を使用して製造した表４に示す炭素繊維（ＣＦ）テープについて、上記の耐久試験１を実施した。結果を表４に示す。

表４に示す実施例７、８の各テープは、上記の耐久試験２を実施した場合、１０回以上繰り返してもテープの外観には変化が見られなかった。

１０ 炭素繊維のテープ状集束体
１１ 炭素繊維テープ
２０ クロスヘッドダイ
２１ 上型
２２ 下型
２５ 溶融樹脂の供給ライン（供給孔）
２６ スリット出口
３１、３２、３３ 冷却ロール

Claims (5)

1. 炭素繊維と芳香族ポリアミド樹脂又は脂肪族ポリアミド樹脂を含む複合体からなる炭素繊維テープが、円筒状芯材に巻き付けられた炭素繊維巻きテープであって、
   式（I）から求められる炭素繊維テープの幅（Ｗ）が５〜１００ｍｍの範囲であり、
   前記幅（Ｗ）が５〜１００ｍｍの範囲の炭素繊維テープが巻き付けられた円筒状芯材の最小直径（Ｄ）が、式（II）から求められるものである炭素繊維巻きテープ。
   ０．２×１０^-3×Ｎ≦Ｗ≦２×１０^-3×Ｎ （I）
   （式（I）中、Ｎは、炭素繊維を構成する炭素繊維の本数である。）
   ４．５×Ｆ×ｔ≦Ｄ≦５０×Ｆ×ｔ （II）
   （式（II）中、Ｆは炭素繊維量で、２０〜６０質量％の範囲であり、ｔは炭素繊維テープの厚みで、０．１〜０．５ｍｍの範囲である。）
2. 炭素繊維テープの幅（Ｗ）が１０〜８０ｍｍである、請求項１記載の炭素繊維巻きテープ。
3. 芳香族ポリアミド樹脂がポリアミドＭＸＤ６、ポリアミド９Ｔ、ポリアミド１０Ｔから選ばれるものであり、脂肪族ポリアミド樹脂がポリアミド６，ポリアミド６６、ポリアミド６１０、ポリアミド６１２から選ばれるものである、請求項１又は２記載の炭素繊維巻きテープ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の炭素繊維巻きテープの製造方法であって、
   １本又は２本以上の炭素繊維を含む集束体をクロスヘッドダイに導入する工程、
   クロスヘットダイ内において、加熱及び加圧状態にて、炭素繊維を含む集束体を開繊しながら溶融樹脂と接触させ、テープ状の炭素繊維と熱可塑性樹脂が一体化されたテープ状の複合体を得る工程、
   前記テープ状の複合体をクロスヘットダイのスリット出口から押し出し、厚さ方向の両側からローラーで支持し、かつ冷却することにより、炭素繊維テープを得る工程、
   得られた炭素繊維テープ円筒状芯材に巻き付ける工程、
   を有している炭素繊維巻きテープの製造方法。
5. 前記クロスヘッドダイが、長さ方向に連続して形成された波形状の凹凸を有する上型と、前記上型の波形状の凹凸と嵌合できるように形成された波形状の凹凸を有する下型が組み合わされ、いずれか一方の型に溶融樹脂の導入孔が設けられたものであり、
   前記炭素繊維を含む集束体の開繊が、前記集束体が上型と下型の間をジグザグに通過することでなされるものである、請求項４記載の炭素繊維巻きテープの製造方法。

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