JP5593779B2 - 強化繊維用サイジング剤、炭素繊維束およびこれらの製造方法、ならびに熱可塑性樹脂組成物およびその成型品 - Google Patents
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Description
また、本発明の第2の要旨は、上記の強化繊維用サイジング剤の製造方法であって、界面活性剤を用いて前記単量体(a)および前記単量体(b)を乳化重合して、前記重合体(A)を合成する強化繊維用サイジング剤の製造方法である。
(I)請求項1または2に記載の強化繊維用サイジング剤に含まれる重合体(A)を水に分散させた水性エマルジョンを用いて、前記重合体(A)の付着量が炭素繊維束の重量の1〜30質量%以下となるように炭素繊維束をサイジング処理する工程と、
(II)サイジング処理させた前記炭素繊維束の含水量を20〜60質量%に調整し、所定長さに切断する工程と、
(III)所定長さに切断された前記炭素繊維束を乾燥する工程
を、この順に有する炭素繊維束の製造方法である。
本発明に係る強化繊維用サイジング剤は、下記一般式(1)で表される単量体(a)由来の単位および下記一般式(2)で表される単量体(b)由来の単位を有する重合体(A)を含む。
単量体(a)は、下記一般式(1)で現される構造を有する。
単量体(b)は、下記一般式(2)で現される構造を有する(メタ)アクリル酸グリシジルである。
重合体(A)は、単量体(a)由来の単位および単量体(b)由来の単位の他に、単量体(a)および単量体(b)と異なる他の単量体(c)由来の単位を有する共重合体であってもよい。
重合体(A)における単量体(a)由来の単位の質量割合は、ポリオレフィン樹脂への密着性の観点から、50〜99質量%であることが好ましく、80〜95質量%であることがより好ましい。
重合体(A)の合成方法としては、安全面および経済面の観点から、単量体(a)および単量体(b)を乳化重合法により共重合する方法が好ましい。単量体(c)由来の単位を有する共重合体を合成する場合は、単量体(a)、単量体(b)および単量体(c)を乳化重合法により共重合すればよい。
炭素繊維束は、平均直径4μm以上8μm以下程度の単繊維が1000本以上100000本以下程度まとまった形態をなしているものが好ましい。炭素繊維束を構成する単繊維としては、アクリロニトリル重合体や、石油、石炭からとれるピッチ等を繊維化し炭素化することで得られるものを用いることができる。強化繊維用サイジング剤でサイジング処理される前の炭素繊維束は、炭素化処理後のもの、湿式電解酸価処理して表面に酸素含有官能基を導入したもの、プレサイジング処理された状態のものなどを用いることができる。
上記のような本発明の炭素繊維束は、マトリックス樹脂となる熱可塑性樹脂とを混練することにより、熱可塑性樹脂組成物とすることができる。炭素繊維束の熱可塑性樹脂への混練に際しては、所定の長さに切断された状態の炭素繊維束を押出機に供給し、熱可塑性樹脂と混練してペレットとすることが好ましい。また、本発明の熱可塑性樹脂組成物は、射出成形法等の公知の成形法により成形することにより、任意の形状の成形品(繊維強化複合成形品)を提供することができる。
炭素繊維束の単繊維表面に存在する皺の深さは、円周方向長さ2μm×繊維軸方向長さ1μmの領域での最高部と最低部の高低差によって規定される。高低差は、走査型原子間力顕微鏡(AFM)を用いて単繊維の表面を走査して得られる表面形状を基に測定した。具体的には、以下のように行った。
内径1mmの塩化ビニル樹脂製のチューブ内に、測定用の炭素繊維束を通した後、これをナイフで輪切りにして試料とした。次いで、その試料を、断面が上を向くようにしてSEM試料台に接着し、さらにAuを約10nmの厚さにスパッタリングしてから、走査型電子顕微鏡(PHILIPS社製、XL20(商品名))により、加速電圧7.00kV、作動距離31mmの条件で断面を観察し、単繊維断面の長径および短径を測定することで評価した。
JIS R7601に準拠して評価した。
SACMA法 SRM14−90に準拠し、熱分解法により、サイジング処理後における炭素繊維束のサイジング剤合計の付着量を測定した。また、同様の方法で、プレサイジング処理後でサイジング処理前の炭素繊維束のプレサイジング剤の付着量を測定した。そして、サイジング剤合計の付着量からプレサイジング剤の付着量を差し引くことで、サイジング剤の付着量を算出した。
炭素繊維束を風袋既知の白金るつぼに入れ、600〜700℃に設定したマッフル炉で灰化し、るつぼの質量を測定して灰分を求めた。次に、炭酸ナトリウムを規定量加え、バーナーで溶融し、DI水で溶解しながら50mlポリメスフラスコに定容した。この試料をICP発光分析法によりSiの定量を行った。
成型品の曲げ強さおよび曲げ弾性率は、ISO 178に準拠して評価した。なお、測定は、室温で行った。
温度計、サーモスタット、攪拌器、還流冷却器および滴下装置を備えた反応容器に、DI水190g、およびアニオン性乳化剤(花王製、ペレックスSS−L(商品名))0.1gを加え、窒素置換をした。その後、80℃に昇温し、硫酸第二鉄七水和物(FeSO4)0.0001g、エチレンジアミン四酢酸二ナトリウム塩(EDTA)0.0003g、ロンガリット(CRO)0.3gおよびDI水5gからなる還元剤水溶液を投入した。反応容器内の温度を80℃に維持しながら、EHMA 4.5gおよびGMA 0.5gからなる混合モノマーと、開始剤となるt−ブチルハイドロパーオキサイド(tBH)0.015gの混合物を投入し、80℃にて5分保持した。再び、FeSO4 0.0001g、EDTA 0.0003g、CRO 0.3gおよびDI水5gからなる還元剤水溶液を投入し、80℃にて5分保持した。次いで、EHMA85.5gおよびGMA9.5gからなる混合モノマーと、DI水200g、アニオン性乳化剤(花王製、ペレックスO−TP(商品名))0.5gおよびtBH 0.285gの混合物をあらかじめ乳化させた後、2時間かけて定量ポンプを用いて反応容器内に滴下した。滴下終了後、1時間同温度で熟成を行った。
温度計、サーモスタット、攪拌器、還流冷却器および滴下装置を備えた反応容器に、DI水225g、およびアニオン性乳化剤(花王製、ペレックスO−TP(商品名))0.21gを加え、窒素置換をした。その後80℃に昇温し、IBMA 13.5gおよびGMA 1.5gからなるモノマーを投入し、15分間保持した。反応容器内の温度を80℃に維持しながら、過硫酸カリウム(KPS)0.3gおよびDI水15gからなる水溶液を投入し、80℃にて60分保持した。次いで、IBMA 256.5g、GMA 28.5gからなるモノマーと、DI水150gおよびアニオン性乳化剤(花王製、ペレックスO−TP(商品名))1.5gの混合物をあらかじめ乳化した後、2時間かけて定量ポンプを用いて反応容器内に滴下した。滴下終了後、1時間同温度で熟成を行った。
IBMAの代わりにIBAを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、平均粒子径が335nmであり、重合体の数平均分子量が38300であり、重合体の割合が全質量(重合体と水の合計)に対して20質量%である重合体(A−3)の水性エマルション組成物を得た。
IBMAの代わりにMMAを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、平均粒子径が224nmであり、重合体の数平均分子量が64200であり、重合体の割合が全質量(重合体と水の合計)に対して20質量%である重合体(B−1)の水性エマルション組成物を得た。
最初に投入する単量体としてEHMA4.5gおよびGMA0.5gの代わりにIBMA5gを用い、次いで投入する単量体としてEHMA85.5gおよびGMA9.5gの代わりにIBMA95gを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、平均粒子径が236nmであり、重合体の数平均分子量が110000であり、重合体の割合が全質量(重合体と水の合計)に対して20質量%であるIBMA単独重合体(B−2)の水性エマルション組成物を得た。
アクリロニトリル系重合体をジメチルアセトアミドに溶解した紡糸原液を、濃度50〜70質量%、温度30〜50℃のジメチルアセトアミド水溶液からなる第1凝固浴中に吐出して凝固糸とした。次いで、その凝固糸を濃度50〜70質量%、温度30〜50℃のジメチルアセトアミド水溶液からなる第2凝固浴中にて所定量の延伸を施し、さらに4倍以上の湿熱延伸を行い、炭素繊維前駆体繊維束を得た。炭素繊維前駆体繊維束の断面の長径と短径との比および表面に形成される皺の深さは、第2凝固浴の濃度および温度、さらに延伸条件を変更することにより調整することができる。その後、炭素繊維前駆体繊維束の安定性維持を目的に、シリコン系の油剤を付着させた。
表1に示す特性を有する炭素繊維束(原料)を、開繊バーと炭素繊維幅規制バーとを複数回交互に通過させ、所定の炭素繊維幅とした後、所定のサイジング剤でのサイジング処理を行った。サイジング剤としては、表2に示す重合体を用いた。なお、サイジング処理を行うにあたっては、合成例1〜5で得られた水性エマルジョン組成物の水の量を調整し、サイジング剤濃度を表3に示すように調整した水性エマルジョンを使用した。また、水性エマルジョンを付着させる方式としては、下記のタッチロール方式を採用した。
水性エマルジョンの槽にタッチロールの一部を浸漬し、タッチロール表面に転写した後、タッチロール表面に炭素繊維束(原料)を接触させることにより水性エマルションを付着させた。なお、2個のタッチロールを用い、炭素繊維束(原料)の表裏2面に対して実施した。
<熱可塑性樹脂組成物のペレットおよび成型品の製造>
ポリプロピレン樹脂(ポリプロピレン単独重合体、商品名:ノバテックMA03、日本ポリケム(株)製)80質量部および表3に示した炭素繊維束20質量部を、カスタム・サイエンティフィック・インスツルメンツ社製小型射出成型機(Model:CS−183−MMX)に供給し、シリンダー温度200℃の条件で成型品を作製した。
Claims (12)
- 前記重合体(A)が有する全単量体単位100質量%に対し、前記単量体(a)由来の単位が50〜99質量%であり、前記単量体(b)由来の単位が1〜50質量%である請求項1記載の強化繊維用サイジング剤。
- 請求項1または2に記載の強化繊維用サイジング剤の製造方法であって、界面活性剤を用いて前記単量体(a)および前記単量体(b)を乳化重合して、前記重合体(A)を合成する強化繊維用サイジング剤の製造方法。
- 前記界面活性剤が、アニオン性または非イオン性の界面活性剤である請求項3記載の強化繊維用サイジング剤の製造方法。
- 請求項1または2に記載の強化繊維用サイジング剤によりサイジング処理された炭素繊維束。
- 前記炭素繊維束を構成する単繊維が、円周方向長さ2μm×繊維軸方向長さ1μmの領域での最高部と最低部の高低差が40nm以上となる複数の皺を表面に有する請求項5に記載の炭素繊維束。
- 所定長さに切断された請求項5または6に記載の炭素繊維束であって、前記サイジング剤の付着量が、前記炭素繊維束の1〜30質量%である炭素繊維束。
- 前記炭素繊維束の長さ1mあたりの質量が0.4〜15gであり、かつ、前記炭素繊維束の幅と厚みの比(幅/厚み)が3〜10である請求項5〜7いずれか1項に記載の炭素繊維束。
- (I)請求項1または2に記載の強化繊維用サイジング剤に含まれる重合体(A)を水に分散させた水性エマルジョンを用いて、前記重合体(A)の付着量が炭素繊維束の重量の1〜30質量%以下となるように炭素繊維束をサイジング処理する工程と、
(II)サイジング処理させた前記炭素繊維束の含水量を20〜60質量%に調整し、所定長さに切断する工程と、
(III)所定長さに切断された前記炭素繊維束を乾燥する工程
を、この順に有する炭素繊維束の製造方法。 - 熱可塑性樹脂と、請求項5〜8のいずれかに記載の炭素繊維束とを含む熱可塑性樹脂組成物であって、前記炭素繊維束の質量割合が3〜60質量%である熱可塑性樹脂組成物。
- 前記熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系樹脂である請求項10に記載の熱可塑性樹脂組成物。
- 請求項10または11に記載の熱可塑性樹脂組成物を成型してなる成型品。
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