JP5884426B2 - 繊維強化複合材料および繊維強化複合材料の製造方法。 - Google Patents
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オゾン水による酸化処理は、オゾンガスを純水に溶解した浴槽中に炭素繊維構造体を浸漬させるものである。オゾン水による酸化処理のコストパフォーマンスに優れる点で、オゾン水中のオゾン濃度は10mg/L〜110mg/Lであることが好ましく、より好ましくは30〜100mg/L、さらに好ましくは40〜90mg/Lである。
ナイロン6を溶解する蟻酸に複合材料を25℃で1時間浸漬した後、取り出して水洗し、室温で乾燥させた。ついで、JIS L 1913 6.1(厚さ(A法))に準じて、20cm×20cmの試験片を5枚採取し、(株)大栄科学精機製作所製の全自動圧縮弾性・厚さ測定器(型式:CEH−400)を用い、圧力0.5kPaの加圧下で10秒後における各試験片の厚さを10箇所測り、その平均値を厚さとした。この厚さと長さ(20cm×20cm)、重量から、見かけ密度を少数第3位四捨五入して求めた。得られた5枚の見かけ密度の平均値を、シートの見かけ密度とした。
複合材料から無作為に5点サンプリングし、走査型電子顕微鏡にて300倍の倍率で表面観察した。このとき、繊維が3本以上揃って束状になっている部分が1箇所以下である場合、繊維束がない状態(単繊維状態)であるとした。
ESCA (X 線光電子分光法) にて、炭素繊維基材の表面に存在する炭素繊維および、炭素繊維基材を任意の面で切り、内部に存在する炭素繊維を下記の条件でC1sスペクトルを測定し、ピーク分割を行った。
・装置: Quantera SXM(PHI 社製)
・励起X 線:monochromatic Al Kα1,2 線(1486.6 eV)
・X線径:200μm
・光電子脱出角度:45 度(試料表面に対する検出器の傾き)
・データ処理:スペクトル(ナロースキャン)のスムージング:9-point smoothing
・測定サンプル数:サンプリング間隔を1cm以上離して、表面および内部の面を各5点測定した。
・ピーク分割:Avantageデータシステム(Thermo Fisher Scientific社製)を用いて、C1sピークのピーク分割を行った。
JIS K 7161〜7164(1994)に記載の方法に準じて、試料面内で0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°のそれぞれの方向にタイプ1BA形小型試験片を作成して引張破壊応力を測定した。全ての方向の引張破壊応力の平均を引張強度とした。
JIS K 7075(1991)により測定した。
複合材料から樹脂を除き、炭素繊維シートとする。ついで、炭素繊維を無作為に400本抽出し(抽出中に破断した繊維を除く)、光学顕微鏡もしくは走査型電子顕微鏡にてその長さを10μm単位まで測定し繊維長とし、下式により数平均繊維長を得た。
数平均繊維長(Ln)=(ΣLi)/400
Li:測定した繊維長(i=1,2,3、・・・400)
G.屈曲数
繊維強化複合材料の一部を切り出して樹脂を除いて得た炭素繊維シートから、炭素繊維を無作為に400本抽出し、1本あたりの屈曲箇所を数え平均することによって求めた。
アクリロニトリル(AN)99.4モル%とメタクリル酸0.6モル%からなる共重合体を用いて、乾湿式紡糸方法により単繊維デニール1d、フィラメント数12,000のAN系繊維束を得た。得られたPAN系繊維束を240〜280℃の温度の空気中で、延伸比1.05で加熱し、PAN系耐炎糸(密度1.38g/cm3)とした。
電気量を100クーロン/gとした以外は実施例1と同様に処理した。樹脂の含浸性は実施例1対比良好であり、また強度も若干向上した。
樹脂含浸前の炭素繊維不織布の見かけ密度を0.52g/cm3(樹脂を除去した後の炭素繊維不織布の見かけ密度を0.50g/cm3)とし、繊維体積含有率(Vf)を20%とした以外は、実施例1と同様に処理した。得られた結果は、実施例1と比較してVf減少に対応して強度が若干低下した。
樹脂含浸前の炭素繊維不織布の見かけ密度を0.26g/cm3(樹脂を除去した後の炭素繊維不織布の見かけ密度を0.25g/cm3)とした以外は、実施例3と同様に処理した。得られた結果は、実施例3と比較して強度が若干減少した。また、樹脂を除いた後にはスプリングバックが生じるとともに、破断した繊維片が観察された。
樹脂含浸前の炭素繊維不織布の見かけ密度を0.26g/cm3(樹脂を除去した後の炭素繊維不織布の見かけ密度を0.25g/cm3)とした以外は、実施例1と同様に処理した。得られた結果は、実施例4と比較してVfが大きい分強度が増加したが、同じVfの実施例1と比較すると若干減少した。また、樹脂を除いた後にはスプリングバックが生じるとともに、実施例4よりも多く破断した繊維片が観察された。
実施例1において、PAN系耐炎糸を捲縮と切断をすることなく、そのまま連続的に焼成し、屈曲を有しないPAN系炭素繊維を得た。この炭素繊維を炭酸水素アンモニウム水溶液(0.1モル/リットル)中に浸漬し、水溶液中で26KHzにて超音波処理しながら76クーロン/gの電気量となるように電解酸化処理を行い、水洗および乾燥を行った。ついで、3mmに切断して捲縮のない炭素繊維短繊維とした後、抄造法によって見かけ密度0.05g/cm3のウェブシートとした。ついで、密度が1.14g/cm3のナイロン6を溶融含浸して、繊維体積含有率(Vf)40%の繊維強化複合材料を得た。得られた繊維強化複合材料の評価結果は表のとおりであり、実施例1と比較して強度が大きく低下した。
実施例1において、PAN系耐炎糸を捲縮と切断をすることなく、そのまま連続的に焼成し、屈曲を有しないPAN系炭素繊維を得た。ついでエポキシ樹脂を2.0重量%付与して繊維を集束させた後、74mmに切断した。あとは実施例1と同様に処理して複合材料を得た。繊維体積含有率は40%であり正常に含浸できたが、強度は実施例1と比較して低いものであった。なお、見かけ密度は、比較例1と同様、炭素繊維はシート状となっていないため、樹脂を除去すると炭素繊維はばらばらとなり測定できなかった。
電解処理をしないこと以外は実施例1と同様に処理した。見かけ上、目標の繊維体積含有率とすることができたが、界面に微細なボイドが存在するとともに、得られた複合材料の強度は非常に低いものであった。
電解処理しないこと、樹脂を含浸する前の炭素繊維シートの見かけ密度を0.52g/cm3(樹脂を除去した後の炭素繊維基材の見かけ密度を0.5g/cm3)として、繊維体積含有率を20%とした以外は比較例1と同様に処理した。この繊維体積含有率であれば樹脂を含浸することができたが、空隙は多く、また強度も低いものであった。
実施例1で得られた見かけ密度0.05g/cm3のPAN系炭素繊維不織布を200℃に加熱したプレス機で圧縮して、見かけ密度を0.10g/cm3とした。次いで、実施例1と同様に焼成、電解酸化処理した。このときの炭素繊維不織布の見掛け密度は0.07g/cm3であった。
Claims (7)
- 炭素繊維と樹脂とからなる繊維強化複合材料であって、炭素繊維は単繊維状態でランダムに配向し、該炭素繊維が見かけ密度が0.25〜1.5g/cm3のシート形状を構成し、該シート表面の炭素繊維表面におけるESCAで測定したC1sピーク中に占めるCOO基、C−O基の比率の和が5%以上であり、かつ、炭素繊維の繊維体積含有率が20〜80%である繊維強化複合材料。
- 炭素繊維がポリアクリロニトリル系炭素繊維である、請求項1に記載の繊維強化複合材料。
- 炭素繊維の単繊維1本あたり、少なくとも1箇所の屈曲を有する請求項1または2に記載の繊維強化複合材料。
- 前記シートが不織布である請求項1〜3のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
- 炭素繊維の数平均繊維長が5〜200mmである請求項1〜4のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
- 樹脂が熱可塑性樹脂である請求項1〜5のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
- 炭素繊維シートに樹脂を含浸してなり、炭素繊維の繊維体積含有率が20〜80%である繊維強化複合材料の製造方法であって、炭素繊維シートは炭素繊維が単繊維状態でランダムに配向し、見かけ密度が0.25〜1.5g/cm3であり、表面にある炭素繊維の表面のESCAで測定したC1sピーク中に占めるCOO基、C−O基の比率の和が5%以上であることを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。
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