JP6205510B2 - 炭素繊維、その製造方法及び炭素繊維強化樹脂組成物 - Google Patents
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Description
[1]炭素繊維が炭素繊維複合材料から陽極酸化法によって回収される炭素繊維であって、ベーム法によって測定された炭素繊維表面の全酸性官能基量が0.3m mol/g以上、またはベーム法による炭素繊維表面のカルボキシル基量が、0.02m mol/g以上である炭素繊維。
[2]炭素繊維複合材料を加熱処理して、前記炭素繊維複合材料に含まれる樹脂成分の少なくとも一部又は全部を熱分解する工程、及び加熱処理した材料を陽極酸化して繊維状の炭素繊維を得る工程、を含む炭素繊維の製造方法であって、
前記加熱処理工程及び陽極酸化における樹脂成分の分解は、樹脂成分の85%以上が分解するまで行い、
前記陽極酸化は、印加電圧を10V以下、平均電流密度が0.5A/cm2以下で行って繊維状の炭素繊維を得る、前記方法。
[3]炭素繊維複合材料が炭素繊維強化プラスチック(CFRP)である請[2]に記載の炭素繊維の製造方法。
[4](A)炭素繊維が[1]に記載された炭素繊維、又は[2]若しくは[3]に記載の方法で製造された炭素繊維、(B)熱可塑性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物であって、(A)炭素繊維と(B)熱可塑性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂の合計量を100質量%として、(A)炭素繊維5〜95質量%、(B)熱可塑性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂5〜95質量%からなる炭素繊維強化樹脂組成物。
[5]熱可塑性樹脂がスチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂、ポリアセタール樹脂、アクリル系樹脂、塩化ビニル樹脂及びポリオレフィン系樹脂からなる群より選ばれた少なくとも一種である[4]に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂組成物。
[6]熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂からなる群より選ばれた少なくとも一種である[4]に記載の炭素繊維強化樹脂組成物。
本発明の炭素繊維は、ベーム法によって測定された炭素繊維表面の全酸性官能基量が0.3m mol/g以上であるか、又はベーム法による炭素繊維表面のカルボキシル基量が、0.02m mol/g以上である炭素繊維である。本発明の炭素繊維は、前記炭素繊維表面の全酸性官能基量が、好ましくは0.3m mol/g以上、0.5m mol/g以下である。又、本発明の炭素繊維は、前記炭素繊維表面のカルボキシル基量が、好ましくは0.02m mol/g以上、1.10m mol/g以下である。さらに、本発明の炭素繊維は、より好ましくは前記炭素繊維表面の全酸性官能基量が、0.3m mol/g以上、0.5m mol/g以下であり,かつ前記炭素繊維表面のカルボキシル基量が、0.02m mol/g以上、1.10m mol/g以下である。ベーム法による炭素繊維表面の全酸性官能基量の測定方法及びベーム法による炭素繊維表面のカルボキシル基量は、実施例において説明する。ベーム法によって測定される炭素繊維表面の酸性官能基は、例えば、カルボキシル基、カルボニル基、及びフェノール性水酸基などである。
本発明の炭素繊維の製造方法は、炭素繊維複合材料を加熱処理して、前記炭素繊維複合材料に含まれる樹脂成分の少なくとも一部又は全部を熱分解する工程、及び加熱処理した材料を陽極酸化して、繊維状の炭素繊維を得る工程、を含む炭素繊維の製造方法であって、前記加熱処理工程及び陽極酸化における樹脂成分の分解は、樹脂成分の85%以上が分解するまで行い、かつ前記陽極酸化は、印加電圧を10V以下、平均電流密度が0.5A/cm2以下で行って繊維状の炭素繊維を得る、方法である。
本発明の方法で製造した炭素繊維は、炭素繊維複合材料の原料として用いる場合、そのまま用いることもできるが、一般的には回収した炭素繊維は、解繊後乾燥すると嵩高く、集束性に乏しいため、使用目的によっては嵩高さを減らすために通常の炭素繊維の製造方法において常用される集束材(結束材ないしはサイジング材とも呼ばれる)を用いることができる。集束材としては、ポリウレタン系、エポキシ系、エポキシウレタン系、変性アクリル系、変性オレフィン系、フェノール系、特殊樹脂系などが、再生炭素繊維を混合するマトリックス樹脂の種類に応じて、使用される。
(I)CFRPの処理方法
長さ20〜40mm、太さ10mm前後のCFRPサンプルを用い、CFRPの分解を行った。
前処理としてCFRPに対して表1−1、表1−2、表1−3(比較例)に記載された各条件にて、マッフル炉にて空気中加熱処理を行った。なお、表1−3に加熱処理を行なわないサンプルを比較に入れた。加熱処理後の各サンプルに対して、電解可否の指標である導電性(通電性)を直流電流テスターで確認した。
加熱処理したCFRPは直径80mm、高さ100mmのプラスチック製のメッシュ籠に充填した後、陽極側に設置し、0.1M のNaOHまたは0.1MのKOH電解液に完全に浸した。陽極には炭素電極を使用し陰極には円筒状のCu電極を用いた。また、電解液として0.1M H2SO4を用いる場合には、陰極にはTi電極を使用した。加熱処理条件の異なる各サンプルに対して、表1−1〜表1−3に記載された各電解条件にて陽極酸化を行った。電極間距離は40 mmで行い、3V〜12Vの電圧を直流安定化電源にて印加した。
分解率(%)=(未処理物の重量−処理後の重量)/(エポキシ樹脂の重量比率×未処理の物重量)
なお、分母にあるエポキシ樹脂の重量比率を0.40と置いた。
<ベーム法の原理>
強塩基性溶液である水酸化ナトリウム(NaOH)は全ての酸性官能基と中和反応を起こす。炭素繊維との接触前後では、塩基性溶液間で濃度変化差が生じる。よって、中和滴定により接触前後の濃度変化を算出し、全酸性官能基量を定量することができる。
サンプルに水酸化ナトリウム、炭酸水素ナトリウムを個々に加え、「電位差自動滴定装置」により、塩酸溶液を用いた逆滴定を行う(不活性雰囲気下)。
(1)全酸性官能基量(全酸量):水酸化ナトリウム添加した条件下での塩酸溶液消費量
(2)強酸性官能基量(カルボキシル基量):炭酸水素ナトリウム添加条件下での塩酸溶液消費量
表1−1に、450℃を除く加熱温度と電解液種を変えたサンプル(サンプルNo.1〜8)の分解率、表面官能基量の結果を示す。また、表1−2に加熱温度を450℃に固定し、電解時間及び電解液種を変えたサンプル(サンプルNo.13〜21)の分解率、表面官能基量の結果を示す。比較として、本発明の範囲外である各種条件での結果(サンプル31〜38)を表1−3(比較例)に示すと共に、東レ(株)社の未処理の炭素繊維グレードである、T300、T700を比較に入れた。
(I)熱可塑性樹脂組成物の作成
表1−1〜表1−3(比較例1)の各サンプルから、適当なサンプルを選び、熱可塑性樹脂との組成物を作成した。
各熱可塑性樹脂組成物の力学物性の結果を下記の表に示した。表2−1には、表1−1、表1−2の炭素繊維とABS樹脂、66ナイロン樹脂、PBT樹脂との熱可塑性樹脂組成物の力学物性を示す。表2−2には、ABS、66ナイロン、PBT以外の熱可塑性樹脂との組成物の力学物性結果を示す。なお、下記各表において左半分に使用した炭素繊維の製造条件を記載したが、導電性、電解液種、分解率の記載は省略した。
表1−1〜表1−3(比較例1)中のCFサンプルNo16及び34を選び、抄紙法にて不織布を作成したのち、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂との組成物を作成した。
表1−1にある本炭素繊維(平均繊維長10mm)を水中に分散し、固形分0.1〜3.0%からなる抄紙用スラリーを調整する。この後、分散剤としてアニオン系ポリアクリル酸ソーダ0.00002重量部を添加後、この炭素繊維分散液を、網目の隙間を0.3mmとする手漉き用抄紙機を用い、抄紙面に堆積してシート化し、抄紙シートとする。なお、得られた不織布と熱可塑性樹脂との組成物については、炭素繊維と同程度の繊維長を有する熱可塑性樹脂繊維を用い、本炭素繊維とあらかじめ適当な混合して抄紙化(混抄)した。
抄紙工程で製造された加湿状態の抄紙シートに対して、結着剤としてウレタンエマルジョン(第一工業製薬製E−2000)1重量部を添加後、加圧、加熱(圧熱)し、脱水して、繊維基材とした。
なお、熱可塑性樹脂繊維と混抄した不織布については結着剤を使用せず、5MPa、200℃で加圧、加熱(圧熱)のみで樹脂組成物シートを得た。熱硬化性樹脂との組成物シートについては、上記繊維基材に対して、液状ないしは、樹脂をメチルエチルケトンなどの溶剤に溶解させるなどして含侵可能にした熱硬化性樹脂を含侵させ、10枚重ねて5MPa、130℃で加圧、加熱して積層した樹脂組成物シートを得た。
Claims (9)
- 炭素繊維複合材料を加熱処理して、前記炭素繊維複合材料に含まれる樹脂成分の少なくとも一部又は全部を熱分解する工程、及び加熱処理した材料を陽極酸化して繊維状の炭素繊維を得る工程、を含む、ベーム法によって測定された炭素繊維表面の全酸性官能基量が0.3m mol/g以上であり、かつベーム法による炭素繊維表面のカルボキシル基量が、0.02m mol/g以上である炭素繊維の製造方法であって、
前記炭素繊維複合材料は、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)であり、
前記加熱処理工程及び陽極酸化における樹脂成分の分解は、樹脂成分の85%以上が分解するまで行い、
前記陽極酸化は、印加電圧を6V以下、平均電流密度が0.5A/cm2以下で行って繊維状の炭素繊維を得る、前記方法。 - 前記加熱処理工程及び陽極酸化における樹脂成分の分解は、樹脂成分の90%以上が分解するまで行う、請求項1に記載の炭素繊維の製造方法。
- A)炭素繊維がベーム法によって測定された炭素繊維表面の全酸性官能基量が0.3m mol/g以上であり、かつベーム法による炭素繊維表面のカルボキシル基量が、0.02m mol/g以上であるサイジング剤を含まない炭素繊維、(B)熱可塑性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物であって、(A)炭素繊維と(B)熱可塑性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂の合計量を100質量%として、(A)炭素繊維5〜95質量%、(B)熱可塑性樹脂及び/又は熱硬化性樹脂5〜95質量%からなる炭素繊維強化樹脂組成物。
- 熱可塑性樹脂がスチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂、ポリアセタール樹脂、アクリル系樹脂、塩化ビニル樹脂及びポリオレフィン系樹脂からなる群より選ばれた少なくとも一種である請求項3に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂組成物。
- 熱硬化性樹脂が、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂からなる群より選ばれた少なくとも一種である請求項4に記載の炭素繊維強化樹脂組成物。
- A)炭素繊維がベーム法によって測定された炭素繊維表面の全酸性官能基量が0.3m mol/g以上であり、かつベーム法による炭素繊維表面のカルボキシル基量が、0.02m mol/g以上であるサイジング剤を含まない炭素繊維、(B)熱可塑性樹脂を含む樹脂組成物であって、(A)炭素繊維と(B)熱可塑性樹脂の合計量を100質量%として、(A)炭素繊維5〜95質量%、(B)熱可塑性樹脂5〜95質量%からなる炭素繊維強化樹脂組成物。
- 前記加炭素繊維は、カルボキシル基量が0.034m mol/g以上である、請求項1に記載の炭素繊維の製造方法。
- 前記加炭素繊維は、カルボキシル基量が0.034m mol/g以上である、請求項3に記載の炭素繊維強化樹脂組成物。
- 前記加炭素繊維は、カルボキシル基量が0.034m mol/g以上である、請求項6に記載の炭素繊維強化樹脂組成物。
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