JP6414939B2 - 不連続繊維成形コンパウンドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、不連続炭素繊維並びに熱硬化性及び／又は熱可塑性マトリックス樹脂から構成される成形コンパウンドに関する。より具体的には、本発明は、炭素繊維トウの残り（ｒｅｍｎａｎｔｓ）を使用して、不連続繊維成形コンパウンドを製造することを含む。

複合材料には、２つの主な構成要素として繊維強化構造と樹脂マトリックスが含まれる。複合材料は、典型的に、重量に対する強度の比がかなり高い。その結果、複合材料は、複合構造の強度が高く且つ比較的軽量であることが特に重要とされる航空宇宙産業において使用される。

炭素繊維は、複合材料のための一般的な繊維強化材である。炭素繊維は、典型的には、一般に「トウ」（“ｔｏｗ”）と呼ばれるマルチフィラメントヤーンとして供給される。炭素繊維トウは、一般に、１，０００から５０，０００本の個々のフィラメントを含有する。市販の炭素トウは、例えば、約３０００本のフィラメント（３Ｋ）、６０００本のフィラメント（６Ｋ）、１２０００本（１２Ｋ）のフィラメント又は２４０００本（２４Ｋ）のフィラメントを含有する。単一の炭素フィラメントは、一般に、１メートル当たり０．０２から０．５ミリグラムの範囲である線状重量（ｌｉｎｅａｒ ｗｅｉｇｈｔ）を有する。炭素繊維トウ中のフィラメントは、従来のヤーンと同じ方法で撚られていない。その代わりに、炭素繊維トウ中のフィラメントは、互いに略平行である。

炭素繊維は、単一の連続したトウを含有するスプール又はボビンとして市販される。炭素繊維トウの長さは、スプールに巻きつけられるフィラメントの線状重量、トウ中のフィラメントの数、及び炭素繊維トウの全重量に応じて、広範に変わり得る。典型的には、市販の炭素繊維スプールは、１から２０ポンド（４５４ｇから９０８０ｇ）の連続した炭素繊維トウを含有し、それは４，０００から１５，０００メートルの長さである。

多数のスプールからの炭素繊維トウは、一緒に織られて、炭素繊維織物を形成し、これは後に樹脂マトリックスと組み合わされて、複合材料を形成する。炭素繊維トウはまた、多数のスプールから供給されて、一方向（ＵＤ）繊維強化材、例えばＵＤテープを作り、更に樹脂マトリックスと組み合わされて複合材料を形成する。織るプロセス又はＵＤテープ生産プロセスの間のある時点で、スプールに残された炭素繊維トウの量が少なくなるので、その使用済スプールを新しいものに取り替えなければならない。

使用済スプールに残っている炭素繊維トウの残りは、織布又はＵＤテープを作るのに更に使用するには不十分である。実際に、使用済スプールに残る炭素繊維トウの残りは、織るプロセス、作られる繊維強化材の種類、フィラメントの線状重量、及びトウ中のフィラメント数に依存して、長さが一様ではない。長い期間にわたり、生じる炭素繊維トウの残りの量はかなりの量になる。

織布又はＵＤテープの生産の間に生じた炭素繊維トウの残りを採り、その残りを使用して有用な製品を製造することが望ましいであろう。

本発明によれば、炭素繊維の使用済スプールに残る炭素繊維トウの残りを、不連続繊維成形コンパウンドを製造するのに使用できることを発見した。その成形コンパウンドは、比較的良好な機械的特性を有する単純形状及び複雑形状の両方を成形するのに使用できる。

本発明は、炭素繊維トウの残りから不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法を含む。この方法は、炭素繊維トウの残りを含有する使用済炭素繊維スプールを供給する工程を含む。炭素繊維トウの残りは、織った又は一方向の繊維構造を製造するために使用するには短すぎる。本発明の特徴として、炭素繊維トウの残りをスプールから取り外し、１ｃｍから１０ｃｍの長さの小片にチョップして、チョップ化された炭素繊維トウの集合体を形成する。

本発明の更なる特徴として、粉末化された熱硬化性又は熱可塑性樹脂をチョップ化炭素繊維トウの集合体と混合して、繊維と粉末とのブレンドを形成する。その後、このブレンドを、樹脂の粒子がチョップ化炭素繊維トウに付着するのに十分な時間、十分な温度で加熱して、チョップ化トウ中でフィラメントを安定化し、不連続繊維成形コンパウンドを形成する。この不連続繊維成形コンパウンドを、既知の複合成形コンパウンドと同じ方法で使用して、単純な部品及び複雑な部品の両方を製造することができる。

本発明の特徴として、３Ｋの炭素繊維トウの残りから製造した不連続繊維成形コンパウンドは、６Ｋ以上の炭素繊維トウの残りを使用して製造した不連続繊維成形コンパウンドから成形した複合部品よりも、更に強く且つ損傷抵抗性のある複合部品に成形することができることを発見した。３Ｋの炭素繊維トウの残りから製造した不連続繊維成形コンパウンドは、市販されている既存の高性能不連続繊維成形コンパウンド、例えばＨｅｘＭＣ（登録商標）成形コンパウンド（Ｈｅｘｃｅｌ社、カリフォルニア州、ダブリン）から製造した複合部品のものに近い強度及び損傷抵抗性を有する複合部品に成形することができる。従って、比較的少ない数のフィラメントを有するトウを使用して製造する本発明の不連続繊維成形コンパウンドは、市販の高性能成形コンパウンドに代わる低コストの代替物として有用である。

本発明の更なる特徴として、炭素繊維トウの残りを、比較的長い（５から１０ｃｍ）チョップ化繊維トウにチョップする場合には、本発明に従って製造した不連続繊維成形コンパウンドが、より強い複合部品に成形できることを発見した。比較的少ないフィラメント総数（３Ｋ）と比較的長いチョップ化繊維トウ長さ（５から１０ｃｍ）とを組み合わせることにより、３００ＭＰａを優に超える引張強度を有する複合部品を形成するのに使用できる特に有用な成形コンパウンドが提供されることを見出した。

本発明の上記の特徴及び多くの他の特徴並びに付随する利点は、添付図面と併せて、以下の詳細な説明を参照することにより、より良く理解されるであろう。

炭素繊維トウの使用できない残り（ｕｎｕｓａｂｌｅ ｒｅｍｎａｎｔ）を採り、それを有用な不連続繊維成形コンパウンドにするための本発明の例示的な方法を示す図である。

本発明にしたがって成形コンパウンドを形成するのに必要な加熱工程前、及び後の、チョップ化炭素繊維トウと樹脂粒子との微小部分の拡大且つ簡略図である。図２は、静電引力によって少しのチョップ化炭素繊維トウに付着した樹脂粒子が、どのように加熱工程の間に軟化又は溶融し、それにより、そのトウに熱的に接着した樹脂粒子によって安定化された個々のチョップ化炭素繊維トウの集合体を形成するか、を示す。

本発明は、炭素繊維トウの残りを採り、それらを比較的低コストの不連続成形コンパウンドに変える方法を提供する。本発明の成形コンパウンドは、多用途の複合材料成形コンパウンドが必要とされる広範で多様な状況で使用できる。例えば、本発明の成形コンパウンドは、市販の高性能不連続成形コンパウンド、例えば、ＨｅｘＭＣ（登録商標）成形コンパウンド（Ｈｅｘｃｅｌ社、カリフォルニア州、ダブリン）と同じ方法で使用でき、これはＵＤテープのチョップ化小片と樹脂マトリックスとから構成されている。ＵＤテープのチョップ化小片と樹脂マトリックスとから製造した成形コンパウンドは、米国特許第８３６６０４６号に記載され、米国特許出願公開第２０１２−００４０１６９号及び第２０１３−０１０１４０６号に公開されている。これらの内容を、本明細書に参照により援用する。本発明の成形コンパウンドは、中性能及び高性能成形コンパウンドに代わる低コストの代替物と見なすことができる。

本発明の例示的な好ましい方法を表す図を図１に示す。最初に、当該方法は、炭素繊維トウ１２の残りを含有する使用済炭素繊維スプール１０を供給することを含む。そのような使用済炭素繊維スプールは、炭素繊維織物を織る間、又は炭素繊維ＵＤテープを生産する間に生成される。織るシステム又はＵＤテープ生産ラインに装着される初期のスプールは、１１の破線で示すように炭素繊維トウで満杯（ｆｕｌｌ）である。

満杯の炭素繊維スプールは、例えば、Ｈｅｘｃｅｌ社（カリフォルニア州、ダブリン）から商品名ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）の下で市販されている。満杯のスプールの幾つかの例は、以下の通りである：
１）重さ０．２００ｇ／ｍ及び密度１．８０ｇ／ｃｍ^３のＡＳ２Ｃ ３Ｋの炭素繊維トウ１８１６ｇを含有するスプール；
２）重さ０．２１０ｇ／ｍ及び密度１．７９ｇ／ｃｍ^３のＡＳ４ ３Ｋの炭素繊維トウ１８１６ｇを含有するスプール；
３）重さ０．４２７ｇ／ｍ及び密度１．７９ｇ／ｃｍ^３を有するＡＳ４ ６Ｋの炭素繊維トウ１８１６ｇを含有するスプール；
４）重さ０．８５８ｇ／ｍ及び密度１．７９ｇ／ｃｍ^３を有するＡＳ４ １２Ｋの炭素繊維トウ３６３２ｇを含有するスプール；
５）重さ０．２００ｇ／ｍ及び密度１．７８ｇ／ｃｍ^３を有するＡＳ４Ｃ ３Ｋの炭素繊維トウ１８１６ｇを含有するスプール；
６）重さ０．４００ｇ／ｍ及び密度１．７８ｇ／ｃｍ^３を有するＡＳ４Ｃ ６Ｋの炭素繊維トウ１８１６ｇを含有するスプール；
７）重さ０．８００ｇ／ｍ及び密度１．８０ｇ／ｃｍ^３を有するＡＳ４Ｃ １２Ｋの炭素繊維トウ３６３２ｇを含有するスプール；
８）重さ０．７６５ｇ／ｍ及び密度１．７９ｇ／ｃｍ^３を有するＡＳ４Ｄ １２Ｋの炭素繊維トウ３６３２ｇを含有するスプール；
９）重さ０．８００ｇ／ｍ及び密度１．８０ｇ／ｃｍ^３を有するＡＳ７ １２Ｋの炭素繊維トウ３６３２ｇを含有するスプール；
１０）重さ０．２２３ｇ／ｍ及び密度１．７８ｇ／ｃｍ^３を有するＩＭ２Ａ ６Ｋの炭素繊維トウ９０８ｇを含有するスプール；
１１）重さ０．４４６ｇ／ｍ及び密度１．７８ｇ／ｃｍ^３を有するＩＭ２Ａ １２Ｋの炭素繊維トウ１８１６ｇを含有するスプール；
１２）重さ０．４４６ｇ／ｍ及び密度１．７８ｇ／ｃｍ^３を有するＩＭ２Ｃ １２Ｋの炭素繊維トウ１８１６ｇを含有するスプール；
１３）重さ０．４４６ｇ／ｍ及び密度１．７８ｇ／ｃｍ^３を有するＩＭ６ １２Ｋの炭素繊維トウ１８１６ｇを含有するスプール；
１４）重さ０．２２３ｇ／ｍ及び密度１．７８ｇ／ｃｍ^３を有するＩＭ７ ６Ｋの炭素繊維トウ９０８ｇを含有するスプール；
１５）重さ０．４４６ｇ／ｍ及び密度１．７８ｇ／ｃｍ^３を有するＩＭ７Ａ １２Ｋの炭素繊維トウ１８１６ｇを含有するスプール；
１６）重さ０．４４６ｇ／ｍ及び密度１．７９ｇ／ｃｍ^３を有するＡＳ４Ｄ １２Ｋの炭素繊維トウ１８１６ｇを含有するスプール；
１７）重さ０．３３５ｇ／ｍ及び密度１．８０ｇ／ｃｍ^３を有するＩＭ９ １２Ｋの炭素繊維トウ９０８ｇを含有するスプール；
１８）重さ０．２２４ｇ／ｍ及び密度１．７９ｇ／ｃｍ^３を有するＩＭ１０ １２Ｋの炭素繊維トウ１８１６ｇを含有するスプール。

「使用済炭素繊維スプール」と言えるためには、スプール又はボビンが、炭素繊維トウの残りを含有していなければならない。炭素繊維トウの残りは、もっと長いトウの残りであり、典型的には満杯のスプールに存在する炭素繊維トウの残りである。炭素繊維トウの残りは、長さが短すぎて、そのトウは、織った繊維構造又は一方向繊維構造を作るのに役立たない。例えば、多くの状況で炭素繊維トウの残りと判断されるには、その残りの長さは、５００メートル未満がよく、好ましくは２５０メートル未満である。別の例では、生産プロセスで使用され、その後、役割から外された炭素繊維トウのスプールもまた、炭素繊維トウの残りを含有する使用済スプールであると判断される。

ある例では、炭素繊維のスプールを、使用済スプールと言えるかどうかを判断するために秤量する場合がある。スプールに残っている炭素繊維トウの重さが、５００メートル未満の長さに対応する場合、そのスプールは使用済スプールであると判断される。炭素繊維トウの線状重量（ｌｉｎｅａｒ ｗｅｉｇｈｔ）は、満杯のスプールに存在するトウの長さ、及び使用済スプールに残っている残りの長さを計算するのに使用できる。例えば、炭素繊維トウの重さが０．２００ｇ／ｍであり、満杯のスプールが２０００ｇの炭素繊維トウを含有する場合、初期のトウの長さは１０，０００メートル（５ｍ／ｇ×２０００ｇ）である。１００ｇ未満の炭素繊維トウがスプールに残っている場合には、そのスプールは、使用済スプールであると判断される。計算によると（５ｍ／ｇ×１００ｇ）、使用済スプールに残っている残りの長さは、５００メートル未満である。

残りの炭素繊維トウであると判断されるトウを含有する使用済スプールの重さの具体的な例は、以下の通りである。
１）ＡＳ４Ｃ ３Ｋの炭素繊維の満杯のスプール（１８１６ｇ）におけるトウの長さは、９０８０ｍ（５ｍ／ｇ×１８１６ｇ）であり、そのスプールに残っているトウの重さが１００ｇ（５ｍｇ／１００ｇ＝５００ｍ）未満の場合、そのスプールは使用済と判断される；
２）ＡＳ４Ｃ ６Ｋの炭素繊維の満杯のスプール（１８１６ｇ）におけるトウの長さは、４５４０メートル（２．５ｍ／ｇ×１８１６ｇ）であり、スプールに残っているトウの重さが２００ｇ（２．５ｍ／ｇ×２００ｇ＝５００ｍ）未満の場合、そのスプールは使用済と判断される；及び
３）ＡＳ４Ｃ １２Ｋの炭素繊維の満杯のスプール（３６３２ｇ）のトウの長さは、４５４０メートル（１．２５ｍ／ｇ×３６３２ｇ）であり、スプールに残っているトウの重さが４００ｇ（１．２５ｍ／ｇ×４００ｇ＝５００ｍ）未満の場合、そのスプールは使用済と判断される。

初期の炭素繊維トウが５００ｍより長くスプールに残っている場合に、織る又は予備含浸生産ラインからスプールを取り外すことが必要な場合がある。例えば、スプールがＵＤテープ又は織物強化材を生産するのに必要とされる他のスプールより短い場合、他のスプールの繊維長さに合わせるためには時間のかかるスプールの継ぎ合わせ（ｓｐｌｉｃｅ）が必要となると思われるので、スプールを早い段階で取り外す場合がある。これらのスプールは、生産ラインに戻すには適当ではないので、これらもまた使用済スプールであると判断することができる。また、炭素トウの満杯のスプールを、単独で、又は成形コンパウンドを形成するために使用される炭素トウの補助供給源として使用する状況もあり得る。チョップ化トウの供給源として炭素繊維トウの満杯のスプールを使用することは、コストのかかる代替手段である。従って、炭素繊維トウの満杯のスプールを使用することは、残りの炭素繊維トウの供給が製品仕様又は生産要求に十分ではない状況に限定するのが好ましい。炭素繊維トウの使用済スプールからではない成形材料中の炭素繊維トウの量は、成形コンパウンド中に存在するトウの２０重量％未満、好ましくは１０重量％未満に保持されるのが好ましい。最も好ましいのは、残りの炭素繊維トウが、成形コンパウンド中に存在する全炭素繊維トウの９８重量％以上を占める成形コンパウンドである。

矢印１４によって示されるように、炭素繊維トウ１２の残りは、使用済スプール１０から取り外され、チョップされて、長さが１ｃｍから１０ｃｍのチョップ化炭素繊維トウ１８の集合体１６を形成する。チョップ化操作は、炭素繊維トウを切断する既知の任意の方法を使用して行うことができる。このような方法には、機械的切断及び／又は超音波ナイフを使用するスライシングが含まれる。超音波切断法が好ましい。必要な場合は、トウを、切断前に広げる。トウを広げる方法は当技術分野において公知である。

チョップ化炭素繊維トウ１８の集合体１６は、その後、矢印２０で示されるように、粉末化熱硬化性樹脂と混合され、チョップ化炭素繊維トウ１８と粉末化熱硬化性樹脂粒子２４とのブレンド２２を形成する。その樹脂は室温で固体であり、複合材料を作るのに典型的に使用される任意の粉末化熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂であり得る。熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との混合物を使用することができ、これには熱可塑性樹脂で強化されるエポキシ樹脂が含まれる。粉末化熱硬化性樹脂は、好ましくは、硬化剤、促進剤、触媒、及び任意の所望の添加剤を含む完全に配合された樹脂である。代表的な樹脂には、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂及びジアリルイソシアヌラート樹脂が含まれる。

室温で固体であるエポキシ樹脂が、粉末化熱硬化性樹脂として使用するのに好ましい。例えば、室温で固体である、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、及びエピクロロヒドリンとビスフェノールＡとの反応に基づくエポキシ樹脂（ビスフェノールＡ型エポキシ）が好適である。特に好ましいのは、ジシアンジアミド又は同等の硬化剤で硬化されるクレゾールノボラック型エポキシ樹脂とビスフェノールＡ型エポキシとのブレンドである。クレゾールノボラック型エポキシは、粉末化樹脂の少なくとも５０重量％を占めるのがよい。好ましいクレゾールノボラック型エポキシ樹脂は、オルトクレゾールホルムアルデヒドノボラックから作られるものであり、それは、エピクロロヒドリンと反応してノボラック型エポキシ樹脂を形成する。ノボラック型エポキシ樹脂の分子量は、１０００と１５００との間が好ましい。ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の分子量もまた１０００と１５００との間が好ましい。

粉末化熱硬化性樹脂は、数ミクロンから１５０ミクロンまでのサイズの範囲の粒子から構成されるとよい。粉末は、少なくとも５０％の粒子が５０ミクロン未満の粒径を有し、少なくとも９０％の粒子が１００ミクロン未満の粒径を有するような粒子分布を有すると好ましい。樹脂粉末は、それがチョップ化トウと均一に混合できるように、周囲温度で自由に流動するのがよい。樹脂粒子は、チョップ化繊維を粉末化樹脂と混合する間に望ましくない凝集体が形成されるのを回避するために、互いにくっつかないのがよい。

好ましい実施形態では、硬化エポキシ樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）は、樹脂に、少量（１０重量％以下）の多官能エポキシを添加することによって上昇させる。多官能エポキシは、硬化中の樹脂の架橋を増加させ、これにより、硬化樹脂のＴｇの上昇を引き起こす。このような多官能エポキシ樹脂は、典型的には、室温で液体である。従って、多官能エポキシを、好ましくは、固体エポキシ樹脂（複数可）と予備混合し、その後、粉砕して、チョップ化トウと混合する粉末を形成する。硬化中に樹脂の架橋を増加させてＴｇを上昇させる場合、及び固体樹脂と組み合わせて最終的な粉末化樹脂を形成できる場合にも、任意の多官能エポキシを使用することができる。テトラグリシジルメチレンジアニリン（ＴＧＭＤＡ）等の４官能性エポキシ樹脂が好ましい。

任意の数の異なるエポキシ樹脂を、チョップ化した残りのトウに適用する粉末化熱硬化性樹脂を作るのに使用することができる。しかし、好ましい粉末化熱硬化性樹脂は、液体４官能性エポキシとの組合せにおいて、固体ビスフェノールＡ型エポキシとクレゾールノボラック型エポキシとのブレンドである。ウロン又はジウロンが触媒として添加される場合、好ましい硬化剤はジシアンジアミドである。ジシアンジアミドは、エポキシ樹脂の粒径以下の粒径を有する粉末形態であるのがよい。１ミクロンから１０ミクロンの範囲の粒径を有するジシアンジアミド粉末が好ましい。２官能性ウロン（ジウロン）が好ましいウロン触媒である。ジウロンもまた、エポキシ樹脂の粒径以下の粒径を有する粉末形態であるのがよい。ジウロン粉末もまた、１ミクロンから１０ミクロンの範囲の粒径を有するのが好ましい。

好ましい粉末化熱硬化性樹脂は、１０から４０重量％の固体ビスフェノールＡ型エポキシ；５０から８０重量％のクレゾールノボラック型エポキシ；２〜１０重量％の液体４官能性エポキシ、例えばＴＧＭＤＡ；０．５から４重量％のジシアンジアミド硬化剤；及び１から６重量％のジウロン触媒、を含有するであろう。上記のように、液体ＴＧＭＤＡは、他の２種類の固体エポキシ樹脂と予備混合されて、樹脂ブレンドを形成し、所望の粒径に粉砕される。この粉末化エポキシブレンドは、その後、粒子状の硬化剤及び触媒と組み合わされて、最終的な熱硬化性粉末を形成し、次いで、チョップ化炭素繊維トウと混合される。

粉末化樹脂２４とチョップ化炭素繊維トウ１８は、トウを壊すことなくチョップ化炭素繊維トウと粉末化樹脂とを密に混合する任意のタイプのブレンド装置を使用して、一緒に混合される。ドラムの回転につれてチョップ化トウと繊維とを穏やかに攪拌する、ドラム型ブレンダーが好ましい。チョップ化炭素繊維トウと粉末化樹脂とを１バッチとしてドラムブレンダーに供給し、混合して、ブレンドされたチョップ化炭素繊維トウと粉末化熱硬化性樹脂との１バッチを形成するのが好ましい。連続フロー混合システムもまた、トウ構造を壊すことなくチョップ化繊維と粉末化樹脂とを一緒に密に混合する場合に、使用できる。混合又はブレンドプロセスの間、粉末化樹脂粒子は、静電気によってチョップ化炭素繊維トウのフィラメントに付着するようになる。その結果、樹脂粒子は、混合工程の間、均一に分散されて炭素繊維トウ小片に付着する。粒子とトウとの間の静電引力により、樹脂粒子はチョップ化トウに確実に付着し、互いには付着しないままとなる。その結果、粉末粒子は、混合が完了したときブレンド２２全体に均一に分散されたままとなる。

不連続炭素繊維成形コンパウンドを製造する方法における次の工程には、粉末化樹脂粒子を軟化し又は部分的に溶融するのに十分な時間、十分な温度でそのブレンド２２を加熱することが含まれる。この加熱／軟化工程は、樹脂粒子をより確実にフィラメントに接着（ｂｏｎｄｉｎｇ）させることにより、及びトウが更に壊れることを防ぐことにより、トウ中で炭素フィラメントを安定化する。具体的な温度と加熱時間は、使用される具体的な炭素繊維トウ及び樹脂並びに樹脂粒子のサイズに応じて変わる。加熱温度と時間の組合せは、樹脂粒子が、トウに接着し、フィラメントを安定化するのに十分なだけ軟化又は溶融するように選択される。粒子が完全に溶融し、炭素繊維トウ内に流入する必要はない。樹脂粒子がトウと接着し、且つ、取扱い、貯蔵及び成形の間にフィラメントが更に壊れないようにトウを安定化させるために十分に溶融することだけが必要である。樹脂粒子を部分的に溶融し、トウフィラメントを安定化するのに十分な温度は、使用される樹脂の種類に応じて、典型的には５０から２００℃の範囲である。典型的な加熱時間は、目標温度に到達してから、数秒間から２分間の範囲である。ブレンド２２を室温から目標温度へ加熱するのにかかる時間は、最小値に保つのがよい。

樹脂粒子を十分に軟化又は溶融した後、樹脂で被覆したチョップ化炭素繊維トウを室温以下に冷却して、最終的な成形コンパウンド２８を形成する。加熱／溶融及び冷却工程は、図１の矢印２６によって表される。不連続炭素繊維成形コンパウンド２８は、多種多様な複合部品３０の成形に使用する準備ができている。樹脂は、付着するとしても、室温でほとんど付着しないのがよい。これにより、樹脂−チョップ化トウ成分が粘着性で、一緒にくっつく場合よりも、成形コンパウンドの取扱い及び成形が容易になる。樹脂−チョップ化繊維トウ成分は、成形コンパウンドを穏やかに取り扱うことによって、個々の成分に分離できるのがよい。

図２は、チョップ化炭素トウ１８と樹脂粒子２４とのブレンド２２の微小部分の拡大且つ簡略図を示す。この図は、樹脂２４の粒子が、静電引力によってのみトウ１８の表面に付着していることを示す。加熱工程の間、矢印２６で示すように、粒子は、粒子がトウ３４に熱的に結合して樹脂領域３２を形成するように、十分に軟化又は溶融される。この熱的な接着工程により、トウ中でフィラメントを安定化させ、取扱いの間に壊れるのを防ぐ。また、樹脂粒子のトウへの熱的な接着によって、それらが互いに付着して、樹脂−炭素繊維トウ成分の望ましくない凝集体が形成するのを防止する。有用な成形コンパウンドを形成するために、個々の樹脂−炭素繊維トウ成分が、図２において３６で示されるような独立した成分の凝集体の形態であるのがよい。

成形材料２８は、任意の所望の形状に形成され、使用される特定の種類の樹脂及び炭素繊維に適した既知の成形手順に従って成形される。本発明の成形コンパウンドを使用して成形可能な代表的な部品には、ブラケット、コネクタ、クリップ及び複雑な形状を有する任意の構造部品が含まれる。

本発明に従って成形コンパウンドを製造するのに使用できる炭素繊維の種類は、入手可能な炭素繊維の残りの給源によってのみ限定される。一般に、高性能複合材料を製造するのに使用される市販の炭素繊維の種類のいずれも好適である。例には、ヘクセル社（カリフォルニア州、ダブリン）から入手できる、ＡＳ２Ｃ、ＡＳ４、ＡＳ４Ｃ、ＡＳ４Ｄ、ＡＳ７、ＩＭ２Ａ、ＩＭ２Ｃ、ＩＭ６、ＩＭ７、ＩＭ８、ＩＭ９及びＩＭ１０の炭素繊維トウが含まれる。

１種類より多い種類の炭素繊維トウの残りを使用して特定の成形コンパウンドを製造することができる。これは、異なる種類の炭素繊維トウの残りの多くの使用済スプールを、廃品利用のために利用できるという状況で、特に有用である。異なる種類の炭素繊維トウの混合物を含有する例示的な成形コンパウンドにより、異なる繊維トウの特性の組合せを反映する成形複合部品が得られることがわかった。また、異なる数のフィラメントと異なるトウ長さを有するトウの混合物を含む成形コンパウンドを製造することができる。

例えば、図２に示すように、チョップ化炭素繊維トウ１８、１８ａ，１８ｂ、１８ｃ、並びに樹脂−チョップ化繊維トウ成分３４、３４ａ，３４ｂ及び３４ｃにより表されるように、少なくとも４つの異なる種類の残りの炭素繊維トウを使用する成形コンパウンドが製造される。異なる炭素繊維トウの残りを使用することにより、成形部品の物理的特性を変えたり制御することができる。成形部品の特性は、チョップ化トウ中のフィラメントの数、トウの長さ及びチョップ化トウ中の炭素繊維の種類に応じて変わる。従って、残りの炭素繊維トウの種々の組合せを選択して、広範な物理的特性を有する成形製品を製造することができる。

チョップ化炭素繊維トウと混合される熱硬化性樹脂粉末の量は、異なる製品要求に合わせて変えることができる。高性能不連続炭素繊維成形コンパウンドの場合、熱硬化性樹脂粉末の量は、全成形コンパウンドの３０から５０重量％がよい。好ましい高性能不連続炭素繊維成形コンパウンドで、全成形コンパウンドの３３から４３重量％まで含有するのがよい。

本発明の不連続炭素繊維成形コンパウンドの成形は、ＨｅｘＭＣ（登録商標）成形コンパウンド等の他の高性能成形コンパウンドに適した既知の成形手順に従って行うことができる。未硬化の不連続炭素繊維成形コンパウンドは、典型的に２つの金型の半分の部分から構成される金型に入れられ、所望の形状に形成される。金型で形成する場合、未硬化複合集合体は樹脂（複数可）の硬化温度に加熱され、所望の複合部品又は構造を形成する圧力下で成形される。粉末化エポキシ樹脂の典型的な硬化温度は、１４０℃から２２５℃の範囲である。好ましい硬化温度は、１４０℃から１９０℃の範囲である。金型内の内圧は、大気圧よりわずかに上から２０００ｐｓｉまで変えることができる。高圧成形は、高性能複合部品を製造する場合に好ましい。このような高圧成形は、硬化温度にて、５００ｐｓｉより高く、２０００ｐｓｉより低い圧力で行われる。未硬化の不連続炭素繊維成形コンパウンドが完全に硬化された後（典型的には、硬化温度にて、５分から１時間）、その部品は金型から取り外され、冷却されて最終的な複合部品が形成される。

実施例は以下の通りである。
［実施例１］

３Ｋ、６Ｋ及び１２Ｋのフィラメントを有するＡＳ４Ｃ炭素繊維トウのグループを、超音波ナイフを使用して小片にチョップした。炭素繊維トウは、約２．５ｃｍ又は約５ｃｍのいずれかの長さのトウの小片にチョップされた。炭素繊維トウは、ＡＳ４繊維等級（ｆｉｂｅｒ ｇｒａｄｅ）のＣＰ３０００又はＡＳ４繊維等級のＣＰ４０００（ヘクセル社、カリフォルニア州、ダブリン）のいずれかであった。３Ｋのトウの線状重量は、０．２００ｇ／ｍであり、６Ｋ及び１２Ｋのトウの線状重量は、それぞれ０．４００ｇ／ｍ及び０．８００ｇ／ｍであった。用語「約」は、本明細書で使用される場合、記載された値の±５％に等しい。

チョップ化トウの各グループは、粉末化エポキシ樹脂と回転ドラム中で混合されて、チョップ化炭素繊維トウと、成形コンパウンドの全重量に基づいて約３８重量％のエポキシ樹脂を含有する粉末化熱硬化性樹脂とのブレンドを形成した。粉末化エポキシ樹脂は、１７重量％の固体ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂；７１重量％のクレゾールノボラック型エポキシ樹脂；５重量％の液体４官能性エポキシ樹脂（ＴＧＭＤＡ）；２重量％のジシアンジアミド硬化剤；及び３．５重量％のウロン促進剤の組合せを含有した。液体４官能性エポキシを、他の粉末化成分とブレンドする前に、固体クレゾールノボラック型エポキシと予備混合し、粉末状に形成した。この種類の粉末化エポキシ樹脂ブレンドは、６０℃と８０℃との間の軟化点を有する。

粉末とチョップ化トウとの各ブレンドを、その粉末粒子を部分的に溶融し、且つそれらをトウに付着させるために、約１１０℃の温度に急速に加熱し、そこで３０秒間保持した。１１０℃で３０秒間保持した後、そのブレンドを室温に冷却し、不連続炭素繊維成形材料の３０ｃｍ×３０ｃｍのシートに形成した。

成形材料のシートを１０００ ｐｓｉの圧力下で１６０℃にて１０分間硬化した。得られた硬化シートは厚さが４ｍｍであった。その後、硬化シートを引張強度（ＭＰａ）、引張弾性率（ＧＰａ）、層間せん断強度（ＩＬＳＳ）及びガラス転移温度（Ｔｇ）について試験した。ＩＬＳＳは試験法ＥＮ ２５６３により測定し、Ｔｇは動的機械分析（ＤＭＡ）により測定した。その試験結果を表１に記載する。

表１からわかるように、３Ｋの炭素トウ小片を使用して製造した積層体は、６Ｋ及び１２Ｋの積層体よりも引張強度がかなり良好であった。また、５ｃｍの炭素トウ小片は、２．５ｃｍの炭素トウ小片よりも引張強度がかなり良好であった。更に、３Ｋのトウ及び長さ５ｃｍのトウの組合せで製造した積層体は、引張強度が特に高かった。
［実施例２］

チョップ化した３Ｋ、６Ｋ及び１２Ｋの炭素繊維トウが異なる重量割合で組み合わされて、０から１００重量％の範囲の異なる量の各種類のトウを含有する不連続炭素繊維成形コンパウンドを形成した点を除いて、１０の積層体が、実施例１と同じ方法で製造された。炭素繊維トウのチョップ化小片の全ては長さが約５ｃｍであり、それらは全てＡＳ４等級のＣＰ３０００の炭素繊維トウを使用して製造された。１０の積層体の組成を重量％で表２に記載する。

１０の積層体を実施例１と同じ方法で硬化し、引張強度及び引張弾性率について測定した。その結果を表３に記載する。

表３からわかるように、１００重量％の３Ｋのチョップ化炭素繊維トウを含有する積層体、又は５０重量％の３Ｋ及び５０重量％の６Ｋのチョップ化炭素繊維トウの組合せを含有する積層体は、他の積層体よりもかなり高い引張強度を有した（それぞれ、３４８ＭＰａ及び３１９ＭＰａ）。約５０重量％の３Ｋの炭素繊維トウと約５０重量％の６Ｋの炭素繊維トウとの組合せにより、３Ｋ、６Ｋ又は１２Ｋのトウを単独で使用することによっては又は表２に記載のチョップ化炭素繊維トウの他の組合せを使用することによっては達成できなかった、高引張強度（３１９ＭＰａ）及び高引張弾性率（４５ＧＰａ）を有する非常に良好な組合せが得られる。
［実施例３］

３つの積層体を調製し、実施例１と同じ方法で試験した。第１の積層体は、１００重量％のＡＳ４Ｃ ＧＰ １２Ｋ Ｇ３０００の、長さが５ｃｍであるチョップ化炭素繊維トウ小片を含有した。第２の積層体は、１００重量％のＩＭＡ ＧＳ １２Ｋ（ヘクセル社、カリフォルニア州、ダブリン）の、長さが５ｃｍであるチョップ化炭素繊維トウ小片を含有した。第３の積層体は、最初の２つの積層体を製造するのに使用した５０重量％の各炭素トウ小片を含有した。積層体を硬化し、実施例１と同じ方法で試験した。その試験結果を表４に記載する。

表３からわかるように、不連続成形コンパウンドを製造するのに使用された炭素繊維トウの残りの種類は、成形複合体材料の機械的特性に影響を及ぼす。
［実施例４］

３つの積層体を調製し、実施例１と同じ方法で試験した。第１の積層体は、１００重量％のＩＭＡ ＧＳ １２Ｋの、長さが５ｃｍであるチョップ化炭素繊維トウ小片を含有した。第２の積層体は、１００重量％のＩＭ９ ＧＰ １２Ｋ（ヘクセル社、カリフォルニア州、ダブリン）の、長さが５ｃｍであるチョップ化炭素繊維トウ小片を含有した。第３の積層体は、最初の２つの積層体を製造するのに使用した５０重量％の各炭素トウ小片を含有した。積層体を硬化し、実施例１と同じ方法で試験した。その試験結果を表５に記載する。

表５からわかるように、１２Ｋ ＩＭＡ及びＩＭ９の炭素繊維トウは、１００％の３Ｋ ＡＳ４の炭素繊維トウを含有する不連続炭素繊維成形コンパウンドを使用して得られる複合部品の機械的特性に、類似する機械的特性を有する複合部品を生産するための不連続炭素繊維成形コンパウンドを製造するのに使用できる。３Ｋ ＩＭＡ及び／又はＩＭ９の炭素繊維トウ小片を使用して製造される不連続成形コンパウンドは、１２Ｋ ＩＭＡ及び／又はＩＭ９の炭素繊維トウを使用して得られるものよりも良好な機械的特性を有する複合部品を生産することが期待されることに注目すべきである。

このように本発明の代表的な実施形態を記載したが、当業者は、開示範囲内の例示に過ぎないこと、並びに種々の他の代替、応用及び改変を本発明の範囲内で行うことができることに留意すべきである。従って、本発明は、上記の実施形態によって限定されず、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (20)

1. 不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法であって、
   前記不連続繊維成形コンパウンドは、硬化温度で複合部品又は構造に成形可能であり、
   長さが１ｃｍから１０ｃｍであるチョップ化炭素繊維トウの集合体を供給する工程であり、各チョップ化炭素繊維トウは炭素フィラメントを含み、前記炭素フィラメントはトウ構造を形成している、上記供給工程；
   チョップ化炭素繊維トウと粉末化熱硬化性樹脂とのブレンドを形成するために、熱硬化性樹脂の粒子を含む粉末化熱硬化性樹脂を、前記チョップ化炭素繊維トウの集合体と混合する工程であり、当該混合は、前記トウ構造が壊れないように且つ前記粒子が静電引力によって前記チョップ化炭素繊維トウに付着するように撹拌することを含む、上記混合工程；及び
   前記チョップ化炭素繊維と熱硬化性樹脂の粒子とのブレンドを、前記熱硬化性樹脂の粒子を部分的に溶融し、且つ前記粒子を前記チョップ化炭素繊維トウに付着させ、且つ前記トウ構造が壊れないようにチョップ化炭素繊維トウを安定化するのに、十分な時間、硬化温度未満の温度で加熱する工程；及び
   前記炭素繊維トウとこれに付着した前記粒子とを含む分離した樹脂−チョップ化繊維トウ成分を含む前記不連続繊維成形コンパウンドを形成するために、前記チョップ化炭素繊維の加熱したブレンドを冷却する工程であり、前記熱硬化性樹脂の粘着性が十分に低く、前記樹脂−チョップ化繊維トウ成分が一緒にくっついておらず互いに分離することができる、上記冷却工程、
   を含む、上記方法。
2. 前記チョップ化炭素繊維トウが、５から１０ｃｍの長さである、請求項１に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
3. 前記炭素繊維トウが、２８５０〜３１５０本のフィラメントを含む、請求項１に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
4. 前記炭素繊維トウが、２８５０〜３１５０本のフィラメントを含む、請求項２に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
5. 多数の炭素繊維トウがチョップされて、前記チョップ化炭素繊維トウの集合体を形成し、各炭素繊維トウがフィラメントを含み、前記炭素繊維トウの少なくとも２種類に存在するフィラメントの数が同じではない、請求項３に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
6. 前記多数の炭素繊維トウが、２８５０〜３１５０本のフィラメント又は５７００〜６３００本のフィラメントのいずれかを含む、請求項５に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
7. 前記粉末化熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂である、請求項１に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
8. 前記粉末化熱硬化性樹脂が、前記成形コンパウンドの全重量の３０重量％から５０重量％までの量である、請求項７に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
9. 前記チョップ化炭素繊維トウの少なくとも一部が、炭素繊維トウの残りを前記チョップ化炭素繊維トウにチョップすることによって作られる、請求項１に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
10. 前記炭素繊維トウの残りが、２８５０〜３１５０本のフィラメントからなる、請求項８に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
11. 前記粉末化熱硬化性樹脂が、６０℃と８０℃との間の軟化点を有する、請求項７に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
12. 前記不連続繊維成形コンパウンドを成形して、複合部品を形成する追加的な工程を含む、請求項１に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
13. 前記不連続繊維成形コンパウンドを成形して、複合部品を形成する追加的な工程を含む、請求項２に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
14. 前記不連続繊維成形コンパウンドを成形して、複合部品を形成する追加的な工程を含む、請求項３に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
15. 前記不連続繊維成形コンパウンドを成形して、複合部品を形成する追加的な工程を含む、請求項５に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
16. 前記不連続繊維成形コンパウンドを成形して、複合部品を形成する追加的な工程を含む、請求項６に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
17. 前記不連続繊維成形コンパウンドを成形して、複合部品を形成する追加的な工程を含む、請求項７に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
18. 前記不連続繊維成形コンパウンドを成形して、複合部品を形成する追加的な工程を含む、請求項９に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
19. 前記不連続繊維成形コンパウンドを成形して、複合部品を形成する追加的な工程を含む、請求項１０に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。
20. 前記樹脂−チョップ化繊維トウ成分を互いに分離する追加的な工程を含む、請求項１に記載の不連続繊維成形コンパウンドを製造する方法。