JP6555657B2 - 炭素繊維シート及びこれを用いた炭素繊維強化樹脂成形体 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維シート及びこれを用いた炭素繊維強化樹脂成形体に関する。さらに詳しくは、短繊維からなる炭素繊維シート及びこれを用いた炭素繊維強化樹脂成形体に関する。

炭素繊維とマトリックス樹脂からなる炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、軽量で比強度、比弾性率が高く、力学的特性に優れ、耐候性、耐薬品性も高いことから、航空機、自動車、タンク、コンクリート補強材、スポーツ用途等様々な用途に使用され、あるいは適用することが検討されている。ＣＦＲＰの製造の際には炭素繊維シートの切断などにより端材が発生し、有効活用が問題となる。また、ＣＦＲＰ成形体を処分する際も炭素繊維の有効活用（リサイクル）が問題となる。

廃ＣＦＲＰから炭素繊維を取り出す方法として、常圧溶解法が提案されている（特許文献１）。これは加圧せずに樹脂を溶かす方法であり、高品質なリサイクル炭素繊維を得ることができる。しかし、溶解処理後の炭素繊維は綿状に絡まり合った状態であり、そのままではＣＦＲＰに再生することは難しい。リサイクル炭素繊維をＣＦＲＰに再生する方法として、特許文献２〜４には炭素繊維に他の合成繊維を加えて乾式法（カード）で開繊することが提案されている。湿式法については非特許文献１〜２の報告例がある。非特許文献３にもリサイクル炭素繊維をＣＦＲＰに成形することが報告されている。

特開２００７−２９７６４１号公報 特表２０１３−５１９５４６号公報 特開２０１４−１９６５８４号公報 特開２０１４−０６２１４６号公報

東出ら,「湿式不織布ＣＦＲＰのバインダーが引張圧縮強度に及ぼす影響」第55回構造強度に関する講演会,3B13,2013.8 東出ら,「リサイクル炭素繊維を用いた不織布ＣＦＲＰの強度評価」第54回構造強度に関する講演会,3B08,2012.8 M.H.Akonda, et.al., "Recycled carbon fiber-reinforced polypropylene thermoplastic composites, Compos. Part A", Sci. Mauf., Vol. 43, no. 1, pp. 79-86, 2012

しかし、従来の技術は炭素繊維以外の合成繊維や他の添加物等の第三成分が入ったり、短繊維からなる炭素繊維の開繊性及び配向性に問題があり、ＣＦＲＰに成形すると、高強度が発現しないという問題があった。
本発明は、前記従来の問題を解決するため、短繊維からなる炭素繊維群の開繊性及び配向性を改善し、高強度のＣＦＲＰが成形できる炭素繊維シート及びこれを用いた炭素繊維強化樹脂成形体を提供する。

本発明の炭素繊維シートは、炭素繊維とマトリックス樹脂を含む炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からリサイクルされた短繊維シートで構成される炭素繊維単独系からなる炭素繊維シートであって、前記炭素繊維シートはカード機の開繊装置上に開繊されて巻き付いたものを剥がして形成され、かつ実質的に同一方向に炭素繊維が配向されており、単位面積当たりの質量が５ｇ／ｍ²以上であることを特徴とする。

本発明の炭素繊維強化樹脂成形体は、炭素繊維シートとマトリックス樹脂を含む炭素繊維強化樹脂成形体であって、前記炭素繊維シートはカード機の開繊装置上に開繊されて巻き付いたものを剥がして形成され、かつ実質的に同一方向に配向されており、単位面積当たりの質量が５ｇ／ｍ²以上であることを特徴とする。

本発明は、短繊維シートで構成される炭素繊維単独系からなる炭素繊維シートをカード機の開繊装置上に開繊されて巻き付いたものを剥がして形成され、かつ実質的に同一方向に炭素繊維が配向されており、単位面積当たりの質量が５ｇ／ｍ²以上であることにより、炭素繊維の開繊性及び配向性を改善でき、均一性が高く、高強度ＣＦＲＰが成形できる炭素繊維シート及びこれを用いた炭素繊維強化樹脂成形体を提供できる。コスト的にも有利なＣＦＲＰが成形できる。

図１は本発明の一実施例のカード機の模式的斜視図である。 図２は同断面図である。 図３は同カード機のシリンダー上から剥がした炭素繊維シートの斜視図である。 図４は本発明の別の実施例のカード機の模式的断面図である。 図５は本発明の実施例１で得られた炭素繊維シートの表面写真である。 図６は比較例１（湿式抄紙法）で得られた炭素繊維シートの表面写真である。 図７は本発明の実施例２の各成形体の引張強度を示すグラフである。 図８は比較例４で得られた炭素繊維シートの表面写真である。

本発明の炭素繊維シートは、短繊維シートで構成される炭素繊維単独系からなる炭素繊維シートである。炭素繊維単独系とは、他の合成繊維、バインダー樹脂、油剤、滑剤などを含まないことを意味する。 これにより、ＣＦＲＰとしたときに炭素繊維以外の合成繊維や他の添加物等の第三成分が入ることはなく、強度が高く、品質の高い成形体が得られる。

本発明の炭素繊維シートは、カード機の開繊装置上に開繊されて巻き付いたものを剥がして形成される。開繊装置はシリンダー又はベルトコンベアが好ましい。シリンダー又はベルトコンベア上には多数の金属製針が備えられているが、炭素繊維はこの多数の金属製針の間に、開繊されかつ実質的に同一方向に配向されて巻き付いており、これを剥がすことにより短繊維シートとして取り扱うことができる。シリンダー又はベルトコンベア幅及び直径又は長さは様々なものを選択できるので、生産量に見合ったものを選択して使用する。

炭素繊維シートの単位面積当たりの質量は５ｇ／ｍ²以上であり、好ましくは５〜５０ｇ／ｍ²であり、より好ましくは５〜２５ｇ／ｍ²である。前記の範囲であれば、取扱い性も良く、ＣＦＲＰ成形に都合が良い。炭素繊維シートの質量が５ｇ／ｍ²未満では取扱い性が困難でＣＦＲＰ成形に適用するのは困難となる。

炭素繊維シートを構成する炭素繊維は、５０質量％以上が±１０度以内の角度で配向されていることが好ましく、さらに好ましくは６０質量％以上が±１０度以内の角度で配向されており、より好ましくは７０質量％以上が±１０度以内の角度で配向されている。前記の範囲であれば、配向性が高く、強度が高く、品質の高い成形体が得られる。

炭素繊維シートは、荷重５００Ｐａをかけたときの密度０．０１〜０．１５ｇ／ｃｍ³であることが好ましく、さらに好ましい密度は０．０２〜０．１０ｇ／ｃｍ³であり、より好ましくは０．０３〜０．０９ｇ／ｃｍ³である。前記の範囲であれば、取扱い性も良く、ＣＦＲＰ成形に都合が良い。

炭素繊維の繊維長は任意とすることができるが、好ましくは３０〜２００ｍｍであり、さらに好ましい繊維長は５０〜１００ｍｍであり、より好ましくは５０〜８０ｍｍである。前記の範囲であれば、取扱い性も良く、ＣＦＲＰ成形に都合が良い。

炭素繊維は、資源の有効活用からリサイクルされた炭素繊維であるのが好ましいが、バージンの炭素繊維を切断したもの、ＣＦＲＰの製造の際の炭素繊維シートの切断などにより端材として発生したものなど、どのようなものでも使用できる。炭素繊維の原料は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、ピッチ系等どのようなものでもよい。また、本発明の炭素繊維シートと別の方法で作成された炭素繊維シート（例えば長繊維シート）とを積層して使用することもできる。

本発明の炭素繊維強化樹脂成形体は前記本発明の炭素繊維シートを使用する。本発明の炭素繊維シートとともに、別の例えばバージンの炭素繊維シートを積層して使用することもできる。炭素繊維強化樹脂成形体は、一例として真空樹脂含浸法（ＶａＲＴＭ）により成形するのが好ましい。ＶａＲＴＭはマトリックス樹脂が炭素繊維シートの内部まで均一に含浸し、品質の高い成形体が得られる。マトリックス樹脂としてはエポキシ樹脂等公知の樹脂を使用できる。

炭素繊維シートには炭素繊維の絡まり部分が存在していることもある。この絡まり部分は炭素繊維が横向きになっていたり、曲がっていたり、重なっていることにより発現している。炭素繊維の配向性は低下しているが、炭素繊維１００質量％当たり１０質量％以下、好ましくは５質量％以下、さらに好ましくは１質量％以下であれば実用上の問題は少ない。

以下、図面を用いて説明する。以下の図面において、同一符号は同一物を示す。図１は本発明の一実施例のカード機１の模式的斜視図、図２は同断面図である。カード機１本体は、針布又はメタリックワイヤ６が表面に固定されているシリンダー５と、供給ローラ７とツール又はホイール等と呼ばれる開繊ローラ８ａ，８ｂ，８ｃで主要部が構成されている。カード機１には通常排出ベルト１０が設けられているが、本発明においは、炭素繊維シート９はシリンダー５の表面に巻き付いて形成されるので排出ベルト１０は省略しても良い。

短繊維からなる炭素繊維原綿は、まず供給ボックス２に供給される。少量の場合は供給ボックス２を使わなくても良い。供給ベルト３及び供給ローラ７により炭素繊維原綿４はカード機１本体に送られる。炭素繊維原綿４はシリンダー５と供給ローラ７、開繊ローラ８ａ，８ｂ，８ｃの針布又はメタリックワイヤで開繊されるとともに一方向に配向され、シリンダー上の金属製針の間に巻き付く。巻き付いた状態を図２に示す。これを剥がすことにより図３に示す炭素繊維シート１１が得られる。１２は炭素繊維の絡まり部分である。

図４は本発明の別の実施例のカード機２１の模式的断面図である。図２のシリンダーに換えてベルトコンベア状(例えば針布)のカード機である。炭素繊維原綿１４は、供給ベルト１３及び供給ローラ１７によりカード機２１本体に送られ、ベルトコンベア１５上の金属製針１６と供給ローラ１７、開繊ローラ１８ａ，１８ｂ，１８ｃの金属製針１６で開繊されるとともに一方向に配向され、ベルトコンベア上の金属製針１６の間に巻き付く。巻き付いた炭素繊維シート１９を剥がすことにより本発明の炭素繊維シートが得られる。

以下、実施例を用いてさらに具体的に説明する。なお、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

＜試験片の引張試験＞
ＡＳＴＭ Ｄ３０３９に従い、インストロン万能試験機 モデル８５０１を使用し、ロードセル１００ｋＮ、引張速度１．０ｍｍ／ｓｅｃ、つかみ圧１６００ｐｓｉでＣＦＲＰの引張強度を測定した。
＜厚み（ｍｍ）、見掛け密度（ｇ／ｃｍ³）＞
ＪＩＳ Ｌ１９１３「一般短繊維不織布試験方法」に準じて
厚みを測定し、この値と目付けの値とから見かけ密度を算出した。

（実施例１）
一方向に揃えられた炭素繊維がポリアミド製バインダーによってまとめられているテープ(SAERTEX社製、商品名"Unidirectional Non Crimp Fabric V96069")から、常圧溶解法によりリサイクルされた炭素繊維（東レ社製、商品名“Ｔ８００”、繊維径５μｍ、繊維長８０ｍｍ）を、メタリックワイヤ（ワイヤ高さ５ｍｍ、ワイヤトップの間隔５ｍｍ）を組み込んだカード機（シリンダー直径５００ｍｍ、回転数１００ｍ／分）に幅２７０ｍｍ、長さ６０ｍｍで１０ｇ投入し、５分間運転した。次いでシリンダーから炭素繊維層を剥がし取り、幅２７０ｍｍ、長さ９００ｍｍ、単位面積当たりの質量２０ｇ／ｍ²、荷重５００Ｐａをかけたときの密度が０．０６ｇ／ｃｍ³の炭素繊維シートを形成した。この炭素繊維シートを構成する炭素繊維はデジタルカメラの画像を観察したところ、６０質量％以上が±１０度以内の角度で配向されていた。さらに、開繊性は良く均一に開繊されていた。得られた炭素繊維シートの表面写真を図５に示す。図５において黒い筋状に見えるのは炭素繊維の絡まり部分である。

この炭素繊維シートを繊維方向が同一となるように揃えて２０層積層し、４００ｇ／ｍ²のＣＦＲＰ用ラップとした。このＣＦＲＰ用ラップに、エポキシ樹脂（ナガセケムテックス社製、商品名“ＸＮＲ／６８０９”）をＶａＲＴＭ法で含浸させ、縦９００ｍｍ、横２００ｍｍのＣＦＲＰの母板を成形した。この母板からＡＳＴＭの規格に従って縦２４０ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、密度１．３ｇ／ｃｍ³のＣＦＲＰの試験片を切り出した。その物性は表１にまとめて示す。

（比較例１）
この比較例は湿式抄紙法により炭素繊維とバインダー繊維をシート化し、実施例１と同様にＣＦＲＰの成形体とした例である。炭素繊維トウから常圧溶解法によりリサイクルされた炭素繊維（東邦テナックス社製、商品名“ＩＭＳ６０”、繊維径５μｍ、繊維長６ｍｍ）とバインダー繊維（ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）繊維、繊維長６ｍｍ）を質量比７：３の割合で混合し、水中で撹拌して繊維スラリーを作成した。得られたスラリーを手抄筒で抄紙して湿紙を得た。この湿紙をヒーターで乾燥させ、単位面積当たりの質量３０ｇ／ｍ²の湿式不織布得た。得られた炭素繊維シートの表面写真を図６に示す。図６から明らかなとおり、炭素繊維は一方向には配向していないことが分かる。

この炭素繊維シートを８枚積層し、２４０ｇ／ｍ²のＣＦＲＰ用ラップを形成した。このＣＦＲＰ用ラップに、エポキシ樹脂（ナガセケムテックス社製、商品名“ＸＮＲ／６８０９”）をＶａＲＴＭ法で含浸させ、ＣＦＲＰの母板を成形した。この母板からＡＳＴＭの規格に従って縦２４０ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ１．１ｍｍ、密度１．２ｇ／ｃｍ³の試験片を切り出した。その物性は表１にまとめて示す。

（比較例２）
この比較例は湿式抄紙法により炭素繊維と比較例１とは異なるバインダー繊維をシート化し、実施例１と同様にＣＦＲＰの成形体とした例である。炭素繊維トウから常圧溶解法によりリサイクルされた炭素繊維（東邦テナックス社製、商品名“ＩＭＳ６０”、繊維径５μｍ、繊維長６ｍｍ）とバインダー繊維（水溶性ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）繊維、繊維長６ｍｍ）を９：１の割合で混合し、水中で撹拌して繊維スラリーを作成した。得られたスラリーを手抄筒で抄紙して湿紙を得た。この湿紙をヒーターで乾燥させ、単位面積当たりの質量３０ｇ／ｍ²の湿式不織布得た。これを８枚積層した後にＰＶＡ繊維を熱水で洗浄して除去し、２４０ｇ／ｍ²のＣＦＲＰ用ラップを形成した。このＣＦＲＰ用ラップに、エポキシ樹脂（ナガセケムテックス社製、商品名“ＸＮＲ／６８０９”）をＶａＲＴＭ法で含浸させ、ＣＦＲＰの母板を成形した。この母板からＡＳＴＭの規格に従って縦２４０ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ１．８ｍｍ、密度１．２ｇ／ｃｍ³の試験片を切り出した。その物性は表１にまとめて示す。

（比較例３）
リサイクルされた炭素繊維の繊維長を１２．５ｍｍとした以外は比較例２と同様に実験した。以上の実験の物性を表１にまとめて示す。

表１から、実施例１は比較例１〜３に比べて引張強度がきわめて高いことがわかる。これは炭素繊維がよく開繊されており、開繊性も均一であり、繊維の配向性も高いことに起因していると思われる。

（実施例２）
この実施例では実施例１と同様に実験し、得られたＣＦＲＰ成形体の密度と引張強度の関係を調べたものである。合計２２の実験例の各成形体の引張強度を示すグラフを図７に示す。図７から明らかなとおり、密度が高くなると引張強度が大きくなる。このことから、炭素繊維の開繊性及び配向性を高め、均一性を高くすることは重要であることが分かる。とくに炭素繊維の開繊性及び配向性を高めると成形体の密度も高くなることから、前記性質は重要である。

（比較例４）
実施例１の炭素繊維原綿を用いて、実施例１で使用したカード機を通過させて炭素繊維シートを得た。得られた炭素繊維シートの表面写真を図８に示す。図８から明らかなとおり、カード機を通過させた炭素繊維シート無配向であり、開繊状態も悪く、一見して成形体には利用できないことがわかった。

本発明の炭素繊維は、資源の有効活用からリサイクルされた炭素繊維であるのが好ましいが、バージンの炭素繊維を切断したもの、ＣＦＲＰの製造の際の炭素繊維シートの切断などにより端材として発生したものなど、どのようなものでも使用できる。とくに今後は航空機や自動車などの廃材として廃ＣＦＲＰが大量に発生することが予想され、廃ＣＦＲＰから取り出される炭素繊維は絡まり合った状態であるから、このような絡まり合った炭素繊維の開繊性及び配向性を高くすることができる本発明の適用分野は広い。

１，２１ カード機
２ 供給ボックス
３，１３ 供給ベルト
４，１４ 炭素繊維原綿
５ シリンダー
６ 針布又はメタリックワイヤ
７，１７ 供給ローラ
８ａ，８ｂ，８ｃ，１８ａ，１８ｂ，１８Ｃ 開繊ローラ
９，１９ 巻き付いた炭素繊維シート
１０，２０ 排出ベルト
１１ 開繊された炭素繊維シート
１２ 炭素繊維の絡まり部分
１５ ベルトコンベア
１６ 金属製針

Claims (7)

1. 炭素繊維とマトリックス樹脂を含む炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からリサイクルされた短繊維シートで構成される炭素繊維単独系からなる炭素繊維シートであって、
   前記炭素繊維シートはカード機の開繊装置上に開繊されて巻き付いたものを剥がして形成され、かつ実質的に同一方向に炭素繊維が配向されており、単位面積当たりの質量が５ｇ／ｍ²以上であることを特徴とする炭素繊維シート。
2. 前記炭素繊維シートを構成する炭素繊維は、５０質量％以上が±１０度以内の角度で配向されている請求項１に記載の炭素繊維シート。
3. 前記炭素繊維シートは、荷重５００Ｐａをかけたときの密度が０．０１〜０．１５ｇ／ｃｍ³である請求項１又は２に記載の炭素繊維シート。
4. 前記炭素繊維シートを構成する炭素繊維は、繊維長が３０〜２００ｍｍである請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維シート。
5. 前記カード機の開繊装置は、金属製針を含むシリンダー又はベルトコンベアである請求項１〜４のいずれかに記載の炭素繊維シート。
6. 炭素繊維シートとマトリックス樹脂を含む炭素繊維強化樹脂成形体であって、
   前記炭素繊維シートは請求項１〜５のいずれかに記載の炭素繊維シートであることを特徴とする炭素繊維強化樹脂成形体。
7. 前記炭素繊維強化樹脂成形体は真空樹脂含浸法（ＶａＲＴＭ）により成形されている請求項６に記載の炭素繊維強化樹脂成形体。