JP6815634B2 - 炭素繊維強化プラスチックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチック（以下、「ＣＦＲＰ」ともいう。）の製造方法に関し、曲げ強さの高いＣＦＲＰの製造方法に関するものである。

ＣＦＲＰは、熱溶融性樹脂又は熱硬化性樹脂を母体（マトリックス）とし、その中に炭素繊維が含有されているものである。熱溶融性樹脂を母体とするＣＦＲＰは、炭素繊維と熱溶融性樹脂からなるシート状半製品を複数枚積層した後、熱溶融性樹脂を溶融固化して一体成型することにより製造されている。

ＣＦＲＰの用途や形状は様々であるが、たとえば飛行機の翼や風力発電機の羽根の如き長尺状のものにあっては、その長手方向に高引張強さ及び高曲げ強さが求められる。したがって、ＣＦＲＰ中の炭素繊維は、長手方向に配向しているのが好ましく、ＣＦＲＰ製造用シート状半製品においても、半製品中の炭素繊維が長手方向に配向しているのが好ましい。

かかるシート状半製品を製造する方法として、熱溶融性繊維と炭素繊維との混合物をカード機に投入し、熱溶融性繊維と炭素繊維よりなるウェブを作成し、その後、熱溶融性繊維を溶融固化させることにより、炭素繊維と熱溶融性樹脂からなるシート状半製品を製造する方法が提案されている（特許文献１）。カード機は、熱溶融性繊維と炭素繊維の双方を梳ることによって開繊するものであるから、自ずと炭素繊維も長手方向に配向する。特許文献１記載の技術は、このカード機の作用によって、炭素繊維を長手方向に配向するというものである（特許文献１、請求項１）。

特表２０１３−５１９５４６号公報（請求項１）

しかしながら、特許文献１記載の方法では、高引張強さはある程度実現できるが、高曲げ強さが不十分であった。本発明者は、高曲げ強さが不十分である原因を検討した結果、炭素繊維は長手方向に配向しているが、平面方向に平行に配向していないからであると考えた。すなわち、カード機で作成したウェブの厚みが厚く、炭素繊維はウェブの平面方向に平行になっておらず、厚み方向の曲げ荷重に対して炭素繊維が直交していないため、炭素繊維の剛性を十分に発揮しえないからであると考えた。また、厚みの厚いウェブを厚み方向に圧縮して薄くしたとしても、熱溶融性繊維が共存しているため、炭素繊維を平面方向に十分平行に配向することができず、炭素繊維の剛性を十分に発揮しえないからであると考えた。

本発明の課題は、シート状半製品中の炭素繊維を平面方向に対してほぼ平行になるように配向させて、高曲げ強さのＣＦＲＰを製造する方法を提供することにある。

本発明は、カード機から排出されるウェブの厚みを薄くし、厚み方向における炭素繊維の傾斜を少なくして、上記課題を解決したものである。すなわち、本発明は、炭素繊維と熱溶融性繊維とからなる共材料をカード機に投入して、目付５ｇ／ｍ²以下のシート状ウェブを作成する工程、前記シート状ウェブを複数枚積層して、積層ウェブを作成する工程及び前記積層ウェブを前記熱溶融性繊維が溶融する温度に加熱して、前記熱溶融性繊維を溶融させた後固化させて、固化物を母体とする工程を具備することを特徴とする炭素繊維強化プラスチックの製造方法に関するものである。

本発明では、まず、炭素繊維と熱溶融性繊維とからなる共材料を準備する。ここで、炭素繊維は、従来公知のものが採用されるが、カード機に投入されるために、連続繊維となっていないものが好ましい。具体的には、繊維長が１０〜１００ｍｍ程度のものが採用される。また、炭素繊維としてリサイクルされたものを採用するのが好ましい。すなわち、資源の有効利用のため、廃材となったＦＲＰから炭素繊維を選別分離したリサイクル品を採用するのが好ましい。また、熱溶融性繊維は、ＣＦＲＰの母体となるもので、従来公知の熱可塑性繊維が用いられる。具体的には、ポリオレフィン繊維、ポリエステル繊維又はポリアミド繊維等が用いられる。熱溶融性繊維もカード機に投入されるため、繊維長は１０〜１００ｍｍ程度のものが好ましい。

熱溶融性繊維としては、熱溶融性複合繊維を用いるのが好ましい。熱溶融性複合繊維は、高融点重合体成分と、その表面に露出している低融点重合体成分とで構成されてなるものである。かかる熱溶融性複合繊維を採用すると、低融点重合体成分のみを軟化又は溶融後に固化させて炭素繊維相互間を接着することにより、ＣＦＲＰ製造用の半製品を得やすくなる。熱溶融性複合繊維の具体例としては、高融点重合体成分が芯成分となり、低融点重合体成分が鞘成分となっている熱溶融性芯鞘型複合繊維が好適である。また、横断面が半月状となっている高融点重合体成分と低融点重合体成分とを貼り合わせてなる熱溶融性サイドバイサイド型複合繊維であってもよい。

高融点重合体成分及び低融点重合体成分としては、従来公知の各種のものを用いることができる。高融点重合体成分／低融点重合体成分の組み合わせとしては、ナイロン６６／共重合ナイロン、ポリエチレンテレフタレート／共重合ポリエステル又はマレイン酸変性ポリプロピレン／マレイン酸変性ポリプロピレン−ポリエチレン共重合体などを用いることができる。また、高融点重合体成分と低融点重合体成分の質量割合は、高融点重合体成分：低融点重合体成分＝４０〜９０質量部：１０〜６０質量部程度であるのが好ましい。高融点重合体成分は、後に製造されるＣＦＲＰの母体の主体となるものであるから、多ければ多いほど好ましい。

炭素繊維と熱溶融性繊維とからなる共材料を準備する方法としては、炭素繊維と熱溶融性繊維とを均一に混合して共材料とする方法や、炭素繊維よりなるウェブと熱溶融性繊維よりなるウェブを積層してなる積層物を共材料とする方法等が挙げられる。後者の方法において、炭素繊維よりなるウェブは、炭素繊維のみをカード機に通すことによって得られる。また、熱溶融性繊維よりなるウェブも、熱溶融性繊維のみをカード機に通すことによって得られる。なお、カード機としては、従来公知のものを用いることができ、たとえば、ローラーカード機やフラットカード機を用いることができる。そして、両者のウェブを積層して積層物とすることにより、共材料が得られる。後者の方法によれば、炭素繊維及び熱溶融性繊維の両者が、共材料となる前に開繊されており、共材料をカード機に投入したときに開繊されやすくなり、好ましいものである。また、積層物を共材料とすることにより、炭素繊維及び熱溶融性繊維の配合割合を任意に調整することができ、この点でも好ましいものである。なお、炭素繊維よりなるウェブ及び熱溶融性繊維よりなるウェブの目付は、カード機による従来のカードウェブと同様に、１０〜３５ｇ／ｍ²程度である（文献「不織布の基礎と応用」、平成５年８月２５日社団法人日本繊維機械学会発行、第８８頁第９〜１２行目）。

共材料をカード機に投入して、目付５ｇ／ｍ²以下のシート状ウェブを作成する。上述したように、カード機を用いてウェブを作成する場合、その目付は１０〜３５ｇ／ｍ²程度となる。しかるに、目付が高いと、ウェブの厚みが厚くなり、ウェブ中の炭素繊維が厚み方向に大きく傾斜することになる。本発明では、目付を５ｇ／ｍ²以下とすることにより、シート状ウェブの厚みを薄くして、シート状ウェブ中の炭素繊維の厚み方向における傾斜を減少させたものである。目付５ｇ／ｍ²以下のシート状ウェブを得るには、カード機の速度（シリンダーやドッファーの速度）に対して、カード機に投入する共材料の質量を少なくすればよい。

得られたシート状ウェブを複数枚積層して、積層ウェブを作成する。積層枚数は、積層ウェブが所望の目付となるように設定される。たとえば、シート状ウェブの目付が２ｇ／ｍ²であって、積層ウェブの目付を１００ｇ／ｍ²にしたいときには、シート状ウェブを５０枚積層して積層ウェブを得る。

積層ウェブを、熱溶融性繊維が溶融する温度に加熱及び要すれば加圧する。そして、熱溶融性繊維を全て溶融させる。このとき、繊維が溶融して樹脂となり、この樹脂中に炭素繊維が存在することになる。そして、溶融させた樹脂を固化させると、固化物を母体とするＣＦＲＰを得ることができるのである。

本発明において、熱溶融性繊維として熱溶融性複合繊維を用いた場合には、ＣＦＲＰ製造用のシート状半製品を作成した後に、ＣＦＲＰを製造してもよい。すなわち、積層ウェブを、熱溶融性複合繊維の低融点重合体成分のみが軟化又は溶融する温度に加熱及び加圧する。これにより、熱溶融性複合繊維の表面に露出している低融点重合体成分のみが軟化又は溶融して、炭素繊維相互間が接着したシート状半製品が得られる。そして、このシート状半製品を、熱溶融性複合繊維の高融点成分の融点以上に加熱して、熱溶融性繊維の全てを溶融させた後固化させると、固化物を母体とするＣＦＲＰが得られる。なお、シート状半製品は一枚使用してＣＦＲＰを製造してもよいし、複数枚を積層して使用してＣＦＲＰを製造してもよい。

本発明に係る方法で用いるシート状ウェブは、目付が５ｇ／ｍ²以下であって薄いので、炭素繊維の厚み方向における傾斜が少なく、炭素繊維が平面方向にほぼ平行に配向している。したがって、かかるシート状ウェブを用いて得られたＣＦＲＰは、炭素繊維が平面方向にほぼ平行に配向しているので、厚み方向に曲げ荷重を受けた場合、炭素繊維の剛性が十分に発揮され、曲げ荷重が高くなり、曲げ強さの高いＣＦＲＰが得られるという効果を奏する。

実施例１
繊維長５０ｍｍの炭素繊維（東レ社製のＴ７００を所定長に切断したもの）を、ローラーカード機（竹内製作所社製）に投入して、目付１８ｇ／ｍ²の炭素繊維ウェブを得た。一方、繊維長５１ｍｍの芯鞘型複合繊維（ユニチカ社製の繊度１．７デシテックスの芯鞘型ナイロン繊維：芯成分は融点２５６℃のナイロン６６であり、鞘成分は融点１３６℃の共重合ナイロンである。）を、ローラーカード機（竹内製作所社製）に投入して、目付２０ｇ／ｍ²の芯鞘型複合繊維ウェブを得た。

得られた炭素繊維ウェブと芯鞘型複合繊維ウェブとを積層して共材料とし、通常の供給量よりも少ない供給量でローラーカード機（竹内製作所社製）に投入して、目付２ｇ／ｍ²のシート状ウェブを得た。このシート状ウェブ中の炭素繊維と芯鞘型複合繊維の混合割合は、炭素繊維：芯鞘型複合繊維＝５３：４７（質量部）であった。このシート状ウェブを４５枚積層して、目付９０ｇ／ｍ²の積層ウェブを得た。この積層ウェブを、表面温度１１０℃に加熱された熱カレンダー機（クリアランス０．１ｍｍ）に通して、炭素繊維相互間が芯鞘型複合繊維の鞘成分で接着されたＣＦＲＰ製造用シート状半製品を得た。

ＣＦＲＰ製造用シート状半製品を２４５ｍｍ角に切断した後、これを２枚積層して、２８０℃の温度で且つ７ＭＰａの圧力でプレスして、厚さ１．８７ｍｍのＣＦＲＰの平板を得た。このＣＦＲＰを用いて、ＪＩＳ Ｋ ７０７４−１９８８記載の方法に準拠して、３点曲げ試験を行って曲げ強さを測定した。その結果、６０４．２８ＭＰａの曲げ強さであった。

Claims (6)

1. 炭素繊維と、芯成分が高融点重合体成分であり鞘成分が低融点重合体成分である熱溶融性芯鞘型複合繊維とからなる共材料をカード機に投入して、目付５ｇ／ｍ²以下のシート状ウェブを作成する工程、
   前記シート状ウェブを複数枚積層して、積層ウェブを作成する工程及び
   前記積層ウェブを前記熱溶融性芯鞘型複合繊維が溶融する温度に加熱して、前記熱溶融性芯鞘型複合繊維を溶融させた後固化させて、固化物を母体とする工程
   を具備することを特徴とする炭素繊維強化プラスチックの製造方法。
2. 加熱時において、積層ウェブを厚さ方向に加圧する請求項１記載の炭素繊維強化プラスチックの製造方法。
3. 共材料が、炭素繊維ウェブと熱溶融性芯鞘型複合繊維ウェブとの積層物である請求項１記載の炭素繊維強化プラスチックの製造方法。
4. 炭素繊維と、高融点重合体成分とその表面に露出している低融点重合体成分とからなる熱溶融性複合繊維とからなる共材料をカード機に投入して、目付５ｇ／ｍ²以下のシート状ウェブを作成する工程、
   前記シート状ウェブを複数枚積層して、積層ウェブを作成する工程及び
   前記積層ウェブを前記熱溶融性複合繊維の低融点重合体成分のみが軟化又は溶融する温度に加熱及び加圧して、前記熱溶融性複合繊維の低融点重合体成分のみを軟化又は溶融させた後固化して、前記炭素繊維相互間を前記熱溶融性複合繊維で接着させる工程
   を具備することを特徴とする炭素繊維強化プラスチック製造用シート状半製品の製造方法。
5. 熱溶融性複合繊維が、高融点重合体成分を芯成分とし低融点重合体成分を鞘成分とする熱溶融性芯鞘型複合繊維である請求項４記載の炭素繊維強化プラスチック製造用シート状半製品の製造方法。
6. 請求項４記載の方法で得られた炭素繊維強化プラスチック製造用シート状半製品を、熱溶融性複合繊維の高融点重合体成分の融点以上に加熱して、前記熱溶融性繊維を溶融させた後固化させる、固化物を母体とする炭素繊維強化プラスチックの製造方法。