JP6890141B2 - 炭素繊維シート材、成形体、炭素繊維シート材の製造方法および成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、従来においては、強度と熱伝導性との両立が困難であった。
(1) 複数本の炭素繊維と、
黒鉛粒子と、
複数本の樹脂繊維とを含み、
前記炭素繊維の含有率をX CF [質量%]、前記黒鉛粒子の含有率をX P [質量%]、前記樹脂繊維の含有率をX RF [質量%]としたとき、0.22≦X CF /X RF ≦0.875の関係、および、0.33≦X P /X CF ≦3.0の関係を満足することを特徴とする炭素繊維シート材。
(2) さらに、バインダーを含む上記(1)に記載の炭素繊維シート材。
上記(1)ないし(19)のいずれかに記載の炭素繊維シート材を製造することを特徴とする炭素繊維シート材の製造方法。
以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。また、本明細書において、「シート材」とは、単体のシート材のほか、これらを複数層に積層した積層体、マット状、塊状の形態のものを含む意味で使用する。
まず、本発明の炭素繊維シート材について説明する。
<第1実施形態>
図1は、本発明の炭素繊維シート材の第1実施形態を模式的に示す平面図、図2は、本発明の炭素繊維シート材の第1実施形態を模式的に示す縦断面図である。なお、図2中、付着物2、バインダー30の図示は省略した。
このような構成により、強度、信頼性、熱伝導性に優れた炭素繊維シート材100を提供することができる。特に、本発明では、黒鉛粒子20を含有することで、強度、信頼性に加え、熱伝導性に優れた炭素繊維シート材100を提供することができる。このような炭素繊維シート材100は、強度、信頼性、熱伝導性に優れた成形体を優れた成形性で製造するのに好適に用いることができる。より詳しく説明すると、炭素繊維シート材100中に炭素繊維1とともに黒鉛粒子20を含むことにより、炭素繊維シート材100や炭素繊維シート材100を用いて製造される成形体中において、熱伝導率が比較的高い材料である炭素によるネットワーク(伝熱パス)が形成され、炭素繊維シート材100全体としての熱伝導性や成形体全体としての熱伝導性を優れたものとすることができる。
例えば、黒鉛粒子20を含まない場合、一般に、炭素繊維1同士は、効率よく接触することができない。また、炭素繊維1は、一般に、黒鉛粒子20に比べて熱伝導性が低い。このようなことから、黒鉛粒子20を含まない場合、炭素繊維シート材100としての熱伝導性や成形体全体としての熱伝導性を十分に優れたものとすることが困難である。また、炭素繊維シート材100や成形体中において、炭素繊維1同士を効率よく接触させようとすると、成形体を製造する際の成形性が著しく低下したり、炭素繊維シート材100や成形体中に炭素繊維1の含有率が極端に低い領域が含まれることで炭素繊維シート材100や成形体の強度が低下したりする等の問題を生じる。
炭素繊維シート材100は、複数本の炭素繊維1を含む。
炭素繊維1としては、例えば、アクリル繊維を原料に高温で炭化して作った繊維(PAN系)、ピッチ(石油、石炭、コールタール等の副生成物)を原料に高温で炭化して作った繊維(ピッチ系)等を用いることができるが、炭素繊維シート材100は、炭素繊維1として、リサイクルされた炭素繊維12を含むのが好ましい。
炭素繊維シート材100が、炭素繊維1として、リサイクルされた炭素繊維12を含んでいる場合、以下のような条件を満足するのが好ましい。
前記有機成分としては、例えば、サイジング剤、マトリックス樹脂等が挙げられる。
炭素繊維シート材100は、炭素繊維1として、リサイクルされた炭素繊維12とともに、バージンの炭素繊維11を含んでいるのが好ましい。
これにより、前述したような効果がより顕著に発揮される。
上述したように、炭素繊維シート材100は、黒鉛粒子20を含有する。
前記加熱処理の温度は、200℃以上600℃以下であるのが好ましい。
本実施形態の炭素繊維シート材100は、炭素繊維1および黒鉛粒子20に加えて、さらに、バインダー30を含んでいる。
これにより、バインダー30が炭素繊維1や黒鉛粒子20等をより好適に結合、固定化することができ、炭素繊維シート材100に、好適なドレープ性を付与することができる。
炭素繊維シート材100は、前述した以外の成分(その他の成分)を含んでいてもよい。
すなわち、炭素繊維シート材100を、その厚さ方向に、12MPaの圧力で120秒間加圧した後における面内方向での熱伝導率が7.0W/(m・K)以上であるのが好ましく、8.0W/(m・K)以上100W/(m・K)以下であるのがより好ましく、12.0W/(m・K)以上50W/(m・K)以下であるのがさらに好ましい。
まず、7cm×9cmに裁断した測定試料をグリセリンに浸漬し、真空状態にして試料を脱気処理したものを25℃で一定にして、ある恒温室で温度が一定になるまで静置する。温度が一定になったら、恒温室内で温度を一定にした測定装置に試料の短片を上にして縦方向に挿入する。
λ〜φ/H・ΔT
次に、本発明の炭素繊維シート材の第2実施形態について説明する。
図4は、本発明の炭素繊維シート材の第2実施形態を模式的に示す平面図である。以下の説明では、前述した実施形態との相違点について中心的に説明し、同様の事項についての説明は省略する。
これにより、成形体の強度、耐久性等を特に優れたものとすることができる。
次に、本発明の炭素繊維シート材の第3実施形態について説明する。
図5は、本発明の炭素繊維シート材の第3実施形態を模式的に示す平面図である。以下の説明では、前述した実施形態との相違点について中心的に説明し、同様の事項についての説明は省略する。
なお、樹脂繊維50は、成形体においてマトリックス樹脂を構成するものである。
次に、本発明の成形体について説明する。
これにより、強度、信頼性、熱伝導性に優れた成形体を提供することができる。
これにより、前述したのと同様の効果が得られる。
これにより、成形体の強度、信頼性、熱伝導性をより優れたものとすることができる。
これにより、成形体の熱伝導性を特に優れたものとすることができる。
これにより、成形体の熱伝導性をより優れたものとすることができる。
次に、本発明の炭素繊維シート材の製造方法について説明する。
<第1実施形態>
本発明の炭素繊維シート材の製造方法は、複数本の炭素繊維と、黒鉛粒子とを混抄する工程(混抄工程)を有する。
次に、本発明の炭素繊維シート材の製造方法の第2実施形態について説明する。以下の説明では、前述した実施形態との相違点について中心的に説明し、同様の事項についての説明は省略する。
次に、本発明の炭素繊維シート材の製造方法の第3実施形態について説明する。以下の説明では、前述した実施形態との相違点について中心的に説明し、同様の事項についての説明は省略する。
次に、本発明の成形体の製造方法について説明する。
これにより、強度、信頼性、熱伝導性に優れた成形体を提供することができる。
積層枚数は、特に限定されないが、2枚以上50枚以下であるのが好ましく、3枚以上30枚以下であるのがより好ましい。
また、隣り合う炭素繊維シート材の間に、中間層を設けてもよい。
各実施例および比較例の炭素繊維シート材を以下のようにして製造した。
バージンの炭素繊維(繊維平均径(平均幅)7.0μm、平均長さ6.0mm):25.0質量部と、黒鉛粒子としての膨張化黒鉛(平均厚み200μm):40.0質量部と、バインダーとしてのポリビニルアルコール繊維(繊度1.1デシテックス、平均長さ3.0mm、加重平均密度:1.20g/cm3):5.0質量部と、樹脂繊維としてのナイロン6繊維(繊度1.1デシテックス、平均長さ6.0mm、加重平均密度:1.13g/cm3):30.0質量部と、分散活性剤:0.4質量部とからなる組成物を、水中に混合分散し、固形分0.03質量%の抄紙用組成物を調製し、この抄紙用組成物を、網目の隙間が0.2mmのメッシュコンベアの抄紙面に吸引して堆積してシート化した(混抄工程)。
混抄工程で用いる組成物の条件を変更し、炭素繊維シート材の構成が表1に示すものとなるように変更した以外は、前記実施例A1と同様にして炭素繊維シート材を製造した。
黒鉛粒子を用いず、各成分の配合比を表1に示すようにした以外は、前記実施例A4と同様にして炭素繊維シート材を製造した。
各実施例および比較例の成形体を以下のようにして製造した。
まず、前記実施例A1で製造した炭素繊維シート材を6枚積層した。
炭素繊維シート材として、前記実施例A1で製造したものの代わりに、前記実施例A2、A3で製造したものを用いた以外は、前記実施例B1と同様にして成形体を製造した。
炭素繊維シート材として、前記実施例A1で製造したものの代わりに、前記実施例A4〜A11で製造したものを用い、加熱加圧処理の際の加熱温度を200℃に変更した以外は、前記実施例B1と同様にして成形体を製造した。
炭素繊維シート材として、前記実施例A1で製造したものの代わりに、前記比較例A1で製造したものを用いた以外は、前記実施例B4と同様にして成形体を製造した。
《3−1》熱拡散率(厚み方向)評価
前記実施例B1〜B11および比較例B1の成形体について、LFA447 Nanoflash(ネッチ・ジャパン社製)を用いたレーザーフラッシュ法の測定により厚み方向の熱拡散率を測定し、以下の基準に従い評価した。
B:熱拡散率が0.60mm2/s以上0.85mm2/s未満。
C:熱拡散率が0.25mm2/s以上0.60mm2/s未満。
D:熱拡散率が0.20mm2/s以上0.25mm2/s未満。
E:熱拡散率が0.20mm2/s未満。
前記実施例B1〜B11および比較例B1の成形体について、厚み方向の熱伝導率を測定し、以下の基準に従い評価した。
B:熱伝導率が1.20W/(m・K)以上1.80W/(m・K)未満。
C:熱伝導率が0.40W/(m・K)以上1.20W/(m・K)未満。
D:熱伝導率が0.30W/(m・K)以上0.40W/(m・K)未満。
E:熱伝導率が0.30W/(m・K)未満。
前記実施例B1〜B11および比較例B1の成形体について、JIS R1611に準拠して、レーザーフラッシュ法により面内方向の熱拡散率を測定し、以下の基準に従い評価した。
B:熱拡散率が11.0mm2/s以上17.0mm2/s未満。
C:熱拡散率が3.7mm2/s以上11.0mm2/s未満。
D:熱拡散率が2.0mm2/s以上3.7mm2/s未満。
E:熱拡散率が2.0mm2/s未満。
前記実施例B1〜B11および比較例B1の成形体について、面内方向の熱伝導率を測定し、以下の基準に従い評価した。
B:熱伝導率が25.0W/(m・K)以上37.0W/(m・K)未満。
C:熱伝導率が5.5W/(m・K)以上25.0W/(m・K)未満。
D:熱伝導率が3.0W/(m・K)以上5.5W/(m・K)未満。
E:熱伝導率が3.0W/(m・K)未満。
前記実施例B1〜B11および比較例B1の成形体について、JIS K7164に準じた引張試験により求められる引張強度を測定し、以下の基準に従い評価した。
B:引張強度が120MPa/15mm以上140MPa/15mm未満。
C:引張強度が90MPa/15mm以上120MPa/15mm未満。
D:引張強度が60MPa/15mm以上90MPa/15mm未満。
E:引張強度が60MPa/15mm未満。
前記実施例B1〜B11および比較例B1の成形体について、JIS K7164に準じた引張試験により求められる引張弾性を測定し、以下の基準に従い評価した。
B:引張弾性が9.0GPa以上10.0GPa未満。
C:引張弾性が8.0GPa以上9.0GPa未満。
D:引張弾性が7.0GPa以上8.0GPa未満。
E:引張弾性が7.0GPa未満。
1…炭素繊維
11…バージンの炭素繊維
12…リサイクルされた炭素繊維
2…付着物
10…束状体
20…黒鉛粒子
30…バインダー
40…樹脂材料(含浸樹脂)
50…樹脂繊維
5…試料
6…ヒートシンク
7…空洞
8…ヒーター
9…差込口
Claims (24)
- 複数本の炭素繊維と、
黒鉛粒子と、
複数本の樹脂繊維とを含み、
前記炭素繊維の含有率をX CF [質量%]、前記黒鉛粒子の含有率をX P [質量%]、前記樹脂繊維の含有率をX RF [質量%]としたとき、0.22≦X CF /X RF ≦0.875の関係、および、0.33≦X P /X CF ≦3.0の関係を満足することを特徴とする炭素繊維シート材。 - さらに、バインダーを含む請求項1に記載の炭素繊維シート材。
- 前記黒鉛粒子として、膨張化黒鉛を含有する請求項1または2に記載の炭素繊維シート材。
- 炭素繊維シート材中に含まれる前記黒鉛粒子の平均厚みをD0[μm]、当該炭素繊維シート材を、その厚さ方向に、12MPaの圧力で120秒間加圧した後における前記黒鉛粒子の平均厚みをD1[μm]としたとき、1/1000≦D1/D0≦1/4の関係を満足する請求項1ないし3のいずれか1項に記載の炭素繊維シート材。
- 炭素繊維シート材中に含まれる前記黒鉛粒子の平均厚みD0が100μm以上300μm以下である請求項1ないし4のいずれか1項に記載の炭素繊維シート材。
- 炭素繊維シート材を、その厚さ方向に、12MPaの圧力で120秒間加圧した後における前記黒鉛粒子の平均厚みD1が0.1μm以上75μm以下である請求項1ないし5のいずれか1項に記載の炭素繊維シート材。
- 炭素繊維シート材を、その厚さ方向に、12MPaの圧力で120秒間加圧した後における面内方向での熱伝導率が7.0W/(m・K)以上である請求項1ないし6のいずれか1項に記載の炭素繊維シート材。
- 前記炭素繊維として、リサイクルされた炭素繊維を含有する請求項1ないし7のいずれか1項に記載の炭素繊維シート材。
- 前記リサイクルされた炭素繊維の平均長さが1.0mm以上10mm以下である請求項8に記載の炭素繊維シート材。
- 前記リサイクルされた炭素繊維は、その表面に、当該リサイクルされた炭素繊維のリサイクル原料由来の有機成分および/または当該有機成分の炭化物が付着物として付着したものである請求項8または9に記載の炭素繊維シート材。
- 前記リサイクルされた炭素繊維の表面への前記付着物の被覆率が2%以上40%以下である請求項10に記載の炭素繊維シート材。
- 前記付着物により、複数本の前記リサイクルされた炭素繊維が結合し、束状になった束状体を含む請求項10または11に記載の炭素繊維シート材。
- 前記束状体の幅に対する長さの比率であるアスペクト比が2以上500以下である請求項12に記載の炭素繊維シート材。
- 前記炭素繊維として、前記リサイクルされた炭素繊維とともに、バージンの炭素繊維を含有する請求項8ないし13のいずれか1項に記載の炭素繊維シート材。
- 前記バージンの炭素繊維の平均長さが1.5mm以上30mm以下である請求項14に記載の炭素繊維シート材。
- 前記バージンの炭素繊維の平均長さが前記リサイクルされた炭素繊維の平均長さよりも長い請求項14または15に記載の炭素繊維シート材。
- 前記バージンの炭素繊維の平均長さをLVCF[mm]、前記リサイクルされた炭素繊維の平均長さをLRCF[mm]としたとき、1.1≦LVCF/LRCF≦30の関係を満足する請求項16に記載の炭素繊維シート材。
- 前記バージンの炭素繊維の含有率をXVCF[質量%]、前記リサイクルされた炭素繊維の含有率をXRCF[質量%]としたとき、0.006≦XVCF/XRCF≦1.0の関係を満足する請求項14ないし17のいずれか1項に記載の炭素繊維シート材。
- 前記炭素繊維の隙間に樹脂材料が含浸されている請求項1ないし18のいずれか1項に記載の炭素繊維シート材。
- 請求項1ないし19のいずれか1項に記載の炭素繊維シート材を加熱加圧成形してなることを特徴とする成形体。
- 複数本の炭素繊維と、黒鉛粒子と、複数本の樹脂繊維とを混抄する混抄工程を有し、
請求項1ないし19のいずれか1項に記載の炭素繊維シート材を製造することを特徴とする炭素繊維シート材の製造方法。 - 前記混抄工程の後に、前記炭素繊維の隙間に、樹脂材料を含浸させる含浸工程を有する請求項21に記載の炭素繊維シート材の製造方法。
- 請求項21または22に記載の方法を用いて製造された炭素繊維シート材を加熱加圧成形する成形工程を有することを特徴とする成形体の製造方法。
- 前記炭素繊維シート材中に含まれる前記黒鉛粒子の平均厚みをD0[μm]、前記成形体中に含まれる前記黒鉛粒子の平均厚みをD2[μm]としたとき、1/10000≦D2/D0<1の関係を満足するように、前記成形工程を行う請求項23に記載の成形体の製造方法。
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