JP6927801B2 - 炭素繊維ステープルを含む紡績糸及びその製造方法 - Google Patents

炭素繊維ステープルを含む紡績糸及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、炭素繊維ステープルを含む紡績糸及びその製造方法に関する。より具体的に、本発明は、炭素繊維強化プラスチック製品の製造時に発生する炭素繊維強化プラスチックスクラップ(CFRP scrap)から製造された炭素繊維ステープルを含む紡績糸及びその製造方法に関する。
炭素繊維強化プラスチック(carbon fiber reinforced plastics:CFRP)は、金属に比べて非常に軽く、高い剛性などを有するので、次世代の複合素材として注目されており、自動車、航空機などの軽量化構造体などに使用されている。
炭素繊維強化プラスチックは、自体の加工方法が非常に複雑で、主に自動化方式を採択しているので、製品の製作後、残余物であるCFRPスクラップが多く発生するが、これを廃棄したり、適当なリサイクル方法を探したりすることが難しい。
CFRPスクラップの代表的なリサイクル方法としては、CFRPスクラップを細く切って燃やしたり、マスターバッチ化してコンパウンディング製品に投入する方法などがあるが、このような方法は、工程が複雑で、効率が低いので広く使用されていない。さらに、炭素成分の含量が高い炭素繊維は、引張弾性率が高いので、加工過程で単糸化されたり、砕けたりするおそれがあり、炭素繊維を含むCFRPスクラップをリサイクルする場合、これから成形品を製造しにくいか、炭素繊維の単糸化によって成形品の機械的物性及び伝導性などが低下し得る。
また、炭素成分の含量が高い炭素繊維は、紡績糸などの製造時に砕けるので、ポリアクリロニトリル系重合体などと共に低温で炭化させ、炭素成分及び引張弾性率などを低下させた炭素繊維ステープルを製造し、これを用いて紡績糸などを製造する技術が開発されたが、製造工程が複雑であるので、CFRPスクラップのリサイクル方法としては適切でない。
したがって、機械的物性及び伝導性などが低下することなく、経済的にCFRPスクラップをリサイクルできる方法の開発が必要な実情にある。
本発明の背景技術は、韓国公開特許第2012−0104629号公報、第2016−0012429号公報などに開示されている。
韓国公開特許第2012−0104629号公報 韓国公開特許第2016−0012429号公報
本発明の目的は、炭素繊維強化プラスチック製品の製造時に発生する炭素繊維強化プラスチックスクラップ(CFRP scrap)から製造される炭素繊維ステープルを含み、炭素含量が高い炭素繊維ステープルを含み、引張弾性率及び体積抵抗率などに優れ、機械的物性及び伝導性などが低下することなく、経済的に炭素繊維強化プラスチックスクラップ(CFRP scrap)をリサイクルできる紡績糸及びその製造方法を提供することにある。
本発明の一実施形態(観点)は紡績糸に関する。前記紡績糸は、炭素成分の含量が97質量%以上である炭素繊維ステープル;及び熱可塑性樹脂繊維;を含む。
具体例において、前記炭素繊維ステープルは、炭素繊維強化プラスチックスクラップの炭化物であってよい。
具体的な実施態様(具体例)において、前記炭素繊維ステープルは、ASTM D3379に基づいて測定した引張弾性率が100GPa〜1,000GPaで、ASTM D257に基づいて測定した体積抵抗率が1×10−5Ω・cm〜1×10−3Ω・cmであってよい。
具体的な実施態様(具体例)において、前記炭素繊維ステープルは、平均直径が5μm〜10μm、平均長さが20mm〜80mmであってよい。
具体的な実施態様(具体例)において、前記熱可塑性樹脂繊維は、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維及びアクリル系繊維のうちの1種以上を含んでよい。
具体的な実施態様(具体例)において、前記熱可塑性樹脂繊維は、平均直径が5μm〜30μm、平均長さが10mm〜110mmであってよい。
具体的な実施態様(具体例)において、前記紡績糸は、前記炭素繊維ステープル10質量%〜60質量%、及び前記熱可塑性樹脂繊維40質量%〜90質量%を含んでよい。
具体的な実施態様(具体例)において、前記紡績糸は、ASTM D3379に基づいて測定した引張弾性率が30GPa〜120GPaであってよい。
具体的な実施態様(具体例)において、前記紡績糸は、ASTM D257に基づいて測定した体積抵抗率が1×10Ω・cm〜1×10Ω・cmであってよい。
本発明の他の実施形態(観点)は、前記紡績糸の製造方法に関する。前記製造方法は、炭素繊維強化プラスチックスクラップを900℃〜1,400℃で炭化させることによって炭素繊維ステープルを製造する段階;及び前記炭素繊維ステープルと熱可塑性樹脂繊維とを混紡することによって紡績糸を製造する段階;を含む。
具体的な実施態様(具体例)において、前記炭素繊維ステープルは、炭素成分の含量が97質量%以上で、ステープルの製造時、平均直径が5μm〜10μm、平均長さが60mm〜120mmで、紡績糸の製造後、平均直径が5μm〜10μm、平均長さが20mm〜80mmであってよい。
具体的な実施態様(具体例)において、前記炭素繊維ステープルと熱可塑性樹脂繊維とを混紡することによって紡績糸を製造する段階は、カージング、コーミング及び精紡段階を含んでよい。
本発明に係る紡績糸及びその製造方法は、炭素繊維強化プラスチック製品の製造時に発生する炭素繊維強化プラスチックスクラップ(CFRP scrap)から製造される炭素繊維ステープルを含み、炭素含量が高い炭素繊維ステープルを含み、引張弾性率及び表面抵抗値などに優れ、機械的物性及び伝導性などが低下することなく、経済的に炭素繊維強化プラスチックスクラップ(CFRP scrap)をリサイクルすることができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係る紡績糸は、炭素繊維ステープル;及び熱可塑性樹脂繊維;を含む。
本発明の一実施形態(具体例)に係る炭素繊維ステープルは、炭素繊維強化プラスチック(carbon fiber reinforced plastics:CFRP)製品の製造時に発生する残余物である炭素繊維強化プラスチックスクラップ(CFRP scrap)などから製造(リサイクル)されるものである。すなわち、前記炭素繊維ステープルは、炭素繊維強化プラスチックスクラップの炭化物であってよい。炭素繊維強化プラスチックスクラップの炭化物であれば、97質量%以上の炭素成分を含む炭素繊維ステープルを製造することができる。例えば、前記炭素繊維ステープルは、炭素繊維強化プラスチックスクラップを900℃〜1,400℃、好ましくは、1,000℃〜1,300℃で炭化させたものである。前記温度範囲で、97質量%以上の炭素成分を含む炭素繊維ステープルを製造することができる。
具体的な実施態様(具体例)において、紡績糸内に含まれる炭素繊維ステープルは、熱重量分析機(Thermogravimetric Analyzer:TGA)で測定した炭素成分の含量が97質量%以上、好ましくは、98質量%〜99.9質量%であり、顕微鏡で測定した平均直径(D50)が5μm〜10μm、好ましくは、6μm〜8μmであり、平均長さ(L50)が20mm〜80mm、好ましくは、30mm〜70mmである。前記炭素繊維ステープルの炭素成分の含量が97質量%未満である場合は、炭素繊維ステープルの引張弾性率が低下したり、体積抵抗率が上昇したりするおそれがある。また、前記炭素繊維ステープルの平均直径が5μm以上の場合は、炭素繊維ステープルの体積抵抗率をより一層低減することができ、前記炭素繊維ステープルの平均直径が10μm以下の場合は、炭素繊維ステープルが砕けやすくなるのを大幅に抑制することができる。また、前記炭素繊維ステープルの平均長さが20mm以上の場合は、炭素繊維ステープルの引張弾性率をより一層向上させることができ、前記炭素繊維ステープルの平均長さが80mm以下の場合は、紡績糸の製造時、カージング段階で作業性がより一層向上し、生産性を格段に向上させることができる。
具体的な実施態様(具体例)において、前記炭素繊維ステープルは、ASTM D3379に基づいて測定した引張弾性率が100GPa〜1,000GPa、好ましくは、110GPa〜990GPaである。前記範囲で、炭素繊維ステープルを含む紡績糸の引張弾性率などの機械的物性が優秀になり得る。
具体的な実施態様(具体例)において、前記炭素繊維ステープルは、ASTM D257に基づいて測定した体積抵抗率が1×10−5Ω・cm〜1×10−3Ω・cm、好ましくは、1.1×10−5Ω・cm〜0.9×10−3Ω・cmである。前記範囲で、炭素繊維ステープルを含む紡績糸の伝導性などが優秀になり得る。
具体的な実施態様(具体例)において、前記炭素繊維ステープルは、紡績糸の全体100質量%中の10質量%〜60質量%、好ましくは、10質量%〜50質量%、より好ましくは、15質量%〜45質量%の範囲で含まれている。前記範囲で、紡績糸の機械的物性及び伝導性などが優秀になり得る。
本発明の一実施形態(具体例)に係る熱可塑性樹脂繊維は、通常の合成繊維又は熱可塑性樹脂組成物に使用される熱可塑性樹脂を繊維の形態に製造したものであってよい。例えば、炭素繊維強化プラスチック製品に使用される熱可塑性樹脂と同一の成分の熱可塑性樹脂繊維を使用してよい。
具体的な実施態様(具体例)において、前記熱可塑性樹脂繊維は、アラミド繊維及びナイロン繊維などのポリアミド繊維;ポリエステル繊維;アクリル系繊維;及びこれらの組み合わせなどを含んでよい。紡績糸が前記繊維を含むことで、紡績糸の機械的物性及び伝導性などが優秀になり得る。
具体的な実施態様(具体例)において、前記熱可塑性樹脂繊維は、顕微鏡で測定した平均直径(D50)が5μm〜30μm、好ましくは、6μm〜25μmであり、平均長さ(L50)が10mm〜110mm、好ましくは、20mm〜100mmである。前記範囲で、機械的物性及び伝導性などに優れた紡績糸が製造され得る。
具体的な実施態様(具体例)において、前記熱可塑性樹脂繊維は、紡績糸全体の100質量%中の40質量%〜90質量%、好ましくは、50質量%〜90質量%、より好ましくは、55質量%〜85質量%の範囲で含まれている。前記範囲で、紡績糸の機械的物性及び伝導性などが優秀になり得る。
本発明の一実施形態(具体例)に係る紡績糸は、前記炭素繊維ステープルと前記熱可塑性樹脂繊維とを混紡することによって製造することができる。具体的に、炭素繊維強化プラスチックスクラップを900℃〜1,400℃、好ましくは、1,000℃〜1,300℃で炭化させることによって炭素繊維ステープルを製造し(炭化工程;炭素繊維ステープルを製造する段階);前記炭素繊維ステープルと熱可塑性樹脂繊維とを混紡することによって紡績糸を製造する(混紡工程;紡績糸を製造する段階)ことができる。かかる紡績糸の製造方法によれば、炭素繊維強化プラスチック製品の製造時に発生する炭素繊維強化プラスチックスクラップから製造される炭素繊維ステープルを含み、炭素含量が高い炭素繊維ステープルを含み、引張弾性率及び体積抵抗率などに優れ、機械的物性及び伝導性などが低下することなく、経済的に炭素繊維強化プラスチックスクラップをリサイクルすることができる点で優れている。
具体的な実施態様(具体例)において、前記炭化工程(炭素繊維ステープルを製造する段階)によって製造された炭素繊維ステープル(混紡前のステープル)は、熱重量分析機(Thermogravimetric Analyzer:TGA)で測定した炭素成分の含量が97質量%以上、好ましくは、98質量%〜99.9質量%であり、ステープルの製造時、顕微鏡で測定した平均直径(D50)が5μm〜10μm、好ましくは、6μm〜8μmであり、平均長さ(L50)が60mm〜120mm、好ましくは、65mm〜115mmである。前記範囲で、紡績後の炭素繊維ステープルが前記紡績糸内の炭素成分の含量、平均直径及び平均長さを有することができ、紡績糸の機械的物性及び伝導性などが優秀になり得る。
具体的な実施態様(具体例)において、前記炭素繊維ステープルは、ASTM D3379に基づいて測定した引張弾性率が100GPa〜1,000GPa、好ましきは、110GPa〜990GPaである。前記範囲で、炭素繊維ステープルを含む紡績糸の引張弾性率などの機械的物性が優秀になり得る。
具体的な実施態様(具体例)において、前記炭素繊維ステープルは、ASTM D257に基づいて測定した体積抵抗率が1×10−5Ω・cm〜1×10−3Ω・cm、好ましくは、1.1×10−5Ω・cm〜0.9×10−3Ω・cmである。前記範囲で、炭素繊維ステープルを含む紡績糸の伝導性などが優秀になり得る。
具体的な実施態様(具体例)において、前記炭素繊維ステープルと熱可塑性樹脂繊維とを混紡することによって紡績糸を製造する段階(混紡工程)は、カージング、コーミング、及び精紡段階を含んでよい。ここで、前記カージング(carding)段階は、各ステープル及び繊維を平行に配列し、くしけずることによって太いスライバーを製造する段階であって、前記コーミング(combing)段階は、前記スライバーを再びきれいにくしけずる段階であって、前記精紡(spinning)段階は、スライバーを引っ張って伸ばし、100TPM〜200TPM(Twist per Meter)で撚りを与えることによって紡績糸を完成して巻き取る段階(工程)であり得る。また、選択的に、カージング段階前に、炭素繊維ステープルが砕けることを最小化するための前処理段階を追加してよい。
具体的な実施態様(具体例)において、前記混紡工程(紡績糸を製造する段階)によって製造された紡績糸における炭素繊維ステープルは、熱重量分析機(Thermogravimetric Analyzer:TGA)で測定した炭素成分の含量が97質量%以上、好ましくは、98質量%〜99.9質量%であり、紡績糸の製造後、顕微鏡で測定した平均直径(D50)が5μm〜10μm、好ましくは、6μm〜8μmであり、平均長さ(L50)が20mm〜80mm、好ましくは、30mm〜70mmである。前記範囲で、紡績後の炭素繊維ステープルが前記紡績糸内の炭素成分の含量、平均直径及び平均長さを有することができ、紡績糸の機械的物性及び伝導性などが優秀になり得る。
本発明の一実施形態(具体例)に係る紡績糸は、前記製造方法のように、経済的に炭素繊維強化プラスチックスクラップ(CFRP scrap)をリサイクルして製造され、炭素繊維強化プラスチック製品の機械的物性及び伝導性などが具現され得る。
具体的な実施態様(具体例)において、前記紡績糸は、前記ASTM D3379に基づいて測定した引張弾性率が30GPa〜120GPa、好ましくは、50GPa〜100GPaである。前記範囲で、前記紡績糸の機械的物性などが優秀になり得るため、炭素繊維強化プラスチック製品、例えば、自動車、航空機などの軽量化構造体などの次世代の複合素材として好適にリサイクル使用することができる。
具体的な実施態様(具体例)において、前記紡績糸は、ASTM D257に基づいて測定した体積抵抗率が1×10Ω・cm〜1×10Ω・cm、好ましくは、1×10Ω・cm〜1×10Ω・cmである。前記範囲で、前記紡績糸の伝導性などが優秀になり得るため、炭素繊維強化プラスチック製品、例えば、自動車、航空機などの軽量化構造体などの次世代の複合素材として好適にリサイクル使用することができる。
以下では、本発明の好ましい実施例を通じて本発明の構成及び作用をより詳細に説明する。但し、下記の実施例は、本発明の理解を促進するためのものであって、本発明の範囲が下記の実施例に限定されることはない。ここに記載していない内容は、この技術分野で熟練した者であれば十分に技術的に類推可能なものであるので、それに対する説明は省略する。
実施例1〜4:紡績糸の製造
炭素成分の含量が50質量%、平均直径(D50)が6μm、平均長さ(L50)が90mmである炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチックスクラップを1,300℃で炭化させ、炭素成分の含量が98質量%、平均直径(D50)が6μm、平均長さ(L50)が90mm、引張弾性率が250GPa、体積抵抗率が1×10−4Ω・cmである炭素繊維ステープル(A1)を製造した。その後、製造された炭素繊維ステープル(A1)と、平均直径(D50)が6μm、平均長さ(L50)が90mmである熱可塑性樹脂繊維(ナイロン(PA6)繊維、製造社:KPケムテク)(B)とを下記の表1に記載した含量で混合し、カージング、コーミング及び精紡段階を経て紡績することによって紡績糸を製造した。製造された紡績糸における炭素繊維ステープル(A1)の平均直径(D50)は6μmで、平均長さ(L50)は50mmであった。製造された紡績糸の引張弾性率及び体積抵抗率を測定し、その結果を下記の表1に示した。
比較例1〜4:紡績糸の製造
炭素成分の含量が50質量%、平均直径(D50)が6μm、平均長さ(L50)が90mmである炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスチックスクラップを250℃で炭化させ、炭素成分の含量が60質量%、平均直径(D50)が6μm、平均長さ(L50)が90mm、引張弾性率が15GPa、体積抵抗率が1×10Ω・cmである炭素繊維ステープル(A2)を製造した後、下記の表1に記載した含量で炭素繊維ステープル(A2)と熱可塑性樹脂繊維(ナイロン(PA6)繊維、製造社:KPケムテク)(B)とを混合し、カージング、コーミング及び精紡段階を経て紡績することによって紡績糸を製造した。製造された紡績糸における炭素繊維ステープル(A2)の平均直径(D50)は6μmで、平均長さ(L50)は50mmであった。製造された紡績糸の引張弾性率及び体積抵抗率を測定し、その結果を下記の表1に示した。
物性測定方法
(1)引張弾性率(単位:GPa):ASTM D3379に基づいて、万能試験機(Universal Testing Machine、UTM)で引張弾性率を測定した。
(2)体積抵抗率(単位:Ω・cm):ASTM D257に基づいて、抵抗率計(製造社:三菱ケミカル株式会社、装置名:Hiresta−UP(MCP−HT450))で測定した。
Figure 0006927801
前記表1の結果から、本発明の実施例1〜4の紡績糸は、97質量%以上の炭素成分の含量を有する炭素繊維ステープル(A1)から製造可能であり、機械的物性(引張弾性率)及び伝導性(体積抵抗率)などがいずれも優秀であることが分かる。
一方、比較例1〜4のように、炭素成分の含量が97質量%未満である炭素繊維ステープルを含む紡績糸の場合は、機械的物性(引張弾性率)及び伝導性(体積抵抗率)が低下することが分かる。
本発明の単純な変形及び変更は、この分野で通常の知識を有する者によって容易に実施可能であり、このような変形や変更は、いずれも本発明の領域に含まれるものと見なすことができる。

Claims (10)

  1. 炭素成分の含量が97質量%以上である炭素繊維ステープル;及び
    熱可塑性樹脂繊維;を含むことを特徴とする紡績糸であって、
    前記炭素繊維ステープルは、炭素繊維強化プラスチックスクラップの炭化物であり、
    前記炭素繊維ステープルは、ASTM D3379に基づいて測定した引張弾性率が100GPa〜1,000GPaで、ASTM D257に基づいて測定した体積抵抗率が1×10 −5 Ω・cm〜1×10 −3 Ω・cmであることを特徴とする、紡績糸。
  2. 前記炭素繊維ステープルは、平均直径が5μm〜10μm、平均長さが20mm〜80mmであることを特徴とする、請求項のいずれか1項に記載の紡績糸。
  3. 前記熱可塑性樹脂繊維は、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維及びアクリル系繊維のうちの1種以上を含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の紡績糸。
  4. 前記熱可塑性樹脂繊維は、平均直径が5μm〜30μm、平均長さが10mm〜110mmであることを特徴とする、請求項1〜のいずれか1項に記載の紡績糸。
  5. 前記紡績糸は、前記炭素繊維ステープル10質量%〜60質量%、及び前記熱可塑性樹脂繊維40質量%〜90質量%を含むことを特徴とする、請求項1〜のいずれか1項に記載の紡績糸。
  6. 前記紡績糸は、ASTM D3379に基づいて測定した引張弾性率が30GPa〜120GPaであることを特徴とする、請求項1〜のいずれか1項に記載の紡績糸。
  7. 前記紡績糸は、ASTM D257に基づいて測定した体積抵抗率が1×10Ω・cm〜1×10Ω・cmであることを特徴とする、請求項1〜のいずれか1項に記載の紡績糸。
  8. 炭素繊維強化プラスチックスクラップを900℃〜1,400℃で炭化させることによって炭素繊維ステープルを製造する段階;及び
    前記炭素繊維ステープルと熱可塑性樹脂繊維とを混紡することによって紡績糸を製造する段階;を含むことを特徴とする紡績糸の製造方法。
  9. 前記炭素繊維ステープルは、炭素成分の含量が97質量%以上で、ステープルの製造時、平均直径が5μm〜10μm、平均長さが60mm〜120mmで、紡績糸の製造後、平均直径が5μm〜10μm、平均長さが20mm〜80mmであることを特徴とする、請求項に記載の紡績糸の製造方法。
  10. 前記炭素繊維ステープルと熱可塑性樹脂繊維とを混紡することによって紡績糸を製造する段階は、カージング、コーミング及び精紡段階を含むことを特徴とする、請求項8または9に記載の紡績糸の製造方法。
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