JP7082916B2 - 炭素繊維ミルドの製造方法 - Google Patents
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Description
炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット又は炭素繊維-炭素複合材料)は、通常、炭素繊維と樹脂とを含む炭素繊維含有樹脂組成物を炭素化(炭化)処理して得られる。
炭素繊維としては、原料の種類に応じて、例えば、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、フェノール樹脂系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、ポリビニルアルコール系炭素繊維などが挙げられる。これらの炭素繊維は、単独で又は2種以上組み合わせて使用することもできる。これらの炭素繊維は用途に応じて適宜選択でき、通常、ピッチ系炭素繊維、PAN系炭素繊維が汎用される。特に、摺動材や制電材の用途においては、ピッチ系炭素繊維が好ましい。
樹脂としては、後述する炭素繊維含有樹脂組成物の熱処理(又は炭素化処理)により炭素化して炭素化物(又は樹脂炭素化物)を形成できればよく(炭素化可能であればよく)、例えば、ポリアクリロニトリルなどの熱可塑性樹脂であってもよいが、生産性などの観点から、熱硬化性樹脂がよく利用される。
炭素繊維含有樹脂組成物は、炭素繊維と樹脂とが混合されていればよく、必要に応じて、慣用の添加物が含まれていてもよい。添加剤としては、例えば、熱硬化性樹脂に対する硬化剤や硬化促進剤などが挙げられる。
上述のようにして得られた炭素繊維含有樹脂組成物を炭素化処理することにより、樹脂を炭素化させて炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)を調製できる。
上述のようにして得られた炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)を粉砕工程で粉砕することにより、分散性に優れた炭素繊維ミルドを調製できる。
このようにして得られる炭素繊維ミルドは、炭素繊維の表面の少なくとも一部が、非繊維状、例えば、粒状、塊状などの樹脂炭素化物で被覆されている。しかも、炭素化物で形成されているにもかかわらず、意外にも高い分散性を示す。この理由は定かではないが、粉砕工程で粉砕される際に生じる粉砕面(又は破砕面)、特に樹脂炭素化物の粉砕面に、活性部位、ダングリングボンド[共有結合に関与しない未結合手(又は不対電子)]が生成され、このダングリングボンドが分散性の向上に影響したためではないかと推測される。特に、黒鉛質の炭素繊維の場合、もともと不対電子などが少ないため、粉砕工程で生成するダングリングボンドにより、分散性を大きく向上できると考えられる。
(長さ平均繊維長(又は加重平均繊維長))
炭素繊維ミルドを純水の入った容器に入れて、界面活性剤を用いて分散させた。得られた炭素繊維ミルド水分散液 約20mlを100mm角シャーレに移し、顕微鏡にセットした。画像解析装置(測定機器及び画像解析計測ソフトウエア:(株)ニレコ製の自動画像処理解析装置「LUZEX(登録商標)AP」)によって、任意の6000本の炭素繊維ミルドの長さから算出した。なお、長さ平均繊維長(Lv)は、下記式のように定義される。
(式中、l1~lnは、それぞれ1~n番目の繊維の長さを示す)。
ガラス製の500mlのビーカーに純水300gを入れ、炭素繊維ミルド0.3gを金属製のスプーンにのせ、純水の水面の3cm上から水面上にまばらに配置した(又は静かに落とした)。なお、純水の電気伝導度の規格値は2.00μS/cm以下であった。炭素繊維ミルドの挙動を目視で確認し、以下の基準で評価した。
×:ほとんどのミルドが水の上に浮く。
炭素繊維ミルドと、微粒子状フェノールホルムアルデヒト樹脂(エア・ウォーター・ベルバール(株)製「微粒状樹脂ベルパールS899」)とを等量(各5g)配合した。この配合物をビニール製の袋に入れて、1分間、袋を振って混合し、混合物を得た。得られた混合物の色合いを目視で観察した。炭素繊維ミルドが黒色であるのに対して、微粒子状フェノールホルムアルデヒト樹脂は黄褐色であるため、混合物の色合いが、より黒色に近くなる(黄褐色の度合いが少なくなる)場合、炭素繊維ミルドの親和性が高く、分散性が高いと評価した。
(複合材料の調製)
大阪ガスケミカル(株)製の平均繊維径13μmの等方性ピッチ系炭素繊維「ドナカーボ・マット」をニードルパンチ法によって炭素繊維フェルト(厚み10mm、幅1000mm、長さ1500mm、目付500g/m2)を作製した。この炭素繊維フェルトを液状のレゾール型フェノール樹脂に浸漬させて、所定量のフェノール樹脂が添加されたプリプレグを作製した。なお、プリプレグには、後述する2000℃の熱処理後において、フェノール樹脂炭素化物(又はフェノール樹脂炭)の割合が、得られる炭素繊維強化炭素複合材料全体に対して、30質量%となるようにフェノール樹脂を添加した。なお、樹脂炭素化物の割合は、熱処理後の炭素繊維強化炭素複合材料と、原料の炭素繊維(炭素繊維フェルト)との質量差を、炭素繊維強化炭素複合材料の質量で除することにより算出した。このプリプレグを、重ね合わせて平板形状(厚み40mm程度)とした後、約200℃で熱処理して成形体を得た。得られた成形体を、熱処理炉を用いて、不活性雰囲気下、2000℃で熱処理して、平板形状の複合材料を得た。得られた複合材料のかさ密度は、0.16g/cm3であった。
炭素繊維ミルドの調製には、前記複合材料を自動加工機にて加工した際に生じた粉末(加工粉)を回収したものを用いた。加工粉の長さ平均繊維長は310μmであった。
大阪ガスケミカル(株)製の「ドナカーボ・マット」(平均繊維径13μm)を、衝撃型スクリーン方式による粉砕機を用いて粉砕した後、不活性雰囲気下、2000℃で熱処理し、炭素繊維ミルド1(比較例1:長さ平均繊維長67μm)、炭素繊維ミルド2(比較例2:長さ平均繊維長120μm)及び炭素繊維ミルド3(比較例3:長さ平均繊維長140μm)を得た。
水に対する分散性試験の評価結果を表1に示す。
同等の長さ平均繊維長を有する炭素繊維ミルドA(長さ平均繊維長63μm)と、炭素繊維ミルド1(長さ平均繊維長67μm)とを比較すると、各混合物は、ほぼ同等の黒色に近い色合いであった。
(四フッ化エチレン樹脂組成物及び成形体の作製)
四フッ化エチレン樹脂(ダイキン工業(株)製「NEW POLYFLON PTFE M-111」)に、実施例3で得られた炭素繊維ミルドC(長さ平均繊維長101μm)を体積割合で10%になるように配合した。この配合物をヘンシルミキサー(ヘンシェルミキサー)1200rpmで2分間混合した。この樹脂組成物を常温でプレス成形して、125mm×125mm×(厚み)3mm程度の平板とした。この平板をオーブンに入れて350℃程度の温度で加熱し、成形体を得た。得られた成形体のかさ密度は、2.0g/cm3であった。
炭素繊維ミルドCに代えて、実施例5で得られた炭素繊維ミルドE(長さ平均繊維長136μm)を用いた以外は、実施例6と同様にして成形体を調製した。得られた成形体のかさ密度は、2.0g/cm3であった。
炭素繊維ミルドCに代えて、市販のPAN系炭素繊維ミルド(平均繊維径7μm、長さ平均繊維長130μm)を用いた以外は、実施例6と同様にして成形体を調製した。得られた成形体のかさ密度は、2.1g/cm3であった。なお、用いた市販のPAN系炭素繊維ミルドは、水に対する分散性試験においてビーカーの底にミルドが沈み、評価は〇であった。フェノール樹脂に対する分散性試験においては、混合物は黒色に近い色合いであった。
実施例6、7及び比較例4について摺動試験を実施した。摺動試験は、各成形体から30mm×30mm×3mmの試験片を切り出し、(株)エー・アンド・デイ製摩擦摩耗試験機「MODEL EMF-III-F」を用いてJIS K7218 A法に準拠して行った。相手材は、SUS304リング(表面粗さRa約0.3~0.4μm、接触面積2cm2)を用いた。試験環境は、23℃±2℃、50%RH±5%RHであった。
この試験では、滑り速度1m/sの下、初期荷重50N(圧力250kPa)から、荷重ステップ50N/10分、すなわち、10分毎に50N荷重を上げて、荷重800N(圧力4000kPa)まで行った。試験機で、試験片の摩耗量、摩擦係数及び摺動面近傍の温度を測定した。なお、摺動面近傍の温度は、相手材に挿入された熱電対で測定した。摩耗量は、試験片を押さえているトルク軸に取り付けられている金属板との変位を、渦流式変位センサーで検知することにより求めた。
この試験では、滑り速度2m/sの下、荷重300N(圧力1500kPa)で2時間保持し、試験(1)と同様に試験片の摩耗量、摩擦係数及び摺動面近傍の温度を測定した。
微粒子状フェノールホルムアルデヒト樹脂(エア・ウォーター・ベルパール(株)製「微粒状樹脂ベルパールS899」)に、実施例3で得られた炭素繊維ミルドC(長さ平均繊維長101μm)を質量割合で30%になるように配合した。この配合物をビニール製の袋に入れて、1分間袋を振って混合した。得られた混合物を金型に入れ、熱圧プレス機を用いて、100mm×100mm×(厚み)2mm程度の平板を成形した。なお、プレス機の温度は145℃に設定し、徐々に圧力を上げながら最高7.5MPa(成形圧)まで圧力を掛けて、圧力(成形圧)を約5分間保持した。得られた成形体のかさ密度は、1.3g/cm3であった。
実施例3で得られた炭素繊維ミルドCに代えて、実施例5で得られた炭素繊維ミルドE(長さ平均繊維長136μm)を用いた以外は、実施例8と同様にして成形体を調製した。得られた成形体のかさ密度は、1.3g/cm3であった。
実施例3で得られた炭素繊維ミルドCに代えて、比較例2で得られた炭素繊維ミルド2(長さ平均繊維長120μm)を用いた以外は、実施例8と同様にして成形体を調製した。得られた成形体のかさ密度は、1.2g/cm3であった。
実施例3で得られた炭素繊維ミルドCに代えて、比較例3で得られた炭素繊維ミルド3(長さ平均繊維長140μm)を用いた以外は、実施例8と同様にして成形体を調製した。得られた成形体のかさ密度は、1.3g/cm3であった。
実施例8及び9並びに比較例5及び6で得られた成形体について、(株)三菱化学アナリテック製「ハイレスタ―UX」を用いて表面抵抗率を測定した。測定は、100mm×100mmの成形体1の表面の中央及び四隅の近傍、すなわち、図5に示す5箇所の丸印の位置(測定箇所)2にURSプローブ(大きさ約φ30mm)を当てて測定した。5点の表面抵抗率の平均値、最大値、最小値、標準偏差の結果を表3に示す。なお、制電効果を発現するには、一般的に、表面抵抗率が105~109Ω/□程度が好ましいとされている。
Claims (8)
- 炭素繊維と第1の樹脂とを含む炭素繊維含有樹脂組成物を1500℃で炭素化処理して得られた複合材料を粉砕する粉砕工程を含む炭素繊維ミルドの製造方法。
- 炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維である請求項1記載の製造方法。
- 樹脂が、炭素化可能な熱硬化性樹脂である請求項1又は2記載の製造方法。
- 複合材料において、第1の樹脂に由来する炭素化物の割合が、炭素繊維強化炭素複合材料全体に対して、3~85質量%である請求項1~3のいずれかに記載の製造方法。
- 複合材料が、炭素繊維含有樹脂組成物を1500~3000℃で炭素化処理して得られた材料である請求項1~4のいずれかに記載の製造方法。
- 複合材料が廃材である請求項1~5のいずれかに記載の製造方法。
- 請求項1~6のいずれかに記載の方法で得られた炭素繊維ミルドを、第2の樹脂、セラミックス及び金属から選択されるマトリックスに添加して、前記マトリックスの摺動性を向上する方法。
- 請求項1~6のいずれかに記載の方法で得られた炭素繊維ミルドを、第2の樹脂、セラミックス及び金属から選択されるマトリックスに添加して、前記マトリックスの電気伝導性を向上する方法。
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