JP7382460B1 - 射出成形体及びその製造方法、複合繊維の製造方法、cnt付着炭素繊維及びその製造方法、並びに炭素繊維複合材の製造方法 - Google Patents
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- D06M13/322—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with non-macromolecular organic compounds; Such treatment combined with mechanical treatment with compounds containing nitrogen
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
- D06M15/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment
- D06M15/19—Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment with synthetic macromolecular compounds
- D06M15/37—Macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
- D06M15/55—Epoxy resins
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Abstract
Description
図1に示すように成形体10は、熱可塑性樹脂で形成されたマトリックス樹脂Mに複合繊維11を強化繊維として包埋したものである。この成形体10は、射出成形により作製される射出成形体である。なお、図1では、便宜的に直方体形状の成形体10を描いてあるが、成形体10の形状は、どのようなものであってもよい。
図2に、上記成形体10を作製する際に用いられる複合繊維束12を示す。複合繊維束12は、複数の複合繊維11をまとめたものである。各々の複合繊維11は、炭素繊維13とその表面に形成された構造体14を有し、構造体14には、サイジング剤15(図3参照)が付与されている。構造体14は、複数のカーボンナノチューブ(以下、CNTと称する)17が絡み合ったものである。
CNT質量比Rcは、それを求めようとする測定部位について1m程度に複合繊維束12(例えば12000本程度の複合繊維11)を切り出して測定試料として、下記のようにして求める。
(1)CNT17の分散媒となる液(以下、測定液という)に測定試料を投入する。測定液としては、例えばNMP(N-メチル-2-ピロリドン、CAS登録番号:872-50-4)に分散剤を入れたものを用いる。分散剤は、CNT17を炭素繊維13に再付着させないために測定液に添加しているが、添加しなくてもよい。測定液の量は、例えば測定試料10gに対して100mlである。
(2)測定試料を投入する前の測定液の質量と、投入後の測定試料を含む測定液の質量との差分を計測し、これを測定試料の質量、すなわち炭素繊維13のCF質量Waとその炭素繊維13に付着しているCNT17のCNT質量Wbとの和(Wa+Wb)とする。
(3)測定試料を含む測定液を加熱して、炭素繊維13からそれに付着しているCNT17を完全に分離し、CNT17を測定液中に分散する。
(4)吸光光度計を用いて,CNT17が分散している測定液の吸光度(透過率)を測定する。吸光光度計による測定結果と、予め作成しておいた検量線とから測定液中のCNT17の濃度(以下、CNT濃度という)を求める。CNT濃度は、その値をC、測定液の質量をW1、この測定液に含まれるCNT17の質量をW2としたときに、「C=W2/(W1+W2)」で与えられる質量パーセント濃度である。
(5)得られるCNT濃度と測定試料を投入する前の測定液の質量とから測定液中のCNT17のCNT質量Wbを求める。
(6)(2)で求められるCF質量WaとCNT質量Wbとの和(Wa+Wb)と、CNT17のCNT質量(Wb)とから、CNT質量比Rc(=Wb/(Wa+Wb))を算出する。
サイジング剤質量比率Rmの測定では、各複合繊維11の構造体14にサイジング剤15を付着させて作成した複合繊維束12から、例えば3本の複合繊維11を切り出して測定試料として、下記のようにして求める。測定試料として切り出す複合繊維11の長さは例えば5mとする。なお、測定試料とする複合繊維11の本数、長さは、これらに限定されない。
(2)測定試料を投入する前の測定液の質量と、投入後の測定試料を含む測定液の質量との差分を計測し、これを測定試料の質量、すなわち炭素繊維13のCF質量Wa、炭素繊維13に付着しているCNT17のCNT質量Wb及びCNT17に付着しているサイジング剤15のサイジング剤質量Wcとの和(Wa+Wb+Wc)とする。
(3)測定試料を含む測定液加熱して、炭素繊維13からそれに付着しているCNT17を完全に分離し、CNT17を測定液中に分散する。
(4)CNT質量比Rcを測定する場合と同様に、吸光光度計を用いてCNT17が分散している測定液の吸光度を測定し、その吸光度と、予め作成しておいた検量線とから測定液中のCNT17のCNT濃度を求める。得られるCNT濃度と測定試料を投入する前の測定液の質量とから測定液中のCNT質量Wbを求める。
(5)使用している炭素繊維13(原糸)のカタログ値からCF質量Waを特定する。
(6)測定試料の質量(Wa+Wb+Wc)から、(5)で得られるCF質量Wa及び(4)で得られるCNT質量Wbを減算した差を求め、これを測定試料に付与されていたサイジング剤15のサイジング剤質量Wcとする。
(7)(5)で得られるCF質量Waと、(6)で得られるサイジング剤質量Wcとからサイジング剤質量比率Rm(=(Wc/Wa)×100%)を算出する。
図7において、成形体10は、構造体形成工程ST1、サイジング処理工程ST2、ポストキュア工程ST3、射出成形工程ST4を経て作製される。射出成形工程ST4は、混練工程ST4aと射出工程ST4bとを含む。
実施例1では、上記手順により複合繊維11のサンプル繊維A11、A12を作製し、CNT17の剥離実験を行って、サイジング剤15の効果を確認した。複合繊維11の作製の際に用いた分散液28は、上述のように曲がった形状を有する材料CNTを用いて調製した。図11に、分散液28の調製に用いた材料CNTのSEM写真を示す。この材料CNTは、多層であり、直径が3nm以上10nm以下の範囲であった。材料CNTは、硫酸と硝酸の3:1混酸を用いて洗浄して触媒残渣を除去した後、濾過乾燥した。分散液28の分散媒としてのアセトンに材料CNTを加え、超音波ホモジナイザーを用いて材料CNTを切断し、CNT17とした。分散液28中のCNT17の長さは、0.2μm以上5μm以下であった。また、分散液28中のCNT17は、曲がった形状と評価できるものであった。分散液28のCNT17の濃度は、0.12wt%(=1200wt ppm)とした。分散液28には、分散剤や接着剤を添加しなかった。
実施例2では、複合繊維11を強化繊維とした成形体10として、繊維体積含有率が異なる試験片A21~A23をそれぞれ複数作製し、繊維体積含有率の測定と引張試験を実施した。
実施例3として、マトリックス樹脂Mを形成する熱可塑性樹脂としてPA66(66ナイロン)を用い、複合繊維11を強化繊維とした成形体10として繊維体積含有率が異なる試験片A31、A32をそれぞれ複数作製した。また、比較例2として、熱可塑性樹脂としてPA66を用い、炭素繊維(原糸)を強化繊維とした試験片B31、B32を作製した。これらの試験片A31、A32及び試験片B31、B32について、実施例2と同様に、繊維体積含有率の測定と引張試験とを行った。
11 複合繊維
13 炭素繊維
14 構造体
15 サイジング剤
17 カーボンナノチューブ
M マトリックス樹脂
Claims (21)
- 炭素繊維と、屈曲部を有する曲がった形状の複数のカーボンナノチューブで構成され、前記カーボンナノチューブ同士が直接接触した接触部を有するネットワーク構造を形成し、前記炭素繊維の表面に設けられた構造体と、前記接触部の少なくとも周囲に設けられ前記カーボンナノチューブの官能基と反応した構造を介して、直接接触した前記カーボンナノチューブ同士を架橋するサイジング剤とを有する複数の複合繊維と、
前記複数の複合繊維を包埋し、熱可塑性樹脂で形成されたマトリックス樹脂と
を備えることを特徴とする射出成形体。 - 前記サイジング剤は、前記カーボンナノチューブの官能基とカルボジイミド基とが反応したカルボジイミド由来の構造を介して、直接接触した前記カーボンナノチューブ同士を架橋することを特徴とする請求項1に記載の射出成形体。
- 前記サイジング剤は、前記カーボンナノチューブの官能基とイソシアネート基とが反応したイソシアネート由来の構造を介して、直接接触した前記カーボンナノチューブ同士を架橋することを特徴とする請求項1に記載の射出成形体。
- 前記複数の複合繊維の繊維体積含有率が27%以上であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の射出成形体。
- 前記構造体は、厚さが50nm以上200nm以下の範囲内であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の射出成形体。
- 前記構造体を設けた前記炭素繊維は、前記構造体を設けた前記炭素繊維と樹脂とが一体になった複合物の前記樹脂を除去した生成物であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の射出成形体。
- 複合繊維と熱可塑性樹脂とを混練する混練工程と、
前記複合繊維を含む前記熱可塑性樹脂を射出成形することにより、前記熱可塑性樹脂で形成されたマトリックス樹脂で前記複合繊維を包埋した射出成形体を得る射出工程と
を有し、
前記複合繊維は、炭素繊維、屈曲部を有する曲がった形状の複数のカーボンナノチューブで構成され、前記カーボンナノチューブ同士が直接接触した接触部を有するネットワーク構造を形成し、前記炭素繊維の表面に設けられた構造体及び前記接触部の少なくとも周囲に設けられ、前記カーボンナノチューブの官能基と反応した構造を介して、直接接触した前記カーボンナノチューブ同士を架橋するサイジング剤とを有する
ことを特徴とする射出成形体の製造方法。 - 前記サイジング剤は、前記カーボンナノチューブの官能基とカルボジイミド基とが反応したカルボジイミド由来の構造を介して、直接接触した前記カーボンナノチューブ同士を架橋することを特徴とする請求項7に記載の射出成形体の製造方法。
- 前記サイジング剤は、前記カーボンナノチューブの官能基とイソシアネート基とが反応したイソシアネート由来の構造を介して、直接接触した前記カーボンナノチューブ同士を架橋することを特徴とする請求項7に記載の射出成形体の製造方法。
- 前記混練工程は、長尺の前記複合繊維が連続的に供され、前記複合繊維を切断することを特徴とする請求項7ないし9のいずれか1項に記載の射出成形体の製造方法。
- 前記混練工程は、前記射出成形体における前記複合繊維の繊維体積含有率が27%以上となるように、前記熱可塑性樹脂と前記複合繊維との比率が調整されることを特徴とする請求項7ないし9のいずれか1項に記載の射出成形体の製造方法。
- 前記構造体が設けられた前記炭素繊維と樹脂とが一体になった複合物の前記樹脂を除去して、前記複合繊維の前記炭素繊維及び前記構造体とする除去工程を有することを特徴とする請求項7ないし9のいずれか1項に記載の射出成形体の製造方法。
- 前記混練工程の前に、前記複合繊維の前記サイジング剤をポストキュアするポストキュア工程を有する請求項7ないし9のいずれか1項に記載の射出成形体の製造方法。
- 前記ポストキュアは、前記複合繊維のポストキュア温度をT(℃)、前記ポストキュア温度を保持するポストキュア期間をD(日数)としたときに、「T≧14.43ln(D)+60」を満たすことを特徴とする請求項13に記載の射出成形体の製造方法。
- 屈曲部を有する曲がった形状の複数のカーボンナノチューブで構成され、前記カーボンナノチューブ同士が直接接触した接触部を有するネットワーク構造を形成した構造体を炭素繊維の表面に形成する構造体形成工程と、
直接接触した前記カーボンナノチューブ同士を架橋するサイジング剤の原料を溶解したサイジング処理液に前記構造体を形成した炭素繊維を接触させ、前記サイジング剤を付与し複合繊維を得るサイジング処理工程と、
前記複合繊維の前記サイジング剤をポストキュアするポストキュア工程と
を有する複合繊維の製造方法。 - 前記ポストキュアは、前記複合繊維のポストキュア温度をT(℃)、前記ポストキュア温度を保持するポストキュア期間をD(日数)としたときに、「T≧14.43ln(D)+60」を満たすことを特徴とする請求項15に記載の複合繊維の製造方法。
- 前記サイジング剤は、前記カーボンナノチューブの官能基とカルボジイミド基とが反応したカルボジイミド由来の構造を介して、直接接触した前記カーボンナノチューブ同士を架橋することを特徴とする請求項15または16に記載の複合繊維の製造方法。
- 前記サイジング剤は、前記カーボンナノチューブの官能基とイソシアネート基とが反応したイソシアネート由来の構造を介して、直接接触した前記カーボンナノチューブ同士を架橋することを特徴とする請求項15または16に記載の複合繊維の製造方法。
- 屈曲部を有する曲がった形状の複数のカーボンナノチューブで構成され前記カーボンナノチューブ同士が直接接触した接触部を有するネットワーク構造を形成する構造体が表面に設けられた炭素繊維と樹脂とが一体になった複合物の前記樹脂を除去した生成物であることを特徴とするCNT付着炭素繊維。
- 屈曲部を有する曲がった形状の複数のカーボンナノチューブで構成され前記カーボンナノチューブ同士が直接接触した接触部を有するネットワーク構造を形成する構造体が表面に設けられた炭素繊維と樹脂とが一体になった複合物を準備する準備工程と、
前記複合物の前記樹脂を除去したCNT付着炭素繊維を得る除去工程と
を有するCNT付着炭素繊維の製造方法。 - 屈曲部を有する曲がった形状の複数のカーボンナノチューブで構成され前記カーボンナノチューブ同士が直接接触した接触部を有するネットワーク構造を形成する構造体が表面に設けられた炭素繊維と樹脂とが一体になった複合物を準備する準備工程と、
前記複合物の前記樹脂を除去したCNT付着炭素繊維を得る除去工程と
前記CNT付着炭素繊維をマトリックス樹脂に包埋した炭素繊維複合材を得る複合材作製工程と
を有する炭素繊維複合材の製造方法。
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