JP7425732B2 - 炭素繊維シート材、プリプレグ、成形体、炭素繊維シート材の製造方法、プリプレグの製造方法および成形体の製造方法 - Google Patents
炭素繊維シート材、プリプレグ、成形体、炭素繊維シート材の製造方法、プリプレグの製造方法および成形体の製造方法 Download PDFInfo
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Description
(1) 複数本の炭素繊維と、前記炭素繊維を結合するバインダーとを含む炭素繊維シート材であって、
前記炭素繊維として、バージンの炭素繊維である第1の炭素繊維と、リサイクルされた炭素繊維である第2の炭素繊維とを含んでおり、
前記第2の炭素繊維は、リサイクル原料に、空気雰囲気下での300℃以上400℃以下の温度の第1の加熱処理と、空気雰囲気下での400℃以上600℃以下の温度の第2の加熱処理とを行うことにより得られたものであり、その表面に、当該第2の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り、
前記第2の炭素繊維の表面への前記付着物の被覆率が2%以上40%以下であり、
前記付着物により、複数本の前記第2の炭素繊維が結合し、束状になった束状体を含み、
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以下であることを特徴とする炭素繊維シート材。
前記炭素繊維として、バージンの炭素繊維である第1の炭素繊維と、リサイクルされた炭素繊維である第2の炭素繊維とを含んでおり、
前記第2の炭素繊維は、リサイクル原料に、空気雰囲気下での300℃以上400℃以下の温度の第1の加熱処理と、空気雰囲気下での400℃以上600℃以下の温度の第2の加熱処理とを行うことにより得られたものであり、その表面に、当該第2の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り、
前記第2の炭素繊維の表面への前記付着物の被覆率が2%以上40%以下であり、
前記付着物により、複数本の前記第2の炭素繊維が結合し、束状になった束状体を含み、
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以下であることを特徴とするプリプレグ。
前記第2の炭素繊維は、リサイクル原料に、空気雰囲気下での300℃以上400℃以下の温度の第1の加熱処理と、空気雰囲気下での400℃以上600℃以下の温度の第2の加熱処理とを行うことにより得られたものであり、その表面に、当該第2の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り、
前記第2の炭素繊維の表面への前記付着物の被覆率が2%以上40%以下であり、
前記工程に供される組成物は、前記付着物により、複数本の前記第2の炭素繊維が結合し、束状になった束状体を含み、
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以下であることを特徴とする炭素繊維シート材の製造方法。
前記第2の炭素繊維は、リサイクル原料に、空気雰囲気下での300℃以上400℃以下の温度の第1の加熱処理と、空気雰囲気下での400℃以上600℃以下の温度の第2の加熱処理とを行うことにより得られたものであり、その表面に、当該第2の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り、
前記第2の炭素繊維の表面への前記付着物の被覆率が2%以上40%以下であり、
前記工程に供される組成物は、前記付着物により、複数本の前記第2の炭素繊維が結合し、束状になった束状体を含み、
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以下であることを特徴とするプリプレグの製造方法。
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。
例えば、炭素繊維として、バージンの炭素繊維のみを用い、リサイクルされた炭素繊維を用いなかった場合には、炭素繊維とバインダー等の樹脂材料との密着性を十分に優れたものとすること等が困難となり、炭素繊維シート材や当該炭素繊維シート材を用いて製造されるプリプレグの成形性や、炭素繊維シート材や当該炭素繊維シート材を用いて製造される成形体等の信頼性を十分に優れたものとすることが困難である。
前述したように、炭素繊維シート材100は、炭素繊維1としてバージンの炭素繊維(第1の炭素繊維11)を含んでいる。
前述したように、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(第2の炭素繊維12)を含んでいる。
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。
バインダー20は、炭素繊維1(第1の炭素繊維11および第2の炭素繊維12)を結合する機能を有している。また、バインダー20が、炭素繊維シート材100を用いて製造される成形体中に残存するものである場合、成形体においてマトリックス樹脂の一部を構成するものであってもよい。
これにより、バインダー20が炭素繊維1同士をより好適に結合、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。
次に、本発明のプリプレグについて説明する。
図3は、本発明のプリプレグの第1実施形態を模式的に示す平面図である。
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。
このような成分としては、例えば、可塑剤、着色剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤、軟化剤、改質剤、防錆剤、充填剤、表面潤滑剤、腐食防止剤、耐熱安定剤、滑剤、プライマー、帯電防止剤、重合禁止剤、架橋剤、触媒、レベリング剤、増粘剤、分散剤、老化防止剤、難燃剤、加水分解防止剤、腐食防止剤、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、セルロースナノファイバー、フラーレン、グラファイト等が挙げられる。
図4は、本発明のプリプレグの第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。
なお、樹脂繊維40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。
このような成分としては、例えば、可塑剤、着色剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤、軟化剤、改質剤、防錆剤、充填剤、表面潤滑剤、腐食防止剤、耐熱安定剤、滑剤、プライマー、帯電防止剤、重合禁止剤、架橋剤、触媒、レベリング剤、増粘剤、分散剤、老化防止剤、難燃剤、加水分解防止剤、腐食防止剤、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、セルロースナノファイバー、フラーレン、グラファイト等が挙げられる。
次に、本発明の成形体について説明する。
これにより、強度、信頼性に優れた成形体を提供することができる。
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。
次に、本発明のプリプレグの製造方法について説明する。
前述した第1実施形態に係るプリプレグ200は、例えば、前述した抄紙工程を経て得られた炭素繊維シート材100に、樹脂材料(含浸樹脂)30を含浸させる工程(含浸工程)を有する方法を用いて安定的に製造することができる。
前述した第2実施形態に係るプリプレグ200は、例えば、バージンの炭素繊維である第1の炭素繊維11と、リサイクルされた炭素繊維である第2の炭素繊維12と、樹脂繊維40と、第1の炭素繊維11、第2の炭素繊維12および樹脂繊維40を結合するバインダー20とを混抄する工程(抄紙工程)を有する方法を用いて安定的に製造することができる。
次に、本発明の成形体の製造方法について説明する。
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、隣り合うプリプレグ200の間に、中間層を設けてもよい。
各実施例および各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。
まず、バージンの炭素繊維(第1の炭素繊維、繊維平均径(平均幅)7.0μm、平均長さ6.0mm):20質量部と、リサイクルされた炭素繊維(第2の炭素繊維、繊維平均径(平均幅)7.0μm、平均長さ5.0mm):75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%の抄紙用スラリーを調製した。
第1の炭素繊維、第2の炭素繊維、バインダーの条件を表1に示す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。
炭素繊維として第1の炭素繊維のみを用いて、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A1と同様にして炭素繊維シート材を製造した。
炭素繊維として第2の炭素繊維のみを用いて、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A1と同様にして炭素繊維シート材を製造した。
各実施例および各比較例のプリプレグを以下のようにして製造した。
まず、未硬化の熱硬化性樹脂としてのフェノール樹脂のメタノール溶液(40質量%)を用意した。
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と同様にしてプリプレグを製造した。
まず、バージンの炭素繊維(第1の炭素繊維、繊維平均径(平均幅)7.0μm、平均長さ6.0mm):5.0質量部と、リサイクルされた炭素繊維(第2の炭素繊維、繊維平均径(平均幅)7.0μm、平均長さ5.0mm):35.2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):2.9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):56.9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%の抄紙用スラリーを調製した。
第1の炭素繊維、第2の炭素繊維、バインダー、樹脂繊維の条件を表2に示すように変更した以外は、前記実施例B4と同様にしてプリプレグを製造した。
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、A2で製造したものを用いた以外は、前記実施例B1と同様にしてプリプレグを製造した。
炭素繊維として第1の炭素繊維のみを用いて、各成分の配合比を表2に示すようにした以外は、前記実施例B4と同様にしてプリプレグを製造した。
炭素繊維として第2の炭素繊維のみを用いて、各成分の配合比を表2に示すようにした以外は、前記実施例B4と同様にしてプリプレグを製造した。
各実施例および各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B1で製造したプリプレグを15枚積層した。
プリプレグとして、前記実施例B1で製造したものの代わりに、前記実施例B2、B3で製造したものを用いた以外は、前記実施例C1と同様にして成形体(成形体AおよびB)を製造した。
まず、前記実施例B4で製造したプリプレグを15枚積層した。
プリプレグとして、前記実施例B4で製造したものの代わりに、前記実施例B5、B6で製造したものを用いた以外は、前記実施例C4と同様にして成形体(成形体AおよびB)を製造した。
プリプレグとして、前記実施例B1で製造したものの代わりに、前記比較例B1、B2で製造したものを用いた以外は、前記実施例C1と同様にして成形体(成形体AおよびB)を製造した。
プリプレグとして、前記実施例B5で製造したものの代わりに、前記比較例B3、B4で製造したものを用いた以外は、前記実施例C4と同様にして成形体(成形体AおよびB)を製造した。
《4-1》曲げ強度評価
前記実施例C1~C6および比較例C1~C4の成形体Aについて、JIS K7074に準じた曲げ試験により求められる曲げ強度を測定し、以下の基準にした従い評価した。
B:曲げ強度が200MPa以上250MPa未満。
C:曲げ強度が150MPa以上200MPa未満。
D:曲げ強度が100MPa以上150MPa未満。
E:曲げ強度が100MPa未満。
(目視による評価)
前記実施例C1~C6および比較例C1~C4の成形体Bについて、目視による観察を行い、以下の基準に従い評価した。
B:外観不良がほとんど認められない。
C:外観不良がわずかに認められる。
D:外観不良がはっきりと認められる。
E:外観不良が顕著に認められる。
前記実施例C1~C6および比較例C1~C4の成形体Bの屈曲部付近について、顕微鏡による観察を行い、以下の基準に従い評価した。
B:炭素繊維が多く露出している領域と炭素繊維の露出量が少なく樹脂材料が多く露出している領域とが併存しており、炭素繊維の露出量のばらつきがわずかに認められる。
C:炭素繊維が多く露出している領域と炭素繊維の露出量が少なく樹脂材料が多く露出している領域とが併存しており、炭素繊維の露出量のばらつきがはっきりと認められる。
D:炭素繊維が多く露出している領域と炭素繊維の露出量が少なく樹脂材料が多く露出している領域とが併存しており、炭素繊維の露出量のばらつきが顕著に認められる。
これらの結果を表3にまとめて示す。
200…プリプレグ
1…炭素繊維
11…第1の炭素繊維
12…第2の炭素繊維
2…付着物
10…束状体
20…バインダー
30…樹脂材料(含浸樹脂)
40…樹脂繊維
Claims (19)
- 複数本の炭素繊維と、前記炭素繊維を結合するバインダーとを含む炭素繊維シート材であって、
前記炭素繊維として、バージンの炭素繊維である第1の炭素繊維と、リサイクルされた炭素繊維である第2の炭素繊維とを含んでおり、
前記第2の炭素繊維は、リサイクル原料に、空気雰囲気下での300℃以上400℃以下の温度の第1の加熱処理と、空気雰囲気下での400℃以上600℃以下の温度の第2の加熱処理とを行うことにより得られたものであり、その表面に、当該第2の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り、
前記第2の炭素繊維の表面への前記付着物の被覆率が2%以上40%以下であり、
前記付着物により、複数本の前記第2の炭素繊維が結合し、束状になった束状体を含み、
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以下であることを特徴とする炭素繊維シート材。 - 前記第2の炭素繊維の平均長さが前記第1の炭素繊維の平均長さよりも短い請求項1に記載の炭素繊維シート材。
- 前記第1の炭素繊維の平均長さをLVCF[mm]、前記第2の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2に記載の炭素繊維シート材。
- 前記第2の炭素繊維の平均長さが1.0mm以上10mm以下である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の炭素繊維シート材。
- 前記第1の炭素繊維の含有率をXVCF[質量%]、前記第2の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1ないし4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5のいずれか1項に記載の炭素繊維シート材に、樹脂材料を含浸させてなることを特徴とするプリプレグ。
- 複数本の炭素繊維と、複数本の樹脂繊維と、前記炭素繊維、前記樹脂繊維を結合するバインダーとを含むプリプレグであって、
前記炭素繊維として、バージンの炭素繊維である第1の炭素繊維と、リサイクルされた炭素繊維である第2の炭素繊維とを含んでおり、
前記第2の炭素繊維は、リサイクル原料に、空気雰囲気下での300℃以上400℃以下の温度の第1の加熱処理と、空気雰囲気下での400℃以上600℃以下の温度の第2の加熱処理とを行うことにより得られたものであり、その表面に、当該第2の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り、
前記第2の炭素繊維の表面への前記付着物の被覆率が2%以上40%以下であり、
前記付着物により、複数本の前記第2の炭素繊維が結合し、束状になった束状体を含み、
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以下であることを特徴とするプリプレグ。 - 前記樹脂繊維の平均長さが2.0mm以上20mm以下である請求項7に記載のプリプレグ。
- 前記炭素繊維の含有率をXCF[質量%]、前記樹脂繊維の含有率をXRF[質量%]としたとき、0.30≦XCF/XRF≦28の関係を満足する請求項7または8に記載のプリプレグ。
- 前記炭素繊維の平均長さをLCF[mm]、前記樹脂繊維の平均長さをLRF[mm]としたとき、0.10≦LRF/LCF≦18の関係を満足する請求項7ないし9のいずれか1項に記載のプリプレグ。
- 前記第2の炭素繊維の平均長さが前記第1の炭素繊維の平均長さよりも短い請求項7ないし10のいずれか1項に記載のプリプレグ。
- 前記第1の炭素繊維の平均長さをLVCF[mm]、前記第2の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11に記載のプリプレグ。
- 前記第2の炭素繊維の平均長さが1.0mm以上10mm以下である請求項7ないし12のいずれか1項に記載のプリプレグ。
- 前記第1の炭素繊維の含有率をXVCF[質量%]、前記第2の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7ないし13のいずれか1項に記載のプリプレグ。
- 請求項6ないし14のいずれか1項に記載のプリプレグを加熱加圧成形してなることを特徴とする成形体。
- バージンの炭素繊維である第1の炭素繊維と、リサイクルされた炭素繊維である第2の炭素繊維と、前記第1の炭素繊維および前記第2の炭素繊維を結合するバインダーとを混抄する工程を有し、
前記第2の炭素繊維は、リサイクル原料に、空気雰囲気下での300℃以上400℃以下の温度の第1の加熱処理と、空気雰囲気下での400℃以上600℃以下の温度の第2の加熱処理とを行うことにより得られたものであり、その表面に、当該第2の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り、
前記第2の炭素繊維の表面への前記付着物の被覆率が2%以上40%以下であり、
前記工程に供される組成物は、前記付着物により、複数本の前記第2の炭素繊維が結合し、束状になった束状体を含み、
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以下であることを特徴とする炭素繊維シート材の製造方法。 - 請求項16に記載の方法を用いて製造された炭素繊維シート材に、樹脂材料を含浸させる工程を有することを特徴とするプリプレグの製造方法。
- バージンの炭素繊維である第1の炭素繊維と、リサイクルされた炭素繊維である第2の炭素繊維と、樹脂繊維と、前記第1の炭素繊維、前記第2の炭素繊維および前記樹脂繊維を結合するバインダーとを混抄する工程を有し、
前記第2の炭素繊維は、リサイクル原料に、空気雰囲気下での300℃以上400℃以下の温度の第1の加熱処理と、空気雰囲気下での400℃以上600℃以下の温度の第2の加熱処理とを行うことにより得られたものであり、その表面に、当該第2の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り、
前記第2の炭素繊維の表面への前記付着物の被覆率が2%以上40%以下であり、
前記工程に供される組成物は、前記付着物により、複数本の前記第2の炭素繊維が結合し、束状になった束状体を含み、
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以下であることを特徴とするプリプレグの製造方法。 - 請求項17または18に記載の方法を用いて製造されたプリプレグを加熱加圧成形する工程を有することを特徴とする成形体の製造方法。
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