JPH01121330A - 気相成長法炭素繊維の分散方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、気相成長法炭素繊維抱合樹脂成形に通した繊
維の樹脂中への分散方法に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、炭素繊維を各種樹脂中に混合分散させてなるり合
樹脂成形用狛成物は、炭素繊維が優ｎ、ｉ’ｅ特性、例
えば高強度、高鳳性、低比重、高電気伝導性、低熱膨脹
率、高耐摩耗性など′ｔ−有しているため、幅広い用途
が期待さｎ、工業的に重曹な材料として注目さｎている
。一般に炭素繊維を各種熱可塑性樹脂や硬化性樹脂に混
合分散させて機台樹脂成形用組成物を得るには、数百〜
数百万本からなる炭素繊維（ＰＡＮ系またはぎツチ系炭
素繊維）ｔあらかじめ１〜１０ＩＩ１１１に切断したチ
ョツプドストランドが用いらｎｌこのチョツプドストラ
ンドを樹脂ペレットまたはパウダーとともに押出機中で
浴融しストランド状にしたシ、シートにする方法がとら
ｎる。一方気相成長法炭素繊維全補強材、その他機能付
与材として樹脂マトリックス中に混入することも公矧で
ある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明渚らの知見に工ｎは、気相成長法炭素繊維は、繊
維径が極めて細く、シかもアスペクト比が大きいので可
撓性ｔ−有する、そのため、１０重量％以下の含有量で
は繊維同志が絡み易く均一分散させにくい。

このため、上記方法では気相成長法炭素繊維の低含有量
、すなわち１０Ｍ量％以下で気相成長法炭素繊維を樹脂
に機台して均一な組成物とするのは難かしい。

例えば、気相成長法炭素繊維を樹脂ペレット等と、ゾレ
ンＦして押出様等で、ストランド状に連続して押出する
場合、気相成長法炭素繊維と樹脂ペレット等が押出機に
喰込ひ前に分離し喰込み不充分となる。また押出さｎた
ストランドは喰込み不充分なために、ストランド切ｎが
多発し、均一なストランドが得らｎないはかりか、気相
成長法炭素繊維とペレット状樹脂分散が悪く気相成長法
炭素繊維の４ｅｉ徴を発現出来ない。

また、気相成長法炭素繊維と樹脂ペレット等をシート状
に分散させて成形すると、均一分散さｎずに成形さｎ１
シ一ト状成形体に亀裂が多発してしまうという欠点があ
つ九。

本発明の目的は、かかる従来の間地点ｔ−解決し、押出
機等に喰込みがよく、また、均一な成形体を与える機台
樹脂成形用組成物を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、気相成長法炭素繊維を溶液中で引き離し、分
散スラリーにする工程と、引き離さｎた繊維間に、樹脂
粉末を添加する工程と、気相成長法炭素繊維を樹脂中に
０．５〜１０１Ｍ量％含有絡抱させる工程とから々る気
相成長法炭素繊維の分散方法である。

本発明において熱硬化性樹脂とは、加熱することによυ
高分子化合物間で複雑な反応が進み、三次元的な構造に
組織が発生し、熱可塑性状態からつい１′−不浴、不融
の状態に硬化するプラスチックを君味し、例えばフェノ
ール樹脂、７ラン樹脂、キシレン・ホルムアルデヒド樹
脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アニリン樹脂、アルキド
樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂などがあ
る。

本発明において熱可塑性樹脂とは、常温では可ｆｆｉ性
を示さないが適当な温度に加熱することにより可塑性が
あられｎる樹脂であシ、例えばポリエチレン、ポリゾロ
ピレン、ポリスチレン、ポリ−ｐ−キシレン、ポリ酢酸
ビニル、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリ
塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、フッ素系プラスチッ
ク、ポリアクリロニトリル、ポリビニルエーテル、ポリ
ビニルケトン、ポリエーテル、ポリカーボネート、熱可
塑性ポリエステル、ポリアミＦ１ジエン系プラスチック
、ポリウレタン系プラスチック等があげらｎる。

本発明に訃いて、樹脂粉末の粒子径とは熱可塑性または
硬化性樹脂の粉末の粒径であシ、−次粒子が凝集または
融着している場合は一次粒子の粒径をいう。この粒子径
は１腸以下であり、好１しくは０．０１μ〜ｉ、Ｑｍ、
さらに好ましくは０．１μ〜０．６鵬、判に０．１μ〜
０．１襲のものが好ましい。

粒子径が大きいと均一な成形体が得らｎにくい。

また粒子径が小さすぎると増扱いが困難であるため、増
扱いの容易さから一定粒径以下のものを用いるのが便利
である。

本発明において、気相成長法炭素繊維とは、灰化水素な
どの炭素源を触媒の存在下に加熱して気相成長させて作
らｎる繊維状の炭素質の物質、こｎを彎砕した多切断し
たシした種々の形態の炭素質物質、またはこれらを加熱
処理した炭素質もしくは黒鉛質物質である。本発明の気
相成長法炭素繊維は、電子顕微鏡で観察すると、芯の部
分と、こｎを取巻く、−見して、年輪状の炭素層からな
る豹異な形状の繊維およびこｎを粉砕、破砕、切断、混
練などの加工管受けたものである。

本発明において、気相成長法炭素繊維の直径は判に限定
さｎないが、一般には直径５μｍ以下、好ましくは０．
０１〜４μｍ１さらに好ましくは０−０１〜１　＃ｍ、
最も好１・しくは０．０１〜０．５　μｍである。繊維
のアスペクト比は肴に制限さｎないが、１０〜１０８が
好ましく、特に５０〜１０４がｔＦ！ましい。アスペク
ト比の大きい繊維のほうが絡抱性に４＆１ている傾向に
あるが、アスペクト比が太きすぎると射出成形物の均一
性が低下する傾向にある。

本発明に訃いて、気相成長法炭素繊維は、酸性官能基を
有していてもよく、その場合、繊維の表面積当々す１〜
１００μ＠ｑ　／　ＷＬ”が好ましく、２〜５０μθｑ
／ｍ２が的に好ましく、４〜６０μθｑ／ｍ２が最も好
ましい。酸性官能基を有している繊維は、成形体の機械
物性に優ｎる傾向にある。

酸性官能基は気相成長法炭素繊維を酸素などの酸化性ガ
スや硝酸などの酸化剤などで酸化することにぶって導入
さｆ’Ｌ　、　　−Ｃｏ２Ｈ、−ＯＨ等の酸性官能基を
有する気相成長法炭素繊維が得らｎる。

本発明において、絡抱とは、気相成長法炭素繊樹脂粉末
がその空間から容易に移動、脱落しないようになってい
ることであり、あたかも樹脂粉末が繊維に包みこまｎて
いる工うになっていることである。従って組成物の移動
等における振動や成形時にシいても繊維と樹脂との分離
が生じること力＜、分散さｎたまま成形さｎるため、均
一な成形体が得らｎる。

繊維間に絡抱さｎた樹脂粉末は、繊維に接着しても、し
ていなくてもよいが、樹脂粉末と気相成長法度Ｓ＊維を
攪拌機等で混合中に、樹脂粉末のスキン層の一部が沼け
て、繊維に融着し接着していても工く、またサイジング
剤や接着剤等で接着さｎていても工い。また樹脂粉末は
気相成長法炭素繊維に、均一に分散さｎて絡抱さｎてい
るのが好ましく、より均一な成形体を得ることができる
。

本発明において、気相成長法炭素繊維と樹脂粉末との含
有量は、全量１００重量％とじて前者０．５〜１０．０
重量％、後者９０．０〜９９．５重−ｊ！％であり、好
ましくは前者１．０〜１ＯＮ量％、後者９０．０〜９９
．０重量％、將に好ましくは、前者２．０〜１０．０重
量％である。

本発明における分散法は、まず、第１工程にて液体、例
えば、水、アルコール等の気相成長法炭素繊維を変質さ
せない液体中に気相成長法炭素繊維を加え、例えば、ホ
モジナイザー等の高剪断力攪拌機を使って継子の絡みを
解いて繊維を液体中に均一分散させ、つぎに、第２工程
にて、該スラリー溶液に徐々に樹脂粉末を添加し絡抱さ
せることである。

公仰の分散方法、例えば樹脂粉末を、液体例えば水、ア
ルコール等に、均一分散させた後、気相成長法炭素繊維
を徐々に添加させる方法では、気相成長法炭素繊維の絡
みを破かいできず、気相成長法炭素繊維は、継子状態の
ままで残ってしまう。

こｎは、長時間剪断力をかけてとシはぐしても、気相成
長法炭素繊維の継子の表面部に絡抱さｎた樹脂粉末が表
層部を固めて、粒状化し、気相成長法炭素繊維は継子の
状態のま＼とじこめらｎてしまい均一分散さｎない。ま
た樹脂粉末は二次粒子状態になシ易く、液体中に樹脂粉
末を均一分散させ、良く分散した気相成長法炭素繊維を
徐々に添加しても、スラリー濃度が高くなるにつｎて２
次粒子が生成して気相成長法炭素繊維に絡抱さｎる前に
樹脂粉末の継子が発生し、その樹脂粉末継子を気相成長
法炭素繊維が部分的に絡抱し不均一分散化で安定してし
まり。

本発明にシける均一分散方法で、即ち、第一工程にて、
気相成長法炭素繊維の絡みをときほぐし徹維−本−本を
浮遊化し、第二工程にて樹脂粉末をこの繊維間に徐々に
均等に添加させしめ含有させることでこｎら問題は一挙
に解消する。

本発明の均−分散力法において絡抱の効果は、例えば、
スラリーが溶液と固体が分離しても一旦気相成長法炭素
繊維に絡抱さｎた樹脂粉末は、溶液中に逸脱することが
なく、気相成長法炭素繊維に均等に保持さｎているので
、外的振動、加熱対流等で気相成長法炭素繊維に絡抱さ
ｎ樹脂粉末は逸脱さｎなく均一な分散状態を維持できる
。

本発明において、組成物のかさ密度は判に制限さｎず、
後工程に応じて適宜調整することができる。例えば押出
機等スクリューへ投入する場合、かさ密度は大きくする
のが好ましく、−力、シート状に分散後成形する場合、
かさ密度は組成物が飛散しない範囲で適宜調整される。

かさ密度は一般には０．００１〜１．５９／ｃＩＭ＆’
の範ｒ−ｔ”、ｓｂ、肴に０．１〜０．８．！９／ａ１
１１３の範囲が取扱いが容易で便利である。このかさ密
度は、気相成長法炭素繊維の形態や、樹脂粉末と混合後
、造粒、圧縮、粉砕等に工って調整することができる。

本発明における組成物においては、他の無機や有機の繊
維状物、粉状や粒状物を含有していてもよく、また結晶
核剤、増粘剤、Ｓ燃剤、希釈剤、安定剤、ひ化防止剤、
成形の際の金型からの離型性をよくするための添加剤等
、公知の種々の配合剤全含有していてもよい。

本発明に訃いて、組成物は、例えば以下に示した工うに
製造さｎる。気相成長法炭素繊維のかさ密度を調整する
ために、必要に応じて粉砕する。

粉砕は公知の方法でよく、例えば適当なミル、ミキサー
等が使用さｎる。次に、攪拌可能な容器中に液体、例え
ば水、アルコール等の樹脂を完全には俗解させないもの
を入ｎ、こｎに前記礒維を投入して攪拌する。液体の量
は前記繊維の量を考慮し、適宜測定さｎる。攪拌時間お
よび回転数は、こｎらの気相成長法炭素繊維が均一分散
するまで任意に設定さする。

次いで、この均一分散し九炭素繊維スラリー液中に、所
望の種類の樹脂粉末を所定】投入し攪拌を貌ける。樹脂
の投入は分割投入することが肝要で、例えば容省の底に
樹脂粉末が残らない程度に撹拌しながら投入し均等分散
させ絡抱させる。

その後、このスラリ全濾過して、乾燥する。濾通の条件
は気相成長法脚素ｔｅ、紅が透帰し力い瀞通劇を選定し
行なえば工く、乾燥は樹脂が分解しないような公知の方
法で実施する。このようにして本発明の樹脂組成物が得
らするが、乾燥後に適当な形状にさらに粉砕してもよい
。

〔実施例］ 以下、実施例にニジ本発明を説明する。

実施例１ 直径０．１μｍの気相成長法炭素繊維をヘンシェルミキ
サーで粉砕し、繊維長を調整した。

とｔ″Ｌを電子細俄鏡で観察したところ、粉砕後の繊維
長は平均約７０〜８０μｍであった。この炭素縁＃ａを
、１００ノの攪拌羽根付きで減圧可能な混合槽に純水４
０ノを入れたのち攪拌しながら、炭素繊維ｉｏｏｇｒ分
割しながら徐々に投入した。

混合槽は密閉し、減圧下（Ｉ　Ｄｏ　　’Ｉ’ｏｒｒ　
）で攪拌した、回転数は均一分散させるため高速化で行
へ繊維投入時は２００　ｒ、ｐ、ｍ、減圧下での攪拌は
、７５０　ｒ、ｐａｍで分散させたところ、均一分散し
たスラリー液になった。次に、このスラリー液にナイロ
ン６６樹脂粉末（レオナ、登録商標、タイプ１３００Ｂ
、旭化成工業ｑＱ製を低温粉砕により平均粒径３０μｍ
に調整したもの）１４００Ｆを、１００ｇづつ分割して
、徐々に投入し絡抱させた。

こｎ′ｔ−さらに減圧下（５Ｑ　Ｔｏｒｒ　）で高速攪
拌し、６０分後に、稽合樹脂刊成物のスラリーを得た。

このスラリーを濾布に入ｎて水切シ後、脱水機で、１０
分間脱水後、乾燥したところ、気相成長法炭素繊維とナ
イロン６６粉末樹脂とが塊状化した、こｆ’Ｌを電子顕
微鏡で観察したところ均一分散の樹脂成形用組成物を得
た。この塊状物の嵩密度は０．６５ｇ／鳴３であった。

この工うにして得らｎた、樹脂成形用組成物を一軸押出
し機で押出し分散性を評価した。

実施例２〜４ 気相成長法炭素繊維とナイロン６６樹脂粉末との比を、
第１表に示すように変化させた以外は実施例１と同様に
行った。こｎらの結果を第１表に示す。

比較例１ ナイロン６６樹脂（レオナ、登録商標、タイプ１３００
８、旭化成工業６１製）のペレット（ペレットの長径は
長さ３わ、径２Ｂ）１４００ｇと、実施例１で長さを調
整した気相成長法炭素繊維１００ｇを用い実施例１と同
様に行った。こｎらの結果は第１表に示すように、均一
分散は不′５］能で混合槽の底部にナイロン６６ペレッ
トが沈降し分散せず絡包も観察さｎなかつに０そのため
一軸押出し機での評価は断念した。

比較例２ ＰＡＮＣＦチョプドストランド（６鵡カツト）全実施例
１の気相成長法炭素繊維に変更する以外は、ＰＩ　ｍに
行った。こｔらの結果は第１表に示すように、均一分散
はさｎず、ナイロン６６の粉末樹脂の一部がＰＡＮ（！
Ｆの表面に集溜しているものが観察さｎるが、均一分散
はさｆていなかった。

比較例３ ナイロン６６樹脂粉末（実施例で使用したもの９を、１
００〕の攪拌羽根付きで減圧可能な混合槽に純水４０ノ
を入ｎた後、撹拌しながら、樹脂粉末を分割しながら徐
々に投入した、混合槽は密閉し、減圧下（１００Ｔｏｒ
ｒ　）で攪拌した。

回転数は均一分散させる念めに高速で行い均一分散しス
ラリー化した。次に直径０．１μｍの気相成長法炭素繊
維をヘンシェルミキサーで粉砕し、轍維長を調整した、
この繊維長は平均７０〜９０μｍであった。さらに、こ
の気相成長法炭素繊維！４０ノの純水に入ｎ１００ノの
攪拌羽根付きの減圧可能な混合槽に入ｎ分割しなから入
ｔ′した。

６０分後スラリー化したのでさらに減圧下（１００Ｔｏ
ｒｒ　）で攪拌して、脱泡し、均一分散した気相成長法
炭素繊維が得らまた。このスラリーを、ナイロン６６樹
脂粉末スラリーに添加して絡抱分散如理を行ったところ
見掛は上分散しているのが観さｆまた。このスラリーｔ
−濾布で水切９後脱水機で１０分間脱水後乾燥したとこ
ろ、気相成長法炭素繊維とナイロン６６粉末樹脂との塊
状物を得たが電子顕微鏡観察の結果は不均一分散であっ
た。

第１表 東　分散状態の判定は走査型電子顕微鏡５０００倍にて
測定する。

〔発明の効果〕

本発明の気相成長法炭素繊維の分散方法によｎば気相炭
素繊維複合樹脂組成物は、気相成長法炭素Ｐ＆維が低含
有量でも樹脂粉末が均等に分散さｎて、成形加工が容易
になシ押出機等での喰込みも良好になりストランド切ｎ
もなくなシ均−分散したストランドが得らｎる。またシ
ート化、マット化に成形加工においても亀裂の発生もな
く気相成長法炭素繊維の特長を発現し成形体の機械的物
性や電気伝導性が著しく向上し、しかも成形時の操作性
も改善さｎる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 気相成長法炭素繊維を溶液中で引き離し、分散スラリー
   にする工程と、引き離された繊維間に、樹脂粉末を添加
   する工程と、気相成長法炭素繊維を樹脂中に０．５〜１
   ０．０重量％含有絡抱させる工程とからなる気相成長法
   炭素繊維の分散方法。