JPH01133721A - 炭素繊維補強熱可塑性樹脂成形物の製造方法 - 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］ 本発明は炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を混紡して得られ
るヤーン、或いはこのヤーンを用いた織物を成形・加熱
して得られる炭素繊維複合材料の製造方法に関するもの
である。

［従来の技術］ 炭素繊維は耐食性、耐熱性、導電性に優れ、強度、弾性
率が極めて高いため多くの分野に使用されている。

使用方法としては単独に断熱）、ツなどの用途にも用い
るが、多くは用途に応じて選択されたマトリックスと複
合化して用いる。

７トリツクスを無機系と有機系に大別すると、無機系と
しては金属、セラミックスいずれもが用いられ、特に近
年は炭素繊維補強セメント（ＣＦ　ＲＣ）が注目を集め
ている。また有機系としては熱硬化性樹脂、熱可塑性樹
脂いずれもが用いられ、エポキシ樹脂をマトリックスと
した炭素繊維補強プラスチック（ＣＦＲＰ）は宇宙航空
用、レジャー用品などに広く利用されて炭素繊維複合材
料として代表的なものである。その他に有機物であるピ
ッチ中に炭素繊維を含浸後戻化して得る炭素繊維／炭素
複合材料（ｃ／ｃコンポジット）も広い用途をもった材
料である。

このようにあらゆる材料がそのマトリックスとして対象
となり得ると言っても過言ではないが熱可塑性樹脂をマ
トリックスとする炭素繊維複合材料も近年注目を集めて
いる。特にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を
始め各種の高性能エンジニアリングプラスチックとの複
合化研究は多数報告されている。

またフィラーの炭素繊維としては従来から知られている
ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、ピッチ系、レーヨ
ン系の他、近年気相成長法による炭素繊維が開発され、
その構造及び電子物性などからその用途が大きく期待さ
れている。しかし気相成長法による繊維で短時間で得ら
れるコストの安いものはそのほとんどが繊維長は１＋＋
ｕｎ以下、繊維径が１μｍ以下であり、その形状が従来
の炭素繊維と大きく異なるため熱可塑性樹脂との複合化
に際し、通常の短繊維の複合化に用いられる混練−押出
しあるいはインジェクション等の手法では必ずしも期待
される効果が得られない場合があった。

［発明か解決しようとする問題点］ 熱硬化性樹脂を炭素繊維に含浸する場合と比較して、一
般的に熱可塑性樹脂はその複合化において粘度がはるか
に高いため、繊維表面にマトリックスがいきわたりにく
く、かつ均一な分散および十分なぬれが得られにくい。

またこれらを改善するために混練度を高めることは一つ
の手段ではあるが、繊維の切断および損傷により炭素繊
維本来の性能を低下させる可能性があり、必ずしも複合
化性能を向上させないばがりではなく、逆に低下させる
場合もある。特に微細な炭素繊維の場合この傾向は顕著
に現われる。

本発明は炭素繊維補強熱可塑性樹脂成形物（以下ＣＦＲ
ＴＰという）を製造する際、特に均一な分散状態及び十
分なぬれが得られにくい微細な短繊維をフィラーとして
用いても、繊維の切断、損傷による性能低下を極力おさ
え、均一な分散を可能にする高性能なＣＦＲＴＰの製造
方法を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための羊膜］ 本発明者は上記の目的を達成するために鋭意研究を行っ
た結果、微細な炭素繊維とキャリアとなる熱可塑性樹脂
繊維を混紡して得られたヤーン、或いはこのヤーンを用
いた織物を成形・加熱すると性能の優れたＣＦＲＴＰが
得られることを発見して本件発明を完成させるに至った
。

すなわち本願発明の要旨は微細炭素繊維と熱可塑性樹脂
繊維との混紡ヤーン、或いは当該混紡ヤーンを用いた織
物を、単独又は併用して、所定の形状に成形したのち加
熱、又は加熱とプレスによる成形をともに実施すること
により熱可塑性樹脂繊維を溶融することを特徴とする炭
素繊維補強熱可塑性樹脂成形物の製造方法にある。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明に用いる炭素繊維は微細な繊維径、特に１μｍ以
下であることが好ましい。その理由は炭素繊維は原料、
製造法を問わず、熱可塑性樹脂と比較すれば、はるかに
高弾性であるため、従来の６〜１５μｍの径の炭素繊維
を用いる場合、その弾性率の差により熱可塑性樹脂繊維
と十分にからみ合いにくく、不均一となり易いと同時に
毛羽立ちがおきやすいからである。これに対して繊維径
が］μｍ以下の炭素繊維は単位面積当りの弾性率か高く
とも、微細な繊維は全体として性状がしなやかであるの
で、熱可塑性樹脂繊維との混紡に際してからみ合いも容
易であり、単繊維の集合体であるヤーンの均一性は良好
である。そして炭素繊維の長さは０．１〜５０ｍｍ、直
径は］−μｍ以下が好ましい。

微細な炭素繊維としては特に気相成長法により得られた
ものが好ましい。この製造方法については各種の方法が
提案されており、２，３例を挙げれば特公昭８２−２４
２号、特開昭６１−１３２［ｉ３０号に開示されている
方法による炭素繊維なとも使用可能である。気相成長法
で得られる炭素繊維は、多大なコストをかけて得られる
もの以外は、そのほとんどが繊維径が１μｍ以下であり
、製造条件の選択により直線状のみならず、からみ合い
性のよい形状を任意に得ることができるので本発明の炭
素繊維として好適に使用される。

本発明で用いる熱可塑性樹脂繊維には特に制限かないが
、なかでもナイロン６、ナイロン１１、ナイロン１２、
ナイロン６６、ナイロン６１ｏ１ナイロン６］２などの
ポリアミド類、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチ
レンテレフタレートなどのポリエステル類、ポリビスフ
ェノールＡカーボネートなどのポリカーボネート類、ポ
リアミドイミド、ポリフェニレンスルファイド、ポリフ
ェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリオレフィン、ス
チレン系樹脂、およびアクリル系樹脂などよりなる繊維
か好ましく使用される。

混紡するにあたってはカード機その他通常の紡績方法に
よることができる。但し、紡績するにあたっては一般に
ＩＯ＋ｎ＋ｎ以上、好ましくは２０＋＋ｏｎ以上の繊維
を少くとも一部含むことか望まれているが、この点気相
成長法による繊維はほとんどか］、　ｍｍ以下であり、
単独での紡績は難しい。しかし、本発明では混紡する熱
可塑性樹脂繊維の少くとも一部を１０ｍｍ以上の繊維と
し、それをキャリアとして使用することにより、炭素繊
維はこのキャリアにからみ付く、あるいは挾みこまれる
ようになるので容易に混紡繊維であるヤーンを作ること
ができる。

混紡は例えばナイロン繊維と気相法炭素繊維の場合を例
にとって説明すると次のようにする。まずナイロン繊維
をカード機にかけてナイロン繊維のスライバーを作る。

そしてヘンシェルミキサーによって十分にほぐされた炭
素繊維をサンドイッチ構造になるように両側から前記の
ナイロン繊維のスライバーで挾みこむようにして再びカ
ード機のフィードローラーにからみ込ませて供給する。

こうしてナイロン繊維と炭素繊維のスライバーが出来る
か、−回のカーブ謙ングで炭素繊維のすべてをからみ合
わせることは難しく、残りはからみつく前にアンダーケ
ーシングの網目から落ちてしまう。この場合は十分にほ
くされた新たな炭素繊維の両側に再びサンドイッチ構造
にナイロン繊維と炭素繊維のスライバーで挾み込みカー
デイングする。これを数回繰り返すと、所定量の炭素繊
維を含むナイロン繊維と炭素繊維の混合スライバーを得
ることができる。次にこの混合スライバーを通常のドラ
フトで紡績して混紡ヤーンとする。

このヤーンはこのままでもＣＦＲＴＰに供することがで
きるか、ヤーンを平織、二重織、綾織、朱子織、なと製
織した織物となすことができ、この方が樹脂繊維を溶融
した際、良好なぬれ性を示す高性能な複合祠となる場合
もある。

ヤーンは成形、加熱するとヤーンを構成している熱可塑
性樹脂が溶融して、微細炭素繊維のしなやかさを保持し
た、均一分散性の優れたＣＦＲＴＰとなる。使い方の１
例としてヤーンを一方向に引きそろえ、プレスで樹脂繊
維を加熱溶融することによる炭素繊維を一方向に配向し
たシートとすることもできるし、ヤーンをランダムに配
向させ不織布として加熱溶融したシートも得ることかで
きる。

又、ヤーンや織物を所望の形状にプレス等により成形し
たのぢ、樹脂繊維を加熱、溶融あるいはスタンパブルシ
ートの成形のように加熱とプレスによる成形をともに実
施することにより、ヤーンの方向又は織物の織り方を適
宜選択したものを用いれば任意の方向に炭素繊維を配向
させたＣＦＲＴＰを得ることができる。

炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維の比率は ＣＦＲＴＰにしたときに要求される特性及び紡績時の加
工性から決められるので炭素繊維量の下限には制限がな
く用途に応じて決められる。一方決素繊維量が多いと、
紡績の生産性が低くなると同時にフィラー間に樹脂かい
きわたりにくく、ＣＦＲＴＰの性能を低下させるので総
量中炭素繊維が７０重量％以下が好ましい。

［実　施　例］ 気相成長法にて、ベンゼンを熱分解して炭素繊維を得た
。ヘンシェルミキサーを用い、十分にほぐした後の繊維
は径か００５〜０．８μｍ１長さが５００μｍ以下であ
った。

この炭素繊維３０重量％に対し、ポリアミド６６繊維（
繊度０．２２５デニール）を約３０＋＋ｏｎに切断した
短繊維７０重量％を混合し、カード機により得られたス
ライバーをドラフトにかけ太さ１＋＋ｕ＋＋のヤーンを
得た。

得られたヤーンを１００ｍｍに切断し、金型（］、００
０ｍｍＸ　１００　ｍｍ　Ｘ　３　＋ｎ＋ｎ）に一方向
にそろえて充填後２６０℃でプレスして炭素繊維３０重
量％のポリアミド６６のＣＦＲＴＰを得た。得られたＣ
ＦＲＴＰの評価試験結果を第１表の実施例の欄に示す。

尚第１表の繊維長はサンプルの特性測定後６００℃で焼
いてマトリックスを分解させ残った炭素繊維を顕微鏡で
写真をとり２００本カ程度の平均長さである。

［比　較　例］ 実施例と同様にして得られた炭素繊維３０重量％と形状
２φｍｍ　Ｘ　３　ｍｍのポリアミド６６のペレット７
０重量％をトライブレンドした後、ポツパーに投入しエ
クストルーダーにて２９０℃で混練した。マトリックス
中に炭素繊維かほぼ均一に分散するまで３回の繰り返し
混練が必要であった。その後射出成形機にて成形し、炭
素繊維３０重量％のポリアミド６６のＣＦＲＴＰを得た
。得られたＣＦＲＴＰの評価試験を第１表の比較例の欄
に示す。

第　　　１　　　表 ［発明の効果］ 第１表より明らかなように本発明に係るＣＦＲＴＰは炭
素繊維の分散性か良いのと、繊維の切断、損傷かないの
で、従来のＣＦＲＴＰに比べて優れた特性を有している
。又織物にして使用した場合は織り方の選択により任意
の方向に配向したＣＦＲＴＰを得ることかできる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、微細炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維との混紡ヤーン、
   或いは当該混紡ヤーンを用いた織物を、単独又は併用し
   て、所定の形状に成形したのち加熱、又は加熱とプレス
   による成形をともに実施することにより熱可塑性樹脂繊
   維を溶融することを特徴とする炭素繊維補強熱可塑性樹
   脂成形物の製造方法。 ２、微細炭素繊維は直径１μｍ以下であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の炭素繊維補強熱可塑性
   樹脂成形物の製造方法。