JPH02192444A - 炭素繊維強化プラスチックの製造方法およびそれに用いるペレット - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は強度および耐衝撃性に優れた炭素繊維強化プラ
スチックの製造方法およびその製造に用いるペレットに
関する。

本発明はインジェクション成形やトランスファー成形の
際に、従来の方法では補強用の炭素繊維が雉く切断され
、成形品の強度や耐衝撃性が十分に改良されない欠点を
改善するものである。

本発明の製造方法によれば、マトリックス樹脂の中での
補強用繊維の分散が良く、強い剪断を与えなくても均一
な成形品が得られるため、補強用繊維の切断が少なく、
その結果として優れた補強効果が得られている。

本発明のペレットは、その製造時には殆ど繊維の損傷を
受けておらず、しかも混合不十分などの理由による、繊
維の凝集は殆ど生じていない。

本発明の製造方法による炭素繊維強化プラスチックは優
れた機械的性質のほか、寸法安定性、少ないクリープ、
低い熱膨張、高い熱変形温度、優れた潤滑性、かなり大
きい電気伝導度、制電性能、電磁波遮蔽能等を有してお
り、機械部品、とくに寸法精度の要求されるもの、ベア
リング、シール、ガスゲット、パツキン類のような摺動
特性を要求されるもの、あるいは自己潤滑性を要求され
るもの、電子機器のケーシング類、除電機能を有するコ
ンテナー等に用いることが出来る。

（ロ）従来の技術 不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹
脂をマトリックスとする繊維強化プラスチックは、熱硬
化性樹脂を含浸した繊維をマンドレルに巻き付けて硬化
させるフィラメントワインディング法や、熱硬化性樹脂
を含浸した布を型の上に適宜の枚数重ねて静置、もしく
は加圧して硬化するハンドレイアップ法等により成形さ
れる。

これらの成形法は補強用繊維を損傷することが少なく、
強度および耐衝撃性の優れた成形品を得ることが出来る
が、フィラメントワイ・ンディング法は成形できる形状
に制限があり、ハンドレイアップ法は人手が掛かり生産
性が低い欠点を有している。また両者とも加工精度をそ
れほど高めることが出来ない欠点を有している。

このような欠点を解決するため、熱硬化性樹脂と強化用
繊維のチョツプドストランドもしくはミルドファイバー
を混練し、適当な大きさに切断したものを原料として、
インジェクション成形もしくはトランスファー成形する
ことが行われる。この方法は確かに生産性が良く、寸法
精度も良好であるが、混練の際に強化用繊維が短く切断
されるため、十分な強化効果を発揮していない問題を有
する。

このような問題の解決のために、強化用繊維のマット状
物に熱硬化性樹脂を含浸し、これをプレスのような強力
な成形機で成形するＳＭＣ法、８ＭＣ法が行われる。こ
の方法は確かに生産性が良く、寸法精度も良好であるが
、強力な成形機と丈夫な金型を必要とするため、同一の
成形品を多量に生産しないとコスト高になる欠点があり
、また成形品の形状にもかなりの制限がある。

また数ｌ角に切断した布や紙を熱硬化性樹脂に混合して
成形することも、古くから知られているが、成形材料の
流動性が乏しくなるため、布や紙の構造が破壊され、更
には繊維の切断粉砕が生じるため、繊維質の物の大量混
合は困難と考えられて来た。

ポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィン等の熱可塑
性樹脂をマトリックスとする繊維強化プラスチックは、
従来強ｆヒ用繊維を混合したペレット等の成形原料を用
い、インジェクション成形等の方法により、成形されて
いる。

成形原料の製造方法としては、（１）適当な長さに切断
した繊維と粉末、もしくは粒状の樹脂とを単に機械的に
混きする方法、（２）樹脂を溶剤に溶解もしくは懸濁し
、それに切断した繊維を添加して撹拌しながら溶剤を除
去する方法、（３）樹脂を溶剤に溶解もしくは懸濁し、
これに長繊維を連続的に浸漬し、溶剤を乾燥除去した後
、切断する方法、（４）適当な長さに切断した強化用繊
維と粉末若しくは粒状の樹脂を混合し、押出成形機によ
り押し出し、切断する方法、（５）樹脂を押出成形機に
より可塑化溶融し、熔融物の吐出側に長繊維を連続的に
導入し、繊維に樹脂熔融物を浸透させ、押し出し、これ
を切断する方法等が知られている。

しかしく１）、（２）の方法によるときは成形原料自体
の嵩高さから、成形が困難で、極端な場合には強化用繊
維が凝集して、期待した性能が得られないことがある。

（３）の方法によるときは、通常使用する溶剤を回収す
る必要があり、装置が巨大化して、小規模の生産が困難
である欠点がある。（４）の方法によるときは、繊維の
凝集を防ぐために強い混練を必要とするため、押出機内
での繊維の切断粉砕を防止することが困難である欠点が
ある。

（５）は繊維の切断粉砕に対しては好ましいが、繊維と
樹脂の密着性が劣り、ペレット状に切断する際に両者が
分離して、成形性の良いペレ・ントが得られないことが
多い。

これらの問題の解決のために、特公昭４３−７４４８号
にはガラス長繊維をあらかじめマトリックスとなる樹脂
の溶液に含浸し、溶剤を乾燥した後、可塑化溶融したマ
トリックス樹脂の吐出側に導入し、繊維に樹脂を被覆し
て押し出し、切断してペレット化する技術を開示してい
る。この技術は確かに成形性の良いペレットを効率良く
製造するには優れた方法であるが、使用する溶剤の回収
に大きな設備を必要とし、コスト的には問題が多い。

また特公昭４４−１６７９３号には、ガラス繊維を紐状
の形態を保ったままで、押出機のスクリューの溝を通し
て押し出し、ペレット化する方法が開示されている。こ
の方法は確かに繊維をあまり切断しない利点を有するが
、やはり繊維と樹脂の密着性が不良である。

また特公昭４４−２５９１１号には、樹脂の湿度よりも
高温に予熱したガラス短繊維をロータリーフィーダーを
用いて強制的に押出機のホッパーに供給し、混練する方
法である。この方法はガラス短繊維が樹脂のペレットを
軟化させて表面に付着するため、繊維の分散が良く、繊
維の切断が少ない利点があるが、繊維の含有率が大きく
なると繊維の凝集塊が急に発生し易くなるため、概して
繊維含有率の大きいものが作り難い欠点を有する。

このような従来技術の問題のうち、繊維の切断、粉砕お
よびａＳ塊の発生は、ガラス繊維よりも炭素繊維の方が
発生頻度が高く、炭素繊維のコストが高いこととあいま
って、利用の拡大の有力な阻害要因となっている。

（ハ）発明が解決しようとする課題 本発明はインジェクション成形、トランスファー成形の
ような高能率、高精度の成形法により、炭素繊維強化プ
ラスチックを成形する際に、発生する強化繊維の粉砕切
断により補強効果が乏しくなる問題を解決することを目
的とする。

１ａ維強化プラスチックの成形に際し、強化繊維の粉砕
切断が生じる問題は、ガラス繊維を強化繊維とする場合
でも発生する。しかし炭素繊維に比べれば伸度が大きく
、また金属に対する摩擦係数が高いため、混線時に分散
し易いことから、好適条件を選べば繊維の損傷はそれは
ど原著ではない。

ところが炭素繊維の場合には、混練時の繊維の分散が不
良で、強い剪断を与えないと十分な分散状態に到達しな
い。

通常の強化繊維の場合には、例えばガラス繊維のように
サイジング剤により集束した長繊維を切断したまま、開
繊せずに用いることが従来から行われている。しかし炭
素繊維の場合には、サイジング剤でしっかり集束すると
ｖＡｌｌ’ｌとの混練効果が不良になり、サイジング効
果が不足すると成形用ペレットから繊維が脱落して、成
形機の中に滞留し、凝集塊を生成する問題がある。しつ
かり集束した繊維を使用すると、混練時の剪断を強くす
る必要が生じ、繊維の損傷を避けることが困難であった
。

（ニ）課題を解決する手段 本発明はメルトブロー紡糸したピッチ繊維を炭化して得
た炭素繊維のマット状物に、熱可塑性樹脂もしくは熱硬
化性樹脂を含浸した後、各辺が５０１以下の四角形に切
断してペレットとし、該ペレットを型中に圧入して成形
することを特徴とする炭素繊維強化プラスチックの製造
方法、およびその製造方法に用いるペレットである。

本発明の好ましい実施態様の一つはメルトブロー紡糸し
たピッチ繊維を炭化して得た炭素繊維のマット状物に、
熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂のシート状物を積層
した後含浸し、該複合シート状物を各辺が５０＋＋ｍ以
下の四角形に切断してペレットとし、該ペレットを型中
に圧入して成形する炭素繊維強化プラスチックの製造方
法である。

また本発明の好ましい実施態様の別の１つは、メルトブ
ロー紡糸したピッチ繊維を炭化して得た炭素繊維のマッ
ト状物に、熱硬化性樹脂を含浸したシート状物を積層し
、該複合シート状物を各辺が５０ｍｍ以下の四角形に切
断してペレットとし、該ペレットを型中に圧入して成形
する炭素繊維強化プラスチックの製造方法である。

本発明において使用されるピッチ繊維は、好ましくはメ
ソフェースピッチから製造されるものである。このピッ
チ繊維から得られる炭素繊維は、強度、弾性率が高く、
強化繊維として優れた性能を示す、このピッチ繊維はメ
ル）・ブロー紡糸した後、マット状に採取し、不融化、
炭化処理を行い炭素繊維としたものである。メルトブロ
ー紡糸とは、紡糸孔の近傍から噴出する気流によって牽
弓することにより、紡糸液を繊維化する方法である。

紡糸口金の構造上の特徴により、２種類の方法に区分さ
れている。

その一つは管状の吐出孔から紡糸液を押し出し、該吐出
孔の周囲から気流を噴出させ、紡糸液を引き伸ばして固
１ヒし、繊維とするものである。もう一つの方法は、楔
状の断面を持ち、該楔状の先端部に一列ないし数列の紡
糸孔を有する紡糸口金を用い、紡糸孔列の両側に設けた
スリットから高温の気体を噴出させ、紡糸液を引き伸ば
して固化し、繊維とするものである。

メルトブロー法によるピッチの溶融紡糸においては、溶
融ピッチの温度は、好ましくはピッチの軟化点よりも１
０〜７０℃高温にし、紡糸孔の周辺から噴出させる気体
の温度は、好ましくは溶融ピッチの温度とほぼ同温度な
いし２００℃高い温度にする。紡糸孔の周辺から噴出さ
せる気体は、好ましくは空気、水蒸気もしくは燃焼廃ガ
スであり、流速は該気体の吐出孔で測定して、好ましく
は音速の０．１〜１倍である。

紡出したピッチ繊維は、引き続き多孔質ベルＩ・上に採
取する。繊維の採取に当たってはベルトの背面から吸引
することが好ましく、ベルト近傍への繊維の移送には紡
糸孔の周辺から噴出する気体の利用が好ましい、この際
に補助的にアスピレータ−等を使用することも可能であ
る。多孔質ベルト上に採取する場合、比較的均一なマッ
ト状の形態に成形出来る利点があり、とくに極めて脆い
ピッチ繊維に力を掛けずに取り扱える利点がある。ピッ
チｗｔｖｉのマットはベルトに載せたまま不融化、炭化
を行うことが出来る。得られた炭素繊維のマットはその
まま、もしくは絡合処理や接着処理を行つて不織布とし
た後、樹脂との積層を行う。

メルトブロー紡糸した繊維のマットを用いる利点は、第
一に繊維の末端が事実上存在しないか、あるいはマット
内にランダムに存在することである。このことにより繊
維の末端がペレットの表面以外には存在せず、成形品の
中に局部的に繊維の末端が集中することにより、その箇
所が弱点になることが少なくなる。またこの繊維は従来
の炭素繊維と異なり、繊維のかなりの割合が直線状でな
い形状を有している。この形状により繊維の間隙が密着
し難く、繊維強化プラスチックに使用する場合には、樹
脂が含浸し易く、また繊維が分散し易い利点を有する。

このような形態的特徴から、従来の炭素繊維と比べて弱
い剪断によって、樹脂の中に繊維を分散させることが可
能である。

メルトブロー紡糸した繊維は、従来のピッチ繊維と比べ
て簡易な紡糸装置を使用するため、低コストであり、ま
た繊維が気流に浮遊した形で生成するため、マット状の
形態で採取することが容易である利点を有する０本発明
の製造方法では、このようなピッチ繊維のマット状物を
原料とすることにより、従来の炭素繊維強化プラスチッ
クよりも低コスＩ・の成形品を得ることが出来る。

本発明において、メルトブロー紡糸した１！維は好まし
くは連続した長繊維でなく、紡糸工程で自然に切断した
、不定長の短繊維である。この不定長の■繊維は繊維長
数輪論から数十Ｃ論の、概して広い繊維長分布を有する
ものである。連続した長繊維よりも不定長の短繊維の場
合には、気流によって集束され難く、マットとじて均一
な含浸に有利な構造を形成する傾向がある。

本発明ではこのような炭素繊維のマット状物に、熱可塑
性樹脂もしくは熱硬化性樹脂を含浸し、該複合シート状
物を各辺が５０ｍｍ以下の四角形に切断してペレットと
する。ペレットが大きい場合、成形時に予熱段階で大き
な変形を受けるようになるため、この際に繊維が損傷さ
れ易い、また小さすぎる場合、繊維の長さが短くなるの
で好ましくない、四角形としては長方形、平行四辺形、
不等辺の四角形等も可能であるが、正方形に近いものが
好ましい。

含浸する熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂は好ましく
はシート状の形で炭素繊維のマット状物−枚もしくは多
数枚と積層した後、要すれば樹脂が流動する温度に加熱
して含浸する。熱硬化性樹脂の場合には含浸に強い力を
必要としないものがあり、この場合には含浸した後積層
することが出来る。

積層もしくは含浸を行うに当たっては、加圧、減圧ある
いはこれらの組み合わせ、あるいはこれらの繰り返しを
行えば良い、従来の炭素繊維の不織布等では、繊維の間
隙に樹脂が入り難い問題があったが、本発明の場合その
ような問題は比較的少ない。また従来の炭素繊維の紙の
場合には、繊維長が元来短いうえ、加工工程が一つ増加
し、コスＩ・的に不利な問題がある。

（ホ）作用 本発明は炭素繊維強化プラスチックをインジェクション
成形もしくはトランスファー成形により成形する際に、
炭素繊維が切断されることにより、補強効果が低減する
問題を解決することを目的とする。

炭素繊維の切断は、最終の成形段階でも発生しているが
、最も激しいのは成形用ペレットを製造する段階での、
混線によるものである０本発明はこの混線工程を実質的
に省略することにより、繊維の切断を防止したものであ
る。

混練工程を省略したといっても、樹脂とｗＩ維の混合状
態が不良であっては、繊維の補強効果を期待出来ない、
メルトブロー紡糸によって製造した炭素１Ｍ維の場合、
従来の炭素繊維と異なり、繊維に曲がりや捲縮が存在し
、繊維の間隙に樹脂が入り込み易い形態を有している。

このため樹脂に強い剪断を与えなくても、単に高圧を掛
けて流し込んだり、真空により繊維間の空気を除去する
だけで、樹脂と繊維が均一に混合するようになる。

（へ）実施例 次に本発明を実施例により、さらに詳細かつ具体的に説
明する。

実施例　１ メソフェースピッチから製造した、平均１１１１ｆｆ直
径１０．５ｐｌ、比ｆｉ１．８５、引っ張り強度１４０
ｋｇｆ／＋ｕａ２、引っ張り弾性率ｉ２．８．１０コｋ
ｇｆ／＋ｓｍ２、伸度１．０１％の炭素繊維の不定長短
繊維からなる、目付Ｂｏｌｌ／ＩＩ２のマット９枚と、
ナイロン６の厚さ１３０μ量のフィルム１０枚を交互に
積層し、２７０℃に加熱したプレスに挟んで８分間余熱
後、圧力１００ｋｇｆ／ｃ＋ｅ”で２分間加圧して、厚
さ約１．８１の？［板を得た。得られた債層板の繊維含
有率は約３０ｗｔ％であった。

この積層板を４ｍｍ角に切断してペレットを作った。ペ
レットを水分率０．０９％になるように乾燥した後、イ
ンジェクション成形を行った。シリンダー温度２）０℃
、スクリュー回転数６ＯＲＰＭ、金型温度８２℃、成形
周期５５秒であった。

得られた成形品の性能を繊維強化しないもの、ミルドフ
ァイバーで強化したものと比較した紡毛を表１に示す。

表１　炭素繊＆ｉｉ強化ナイロンの性能実施例　２ 実施例１のナイロンフィルムの代わりに、厚さ１２０−
のＰＢＴフィルムを用いたところ、実施例１と同様に補
強効果が優れた成形品が得られた。

実施例　３ 実施例１のナイロンフィルムの代わりに、ポリプロピレ
ンフィルム、ＡＢＳｔｌ脂フィルムを用いたところ実施
例１と同様に補強効果が優れた成形品が得られた。

実施例　４ 実施例１のナイロンフィルムの代わりに、熱硬化性ビニ
ルエステル樹脂く昭和高分子製Ｒ５−７０３０）１００
部、エポキシアクリレート系増粘剤（昭和高分子製　リ
ポキシＬ）６部、ステアリン酸亜鉛０．５部、過酸化ベ
ンゾイル１部の混合液をガラス板上に流して２０℃で２
４時間放置し、シート状物を得た。このシートに実施例
１と同様の炭素繊維マットを積層し、加圧して厚さ約２
１のシート状物を得た。

これを４ｍｍ角に切断して成形用ペレットとした。

このペレットを用いて、金型温度１６５℃でインジェク
ション成形を行ったところ、良好な機械的、電気的性質
を示した。

実施例　５ 実施例１の炭素繊維マットにエポキシ樹脂モノマー（シ
ェル社製エピコート８２８）　１００部、硬化剤（シェ
ル社製エビキュアｚ）２０部、アセＩ・ン６．７部の混
合物を、繊維重量の２．５倍量含浸した後、室温で５時
間乾燥し、これを６枚Ｔ？１層して８０℃で６０分間加
圧硬化させシート状物を得た。これを３＋＋ｎ角に切断
して成形用ペレットとした。

このペレットを用いて、金型温度１５０℃でインジェク
ション成形を行ったところ、良好な機械的、電気的性質
を示した。

（ト）発明の効果 本発明は強度および耐衝撃性に優れた炭素繊維強化プラ
スチックの製造方法およびその製造に用いるペレットに
関する。

本発明はインジェクション成形やトランスファー成形の
際に、従来の方法では補強用の炭素繊維が短く切断され
、成形品の強度や耐衝撃性が十分に改良されない欠点を
改善するものである。

本発明の製造方法によれば、マトリックス樹脂の中での
補強用繊維の分散が良く、強い剪断を与えなくても均一
な成形品が得られるため、補強用繊維の切断が少なく、
その結果として優れた補強効果が得られている。

本発明のペレットは、その製造時には殆ど繊維の損傷を
受けておらず、しかも混合不十分などの理由による、繊
維の凝集は殆ど生じていない。

本発明の製造方法による炭素繊維強化プラスチックは優
れた機械的性質のほか、寸法安定性、少ないクリープ、
低い熱膨張、高い熱変形温度、優れた潤滑性、かなり大
きい電気伝導度、制電性能、電磁波遮蔽能等を有してお
り、機械部品、とくに寸法精度の要求されるもの、ベア
リング、シール、ガスケット、パツキン類のような摺動
特性を要求されるもの、あるいは自己潤滑性を要求され
るもの、電子機器のケーシング厘、除電機能を有するコ
ンテナー等に用いることが出来るゆ 以上

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）メルトブロー紡糸したピッチ繊維を炭化して得た
   炭素繊維のマット状物に熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性
   樹脂を含浸した後、各辺が５０ｍｍ以下の四角形に切断
   してペレットとし、該ペレットを型中に圧入して成形す
   ることを特徴とする炭素繊維強化プラスチックの製造方
   法。
2. （２）請求項１記載のペレットが、メルトブロー紡糸し
   たピッチ繊維を炭化して得た炭素繊維のマット状物に、
   熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂のシート状物を積層
   した後含浸し、切断したものであることを特徴とする炭
   素繊維強化プラスチックの製造方法。
3. （３）請求項１記載のペレットが、メルトブロー紡糸し
   たピッチ繊維を炭化して得た炭素繊維のマット状物に、
   熱硬化性樹脂を含浸したシート状物を、積層した後、切
   断したものであることを特徴とする炭素繊維強化プラス
   チックの製造方法。
4. （４）請求項１ないし３のいずれか一に記載のピッチ繊
   維がメソフェースピッチから製造されるものである、炭
   素繊維強化プラスチックの製造方法。
5. （５）請求項１ないし４のいずれか一に記載の繊維強化
   プラスチックの製造方法に用いるペレット。