JPH022990B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、耐熱性熱可塑性樹脂をマトリツクス
樹脂とする複合材料の強化材として用いるのに適
したサイズされた炭素繊維及びその製造法並びに
サイズされた炭素繊維を含む組成物に関するもの
である。 （従来技術） 従来、熱可塑性樹脂をマトリツクス樹脂とする
炭素繊維強化複合材料は生産性が高くかつ高性能
なエンジニアリング材料として注目され、その需
要が急激に増加している。 これらに用いられる熱可塑性樹脂としては、ポ
リプロピレン、ポリエチレン等の所謂汎用熱可塑
性樹脂、あるいはポリアミド樹脂、ポリアセター
ル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、飽和ポリエステ
ル樹脂、変性ポリフエニレンオキサイド樹脂等の
所謂エンジニアリング熱可塑性樹脂が一般的であ
る。 しかしながら、近年は耐熱性に優れた耐熱性熱
可塑性樹脂と呼称されるポリエーテルエーテルケ
トン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリエー
テルイミド樹脂、ポリフエニレンサルフアイド樹
脂等が開発されるとともに、従来金属ダイキヤス
ト材料に代替して生産性が高く、金属ダイカスト
材料の耐熱性に匹敵する材料として、これらの耐
熱性熱可塑性樹脂を炭素繊維で強化した材料の開
発が進められている。 熱可塑性樹脂を炭素繊維で強化する場合、適当
な長さ（例えば、３〜10mm）に切断された炭素繊
維束（チヨツプドストランド）を樹脂ペレツトあ
るいは樹脂パウダーとともに押出し機で溶融混練
して、一旦ペレツトとして射出成形・押出し成形
するか、あるいはこれらの樹脂とドライブレンド
した混合物を直接射出成形・押出し成形するのが
一般的である。 他の方法としては、長繊維のまま炭素繊維を樹
脂フイルム、樹脂繊維または樹脂パウダー等とと
もに加熱圧縮成形するなどの方法が採られてい
る。 いずれにしても、このような熱可塑性樹脂と炭
素繊維からなる複合材料の製造においては、炭素
繊維の補強効果を有効なものにするのに必要な炭
素繊維と熱可塑性樹脂との接着性改良のため、ま
た加工性改良を目的に炭素繊維の集束性付与のた
めに炭素繊維をサイズ処理するのが普通である。 ここで述べる加工性とは、長繊維の場合はハン
ドリング性を指し、短繊維の場合は押出し機・射
出成形機への安定供給と押出し機・射出成形機で
の溶融混練時に繊維束が容易に単繊維に分散する
ことを指す。 このようなサイズの機能をもたせるためのサイ
ズ剤の量としては、強化繊維が長繊維の場合は多
くとも２重量％、通常は0.1〜0.5重量％程度のサ
イズ剤を付与するのが一般的である。 一方、単繊維の場合は繊維長にもよるが、通常
0.3〜10重量％程度のサイズ剤を付与するのが一
般的である。 熱可塑性樹脂の強化用炭素繊維のサイズ剤とし
ては、ポリアミド樹脂、変性ポリアミド樹脂、ポ
リウレタン樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹
脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリカーボネイ
ト樹脂などが多く使用されてきた。また耐熱性樹
脂をサイズ剤として使用する例としては、ポリサ
ルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリイ
ミド樹脂なども使用されている。 （従来法における問題点） ポリアミド樹脂、変性ポリアミド樹脂、ポリウ
レタン樹脂、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、
ポリビニルアルコール樹脂、ポリカーボネイト樹
脂などでサイズ処理した炭素繊維を前述の汎用熱
可塑性樹脂あるいはエンジニアリング熱可塑性樹
脂など通常350℃以下の温度で加工される熱可塑
性樹脂に用いる場合には、所規の目的を達成する
ことができる。 しかしながら、通常350℃超の温度で加工され
る熱可塑性樹脂に用いる場合には、次の如き問題
が生じることが判明した。 熱可塑性強化熱可塑性樹脂ペレツトを製造す
る溶融混練時にサイズ剤が分解して生じるガス
のために、押出し機のノズル出口のストランド
の膨れあるいはストランド切れが多発し、ペレ
ツトの安全生産に弊害を及ぼす。 射出成形・押出し成形・圧縮成形時に同様に
分解ガスが発生し、成形機の金型表面に固形物
が付着して成形物の表面外観を悪くして商品価
値を低下せしめる。 ポリエーテルサルホン樹脂・ポリサルホン樹
脂などのように硫黄を含む熱可塑性樹脂を用い
てペレツトを製造する溶融混練時あるいは成形
機内で、サイズ剤とマトリツクス樹脂が反応し
てマトリツクス樹脂に架橋が生じ不融化する。 他のサイズ法として耐熱性の高いポリイミド樹
脂でサイズした場合、ポリイミド樹脂自体が硬く
脆いため、僅かな外力によつてサイズ層が破砕し
て炭素繊維の集束性が損なわれやすいという問題
点を有する。 さらに他の方法として用いる耐熱性樹脂と同じ
樹脂でサイズする方法も考えられる。しかしなが
ら、ポリエーテルエーテルケトン樹脂あるいはポ
リフエニレンサルフアイド樹脂は取扱いの容易な
溶剤は存在しない。 ポリエーテルサルホン樹脂あるいはポリサルホ
ン樹脂などは、塩化メチレンなどの低沸点溶剤で
はゲル化しやすい傾向にあり長時間安定な溶液を
つくりにくい。 またこれらの樹脂は分子中に硫黄を含むためサ
イズ剤として用いて溶融加工する際に硫黄を含む
分解ガスを発生する場合もあり、成形機あるいは
金型を腐蝕するため好ましくない。 （発明の目的） 本発明の目的は、以上の問題を解決し、熱可塑
性樹脂強化用炭素繊維において、集束性に優れ、
しかも成形時の炭素繊維の分散性がよく、耐熱性
に優れた樹脂被覆を有する炭素繊維を提供するに
ある。 特に、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリ
エーテルサルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹
脂、ポリフエニレンサルフアイド樹脂などの耐熱
性熱可塑性樹脂の強化材として優れた炭素繊維を
提供するにある。 他の目的はこのような優れた耐熱性、集束性並
びに分散性を有する強化材炭素繊維を均一性よく
得る方法を提供することにある。 さらに他の目的は、このような炭素繊維を含む
成形用熱可塑性樹脂組成物を提供することにあ
る。 （発明の構成） 本発明は下記のとおりである。 (1) ポリエーテルイミド樹脂でサイズされた炭素
繊維。 (2) ポリエーテルイミド樹脂が下記構造式で示さ
れる化合物である特許請求の範囲１の炭素繊
維。 (3) Ｎ−メチルピロドリンを含む塩化メチレンを
溶剤に用いてポリエーテルイミド樹脂を炭素繊
維に付与し、次いで乾燥することを特徴とする
ポリエーテルイミド樹脂でサイズされた炭素繊
維の製造法。 (4) ポリエーテルイミド樹脂でサイズされた炭素
繊維３〜70重量％と熱可塑性樹脂97〜30重量％
とを含む炭素繊維強化熱可塑性樹脂組成物。 本発明においてポリエーテルイミド樹脂とは、
エーテル結合とイミド結合が規則正しく交互に配
列された非結晶の樹脂であり、国内においては、
エンジニアリングプラスチツクス(株)より『ウルテ
ム』の商標で市販されている。 本発明において用いられている炭素繊維は、通
常知られているポリアクリル系、ピツチ系、レー
ヨン系のものであり、炭素質または黒鉛質いずれ
でもよい。 ポリエーテルイミドサイズ樹脂でサイズされた
炭素繊維は次のようにして得られる。 ポリエーテルイミド樹脂の溶剤としては、塩化
メチレンとＮ−メチルピロドリンの混合溶剤が使
用される。塩化メチレンとＮ−メチルピロドリン
の混合重量比は99〜94／１〜６の範囲とする。 Ｎ−メチルピロドリンが１重量％未満では添加
した効果が顕著ではなく、また、６重量％を超え
ると乾燥に高温・長時間を要する。ポリエーテル
イミド樹脂の濃度は目的のサイズ量により異なる
が、0.5〜10重量％とするのがよい。 塩化メチレンはポリエーテルイミド樹脂の良溶
媒であるが、塩化メチレン単独溶媒にてポリエー
テルイミド樹脂溶液を作り、炭素繊維束に付与す
ると、塩化メチレンは低沸点のためポリエーテル
イミド樹脂が炭素繊維束の表面に集まりやすい傾
向にあり、結果として炭素繊維束への含浸性が悪
く、かつ樹脂溶液の濃度が変動しやすくなるの
で、集束性が良く均一なサイズ処理がされ難い。 一方、Ｎ−メチルピロドリンも、ポリエーテル
イミド樹脂の良溶媒であるが、ポリエーテルイミ
ド樹脂の濃度をあまり上げられないこと、沸点が
高いため単独で使用すると乾燥に高温・長時間を
要する等の欠点を有する。これらの欠点を克服す
るためにＮ−メチルピロリドンを１〜６重量％含
む塩化メチレンを溶媒として使用し、ポリエーテ
ルイミド樹脂溶液を調製する。 炭素繊維にポリエーテルイミド樹脂を付与する
には、ポリエーテルイミド樹脂を塩化メチレンと
Ｎ−メチルピロドリンの混合溶媒に溶かした溶液
に適当なフイラメント数を有する実質的に連続し
た炭素繊維を浸漬、次いで、加熱して脱溶剤す
る。 サイズ量は、0.3〜10重量％、特に３〜８重量
％が好ましい。サイズ量が0.3重量％未満では、
繊維の集束性が悪く、また10重量％を超えると集
束性が強過ぎて炭素繊維の分散が不良となり、成
形物の特性が低下する。 本発明の炭素繊維強化熱可塑性樹脂組成物は、
上記の如くサイズ処理された炭素繊維を３〜70重
量％と熱可塑性樹脂を97〜30重量％含むものであ
る。 炭素繊維が３重量％未満では強化材としての効
果が少なく、70重量％を超えると成形性・機械的
性質が著しく低下するため好ましくない。 ここで炭素繊維は、カツターで適当な長さ０，
３〜50mm、好ましくは３〜10mmに切断したチヨツ
プドフアイバーあるいはロービングタイプのフア
イバーのいずれも使用できる。また熱可塑性樹脂
としては、一般に市販されている各種の樹脂が使
用できるが、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、
ポリエーテルサルホン樹脂、ポリエーテルイミド
樹脂、ポリフエニレンサルフアイド樹脂などの耐
熱性熱可塑性樹脂を用いた場合、効果が著しい。 本発明の樹脂組成物は各成分が均一混合したペ
レツト、ドライブレンドされた混合物、シート状
物あるいはバルクである。 本発明の樹脂組成物は次のようにして成形する
ことができる。 適当な長さ（例えば、３〜10mm）に切断された
炭素繊維束（チヨツプドストランド）を樹脂ペレ
ツトあるいは樹脂パウダーとともに押出し機で溶
融混練して、一旦ペレツトとして射出成形・押出
し成形するか、あるいはこれらの樹脂とドライブ
レンドした混合物を直接射出成形・押出し成形す
るのが一般的である。他の方法としては、長繊維
のまま炭素繊維を樹脂フイルム、樹脂繊維または
樹脂パウダー等とともに加熱圧縮成形するなどの
方法が採られている。 （発明の効果） 本発明に従うと、熱可塑性樹脂強化用炭素繊維
において、集束性に優れ、しかも成形時の炭素繊
維の分散性がよく、耐熱性に優れた樹脂被覆を有
する炭素繊維及び機械特性、加工性、成形性が良
好な炭素繊維強化熱可塑性樹脂を得ることができ
る。 （実施例と比較例） 実施例 １ ポリエーテルイミド樹脂〔エンジニアリングプ
ラスチツクス(株)ウルテム1000〕を塩化メチレンと
Ｎ−メチルピロドリン混合溶剤（重量比96／４）
に溶解して５重量％のポリエーテルイミド樹脂溶
液を調製した。このポリエーテルイミド樹脂溶液
に連続的に、アクリル系炭素繊維ロービング〔東
邦レーヨン(株)ベスフアイトHTA−７−12000、
12000フイラメント〕を浸漬し、次いで135℃の熱
風乾燥炉内で脱溶剤後、カツターで６mm長の炭素
繊維チヨツプドフアイバーを作成した。この場合
のサイズ量は4.5重量％であつた。 このチヨツプドフアイバーを充分に乾燥したポ
リエーテルサルホン樹脂〔三井東圧化学(株)
5003P〕に炭素繊維が30重量％になるように添加
して計10Kgをタンブラーにてドライブレンド後、
40mmベントタイプ押出し機で速度10Kg／hr・温度
370℃で溶融混練してペレツト化した。この場合、
ベント部・ノズル部より発生する分解ガスの量を
肉眼判断した。ノズル詰りによるトラブルは皆無
であつた。 このようにして得られたペレツトを常法により
充分に乾燥後温度370℃、成形サイクルは10秒、
１シヨツトの量は成形機容量の約55％で試験片を
100回射出成形した。金型表面に付着した固形分
を注意深く取り、その量を秤量した。また、この
付着物を赤外分析したところ、ポリエーテルイミ
ド樹脂であつた。また、得られた試験片について
物性を測定した。結果を表１に示す。 比較例 １ 実施例１と同様に、ウレタン変性エポキシ樹脂
〔東都化成(株)アデカレジンEPU−４−75X〕のア
セトン溶液、ポリウレタン樹脂〔大日本インキ化
学工業(株)クリスボン6246SL〕のメチル・エチル
ケトン溶液を用いて、炭素繊維をサイズ処理して
サイズ量4.5重量％、６mm長のチヨツプドフアイ
バーを作成し、ポリエーテルイミド樹脂とともに
溶融混練して、炭素繊維含有率30重量％、長さ３
mmのペレツトを作成した。この場合、ベント部、
ノズル部より発生する分解ガスの量を肉眼判断し
た。 また、この時ノズル部で詰りが発生した。 このようにして得られたペレツトを常法により
充分に乾燥後温度370℃、成形サイクルは10秒、
１シヨツトの量は成形機容量の約55％で試験片を
100回射出成形した。金型表面に付着した固形分
を注意深く取り、その量を秤量した。付着物を赤
外分析したところ、ウレタン変性エポキシ樹脂で
サイズした炭素繊維を用いた場合はウレタン変性
エポキシ樹脂が主成分、ポリウレタン樹脂でサイ
ズした炭素繊維を用いた場合はポリウレタン樹脂
が主成分であつた。また、得られた試験片につい
て物性を測定した。結果を表１に併記する。 【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ポリエーテルイミド樹脂でサイズされた炭素
   繊維。 ２ ポリエーテルイミド樹脂が下記構造式で示さ
   れる化合物である特許請求の範囲１の炭素繊維。 ３ Ｎ−メチルピロドリンを含む塩化メチレンを
   溶剤に用いてポリエーテルイミド樹脂を炭素繊維
   に付与し、次いで乾燥することを特徴とするポリ
   エーテルイミド樹脂でサイズされた炭素繊維の製
   造法。 ４ ポリエーテルイミド樹脂でサイズされた炭素
   繊維３〜70重量％と熱可塑性樹脂97〜30重量％と
   を含む炭素繊維強化熱可塑性樹脂組成物。