JPH0434087A - 炭素繊維及びそれを用いた炭素繊維強化樹脂組成物 - 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、炭素繊維及びその炭素繊維を主鎖骨格にアミ
ド基を有する熱可塑性樹脂に配合してなる炭素繊維強化
樹脂組成物に関する。

［従来の技術］ 近年炭素繊維を各種のマトリックスに混合、分散してな
る繊維強化樹脂組成物は、高強度、高剛性、低比重、高
耐摩耗性などの機械的特性が評価され工業的に重要な材
料として注目されている。

炭素繊維強化樹脂複合材では樹脂と炭素繊維の界面の接
着強度が複合材の機械的強度に影響してくることが知ら
れている。特に炭素繊維が数十ＩＪｍから数ｍｍの長さ
の短繊維として樹脂中に分散している場合、界面接着力
が小さいと複合材強度は顕著に低下する。この界面接着
力を向上させるため炭素繊維表面をカップリング剤で処
理したり、接着性の良好な樹脂で被覆することが試みら
れてきた。

一方、樹脂を被覆した炭素繊維とマトリックス樹脂との
接着力は同じ樹脂を被覆した場合でもマトリックス樹脂
の種類によって異なるので各マトリックス樹脂に適した
被覆樹脂の開発が進められている。ポリアミド樹脂をマ
トリックスとする場合、ポリアミド樹脂で被覆した炭素
繊維によりマトリックスとの接着性の向上を図ったり（
特公昭６２　７２２５号公報）、エポキシ樹脂とシラン
系カップリング剤の混合物で被覆しマトリックスとの接
着改良を試みた例がある。（特開昭６０−５３５４４号
公報）。

また一般にサイジング剤と呼ばれる繊維表面処理用の樹
脂は繊維束を集束し、繊維束の切断、計量等の作業性を
向上させる役割も担っている。

サイジング剤を炭素繊維に被覆するサイジング工程では
、サイジング剤を水や有機溶剤に溶解または乳化分散し
液状にして、その液に炭素繊維を含浸後、溶媒を除去す
る方法が採られている。この工程において有機溶媒を使
用すると、作業環境の悪化を招いたり、溶剤回収設備の
設置が必要になるなどの不利益が生じるので、水溶液ま
たは水分散系のサイジング剤が製造上容易で好ましい。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のサイジング剤は界面の接着性の向
上、集束性、容易なサイジング工程等のサイジング剤に
対する種々の要求を満足させていなかった。

［課題を解決するための手段］ そこで、本発明者等はかかる従来の課題を解決すべく鋭
意検討した結果、特定の組成からなる重合物で被覆した
炭素繊維を用いると、集束性が良好でしかもかかる炭素
繊維で強化した樹脂複合材の強度を高めることが出来る
ことを見いだし、本発明に到達した。

即ち、本発明の目的は集束性が良好でかつ高強度を発現
する樹脂組成物を与える樹脂強化用炭素繊維及びそれを
用いた炭素繊維強化樹脂組成物を提供することにある。

そしてその目的は、 ジアミン化合物、ジカルボン酸化合物及び下記一般式（
Ｉ）で示されるグリシジル化ポリアルキレンオキシド誘
導体からなる共重合体であって、該ポリアルキレンオキ
シド誘導体をモノマー組成として１０〜５０重量％含ん
でなる共重合物で炭素繊維の表面が被覆されていること
を特徴とする樹脂強化用炭素繊維、 （式中Ｒ１はＨまたは炭素数２０以下のアルキル基、Ｒ
２はＨまたはＣＨ３、ｎは１〜４０の整数をを表わす。

）および ジアミン化合物、ジカルボン酸化合物及び下記一般式（
Ｉ）で示されるグリシジル化ポリアルキレンオキシド誘
導体からなる共重合体であって、該ポリアルキレンオキ
シド誘導体を七ツマー組成として１０〜５０重量％含ん
でなる共重合物で炭素繊維の表面が被覆された炭素繊維
１〜５０重量部を熱可塑性樹脂１００重量部に対して配
合したことを特徴とする炭素繊維強化樹脂組成物、 （式中Ｒ１はＨまたは炭素数２０以下のアルキル基、Ｒ
２はＨまたはＣＨ３、ｎは１〜４０の整数を表わす。）
により容易に達成される。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明では炭素繊維として、従来公知の種々の炭素繊維
が使用でき、具体的にはポリアクリロニトリル系、ピッ
チ系、レーヨン系等の炭素繊維が挙げられる。

被覆に使用する重合物としてはジアミン、ジカルボン酸
とグリシジル化ポリアルキレンオキシド誘導体の共重合
体である。ジアミン化合物とじては一般式（ＩＩ）で示
される化合物であって、好ましくはＲ３が炭素数１５以
下のアルキル基、およびその誘導体からなるものである
。具体的にはエチレンジアミン、テトラメチレンジアミ
ン、ヘキサメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン
、デカメチレンジアミンやそのメチル化、エチル化、７
１０ゲン化物等の誘導体が挙げられる。

ＨボーＲ３−ＮＨ２（ＩＩ　） ジカルボン酸化合物としては一般式（ＩＩＩ）で示され
る化合物であって、好ましくＲ４が炭素数１５以下のア
ルキル基、単核または２核芳香族環及びこれらの誘導体
からなるものである。具体的にはコ／）り酸、グルタル
酸、アジピン酸、ピメリン酸、スペリン酸、アゼライン
酸、セバシン酸およびそのメチル化、エチル化、ハロゲ
ン化物等の誘導体や、テレフタル酸、イソフタル酸、２
，６−ナフタレンジカルボン酸等の芳香族ジカルボン酸
が挙げられる。

ＨＯＯＣ−Ｒ４−ＣＯＯＨ（ＩＩＩ） 一般式（Ｉ）で示されるグリシジル化ポリアルキレンオ
キシド誘導体は、片末端にグリシジル基を有するエチレ
ンオキシド、プロピレンオキシドの付加反応生成物のア
ルキルエーテルでありｎは１〜４０、好ましくは５〜２
０、Ｒ１は炭素数２０以下のアルキル基であるものが挙
げられる。具体的には、ポリオキシレンラウリルグリシ
ジルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルグリシジル
エーテル等が挙げられる。

モノマー組成比は混合物がほぼ完全に重合し適当な分子
量のポリマーが得られる範囲において決定されるが、グ
リシジル化ポリアルキレンオキシド誘導体の含有率は、
１０〜５０重量％。好ましくは３０〜５０重量％の範囲
とするのがよい。含有率が高すぎると炭素繊維束の集束
性が低下し、また含有率が低すぎると複合材強度が低下
し、しかも重合体の水溶性が失われるため炭素繊維への
被覆工程が煩雑なものとなる。

通常炭素繊維は数千本から数万本の単糸を束ねたストラ
ンドとして用い、これを樹脂により集束して取り扱い性
を向上させたり、樹脂に配合し複合材としたときの特性
向上を図っている。

得られた重合物の炭素繊維表面への付着法に制約はない
が水溶液とし炭素繊維束を含浸する方法が実用的である
。水溶液の濃度は炭素繊維に被覆する重合物の量が所望
するレベルとなるよう設定すれば良い。炭素繊維に付着
する重合物の量としては、０．５〜２０重量％、好まし
くは２〜１０重量％である。被覆量が少ないと、集束剤
による複合材特性向上の効果がみられなかったり、炭素
繊維の集束性が不十分だったりする。また、付着量が多
すぎると、かえって複合材物性が低下したり、集束後の
炭素繊維ストランドの取扱い性が低下したりする。該ポ
リマー水溶液に含浸した炭素繊維ストランドは赤外線、
熱風等によって乾燥されるが、乾燥温度は集束剤の分解
が起こらないよう３００°Ｃ以下とする事が好ましい。

乾燥し集束された炭素繊維束は、樹脂との配合を容易に
するため１〜２０ｍｍ好ましくは３〜１０ｍｍにカット
する（カットされた炭素繊維ストランドをチョップスト
ランドと呼ぶ。）。

本発明の炭素繊維束は集束性に優れ、これを樹脂に配合
し用いると機械的強度向上の効果を発揮する。

次にかかる炭素繊維を強化材として用いる繊維強化樹脂
組成物について説明する。

マトリックス樹脂としては、６，６−ナイロン、４゜６
−ナイロン、６，１０−ナイロン、６−ナイロン、１２
ナイロンなど主鎖骨格にアミド基を有する熱可塑性樹脂
が用いられる。炭素繊維とマトリックス樹脂の配合割合
は、熱可塑性樹脂１００重量部に対して、炭素繊維を１
〜５０重量部、好ましくは、５〜４０重量部の範囲であ
る。炭素繊維の配合量が１重量部未満では炭素繊維の補
強効果が発揮されず、また５０重量部を越えるとマトリ
ックス樹脂への混合、分散の工程に於て種々の問題が発
生しゃすい。

また、この様なマトリックス樹脂と本発明の炭素繊維と
の配合方法としては特に限定されるものではないが、通
常−軸押し出し機、二軸押し出し機、プレス機、高速ミ
キサー、射出成形機、引き抜き成形機等の方法により行
われる。更に、上記成分以外に本発明の効果を損なわな
い程度に例えば、他種炭素繊維、ガラス繊維、アラミド
繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維等の短繊維及び長繊
維、ホイスカー類、これらにニッケル、アルミニウム、
銅などの金属をコーティングした繊維あるいは金属繊維
などの繊維状強化材類、あるいはカーボンブラック、二
硫化モリブデン、マイカ、タルク、炭酸カルシウムなど
のフィラー類からなる強化材、安定剤、滑剤、その他添
加剤などを加えることが出来る。

［実施例］ 次に実施例により本発明を更に詳細に説明する。尚、各
物性は次のようにして測定した。

成形品引張強度：　ＡＳＴＭ法　Ｄ６３８チョップトス
トランド嵩密度： チョップトストランド約３０ｇを秤量後その約ｌ／３ス
つを順次２００ｍ１のメスシリンダー中に入れ、チョッ
プトストランドをメスシリンダーに入れる都度５ｃｍの
高さからメスシリンダーを１０回落下させ、全量充填し
終わったらその体積を読みとる。

チョップトストランドの重量（Ｗ）と充填後の体積（Ｖ
）から嵩密度（ｄ）を次式で計算する。

ｄ＝ｖ／ｗ 実施例１ （Ａ）サイジング剤の調製 ヘキサメチレンジアミン２９重量部、アジピン酸３６重
量部、ポリオキシエチレンラウリルグリシジルエーテル
（分子量的７００　）　３５重量部を加え窒素置換後２
２０°Ｃに加熱、脱水しながらこれらのモノマーを重合
せしめポリマーを得た。このポリマーの水溶液を調製し
炭素繊維束の含浸用サイジング剤液として使用した。

（Ｂ）チョップトストランドの製造 ピッチ炭素繊維（″ダイアリード”　Ｋ２２３、三菱化
成株製）連続糸６０００本フィラメントを、前記ポリマ
ー４％水溶液中に含浸させた後、約１２０°Ｃで２０分
間加熱乾燥し、更に切断機で６ｍｍ長のチョップトスト
ランドを製造した。得られたチョップトストランドのポ
リマー付着量と嵩密度の値を比較例１〜４とともに表１
に示す。

（Ｃ）炭素短繊維強化樹脂成形体の製造あらかじめ乾燥
した２０重量部の前記チョップトストランドと６，６−
ナイロン樹脂“パンダイン′”（米国モンサントコンパ
ニー製）１００重量部のベレットをトライブレンドした
後、スクリュー押し出し機に投入、溶融混合し、押し出
し物を水冷後ペレット状に切断した。この様にして得ら
れた炭素繊維配合樹脂材料を１２０°０５時間乾燥した
後、射出成形機にて成形し試験片を得て引張強度を測定
した。比較例１〜４とともに測定結果を表１に示す。

比較例１ 実施例１のサイジング剤水溶液の代わりにα−（Ｎ、Ｎ
−ジメチルアミノ）−６−カプロラクタム重合体の水溶
液を用いた他は実施例１と同様に試験を行った。

比較例２ 実施例１のサイジング剤水溶液の代わりにポリエチレン
グリコール（分子量５００００　）の水溶液サイジング
剤を使用した他は実施例１と同様の方法で試験片を製造
し、試験した。

比較例３ 実施例１のサイジング剤水溶液の代わりにビスフェノー
ルＡタイプエポキシ樹脂の末端をアクリル酸エステル化
したエポキシアクリレート樹脂のエマルジョンをサイジ
ング剤として使用した他は実施例１と同様の方法で試験
片を製造し、試験した。

比較例４ 実施例１のサイジング剤水溶液の代わりにエポキシ樹脂
“エピコート”８３４　（シェル化学■製）６０重量部
と“エピコート”１００４　（シェル化学■製）４０重
量部との混合物の水乳化系サイジング剤を使用した他は
実施例１と同様の方法でチョップトストランドを製造し
た。このチョップトストランドを６，６−ナイロン樹脂
ペレットと混合しスクリュー押し出し機に投入したが溶
融樹脂の粘度上昇が起こり、混線中にスクリュー回転が
停止してしまい、了できなかった。

表−１ 混線を完 ［発明の効果］ 本発明の樹脂被覆炭素繊維およびその繊維を配合したア
ミド系樹脂複合材は従来の炭素繊維から得られるアミド
系樹脂複合材に比べ機械的強度を大幅に向上させる効果
を有し、工業上極めて有用である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ジアミン化合物、ジカルボン酸化合物及び下記一
   般式（ I ）で示されるグリシジル化ポリアルキレンオ
   キシド誘導体からなる共重合物であって、該ポリアルキ
   レンオキシド誘導体をモノマー組成として１０〜５０重
   量％含んでなる共重合体で炭素繊維の表面が被覆されて
   いることを特徴とする炭素繊維。 ▲数式、化学式、表等があります▼（ I ） （式中、Ｒ＾１はＨまたは炭素数２０以下のアルキル基
   、Ｒ＾２はＨまたはＣＨ＿３、ｎは１〜４０の整数を表
   わす。）（２）ジアミン化合物、ジカルボン酸化合物及
   び下記一般式（ I ）で示されるグリシジル化ポリアル
   キレンオキシド誘導体からなる共重合体であって、該ポ
   リアルキレンオキシド誘導体をモノマー組成として１０
   〜５０重量％含んでなる共重合物で炭素繊維の表面が被
   覆された炭素繊維１〜５０重量部を主鎖骨格にポリアミ
   ド基を有する熱可塑性樹脂１００重量部に対して配合し
   たことを特徴とする炭素繊維強化樹脂組成物。 ▲数式、化学式、表等があります▼（ I ） （式中、Ｒ＾１はＨまたは炭素数２０以下のアルキル基
   、Ｒ＾２はＨまたはＣＨ＿３、ｎは１〜４０の整数を表
   わす。）