JPH05162132A - 樹脂被覆炭素繊維チョップドストランド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 それ自体で、或いは他の樹脂とのドライブレ
ンドとして効率よく成形でき、成形前には強い衝撃を加
えても開繊することがなく、得られる成形体は耐水性に
優れる樹脂被覆炭素繊維チョップドストランドを提供す
る。 【構成】 炭素繊維チョップドストランドに熱硬化性樹
脂およびウレタン樹脂を被覆する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は樹脂被覆炭素繊維チョッ
プドストランドに関し、詳しくは直接射出成形に好適に
用いられる樹脂被覆炭素繊維チョップドストランドに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭素繊維強化熱可塑性樹脂は、炭素繊維
の特徴である高強度、高弾性は勿論のこと、その高機能
が注目され、近年導電性を活かした静電防止材料やＥＭ
Ｉシールド材、あるいは摺動性を利用した軸受けなどの
各種摺動材料などに使用され始めている。従来これら炭
素繊維強化熱可塑性樹脂の成形体は、一般に炭素繊維チ
ョップドストランドと熱可塑性樹脂を、予め押し出し機
を用いて加熱、溶融、混合して、射出成形可能な形態、
即ちペレットとし、このペレットから射出成形すること
によって製造されていた。しかし上記の方法は、混合工
程前に炭素繊維チョップドストランドが開繊して搬送性
や計量性が悪くなり、混合工程中には炭素繊維が短く切
断され、成形体の性能を低下させるという問題を有して
いる。そこで特公昭６４−２０２号公報には炭素繊維チ
ョップドストランドを予め熱硬化性樹脂で被覆してお
き、それ自体直接、または熱硬化性樹脂ペレットとのド
ライブレンドの形で成形する方法が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、通常の
成形に用いられる材料は、空気輸送やドライブレンド工
程における振動等により、大きな衝撃力を受ける。ドラ
イブレンド内の繊維状物がそのような環境下に置かれた
場合、糸割れし、開繊による綿状化および破砕による粉
状化が起こり、均一なブレンド状態がくずれるといった
事態が生じていた。このことはまた繊維含有率のずれ、
あるいは成形上のトラブルの原因となっていた。上記特
許公報の方法に従って製造した熱硬化性樹脂被覆炭素繊
維チョップドストランドを、熱可塑性樹脂と混合し直接
射出成形しても炭素繊維チョップドストランドの混合工
程前の開繊を十分防止することができなかった。本発明
は炭素繊維チョップドストランドと他の樹脂との混合物
から直接射出成形する場合において、あるいはそれ自体
で直接射出成形する場合において炭素繊維チョップドス
トランドが成形前において開繊することがなく、かつ優
れた性能の成形体を製造することが可能な樹脂被覆炭素
繊維チョップドストランドを提供することを目的とす
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者等は上記課題を
解決するため鋭意検討を進めた。その結果炭素繊維チョ
ップドストランドを、所定量の熱硬化性樹脂および所定
量のウレタン樹脂で被覆すると上記目的が達成されるこ
とを見出だして本発明を完成させた。即ち本発明は炭素
繊維チョップドストランドを、その１００重量部に対し
熱硬化性樹脂５〜５０重量部およびウレタン樹脂０．５
〜３０重量部を用いて被覆してなることを特徴とする樹
脂被覆炭素繊維チョップドストランドを要旨とする。

【０００５】以下本発明を詳細に説明する。本発明にお
ける炭素繊維チョップドストランドはＰＡＮ系、ピッチ
系等、製造原料、製造方法の別なく適用できる。また炭
素繊維チョップドストランドの長さについては、特に制
限はないが、通常１〜５０ｍｍとする。炭素繊維チョッ
プドストランドを構成するフィラメントの直径、本数に
ついても特に制限はないが、通常直径は３〜２３μ、本
数は１００〜１００，０００本とする。また炭素繊維チ
ョップドストランドにはあらかじめ集束剤が施されてい
てもよい。

【０００６】本発明において炭素繊維チョップドストラ
ンドの被覆に用いる熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹
脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリ
フタレート樹脂等が挙げられる。エポキシ樹脂として
は、分子内に２個以上のエポキシ基を含有するいかなる
化合物をも用い得る。一般に用いられるエポキシ樹脂は
ビスフェノールＡタイプのものが多いが、本発明ではノ
ボラックタイプ、難燃タイプのものも使用できる。本発
明に用いるエポキシ樹脂は、室温で固体状態のものであ
ることが好ましい。これは樹脂被覆チョップドストラン
ドが粘着性となることを避けるためである。

【０００７】フェノール樹脂としては、ノボラック型、
レゾール型のいずれも使用できるが、遊離フェノールを
含まず安定性に優れたものが良い。不飽和ポリエステル
樹脂としては、エチレングリコール、プロピレングリコ
ール等のグリコール類と、フタル酸、イソフタル酸、無
水フタル酸、マレイン酸、フタル酸、無水マレイン酸等
の多塩基酸、酸無水物、またはそれらの混合物が縮合し
て得られる融点５０〜１３０℃の樹脂が使用できる。ジ
アリルフタレート樹脂としては、βポリマーと呼ばれる
分子量５，０００〜３０，０００のオルソフタレート型
のプレポリマー、イソフタレート型プレポリマー等が使
用できる。なお上記熱硬化性樹脂と共にそれらの樹脂の
硬化剤が炭素繊維に被覆されていてもよい。硬化剤とし
ては公知のものを用いればよく、硬化剤の量は、樹脂の
量によっても異なるが、熱硬化性樹脂１００重量部に対
し、０．１〜２０重量部、好ましくは０．５〜１０重量
部とする。

【０００８】本発明においては、炭素繊維チョップドス
トランドの被覆に上記熱硬化性樹脂とともにウレタン樹
脂を用いることを特徴とする。本発明に使用するウレタ
ン樹脂としては、ジイソシアネートと、イソシアネート
基と反応性の水素原子を２個有する化合物（例えばジオ
ール）の付加重合によって得られる、熱可塑性の性質を
示し、溶媒に可溶なものであればよい。ジイソシアネー
トとしては、例えばトリレンジイソシアネート、ジフェ
ニルメタンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネ
ート、フェニレンジイソシアネート、ナフタレンジイソ
シアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホ
ロンジイソシアネート等、これらのジイソシアネートを
化学的に変成したもの、さらにこれらのイソシアネート
化合物と下記ジオール等との反応物、またはこれのイソ
シアネート類の混合物が用いられる。イソシアネート基
と反応性の水素原子を２個有する化合物としては、分子
量が６２〜５００のジオール、ポリエステル型ジオー
ル、ポリエーテル型ジオール等特に制限なく用いること
ができる。本発明の熱可塑性の性質を示すウレタン樹脂
の例としては、熱可塑性ウレタンエラストマー、末端に
イソシアネート基を有しないウレタン樹脂等を挙げるこ
とができる。本発明の熱可塑性の性質を示すウレタン樹
脂の分子量としては、１，０００〜３００，０００、好
ましくは１０，０００〜１００，０００である。

【０００９】炭素繊維チョップドストランドを被覆する
熱硬化性樹脂の量としては、上記したように、炭素繊維
チョップドストランド１００重量部に対し、５〜５０重
量部、好ましくは１５〜３０重量部である。５重量部未
満とすると被覆が十分になされず不均一となり、成形品
中に分散不良が生じて好ましくない。また５０重量部を
超えると、下記の水分散を行う場合チョップドストラン
ド同士が結着し、塊状化する恐れが生じる。炭素繊維チ
ョップドストランドに被覆するウレタン樹脂としては、
炭素繊維チョップドストランド１００重量部に対し、ウ
レタン樹脂０．５〜３０重量部、好ましくは１〜２０重
量部とする。０．５重量部以下とすると、本発明の目的
であるチョップドストランドの開繊を十分に抑えること
ができないし、３０重量部以上とするとチョップドスト
ランド同志の結着による塊状化が起こる。熱硬化性樹脂
／ウレタン樹脂比としては９９／１〜７０／３０、好ま
しくは９８／２〜８０／２０とする。その理由とは９９
／１以上とすると本発明の効果を十分得ることができな
いし、７０／３０以下とするとチョップドストランド同
志の結着による塊状化が起こる。

【００１０】次に本発明の樹脂被覆炭素繊維チョップド
ストランドを製造する方法の一例について説明する。ま
ず熱硬化性樹脂とウレタン樹脂を含有する処理液を調製
する。それには例えば両樹脂を、両樹脂の共通溶媒であ
って水と相溶性を有する溶媒に溶解すればよい。このよ
うな溶媒としてはアセトン、ジアセトンアルコール、ジ
オキサン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミ
ド、テトラヒドロフラン等を挙げることができる。この
場合さらに、上記熱硬化性樹脂として公知のものを溶媒
に加えてもよい。次にチョップドストランドを処理液に
含浸させる。この時単に処理液に含浸させるだけでもよ
いが、含浸が不十分であるときは軽くかき混ぜてもよ
い。また含浸を促進するため減圧脱泡することが好まし
い。樹脂溶液を含浸したチョップドストランドは、例え
ばスクリーニング等の方法によって処理液から分離後、
上記溶媒の脱溶媒のために水媒体中に攪拌下投入する。
必要によっては分離に引き続いて絞液して樹脂含有量を
調節してもよい。水媒体中に攪拌下に投入することによ
って、チョップドストランドは、水媒体中に分散する。
水媒体の温度は室温でも良いが、脱溶媒を容易に行うた
めに６０〜８０℃程度まで昇温しても良い。また水媒体
には分散を促進するためにポリビニルアルコール等の水
に可溶な分散剤を含有させてもよい。脱溶媒、分散が完
了したら、分散工程で分散系を昇温した場合は好ましく
は室温まで放冷後、樹脂で被覆されたチョップドストラ
ンドを分散系から分離する。分離は常法で、例えばスク
リーニングのような濾過によって行うことができる。分
離した樹脂被覆チョップドストランドは、任意の方法、
例えば熱風乾燥で４０〜１４０℃で乾燥する。以上のよ
うな方法により、熱硬化性樹脂およびウレタン樹脂が均
一に被覆された炭素繊維チョップドストランドが得ら
れ、この樹脂被覆チョップドストランドは乾燥後におい
ても、相互に接着することはない。

【００１１】本発明の熱硬化性樹脂およびウレタン樹脂
を被覆した炭素繊維チョップドストランドは、それ自体
で、即ち被覆樹脂をマトリックス樹脂として成形するこ
とができる。この場合には本発明の樹脂被覆炭素繊維チ
ョップドストランドを製造する際に被覆樹脂である熱硬
化性樹脂の硬化剤をも炭素繊維チョップドストランドに
含浸させたものを用いることが好ましい。本発明の熱硬
化性樹脂およびウレタン樹脂を被覆した炭素繊維チョッ
プドストランドはまた、マトリックス樹脂としての熱硬
化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂とともに成形することが
できるが、好ましくは熱可塑性樹脂とのドライブレンド
として成形に付される。そのような熱可塑性樹脂として
は例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレ
ン、ポリ（スチレン−アクリルニトリル）、ポリアミ
ド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフ
タレート、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフ
ェニレンオキサイド、ポリエーテルイミド、ポリフェニ
レンサルファイド、ポリエーテルサルフォン、ポリエー
テルエーテルケトンなどを挙げることができる。熱硬化
性樹脂としてはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和
ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、メラミン
樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、必ずしも
被覆に用いた熱硬化性樹脂と同じものであることを要し
ない。この場合には必要に応じて当該熱硬化性樹脂の公
知の硬化剤を使用する。成形方法についても特に制限は
ないが、射出成形法を用いるのが効果的である。

【００１２】

【実施例】本発明を更に詳細に説明するために以下に実
施例を挙げる。本発明はこれら実施例に限定されるもの
でないことは勿論である。

【００１３】実施例１ メチルエチルケトン２５重量部にエポキシ当量４８０の
ビスフェノールＡタイプエポキシ樹脂２３．８重量部お
よびエラストマータイプの熱可塑性ウレタン樹脂（パン
デックスＴ−５２６５Ｌ、大日本インキ化学工業
（株））１．２４重量部を溶解して処理液とした。この
処理液に、カット長３ｍｍ、フィラメント直径１２μ、
フィラメント数４０，０００本の炭素繊維チョップドス
トランド１００重量部を浸漬し、均一に被覆できるよう
に混合した後、減圧下（１００ｔｏｒｒ）で脱泡し、十
分に含浸させた。ポリビニルアルコール０．２重量部を
含む１０００重量部の水溶液を、攪拌機および加熱装置
を備えたステンレス製２リットルタンクに入れた。これ
に上記の樹脂溶液を含浸させた炭素繊維チョップドスト
ランドを投入し、攪拌下で６０℃迄昇温した。この昇温
過程で樹脂溶液含浸チョッブドストランドは完全に均一
な状態に分散した。この時間に要した時間は３０分であ
った。次にこの分散系を室温まで放冷後、湿潤状態の樹
脂被覆チョップドストランドを濾過によって分離し、十
分に水を切った後、４０℃で熱風乾燥して樹脂被覆チョ
ップドストランドを得た。得られた樹脂被覆チョップド
ストランドは、べたつくことなく、内部にまで均一に被
覆されており、炭素繊維チョップドストランドに対する
両樹脂の被覆量の和は最初の仕込み量に一致する２５重
量％であった。

【００１４】実施例２ 処理溶液を、メチルエチルケトン２５重量部に溶解した
エポキシ当量４８０のビスフェノールＡタイプエポキシ
樹脂２２．５重量部および実施例１で用いたウレタン樹
脂２．５重量部とした外は、実施例１と同様にして樹脂
被覆炭素繊維チョップドストランドを製造した。得られ
た樹脂被覆チョップドストランドは、べたつくことな
く、内部にまで均一に被覆されており、炭素繊維チョッ
プドストランドに対する両樹脂の被覆量の和は最初の仕
込み量に一致する２５重量％であった。

【００１５】実施例３ 処理溶液を、メチルエチルケトン２５重量部に溶解した
エポキシ当量４８０のビスフエノールＡタイプエポキシ
樹脂２０重量部および実施例１で用いたウレタン樹脂５
重量部とした外は、実施例１と同様にして樹脂被覆炭素
繊維チョップドストランドを製造した。得られた樹脂被
覆チョップドストランドは、べたつくことなく、内部に
まで均一に被覆されており、炭素繊維チョップドストラ
ンドに対する両樹脂の被覆量の和は最初の仕込み量に一
致する２５重量％であった。

【００１６】比較例１ 炭素繊維の原料を紡糸し、焼成工程を経てフィラメント
径１２μ、フィラメント本数４０，０００本、カット長
３ｍｍの炭素繊維チョップドストランドを製造し、さら
に繊維状物の集束剤としてのものを付着させた。

【００１７】比較例２ 処理液を、メチルエチルケトン２５重量部に溶解したエ
ポキシ当量４８０のビスフェノールＡタイプエポキシ樹
脂２５重量部とした外は、実施例１と同様にして樹脂被
覆炭素繊維チョップドストランドを製造した。

【００１８】実施例４ 処理液を、メチルエチルケトン２５重量部に溶解した軟
化点１１０℃のノボラック型フェノール樹脂２３．８重
量部および実施例１で用いたウレタン樹脂１．２４重量
部とした以外は実施例１と同様にして樹脂被覆炭素繊維
チョップドストランドを製造した。得られた樹脂被覆チ
ョップドストランドは、べたつくことなく、内部にまで
均一に被覆されており、炭素繊維チョップドストランド
に対する両樹脂の被覆量の和は最初の仕込み量に一致す
る２５重量％であった。

【００１９】実施例５ 処理液を、メチルエチルケトン２５重量部に溶解した軟
化点１１０℃のノボラック型フェノール樹脂２２．５重
量部および実施例１で用いたウレタン樹脂２．５重量部
とした以外は実施例１と同様にして樹脂被覆炭素繊維チ
ョップドストランドを製造した。得られた樹脂被覆チョ
ップドストランドは、べたつくことなく、内部にまで均
一に被覆されており、炭素繊維チョップドストランドに
対する両樹脂の被覆量の和は最初の仕込み量に一致する
２５重量％であった。

【００２０】実施例６ 処理液を、メチルエチルケトン２５重量部に溶解した軟
化点１１０℃のノボラック型フェノール樹脂２０重量部
および実施例１で用いたウレタン樹脂５重量部とした以
外は実施例１と同様にして樹脂被覆炭素繊維チョップド
ストランドを製造した。得られた樹脂被覆チョップドス
トランドは、べたつくことなく、内部にまで均一に被覆
されており、炭素繊維チョップドストランドに対する両
樹脂の被覆量の和は最初の仕込み量に一致する２５重量
％であった。

【００２１】比較例３ 処理液を、メチルエチルケトン２５重量部に溶解した軟
化点１１０℃のノボラック型フェノール樹脂２５重量部
とした以外は実施例１と同様にして樹脂被覆炭素繊維チ
ョップドストランドを製造した。

【００２２】性能評価 Ｉ 非開繊率の測定 実施例１〜６および比較例２，３で得た樹脂被覆炭素繊
維チョップドストランド、および比較例１の炭素繊維チ
ョップドストランドの非開繊率を次の方法で評価した。
１０００ｍｌの容器に、５メッシュのふるいを通過し、
１２メッシュ上に残る一定量のチョップドストランドを
入れ、その容器を上下に１０，０００回振動させた後、
５メッシュおよび１２メッシュのふるいにかけ、５メッ
シュを通過し、１２メッシュ上に残ったチョップドスト
ランド重量の全重量に対する割合を、非開繊率として求
めた。

【００２３】ＩＩ 引張り強さの測定 まず次の方法で引張り強さを測定するための試験片を作
製した。 （１）炭素繊維強化ポリブチレンテレフタレート試験片 実施例１〜３および比較例２で得た樹脂被覆炭素繊維チ
ョップドストランドとポリブチレンテレフタレート（バ
ロックス、日本ジーイープラスチックス（株）製）とを
ドライブレンドした。このドライブレンド中の炭素繊維
含有率を３０重量％とし、射出成形法（成形温度２６０
Ｃ、成形圧１４００ｋｇ／ｃｍ² ）によって試験片を作
製した。また比較例１の炭素繊維チョップトストランド
とポリブチレンテレフタレートを炭素繊維含有率が３０
重量％になるようにコンパウンドし、射出成形を行い試
験片を作成した。 （２）炭素繊維強化ナイロン試験片 実施例４〜６および比較例３で得た樹脂被覆炭素繊維チ
ョップドストランドとナイロン６６（レオナ、旭化成
（株）製）とをドライブレンドした。このドライブレン
ド中の炭素繊維含有率を３０重量％とし、射出成形法
（成形温度２７０℃、成形圧９００ｋｇ／ｃｍ² ）によ
って試験片を作製した。比較例１の炭素繊維チョップド
ストランドとポリブチレンテレフタレートを炭素繊維含
有率が３０重量％になるようにコンパウンドし、射出成
形を行い試験片を作製した。

【００２４】次にこれらの試験片につき次の測定を行な
った。 （１）引張り強さ ＡＳＴＭ Ｄ６３８の方法によった。 （２）煮沸後引張り強さ 試験片を１２０℃、２気圧の圧力釜（水蒸気圧）の中に
４８時間置き、その後（１）の方法により引張り強さの
測定を行なった。また（１）で得た引張り強さに対する
（２）で得た煮沸後引張り強さの割合より煮沸後引張り
強さ保持率を計算した。 （３）吸水後引張り強さ 試験片を水中（２０℃）に２４時間浸漬し、その後
（１）の方法により引張り強さの測定を行なった。また
（１）で得た引張り強さに対する（３）で得た吸水後引
張り強さの割合より吸水後引張り強さ保持率を計算し
た。以上の結果をまとめて表１および表２に示す。

【００２５】 表 １ 試料 エポキシ樹脂／ 非開繊率 引張り強さ 煮沸後引張り ウレタン樹脂比 （煮沸前） （煮沸後） 強さ保持率 （重量） （重量％） （ｋｇｆ／ｃｍ² ） （％） 実施例１ １９／１ ９０ １２５０ １２２０ ９７．６ 実施例２ １８／２ ９３ １２３０ １２００ ９７．６ 実施例３ １６／４ ９４ １２４０ １２２０ ９８．３ 比較例１ １０ １１５０ ３６０ ３１．３ 比較例２ ２０／０ ８０ １２２０ １１９０ ９７．５

【００２６】 表 ２ 試料 フェノール樹脂／ 非開繊率 引張り強さ 吸水後引張り ウレタン樹脂比 （吸水前） （吸水後） 強さ保持率 （重量） （重量％） （ｋｇｆ／ｃｍ² ） （％） 実施例５ １９／１ ９３ １４００ １３７０ ９７．９ 実施例６ １８／２ ９４ １３９０ １３７０ ９８．６ 実施例７ １６／４ ９５ １３８０ １３５０ ９７．８ 比較例３ ２０／０ ８５ １３８０ １３５０ ９７．８ 表１および表２の結果より明らかなように、炭素繊維チ
ョップドストランドを、所定量のエポキシ樹脂またはフ
ェノール樹脂とともに所定量のウレタン樹脂で被覆して
得られた実施例の樹脂被覆炭素繊維チョップドストラン
ドは、非開織率が極めて高い。また熱可塑性樹脂とドラ
イブレンドした後、得られる成形体の引張り強さが煮沸
後には殆んど低下せず耐水性に優れている。

【００２７】

【発明の効果】本発明の樹脂被覆炭素繊維チョップドス
トランドは非常に強い衝撃を加えても成形前の開繊が抑
制される。従ってそれ自体で、或いはこれと熱可塑性樹
脂または熱硬化性樹脂とのドライブレンドから効率よく
射出成形により成形体を得ることができる。また得られ
た成形体は耐水性にすぐれ湿潤状態に置かれても機械的
強度が低下することがない。

フロントページの続き (72)発明者 藤沢 英治 福島県福島市鳥谷野字日野２−５ (72)発明者 庄野 弘晃 福島県福島市伏拝字沼ノ上２−532

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素繊維チョップドストランドを、その
   １００重量部に対し熱硬化性樹脂５〜５０重量部および
   ウレタン樹脂０．５〜３０重量部を用いて被覆してなる
   ことを特徴とする樹脂被覆炭素繊維チョップドストラン
   ド。