JPS6213306A - 集束した炭素短繊維チツプ - 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 本発明は集束した炭素短繊維チップに関するものである
。さらに詳しくいえば、本発明は、繊維強化成形材料の
充てん剤として好適な優れた集束性をもつ炭素短繊維チ
ップに関するものである。

従来の技術 近年、炭素繊維を各種マ）　ＩＪラックス中混合、分散
させて成る繊維強化成形材料は、炭素繊維の優れた特性
５例えば高強度、高剛性、低比重、高電気伝導性、低熱
膨張率、高耐摩耗性などを有していることから、幅広い
用途が期待され、工業的に重要な材料として注目されて
いる。

一般に、炭素繊維を各種熱可塑性樹脂に混合、分散させ
て繊維強化成形材料を得るには、数百〜数百万本から成
る炭素繊維束をあらかじめ１〜１゜圏に切断して短繊維
チップとし、これを熱可塑性樹脂のベレット又はパウダ
ーとともに押出機中で溶融混練する方法がとられている
０この際、該短繊維チップの集束性が不十分であると、
熱可塑性樹脂中に均−知分散させることができない上に
、作業性も低下する。

したがって、炭素繊維の短繊維チップにおいては、十分
な集束性が要求されるが、集束性を高めるためには通常
、炭素繊維束を集束剤により処理する方法、すなわち集
束剤として通常繊維強化成形材料に用いられるマトリッ
クス樹脂と同じ種類の樹脂、例えばポリオレフィン、ポ
リエステル、ポリアミド、アクリル樹脂、エポキシ樹脂
、フェノール樹脂などを用い、これらの樹脂を溶媒に溶
解して炭素繊維束に対しｏ、ｉ〜１０重量％寸着させる
方法が行われている。

しかしながら、前記方法によっても十分な集束性を備え
だ炭素繊維束を得ることができず、炭素繊維強化成形材
料の製造に際して重大な障害となっている。

例えば、炭素短繊維チップを、スクリュー・フィーダー
、ホッパー・フィーダー、テーブル・フィーダーなどを
用いて、マトリックス中へ供給する場合、該炭素短繊維
チップが供給工程中に機械的混合やかきまぜ作用を受け
るために、集束性の弱い炭素短繊維チップでは、チップ
が開繊して、炭素繊維のからまった毛玉が生じ、それが
該チップの供給工程で詰シの原因となる。また、炭素短
橡維チップの集束が不完全な場合、当初から毛玉を含ん
でいるために、チップの順調な供給が阻害される。この
ように、従来の集束された炭素短繊維チップにおいては
、炭素繊維強化成形材料中の炭素繊維含有景を均一にコ
ントロールすることができず、また、押出機で連続的に
該炭素短徨維チップとマトリックスとを混練して、スト
ランド状の炭素繊維強化成形材料を連続的に押出そうと
する場合、一定の押出し速度が得られず、ストランド切
れが多発し、生産性が著しく低下するという欠点がある
。

発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、炭素繊維強化成形材料を製造する際に
生じるこのような欠点を克服し、作業性が良好でかつマ
）　ＩＪラックス中の分散性が優れた炭素短繊維チップ
を提供することにある。

問題点を解決するだめの手段 本発明に従えば、硬化性樹脂で集束された炭素繊維から
成シ、かつかさ密度が３００ｖｔ以上、安息角が５０°
以下の性状を有する炭素短繊維チップによって、前記目
的を達成することができる。

本発明において集束剤として用いる硬化性樹脂は、例え
ば尿素樹脂やメラミン樹脂などのアミン樹脂、ビスフェ
ノールＡ型、ノボラック型、ビスフェノールＦ型エポキ
シ樹脂、臭素化エポキシ樹脂、エポキシ化アクリル樹脂
などのエポキシ樹脂、あるいはフェノール樹脂、フラン
樹脂、不飽和ポリエステル、ビニルエステル樹脂、ポリ
イミド、ポリアミドイミド、ポリビスマレイミド、変性
ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリフェニレンス
ルフィドなどである。

また、これらの樹脂を硬化させる方法としては、触媒、
架橋剤、熱、光などを用いる方法の中から、それぞれの
樹脂に適し方法を使用できる。

本発明において、集束された炭素繊維を製造するには、
前記の集束剤として用いる硬化性樹脂を、未硬化の状態
で炭素繊維て付着させたのち、硬化させる。

この際、硬化の程度については、硬化後の樹脂の軟化温
度が２０〜３００℃、好ましくは５０〜２００℃の範囲
になるように調節するのがよい。該軟化温度が２０℃未
満では作業中にチップ同士が粘着して使用が困難になる
し、また３００℃を超えると、チップをマトリックス樹
脂中に混練した際に均一に分散しにくくなるため、成形
品の物性の低下の原因になる。

したがって、硬化性樹脂中の架橋性官能基の含有割合、
触媒景、架橋剤量などを適切に選択することが重要であ
り、これらの条件を適切に設定することによって、炭素
繊維の集束の容易性、集束性などが向上し、本発明の効
果をより一層発揮させることができる。

本発明において素材として用いる炭素繊維については、
特に制限はなく、各種の公知の炭素繊維。

例えばレーヨン、ポリアクリロニトリル、ピッチ、リグ
ニン、炭化水素ガスなどを用いて製造された炭素質繊維
や黒鉛質繊維及びこれらに金属をコーティングした金属
被覆炭素繊維などの中から任意（（選んで用いることが
できる。

本発明において、硬化性樹脂を炭素繊維に付着させる方
法としては、例えば溶媒又は分散媒を用いる湿式法、ホ
ットメルト法のような乾式法など、任意の方法を用いる
ことができるが、水を分散媒とする水系エマルジョン法
が好適である。特に、エポキシ樹脂及びポリアミド系架
橋剤を含有する水系エマルジョンを使用する場合、本発
明の効果が顕著に発揮されるので好ましい。

集束剤をエマルジョンの形態で用いる場合、使用する界
面活性剤については特に制限はないが、通常ポバールで
代表される高分子界面活性剤や、アルキル及びアルキル
アリルポリオキシエチレングリコールで代表されるエー
テル型、グリセリンエステルのポリオキシエチレンエー
テルで代表されるエーテルエステル型、ポリエチレング
リコール脂肪酸エステルで代表されるエステル型、脂肪
酸アルカノールアミドで代表される含窒素型などの非イ
オン性界面活性剤が好ｆＬ＜挙げられ、これらの界面活
性剤は１種用いてもよいし、２種以上組み合わせて用い
てもよい。

前記界面活性剤を用いエマルジョン液を調製するには、
例えば界面活性剤０．５〜５重量憾を含有する水溶液中
に、溶融した硬化性樹脂及び架橋剤を高速でかきまぜな
がらそれぞれ単独に滴下して微粒状に分散させる。この
ようにして得られたエマルジョン液はそのまま炭素繊維
の処理用として用いることができる。

本発明においては、集束剤として、前記のようにして処
理された硬化性樹脂を、炭素繊維の重畳に基づき０．１
〜１０重！壬、好ましくは０．５〜６重量係の範囲の量
で用°いる。この量が０．１重量係未満では集束性が不
十分であるし、また１０重量壬を超えると、これを用い
て得られた成形品の物性が劣化する。

本発明の炭素短繊維チップは、かさ密度が３００か９以
上、好ましくは３５０９／を以上であり、また安息角は
５０°以下、好ましくは４０°以下である。

かさ密度が３００？／を未満のものでは、完全に集束さ
れているとはいえず、本発明の目的を十分に発揮するこ
とができない。また安息角が５０°を超えるものでは、
押出機の供給ホッパー中における流動性が悪いので、押
出機スクリューへの供給不良やマ）　ＩＪラックス脂へ
の不均一分散などが生じ、連続的な生産が困難になる。

次に１本発明の炭素短繊維チップを製造する好適な１例
について説明すると、まず、適当な本数から成る連続し
た炭素繊維束を、前記のようにして界面活性剤による処
理を行った硬化性樹脂０．５〜２０重ｉ％を含む水系エ
マルジョン液中に連続的に浸せきしたのち、２００℃程
度の熱風によシ乾燥し、かつ炭素繊維表面に付着した硬
化性樹脂を溶融して集束させる。次に、このようにして
得た集束炭素繊維を、公知の手段で１〜１０ｊ１１の長
さに切断することによって、目的とする炭素短繊維チッ
プを得る。

また、架橋剤を含んだエマルジョン液を用いる場合、集
束炭素繊維の乾燥工程は水分を蒸発させる程度におさえ
、短繊維チップに加工したのち、さらに必要に応じて熱
処理を行うことで硬化性樹脂を架橋させてもよい。

本発明の目的は、このようにして集束性の良好な集束炭
素短繊維チップを提供することにあるが、繊維強化成形
材料に用いられる他の充てん剤、例えばガラス繊維、ア
ラミド繊維、炭化ケイ素繊維。

金属繊維、ボロン繊維などに対しても本発明を応用でき
る。

炭素繊維強化成形材料は、例えば本発明の炭素短繊維チ
ップとマトリックス樹脂とをそれぞれ単独で、あるいは
トライブレンド物の形態で押出機に供給し、溶融混練し
たのち、ストランド状に押出された混練物を水冷゛して
、２〜８絹の長さに切断することによって得られる。こ
の成形材料には、充てん剤として炭素繊維以外のもの、
例えばガラス繊維やアラミド繊維などの繊維強化材料、
あるいはガラス、炭醒カルシウム、金属酸化物、カーボ
ンブラックなどの粉末状やフレーク状の添加剤などを、
必要に応じ１種以上併用することができる０ また、前記炭素繊維強化成形材料に用いられるマ）　Ｉ
Ｊソックス脂とＩ−ては、公知の樹脂、例えばポリブチ
レンテレフタレート樹脂やポリエチレンテレフタレート
樹脂のような熱可塑性飽和ポリエステル樹脂、ポリオレ
フィン系樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド樹脂、ポ
リフェニレンオキサイド、ポリアセタール樹脂、ポリス
ルホン樹脂、ポリフェニレンサルファイド、スチレン系
樹脂、塩化ビニル樹脂、アクリル系樹脂などの熱可塑性
樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエス
テル樹脂などの熱硬化性樹脂が挙げられる。

発明の効果 本発明の集束炭素短繊維チップは、集束性、特に高温雰
囲気中での集束性に極めて優れたものであり、また本発
明の短繊維チップを用いて繊維強化成形材料を製造する
場合、該チップは押出機ホッパーにおける流動性が良好
であって、押出機スクリューへ安定に供給されるので、
繊維強化成形材料の生産性が大幅に向上する。

また、該炭素繊維チップのマトリックスに対する分散性
が優れているので、この成形材料を用いて得られる成形
品の力学的物性は良好な値を示す。

実施例 次に実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

なお、各物性は次のようにして測定した。

（１）炭素短繊維チップのかさ密度 ５０−メスシリンダーに炭素短俄維チップを入れ、メス
シリンダーを数回振ったのち、５０−になるまでさらに
該短繊維チップを加える。このときの短繊維チップの重
さを体積で除して求める。

（２）炭素短繊維チップの安息角 炭素短繊維チップ約２０２を１０ｔＭ１の高さから徐々
に落下させ、堆積した山の傾斜角度を求める。

（３）成形品の物性 、Ｔ工５Ｋ６８１０に準拠して測定する。

実施例１ （Ａ）　　炭素短繊維チップの製造 分子量約ｘｏｏｏのビスフェノールＡ型エポキシ化合物
１００重量部、ポリアミド系硬化剤（三井東圧化学製エ
ポキーＨ−２５８）　７重量部、ポバール、ＰＯＥノニ
ルフェニルエーテルから成る非イオン性界面活性剤５重
量部を含有した水系エマルジョ／１０００重景部を調製
した。

次＆てこのエマルジョン液中にポリアクリロニトリルを
原料とする炭素繊維１２，０００本を浸せきして、前記
エポキシ化合物５重ｉ％を付着させたのち、１８０℃で
１分間熱風で乾燥した。このようにして得られた集束炭
素繊維を長さ６１ｍに切断して炭素短繊維チップを製造
し、さらにこの短僚維チップを１００℃、３０分間で熱
処理を行い、エポキシ化合物を架橋させた。

このもののかさ密度は４１０９／ｌ、安息角は３６゜で
あった。

（Ｂ）　　炭素繊維強化成形材料の製造前記炭素短繊維
チップ３０重量部とナイロン６６樹脂ベレット７０重量
部とをＶ型ミキサーでトライブレンドした。このトライ
ブレンド物をスクリュー・フィーダー付きの二軸押出機
で混練・押出しして得られたストランドをペレタイズし
、炭素短繊維強化成形材料を製造した。

本実施例では二軸押出機を４時間連続して運転したが、
スクリュー・フィーダーでの炭素短繊維の開繊によるト
ライブレンド物の供給停止、あるいは押出されたストラ
ンドの切断などのようなトラブルは一切発生しなかった
。

このようにして得られた炭素短繊維強化成形材料を射出
成形した試験片の引張強度は２７００に９／ｄ、曲げ強
度は３４００に９／ａｄ、アイゾツト衝撃値は８　、　
ＯＫｐ　Ｈｃｍ／ｃｍ　であった。

実施例２ 架橋剤としてヘキサメチレンジアミン５重量部を用いた
以外は実施例°１と同様にして炭素短繊維チップを製造
した。このもののエポキシ化合物付着量は５．３重量幅
、かさ密度は３６０５’／１１安息角クリユー・フィー
ダーでの炭素短繊維チップの開Ｗｔは見られたものの、
これによるトラブルはなかった。

射出成形した試験片の引張強度は２　ｓ　ｏ　ｏ　Ｋｙ
　／　ｃｔ！、曲げ強度は３１００に９／ｉ、アイゾツ
ト衝撃値は７　、５　Ｋｙ　−ｃｍ／ｃｍであった。

実施例３ 集束剤として変性ポリアミド（東しＡ−９０）を１００
重量部、架橋剤としてメラミン樹脂（三井東圧Ｔ−３４
）５０重量部を含有した水溶液１０００重量部を調製し
、以下実施例１と同様にして炭素短繊維チップを製造し
た。このものの変性ポリアミド化合物の付着量は５．５
重量壬、かさ密度３８０１／１１安息角４４°であった
。

この炭素短繊維チップを用いて実施例１と同様にして炭
素短繊維強化成形材料を製造したが、トラブルはなかっ
た。

射出成形した試験片の引張強度は２４００に９／ｒｎ１
１、曲げ強度は２９００Ｋｐ／ｒｎＴＩｔ、アイゾツト
衝盤値は７．３にり・の／ｃＷｔであった。

比較例１ エマルジョンを調製する際、架橋剤を用いないこと以外
は実施例１と同様にして実施したところ、付着景５．２
重量係、かさ密度３４０？／ｌ、安息角４６°の炭素短
繊維チップが得られた。この炭素短繊維チップは、４時
間の押出機運転中スクリュー・フィーダーでの開繊がひ
どく、押出機へのブレンド物の供給停止が数置にわたっ
て発生し、その度にストランド切れが生じた。前記短繊
維チップから作られた炭素短繊維強化材料の試験片は、
引張強度２２００に９７　ｍｄ、曲げ強度２６００　Ｋ
ｐ　／　ｒｎｔｌ、アイゾツト衝撃値６．　ｓ　Ｋｐ・
！／ｃ１ｎ　であった。

比較例２ 集束剤の付着量を少なくした以外は実施例１と同様にし
て実施しだところ、付着量０．０５重ｔ％。

かさ密度２００り／”ｓ安息角５３°の炭素短繊維チッ
プが得られた。この炭素短繊維チップは、スクリュー・
フィーダーでの開繊がひどく、ブレンド物の供給停止が
頻繁に生じ、ストランド切れも多発し、押出機の連続運
転が困難であった。前記短繊維チップを強制的に供給し
て得られた成形材料を射出成形して成る試験片は引張強
度２１００に９／ｄ、曲げ強度１９００　Ｋ９　／ｒｔ
ｕｉ、アイゾツト衝撃値４　、１　Ｋ？・ｃｒｎ／αで
あった。

比較例３ エマルジョンを作成する際、架橋剤を用いないこと以外
は実施例３と同様にして実施したところ。

付着量５．１重量係、かさ密度２９０１／ｌ、安息角５
１°の炭素短繊維チップが得られた。この炭素短繊維チ
ップは、スクリュー・フィーダーでの開繊がひどく、ブ
レンド物の供給停止が頻繁に生じ、メトランド切れも多
発し、押出機の連続運転が困難であった。前記短繊維チ
ップを強制的に供給して得られた成形材料を射出成形し
て成る試験片は引張強度２０００　Ｋｐ　／　ｃｒｌ、
曲げ強度２３００に９／ｃｍ、アイゾツト衝撃値６　、
１　Ｋ９・Ｉ：ｎ１７のであった。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　硬化性樹脂で集束された炭素繊維から成り、かつか
   さ密度３００ｇ／ｌ以上、安息角５０°以下の性状を有
   することを特徴とする炭素短繊維チップ。