JPS62244606A - 短繊維チツプの製造法 - 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、短繊維チップの製造法に関するものである。

さらに詳しくは、繊維強化成形材料の強化剤として、取
扱いに優れた炭素短繊維チップの製造法に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

近年、炭素繊維を各種マトリックス中に混合、分散させ
てなる繊維強化成形材料は、炭素繊維の優れた特性、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１〜１０１１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。この際、該短繊維チップの嵩密度が低く集束性が不
十分であると、熱可塑性樹脂中に均一に分散させること
が困難な上に、作業効率も低下する。

したがって、炭素繊維の短繊維チップにおいては、十分
な高さの嵩密度が要求されるが、嵩密度を高めるために
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、炭素繊維に対し、０．１〜１０重量％付
看させ、乾燥させた後１〜３９ｍｍの長さに、空気中で
カッティングして炭素短繊維チップを製造する方法が行
なわれている。

しかしながら、前記方法によっても、炭素繊維は剛性が
高く、強度も高い繊維であるために、カッティング時に
大きな衝撃力が必要であり、如何に炭素繊維同士を強固
に集束しようとも、カッティング時に一本一本が分離し
てしまうという現象があり、十分な高さの嵩密度を有す
る炭素短繊維チップを得ることが困難であり、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りの原因となる。また、炭素
短繊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量を均一に
コントロールすることができず、また、押出機で連続的
に該炭素短繊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
生じる上記のような欠点を解消し、作業性が良好で、か
つマトリックス中への分散性が優れた炭素短繊維チップ
の製造法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、サイジング剤により集束された炭素繊維連続
ストランドを、カッティングして、３０鶴以下の短繊維
チップにする際、炭素繊維連続ストランド同士間の空隙
に液体を満たした後、カッティングし、次いで、液体を
分離してチップを得ることを特徴とする短繊維チップの
製造法である。

本発明において、サイジング剤として用いる樹脂は、例
えば、尿素樹脂やメラミン樹脂などのアミノ樹脂、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Ｊポリアミドイミド、ポリビスマレイミド、ポ
リウレタン樹脂、ポリフェニレンスルフィドなどであり
、ポリアミド系樹脂、アクリル系樹脂、酢酸ビニル系樹
脂、スチレン系樹脂、ホリオレフィン系樹脂などであっ
て、何らかの手段、例えば、溶媒に溶かすとか、乳化剤
を用いてエマルジョン液体化するとかによって、液体化
することが可能な樹脂である。

本発明において、サイジング剤により集束された炭素繊
維連続ストランドを製造するには、前記、樹脂を例えば
、溶媒に溶かしたり、乳化剤を混練した後、エマルジヨ
ン化したりして、液体流動状態にすることにより、炭素
繊維表面上に、まんべんなく付着させた後、乾燥冷却す
ることにより製造することができる。

このようにして、冷却されたストランドは、カッティン
グされるまで変形を受けないで直線状の状態でカッティ
ングされることが好ましい。

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に選んで用いることができる。

本発明においては、集束剤として、前記のようにして液
体流動化した樹脂を、炭素繊維の重量に基づき０．１〜
１０重量％、好ましくは０．５〜６１１１１１％の範囲
の量で用いる。この量が０．１重量％未満では集束性が
不十分であるし、また１０重景％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。

本発明において用いる液体は、サイジンク剤樹脂、炭素
繊維を劣化させるようなものではなく、繊維との分離が
容易なものであれば良い。具体的には、メチルアルコー
ル、エチルアルコール等のアルコール類、ヘプタン、ヘ
キサン、オクタン等の液化炭化水素類、ジクロルメタン
、トリクロルモノフルオルメタン等のハロゲン化炭化水
素、液体水銀などが、サイジング剤によって使用されう
るが、安定性、経済性の点から水をし使用することが好
ましい。

液体のストランド間への注入方法としては、スプレー等
による散液方法、ドブ漬による方法等があるが、その方
法の如何を問わず、液体がストランド間に満たされるこ
とができれば良い。

本発明において、炭素短繊維チップは、かさ密度が３５
０　ｇ　／　１以上、好ましくは４００　ｇ／β以上で
あり、また安息角は５０°以下、好ましくは４０６以下
である。かさ密度が３５０ｇ／６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
への供給不良やマトリックス樹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。

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冷水して、
２〜８ｍｌ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、炭酸カルシウム、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。

また、前記炭素繊維強化成形材料に用いられるマトリッ
クス樹脂としては、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あげられる。

（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５０ｍｌメスシ
リンダーに炭素短繊維チップを入れ、メスシリンダーを
数回振ったのち、５０ｍ１になるまでさらに咳短繊維チ
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２０ｇをｌＱｃｍ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 ＪＩＳ　Ｋ　６８１０に準拠して測定する。

実施例１ （Ａ）、集束された炭素繊維連続ストランドの製造。

分子量約１０００のビスフェノールＡ型エポキシ化合物
１００　’１Ｌ　ｆｉ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ン１０００重量部を調整した。

次に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１２０００本を浸せきして、前記エポ
キシ化合物５重量％を付着させたのち、１８０℃で１分
間熱風で乾燥させて炭素繊維連続ストランドを得た。

（Ｂ）、　　該ストランドのカッティング。

（＾）で得られたストランド５００本のストランド同士
間に注水して空隙をストランド１００重量部に対し３０
重量部の水で満たした状態にして、小野打製作所り型ギ
ロチン式カッターを用いて、４龍の長さに切断した後、
これを１２０℃１時間で乾燥させて、該チップを得た。

このものの嵩密度は５２０　ｇ／ｌ、安息角は３８゜で
あった。

（Ｃ）、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樹脂ペ
レット７０重量部とを■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２７５０　ｋｇ　／　ａｍ
　２、曲げ強度は３４００ｋｇ／ａｍ”　、アイゾツト
衝撃値は８．３　ｋｇ−ｃｍ／ｃｓであった。

実施例２ 集束剤として変性ポリアミド（東しＡ−９０）を１００
重量部含有した水溶液１０００！量部を調整し、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％
、かさ密度４５０　ｇ／Ｉｌ、安息角４５＠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２４５０　ｋｇ　／　
ｃｍ　”、曲げ強度は２９００　ｋｇ　／　ｃｌｌ”　
、アイシフト衝撃値は７．７ｋｇ−ｃＩｌ／ｃ１１であ
った。

実施例３ ストランド間空隙を満す液体として、市販の工業用エチ
ルアルコールを用いた以外は、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、嵩密度は４９
０　ｇ／ｌ、安息角４０”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２６５０　ｋｇ　／　
ａｍ　”、曲げ強度は３２５０ｋｇ／ａｍ”　、アイゾ
ツト衝撃値は８．２　ｋｇ−＞／ｃｓであった。

実施例４ 集束された炭素繊維連続ストランドを製造する際に、１
８０℃で１０秒間熱風で不完全乾燥させる以外は、実施
例１の（Ａ）の方法で炭素繊維連続ストランドを得た。

このストランド中の含水量は３０重量部であり、ストラ
ンド中の炭素繊維単糸間に存在している。

このストランドを実施例１と同様にして、チップを得た
。その、嵩密度は５４０　ｇ／ｌ、安息角は４３°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
素短繊維強化形成材料を製造したが、トラブルはなかっ
た。

射出形成した試験片の引張強度は２７００ｋｇ／ｃｓ＋
”、曲げ強度は３４００　ｋｇ　／　ｃｌｌ”　、アイ
ゾツト衝撃値は９．０に１・ａＩＩ／ｃｌＩであった。

比較例１ カッティングする際、ストランド同士間に注水しないこ
と以外は実施例１と同様にして実施したところ、付着量
５．０重量％、かさ密度３ＬＯｇ／Ａ’、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２１００ｋｇ／ａｍ”　、曲げ強度
１９００ｋｇ／ｃｍ”、アイゾツト衝撃値４．０　ｋｇ
−ｃｆｆｉ／ｃｍであった。

比較例２ カッティングする際、一旦ストランドを水で濡らした後
、布で表面付着水をふき取る以外は実施例１と同様にし
て、該チップを得た。このフィラメントの含水量は３重
量部で、ストランド中の繊維間にあると考えられる。

上記以外のことは実施例１と同様にして実施したところ
、付着１５．６重量％、かさ密度３４０ｇ／ｌ、安息角
５１°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（、
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２１７０ｋｇ／ｃｍ”　、曲
げ強度１９８０ｋｇ／ｃｆｆｉ”　、アイゾツト衝撃値
４．４　ｋｇ−ｃｍ／値であった。

比較例３ ストランド同士間に注水しないこと以外は、実施例４と
同様にして実施したところ、付着量５．６重量％、かさ
密度３４５　ｇ／ｌ、安息角５０″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
２３βＱｋｇ／ｃ＋ｍ”、曲げ強度２０５０　ｋｇ　／
　ｃｍ　２、アイゾツト衝撃値４．１ｋｇ−ｃｍ／　ｃ
ｍであった。

〔発明の効果〕

本発明の製造法によれば、極めて容易に集束性のある嵩
密度の高い炭素短繊維チップを製造することができ、こ
の方法で得られたチップは、押出機における食込みがよ
いので、繊維強化成形材の生産性が大幅に向上する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. サイジング剤により集束された炭素繊維連続ストランド
   をカッティングして、３０ｍｍ１以下の短繊維チップに
   する際、炭素繊維連続ストランド同士間の空隙に液体を
   満たした後、カッテングし、次いで、液体を分離して、
   チップを得ることを特徴とする短繊維チップの製造法