JPS62288633A - 連続炭素繊維とポリオレフイン樹脂との複合材料 - 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】 ３、発明の詳細な説明 本発明は、一般には炭素繊維複合材料に関し、特に、連
続炭素繊維とポリオレフィン樹脂との複合材料に関する
ものでる０本発明に係る炭素繊維複合材料は、炭素繊維
束の取扱い性に優れ、且つ屈曲性が良く賦形化が良好で
あるという特性を有し、特に土木、ケーブルの補強用材
料として好適に使用し得、又後加工特性が良いことから
種々の用途に使用し得るものである。

′　　　の　　　　　　び　、１　′　屯炭素繊維を素
材とした、軽量で且つ高強度、高弾性率の複合材料が種
々の分野で注目を浴び、様々な炭素繊維強化複合材料が
開発されている。

しかしながら、これら従来の炭素繊維強化複合材料は、
複雑な形状の樹脂複合体を製造するべく、射出成形法、
圧縮成形法等に好適なように熱可塑性樹脂又は熱硬化性
樹脂に、その充填物とし炭素ｍＭｋを混入したものであ
り、従って炭素繊維は短繊維及びチョツプド繊維として
使用され、本来炭素繊維が有する連続長繊維の強度を十
分には発現していない。

従来、連続炭素繊維は、強度並びに軽量性から各種スポ
ーツ用品、航空宇宙用構造材及び各種部品等に用いられ
てきたが、斯る物品は細径の連続炭素繊維モノフィラメ
ントを５００−１０００００本束ねて繊維束を形成し、
該繊維束を単独で又は複数本束ねて一緒に樹脂浴中に浸
清し、該繊維束に完全に樹脂を含浸させ、その後所定の
形に賦形し、完全に硬化させる製造方法にて作製された
。このような製造方法は、複雑な製造工程及び糸扱いの
難しさが問題とされ、又製造コストが必然的に高くなり
、該炭素繊維複合材料の用途範囲は限定されていた。

又、従来プルトルージョン法等により、不飽和ポリエス
テル樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いて作ら
れる樹脂含浸連続炭素繊維複合材料は屈曲性能が劣って
おり、繊維が折れるか又は屈曲径賦形せずに繊維束が戻
ってしまうかのいずれかであった。そのために、連続炭
素繊維複合材料の用途として土木、建築、各種ケーブル
補強材、各種工業用部品等が期待されているが、十分な
成果を得るまでには至っていない、又、特に土木、建築
の分野では、未硬化樹脂含浸連続炭素繊維を賦形化し、
その後硬化させる従来の工法では、現場施行が難しく且
つ又大規模製品を効率的に硬化させるのが難しい等の理
由により連続炭素繊維を幅広く用いることはなされてい
ない。

本発明者等は、連続炭素繊維を容易に賦形化でき、且つ
コスト的にも安価なものを開発する為に鋭意検討を行な
った結果、連続炭素繊維ストランドを熱可塑性樹脂とし
てポリオレフィン樹脂にて比較的薄肉にて被覆化するこ
とにより糸扱いが極めて容易で且つ屈曲しても折れるこ
とのない連続炭素繊維束が得られることを見出した。

更に、本発明者等は、研究実験を行なった結果、連続炭
素ｍｔｔｌ！、複合材料の屈曲性能及び糸扱い性は、連
続炭素繊維束が繊維束内に所定の空隙を有することが重
要であることを見出した。

本発明は上記新規な知見に基ずきなされたものである。

先立立ＩＪ 本発明の目的は、糸扱いが極めて容易で且つ屈曲特性に
優れた連続炭素繊維複合材料、つまり連続炭素繊維とポ
リオレフィン樹脂との複合材料を提供することでる。

免１立１１ 要約すれば１本発明に従えば、連続炭素繊維束をポリオ
レフィン樹脂にて被覆して成る連続炭素繊維複合材料が
提供される０本発明に好ましい実施態様によると、連続
炭素繊維束は空隙率が５％以上とされる。

次に１本発明に係る連続炭素繊維複合材料について更に
詳しく説明する。該連続炭素繊維複合材料は次の如くに
して製造し得る。

本発明に係る連続炭素繊維複合材料を製造するに際し、
細径の連続炭素繊維モノフィラメントを束にした繊維束
が使用される。炭素繊維束としては市場にて入手し得る
ピッチ系、ＰＡＮ系等の種々の炭素繊維並びに黒鉛繊維
を使用し得る。連続炭素繊維束は直径５〜１５Ｊｊ、ｍ
のモノフィラメントを５００−１０００００本束ねて用
いることができるが、本発明では繊維束への樹脂の薄肉
被覆を考慮すると、モノフィラメント１０００〜３００
００本を束ねて作製された繊維束が好適である。

又、繊維束に対しては、取り扱いを容易とし劣化を防止
するために、サイジング（サイズ剤処理）が施されるれ
るが、サイズ剤は通常の任意のものを使用することがで
き、エポキシ系、エステル糸導モノフィラメントの集束
性の良いものが遠択される。又、サイジング処理量とし
ては０．５〜５％、好ましくは１〜３％とされる。

上記連続炭素繊維束は、第１図に図示されるように、　
ｌＪ１ｍ束の供給源ｌから樹脂含浸槽２へと連統帥に供
給される。樹脂含浸槽２内には樹脂含浸溶液りが収納さ
れており、該溶液は、ポリオレフィン樹脂を有機溶剤に
“溶解して調製されるのが好適である。

又、ポリオレフィン樹脂としては、高密度ポリエチレン
（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、直鎖
状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、エチレンビニル
アセテート（ＥＶＡ）　、エチレンエチルアクリレート
（ＥＥＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリプロピレン
共重合体等を使用することができる。有機溶剤としては
、キシレン、トルエン、デカリン、テトラリン、ヘプタ
ン、オクタン、デカン等を使用することができる。

連続炭素繊維束は、上記含浸槽２内を所定の速度、一般
に０　、１〜５０　ｍ　／　ｍ　ｉ　ｎにて通糸され、
繊維束表面から内部へと樹脂が含浸される。

該繊維束は乾燥炉５へと送給される。該乾燥炉５にて溶
、媒は除去され本発明に係るポリオレフィン樹脂が薄肉
状で被覆された連続炭素繊維複合材料が形成される。

上述の構成とされる本発明に係る連続炭素繊維複合材料
は、比較的安価で且つ適度な剛性を有し、更に耐摩耗、
綴り返し曲げ疲労性が良いという特徴を有する。

ポリオレフィン樹脂の連続炭素繊維束への薄肉被覆方法
としては、上記含浸方法以外に、第２図に図示するよう
に、クロスヘッドダイ１１を有する押出し機１０を用い
る方法もある。該方法によると、溶融したポリオレフィ
ン樹脂をダイ１１中へと押出し機ｌＯにて注入しながら
連続炭素繊維束を通糸することによって所定断面形状を
有した連続炭素繊維複合材料が得られる。

上記いずれの方法によっても、本発明の連続炭素繊維複
合材料においては、連続炭素繊維束に付着する樹脂付着
量は、十分な屈曲性と糸のバラクが生じない複合材料を
提供する上から重要であり、好ましくは炭素繊維に対し
て２０−１０００ｗｔ％、更に好しくは３０〜３００ｗ
ｔ％である。又１本発明者等の研究によると、樹脂が完
全に＃ａ維東内部に浸透して完全含浸の状態では十分な
屈曲性を得ることができず、繊維束内部にはある程度空
隙を保持することが好しいことを見出した。下記式で示
される空隙率（ε）を用いると、該空隙率は、５％以上
が好しく、更に好ましくは５〜５０％である。

ｅ＝　［１−（（１−ｗ）／ｄｃ＋ｗ／ｄｐ）　ｄｒＪ
Ｘｌｏｏ　％ ここで、ｄＣ；炭素繊維の密度 ｄｐ：ポリオレフィン樹脂の密度 ｄｒ：複合材の密度 Ｗ；ポリオレフィン樹脂！１ｉ量分率 であり、ポリオレフィン樹脂ｆｆｒｆｔ分−１（Ｗ）は
焼成炉にて窒素ガス雰囲気下８００℃、１２時間焼成す
ることによりそのｍ　Ａｔ減少から求めた。

免にＡ］ 本発明によるポリオレフィン被ＹＱ連続炭素繊維ストラ
ンドは糸扱い性に優れ且つ屈曲性に優れており、後加工
が容易に達成され、従って各種用途に幅広く使用し得る
という特徴を有する。

本発明に係る炭素繊維複合材料のいくつかの代表的用途
を例示すると。

■円筒状の棒、パイプ等に巻きつけることが可使であり
、管材、ケーブルの補強等に使用し得る。

■２つ折りが可能であり、布、マット、或は礼状部分へ
の充填等に好適に使用し得る。

■繊維化が容易で裁断しても、縁部がバラクることがな
く、織物等に加工し、クロス、マット等に広く使用され
る。

０組ひも、ロープ状の加工が容易に行な得、又上述のよ
うに裁断しても切断部がバラクることがなく、海洋、土
木、建築、産業材料用の組ひも、ロープ等に好適に使用
される。

次に本発明に係るｉ！ｌ！続炭素繊維複合材料を実施例
について更に説明する。

支ム遺」 本実施例においては、連続炭素繊維として、東し社製Ｔ
−３００−６０００−５０Ｂを使用しポリオレフィン樹
脂としてポリエチレン（ＮＵＣ−９０２５）を使用した
。又、本実施例では、第２図に示すクロスへラドダイ１
１を有する押出し機１０を用い、溶融した前記ポリエチ
レンをグイｌｌ中へと押出し）ａｌＯにて注入しながら
前記連続炭素繊維束を通糸することによって連続炭素繊
維のポリエチレン被覆を行なった。この時、クロスヘッ
ドダイ１１の径は１ｍｍ、グイ温度を２３０℃、炭素繊
維束の通糸速度を２０ｍ／ｍｉｎとした。成形された連
続炭素繊維複合材料の径は１゜２ｍｍであり、その断面
形状は大略円形であった。物性は表１に示す通りであっ
た。

及ム遣」 クロスへラドダイの径を２ｍｍとした他は実施例１と同
様に成形を行なった。成形された連続炭素繊維複合材料
の径は２．１ｍｍであり、その断面形状は大略円形であ
った。物性は表１に示す通りであった。

又ｉ跣Ｊ 通糸速度を６０ｍ／ｍｉｎとした他は実施例１と同様に
成形を行なった。成形された連続炭素繊維複合材料の径
は１．Ｏｍｍであり、その断面形状は大略円形であった
。物性は表１に示す通りであった。

よＪＬＩＬ４ ポリエチレンの代りにエチレンビニルアセテート共重合
体（ＮＵＣ−８４５０）を用いた。他は実施例１と同様
に成形を行なった。成形された連続炭素繊維複合材料の
径は１．１ｍｍであり、その断面形状は大略円形であっ
た。物性は表１に示す通りであった。

支ム１」 ポリエチレンの代りにエチレンエチルアクリレート共重
合体（ＤＰＤＪ−６１８２）を用いた。

他は実施例１と同様に成形を行なった。成形された連続
炭素繊維複合材料の径は１．１ｍｍであり、その断面形
状は大略円形であった。物性は表１に示す通りであった
。

尖】Ｌ跣ｊ ポリエチレンの代りにポリプロピレン（Ｊ−２０９）を
用い、グイ温度を２４５℃とした。他は実施例１と同様
に成形を行なった。成形された連続炭素繊維複合材料の
径は１．２ｍｍであり、その断面形状は大略円形であっ
た。物性は表１に示す通りであった。

反較遺」 クロスへラドダイの径を３．０ｍｍとした以外は実施例
１と同様に成形を行なった。成形された連続炭素繊維複
合材料の径は３．１ｍｍであり、その断面形状は大略円
形であった。物性は表１に示す通りであった。

支ム１１ 本実施例は第１図に示す含浸装置を用いて行なった。ポ
リオレフィン樹脂としてはポリエチレン（ＮＵＣ−９０
２５）を用い、該ポリエチレンをキシレンに１２０℃で
溶解し２０ｗｔ％の樹脂含浸溶液りを調製した。該溶液
を含浸槽２に入れ、１２０℃に加温し、実施例１で使用
したと同じ炭素繊維束を２　ｍ　／　ｍ　ｉ　ｎで通糸
した。成形品の断面形状は楕円形状とされ、長径は１．
５ｍｍ、短径は１．１ｍｍであり、物性は表２に示す通
りであった。

犬」ｕｌｌ ポリエチレンの代りにエチレンビニルアセテート共重合
体（ＤＱＤＪ−７１９７）を用いた。他は実施例７と同
様にして成形を行なった。物性は表２に示す通りであっ
た。

欠」Ｌ跣」 ポリエチレンの代りにエチレンエチルアクリレート共重
合体（ＮＵＣ−６０７０）を用いた。他は実施例７と同
様にして成形を行なった。物性は表２に示す通りであっ
た。

ル較１」 ポリエチレンの代りにビニルエステル樹脂（リポキシＲ
−８０２）を用い、含浸槽２の後に引抜ダイを設置し、
引抜成形を行なった。引抜ダイの径は１ｍｍとされた。

他は実施例７と同様にして成形を行なった。成形された
連続炭素繊維複合材料の断面形状は円形状とされ、径は
１ｍｍであり、物性は表２に示す通りであった。

Ｌ狡遺」 ビニルエステル樹脂の代りにエポキシ樹脂（エピコート
８２８）を用い、他は比較例２と同様にして引抜き成形
を行なった。成形された連続炭素繊維複合材料の断面形
状は円形状とされ、径は１ｍｍであり、物性は表２に示
す通りであった。

１狡１」 実施例９で得られた成形品を再度比較例２で使用した引
抜ダイを用いて引抜成形を行なった。成形された連続炭
素繊維複合材料の断面形状は円形状とされ、径は１ｍｍ
であり、物性は表２に示す通りであった。

表１．２において、引張強度及び屈曲性は次の如くにし
て測定された。

引張強度は、第３図及び第４図に図示されるように、二
つのローラに成形された連続炭素繊維複合材料の両端を
巻付け、インストロン社製引張試験機により破断強度を
測定した０表示法としては破断時の絶対強度をもって表
した。

屈曲性は、第５図に図示されるように、直径８０ｍｍの
紙管に一端を粘着テープにて固定し、数回巻きつけ、他
端を５０ｃｍ垂らした時にａ戻りが起きないものを屈曲
性良好（０）とし１巻戻るものを不良（Δ）１巻き付け
る時に折れる等巻き付けができないものを（×）として
評価した。

表１ 表２

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る連続炭素繊維複合材料の一つの
製造方法を示す概略図である。 第２図は１本発明に係る連続炭素繊維複合材料の他の製
造方法を示す概略図である。 第３図及び第４図は、連続炭素繊維複合材料の引張強度
試験方法を示す側面図及び正面図である。 第５図は、連続炭素繊維複合材料の屈曲性試験方法を示
す正面図である。 ２：樹脂含浸槽 ５：乾燥炉 １０：押出し機 ｌｌ：クロスへラドダイ 代理人　　弁理士　　倉　橘　　暎　　０２１゛！１．
＋ １ユ−ニ」 第１図 第２図 第３図　第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）炭素繊維モノフィラメントを複数本束ねて形成され
   る連続炭素繊維束にポリオレフィン樹脂を含浸させ、被
   覆して成る連続炭素繊維複合材料。 ２）連続炭素繊維束は空隙率が５％以上とされる特許請
   求の範囲第１項に記載の連続炭素繊維複合材料。 ３）空隙率が５〜５０％である特許請求の範囲第２項記
   載の連続炭素繊維複合材料。 ４）ポリオレフィン樹脂は、高密度ポリエチレン（ＨＤ
   ＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、直鎖状低密
   度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、エチレンビニルアセテ
   ート（ＥＶＡ）、エチレンエチルアクリレート（ＥＥＡ
   ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等である特許請求の範囲第
   １項〜第３項のいずれかの項に記載の連続炭素繊維複合
   材料。