JPWO2013118689A1 - 炭素繊維複合材料 - Google Patents
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Abstract
Description
30≦Y<90(wt%)
の範囲にあり、炭素繊維束(1)のMn/Lnの平均値Xが、
1.1×10-2≦X≦8.1×10-2(mg/mm)
の範囲にあり、かつ、前記Yが、
Y≧100X+30
を満たすことを特徴とするものからなる。
Mn:炭素繊維束重量
Ln:炭素繊維の繊維長
D:炭素繊維の繊維径
1.5×10-2≦X≦5.5×10-2(mg/mm)
の範囲にあることが好ましい。
40≦Y≦65(wt%)
の範囲にあることが望ましい。
先ず、本発明において使用される炭素繊維は、特に限定されないが、高強度、高弾性率炭素繊維が使用でき、これらは1種または2種以上を併用してもよい。中でも、PAN系、ピッチ系、レーヨン系などの炭素繊維が挙げられる。得られる成形品の強度と弾性率とのバランスの観点から、PAN系炭素繊維がさらに好ましい。炭素繊維の密度は、1.65〜1.95g/cm3のものが好ましく、さらには1.70〜1.85g/cm3のものがより好ましい。密度が大きすぎるものは得られる炭素繊維強化プラスチックの軽量性能に劣り、小さすぎるものは、得られる炭素繊維強化プラスチックの機械特性が低くなる場合がある。
30≦Y<90(wt%)
の範囲にあり、かつ、後述する炭素繊維束(1)のMn/Lnの平均値Xと前記Yが、
Y≧100X+30
を満たすこととで、高流動性と機械特性を両立でき、機械特性のばらつきも少なく、細かい部位への炭素繊維追従性にも優れた炭素繊維複合材料を得ることができる。
Mn:炭素繊維束重量
Ln:炭素繊維の繊維長
D:炭素繊維の繊維径
1.1×10-2≦X≦8.1×10-2(mg/mm)
の範囲を満たすことで、高流動性と機械特性を両立でき、機械特性のばらつきも少なく、細かい部位への炭素繊維追従性にも優れた炭素繊維複合材料を得ることができる。
F:炭素繊維の繊度
先ず、実施例、比較例で用いた特性、測定方法について説明する。
(1)束の測定方法
炭素繊維複合材料から100mm×100mmのサンプルを切り出し、その後、サンプルを500℃に加熱した電気炉の中で1時間程度加熱してマトリックス樹脂等の有機物を焼き飛ばした。室温まで冷却した後に残った炭素繊維集合体の質量を測定した後に、炭素繊維集合体から炭素繊維束をピンセットで全て抽出した。抽出した全ての炭素繊維束について、1/10000gまで測定が可能な天秤を用いて、個々の炭素繊維束の重量Mnと長さLnを測定する。測定後、個々の束に対してMn/Ln、Mn/(Ln×D)、xn=Mn/(Ln×F)を計算する。ここでDとは炭素繊維直径であり、Fとは炭素繊維の繊度であり、xnは炭素繊維束の構成繊維本数ある。Mn/(Ln×D)の値が8.5×10−1mg/mm2以上の繊維束を炭素繊維束(1)とし、炭素繊維束(1)の総重量をMAとし、束総数をNとして、測定する。また、8.5×10−1mg/mm2未満の炭素繊維束を繊維束(2)とし、炭素繊維束(2)の総重量をMBとして、測定する。ピンセットで抽出することの出来ない程度に開繊した繊維束はまとめて最後に重量を測定した。また、繊維長が短く、重量の測定が困難になる場合は繊維長を0.2mm程度の間隔で分類し、分類した複数本の束をまとめて重量を測定し、平均値を用いてもよい。全て分類し、測定後、炭素繊維束(1)に対してΣ(Mn/Ln)/N、x=Σ{Mn/(Ln×F)}/N、σ={1/N×Σ(xn−x)2}1/2を計算し、炭素繊維束(1)のMn/Lnの平均値Xと繊維束の構成繊維本数の平均値xと繊維束の構成繊維本数の標準偏差σを求める。なお、Nは炭素繊維(1)の束総数である。また、炭素繊維束全体重量に対する炭素繊維束(1)の割合は、
MA/(MA+MB)×100
によって求められる。
マトリックス樹脂がナイロン(Ny)の場合:
寸法100×100mm×2mmの炭素繊維複合材料を2枚260℃に予熱後、2枚重ねて120℃に昇温したプレス盤に配し、20MPaで5s間加圧した。この圧縮後の面積A2と圧縮前のシートの面積A1を測定し、A2/A1を流動性(%)とした。マトリックス樹脂がポリプロピレン(PP)の場合:寸法100×100mm×2mmの炭素繊維複合材料を2枚230℃に予熱後、2枚重ねて80℃に昇温したプレス盤に配し、20MPaで5s間加圧した。この圧縮後の面積A2と圧縮前のシートの面積A1を測定し、A2/A1を流動性(%)とした。
マトリックス樹脂がNyの場合:
図2に示すように、寸法100×100mm×2mmの炭素繊維複合材料11を2枚260℃に予熱後、2枚重ねて120℃に昇温した高さ15mm、幅1.0mmのリブ形状12を有するプレス盤13に配し、15MPaで5s間加圧した。この圧縮後の成形品を取り出し、リブの状態を観察し、リブの角まで炭素繊維と熱可塑性樹脂が流動し、充填されているものには○、リブの角まで熱可塑性樹脂は充填されているが、炭素繊維が充填されていない樹脂リッチ部が観察されれば△、リブの角まで充填されず、成形品に欠けが観察されれば×とした。
マトリックス樹脂がPPの場合:
寸法100×100mm×2mmの炭素繊維複合材料を2枚230℃に予熱後、2枚重ねて80℃に昇温した高さ15mm、幅1.0mmのリブ形状を有するプレス盤に配し、15MPaで5s間加圧した。この圧縮後の成形品を取り出し、リブの状態を観察し、リブの角まで炭素繊維と熱可塑性樹脂が流動し、充填されているものには○、リブの角まで熱可塑性樹脂は充填されているが、炭素繊維が充填されていない樹脂リッチ部が観察されれば△、リブの角まで充填されず、成形品に欠けが観察されれば×とした。
炭素繊維強化プラスチックの成形品から約2gのサンプルを切り出し、その質量を測定した。その後、サンプルを500℃に加熱した電気炉の中で1時間加熱してマトリックス樹脂等の有機物を焼き飛ばした。室温まで冷却してから、残った炭素繊維の質量を測定した。炭素繊維の質量に対する、マトリックス樹脂等の有機物を焼き飛ばす前のサンプルの質量に対する比率を測定し、炭素繊維の含有率とした。
JIS-K7171に準拠して曲げ強度を測定した。
下記式で計算した。
繊維強度利用率=曲げ強度/Vf
単糸曲げ剛性=E×I
にて計算した。ここで、
E:単糸弾性率
I:断面二次モーメント
である。
繊維断面を真円と仮定し、繊維直径Dから断面二次モーメントを求め、単糸引張弾性率と断面二次モーメントから曲げ剛性を求めた。
炭素繊維束の硬さを表すドレープ値から単糸の曲げ剛性を除することで、サイジング剤(Sz剤)の収束性の指標とした。
図3(a)に示すように、ボビンからテンションをかけずに引き出した炭素繊維束21を40cmの長さにカットし、一端を止めテープ22で固定し、もう一端に100gの重り23を吊るし、撚りおよび曲がりを矯正した後、測定温度の雰囲気中に30分間放置する。次に、重り23を取り外し、図3(b)に示すように、角が90°の水平な長方形の台24から炭素繊維束25が25cmはみ出るように置き、40cmの炭素繊維束が折れないように支えながら台上の炭素繊維部分を止めテープ26で固定した後、台からはみ出た部分の支えを取り除いて垂れ下がらせ、2秒後に始点からの水平距離Lの長さを測定し、n数3回の平均をドレープ値とした。
炭素繊維束(A):繊維径5.5μm、引張弾性率294GPa、単糸曲げ剛性1.32×10−11Pa
・m4、フィラメント数24000本の連続した炭素繊維束に対し、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル100%成分(分子量=670)の水系サイジング剤(Sz剤)(A)を炭素繊維束に1.0重量%付着させた炭素繊維束(A)を得た。このときの炭素繊維束(A)のドレープ値は6.6cmであった。
繊維径7μm、引張弾性率230GPa、単糸曲げ剛性2.71×10−11Pa・m4、フィラメント数24000本の連続した炭素繊維束に対し、ビスフェノールA型エポキシ樹脂40%成分(分子量=370)と不飽和物エステル樹脂として、ビスフェノールA型エチレンオキサイドマレイン酸エステル40%成分(分子量=2500)、乳化剤20%を主成分にしたサイジング剤(B)を炭素繊維束に1.0重量%付着させた炭素繊維束(B)を得た。このときの炭素繊維束(B)のドレープ値は16.8cmであった。
繊維径7μm、引張弾性率230GPa、単糸曲げ剛性2.71×10−11Pa・m4、フィラメント数24000本の連続した炭素繊維束に対し、ポリウレタン樹脂の水分散体(第一工業製薬(株)製“スーパーフレックス” (登録商標)300:被膜伸度1500%)を用い、本サイジング剤を水で希釈してサイジング剤濃度が1.0%のサイジング剤(C)を炭素繊維束に1.0重量%付着させた炭素繊維束(C)を得た。このときの炭素繊維束(C)のドレープ値は22.0cmであった。
維径7μm、引張弾性率230GPa、単糸曲げ剛性2.71×10−11Pa・m4、フィラメント数24000本の連続した炭素繊維束に対し、サイジング剤を付与せず炭素繊維束(D)を得た。このときの炭素繊維束(D)のドレープ値は2.0cmであった。
炭素繊維束(A)を繊維長10mmにカットし、カットした炭素繊維束とナイロン6短繊維(短繊維繊度1.7dtex、カット長51mm、捲縮数12山/25mm、捲縮率15%)を質量比で90:10の割合で混合し、カーディング装置に投入した。出てきたウェブをクロスラップし、炭素繊維とナイロン6繊維とからなる目付100g/cm2のシート状の炭素繊維集合体を形成した。
実施例1に対し、表1に示すように条件を変更した以外実施例1と同様にして炭素繊維複合材料の平板を得た。条件、測定、評価結果を表1に併せて示す。
炭素繊維束(B)を繊維長15mmにカットし、カットした炭素繊維束とポリプロピレン短繊維(短繊維繊度1.7dtex、カット長51mm、捲縮数12山/25mm、捲縮率15%)を質量比で90:10の割合で混合し、炭素繊維とポリプロピレン繊維からなる目付100g/cm2のシート状の炭素繊維集合体を形成し、炭素繊維と熱可塑性樹脂の体積比が25:75となるようにポリプロピレン樹脂メルトブロー不織布(「J709QG」、MFR=55g/10min、プライムポリマー(株)製)を積層した以外は実施例1と同様とした。条件、測定、評価結果を表2に示す。
実施例1に対し、表2に示すように条件を変更した以外実施例1と同様にして炭素繊維複合材料の平板を得た。条件、測定、評価結果を表2に併せて示す。
炭素繊維束(B)を繊維長6mmにカットし、カットした炭素繊維束とナイロン6不連続繊維(短繊維繊度1.7dtex、カット長6mm)を質量比で90:10の割合で混合した。カットした炭素繊維束とナイロン6不連続繊維の混合物を小孔を有した管内に供給し、圧縮空気を送気し、管内で開繊を行った。次に管出口下部に、XY方向に移動可能なテーブルを設置し、テーブル下部よりブロワにて吸引を行い、炭素繊維とナイロン6繊維からなる目付100g/cm2のシート状の炭素繊維集合体を得た。
)sとなるように積層し、さらに積層した炭素繊維集合体全体で、炭素繊維と熱可塑性樹脂の体積比が25:75となるようにナイロン樹脂メルトブロー不織布(「CM1001」、ηr=2.3、東レ(株)製)を積層した後に、全体をステンレス板で挟み、240℃で90s間予熱後、2.0MPaの圧力をかけながら180s間、240℃にてホットプレスした。ついで、加圧状態で50℃まで冷却し、厚さ2mmの炭素繊維複合材料の平板を得た。得られた平板の表層の0°方向に対して、0°と90°方向の曲げ強度を測定したところ、0°と90°方向の曲げ強度の平均値は375MPaであり、繊維強度利用率15.0MPa/%、CV値が5%未満であった。
実施例15に対し、表2に示すように条件を変更した以外実施例1と同様にして炭素繊維複合材料の平板を得た。条件、測定、評価結果を表2に併せて示す。
炭素繊維束(B)を繊維長15mmにカットし、カットした炭素繊維束とナイロン6不連続繊維(短繊維繊度1.7dtex、カット長51mm、捲縮数12個/25mm、捲縮率15%)を質量比で90:10の割合で混合し、カーディング装置に投入し、開繊した炭素繊維とナイロン6繊維とからなる混合原綿を得た以外は実施例1と同様とした。表3に示すように、繊維強度利用率は良いが流動性とリブへの炭素繊維の追従性が劣る。
炭素繊維束(D)を繊維長15mmにカットし、カットした炭素繊維束とナイロン6不連続繊維(短繊維繊度1.7dtex、カット長51mm、捲縮数12個/25mm、捲縮率15%)を質量比で90:10の割合で混合し、カーディング装置に投入した以外は実施例1と同様とした。結果を併せて表3に示す。繊維強度利用率は良いが流動性とリブへの炭素繊維の追従性が劣る。
表3に示す条件で実施した。結果、表3に示すように、流動性は良いが、リブへの炭素繊維の追従性が劣り、繊維強度利用率も低く、物性のばらつきも大きい。
表3に示す条件で実施した。結果、表3に示すように、流動性は良いが、リブへの炭素繊維の追従性が劣り、繊維強度利用率も低く、物性のばらつきも大きい。
炭素繊維束(B)を繊維長15mmにカットし、カットした炭素繊維束とナイロン6短繊維(短繊維繊度1.7dtex、カット長6mm)を質量比で90:10の割合で混合し、カットした炭素繊維束とナイロン6不連続繊維の混合物を小孔を有した管内に供給し、圧縮空気を送気し、管内で開繊を行った。次に管出口下部に、XY方向に移動可能なテーブルを設置し、テーブル下部よりブロワにて吸引を行い、炭素繊維とナイロン6繊維からなる目付100g/cm2のシート状の炭素繊維集合体を得た。
炭素繊維束(B)を繊維長15mmにカットし、カットした炭素繊維束とポリプロピレン短繊維(短繊維繊度1.7dtex、カット長6mm)を質量比で90:10の割合で混合し、炭素繊維とポリプロピレン繊維の混合物を小孔を有した管内に供給し、圧縮空気を送気し、管内で開繊を行った。次に管出口下部に、XY方向に移動可能なテーブルを設置し、テーブル下部よりブロワにて吸引を行い、炭素繊維とポリプロピレン繊維からなる目付250g/cm2のシート状の炭素繊維集合体を得た。シート状の炭素繊維集合体のMD(Machine Direction)を0°とし、炭素繊維集合体を12枚、(0°/90°/0°/90°/0°/90°)sとなるように積層し、さらに積層した炭素繊維集合体全体で、炭素繊維と熱可塑性樹脂の体積比が44:56となるようにポリプロピレン樹脂メルトブロー不織布(「J709QG」、MFR=55g/10min、プライムポリマー(株)製)を積層した以外は比較例5と同様とした。
比較例5に対して、表3に示すように条件を変更した以外比較例5と同様にして炭素繊維複合材料の平板を得た。条件、測定、評価結果を表3に併せて示す。
2 シリンダーロール
3 テイクインロール
4 ドッファーロール
5 ワーカーロール
6 ストリッパーロール
7 フィードロール
8 ベルトコンベアー
9 不連続な炭素繊維
10 シート状のウエブ
11 炭素繊維複合材料
12 リブ形状
13 プレス盤
21 炭素繊維束
22 止めテープ
23 重り
24 台
25 炭素繊維束
26 止めテープ
Claims (9)
- 炭素繊維と熱可塑性樹脂から成り、Mn/(Ln×D)が8.5×10-1(mg/mm2)以上の炭素繊維束(1)の炭素繊維全体重量に対する割合Yが、
30≦Y<90(wt%)
の範囲にあり、炭素繊維束(1)のMn/Lnの平均値Xが、
1.1×10-2≦X≦8.1×10-2(mg/mm)
の範囲にあり、かつ、前記Yが、
Y≧100X+30
を満たすことを特徴とする炭素繊維複合材料。
Mn:炭素繊維束重量
Ln:炭素繊維の繊維長
D:炭素繊維の繊維径 - 前記炭素繊維束(1)のMn/Lnの平均値Xが、
1.5×10-2≦X≦5.5×10-2(mg/mm)
の範囲にある、請求項1に記載の炭素繊維複合材料。 - 前記炭素繊維束(1)の束を構成する繊維本数xn=Mn/(Ln×F)の標準偏差σが50≦σ≦400の範囲にある、請求項1または2に記載の炭素繊維複合材料。
F:炭素繊維の繊度 - 前記炭素繊維束(1)が、25℃におけるドレープ値/曲げ剛性(cm/(Pa・cm4))が3.5×103〜9.0×103(cm/(Pa・cm4))の範囲にある炭素繊維束から形成されている、請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊維複合材料。
- 前記炭素繊維束(1)における炭素繊維の繊維長Lnが5〜25mmの範囲にある、請求項1〜4のいずれかに記載の炭素繊維複合材料。
- 前記炭素繊維束(1)の炭素繊維全体重量に対する割合Yが、
40≦Y≦65(wt%)
の範囲にある、請求項1〜5のいずれかに記載の炭素繊維複合材料。 - 前記炭素繊維束(1)を構成する炭素繊維の単糸曲げ剛性が1.0×10-11〜2.8×10-11(Pa・m4)の範囲内にある、請求項1〜6のいずれかに記載の炭素繊維複合材料。
- 前記炭素繊維複合材料中の炭素繊維集合体がカーディング工程によって得られた炭素繊維不織布からなる、請求項1〜7のいずれかに記載の炭素繊維複合材料
- 前記炭素繊維複合材料が前記炭素繊維集合体に熱可塑性樹脂を含浸させたスタンパブルシートからなる、請求項1〜8のいずれかに記載の炭素繊維複合材料。
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