TW201339217A - 碳纖維強化聚丙烯薄片及其成形品 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種碳纖維強化聚丙烯薄片，其係含有碳纖維與基質樹脂；其中該碳纖維係質量平均纖維長度為1.5mm~20mm；該基質樹脂包含聚丙烯及酸改質聚丙烯；其特徵在於，碳纖維分散呈單纖維狀，且碳纖維與基質樹脂之界面剪切強度為5.50~10.5MPa。本發明係提供一種碳纖維強化聚丙烯薄片，其係包含不連續碳纖維與聚丙烯之碳纖維強化聚丙烯薄片；其可成形為複雜形狀，力學特性為等向性，為用以得到力學特性與耐衝擊性優越之成形品。

Description

碳纖維強化聚丙烯薄片及其成形品
本發明係關於碳纖維強化聚丙烯薄片及其成形品。
碳纖維強化塑膠(以下稱為CFRP：Carbon Fiber Reinforced Plastic)係因輕量且具有優越機械特性，而在高爾夫球桿、釣竿、球拍等運動用品材料和航空機器用途上有著良好的成績，近年來，於風車葉片、壓力容器、建築增強材料等產業領域中的應用亦有所進展。又，特別是將焦點集中在電動車的開發活絡化，而對於輕量化的要求增加的自動車用途方面。
習知之CFRP係就對於高力學特性之要求而言，環氧樹脂等熱硬化樹脂為其主流。然而，近年來對於使用加工週期快、生產性優異之熱塑性樹脂的CFRP，亦有著多元化的研究。尤其是使用了輕量且價廉，耐水性及耐化學藥品性亦優越之聚丙烯的基質樹脂之CFRP(以下稱為熱塑性CFRP)係被期待在產業用途上的廣泛應用。
熱塑性CFRP係可為一般射出成形用之混合 物顆粒形狀或衝壓成形用之薄片形狀等。特別是有使用不連續纖維之熱塑性CFRP薄片係生產性及賦形性優異，而為以產業用途為中心的材料形態。
[先前技術文獻] [專利文獻]
在專利文獻1中，有揭示一種薄片狀材料，其係使熱塑性樹脂含浸於包含具有特定纖維長度分布之不連續的強化纖維之薄片上。又，專利文獻2中有揭示一種薄片狀材料，其係使熱塑性樹脂含浸在經無規配向過之切股(chopped strand)。該等文獻中所示之使用熱塑性CFRP薄片的成形品係顯示出優異的力學特性。
在專利文獻3中，揭示一種利於擠壓成形之材料，其係可提高不連續之碳纖維與熱塑性樹脂之階著性，可兼具力學特性與耐衝擊性。
[專利文獻1]日本特開2010-235779號公報
[專利文獻2]國際公開第2007/020910號
[專利文獻3]日本特開2008-169344號公報
[專利文獻4]日本特開2010-150358號公報
[專利文獻5]日本特開2002-1316號公報
[非專利文獻]
[非專利文獻1]Chiang W. Y. And Huang C. Y., Composites Polymer, 4(1991), 251.
[非專利文獻2]Drzal, L. T., Mater. Sci. Eng. A126 (1990), 289
使用專利文獻1或專利文獻2所記載之熱塑性CFRP的成形品係顯示出脆性破壞行為，而期望耐衝擊性之提升。
專利文獻3中所記載之利於擠壓成形用之材料，亦無法說是耐衝擊性充分。
本發明之課題係在於提供一種不連續碳纖維強化聚丙烯薄片，其係耐衝擊性與力學特性之平衡優異。具體來說，本發明之課題在於提供具有高力學特性，且兼具高耐衝擊性之不連續碳纖維強化聚丙烯薄片及其成形品。
為了解決上述課題，本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片係具有下述構成。亦即，其係一種碳纖維強化聚丙烯薄片，其係含有碳纖維與基質樹脂；其中該碳纖維係質量平均纖維長度為1.5mm~20mm；該基質樹脂包含聚丙烯及酸改質聚丙烯；其特徵在於，碳纖維分散呈單纖維狀，且碳纖維與基質樹脂之界面剪切強度為5.50~10.5MPa。
又，本發明之成形品係具有下述構成。亦即，其係一種成形品，其係將上述碳纖維強化聚丙烯薄片予以成形而獲得。
本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片係以在基質樹脂中含有0.1~5質量%之酸改質聚丙烯為佳。
本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片較佳的是於碳纖維強化聚丙烯薄片所含有之碳纖維中，纖維長度超過5mm之碳纖維為20質量%以上75質量%以下，纖維長度小於2mm之碳纖維為1.0質量%以上25質量%以下。
本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片較佳的是於碳纖維強化聚丙烯薄片所含有之碳纖維中，纖維長度超過5mm之碳纖維為50質量%以上70質量%以下，纖維長度小於2mm之碳纖維為1.0質量%以上10質量%以下。
本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片較佳的是於上述碳纖維之二維配向角度度數分布中，於本發明說明書中所定義之30°刻度之相對度數的最大值在0.25以下，相對度數的最小值在0.090以上。
本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片較佳的是碳纖維之體積含有率為10~40%。
本發明之成形品較佳的是成形品中之本發明說明書中所定義空孔率為3%以下。
本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片係藉由將碳纖維之纖維長度、碳纖維與聚丙烯界面之接著性設定在特定範圍中，而可具有隨著纖維之拉扯的能量吸收變大、顯示出高力學特性，並表現出非常優異之耐衝擊性之前所未知的特徵。使用此碳纖維強化聚丙烯薄片之成形品係適合使用於電氣/電子機器之框架或汽車之衝擊吸收構件。
[實施發明之形態]
本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片係包含質量平均纖維長度為1.5mm~20mm之碳纖維與聚丙烯及酸改質聚丙烯；其係碳纖維分散呈單纖維狀，且碳纖維與基質樹脂之界面剪切強度為5.50~10.5MPa。透過滿足該等條件，則可創造出力學特性與耐衝擊性兩者均優異之成形品所使用之碳纖維強化聚丙烯薄片。
關於以不連續纖維所強化過之CFRP，藉由使碳纖維與基質樹脂之接著提升，而使力學特性與耐衝擊性提高之技術係屬一般技術(參照專利文獻3、4、5、非專利文獻1)。
然而，關於在具有一定纖維長度之不連續纖維中，藉由賦予特定範圍之界面接著性，則隨著纖維之拉扯的能量吸收變大、顯示出高力學特性，並表現出非常優異之耐衝擊性方面，係由本案發明者等所揭明。另一方面，當纖維長度過長時，不僅是對於複雜形狀之賦形性降低，纖維之透過彎曲或交絡之力學特性亦會降低。本發明係經由發現到纖維長度及界面剪切強度經特定過之碳纖維強化聚丙烯薄片可依維持高賦形性之狀態下，亦可兼具力學特性與耐衝擊性，而完成者。
於此，本發明中記載之力學特性係指由彈性率或強度、破斷應變等靜態力學試驗所得到之材料的物性值，可與由動態力學試驗所得到之耐衝擊性有所區別。
以下，係針對本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片及其成形品進行更為詳細的說明。
本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片係有將質量平均纖維長度設為1.5mm以上20mm以下的必要。其中，所謂的質量平均纖維長度係表示將碳纖維之質量定為100%時之質量平均的纖維長度。藉此，質量平均纖維長度係可表示為碳纖維強化聚丙烯薄片中所含之碳纖維之纖維長度的平均。質量平均纖維長度(Lw)係可依下式表示。
Lw=Σ(Li×Wi)
‧ Li：經測量之纖維長度(i=1,2,3,...400)(單位：mm)
‧ Wi：纖維長度Li之碳纖維的質量分率(i=1,2,3,...400)(單位：質量%)
當碳纖維之質量平均纖維長度小於1.5mm時，碳纖維之補強效果偏低，而未能獲得充分的力學特性，又，由於碳纖維與基質樹脂界面之面積較小，故耐衝擊性降低。在質量平均纖維長度超過20mm的情形下，於積層步驟至成形步驟中，厚度膨脹會變大，而有損操作性。此外，因碳纖維之分散性低，故成為束狀，而在成形品中包含空孔。另外，因為纖維彎曲、交絡等主要因素，而會有成形品之力學特性及耐衝擊性降低的情形。
又，較佳的是於本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片所含有之碳纖維中，纖維長度超過5mm之碳纖維為20質量%以上75質量%以下，纖維長度小於2mm之碳纖維為1.0質量%以上25質量%以下。透過含有20質量%以上之 纖維長度超過5mm之碳纖維，則可獲得力學特性與耐衝擊性之平衡優越的薄片。又，如在75質量%以下，則可抑制厚度方向之膨脹，而得以達成生產性之提升與空孔減少之效果。當含有1.0質量%以上之纖維長度小於2mm之碳纖維時，可改善賦形時之流動性。又，如為25質量%以下，則力學特性與耐衝擊性之平衡優異。此處之碳纖維之質量比例係表示當將碳纖維定為100%時之經質量平均的纖維長度之比例。
於本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片所含有之 碳纖維中，較佳的是纖維長度超過5mm之碳纖維為50質量%以上70質量%以下，纖維長度小於2mm之碳纖維為1.0質量%以上10質量%以下。藉由纖維長度分布於此範圍內，則力學特性與耐衝擊性可更加優越。
作為碳纖維之纖維長度的測量方法，並無特 別限制，例如有將碳纖維聚丙烯薄片之表面予以顯微鏡觀察而量測碳纖維之纖維長度的方法，或使用僅將碳纖維聚丙烯薄片之基質樹脂溶解之溶劑進行溶解，將殘留之碳纖維過濾，並藉由顯微鏡觀察而予以測量之方法(溶解法)。在沒有將基質樹脂溶解之溶劑的情形下，則有於碳纖維不會氧化減量之溫度範圍中，僅將基質樹脂燒去，並將碳纖維分別開，透過顯微鏡觀察而予以測量之方法(燒去法)等。測量係任意選出400根碳纖維，利用顯微鏡將其長度予以測量直至1μm為止，而得以測量到纖維長度及其比例。
又，在預先切割本發明中所使用之碳纖維而 使用時，切割長度係考慮到碳纖維聚丙烯薄片之質量平均纖維長度而進行適當選擇。作為切割方法，係可列舉有使用匣式切割刀之方法或使用剪斷切割刀之方法等，並沒有特別限制，可考慮尺寸制度、作業性、生產性等而適當選擇。
本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片中之碳纖維 重要的是要分散呈單纖維狀。於分散呈單纖維狀時，相接近之複數個碳纖維單絲為於其長度方向上互相不為平行或不為接觸的狀態。於相接近之複數個碳纖維單絲互相平行且接觸的情形下，該等為束狀。在束狀碳纖維大量存在時，藉由碳纖維與基質樹脂界面之面積減少，而力學特性與耐衝擊性降低。另外，基質樹脂之含浸效率降低，會發生空孔，則力學特性降低。
關於碳纖維之分散狀態，實質上可依纖維分 散率來評估。所謂的纖維分散率係指在將由碳纖維單纖維(a)與跟該碳纖維單纖維(a)所接觸之碳纖維單纖維(b)所形成之二維接觸角度在0°至90°之銳角側進行量測時，1°以上之該碳纖維單纖維(b)的數量比例。
本發明中所謂分散呈單纖維狀係表示此纖維 分散率為90%以上。當為分散呈單纖維狀時，亦即，在碳纖維分散率小於90%的情形時，束狀碳纖維大量存在，而會因碳纖維與基質樹脂界面之面積減少，使力學特性與耐衝擊性降低。又，基質樹脂之含浸效率降低，發生空孔，則力學特性降低。更佳的碳纖維分散狀態，係為纖維分散率96%以上。
其中，求取纖維分散率所使用之碳纖維的二 維接觸角度係可依下述方法計算出。任意選出100根碳纖維單纖維(a)，針對所有與該碳纖維單纖維(a)接觸之碳纖維單纖維(b)，量測二維接觸角度。接觸角度係在0°至90°之銳角側進行量測，並由已量測過二維接觸角度之碳纖維單纖維(b)之總數來計算出接觸角度小於1°之碳纖維單纖維(b)之比例。
另外，作為量測碳纖維之二維接觸角度的部 分，並沒有特別限制，較佳的是避開成形品端部，而盡可能的在中央附近，甚至以使用沒有凸起部(boss)、肋部及成形品之厚度變化的部分來測量。
具體來說，對於從碳纖維聚丙稀薄片測量碳 纖維之二維接觸角度的方法，並沒有限制，例如，可例示有從碳纖維聚丙稀薄片之表面觀察碳纖維之方法。此時，當將碳纖維強化聚丙稀薄片表面予以研磨而使露出纖維時，因可更容易地觀察碳纖維，故較佳。又，可例示有對於碳纖維強化聚丙烯薄片利用穿透光來觀察碳纖維配向之方法。此時，當將碳纖維強化聚丙稀薄片切成薄片材時，因可更容易地觀察碳纖維，故較佳。此外，亦可例示有將碳纖維強化聚丙稀薄片予以X射線CT穿透觀察，而將碳纖維之配向影像進行攝影之方法。於X射線穿透性高之碳纖維的情形，當將示蹤劑用纖維混合至碳纖維，或者是當將示蹤劑用化學藥劑塗布於碳纖維時，因可更容易地觀察碳纖維，故較佳。
使碳纖維分散呈單纖維狀之方法，並沒有特 別限制，例如，可列舉有利用乾式或濕式等抄紙法，或利用乾式吹附法等，而得到不織布狀碳纖維基材的方法。又，亦可以是混合有機纖維、有機化合物或無機化合物至該碳纖維基材上，或碳纖維彼此以其他成分填充，或碳纖維與基質樹脂接著。
為了提高碳纖維的分散，乾式法係可例式有 設置開織滾棒織方法或進一步使開織滾筒震動織方法，此外，將卡片開孔設為精細織方法或調整卡片旋轉速度之方法等。濕式法係亦可例示有提高使碳纖維分散時之攪拌機的旋轉數之方法、使一次投入之碳纖維量減少之方法，使分散液移送時抑制渦流之方法等。又，為了配置為平面，乾式法係可例示有聚集碳纖維時使用靜電之方法、使用經整流過之空氣的方法、調整鋼瓶之運轉速度之方法等。濕式法係亦可例示有防止利用超音波等所分散之碳纖維的再次聚集之方法，或調整過濾速度之方法等。該等方法並沒有特別限定，可一邊確認碳纖維基材之狀態，一邊控制其他製造條件來達成。
就力學特性之等向性觀點而言，本發明之碳 纖維聚丙烯薄片係以於碳纖維之二維配向角度度數分布中，30°刻度之相對度數的最大值在0.25以下，配向角度度數分布中之30°刻度之相對度數的最小值在0.090以上為佳。所謂的碳纖維之二維配向角度度數分布中之30°刻度之相對度數係表示成形品表面之碳纖維之二維配向角度分布的指標。
在本發明中，碳纖維之二維配向角度度數分 布中之30°刻度之相對度數的最大值及最小值係可依下述方法計算出。任意選出400根碳纖維，任意設定1根作為角度基準之基準直線，針對相對於基準直線所選出之碳纖維之配向方向的形成角度(以下，簡稱為二維配向角度αi)全部測量。二維配向角度αi係相對於基準直線測量逆時鐘方向之角度。設定為0°以上小於180°之角度。使用從400根碳纖維之某基準直線的二維配向角度αi，作成30°刻度之碳纖維之二維配向角度相對度數分布，將其最大值及最小值當作為碳纖維之二維配向角度度數分布中之30°刻度之相對度數的最大值及最小值。
如將任意選出之碳纖維根數設定在400根以 上，則碳纖維之二維配向角度度數分布中之30°刻度之相對度數的最大值及最小值會變成幾乎沒有變化。另外，對於測量碳纖維之二維配向角度度數分布中之30°刻度之相對度數的最大值及最小值之部分，並沒有特別限制，較佳的是避開成形品端部，而盡可能的在中央附近，甚至以使用沒有凸起部、肋部及成形品之厚度變化的部分來測量。當碳纖維之二維配向角度度數分布中之30°刻度之相對度數的最大值及最小值為0.17時，係意指碳纖維強化聚丙稀薄片之碳纖維完全無規配置。
具體而言，由碳纖維聚丙稀薄片測量二維配 向角度之方法係例如可例示有從碳纖維聚丙烯薄片之表面觀察碳纖維配向之方法。此時，藉由將碳纖維強化聚丙稀薄片表面予以研磨，而使露出纖維，則因可更容易地觀察碳纖維，故而較佳。又，可例示有對於碳纖維強 化聚丙烯薄片利用穿透光來觀察碳纖維配向之方法。此時，當將碳纖維強化聚丙稀薄片切成薄片材時，因可更容易地觀察碳纖維，故較佳。此外，亦可例示有將碳纖維強化聚丙稀薄片予以X射線CT穿透觀察，而將碳纖維之配向影像進行攝影之方法。於X射線穿透性高之碳纖維的情形，當將示蹤劑用纖維混合至碳纖維，或者是當將示蹤劑用化學藥劑塗布於碳纖維時，因可更容易地觀察碳纖維，故較佳。
又，在依上述方法測量困難的情形時，可例 示有以不使碳纖維構造崩壞之方式，在去除基質樹脂後，觀察碳纖維配向之方法。例如，可將碳纖維強化聚丙稀薄片夾在2片不鏽鋼製網狀片中，在利用螺絲等進行固定以使碳纖維強化聚丙稀薄片不會移動之後，燒去基質樹脂成分，利用光學顯微鏡或電子顯微鏡測量所獲得之碳纖維基材。
本發明中所使用之碳纖維係可將聚丙烯腈( 以下稱為PAN)系纖維、瀝青及嫘縈等當作原料，特別是由丙烯腈為主要成分之PAN系纖維所製造之碳纖維，所謂的PAN系碳纖維在工業生產性方面優異，且力學特性上亦優異。PAN系纖維係促進耐焰化反應之單體一般進行共聚合而來，作為該單體成分，可列舉有衣康酸、丙烯酸、甲基丙烯酸及該等之甲酯、乙酯、丙酯、鹼金屬鹽、銨鹽或烯丙基磺酸、甲基烯丙基磺酸、苯乙烯磺酸及該等之鹼金屬鹽等。紡絲方法係以應用濕式紡絲法或乾濕式紡絲法為佳。
PAN系碳纖維係經由下述步驟而獲得：將以 丙烯腈作為主要成分進行聚合而所獲得之PAN系纖維於200~400℃之空氣環境中進行加熱，而轉換為氧化纖維之耐焰化步驟；與在氮、氦、氬等惰性環境中進一步以高溫進行加熱而予以碳化之碳化步驟(會有將耐焰化步驟與碳化步驟合稱為燒製步驟之情形)。在本發明中，作為碳化溫度，係以採用1200~2200℃為佳。
另外，本發明中所使用之碳纖維係亦可為依 附有選自包含胺基甲酸酯系樹脂、丙烯酸系樹脂、環氧系樹脂、聚醯胺系樹脂及界面活性劑之群組中之至少一種集束劑者。如此一來，透過使集束劑依附在碳纖維上，則碳纖維束之操作性優異，尤其是可抑制束切割時之毛邊立起。
在將集束劑賦予至碳纖維時，可於將集束劑 溶解於其溶劑之溶液或分散至其分散介質之分散液，即所謂的上漿液中浸漬，並進行後乾燥。為了抑制碳纖維中之單纖維間之集束劑依附量不平均，較佳的是將束狀碳纖維經擴幅之狀態的碳纖維束狀物浸漬在上漿液中。
依附在碳纖維上之集束劑的依附量係相對於 碳纖維，以0.1~5質量%為佳，以0.5~3質量%更佳。藉由設定在此範圍中，則可獲得在切割時之加工性與纖維束之懸垂性之平衡優異的碳纖維束。
此外，在不損及本發明之效果的範圍時，亦 可一併使用鋁、黃銅及不鏽鋼等金屬纖維或玻璃纖維、包含碳化矽或氮化矽等之無機纖維、或包含聚芳醯胺、 PBO、聚苯基硫酸酯、聚酯、丙烯酸系、尼龍及聚乙烯等之有機纖維等與上述碳纖維。
本發明之碳纖維強化聚丙稀薄片中之碳纖維 與基質樹脂的接著性係可依界面剪切強度(以下，記載為IFSS)來表示，在接著性高的情形中，IFSS係表示高數值。為了兼具力學特性與耐衝擊性，重要的是IFSS為5.50MPa以上10.5MPa以下。在IFSS小於5.50MPa時，力學特性不足。又，在IFSS超過10.5MPa時，會顯示出脆性破壞行為，耐衝擊性不足。
以下，針對IFSS之評估詳細進行說明。關於 評估，係可參考非專利文獻2。從碳纖維束抽出一根長度20cm之單纖維。接著，依20×20cm四角形之大小，製作2片厚度150μm之聚丙稀薄膜，將上述所抽出之單纖維直線狀地配置於第一片聚丙稀薄膜上。將另一片聚丙稀薄膜依夾住上述單纖維之方式重疊配置，於200℃下依0.5MPa之壓力加壓壓製3分鐘，製得單纖維被埋入聚丙烯之樣本。將所獲得之樣本切出來，得到短纖維埋入於中央之厚度0.2mm寬度10mm長度70mm之試驗片。與上述同樣地，製作10片試驗片。
採用一般的拉伸試驗模具將該試驗片設定為 試驗長度25mm，並依應變速度0.5mm/min進行拉伸試驗。利用穿透型顯微鏡測量在單纖維變得不再引發斷裂時之單纖維的所有斷裂片長度。藉由將其進行平均，而獲得平均斷裂纖維長度I。IFSS(τ)係可依下式而求取。
τ=(σf‧d)/(2‧Ic)
Ic=(4/3)‧I
‧ τ：IFSS(界面剪切強度)(單位：MPa)
‧ I：上述平均斷裂纖維長度(單位：μm)
‧ σf：單纖維之拉伸強度(單位：MPa)
‧ d：碳纖維單纖維之直徑(單位：μm)
σf係碳纖維之拉伸強度分布根據魏普分布(Weibull distribution)而可依下述方法求得。亦即，未埋入聚丙烯中而僅使用單纖維之拉伸試驗，由依試料長度分別為5mm、25mm、50mm所獲得之平均拉伸強度藉由最小平方法，求取試料長度與平均拉伸強度的關係式，計算出試料長度Ic時之平均拉伸強度。
本發明之碳纖維強化聚丙稀薄片中所使用之基質樹脂係包含聚丙烯及酸改質聚丙烯。作為聚丙烯，如為所謂的未改質聚丙烯則沒有特別限制，不侷限在均聚合型聚丙烯，亦可將聚乙烯或其他聚烯烴經共聚合至聚丙烯之嵌段型聚丙烯使用在本發明中。
本發明之碳纖維強化聚丙稀薄片係就界面接著性之觀點而言，較佳的是基質樹脂中之酸改質聚丙烯的含有率為0.1質量%以上5質量%以下。當酸改質聚丙烯含有率為0.1質量%以上時，力學特性優越。又，當酸改質聚丙烯之含有率為5質量%以下時，不會顯示出脆性破壞行為，而耐衝擊性優異。
作為酸改質聚丙烯，並沒有特別限制，例如，可列舉有丙烯酸改質聚丙烯及順丁烯二酸酐改質聚丙烯等。
舉酸改質聚丙烯之市售品為例，係可例舉有丙烯酸改質聚丙烯之市售品的POLYBOND 1001,POLYBOND 1002(crompton公司製)等。又，可列舉有順丁烯二酸酐改質聚丙烯之市售品的順丁烯二酸酐改質聚丙烯QE510(三井化學(股)製)等。
本發明之碳纖維強化聚丙烯薄片係以纖維體積含有率(Vf)在10~40%為佳，進一步較佳的是20~30%。藉由調節在此範圍內，則可獲得空孔少、力學特性與耐衝擊性之平衡優異的薄片。另外，在此範圍中，纖維之強度利用率優異，對應其價格的輕量化效果亦優異。
本發明之碳纖維強化聚丙稀薄片係因應其用途而亦可進一步添加雲母、滑石、高嶺土、絹雲母、膨潤土、硬矽鈣石、海泡石、膨潤石、蒙脫石、矽灰石、二氧化矽、碳酸鈣、玻璃珠、玻璃片、玻璃微泡、黏土、二硫化鉬、氧化鈦、氧化鋅、氧化銻、多磷酸鈣、石墨、硫酸鋇、硫酸鎂、硼酸鋅、次硼酸鈣、硼酸鋁晶鬚、鈦酸鉀及高分子化合物等之填充材、金屬系、金屬氧化物系、碳黑及石墨粉末等之導電性賦予材、溴化樹脂等鹵素系難燃劑、三氧化銻或五氧化銻等銻系難燃劑、多磷酸銨、芳香族磷酸鹽及紅磷等之磷系難燃劑、有機硼酸金屬鹽、羧酸金屬鹽及芳香族磺醯亞胺金屬鹽等之有機酸金屬鹽系難燃劑、硼酸鋅、鋅、氧化鋅及鋯化合物等之無機系難燃劑、三聚氰酸、異三聚氰酸、三聚氰胺、三聚氰胺三聚氰酸酯、三聚氰胺磷酸鹽及氮化胍等之氮系難燃劑、PTFE等之氟系難燃劑、聚有機矽氧烷等 之矽酮系難燃劑、氫氧化鋁或氫氧化鎂等之金屬氫氧化物系難燃劑、或其他難燃劑、氧化鎘、氧化鋅、氧化亞銅、氧化銅、氧化亞鐵、氧化鐵、氧化鈷、氧化錳、氧化鉬、氧化錫及氧化鈦等之難燃輔助劑、顏料、染料、滑劑、脫模劑、相溶化劑、分散劑、雲母、滑石及高嶺土等之結晶核劑、磷酸酯等之可塑劑、熱安定劑、抗氧化劑、著色防止劑、紫外線吸收劑、流動性改質劑、發泡劑、抗菌劑、制震劑、防臭劑、滑動性改質劑及聚醚酯醯胺等之抗靜電劑等。
將本發明之碳纖維強化聚丙稀薄片成形而獲得成形品。
就力學特性之觀點而言，本發明之成形品之空孔率係以3%以下為佳。成形品之空孔率係可藉由下述方法進行測量。將成形品之一部分切出，根據JIS K 7112(1999)之5所記載之A法(水中置換法)，測量成形品之密度(ρc)。使用此成形品之密度(ρc)及基質樹脂之密度(ρr)，透過下式求取成形品之空孔率(Vv)。
Vv=(1-ρc/ρr)×100(單位：體積%)
作為測量成形品之空孔率(Vv)之部分，並沒有特別限制，較佳的是避開成形品端部，而盡可能的在中央附近，甚至以使用沒有凸起部、肋部及成形品之厚度變化的部分來測量。
關於成形方法，並沒有特別限制，以壓製成形為佳。又，壓製成形之種類係可因應所獲得之成形品來選擇。其中，所謂的壓製成形係指採用加工機械及模 具、工具、其他成形用模具或輔料等，針對碳纖維聚丙稀薄片之積層體賦予彎曲、剪切、壓縮等變形而得到成形品之方法，其成形形態係可例示有深衝壓、翻邊、波紋、邊緣彎曲、鑄型等。另外，作為壓製成形之方法，在各種所存在之壓製成形方法中，可列舉以在製作大型航空飛機等之成形品構件時所經常使用之壓力鍋法或步驟較為簡單之金屬模具壓製法等為佳，就設備或成形步驟中之能量使用量、所使用之成形用模具或輔料等之簡單化、成形壓力、溫度之自由度的觀點而言，更佳的是採用使用金屬製模具來進行成形之金屬模具壓製法。
關於金屬模具壓製法，係可採用加熱壓製法 或衝壓成形，其中，該加熱壓製法係將碳纖維強化聚丙烯薄片預先配置在模具內，連同模具定位一起進行加壓、加熱，接著，在施行模具定位之狀態下，透過金屬模具之冷卻，來進行該碳纖維強化聚丙稀薄片之冷卻，而獲得成形品；該衝壓成形係利用諸如遠紅外線加熱器、加熱板、高溫爐、介電質加熱等加熱裝置預先將該碳纖維強化聚丙烯薄片加熱至基質樹脂之熔融溫度以上，而在使基質樹脂熔融、軟化之狀態下，配置於上述成形模具之成為下面的模具上，接著，關閉模具，進行模具定位，其後進行加壓冷卻之方法。關於壓製成形方法，並沒有特別限制，就加快成形週期、提高生產性之觀點而言，較佳的是衝壓成形。
關於壓製金屬模具之加壓，並沒有特別限制 ，就可使碳纖維強化聚丙烯薄片良好地賦形之觀點而言 ，較佳的是加壓力在1MPa以上。更佳的是在3MPa以上。關於加壓力之上限，並沒有特別限制，就抑制成形時之碳纖維的折損觀點而言，在100MPa以下係較佳的範圍。
就使預先加熱過之碳纖維聚丙稀薄片之積層體充分冷卻之觀點而言，較佳的是將金屬模具之表面溫度設定在基質樹脂之熔點或軟化點以下。又，就加快脫模以縮短成形週期之觀點而言，較佳的是將金屬模具溫度設定在較基質樹脂之熔點或軟化點低30℃以上。更佳的是低50℃以上。
作為本發明之成形品之用途，係可列舉有個人電腦、顯示器、OA機器、行動電話、攜帶式資訊末端、傳真、小型磁碟、可攜式MD、攜帶用盒式收錄音機、PDA(電子記事簿等之攜帶式資訊末端)、攝影機、數位攝影機、光學機器、音響、空氣調節器、照明機器、娛樂用品、玩具用品、其他家電製品等之框體、支架、底盤、內裝構件或其箱盒等之電氣、電子機器零件、支柱、面板、補強材料等之土木、建築材料用零件、各種構件、各種框、各種鉸鏈、各種懸臂、各種車軸、各種車輪用軸承、各種筒狀物、螺旋軸、輪圈、齒輪盒等之懸吊系統、加速器或方向盤零件、車頂、車蓋、門、擋泥板、槽蓋、側邊面板、後端面板、頂部後部面板、前部主體、底部主體、各種柱狀物、各種構件、各種框、各種筒狀物、各種支座、各種軌道、各種鉸鏈等之外板或主體零件、保險桿、緩衝筒狀物、鑲邊、底蓋、引擎蓋、整流板、擾流板、整流葉片、飛行器零件等外部裝潢零 件、儀器面板、薄片框、門配平(trim)、柱配平、方向盤、各種模組等之內部裝潢零件或馬達零件、CNG槽、汽油槽、燃料泵、進氣口、進氣歧管、化油器主體、化油器間隔件、各種配管、各種閥等之燃料系統、排氣系統或吸氣系統零件等之汽車、兩輪車用構造零件、其他、交流發電機終端機、交流發電機連接器、IC調節器、光照用電位計基座、引擎冷卻水接頭、空氣調節器用恆溫器基座、暖器機溫風噴口控制閥、散熱器馬達用刷支撐架、渦輪機片、雨刷馬達相關零件、配電器、啟動器開關、啟動器繼電器、窗戶沖洗噴嘴、空氣調節器面板開關基板、燃料相關電磁氣閥用線圈、電池支架、AT托架、頭燈支座、踏板外殼、護罩、喇叭終端機、步進式馬達轉子、燈具套座、燈具反射器、燈具外殼、煞車板活塞、隔音板、備胎蓋、電磁圈筒管、引擎濾油器、點火裝置盒、磨損板、擋靠板等之汽車、兩輪車用零件、飛機用零件之照明齒輪桿、翼翹、擾流板、邊板、梯、電梯、砍伐具、肋板等。就力學特性之觀點而言，較佳的是可使用在電氣、電子機器用之框體、土木、建材用之面板、汽車用之構造零件、飛機用之零件。尤其是以力學特性及耐衝擊性之觀點而言，較佳的是使用在汽車、兩輪車用構造零件上。
[實施例]
[碳纖維(A)]
A-1：PAN系碳纖維
碳纖維束A-1係依下述予以製造。
使用包含99.4莫耳%之丙烯腈(AN)與0.6莫耳%之甲基丙烯酸的共聚合體，藉由乾濕式紡絲方法獲得單纖維纖度1.1dtex、細絲數24000之丙烯酸系纖維束。將所獲得之PAN系纖維束於240~280℃之溫度的空氣中依延伸比1.05進行加熱，轉換為耐焰化纖維。其次，將升溫速度設為200℃/min，於氮環境中、300~900℃之溫度區域中進行10%的延伸之後，升溫至1300℃之溫度進行燒製，獲得碳纖維束。利用以硫酸為電解質之水溶液，針對該碳纖維束施行每1g碳纖維3庫倫之電解表面處理，再透過浸漬法賦予上漿劑，在120℃之溫度的加熱空氣中進行乾燥，得到PAN系碳纖維束。將碳纖維束A-1之物性顯示如下。
總細絲數：24000根
單纖維直徑：7μm
每單位長度之質量：0.8g/m
比重：1.8g/cm3
拉伸強度：4.2GPa
拉伸彈性率：230GPa
O/C：0.10
上漿劑種類：聚氧乙烯油酯醚
上漿劑依附量：1.5質量%
[基質樹脂所使用之樹脂(B)]
B-1：未改質聚丙烯
Prime Polymer(股)製、「Prime Polypro」(註冊商標)J106MG
B-2：順丁烯二酸酐改質聚丙烯
三井化學(股)製、「ADMER」(註冊商標)QE800
B-3：順丁烯二酸酐改質聚丙烯
三井化學(股)製、「ADMER」(註冊商標)QE510
[黏結劑(C)]
C-1：Sigma-Aldrich Japan(股)製Poly(ethylene glycol)bis(3-aminopropyl)terminated
數量平均分子量1500
全胺基價75mgKOH/g
(參考例1)
相對於整體100質量%，依調配率成為0.1質量%之順丁烯二酸酐改質聚丙烯(B-2)、99.9質量%之未改質聚丙烯(B-1)進行調配，依下述條件進行熔融混練，獲得基質樹脂。關於熔融混練，係採用日本製鋼所(股)製之雙軸壓出機TEX‧30α型，以成為圓筒溫度220℃、螺釘直徑30mm、旋轉數150rpm之方式進行設定，施行混練。
(參考例2)
將參考例1中所製作之基質樹脂依既定量配置在不鏽鋼製板上，於其上方再重疊一片不鏽鋼製板，板間置入0.10mm之間隔件。壓製溫度設為220℃，壓力設為1MPa，保持5分鐘，加工為厚度0.10mm×200mm×200mm之薄膜狀，而獲得樹脂薄片。
(參考例3)
相對於整體100質量%，除了將調配率設為3質量%之順丁烯二酸酐改質聚丙烯(B-2)、97質量%之未改質聚丙 烯(B-1)之外，同參考例1進行作業，施行混練，獲得基質樹脂。
(參考例4)
除了使用參考例3中所製作之基質樹脂之外，同參考例2進行作業，獲得樹脂薄片。
(參考例5)
相對於整體100質量%，除了將調配率設為5質量%之順丁烯二酸酐改質聚丙烯(B-2)、95質量%之未改質聚丙烯(B-1)之外，同參考例1進行作業，施行混練，獲得基質樹脂。
(參考例6)
除了使用參考例5中所製作之基質樹脂之外，同參考例2進行作業，獲得樹脂薄片。
(參考例7)
除了使用未改質聚丙烯(B-1)作為基質樹脂之外，同參考例2進行作業，獲得樹脂薄片。
(參考例8)
相對於整體100質量%，除了將調配率設為10質量%之順丁烯二酸酐改質聚丙烯(B-2)、90質量%之未改質聚丙烯樹脂(B-1)之外，同參考例1進行作業，施行混練，獲得基質樹脂。
(參考例9)
除了使用參考例8中所製作之基質樹脂之外，同參考例2進行作業，獲得樹脂薄片。
(參考例10)
除了使用順丁烯二酸酐改質聚丙烯(B-3)作為基質樹脂之外，同參考例2進行作業，獲得樹脂薄片。
(參考例11)
相對於整體100質量%，除了將調配率設為1質量%之順丁烯二酸酐改質聚丙烯(B-2)、99質量%之未改質聚丙烯(B-1)之外，同參考例1進行作業，施行混練，獲得基質樹脂。
(參考例12)
除了使用參考例11中所製作之基質樹脂之外，同參考例2進行作業，獲得樹脂薄片。
[評估/測量方法]
各實施例所獲得之評估基準係如下所述。
(1)碳纖維強化聚丙烯薄片中所含有之碳纖維之質量平均纖維長度(Lw)的測量
將成形品之一部分切出，藉由使基質樹脂溶解之熔劑使基質樹脂充分溶解之後，透過過濾等周知操作使與碳纖維分離。在沒有使基質樹脂溶解之溶劑時，將成形品之一部分切出，在500℃之溫度下加熱30分鐘，燒去基質樹脂，分離出碳纖維。將分離出之碳纖維任意抽出400根，利用光學顯微鏡或操作型電子顯微鏡測量其長度至1μm單位為止，將之當作纖維長度，並透過下式求取質量平均纖維長度(Lw)。
Lw=Σ(Li×Wi)
‧ Li：經測量過之纖維長度(i=1,2,3,...400)(單位：mm)
‧ Wi：纖維長度Li之碳纖維的質量分率(i=1,2,3,...400)( 單位：質量%)
此外，計數小於2mm、2mm以上且小於5mm、5mm以上之碳纖維的度數，並藉由乘上質量分率，來評估纖維長度之質量分布。
(2)纖維分散率之計算
將碳纖維強化聚丙稀薄片之一部分切出，將所切出之試驗片包埋至環氧樹脂中，由表面至深度100μm為止，研磨碳纖維強化聚丙烯薄片之表面，而製作觀察用試驗片。
將碳纖維強化聚丙烯薄片之觀察用試驗片以光學顯微鏡進行觀察，任意選出100根碳纖維單纖維(a)，針對與該碳纖維單纖維(a)有接觸之碳纖維單纖維(b)全部進行量測二維接觸角度。將二維接觸角度在0°至90°之銳角側進行量測，從經量測過二維接觸角度之碳纖維單纖維的總數，計算出二維接觸角度小於1°之碳纖維單纖維的比例。
P=n/N×100(單位：%)
‧ P：纖維分散率
‧ n：接觸角度小於1°之碳纖維單纖維
‧ N：經量測過接觸角度之碳纖維單纖維的總數
根據纖維分散率(P)依下述基準進行判斷。A、B為合格，C為不合格。
A：纖維分散率在96%以上
B：纖維分散率在90%以上且小於96%
C：纖維分散率小於90%
(3)IFSS之評估
關於詳細可參考非專利文獻2。從依附有(甲基)丙烯酸系聚合體之碳纖維束取出長度20cm之單纖維1根。準備參考例中所製作之樹脂薄膜2片，將上述所取出之單纖維直線狀地配置於第一片樹脂薄膜上。將另一片樹脂薄膜以夾住上述單纖維之方式重疊並配置，在依200℃、0.5MPa之壓力下施行加壓壓製3分鐘。製作單纖維埋入至樹脂的樣本。將所獲得之樣本切出，獲得單纖維埋入至中央之厚度0.2mm、寬度10mm、長度70mm之試驗片。同上述進行作業，製作10片試驗片。
將該試驗片使用依般拉伸試驗模具，設定為試驗長度25mm，依應變速度0.5mm/min進行拉伸試驗。利用穿透型顯微鏡測量在單纖維變得不再引發斷裂時之單纖維的所有斷裂片長度，藉由將其進行平均，而獲得平均斷裂纖維長度I。
透過下式求取IFSS(τ)。
τ=(σf‧d)/(2‧Ic)
Ic=(4/3)‧I
‧ τ：IFSS(界面剪切強度)(單位：MPa)
‧ I：上述平均斷裂纖維長度(單位：μm)
‧ σf：單纖維之拉伸強度(單位：MPa)
‧ d：碳纖維單纖維之直徑(單位：μm)
σf係碳纖維之拉伸強度分布根據魏普分布而可依下述方法求得。亦即，使用依附有(甲基)丙烯酸系聚合體 前之單纖維，根據JIS R 7606求取試料長度分別為5mm、25mm、50mm之單纖維的拉伸強度。具體而言，將碳纖維設為約略四等分，從4束依序採樣100根單纖維。此時，由束整體儘可能地整面採樣。經採樣到之單纖維係使用接著劑固定在開孔紙張上。將固定有單纖維之紙張安裝於拉伸試驗機，依應變速度1mm/min、試料數100施行拉伸試驗。藉由最小平方法從所獲得之平均拉伸強度，求取試料長度與平均拉伸強度的關係式，計算出試料長度Ic時之平均拉伸強度。
(4)配向角度分布之評估方法
將碳纖維強化聚丙稀薄片之一部分切出，將所切出之試驗片包埋至環氧樹脂中，由表面至深度100μm為止，研磨碳纖維強化聚丙烯薄片之表面，而製作觀察用試驗片。
將碳纖維強化聚丙烯薄片之觀察用試驗片以光學顯微鏡進行觀察，任意選出100根碳纖維。其次，任意設定1根作為角度基準之基準直線，將相對於基準直線所選出之碳纖維之配向方向的形成角度(以下，簡稱為配向角度αi)全部測量。配向角度αi係測量相對於基準直線為逆時鐘方向之方向的角度，將之設為0°以上且小於180°之角度。此配向角度αi之30°刻度之相對度數係可藉由下式求得。
‧ αi：經測量過之配向角度(i=1,2,…400)
‧ N0~30：0≦配向角度αi<30之碳纖維根數(i=1,2,…400)
‧ N30~60：30≦配向角度αi<60之碳纖維根數(i=1,2,…400)
‧ N60~90：60≦配向角度αi<90之碳纖維根數(i=1,2,…400)
‧ N90~120：90≦配向角度αi<120之碳纖維根數(i=1,2,…400)
‧ N120~150：120≦配向角度αi<150之碳纖維根數(i=1,2,…400)
‧ N150~180：150≦配向角度αi<180之碳纖維根數(i=1,2,…400)
‧ 相對度數之最大值=MAX(N0~30、N30~60、N60~90、N90~120、N120~150、N150~180)/400
‧ 相對度數之最小值=MIN(N0~30、N30~60、N60~90、N90~120、N120~150、N150~180)/400
又，作為碳纖維強化聚丙稀薄片之配向角度分布之測量用試驗片，避開碳纖維強化聚丙烯薄片或成形品之端部，而盡可能的在中央附近，甚至是使用沒有凸起部、肋部及成形品之厚度變化的部分。
作為纖維之無規配向性之指標，係測量碳纖維強化聚丙稀薄片或成形品之配向角度分布之相對度數的最大值，以下述基準進行評估。A為最優異，接著依序為B、C。
A：相對度數之最大值在0.17以上且小於0.22。
B：相對度數之最大值在0.22以上且小於0.25。
C：相對度數之最大值在0.25以上。
又，作為纖維之無規配向性的指標，係測量碳纖維強化聚丙稀薄片之配向角度分布之相對度數的最小值，以下述基準評估。A為最優異，接著依序為B、C。
A：相對度數之最小值在0.12以上0.17以下。
B：相對度數之最小值在0.090以上且小於0.12。
C：相對度數之最小值在小於0.090。
(5)碳纖維之質量含有率之測量方法
由成形品切出1cm×1cm之試驗片，投入石英玻璃容器中。將此容器在60℃之溫度下進行真空乾燥24小時，於乾燥器內冷卻至室溫之後，秤量試驗片與石英玻璃容器之合計質量W1(g)及石英玻璃容器之質量Wo(g)。依試驗片置入容器內之狀態，在空氣中、500℃之溫度下加熱30分鐘，於將基質樹脂燒去後，在氮環境下冷卻至室溫，秤量碳纖維與石英玻璃容器之合計質量W2(g)。
經上述處理後，可依下式求取成形品之碳纖維之質量含有率(Wf)。
Wf=100×(W2-Wo)/(W1-Wo)(單位：質量%)
將測量數設在5，將平均值當作為碳纖維之質量含有率(Wf)。
(6)成形品之密度測量方法
成形品之密度(ρc)係根據JIS K 7112(1999)之5所記載之A法(水中置換法)進行測量。從成形品切出1cm×1cm 之試驗片，於60℃之溫度下真空乾燥24小時，將在乾燥器內冷卻至室溫者當作為試驗片。浸積液係使用乙醇。測量數係n=5，將平均值設為成形品之密度(ρc)。
(7)成形品之碳纖維之體積含有率及空孔率之評估方法
使用在(4)所測量之成形品之碳纖維的質量含有率(Wf)與在(5)所測量之成形品的密度(ρc)，藉由下式求取成形品之碳纖維之體積含有率(Vf)、基質樹脂之體積含有率(Vr)及空孔率(Vv)。
Vf=Wf×ρc/ρf(單位：體積%)
Vr=(100-Wf)×ρc/ρr(單位：體積%)
Vv=100-(Vf+Vr)(單位：體積%)
‧ ρc：成形品之密度(單位：g/cm3)
‧ ρf：碳纖維之密度(單位：g/cm3)
‧ ρr：基質樹脂之密度(單位：g/cm3)
‧ Wf：成形品之碳纖維的質量含有率(單位：質量%)
根據成形品之空孔率(Vv)以下述基準進行判斷。A為最優異，接著依序為B、C。
A：空孔率小於3%
B：空孔率3%以上且小於10%
C：空孔率10%以上
(8)成形品之彎曲強度的評估
根據ASTM D-790之規格，進行成形品之彎曲強度的評估。
由實施例或比較例所得到之成形品，分別將長度80±1mm、寬度25±0.2mm之彎曲試驗片，依將任意 方向設為0°方向時，在0°、+45°、-45°、90°方向之四個方向上切出而製作試驗片。針對各自方向之測量數定為n=5，將所有的測量值(n=20)之平均值當作為彎曲強度。
試驗機係可使用「INSTRON」(註冊商標)萬能試驗機4201型(Instron公司製)，並採用3點彎曲試驗模具(壓子直徑10mm、支點直徑10mm)，將支撐跨距設定為51.2mm，依十字頭速度1.37mm/min測量彎曲強度。在試驗片之水分率為0.1質量%以下、環境溫度23℃及濕度50質量%的條件下，進行試驗。
評估係根據成形品之彎曲強度依下述基準來判斷。
因應於CF體積含有率，而分別設定判斷基準。
根據Vf=10%之成形品的彎曲強度依下述基準進行判斷，將D以下定為不合格。
A：彎曲強度在250MPa以上
B：彎曲強度在200MPa以上且小於250MPa
C：彎曲強度在150MPa以上且小於200MPa
D：彎曲強度在100MPa以上且小於150MPa
E：彎曲強度小於100MPa
根據Vf=20%之成形品的彎曲強度依下述基準進行判斷，將D以下定為不合格。
A：彎曲強度在300MPa以上
B：彎曲強度在250MPa以上且小於300MPa
C：彎曲強度在200MPa以上且小於250MPa
D：彎曲強度在150MPa以上且小於200MPa
E：彎曲強度小於150MPa
根據Vf=30%之成形品的彎曲強度依下述基準進行判斷，將D以下定為不合格。
A：彎曲強度在350MPa以上
B：彎曲強度在300MPa以上且小於350MPa
C：彎曲強度在250MPa以上且小於300MPa
D：彎曲強度在200MPa以上且小於250MPa
E：彎曲強度小於200MPa
根據Vf=40%之成形品的彎曲強度依下述基準進行判斷，將D以下定為不合格。
A：彎曲強度在350MPa以上
B：彎曲強度在300MPa以上且小於350MPa
C：彎曲強度在250MPa以上且小於300MPa
D：彎曲強度在200MPa以上且小於250MPa
E：彎曲強度小於200MPa
(9)彎曲強度之變動係數判斷
使用彎曲強度(σb)及其標準偏差(Sb)，藉由下式求取彎曲強度之變動係數(CVb)。
CVb=Sb/σb×100(單位：%)
根據彎曲強度之變動係數(CVb)依下述基準進行判斷。A為最優異，依B、C之順序逐漸不佳。
A：彎曲強度之變動係數小於4%
B：彎曲強度之變動係數在4%以上且小於10%
C：彎曲強度之變動係數在10%以上
(10)成形品之Izod衝擊強度(有凹口)的評估
依據ASTM D256規格，進行成形品之Izod衝擊強度(有凹口)的評估。
在將各自長度62±1mm、寬度12.7±0.15mm、凹口角度22.5°±0.5°、0.25±0.05R之Izod衝擊強度試驗片以任意方向為0°方向時，由實施例或比較例所獲得之成形品針對0°、+45°、-45°、90°方向的四個方向進行切出，而製作試驗片。關於各自的方向，設定測量數n=5，將所有的測量值(n=20)之平均值當作為Izod衝擊強度(有凹口)。在試驗片之水分率為0.1質量%以下、環境溫度23℃及濕度50質量%的條件下，進行試驗。
因應於CF體積含有率，而分別設定判斷基準。
根據Vf=10%之成形品的Izod衝擊強度(有凹口)依下述基準進行判斷，將D以下定為不合格。
A：Izod衝擊強度(有凹口)400J/m以上
B：Izod衝擊強度(有凹口)300J/m以上且小於400J/m
C：Izod衝擊強度(有凹口)200J/m以上且小於300J/m
D：Izod衝擊強度(有凹口)100J/m以上且小於200J/m
E：Izod衝擊強度(有凹口)小於100J/m
根據Vf=20%之成形品的Izod衝擊強度(有凹口)依下述基準進行判斷，將D以下定為不合格。
A：Izod衝擊強度(有凹口)400J/m以上
B：Izod衝擊強度(有凹口)300J/m以上且小於400J/m
C：Izod衝擊強度(有凹口)200J/m以上且小於300J/m
D：Izod衝擊強度(有凹口)100J/m以上且小於200J/m
E：Izod衝擊強度(有凹口)小於100J/m
根據Vf=30%之成形品的Izod衝擊強度(有凹口)依下述基準進行判斷，將D以下定為不合格。
A：Izod衝擊強度(有凹口)600J/m以上
B：Izod衝擊強度(有凹口)500J/m以上且小於600J/m
C：Izod衝擊強度(有凹口)400J/m以上且小於500J/m
D：Izod衝擊強度(有凹口)300J/m以上且小於400J/m
E：Izod衝擊強度(有凹口)小於300J/m
根據Vf=40%之成形品的Izod衝擊強度(有凹口)依下述基準進行判斷，將D以下定為不合格。
A：Izod衝擊強度(有凹口)600J/m以上
B：Izod衝擊強度(有凹口)500J/m以上且小於600J/m
C：Izod衝擊強度(有凹口)400J/m以上且小於500J/m
D：Izod衝擊強度(有凹口)300J/m以上且小於400J/m
E：Izod衝擊強度(有凹口)小於300J/m
(11)Izod衝擊強度之變動係數判斷
使用Izod衝擊強度(E)及其標準偏差(Se)，藉由下式求取Izod強度之變動係數(CVi)。
CVi=Se/E×100(單位：%)
根據Izod衝擊強度之變動係數(CVi)依下述基準進行判斷。A為最優異，接著依序為B、C。
A：Izod衝擊強度之變動係數小於4%
B：Izod衝擊強度之變動係數在4%以上且小於10%
C：Izod衝擊強度之變動係數在10%以上
(實施例1)
在內徑300mm之圓筒形容器中投入8g界面活性劑(nacalai tesque(股)製，聚乙二醇月桂基醚)，依總計成為8公升之方式將自來水注入圓筒容器中，獲得0.1質量%之界面活性劑水溶液。於其中，投入6.87g之經利用匣式切割刀切成長度6mm之碳纖維(A-1)，利用單軸攪拌機攪拌10分鐘。在確認過碳纖維充分分散之後，藉由攪拌機之旋轉將配向為同心圓狀之纖維以纖維配向成為無規之方式，將頂端具備金屬篩網之攪拌棒在水溶液中上下來回3次左右。施行脫水處理，使在140℃之溫度下乾燥10分鐘，而獲得碳纖維之抄造物。抄造物係直徑300mm的圓，單位面積質量為100g/m2。
其次，在所獲得之碳纖維之抄造物的上下面上，將參考例4所調整之樹脂薄片各一片，總共2片重疊而為三明治狀者安裝於不鏽鋼製之工具板上，依壓製溫度220℃、壓力5MPa進行壓製加工5分鐘，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片。將上述樹脂薄片調整為碳纖維之體積含有率為20%。另外，薄片狀之成形材料的厚度係藉由使用0.27mm之間隔件而調整為0.27mm。
將所獲得之碳纖維強化聚丙稀薄片切成200mm×200mm，將其積層12片者安裝在壓製用平板金屬模具(200mm×200mm)上，依壓製溫度220℃、壓力5MPa、5分鐘以壓製機進行壓製成形後，在以壓製機壓製的狀態下，使自然冷卻至成為25℃之室溫為止，獲得成形品。此時，成形品之厚度係藉由使用3.2mm之間隔件，而 調整為3.2mm。將所獲得之成形品切出既定尺寸，供以評估。
(實施例2)
在實施例1中，除了使用參考例2所調整之樹脂薄片取代參考例4所調整之樹脂薄片之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片及成形品，供以評估。
(實施例3)
在實施例1中，除了使用參考例6所調整之樹脂薄片取代參考例4所調整之樹脂薄片之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片及成形品，供以評估。
(實施例4)
在實施例1中，除了將碳纖維(A-1)長度切割為5.5mm來取代長度切割為6mm之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片及成形品，供以評估。
(實施例5)
在實施例1中，除了將碳纖維(A-1)長度切割為5mm來取代長度切割為6mm之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片及成形品，供以評估。
(實施例6)
在實施例1中，除了將碳纖維(A-1)長度切割為2mm來取代長度切割為6mm之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片及成形品，供以評估。
(實施例7)
在實施例1中，除了將碳纖維(A-1)長度切割為20mm來取代長度切割為6mm之外，同實施例1進行操作，獲得 碳纖維強化聚丙稀薄片及成形品，供以評估。
(實施例8)
在實施例1中，除了將樹脂薄片調整為碳纖維之體積含有率為10%之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片及成形品，供以評估。
(實施例9)
在實施例1中，除了將樹脂薄片調整為碳纖維之體積含有率為30%之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片及成形品，供以評估。
(實施例10)
在實施例1中，除了將樹脂薄片調整為碳纖維之體積含有率為40%之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片及成形品，供以評估。
(實施例11)
在實施例1中，除了將經投入有切割過之碳纖維(A-1)的界面活性劑水溶液以單軸攪拌機攪拌10分鐘後，依該狀態進行脫水並處理，藉以獲得碳纖維配向為同心圓狀之抄造物之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片及成形品。
(實施例12)
在實施例1中，除了將碳纖維強化聚丙烯薄片以壓力0.8MPa來進行壓製成形取代以壓力5MPa來壓製成形之外，同實施例1進行操作，獲得成形品。
(實施例13)
在實施例1中，除了使用0.1質量%之界面活性劑水溶 液6公升來取代使用8公升之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
(實施例14)
在實施例1中，除了使用參考例12所調整之樹脂薄片取代參考例4所調整之樹脂薄片之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片及成形品，供以評估。
(實施例15)
在實施例2中，除了將碳纖維(A-1)長度切割為5.5mm來取代長度切割為6mm之外，同實施例2進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片及成形品，供以評估。
(實施例16)
在實施例2中，除了使用0.1質量%之界面活性劑水溶液6公升來取代使用8公升之外，同實施例2進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
(比較例1)
在實施例1中，除了使用參考例7所調整之樹脂薄片取代參考例2所調整之樹脂薄片之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
(比較例2)
在實施例1中，除了使用參考例9所調整之樹脂薄片取代參考例2所調整之樹脂薄片之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
(比較例3)
在實施例1中，除了將碳纖維(A-1)長度切割為1.3mm來取代長度切割為6mm之外，同實施例1進行操作，獲得 碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
(比較例4)
在實施例1中，除了將碳纖維(A-1)長度切割為30mm來取代長度切割為6mm之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
(比較例5)
在實施例1中，除了使用0.1質量%之界面活性劑水溶液5公升來取代使用8公升之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
(比較例6)
在內徑300mm之圓筒形容器中投入5g界面活性劑(nacalai tesque(股)製，聚乙二醇月桂基醚)，依總計成為5公升之方式將自來水注入圓筒容器中，獲得0.1質量%之界面活性劑水溶液。於其中，投入19g之經利用匣式切割刀切成長度6mm之碳纖維(A-1)，利用單軸攪拌機攪拌10分鐘。在確認過碳纖維充分分散之後，以纖維配向成為無規之方式，將界面活性劑水溶液在上下方向上混合2、3次，施行脫水處理，使在140℃之溫度下乾燥10分鐘，而獲得碳纖維之抄造物。抄造物係直徑300mm的圓，單位面積質量為600g/m2。又，測量此時之碳纖維之抄造物的質量W1’(g)。
其次，將上述所製作之碳纖維之抄造物浸漬在含有預先調整為5質量%溶液之(C-1)之乳化液50cc的液槽中1分鐘。從液槽中取出碳纖維之抄造物，施行脫水處理，並進一步在140℃之溫度下乾燥10分鐘。又，測量 此時之碳纖維之抄造物的質量W2’(g)，依式(W2’-W1’)計算出(C-1)之添加量W3’(g)為0.8g。
接著，在所獲得之碳纖維之抄造物的上下面上，將參考例10所調整之樹脂薄片各一片，總共2片重疊而為三明治狀者安裝於不鏽鋼製之工具板上，依壓製溫度220℃、壓力5MPa進行壓製加工5分鐘，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片。將上述樹脂薄片調整為碳纖維之體積含有率為30%。另外，薄片狀之成形材料的厚度係藉由使用1.1mm之間隔件而調整為1.1mm。
將所獲得之碳纖維強化聚丙稀薄片切成150mm×150mm，將其積層3片者安裝在壓製用平板金屬模具(150mm×150mm)上，依壓製溫度220℃、壓力5MPa、5分鐘以壓製機進行壓製成形後，在以壓製機壓製的狀態下，使自然冷卻至成為25℃之室溫為止，獲得成形品。此時，成形品之厚度係藉由使用3.2mm之間隔件，而調整為3.2mm。將所獲得之成形品切出既定尺寸，供以評估。
(比較例7)
在實施例1中，除了使用參考例10所調整之樹脂薄片取代參考例4所調整之樹脂薄片之外，同實施例1進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
(比較例8)
在實施例7中，除了使用參考例10所調整之樹脂薄片取代參考例4所調整之樹脂薄片之外，同實施例7進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
(比較例9)
在實施例6中，除了使用參考例10所調整之樹脂薄片取代參考例4所調整之樹脂薄片之外，同實施例6進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
(比較例10)
在實施例2中，除了將碳纖維(A-1)長度切割為1.3mm來取代長度切割為6mm之外，同實施例2進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
(比較例11)
在實施例3中，除了將碳纖維(A-1)長度切割為1.3mm來取代長度切割為6mm之外，同實施例3進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
(比較例12)
在實施例2中，除了使用0.1質量%之界面活性劑水溶液5公升來取代使用8公升之外，同實施例2進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
(比較例13)
在實施例3中，除了使用0.1質量%之界面活性劑水溶液5公升來取代使用8公升之外，同實施例3進行操作，獲得碳纖維強化聚丙稀薄片與成形品，供以評估。
將實施例1~16及比較例1~13之各特性整理表示在表1~表3中。
由表1~表3，可知道下述事項。
實施例1、2、3、14係彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡優異。其中，實施例1係可獲得彎曲強度、Izod之平衡更為優異之成形品。又，實施例2、14係獲得Izod衝擊強度更為優異之成形品，實施例3係得到彎曲強度更為優異之成形品。
實施例1係與實施例4、5、6比較，實施例2係與實施例15比較，可知道彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡更為優異。此係因為纖維長度之質量分布中，纖維長度小於2mm之質量比例小，5mm以上之質量比例大所致。
實施例1係與實施例7比較，可知道彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡更為優異。實施例7係因為纖維長度小於2mm之質量比例特別小，5mm以上之質量比例特別大，故在過熱時之體積膨脹增加，使成形品內之空孔率變大。結果導致彎曲強度及Izod衝擊強度的降低。
實施例1、8、9、10係不論Vf為何種水準，其彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡優異。然而，實施例8係因Vf為10%，故彎曲強度與Izod衝擊強度之絕對值低，而限定住用途。另外，實施例10係對於其Vf，所獲得之彎曲強度與Izod衝擊強度之絕對值低，而限定住用途。
實施例1係與實施例11比較，可知其彎曲強度與Izod衝擊強度之變動係數小。此係因碳纖維之配向角之相對度數為0.90以上0.25以下所致。實施例1係因碳纖維之配向角為任意，故而無論由成形品切出試驗片之位 置，其彎曲強度及Izod強度變得幾乎一定。
實施例1係與實施例12比較，可知其彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡優異。此係因成形品中之空孔率較低所致。由於成為斷裂時之起點的空孔少，所以獲得彎曲強度及Izod衝擊強度高之成形品。
實施例1係與實施例13和比較例5比較，可知其彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡優異。此係因碳纖維之纖維分散率高所致。藉由碳纖維在成形品內分散呈單纖維狀，則碳纖維與聚丙烯之界面面積寬廣，可獲得優異之Izod衝擊強度。
實施例2係與實施例15比較，可知其彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡更為優異。此係因纖維長度之質量分布中，纖維長度小於2mm之質量比例小，5mm以上之質量比例大所致。
實施例2係與實施例16比較，可知其彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡更為優異。此係因碳纖維之纖維分散率高所致。藉由碳纖維在成形品內分散呈單纖維狀，則碳纖維與聚丙烯之界面面積寬廣，可獲得Izod衝擊強度優異之成形品。
實施例1、2、3、14係與比較例1、2、7比較，可知其彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡優異。此係因IFSS為並未過高且未過低之事當數值所致。比較例1係因IFSS低至5.20MPa，故獲得耐衝擊性高，但彎曲強度明顯較低之成形品。比較例2係因IFSS高至13.3MPa，比較例7係因IFSS高至16.6MPa，故獲得彎曲強度高，但Izod衝擊 強度較低之成形品。
實施例1、實施例4~7係與比較例3、4比較，可知其彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡優異。此係因保有碳纖維之補強效果，且具有不損及賦形性之範圍的質量平均纖維長度，藉以為具有高彎曲強度與高Izod衝擊強度者。比較例3係因碳纖維之質量平均纖維長度較短，故而無法得到充分的補強效果，彎曲強度及Izod衝擊強度降低。另外，比較例4係因質量平均纖維長度較長，故在過熱時之體積膨脹變大，而成形品內之空孔率變大。結果導致彎曲強度及Izod衝擊強度的降低。
實施例1係與實施例6比較，可知其彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡優異。此係因比較例6之成形品中的碳纖維為束狀，IFSS為16.6MPa之較高數值所致。
實施例7係與比較例8比較，可知其彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡優異。比較例8係因IFSS高至16.6MPa，故獲得彎曲強度雖高，但Izod衝擊強度較低之成形品。
實施例6係與比較例9比較，可知其彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡優異。比較例9係因IFSS高至16.6MPa，故獲得彎曲強度雖高，但Izod衝擊強度較低之成形品。
實施例1、2、3、14係與比較例3、10、11比較，可知其彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡優異。此係因質量平均纖維長度為適當數值所致。比較例3、10、11係短至1.10mm，而未能獲得充分的纖維補強效果，獲得 彎曲強度及Izod衝擊強度較低之成形品。
實施例2係與比較例12比較，實施例3係與比較例13比較，可知其彎曲強度與Izod衝擊強度之平衡優異。此係因碳纖維之纖維分散率較高所致。藉由碳纖維在成形品內分散呈單纖維狀，則碳纖維與聚丙烯之界面面積寬廣，可獲得優異Izod衝擊強度較低之成形品。
[產業上之可利用性]
本發明之碳纖維聚丙稀薄片係因可獲得兼具強度與耐衝擊性之優異成形品，故較佳。此外，碳纖維因配向為二維等向性，故面方向之補強效果優異，力學特性不均勻少，故使用此碳纖維聚丙稀薄片之成形品係可適當應用在電氣/電子機器、自動系統、兩輪車、汽車、飛機構件、零件及框體等廣泛的產業領域中。

Claims (8)

  1. 一種碳纖維強化聚丙烯薄片，其係含有碳纖維與基質樹脂；其中該碳纖維係質量平均纖維長度為1.5mm~20mm；該基質樹脂包含聚丙烯及酸改質聚丙烯；其特徵在於，碳纖維分散呈單纖維狀，且碳纖維與基質樹脂之界面剪切強度為5.50~10.5MPa。
  2. 如申請專利範圍第1項之碳纖維強化聚丙烯薄片，其中，在基質樹脂中含有0.1~5質量%之酸改質聚丙烯。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之碳纖維強化聚丙烯薄片，其中，於碳纖維強化聚丙烯薄片所含有之碳纖維中，纖維長度超過5mm之碳纖維為20質量%以上75質量%以下，纖維長度小於2mm之碳纖維為1.0質量%以上25質量%以下。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之碳纖維強化聚丙烯薄片，其中，於碳纖維強化聚丙烯薄片所含有之碳纖維中，纖維長度超過5mm之碳纖維為50質量%以上70質量%以下，纖維長度小於2mm之碳纖維為1.0質量%以上10質量%以下。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之碳纖維強化聚丙烯薄片，其中，於上述碳纖維之配向角度度數分布中，於本發明說明書中所定義之30°刻度之相對度數的最大值在0.25以下，相對度數的最小值在0.090以上。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之碳纖維強化聚丙烯薄片，其中，碳纖維之體積含有率為10~40%。
  7. 一種成形品，其係將如申請專利範圍第1至6項中任一 項之碳纖維強化聚丙烯薄片予以成形而獲得。
  8. 如申請專利範圍第7項之成形品，其中，成形品中之本發明說明書中所定義空孔率為3%以下。
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