TW202043003A - 含有再生碳纖維的碳纖維複合材料、成形體及碳纖維複合材料的製造方法 - Google Patents

含有再生碳纖維的碳纖維複合材料、成形體及碳纖維複合材料的製造方法 Download PDF

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TW202043003A
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鮫島孝文
飯塚佳夫
長田華穂
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日商芝浦機械股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種強度及彈性高的含有再生碳纖維的碳纖維複合材料及其製造方法。藉由如下方式而形成分散性良好地調配有50重量%～70重量%的再生碳纖維的、強度及彈性良好的碳纖維複合材料：於沿著在內部具有通路88的螺桿主體37的外周面搬送原料時，藉由設置於外周面的障壁部82來限制原料的搬送，藉由螺桿主體37來對原料施加剪切力，並且使其自設置於外周面的通路88的入口91向通路88的出口92通過而對原料施加伸長力。

Description

含有再生碳纖維的碳纖維複合材料、成形體及碳纖維複合材料的製造方法
本發明是有關於一種具有導電性的複合材料、成形體及碳纖維複合材料的製造方法，所述複合材料含有自飛機或汽車的廢棄物等中取出的再生碳纖維。
含有碳纖維的碳纖維強化材料（碳纖維複合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP））為高強度、高剛性，且有利於輕量化，因此被用作飛機或汽車等的零件。由於碳纖維強化材料中所含的碳纖維價格昂貴，因此提出了將使用過的CFRP中所含的碳纖維取出來製造再生碳纖維的方法（例如專利文獻1）。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2017-82037號公報
[發明所欲解決之課題]
若可使用廉價的再生碳纖維代替價格昂貴的未使用碳纖維（以下，適宜稱為「碳纖維」）來製造具有高強度及彈性的碳纖維複合材料，則就經濟性及對於環境的負擔減輕的觀點而言較佳。但是，與未使用碳纖維相比，由使用過的CFRP製造的再生碳纖維因製造步驟的影響而通常機械特性低。因此，難以使用再生碳纖維代替未使用碳纖維來製造強度及彈性優異的樹脂複合材料。另外，再生碳纖維於複合材料中的分散性差，因此先前難以調配超過50重量%的高濃度的再生碳纖維。若以高濃度調配的再生碳纖維的分散性差，則存在如下問題：自再生碳纖維凝聚的部分誘發初期破壞，而成為複合材料的強度及彈性降低的原因。 因此，本發明的目的在於提供一種含有具有高強度及彈性的再生碳纖維的碳纖維複合材料及其製造方法。 [解決課題之手段]
本發明是基於藉由施加剪切力與伸長力的方法，可使超過50重量%的高濃度的再生碳纖維分散性良好地調配於碳纖維複合材料中的見解而得，且包括以下的構成。 本發明的碳纖維複合材料含有樹脂及再生碳纖維，且所述碳纖維複合材料的特徵在於，所述再生碳纖維的含量為50重量%～70重量%。
本發明的碳纖維複合材料的製造方法是將包含樹脂及再生碳纖維的原料熔融混練並連續地噴出，且所述碳纖維複合材料的製造方法的特徵在於，所述原料含有50重量%～70重量%的所述再生碳纖維，於沿著在內部具有通路的螺桿主體的外周面搬送所述原料時，藉由設置於所述外周面的障壁部來限制所述原料的搬送，藉由所述螺桿主體來對所述原料施加剪切力，並且使其自設置於所述外周面的所述通路的入口向所述通路的出口通過而對所述原料施加伸長力。 [發明的效果]
於將樹脂與再生碳纖維熔融混練時，與剪切力一起施加伸長力，藉此可使高濃度的再生碳纖維分散於樹脂中。因此，可於維持高分散性的狀態下提高碳纖維複合材料中的再生碳纖維的含量。藉由提高再生碳纖維的含量而形成強度及彈性高的碳纖維複合材料。另外，藉由將含有高濃度的再生碳纖維的碳纖維複合材料射出成形，可提供機械特性的各向異性得到抑制且各向同性優異的成形體。
[碳纖維複合材料] 本發明的碳纖維複合材料含有樹脂及50重量%～70重量%的再生碳纖維。藉由使用連續式高剪切加工裝置的本發明的製造方法，可製造以良好的狀態分散有50重量%～70重量%的高濃度的再生碳纖維的碳纖維複合材料。藉由以高濃度含有再生碳纖維而形成強度及彈性等機械特性良好的碳纖維複合材料。於本發明中，數值範圍「A～B」是指「A以上、B以下」。
就提高複合材料的強度及彈性的觀點而言，碳纖維複合材料中的再生碳纖維的含量較佳為53重量%以上，更佳為58重量%以上。另外，就製成連續加工性優異的碳纖維複合材料的觀點而言，再生碳纖維的含量較佳為68重量%以下，更佳為63重量%以下。
所謂再生碳纖維，是指包含自飛機的零件等中所使用的碳纖維強化材料（CFRP）回收的碳纖維者。於回收（再生）碳纖維時，自碳纖維強化材料中所含的碳纖維中分離樹脂的方法並無限定，例如可列舉熱分解法或化學溶解法等。再者，再生碳纖維除自碳纖維強化材料（CFRP）回收的碳纖維以外，還可包含製造步驟中產生的未使用碳纖維的端材（織物材或無捲曲織物等）。
就提高碳纖維複合材料的拉伸強度的觀點而言，再生碳纖維的縱橫比較佳為3.4～4.0，更佳為3.5～3.9。就相同的觀點而言，再生碳纖維的纖維長度（D50）較佳為100 μm以上，更佳為105 μm以上。另外，就減小將碳纖維複合材料射出成形而成的成形體的機械特性的各向異性的觀點而言，再生碳纖維的纖維長度（D50）較佳為150 μm以下，更佳為120 μm以下。
碳纖維複合材料中所含的樹脂並無特別限定，就於加熱條件下可容易與再生碳纖維混練的方面而言，較佳為熱塑性樹脂。熱塑性樹脂為聚丙烯（polypropylene，PP）、聚碸（polysulfone，PS）、聚對苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate，PET）、聚對苯二甲酸丁二酯（polybutylene terephthalate，PBT）、聚醚碸（polyether sulfone，PES）、聚苯硫醚（polyphenylene sulfide，PPS）、聚醚酮（polyetherketone，PEK）、聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）、芳香族聚醯胺（polyamide，PA）、芳香族聚酯、芳香族聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、聚醚醯亞胺（polyetherimide，PEI）、聚伸芳基氧化物、熱塑性聚醯亞胺、聚醯胺醯亞胺。該些樹脂可使用一種，亦可併用兩種以上。
碳纖維複合材料亦可含有所述樹脂及再生碳纖維以外的成分。作為可含有的成分，例如可列舉抗氧化劑（硫系、磷系）、羧酸酐、馬來酸、塑化劑、紫外線（ultraviolet，UV）吸收劑、阻燃劑、結晶成核劑等添加劑或各種填料（碳黑、滑石、金屬粉、碳奈米管（carbon nanotube，CNT）、二氧化矽粒子、雲母）等，調配量設為碳纖維複合材料可維持與用途對應的強度及彈性的範圍。
[成形體] 以高濃度含有再生碳纖維的碳纖維複合材料通常硬且熔融黏度高，因此不適合射出成形。但是，對於本實施形態的碳纖維複合材料，由於分散性良好地調配有高濃度的再生碳纖維，因此具有適度的流動性。因此，可藉由射出成形而形成成形體。
本發明的碳纖維複合材料藉由對原料施加剪切力及伸長力的本發明的製造方法，可於樹脂與再生碳纖維的分散狀態良好的狀態下以50重量%～70重量%的高濃度調配再生碳纖維。藉由將以高濃度調配有再生碳纖維的複合材料成形，可獲得強度及彈性係數高的成形體。
關於將本發明的碳纖維複合材料射出成形而形成的成形體的機械特性，與含有未使用碳纖維的CFRP相比，各向異性得到抑制（各向同性優異）。這被認為與藉由本發明的製造方法而與樹脂混練時，再生碳纖維的纖維長度變短有關係。即，認為原因在於：藉由以50重量%以上的高濃度含有纖維長度比較短的再生碳纖維，射出成形時的在再生碳纖維的流動方向上的配向性降低，成為接近無規的配向。就減小成形體的各向異性的觀點而言，再生碳纖維的纖維長度（D50）較佳為150 μm以下，更佳為120 μm以下。
藉由本發明的碳纖維複合材料，可獲得如下成形體：射出成形時的垂直方向（TD（transverse direction）、機械特性低的方向）相對於流動方向（MD（machine dirction）、機械特性高的方向）的機械特性的比（TD/MD）大（各向異性小）。作為成形體的機械特性，可列舉拉伸強度或拉伸彈性係數。藉由將本發明的碳纖維複合材料射出成形，可獲得拉伸強度的比（TD/MD）為0.75以上、拉伸彈性係數的比（TD/MD）為0.85以上且各向異性得到抑制的成形體。機械特性的比是指藉由實施例中記載的測定方法而獲得的值，機械特性的比（TD/MD）越接近1.0，成形體的各向異性越低（各向同性越高）。
[碳纖維複合材料的製造方法] 所述本發明的碳纖維複合材料可藉由如下方式來製造：使用將包含樹脂及再生碳纖維的原料熔融混練並連續地噴出的連續式高剪切加工裝置，於沿著在內部具有通路的螺桿主體的外周面搬送含有50重量%～70重量%的再生碳纖維的原料時，藉由設置於外周面的障壁部來限制原料的搬送，藉由螺桿主體來對原料施加剪切力，並且使其自設置於外周面的通路的入口向通路的出口通過而對原料施加伸長力。
以下，參照連續式高剪切加工裝置對本發明的製造方法進行說明。 圖1中概略表示第1實施形態的連續式高剪切加工裝置（混練裝置）1的構成。高剪切加工裝置1包括第一擠出機（處理機）2、第二擠出機3及第三擠出機（脫泡機）4。第一擠出機2、第二擠出機3及第三擠出機4相互串聯連接。
第一擠出機2是用以將包含樹脂及再生碳纖維的原料預備性混練並加以熔融的處理機。關於該些原料，若是樹脂，則可以例如顆粒或粉末等的狀態供給至第一擠出機2，若是再生碳纖維，則可以切斷成3 mm～10 mm的短纖維切段（chop）等的狀態供給至第一擠出機2。
於本實施形態中，為了強化原料的混練/熔融的程度，使用同方向旋轉型的雙軸混練機作為第一擠出機2。圖2及圖3揭示了雙軸混練機的一例。雙軸混練機包括滾筒6及收容於滾筒6的內部的兩根螺桿7a、7b。滾筒6包含具有將兩個圓筒組合而成的形狀的缸體（cylinder）部8。所述樹脂自設置於滾筒6的一端部的供給口9連續地供給至缸體部8。進而，滾筒6內置有用以使樹脂熔融的加熱器。
螺桿7a、7b以相互咬合的狀態收容於缸體部8。螺桿7a、7b受到自未圖示的馬達傳遞來的扭矩（torque）而相互朝同方向旋轉。如圖3所示，螺桿7a、7b分別包括進料部11、混練部12及抽吸（pumping）部13。進料部11、混練部12及抽吸部13沿著螺桿7a、7b的軸向而呈一行排列。
進料部11具有呈螺旋狀扭轉的螺紋部14。螺桿7a、7b的螺紋部14以相互咬合的狀態旋轉，並且將自供給口9供給的包含再生碳纖維與樹脂的材料朝向混練部12搬送。
混練部12具有沿螺桿7a、7b的軸向排列的多個圓盤15。螺桿7a、7b的圓盤15以相互相向的狀態旋轉，並且將自進料部11送來的包含再生碳纖維與樹脂的材料預備性混練。經混練的材料藉由螺桿7a、7b的旋轉而送入抽吸部13。
抽吸部13具有呈螺旋狀扭轉的螺紋部16。螺桿7a、7b的螺紋部16以相互咬合的狀態旋轉，並且將經預備性混練的材料自滾筒6的噴出端擠出。
根據此種雙軸混練機，供給至螺桿7a、7b的進料部11的材料中的樹脂受到伴隨著螺桿7a、7b的旋轉的剪切發熱及加熱器的熱而熔融。藉由利用雙軸混練機的預備性混練而熔融的樹脂與再生碳纖維構成經混合的原料。如圖1中的箭頭A所示，原料自滾筒6的噴出端連續地供給至第二擠出機3。
進而，藉由將第一擠出機2構成為雙軸混練機，不僅可使樹脂熔融，而且還可對樹脂及再生碳纖維賦予剪切作用。因此，於將原料供給至第二擠出機3的時刻點，該原料藉由利用第一擠出機2的預備性混練而熔融，從而保持為最佳黏度。另外，藉由將第一擠出機2構成為雙軸混練機，於向第二擠出機3連續地供給原料時，可每單位時間穩定地供給規定量的原料。因此，可減輕正式性混練原料的第二擠出機3的負擔。
第二擠出機3是用以生成於原料的樹脂成分中高分散有再生碳纖維的混練物的要素。於本實施形態中，使用單軸擠出機作為第二擠出機3。單軸擠出機包括滾筒20及一根螺桿21。螺桿21具有對經熔融的原料反覆賦予剪切作用及伸長作用的功能。關於包括螺桿21的第二擠出機3的構成，將於後詳細說明。
第三擠出機4是用以將自第二擠出機3噴出的混練物中所含的氣體成分吸引、去除的元件。於本實施形態中，使用單軸擠出機作為第三擠出機4。如圖4所示，單軸擠出機包括滾筒22及收容於滾筒22的一根通氣螺桿23。滾筒22包括筆直的圓筒狀的缸體部24。自第二擠出機3擠出的混練物自沿著缸體部24的軸向的一端部連續地供給至缸體部24。
滾筒22具有通氣口25。通氣口25於沿著缸體部24的軸向的中間部開口，並且與真空泵26連接。進而，滾筒22的缸體部24的另一端部由頭部27封閉。頭部27具有使混練物噴出的噴出口28。
通氣螺桿23收容於缸體部24。通氣螺桿23受到自未圖示的馬達傳遞來的扭矩而朝一方向旋轉。通氣螺桿23具有呈螺旋狀扭轉的螺紋部29。螺紋部29與通氣螺桿23一體地旋轉，並且朝向頭部27連續地搬送供給至缸體部24的混練物。混練物於被搬送至與通氣口25對應的位置時，受到真空泵26的真空壓。即，藉由利用真空泵將缸體部24內吸為負壓，從而將混練物中所含的氣體狀物質或其他揮發成分自混練物中連續地吸引、去除。去除了氣體狀物質或其他揮發成分的混練物自頭部27的噴出口28作為碳纖維複合材料連續地噴出至高剪切加工裝置1的外部。
其次，對第二擠出機3進行說明。 如圖5、圖6所示，第二擠出機3的滾筒20是筆直的筒狀且水平配置。滾筒20分割成多個滾筒單元31。
各滾筒單元31具有圓筒狀的貫通孔32。滾筒單元31藉由螺栓緊固而一體地結合，以使各自的貫通孔32呈同軸狀連續。滾筒單元31的貫通孔32相互協作而於筒部20的內部限定圓筒狀的缸體部33。缸體部33沿滾筒20的軸向延伸。
於沿著滾筒20的軸向的一端部形成有供給口34。供給口34與缸體部33連通，並且在該供給口34連續地供給經第一擠出機2混合的原料。
滾筒20包括未圖示的加熱器。加熱器調整滾筒20的溫度，以使滾筒20的溫度成為對於原料的混練而言最佳的值。進而，滾筒20包括供例如水或油之類的冷卻劑流動的冷卻劑通路35。冷卻劑通路35以包圍缸體部33的方式配置。冷卻劑於滾筒20的溫度超過預定的上限值時沿著冷卻劑通路35流動，從而強制性冷卻滾筒20。
沿著滾筒20的軸向的另一端部由頭部36封閉。頭部36具有噴出口36a。噴出口36a相對於供給口34位於沿著滾筒20的軸向的相反側，並且與第三擠出機4連接。
螺桿21包括螺桿主體37。本實施形態的螺桿主體37包括一根旋轉軸38及多個圓筒狀的筒體39。
旋轉軸38包括第一軸部40及第二軸部41。第一軸部40位於滾筒20的一端部的一側即旋轉軸38的基端。第一軸部40包括接頭部42及止擋部43。接頭部42經由未圖示的聯結器（coupling）而與馬達之類的驅動源連結。止擋部43與接頭部42呈同軸狀設置。止擋部43的直徑大於接頭部42。
第二軸部41自第一軸部40的止擋部43的端面呈同軸狀延伸。第二軸部41具有跨及滾筒20的大致全長的長度，並且具有與頭部36相向的前端。呈同軸狀貫通第一軸部40及第二軸部41的筆直的軸線O1沿旋轉軸38的軸向水平延伸。
第二軸部41是直徑小於止擋部43的實心圓柱狀。如圖7所示，於第二軸部41的外周面安裝有一對鍵45a、45b。鍵45a、45b於在第二軸部41的周向上錯開180°的位置沿第二軸部41的軸向延伸。
如圖7、圖8所示，各筒體39構成為第二軸部41呈同軸狀貫通。於筒體39的內周面形成有一對鍵槽49a、49b。鍵槽49a、49b於在筒體39的周向上錯開180°的位置沿筒體39的軸向延伸。
筒體39於使鍵槽49a、49b與第二軸部41的鍵45a、45b對齊的狀態下自第二軸部41的前端的方向插入於第二軸部41的上方。於本實施形態中，第一軸環44介隔存在於最初插入於第二軸部41的上方的筒體39與第一軸部40的止擋部43的端面之間。進而，於將所有的筒體39插入於第二軸部41的上方後，將固定螺絲52介隔第二軸環51擰入至第二軸部41的前端面。
藉由該擰入而於第一軸環44與第二軸環51之間將所有的筒體39在第二軸部41的軸向上緊固，從而使相鄰的筒體39的端面無間隙地密接。
螺桿主體37具有用以搬送原料的多個搬送部81、及用以限制原料的流動的多個障壁部82。即，於與滾筒20的一端部對應的螺桿主體37的基端處配置有多個搬送部81，於與滾筒20的另一端部對應的螺桿主體37的前端處配置有多個搬送部81。進而，於該些搬送部81之間，自螺桿主體37的基端朝向前端，沿軸向交替地排列配置有搬送部81與障壁部82。根據將搬送部81與障壁部82作為一組而配置的數量來決定反覆進行樹脂與再生碳纖維的混練步驟的次數。 再者，滾筒20的供給口34朝向配置於螺桿主體37的基端側的搬送部81開口。
各搬送部81具有呈螺旋狀扭轉的螺紋部84。螺紋部84自沿著筒體39的周向的外周面朝向搬送路53突出。螺紋部84於自螺桿主體37的基端觀察時螺桿21繞逆時針左旋轉時，以自該螺桿主體37的基端朝向前端搬送原料的方式扭轉。即，螺紋部84是與該螺紋部84的扭轉方向右螺旋同樣地向右扭轉。
各障壁部82具有呈螺旋狀扭轉的螺紋部86。螺紋部86自沿著筒體39的周向的外周面朝向搬送路53突出。螺紋部86於自螺桿主體37的基端觀察時螺桿21繞逆時針左旋轉時，以自螺桿主體37的前端朝向基端搬送原料的方式扭轉。即，螺紋部86是與該螺紋部86的扭轉方向左螺旋同樣地向左扭轉。
各障壁部82的螺紋部86的扭轉間距設定為與搬送部81的螺紋部84的扭轉間距相同或較其小。進而，於螺紋部84、86的頂部與滾筒20的缸體部33的內周面之間確保有微小的間隙。
如圖5、圖6、圖9所示，螺桿主體37具有沿螺桿主體37的軸向延伸的多個通路88。關於通路88，於將一個障壁部82與夾著該障壁部82的兩個搬送部81設為一個單元時，於兩搬送部81的筒體39中跨及各單元的障壁部82而形成。所述情況下，通路88於沿著螺桿主體37的軸向的同一直線上以規定的間隔（例如等間隔）呈一行排列。
進而，通路88於筒體39的內部設置於自旋轉軸38的軸線O1偏心的位置。換言之，通路88自軸線O1偏離，於螺桿主體37旋轉時，繞軸線O1公轉。
如圖7所示，通路88例如是具有圓形剖面形狀的孔。通路88構成為僅容許原料流通的中空的空間。通路88的壁面89於螺桿主體37旋轉時不會以軸線O1為中心自轉而是繞軸線O1公轉。
於將通路88設為具有圓形剖面形狀的孔的情況下，圓的直徑例如設定為2 mm～6 mm左右即可。另外，通路88的距離（長度）例如設定為15 mm～90 mm左右即可。就使再生碳纖維順暢地通過，並且於通過時賦予充分的剪切力來使再生碳纖維分散的觀點而言，通路88剖面的圓的直徑較佳為3 mm～5 mm，通路88的距離較佳為20 mm～40 mm。
如圖10所示，各通路88具有入口91、出口92、及連通入口91與出口92之間的通路主體93。入口91及出口92靠近地設置於一個障壁部82的兩側。換而言之，於鄰接於相鄰的兩個障壁部82之間的一個搬送部81中，入口91於該搬送部81的下游端附近的外周面開口，並且出口92於該搬送部81的上游端附近的外周面開口。於一個搬送部81的外周面開口的入口91與出口92並未藉由通路主體93而連通。入口91介隔障壁部82而與相鄰的下游側的搬送部81的出口92連通，出口92介隔障壁部82而與相鄰的上游側的搬送部81的入口91連通。
於圖10中，搬送部81中的與螺桿主體37的搬送部81對應的部位的原料的充滿率由濃淡度表示。即，於該搬送部81中，色調越濃原料的填充率越高。根據圖10而明確，於搬送部81中，隨著接近障壁部82，原料的充滿率提高，於障壁部82的近前，原料的充滿率成為100%。
因此，於障壁部82的近前，形成原料的充滿率為100%的「原料堆R」。於原料堆R中，因阻擋了原料的流動而使該原料的壓力上升。如圖10中的虛線箭頭所示，壓力上升後的原料自於搬送部81的外周面開口的入口91連續地流入通路88中，並於該通路88內連續地流通。
由通路88的口徑限定的通路剖面積遠遠小於沿著缸體部33的徑向的搬送部81的圓環剖面積。換而言之，基於通路88的口徑的擴展區域遠遠小於圓環形狀的搬送路53的擴展區域。因此，於自入口91流入通路88時，原料被劇烈擠壓，藉此對原料賦予伸長作用。
如圖11所示，亦可設為於螺桿主體37的內部平行地設置有多個通路88的構成。於設置多個通路88的情況下，較佳為均等地配置於螺桿主體37中。藉由均等地配置多個通路88，可使對經混練的樹脂及再生碳纖維施加的壓力及剪切力均勻化，可抑制樹脂因局部的溫度上升而劣化。於均等地設置多個通路88的情況下，通路88的入口91及出口92（參照圖8）亦分別均等地設置於螺桿主體37的外周面。
於圖11中示出於螺桿主體37的內部平行地設置有四個通路88a、88b、88c、88d的示例。如該圖所示，所謂均等地配置多個通路88是指連結螺桿主體37的剖面的軸線（中心點）O1與相鄰的通路88的線的角度相等。連結軸線O1與相鄰的通路88的線的角度於通路88為四個的情況下為90°，於通路88為兩個的情況下為180°。再者，D1表示螺桿主體37的外徑。
如圖9中的箭頭C所示，供給至第二擠出機3的原料被投入至位於螺桿主體37的基端側的搬送部81的外周面。此時，自螺桿主體37的基端觀察時，當螺桿21繞逆時針左旋轉時，如圖9中的實線箭頭所示，搬送部81的螺紋部84將該原料朝向螺桿主體37的前端連續地搬送。
於本實施形態中，多個搬送部81及多個障壁部82沿螺桿主體37的軸向交替地排列，並且多個通路88沿螺桿主體37的軸向隔開間隔地排列。因此，如圖9及圖10中的箭頭所示，自供給口34投入至螺桿主體37的原料交替地反覆受到剪切作用及伸長作用，同時自螺桿主體37的基端向前端的方向連續地搬送。因此，原料的混練程度得到強化，並促進原料中的樹脂與再生碳纖維的分散化。
於促進樹脂與再生碳纖維的分散化時，若再生碳纖維的纖維長度過短，則存在複合材料的拉伸強度變低的情況。因此，就製成拉伸強度高的複合材料的觀點而言，調整促進分散化時的條件，以使再生碳纖維的縱橫比成為3.4～4.0、較佳為3.5～3.9且使再生碳纖維的纖維長度（D50）成為100 μm以上、較佳為105 μm以上。
作為該條件，可列舉：通路88的內徑、距離、交替地反覆實施剪切作用及伸長作用的次數等。例如，若使用包括四個內徑4 mm、距離30 mm的通路的螺桿主體37，並使轉速為200（轉/分鐘）～500（轉/分鐘）、使限制搬送的次數（反覆次數）為2次～4次時，則可製造具有高強度及彈性的碳纖維複合材料。於本發明中，限制搬送的次數與第二擠出機3中所設置的障壁部82的數量相同。
螺桿21受到來自驅動源的扭矩而旋轉。為了製造機械特性良好的碳纖維複合材料，較佳的螺桿21的轉速根據螺桿21的外徑而不同。通常存在隨著螺桿21的外徑變小，較佳的轉速變大的傾向。於使用外徑為30 mm以上、50 mm以下的螺桿21的情況下，螺桿21的轉速較佳為100 rpm至1000 rpm，更佳為150 rpm至600 rpm，進而佳為200 rpm至400 rpm。
於本實施形態中，如圖9所示，實線箭頭所示的搬送部81中的原料的搬送方向與虛線箭頭所示的通路88內的原料的流通方向相同。另外，通路88的入口91設置於搬送部81中的下游側（前端側、朝向圖9而為左側）的端部附近，出口92介隔障壁部82而設置於相鄰的下游側的搬送部81的上游側的端部附近。如此，跨及障壁部82的通路88的長度L2構成得短，因此原料通過通路88時的流動阻力變低。因此，本實施形態的製造方法適於製造使用黏度高的原料的樹脂，作為以高濃度含有再生碳纖維的碳纖維複合材料的製造方法而較佳。另外，亦可製造以高濃度含有未使用碳纖維、玻璃纖維（glass fiber，GF）等纖維材料來代替再生碳纖維的碳纖維複合材料。
通路88的長度L2必須大於該通路88所跨及的障壁部82的長度L1，就降低原料通過通路88時的流動阻力的觀點而言，較佳為該通路88所跨及的障壁部82的長度L1的2倍以下，更佳為1.5倍以下，進而佳為1.3倍以下。
而且，到達至螺桿主體37的前端的原料成為經充分混練的混練物，自噴出口36a連續地供給至第三擠出機4，並將該混練物中所含的氣體狀物質或其他揮發成分自混練物中連續地去除。 [實施例]
[實施例1～實施例14、比較例1] 使用參照圖1～圖11而於實施形態中所說明的連續式高剪切加工裝置，將再生碳纖維（適宜稱為RCF（recycled carbon fiber））與熱塑性樹脂原料混練來製造碳纖維複合材料。如表1所示，再生碳纖維使用市售品（碳再利用（Carbon Recycle）工業（股份）製造、相當於東麗T800的等級-1次加熱品），熱塑性樹脂使用聚醯胺6樹脂（PA6、商品名：艾米蘭（Amilan）CM1017、東麗（股份）製造）或聚苯硫醚樹脂（PPS、商品名：陶賴麗娜（Torelina）A900B1、東麗（股份）製造）。
於碳纖維複合材料的製造中，供給至將相對於螺桿有效長度（螺桿長度/螺桿直徑）48的混練部12的螺桿有效長度設定為8的第一擠出機2，進行預備性混練，藉此生成熔融狀態的材料。然後，將該熔融狀態的材料作為第二擠出機3的原料，自第一擠出機2連續地供給至第二擠出機3，從而製造碳纖維複合材料。
於碳纖維複合材料的製造中，使用包括以下規格的螺桿21的第二擠出機3，將RCF的含量（wt%）、通路長度（mm）、並列設置的通路數量、處理次數（次數）及轉速（轉/分鐘）設為表1及表2中記載的設定。 螺桿直徑（外徑）：48 mm 螺桿有效長度（L/D）：6.25～18.75 原料供給量：10 kg/小時 滾筒設定溫度：250℃ 入口、出口及通路主體的剖面形狀:直徑4 mm的圓形
藉由以所述條件製造的碳纖維複合材料來製作試驗片，並藉由以下方法來測定拉伸強度、拉伸彈性係數、彎曲強度、彎曲彈性係數、複合材料中的RCF的平均纖維長度（D50）及縱橫比。將結果示於表1及表2中。 ＜拉伸強度＞ 依據日本工業標準（japanese industrial standards，JIS）K 7161來進行測定。 關於試驗片，藉由射出成形來製作中央寬度為10 mm、長度為175 mm、厚度為4 mm的啞鈴形狀的試驗片。試驗片的形狀設為啞鈴狀1A號形。關於拉伸試驗，使用台式精密萬能試驗機（島津製作所（股份）製造的Autograph AG-50kN型），將十字頭速度設為5 mm/分鐘，負荷荷重，直至試驗片斷裂。關於拉伸強度，根據以下計算式來算出。 F=P/W×D F：強度（MPa） P：破壞荷重（MPa） W：試驗片的寬度（mm） D：試驗片的厚度（mm）
＜拉伸彈性係數＞ 拉伸試驗是依據JIS K 7161來實施。拉伸彈性係數是根據由試驗所獲得的應力-應變的關係，並根據與ε1及ε2的應變兩點間對應的應力/應變曲線的斜率來求出。再者，應變是利用於測定前進行了校正的伸長計（艾普斯龍（Epsilon）公司製造）來進行測量。 E=（（σ2-σ1）/（ε2-ε1））/1000 E：彈性係數（GPa） ε1：應變0.1%（0.001） ε2：應變0.3%（0.003） σ1：ε1時的應力（MPa） σ2：ε2時的應力（MPa）
＜彎曲強度＞ 依據JIS K 7171來進行測定。 關於試驗片，藉由射出成形來製作寬度為10 mm、長度為80 mm、厚度為4 mm的啞鈴形狀的試驗片。彎曲試驗設為3點彎曲，使用台式精密萬能試驗機（島津製作所（股份）製造的Autograph AG-50kN型）來進行試驗。將十字頭速度設為2 mm/分鐘，負荷荷重，直至試驗片斷裂。關於彎曲強度，根據以下計算式來算出。 F=3×P×L/2×W×D2 F：強度（MPa） P：破壞荷重（MPa） L：支點間距離64 mm W：試驗片的寬度（mm） D：試驗片的厚度（mm）
＜彎曲彈性係數＞ 彎曲試驗是依據JIS K 7171來實施。彎曲彈性係數是根據由試驗所獲得的應力-應變（伸長）的關係，並根據與ε1及ε2的應變兩點間對應的應力/應變曲線的斜率來求出。 E=（（σ2-σ1）/（ε2-ε1））/1000 E：彈性係數（GPa） ε1：應變0.05%（0.0005） ε2：應變0.25%（0.0025） σ1：ε1時的應力（MPa） σ2：ε2時的應力（MPa）
＜平均纖維長度（D50）、縱橫比＞ 針對以各條件獲得的混練物，於500℃以上的惰性氣體環境下吹飛樹脂並採取碳纖維。將所獲得的碳纖維投入雷射繞射/散射式粒子徑分佈測定裝置（麥奇克貝爾（Microtrac BEL）公司製造的MT3300II）來測定纖維分佈，並求出中值粒徑（D50），進行圖像解析來測定圓近似徑與長徑，並求出縱橫比。
[表1]
表1 實施例1 實施例2 實施例3 實施例4 實施例5 實施例6 實施例7
PA6 50 40 35 50 40 40 40
PPS - - - - - - -
RCF 50 60 65 50 60 60 60
通路長度（mm） 45 45 45 30 30 30 30
通路數量 1 1 1 1 1 1 1
反覆次數 7 7 7 2 2 2 2
轉速 （轉/分鐘） 500 500 700 500 500 500 300
拉伸強度 （MPa） 197 184 170 189 185 184 197
拉伸彈性係數 （GPa） 27.3 31.2 32.9 29.5 32.5 32.3 33.4
彎曲強度 （MPa） - 237 - - - 236 243
彎曲彈性係數 （GPa） - 23.8 - - - 23.8 23.5
D50（μm） - 88.4 - - - 106 103
縱橫比 - 3.25 - - - 3.30 3.43
[表2]
表2 實施例8 實施例9 實施例10 實施例11 實施例12 實施例13 實施例14 比較例1
PA6 40 35 40 40 40 35 - 70
PPS - - - - - - 40 -
RCF 60 65 60 60 60 65 60 30
通路長度（mm） 30 30 30 30 30 30 30 45
通路數量 2 2 4 4 4 4 1 1
反覆次數 2 2 2 2 2 2 2 7
轉速 （轉/分鐘） 500 400 500 300 200 300 250 100
拉伸強度 （MPa） 195 204 199 201 212 209 206 179
拉伸彈性係數 （GPa） 33.7 34.7 32.3 32.6 33.3 33.1 35.8 19.5
彎曲強度 （MPa） 234 - 219 221 249 - 264 -
彎曲彈性係數 （GPa） 23.3 - 23.9 23.7 23.2 - 283 -
D50（μm） - - - - 108 - - -
縱橫比 - - - - 3.67 - - -
使用TEM雙軸混練擠出機（東芝機械（股份）製造）來代替連續式高剪切加工裝置，設為與表1的實施例1～實施例3相同的原料及調配量來混練再生碳纖維（RCF）與熱塑性樹脂原料。但是，無法穩定地連續製造碳纖維複合材料，因此該些的結果（比較例2～比較例4）未記載於表1及表2中。 於使用與實施例1（RCF：50重量%）相同的原料的情況下，可製備碳纖維複合材料（比較例2），拉伸強度為265（MPa），拉伸彈性係數為31（GPa），但試驗中翼片（tab）部的破壞多。另外，製造過程中，所噴出的碳纖維複合材料亦會中途斷裂等，無法進行穩定的連續製造。結果，於通常的TEM雙軸混練擠出機中，使用與實施例1～實施例3（RCF：50重量%～65重量%）相同的原料的碳纖維複合材料無法連續地製造（比較例2～比較例4）。如上所述，本發明的碳纖維複合材料難以使用通常的TEM雙軸混練擠出機來製造。
如表1的實施例1～實施例14所示，藉由使用連續式高剪切加工裝置，可連續地製造再生碳纖維的含量為50重量%～65重量%的碳纖維複合材料。對於相同的原料，根據使用連續式高剪切加工裝置而製備的實施例1與TEM雙軸混練擠出機的比較，可知使用連續式高剪切加工裝置而獲得的碳纖維複合材料與使用TEM雙軸混練擠出機而製造的碳纖維複合材料相比，有拉伸強度降低的傾向（實施例1：197 MPa、比較例2：265 MPa）。認為其原因在於：於將樹脂與再生碳纖維高分散的步驟中，再生碳纖維的纖維長度變短。但是，藉由增大再生碳纖維的含量，可提高碳纖維複合材料的拉伸彈性係數。
碳纖維複合材料的拉伸強度受反覆次數或轉速等製造條件影響。於製造條件中，轉速的影響大。 確認到如下傾向：藉由增加用以對原料賦予剪切力的通路的數量而碳纖維複合材料的拉伸強度提高。為了製造拉伸強度高的碳纖維複合材料，較佳為設置多個通路來降低高剪切加工時的轉速。
碳纖維複合材料中所含的RCF的縱橫比及纖維長度（D50）成為評價碳纖維複合材料的拉伸強度的指標。為了提高碳纖維複合材料的拉伸強度，有效的是藉由高剪切加工來使RCF的纖維長度不會過短。 拉伸強度及拉伸彈性係數良好的碳纖維複合材料的彎曲強度及彎曲彈性係數亦良好。
針對使用實施例12的碳纖維複合材料而製作的成形體，藉由以下方法來測定各向異性。將測定結果示於表3中。
＜各向異性評價＞ 藉由射出成形來製作200 mm×200 mm的厚度4 mm的平板，於熔融樹脂於模具內流動的方向（MD）及其垂直方向（TD）上，藉由機械加工而自中央部分切出用於拉伸試驗的啞鈴形狀的試驗片，並藉由所述方法來測定拉伸強度（JIS K 7161）及拉伸彈性係數（JIS K 7161）。
[比較例5] 使用市售的碳纖維複合材料（製品名：皮勞費爾（PYLOFIL）、三菱化學（股份）製造、未使用碳纖維為30%、PA6為70%）來代替實施例12的碳纖維複合材料，藉由射出成形來製作相同形狀的平板，藉由與實施例12相同的條件、方法來測定各向異性。將測定結果示於表4中。
[表3]
表3 實施例12
縱（MD） 拉伸強度 105
拉伸彈性係數 15
橫（TD） 拉伸強度 91.3
拉伸彈性係數 13.5
TD/MD 拉伸強度 0.87
拉伸彈性係數 0.90
[表4]
表4 比較例5
縱（MD） 拉伸強度 196
拉伸彈性係數 18.6
橫（TD） 拉伸強度 11.1
拉伸彈性係數 9.36
TD/MD 拉伸強度 0.57
拉伸彈性係數 0.50
成形體的各向異性可根據在不同的方向上切出的成形體的特性的不同來評價，縱（MD）與橫（TD）的特性的比（TD/MD）越接近1.0，成形體的各向異性越小。如表3及表4所示，實施例12的成形體與比較例5的成形體相比，拉伸強度及拉伸彈性係數的各向異性小。可以說，藉由使用連續式高剪切加工裝置，即使以高濃度調配RCF，亦可高分散且可抑制碳纖維複合材料的各向異性。
（實施例12、實施例14及比較例5～比較例9） 對所述實施例12、實施例14的成形體的彎曲彈性係數、拉伸強度、比剛性及比強度進行測定。另外，針對未使用碳纖維：30%與PA6：70%的碳纖維複合材料（比較例5）、玻璃纖維與PPS的複合材料（比較例6）、PPS的成形體（比較例7）、鋁壓鑄（比較例8、Al-DC）及鎂壓鑄（比較例9、Mg-DC）各自的成形體，亦同樣地測定彎曲彈性係數、拉伸強度、比剛性及比強度。與該些的彎曲彈性係數、拉伸強度、比剛性及比強度一起示於表5、圖12的（a）及圖12的（b）。比剛性是彎曲彈性係數的3次方根除以比重並加以標準化而得的值，比強度是拉伸強度除以比重並加以標準化而得的值。
＜導電性的評價＞ 依據JIS K 7194來測定實施例12及比較例5的碳纖維複合材料的導電率。將結果示於表5中。 於導電率測定中，作為測定用的試驗片，藉由射出成形來製作平板。關於導電率，使用低電阻電阻率計對各試驗片測定5點。由1個試驗片算出5個電阻率，因此可算出15個電阻率。將對該15個電阻率進行平均而得的值作為導電率。 製作條件：溫度260℃， 試驗片：長60 mm、寬60 mm、厚4 mm
[表5]
表5 實施例12 實施例14 比較例5 比較例6 比較例7 比較例8 Al-DC 比較例9 Mg-DC
CF - - 30 - - - -
RCF 60 60 - - - - -
玻璃纖維 - - - 30 - - -
PA6 40 - 70 - - - -
PPS - 40 - 70 100 - -
彎曲彈性係數 （GPa） 23.2 28.3 23 11 4 70 45
拉伸強度 （MPa） 212 206 255 160 90 300 220
比剛性 2.0 2.0 2.2 1.5 1.1 1.5 2.0
比強度 145 135 200 90 60 120 140
導電率 （S/cm2 ） 2.82 - 0.07 - - - -
如表5、圖12的（a）及圖12的（b）所示，實施例12、實施例14的碳纖維複合材料藉由將再生碳纖維的含量設為60重量%，可實現超過200（MPa）的高拉伸強度。另外，實施例12的碳纖維複合材料的比強度及比剛性為與鋁壓鑄（Al-DC）及鎂壓鑄（Mg-DC）同等以上。
另外，實施例12的碳纖維複合材料具有非常高的導電率。認為其原因在於：實施例12的碳纖維複合材料含有60重量%的高濃度的再生碳纖維。即，如上所述，與未使用碳纖維（CF）相比，再生碳纖維（RCF）與樹脂的親和性低，其表面未由樹脂的層覆蓋。因此，藉由使用再生碳纖維，具有導電性的再生碳纖維彼此直接接觸的面積變廣。因此，可以說含有60重量%的再生碳纖維（RCF）的實施例1的碳纖維複合材料可實現含有30重量%的未使用碳纖維（CF）的比較例5的碳纖維複合材料的約40倍的極高的導電性。
如上所述，與現有的利用未使用碳纖維（CF）的材料相比，本發明的碳纖維複合材料具有非常高的導電性。因此，例如有效用作要求防靜電、電磁波屏蔽性或放熱性的成形體的材料。
1:高剪切加工裝置 2:第一擠出機 3:第二擠出機 4:第三擠出機 6:滾筒 7a、7b:螺桿 8:缸體部 9:供給口 11:進料部 12:混練部 13:抽吸部 14:螺紋部 15:圓盤 16:螺紋部 20:滾筒 21:螺桿 22:滾筒 23:通氣螺桿 24:缸體部 25:通氣口 26:真空泵 27:頭部 28:噴出口 29:螺紋部 31:滾筒單元 32:貫通孔 33:缸體部 34:供給口 35:冷卻劑通路 36:頭部 36a:噴出口 37:螺桿主體 38:旋轉軸 39:筒體 40:第一軸部 41:第二軸部 42:接頭部 43:止擋部 44:第一軸環 45a、45b:鍵 49a、49b:鍵槽 51:第二軸環 52:固定螺絲 53:搬送路 81:搬送部 82:障壁部 84、86:螺紋部 88、88a、88b、88c、88d:通路 89:壁面 91:入口 92:出口 93:通路主體 A、C:箭頭 F15-F15:線 O1:軸線 R:原料堆
圖1是概略表示本發明的製造方法中所使用的連續式高剪切加工裝置的立體圖。 圖2是連續式高剪切加工裝置中的第一擠出機的剖面圖。 圖3是表示第一擠出機的兩根螺桿相互咬合的狀態的立體圖。 圖4是連續式高剪切加工裝置中的第三擠出機的剖面圖。 圖5是連續式高剪切加工裝置中的第二擠出機的剖面圖。 圖6是一起以剖面表示第二擠出機中的滾筒（barrel）及螺桿的第二擠出機的剖面圖。 圖7是沿著圖6的F15-F15線的剖面圖。 圖8是筒體的立體圖。 圖9是表示原料相對於螺桿的流動方向的側面圖。 圖10是概略表示螺桿旋轉時的原料的流動方向的第二擠出機的剖面圖。 圖11是表示平行地設置有多個通路的示例的、與圖7相對應的部分的剖面圖。 圖12的（a）是表示實施例及比較例的拉伸強度與彎曲彈性係數的圖表，圖12的（b）是表示實施例及比較例的比剛性與比強度的圖表。
3:第二擠出機
20:滾筒
21:螺桿
33:缸體部
35:冷卻劑通路
37:螺桿主體
39:筒體
53:搬送路
81:搬送部
82:障壁部
84、86:螺紋部
88:通路
91:入口
92:出口
93:通路主體
O1:軸線
R:原料堆

Claims (8)

  1. 一種碳纖維複合材料，含有樹脂及再生碳纖維，且所述碳纖維複合材料的特徵在於， 所述再生碳纖維的含量為50重量%～70重量%。
  2. 如請求項1所述的碳纖維複合材料，其中， 所述再生碳纖維的縱橫比的平均為3.4～4.0。
  3. 如請求項2所述的碳纖維複合材料，其中， 所述再生碳纖維的纖維長度（D50）為100 μm～150 μm。
  4. 如請求項3所述的碳纖維複合材料，其中， 所述樹脂為熱塑性樹脂。
  5. 一種成形體，其是藉由將如請求項1至請求項4中任一項所述的碳纖維複合材料射出成形來成形而成。
  6. 一種碳纖維複合材料的製造方法，其是將包含樹脂及再生碳纖維的原料熔融混練並連續地噴出，且所述碳纖維複合材料的製造方法的特徵在於， 所述原料含有50重量%～70重量%的所述再生碳纖維， 於沿著在內部具有通路的螺桿主體的外周面搬送所述原料時， 藉由設置於所述外周面的障壁部來限制所述原料的搬送，藉由所述螺桿主體來對所述原料施加剪切力，並且使其自設置於所述外周面的所述通路的入口向所述通路的出口通過而對所述原料施加伸長力。
  7. 如請求項6所述的碳纖維複合材料的製造方法，其中， 於所述螺桿主體的內部平行地設置有多個所述通路。
  8. 如請求項6所述的碳纖維複合材料的製造方法，其中， 所述螺桿主體的轉速為200（轉/分鐘）～500（轉/分鐘），限制所述原料的搬送的次數為2次～4次。
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