WO2017154104A1 - 炭素繊維不織布、炭素繊維不織布の製造方法、炭素繊維多層布、及び複合材料 - Google Patents
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- D10B2101/12—Carbon; Pitch
Definitions
- the present invention relates to a carbon fiber nonwoven fabric, a method for producing a carbon fiber nonwoven fabric, a carbon fiber multilayer fabric, and a composite material.
- Composite materials obtained by combining organic materials such as resin and inorganic materials such as carbon are used in various fields.
- a carbon fiber including a material in which carbon fibers are arranged vertically and horizontally (cross material), a carbon fiber material in which carbon fibers are arranged in one direction (unidirectional, UD material), and a resin material.
- Reinforced plastics Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP are known.
- CFRP Resin Transfer Molding
- RTM Resin Transfer Molding
- This method is suitable for three-dimensional molding because resin is injected into a mold in which a carbon fiber material is disposed, carbon fibers are impregnated with resin, and cured to produce CFRP.
- the cloth material and the UD material are excellent in strength, there is a limitation in ease of molding by the RTM method.
- attempts have been made to produce CFRP by the RTM method using a carbon fiber nonwoven fabric in which carbon fibers are arranged in random directions (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-188779).
- the present invention provides a carbon fiber nonwoven fabric, a carbon fiber nonwoven fabric manufacturing method, a carbon fiber multilayer fabric, and a composite material that can produce a composite material having excellent moldability and strength.
- (1) The carbon fiber which has organic substance, and the carbon fiber which does not have organic substance substantially are included.
- (2) The carbon fiber which forms the focusing body, and the carbon fiber which does not form the focusing body are included.
- ⁇ 4> a contact step of contacting a composite material containing an organic substance decomposed by the treatment liquid and carbon fiber with the treatment liquid; A separation step of separating the treatment liquid containing the decomposition product of the organic matter and the carbon fiber; ⁇ 1> to ⁇ 3> having, in this order, a non-woven fabric production step of producing a non-woven fabric using the carbon fiber that has undergone the contact step and the separation step and the carbon fiber that has not undergone the contact step and the separation step.
- ⁇ 5> The method for producing a carbon fiber nonwoven fabric according to ⁇ 4>, wherein the organic substance includes a resin containing an ester bond.
- ⁇ 6> The method for producing a carbon fiber nonwoven fabric according to ⁇ 4> or ⁇ 5>, wherein the treatment liquid includes an organic solvent and a decomposition catalyst.
- ⁇ 7> A carbon fiber multilayer fabric comprising the carbon fiber nonwoven fabric according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 3> and a carbon fiber sheet oriented in at least one direction.
- ⁇ 8> A composite material comprising the carbon fiber nonwoven fabric according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 3> or the carbon fiber multilayer fabric according to ⁇ 7> and a resin.
- a carbon fiber nonwoven fabric a carbon fiber nonwoven fabric manufacturing method, a carbon fiber multilayer fabric, and a composite material capable of producing a composite material having excellent moldability and strength.
- the present invention is not limited to the following embodiments.
- the components including element steps and the like are not essential unless otherwise specified.
- the term “process” includes a process that is independent of other processes and includes the process if the purpose of the process is achieved even if it cannot be clearly distinguished from the other processes. It is.
- numerical values indicated by using “to” include numerical values described before and after “to” as the minimum value and the maximum value, respectively.
- the upper limit value or the lower limit value described in one numerical range may be replaced with the upper limit value or the lower limit value of another numerical range. Good. Further, in the numerical ranges described in this specification, the upper limit value or the lower limit value of the numerical range may be replaced with the values shown in the examples.
- the content of each component in the composition is the sum of the plurality of substances present in the composition unless there is a specific indication when there are a plurality of substances corresponding to each component in the composition. It means the content rate of.
- the term “layer” refers to the case where the layer is formed only in a part of the region in addition to the case where the layer is formed over the entire region. Is also included.
- the term “lamination” indicates that layers are stacked, and two or more layers may be combined, or two or more layers may be detachable.
- the carbon fiber nonwoven fabric of this embodiment satisfies at least one of the following (1) to (3).
- the carbon fiber which has organic substance, and the carbon fiber which does not have organic substance substantially are included.
- the first aspect of the present embodiment is a carbon fiber nonwoven fabric including carbon fibers having an organic substance and carbon fibers having substantially no organic substance.
- a composite material manufactured using a carbon fiber nonwoven fabric containing carbon fibers substantially free of organic matter is a composite material manufactured using a carbon fiber nonwoven fabric formed only from carbon fibers having organic matter. It was found to be superior in strength to the material. The reason for this is not clear, but carbon fiber nonwoven fabrics containing carbon fibers having organic matter and carbon fibers having substantially no organic matter are more carbon than carbon fiber nonwoven fabrics formed only from carbon fibers having organic matter. This is presumably because of the good compatibility with the resin injected between the fibers and good adhesion.
- the organic substance here means, for example, an adhesion improver for improving the adhesion between the resin and the carbon fiber contained in the composite material, the maintenance of the state in which the carbon fiber forms a convergent body, and the improvement of the handleability. It refers to a surface treatment agent such as a sizing agent (sizing agent) that adheres to the surface of a sizing body or between single fibers, and a resin that is in contact with carbon fibers in a composite material.
- a surface treatment agent such as a sizing agent (sizing agent) that adheres to the surface of a sizing body or between single fibers, and a resin that is in contact with carbon fibers in a composite material.
- a composite material produced using a carbon fiber nonwoven fabric that includes both carbon fibers that are substantially free of organic matter and carbon fibers that contain organic matter is carbon that is substantially free of organic matter. It was found that the bending strength and the bending elastic modulus were better than those of the composite material produced using the carbon fiber nonwoven fabric formed only from the fibers.
- the “carbon fiber nonwoven fabric” means a nonwoven fabric in which the proportion of carbon fibers in the total mass of the carbon fiber nonwoven fabric is 10% by mass or more.
- the carbon fiber is “substantially free of organic matter” means that the proportion of the organic matter in the total mass of the carbon fiber and the organic matter contained in the carbon fiber is 0% by mass or 3% by mass or less. It means that there is.
- the ratio of the organic matter to the total mass of the organic matter contained in the carbon fiber and the carbon fiber can be confirmed by the following method. First, the carbon fiber is dried at 100 ° C. for 20 minutes, and then heat-treated in air at 500 ° C.
- the proportion of the organic matter in the total mass of the carbon fiber and the organic matter contained in the carbon fiber is preferably 2.5% by mass or less, and more preferably 2% by mass or less.
- the ratio of “carbon fiber substantially free of organic matter” in the carbon fiber nonwoven fabric is not particularly limited, and can be selected according to the use of the carbon fiber nonwoven fabric. For example, it may be 20% by mass or more in the total mass of carbon fibers contained in the carbon fiber nonwoven fabric, preferably 30% by mass or more, and more preferably 35% by mass or more.
- carbon fiber contained in the carbon fiber nonwoven fabric of this embodiment those generally used as a raw material for composite materials can be used without particular limitation.
- carbon fiber which does not have an organic substance substantially the surface treatment agent mentioned above is not provided, or the carbon fiber of the state from which at least one part of surface treatment agent was removed is mentioned, for example.
- a carbon fiber used for manufacturing a composite material has a plurality of single fibers (filaments) gathered to form a bundle (strand).
- a method for removing the organic matter from the carbon fiber a method in which the carbon fiber or the composite material is heat-treated at a temperature equal to or higher than the temperature at which the organic matter disappears (for example, see JP2013-237716A), or a treatment liquid capable of decomposing the organic matter. Examples thereof include a method of bringing carbon fibers or a composite material into contact (for example, see JP-A-2001-172426).
- the treatment for removing the organic matter from the carbon fiber may be a treatment for recovering the carbon fiber from the composite material containing the carbon fiber and the organic matter. From the viewpoint of reducing damage to the carbon fiber and reducing the remaining amount of organic matter, a method using a treatment liquid containing an organic solvent and a decomposition catalyst is preferable. Further, from the viewpoint of cost, a method of obtaining carbon fiber by removing organic substances such as resin contained in prepreg process waste material, CFRP process waste material and the like by the above method is preferable.
- the length of the carbon fiber contained in the carbon fiber nonwoven fabric is not particularly limited.
- it is preferably 20 mm or more from the viewpoint of processability when processing carbon fibers into a nonwoven fabric, and from the viewpoint of the strength of the carbon fiber nonwoven fabric and multilayer fabrics and composite materials produced using the carbon fiber nonwoven fabric, it is 150 mm or less.
- the length of the carbon fibers is the number average value of the lengths of 100 carbon fibers randomly selected from the carbon fiber nonwoven fabric.
- the thickness of the carbon fiber contained in the carbon fiber nonwoven fabric of this embodiment is not particularly limited. For example, from the viewpoint of processability of the nonwoven fabric, it is preferably 3 ⁇ m to 10 ⁇ m.
- the thickness of the carbon fiber here is 100 carbon fibers randomly selected from the carbon fiber nonwoven fabric, and the thickness of the single fiber (filament) (if the thickness of one single fiber is not constant) , The thickness of the thinnest part).
- the thickness of the carbon fiber nonwoven fabric is not particularly limited, and can be selected according to the structure and use of the composite material produced using the carbon fiber nonwoven fabric.
- the thickness is preferably 5 mm to 100 mm.
- the carbon fiber nonwoven fabric may be a single sheet or a laminate of two or more sheets. When two or more carbon fiber nonwoven fabrics are laminated, the above thickness is a total value of the thicknesses of two or more carbon fiber nonwoven fabrics.
- the second aspect of the present embodiment is a carbon fiber nonwoven fabric including carbon fibers forming a converging body and carbon fibers not forming a converging body.
- a composite material manufactured using a carbon fiber nonwoven fabric containing carbon fibers forming a focusing body and carbon fibers not forming a focusing body forms a focusing body. It was found to be superior in strength to a composite material produced using a carbon fiber non-woven fabric formed only from the carbon fibers present. The reason for this is not clear, but it is better to include carbon fibers that form bundling bodies and carbon fibers that do not form bundling bodies, compared to the case where they are formed only from carbon fibers that form bundling bodies.
- the resin is intimately compatible with the resin injected between the carbon fibers and has good adhesion.
- the carbon fibers that do not form a bundling body are not in the form of a bundle in which the carbon fibers are fixed to each other, and each single fiber of the carbon fibers is opened and exists independently.
- a more uniform carbon fiber non-woven fabric can be produced without intricately intertwining the fibers.
- a composite material manufactured using a carbon fiber nonwoven fabric containing both carbon fibers forming a converging body and carbon fibers not forming a converging body forms a converging body. It was found that the bending strength and the bending elastic modulus were better than those of the composite material produced using the carbon fiber nonwoven fabric formed only from carbon fibers that were not used.
- the carbon fiber “does not form a bundling body” means that the carbon fiber does not form a bundling body and exists as an independent single fiber.
- “Carbon fibers that do not form a focusing body” include both carbon fibers that do not form a focusing body completely and carbon fibers that do not partially form a focusing body.
- “carbon fiber forming a focusing body” means a carbon fiber that does not correspond to “carbon fibers not forming a focusing body”, that is, there is no portion where no focusing body is formed.
- Examples of a method for obtaining carbon fibers not forming a bundling body include a method of heat treating carbon fibers or a composite material at a temperature equal to or higher than a temperature at which the organic matter disappears (for example, see JP2013-237716A). Examples thereof include a method of bringing a carbon fiber or a composite material into contact with a decomposable processing solution (for example, see JP-A-2001-172426). From the viewpoint of reducing damage to the carbon fiber and reducing the remaining amount of organic matter, a method using a treatment liquid containing an organic solvent and a decomposition catalyst is preferable. Further, from the viewpoint of cost, a method of obtaining carbon fiber by removing organic substances such as resin contained in prepreg process waste material, CFRP process waste material and the like by the above method is preferable.
- the ratio of “carbon fibers not forming a converging body” in the carbon fiber nonwoven fabric is not particularly limited, and can be selected according to the use of the carbon fiber nonwoven fabric.
- the total mass of carbon fibers contained in the carbon fiber nonwoven fabric may be 10% by mass or more, preferably 30% by mass or more, and more preferably 50% by mass or more.
- the length of the carbon fiber, the thickness of the carbon fiber, and the thickness of the carbon fiber nonwoven fabric are not particularly limited, and preferred ranges thereof are the same as those in the first embodiment.
- a third aspect of the present embodiment is a carbon fiber that includes carbon fibers that are not recovered from a composite material including carbon fibers and organic matter, and carbon fibers that are recovered from the composite material including carbon fibers and organic matter. It is a nonwoven fabric. According to the study by the present inventors, carbon fibers that are not recovered from composite materials containing carbon fibers and organic matter, and non-woven fabrics that contain carbon fibers that are recovered from composite materials containing carbon fibers and organic matter were used. It was found that the composite material is superior in strength to a composite material manufactured using a nonwoven fabric formed only from carbon fibers that are recovered from composite materials containing carbon fibers and organic matter.
- a composite material manufactured using a nonwoven fabric has a bending strength and a flexural modulus higher than those of a composite material manufactured using a carbon fiber nonwoven fabric formed only from carbon fibers that are not recovered from composite materials containing carbon fibers and organic matter. It was found to be good.
- the method for determining whether or not the carbon fiber includes “carbon fiber that is recovered from a composite material including carbon fiber and organic matter” is not particularly limited. For example, when the carbon fiber does not completely or partially form a bundle, it can be determined that the carbon fiber is “recovered material from a composite material including carbon fiber and organic matter”. This is because when the carbon fiber is recovered from the composite material, organic substances such as a surface treatment agent attached to the carbon fiber are removed, and the carbon fiber is at least partially unbundled so that the single fiber becomes independent. Because.
- the method for obtaining carbon fiber that is a recovered material from a composite material containing carbon fiber and organic matter is not particularly limited.
- a method of heat treating a carbon fiber or a composite material at a temperature equal to or higher than a temperature at which the organic matter disappears for example, see JP2013-237716A
- a method of contacting the carbon fiber or the composite material with a treatment solution capable of decomposing the organic matter for example, refer to JP 2001-172426 A.
- a method using a treatment liquid containing an organic solvent and a decomposition catalyst is preferable.
- a method of obtaining carbon fiber by removing organic substances such as resin contained in prepreg process waste material, CFRP process waste material and the like by the above method is preferable.
- the ratio of “carbon fiber recovered from composite material including carbon fiber and organic matter” in the carbon fiber nonwoven fabric is not particularly limited and can be selected according to the use of the carbon fiber nonwoven fabric.
- the total mass of carbon fibers contained in the carbon fiber nonwoven fabric may be 10% by mass or more, preferably 30% by mass or more, and more preferably 50% by mass or more.
- the length of the carbon fiber, the thickness of the carbon fiber, and the thickness of the carbon fiber nonwoven fabric are not particularly limited, and preferred ranges thereof are the same as those in the first embodiment.
- the carbon fiber nonwoven fabric may contain only carbon fibers, or may contain carbon fibers and resin fibers.
- the carbon fiber non-woven fabric includes resin fibers, the carbon fiber non-woven fabric is more easily produced and the handleability tends to be improved. This is because the resin fibers are entangled with the carbon fibers and the shape of the carbon fiber nonwoven fabric is easily maintained. Only one type of resin fiber or two or more types may be used.
- the type of resin fibers is not particularly limited, and examples thereof include synthetic fibers such as thermoplastic resins and thermosetting resins, and regenerated fibers such as rayon.
- a thermoplastic resin fiber is included as a resin fiber, a composite material is produced by pressurizing and hot-pressing the carbon fiber nonwoven fabric to melt the resin fiber without separately impregnating the carbon fiber nonwoven fabric with a resin. Can do.
- the thermoplastic resin constituting the resin fiber is not particularly limited. Examples include polypropylene, polyethylene terephthalate, nylon 6, nylon 66, polycarbonate, and polystyrene.
- the carbon fiber ratio in the total of the carbon fibers and the resin fibers is 20% by mass or more and less than 99% by mass (the resin fiber ratio is 1% by mass or more and less than 80% by mass). Is preferred.
- the proportion of the carbon fiber is 20% by mass or more and less than 99% by mass (the proportion of the resin fiber is 1% by mass or more and less than 80% by mass)
- the composite material produced using the carbon fiber nonwoven fabric tends to be more elastic. It is in.
- the proportion of carbon fibers in the total resin fibers is more preferably 30% by mass or more and less than 90% by mass (the resin fiber content is 10% by mass or more and less than 70% by mass), and 35% by mass or more and less than 80% by mass ( More preferably, the ratio of the resin fibers is 20% by mass or more and less than 65% by mass.
- the method for producing a carbon fiber nonwoven fabric of the present embodiment includes a contact step in which a composite material containing an organic substance decomposed by the treatment liquid and carbon fiber is brought into contact with the treatment liquid.
- “decompose” of an organic substance means that the molecular structure of the organic substance is changed by the action of the treatment liquid, and the molecule becomes small enough to be taken into the treatment liquid.
- the composite material to which the above method can be applied is not particularly limited as long as it includes an organic substance that is decomposed by the treatment liquid used in the method of the present embodiment and carbon fiber.
- the organic substance contained in the composite material examples include a resin.
- the organic substance when it is a resin, it may be a thermosetting resin or a thermoplastic resin.
- the resin may be in a completely cured or solidified state or may not be completely cured or solidified.
- the type is not particularly limited, and is selected according to conditions such as a processing solution, a processing temperature, and a processing time. From the viewpoint of ease of decomposition by the treatment liquid, a resin containing an ester bond is preferable.
- the resin containing an ester bond include a polyester resin (unsaturated polyester resin or saturated polyester resin), an epoxy resin containing an ester bond (an acid anhydride-cured epoxy resin, a glycidyl ester type epoxy resin, and the like).
- the organic material contained in the composite material may be only one type or two or more types.
- the treatment liquid is not particularly limited as long as it can decompose organic substances contained in the composite material.
- the organic substance contains a resin containing an ester bond
- the treatment liquid that can cause decomposition of the ester bond include a treatment liquid containing an organic solvent and a decomposition catalyst.
- the type of the organic solvent is not particularly limited. Examples include alcohol solvents, ketone solvents, ether solvents, amide solvents, and ester solvents.
- amide solvents include formamide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, N, N-diethylformamide, acetamide, N-methylacetamide, N, N-dimethylacetamide, N, N, N ′, N ′. -Tetramethylurea, 2-pyrrolidone, N-methyl-2-pyrrolidone, caprolactam, carbamic acid ester and the like.
- alcohol solvents include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2- butanol, isobutanol, tert-butanol, 1-pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 2-methyl-1-butanol, isopentyl alcohol, tert-pentyl alcohol, 3-methyl-2-butanol, neopentyl alcohol, 1-hexanol, 2-methyl-1-pentanol, 4-methyl-2-pentanol 2-ethyl-1-butanol, 1-heptanol, 2-heptanol, 3-heptanol, cyclohexanol, 1-methylcyclohexanol, 2-methylcyclohexanol, 3-methylcyclohexanol, 4-methylcyclohexanol, ethylene Recall, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol
- ketone solvents include acetone, methyl ethyl ketone, 2-pentanone, 3-pentanone, 2-hexanone, methyl isobutyl ketone, 2-heptanone, 4-heptanone, diisobutyl ketone, cyclohexanone, methylcyclohexanone, phorone, isophorone acetylacetone, acetophenone, and the like. Can be mentioned.
- ether solvents include dipropyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether, dihexyl ether, anisole, phenetole, dioxane, tetrahydrofuran, acetal, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, tetrahydrofuran, dioxane. And acetal.
- ester solvents include methyl formate, ethyl formate, propyl formate, butyl formate, isobutyl formate, pentyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, isopropyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, 3- Methoxybutyl acetate, 2-ethylbutyl acetate, 2-ethylhexyl acetate, cyclohexyl acetate, benzyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, butyl propionate, isopentyl propionate, methyl lactate, ethyl lactate, butyl lactate, butyric acid Methyl, ethyl butyrate, butyl butyrate, isopentyl butyrate, isobutyl
- alcohol solvents are preferred because of their high ability to decompose ester-bonded resins such as acid anhydride-cured epoxy resins by transesterification.
- monoalcohols having one hydroxyl group are the decomposition products. It is more preferable because there are few side reactions.
- monoalcohols benzyl alcohol is more preferable from the viewpoint of decomposition ability.
- the organic solvent contained in the treatment liquid may be only one type or two or more types.
- examples of the decomposition catalyst include alkali metal compounds such as phosphates, metal hydroxides, and the like.
- the phosphate include tripotassium phosphate, trirubium phosphate, trisodium phosphate, and trilithium phosphate.
- the metal hydroxide include rubidium hydroxide, potassium hydroxide, sodium hydroxide, lithium hydroxide and the like.
- the decomposition catalyst contained in the treatment liquid may be only one type or two or more types.
- the concentration of the decomposition catalyst when the treatment liquid contains the decomposition catalyst is not particularly limited. For example, it may be in the range of 0.3 mol / L to 1 mol / L.
- the direction of the carbon fiber contained in the composite material is not particularly limited, and may be arranged in the vertical and horizontal directions, in one direction, or in a random direction. Only one type of carbon fiber may be used, or two or more types having different forms may be used.
- the composite material may be cut in advance to a desired size.
- the carbon fibers having the same length can be collected by cutting the composite material into squares along the vertical and horizontal directions of the carbon fibers.
- the length of the recovered carbon fiber is not particularly limited, and can be selected according to the desired characteristics of the carbon fiber nonwoven fabric to be produced.
- the method for bringing the composite material into contact with the treatment liquid is not particularly limited.
- a method of immersing the composite material in the treatment liquid a method of spraying or applying the treatment liquid to the composite material, and the like can be given.
- a method of immersing the composite material in the treatment liquid is preferable.
- the treatment liquid in contact with the composite material is flowing.
- a method of flowing the processing liquid for example, a method of immersing the composite material while flowing the processing liquid in a container provided with a pipe for allowing the processing liquid to flow in and a pipe for allowing the processing liquid to flow out.
- the direction in particular when the processing liquid is flowing in the container is not limited, and may be, for example, a horizontal direction or a gravity direction.
- the temperature of the treatment liquid in the contacting step is not particularly limited as long as the organic substance can be decomposed.
- it may be in the range of 50 ° C. to 300 ° C., and is preferably in the range of 100 ° C. to 200 ° C.
- the temperature of the treatment liquid in the contact step may be constant from the start to the end of the contact step or may change.
- the method for separating the treatment liquid containing the decomposition product of the organic substance and the carbon fiber is not particularly limited.
- the treatment liquid may be taken out from the container first, and the carbon fiber may be taken out from the container first.
- the treatment liquid containing the decomposition product of the organic matter after the separation step may be discarded as it is or reused.
- a processing solution perform some processing as necessary, such as removing organic decomposition products and other components (substances generated by the decomposition reaction) from the processing solution, and adding unused processing solutions. May be.
- the organic matter that has not been decomposed by the treatment liquid may adhere to the carbon fiber after the separation step.
- the organic substance may be removed by further performing a contact step and a separation step.
- the method is not particularly limited, and the contact step and the separation step may be performed under the same conditions as those described above or may be performed under different conditions.
- count in the case of further implementing a contact process and a separation process is not restrict
- the heat treatment may be performed at a temperature equal to or higher than the temperature at which the organic matter attached to the carbon fiber disappears.
- the composite material may further contain an organic substance that does not decompose into the treatment liquid.
- a means for removing the organic matter may be taken.
- the temperature of the treatment liquid brought into contact with the carbon fiber is set to a temperature equal to or higher than the softening point of the organic substance that does not decompose into the treatment liquid, and the organic substance is softened and separated from the carbon fiber.
- the organic substance that does not decompose into the treatment liquid includes a resin that does not contain an ester bond.
- the resin not containing an ester bond include polyolefin resins such as polypropylene and polyethylene, polyamide resins, and polypropylene resins.
- the process in particular of producing a nonwoven fabric using carbon fiber is not restrict
- the carbon fiber multilayer fabric of this embodiment includes the carbon fiber nonwoven fabric of the above-described embodiment and a carbon fiber sheet oriented in at least one direction.
- the number of carbon fiber nonwoven fabrics and carbon fiber woven fabrics in the carbon fiber multilayer fabric is not particularly limited, and may be one or two or more independently.
- the carbon fiber multilayer fabric may have other members as necessary.
- the “carbon fiber sheet oriented in at least one direction” is a carbon fiber sheet in which the proportion of carbon fibers in the total mass is 30% by mass, and at least one carbon fiber bundle or single fiber is present. It means a state oriented in the direction.
- Examples of such a carbon fiber sheet include a carbon fiber material (cross material) in which carbon fibers are arranged in the vertical and horizontal directions, and a carbon fiber material (Unidirectional, UD material) in which carbon fibers are arranged in one direction. Since the carbon fiber sheet oriented in at least one direction is excellent in strength, the strength can be complemented by arranging the carbon fiber sheet even when the strength is insufficient only with the carbon fiber nonwoven fabric.
- the structure of the carbon fiber multilayer fabric is not particularly limited.
- a carbon fiber sheet oriented in at least one direction may be disposed only on one side of the carbon fiber nonwoven fabric, or a carbon fiber sheet oriented in at least one direction may be disposed on both sides of the carbon fiber nonwoven fabric.
- Other layers may be arranged as necessary.
- the thickness of the carbon fiber multilayer fabric is not particularly limited.
- it is preferably 100 mm or less.
- the composite material of this embodiment includes the carbon fiber nonwoven fabric or carbon fiber multilayer fabric of the above-described embodiment, and a resin.
- the composite material may include other components or other members as required.
- the type of resin in the composite material is not particularly limited and can be selected according to the use of the composite material.
- examples thereof include thermoplastic resins such as polyamide resin and polypropylene resin, and thermosetting resins such as epoxy resin.
- the state of the resin in the composite material is not particularly limited, and may be completely cured or solidified or partially cured or solidified.
- the manufacturing method of the composite material is not particularly limited, and a known method such as an RTM method, an autoclave method, a pressing method, or the like can be adopted. Since the composite material of this embodiment is excellent in moldability, it is also suitable for molding into a complicated shape by the RTM method.
- Use of composite material is not particularly limited.
- car bodies and interior / exterior members such as automobiles and airplanes, heat insulating materials, electromagnetic wave shielding films, and the like can be given.
- Example 1 The carbon fiber was separated from the composite material under the conditions shown below.
- a prepreg material (thickness: 0.4 mm, resin content: 45% by mass) containing an epoxy resin containing an ester bond and a carbon fiber cloth material was used.
- the treatment liquid a mixture of benzyl alcohol and sodium hydroxide (sodium hydroxide concentration: 0.5 mol / L) was used.
- the composite material cut into a square of 4 cm ⁇ 4 cm along the direction of the carbon fiber was immersed in a container filled with the treatment liquid to bring the treatment liquid into contact with the composite material.
- the container is equipped with a pipe for inflow of processing liquid in the gravity direction at the bottom and a pipe for outflowing processing liquid in the upper direction in the direction of gravity. Those having a flowing structure were used.
- the temperature of the treatment liquid was 60 ° C. for 2 hours from the start of immersion and 190 ° C. for the next 5 hours.
- the composite material obtained above is cut by attaching a rotary blade (Tanitech Co., Ltd.) to a rotary cutter (Makita Co., Ltd.), and producing 10 test pieces each having a width of 2.5 cm and a length of 8 cm. did.
- bending strength and a bending elastic modulus were measured by 3 point
- a precision universal testing machine (Shimadzu Corporation, AUTOGRAPH AG-X 1 kN) was used for the measurement.
- the average of the measured values obtained for 10 test pieces was a bending strength of 251 MPa and a bending elastic modulus of 18 GPa.
- Example 1 A carbon fiber non-woven fabric and a composite material were prepared in the same manner as in Example 1 except that only 5.7 kg of carbon fiber (Toray Co., Ltd., T700S) with an organic substance (sizing agent) attached to the surface was used as the carbon fiber. The strength was evaluated. The average of the measured values obtained for the ten test pieces was 190 MPa in bending strength and 9 GPa in flexural modulus.
- Example 2 A carbon fiber nonwoven fabric and a composite material were produced in the same manner as in Example 1 except that 5.7 kg of only the carbon fiber recovered from the composite material was used as the carbon fiber, and the strength was evaluated. The average of the measured values obtained for the ten test pieces was 232 MPa in bending strength and 13 GPa in flexural modulus.
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Abstract
下記(1)~(3)の少なくとも1つを満たす、炭素繊維不織布。 (1)有機物を有する炭素繊維と、実質的に有機物を有しない炭素繊維と、を含む。 (2)集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維と、を含む。 (3)炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維と、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維と、を含む。
Description
本発明は、炭素繊維不織布、炭素繊維不織布の製造方法、炭素繊維多層布、及び複合材料に関する。
樹脂等の有機材料と、炭素等の無機材料とを複合化した複合材料は様々な分野で利用されている。このような複合材料としては、炭素繊維が縦横に配置された材料(クロス材)又は炭素繊維が一方向に配置された炭素繊維材料(Unidirectional、UD材)と、樹脂材料と、を含む炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastic、CFRP)が知られている。
近年、CFRPの製造方法として、樹脂トランスファー成形法(Resin Transfer Molding、RTM)が注目を集めている。この方法では、炭素繊維材料を配置した型内に樹脂を注入して炭素繊維間を樹脂で含浸し、硬化させてCFRPを製造するため、立体的な成形に適している。クロス材とUD材は強度に優れるものの、RTM法による成形のしやすさに制約がある。そこで、炭素繊維がランダムな方向に配置された炭素繊維不織布を用いてRTM法によりCFRPを製造する試みがなされている(例えば、特許文献特開2012-188779号公報参照)。
RTM法では型内に樹脂を注入して炭素繊維間を樹脂で含浸するため、樹脂をいかに炭素繊維間に浸透させ、密着させるかが、得られるCFRPの強度向上の観点から重要である。
本発明は上記事情に鑑み、成形性と強度に優れる複合材料を作製可能な炭素繊維不織布、炭素繊維不織布の製造方法、炭素繊維多層布、及び複合材料を提供する。
本発明は上記事情に鑑み、成形性と強度に優れる複合材料を作製可能な炭素繊維不織布、炭素繊維不織布の製造方法、炭素繊維多層布、及び複合材料を提供する。
<1>下記(1)~(3)の少なくとも1つを満たす、炭素繊維不織布。
(1)有機物を有する炭素繊維と、実質的に有機物を有しない炭素繊維と、を含む。
(2)集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維と、を含む。
(3)炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維と、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維と、を含む。
<2>前記炭素繊維の長さが20mm以上150mm以下である、<1>に記載の炭素繊維不織布。
<3>さらに樹脂繊維を含む、<1>又は<2>に記載の炭素繊維不織布。
<4>処理液に、前記処理液によって分解する有機物と、炭素繊維と、を含む複合材料を接触させる接触工程と、
前記有機物の分解物を含む前記処理液と、前記炭素繊維と、を分離する分離工程と、
前記接触工程及び前記分離工程を経た炭素繊維と、前記接触工程及び前記分離工程を経ない炭素繊維と、を用いて不織布を作製する不織布作製工程と、をこの順に有する<1>~<3>のいずれか1項に記載の炭素繊維不織布の製造方法。
<5>前記有機物はエステル結合を含有する樹脂を含む、<4>に記載の炭素繊維不織布の製造方法。
<6>前記処理液は有機溶媒と、分解触媒とを含む、<4>又は<5>に記載の炭素繊維不織布の製造方法。
<7><1>~<3>のいずれか1項に記載の炭素繊維不織布と、少なくとも一方向に配向した炭素繊維シートと、を含む、炭素繊維多層布。
<8><1>~<3>のいずれか1項に記載の炭素繊維不織布又は<7>に記載の炭素繊維多層布と、樹脂と、を含む、複合材料。
(1)有機物を有する炭素繊維と、実質的に有機物を有しない炭素繊維と、を含む。
(2)集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維と、を含む。
(3)炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維と、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維と、を含む。
<2>前記炭素繊維の長さが20mm以上150mm以下である、<1>に記載の炭素繊維不織布。
<3>さらに樹脂繊維を含む、<1>又は<2>に記載の炭素繊維不織布。
<4>処理液に、前記処理液によって分解する有機物と、炭素繊維と、を含む複合材料を接触させる接触工程と、
前記有機物の分解物を含む前記処理液と、前記炭素繊維と、を分離する分離工程と、
前記接触工程及び前記分離工程を経た炭素繊維と、前記接触工程及び前記分離工程を経ない炭素繊維と、を用いて不織布を作製する不織布作製工程と、をこの順に有する<1>~<3>のいずれか1項に記載の炭素繊維不織布の製造方法。
<5>前記有機物はエステル結合を含有する樹脂を含む、<4>に記載の炭素繊維不織布の製造方法。
<6>前記処理液は有機溶媒と、分解触媒とを含む、<4>又は<5>に記載の炭素繊維不織布の製造方法。
<7><1>~<3>のいずれか1項に記載の炭素繊維不織布と、少なくとも一方向に配向した炭素繊維シートと、を含む、炭素繊維多層布。
<8><1>~<3>のいずれか1項に記載の炭素繊維不織布又は<7>に記載の炭素繊維多層布と、樹脂と、を含む、複合材料。
本発明によれば、成形性と強度に優れる複合材料を作製可能な炭素繊維不織布、炭素繊維不織布の製造方法、炭素繊維多層布、及び複合材料が提供される。
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本発明を制限するものではない。
本明細書において「工程」との語には、他の工程から独立した工程に加え、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の目的が達成されれば、当該工程も含まれる。
本明細書において「~」を用いて示された数値範囲には、「~」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本明細書において組成物中の各成分の含有率は、組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率を意味する。
本明細書において「層」との語には、当該層が存在する領域を観察したときに、当該領域の全体に形成されている場合に加え、当該領域の一部にのみ形成されている場合も含まれる。
本明細書において「積層」との語は、層を積み重ねることを示し、二以上の層が結合されていてもよく、二以上の層が着脱可能であってもよい。
本明細書において「工程」との語には、他の工程から独立した工程に加え、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の目的が達成されれば、当該工程も含まれる。
本明細書において「~」を用いて示された数値範囲には、「~」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本明細書において組成物中の各成分の含有率は、組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率を意味する。
本明細書において「層」との語には、当該層が存在する領域を観察したときに、当該領域の全体に形成されている場合に加え、当該領域の一部にのみ形成されている場合も含まれる。
本明細書において「積層」との語は、層を積み重ねることを示し、二以上の層が結合されていてもよく、二以上の層が着脱可能であってもよい。
<炭素繊維不織布>
本実施形態の炭素繊維不織布は、下記(1)~(3)の少なくとも1つを満たす。
(1)有機物を有する炭素繊維と、実質的に有機物を有しない炭素繊維を含む。
(2)集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維を含む。
(3)炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維と、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維を含む。
本実施形態の炭素繊維不織布は、下記(1)~(3)の少なくとも1つを満たす。
(1)有機物を有する炭素繊維と、実質的に有機物を有しない炭素繊維を含む。
(2)集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維を含む。
(3)炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維と、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維を含む。
(第一の態様)
本実施形態の第一の態様は、有機物を有する炭素繊維と、実質的に有機物を有しない炭素繊維を含む炭素繊維不織布である。
本発明者らの検討により、有機物を実質的に有しない炭素繊維を含む炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料は、有機物を有する炭素繊維のみから形成される炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料よりも強度に優れることがわかった。その理由は明らかではないが、有機物を有する炭素繊維と、有機物を実質的に有しない炭素繊維を含む炭素繊維不織布の方が、有機物を有する炭素繊維のみから形成される炭素繊維不織布に比べて炭素繊維間に注入される樹脂とのなじみがよく、密着性が良好であるためと推測される。
本実施形態の第一の態様は、有機物を有する炭素繊維と、実質的に有機物を有しない炭素繊維を含む炭素繊維不織布である。
本発明者らの検討により、有機物を実質的に有しない炭素繊維を含む炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料は、有機物を有する炭素繊維のみから形成される炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料よりも強度に優れることがわかった。その理由は明らかではないが、有機物を有する炭素繊維と、有機物を実質的に有しない炭素繊維を含む炭素繊維不織布の方が、有機物を有する炭素繊維のみから形成される炭素繊維不織布に比べて炭素繊維間に注入される樹脂とのなじみがよく、密着性が良好であるためと推測される。
ここでいう有機物とは、例えば、複合材料に含まれる樹脂と炭素繊維との接着性向上のための接着性向上剤、炭素繊維が集束体を形成した状態の維持、取り扱い性向上等を目的として集束体の表面又は単繊維間に付着させる集束剤(サイジング剤)などの表面処理剤、及び複合材料中で炭素繊維と接触している樹脂のことをいう。
さらに、本発明者らの検討により、有機物を実質的に有しない炭素繊維と、有機物を有する炭素繊維の両方を含む炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料は、有機物を実質的に有しない炭素繊維のみから形成される炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料よりも曲げ強度と曲げ弾性率が良好であることがわかった。
本明細書において「炭素繊維不織布」とは、炭素繊維不織布の全質量に占める炭素繊維の割合が10質量%以上である不織布を意味する。
本明細書において炭素繊維が「実質的に有機物を有しない」とは、炭素繊維と、当該炭素繊維が有する有機物の総質量に占める有機物の割合が0質量%であるか、3質量%以下であることを意味する。
炭素繊維と、当該炭素繊維が有する有機物の総質量に占める有機物の割合は、次の方法で確認できる。まず、炭素繊維を100℃で20分間乾燥し、次いでマッフル炉(例えば、ヤマト科学株式会社、FP311)にて500℃で45分間、空気中で熱処理する。そして、熱処理前後の質量の減少量から、有機物の割合を算出する。具体的には、(処理前の質量-処理後の質量)/処理前の質量×100%で計算される値が0質量%であるか、3質量%以下であれば、実質的に有機物を有していないと判断する。炭素繊維と、当該炭素繊維が有する有機物の総質量に占める有機物の割合は、2.5質量%以下であることが好ましく、2質量%以下であることがより好ましい。
本明細書において炭素繊維が「実質的に有機物を有しない」とは、炭素繊維と、当該炭素繊維が有する有機物の総質量に占める有機物の割合が0質量%であるか、3質量%以下であることを意味する。
炭素繊維と、当該炭素繊維が有する有機物の総質量に占める有機物の割合は、次の方法で確認できる。まず、炭素繊維を100℃で20分間乾燥し、次いでマッフル炉(例えば、ヤマト科学株式会社、FP311)にて500℃で45分間、空気中で熱処理する。そして、熱処理前後の質量の減少量から、有機物の割合を算出する。具体的には、(処理前の質量-処理後の質量)/処理前の質量×100%で計算される値が0質量%であるか、3質量%以下であれば、実質的に有機物を有していないと判断する。炭素繊維と、当該炭素繊維が有する有機物の総質量に占める有機物の割合は、2.5質量%以下であることが好ましく、2質量%以下であることがより好ましい。
炭素繊維不織布に占める「実質的に有機物を有しない炭素繊維」の割合は特に制限されず、炭素繊維不織布の用途等に応じて選択できる。例えば、炭素繊維不織布に含まれる炭素繊維の総質量中に20質量%以上であってよく、30質量%以上であることが好ましく、35質量%以上であることがより好ましい。
本実施態様の炭素繊維不織布に含まれる炭素繊維としては、複合材料の原料として一般に用いられるものを特に制限なく使用できる。
有機物を実質的に有しない炭素繊維としては、例えば、上述した表面処理剤が付与されていないか、表面処理剤の少なくとも一部が除去された状態の炭素繊維が挙げられる。一般に、複合材料の製造に用いられる炭素繊維は、複数の単繊維(フィラメント)が集まって集束体(ストランド)を形成している。
有機物を実質的に有しない炭素繊維としては、例えば、上述した表面処理剤が付与されていないか、表面処理剤の少なくとも一部が除去された状態の炭素繊維が挙げられる。一般に、複合材料の製造に用いられる炭素繊維は、複数の単繊維(フィラメント)が集まって集束体(ストランド)を形成している。
炭素繊維から有機物を除去する方法としては、有機物が消失する温度以上の温度で炭素繊維又は複合材料を熱処理する方法(例えば、特開2013-237716号公報参照)、有機物を分解しうる処理液に炭素繊維又は複合材料を接触させる方法(例えば、特開2001-172426号公報参照)等が挙げられる。
炭素繊維から有機物を除去するための処理は、炭素繊維と、有機物と、を含む複合材料から炭素繊維を回収するための処理であってもよい。
炭素繊維に与える損傷が少なく、有機物の残存量も低減できる観点からは、有機溶媒及び分解触媒を含む処理液を用いる方法が好ましい。また、コストの観点からは、プリプレグの工程廃材、CFRPの工程廃材等に含まれる樹脂等の有機物を上記の方法で除去して、炭素繊維を得る方法が好ましい。
炭素繊維から有機物を除去するための処理は、炭素繊維と、有機物と、を含む複合材料から炭素繊維を回収するための処理であってもよい。
炭素繊維に与える損傷が少なく、有機物の残存量も低減できる観点からは、有機溶媒及び分解触媒を含む処理液を用いる方法が好ましい。また、コストの観点からは、プリプレグの工程廃材、CFRPの工程廃材等に含まれる樹脂等の有機物を上記の方法で除去して、炭素繊維を得る方法が好ましい。
本実施態様において、炭素繊維不織布に含まれる炭素繊維の長さは、特に制限されない。例えば、炭素繊維を不織布に加工する際の加工性の観点からは20mm以上であることが好ましく、炭素繊維不織布並びにこれを用いて作製される多層布及び複合材料の強度の観点からは150mm以下であることが好ましい。ここでいう炭素繊維の長さは、炭素繊維不織布から無作為に選択した100本の炭素繊維の長さの数平均値とする。
本実施態様の炭素繊維不織布に含まれる炭素繊維の太さは、特に制限されない。例えば、不織布の加工性の観点からは3μm~10μmであることが好ましい。ここでいう炭素繊維の太さは、炭素繊維不織布から無作為に選択した100本の炭素繊維であって、単繊維(フィラメント)の太さ(一本の単繊維の太さが一定でない場合は、最も細い部分の太さ)の数平均値とする。
炭素繊維不織布の厚さは特に制限されず、炭素繊維不織布を用いて製造される複合材料の構造、用途等に応じて選択できる。例えば、炭素繊維不織布の厚さムラを抑制する観点からは5mm~100mmであることが好ましい。炭素繊維不織布は1枚のみでも、2枚以上を積層したものであってもよい。炭素繊維不織布が2枚以上を積層したものである場合、上記の厚さは2枚以上の炭素繊維不織布の厚さの合計値である。
(第二の態様)
本実施形態の第二の態様は、集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維と、を含む炭素繊維不織布である。
本発明者らの検討により、集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維と、を含む炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料は、集束体を形成している炭素繊維のみから形成される炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料よりも強度に優れることがわかった。その理由は明らかではないが、集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維を含むほうが、集束体を形成している炭素繊維のみから形成される場合に比べて炭素繊維間に注入される樹脂とのなじみがよく、密着性が良好であるためと推測される。また、集束体を形成していない炭素繊維は、炭素繊維同士が固着された束状になっておらず、炭素繊維の単繊維一本一本が開繊され、独立して存在するため、炭素繊維同士が複雑に絡み合うことなく、より均一な炭素繊維不織布を作製することができる。
さらに、本発明者らの検討により、集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維の両方を含む炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料は、集束体を形成していない炭素繊維のみから形成される炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料よりも曲げ強度と曲げ弾性率が良好であることがわかった。
本実施形態の第二の態様は、集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維と、を含む炭素繊維不織布である。
本発明者らの検討により、集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維と、を含む炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料は、集束体を形成している炭素繊維のみから形成される炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料よりも強度に優れることがわかった。その理由は明らかではないが、集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維を含むほうが、集束体を形成している炭素繊維のみから形成される場合に比べて炭素繊維間に注入される樹脂とのなじみがよく、密着性が良好であるためと推測される。また、集束体を形成していない炭素繊維は、炭素繊維同士が固着された束状になっておらず、炭素繊維の単繊維一本一本が開繊され、独立して存在するため、炭素繊維同士が複雑に絡み合うことなく、より均一な炭素繊維不織布を作製することができる。
さらに、本発明者らの検討により、集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維の両方を含む炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料は、集束体を形成していない炭素繊維のみから形成される炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料よりも曲げ強度と曲げ弾性率が良好であることがわかった。
本明細書において炭素繊維が「集束体を形成していない」とは、炭素繊維が集束体を形成せず、独立した単繊維として存在していることを意味する。「集束体を形成していない炭素繊維」には、完全に集束体を形成していない炭素繊維と、部分的に集束体を形成していない炭素繊維の両方が含まれる。
本明細書において「集束体を形成している炭素繊維」は、「集束体を形成していない炭素繊維」に該当しない、すなわち集束体を形成していない部分が存在しない炭素繊維を意味する。
本明細書において「集束体を形成している炭素繊維」は、「集束体を形成していない炭素繊維」に該当しない、すなわち集束体を形成していない部分が存在しない炭素繊維を意味する。
集束体を形成していない炭素繊維を得る方法としては、例えば、有機物が消失する温度以上の温度で炭素繊維又は複合材料を熱処理する方法(例えば、特開2013-237716号公報参照)、有機物を分解しうる処理液に炭素繊維又は複合材料を接触させる方法(例えば、特開2001-172426号公報参照)等が挙げられる。
炭素繊維に与える損傷が少なく、有機物の残存量も低減できる観点からは、有機溶媒及び分解触媒を含む処理液を用いる方法が好ましい。また、コストの観点からは、プリプレグの工程廃材、CFRPの工程廃材等に含まれる樹脂等の有機物を上記の方法で除去して、炭素繊維を得る方法が好ましい。
炭素繊維に与える損傷が少なく、有機物の残存量も低減できる観点からは、有機溶媒及び分解触媒を含む処理液を用いる方法が好ましい。また、コストの観点からは、プリプレグの工程廃材、CFRPの工程廃材等に含まれる樹脂等の有機物を上記の方法で除去して、炭素繊維を得る方法が好ましい。
炭素繊維不織布に占める「集束体を形成していない炭素繊維」の割合は特に制限されず、炭素繊維不織布の用途等に応じて選択できる。例えば、炭素繊維不織布に含まれる炭素繊維の総質量中に10質量%以上であってよく、30質量%以上であることが好ましく、50質量%以上であることがより好ましい。
本実施態様において、炭素繊維の長さ、炭素繊維の太さ、及び炭素繊維不織布の厚さは特に制限されず、これらの好ましい範囲は第一の態様と同様である。
(第三の態様)
本実施形態の第三の態様は、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維と、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維と、を含む炭素繊維不織布である。
本発明者らの検討により、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維と、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維を含む不織布を用いて製造した複合材料は、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維のみから形成される不織布を用いて製造した複合材料よりも強度に優れることがわかった。その理由は明らかではないが、複合材料からの回収工程において有機物が除去された炭素繊維を含むほうが、有機物が除去されていない炭素繊維のみを含む場合に比べて炭素繊維間に注入される樹脂とのなじみがよく、密着性が良好であるためと推測される。
さらに、本発明者らの検討により、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維と、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維の両方を含む炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料は、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維のみから形成される炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料よりも曲げ強度と曲げ弾性率が良好であることがわかった。
本実施形態の第三の態様は、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維と、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維と、を含む炭素繊維不織布である。
本発明者らの検討により、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維と、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維を含む不織布を用いて製造した複合材料は、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維のみから形成される不織布を用いて製造した複合材料よりも強度に優れることがわかった。その理由は明らかではないが、複合材料からの回収工程において有機物が除去された炭素繊維を含むほうが、有機物が除去されていない炭素繊維のみを含む場合に比べて炭素繊維間に注入される樹脂とのなじみがよく、密着性が良好であるためと推測される。
さらに、本発明者らの検討により、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維と、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維の両方を含む炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料は、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維のみから形成される炭素繊維不織布を用いて製造した複合材料よりも曲げ強度と曲げ弾性率が良好であることがわかった。
本明細書において炭素繊維が「炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維を含む」か否かを判断する方法は、特に制限されない。例えば、炭素繊維が完全に又は部分的に集束体を形成していない場合は、当該炭素繊維は「炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物」であると判断できる。これは、炭素繊維を複合材料から回収する際に、炭素繊維に付着していた表面処理剤等の有機物が除去され、炭素繊維の集束が少なくとも部分的に解けて単繊維が独立した状態となるためである。
本実施態様において、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維を得る方法は、特に制限されない。例えば、有機物が消失する温度以上の温度で炭素繊維又は複合材料を熱処理する方法(例えば、特開2013-237716号公報参照)、有機物を分解しうる処理液に炭素繊維又は複合材料を接触させる方法(例えば、特開2001-172426号公報参照)等が挙げられる。
炭素繊維に与える損傷が少なく、有機物の残存量も低減できる観点からは、有機溶媒及び分解触媒を含む処理液を用いる方法が好ましい。また、コストの観点からは、プリプレグの工程廃材、CFRPの工程廃材等に含まれる樹脂等の有機物を上記の方法で除去して、炭素繊維を得る方法が好ましい。
炭素繊維に与える損傷が少なく、有機物の残存量も低減できる観点からは、有機溶媒及び分解触媒を含む処理液を用いる方法が好ましい。また、コストの観点からは、プリプレグの工程廃材、CFRPの工程廃材等に含まれる樹脂等の有機物を上記の方法で除去して、炭素繊維を得る方法が好ましい。
炭素繊維不織布に占める「炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維」の割合は特に制限されず、炭素繊維不織布の用途等に応じて選択できる。例えば、炭素繊維不織布に含まれる炭素繊維の総質量中に10質量%以上であってよく、30質量%以上であることが好ましく、50質量%以上であることがより好ましい。
本実施態様において、炭素繊維の長さ、炭素繊維の太さ、及び炭素繊維不織布の厚さは特に制限されず、これらの好ましい範囲は第一の態様と同様である。
炭素繊維不織布は、炭素繊維のみを含んでいても、炭素繊維と樹脂繊維を含んでいてもよい。炭素繊維不織布が樹脂繊維を含む場合は、炭素繊維不織布の作製がより容易になり、取り扱い性が向上する傾向にある。これは、樹脂繊維が炭素繊維とよく絡み、炭素繊維不織布の形状が保持されやすくなるためである。樹脂繊維は1種のみであっても2種以上であってもよい。
炭素繊維不織布が樹脂繊維を含む場合、樹脂繊維の種類は特に制限されず、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の合成繊維、レーヨン等の再生繊維等が挙げられる。
特に、樹脂繊維として熱可塑性樹脂の繊維を含む場合は、炭素繊維不織布に別途樹脂を含浸させることなく、炭素繊維不織布を加圧熱プレスして樹脂繊維を溶融させることで複合材料を作製することができる。さらに、複合材料を樹脂トランスファー成形法により作製する場合の取り扱い性と形状追従性も良好となる。
樹脂繊維を構成する熱可塑性樹脂は、特に制限されない。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン6、ナイロン66、ポリカーボネート、及びポリスチレンが挙げられる。
特に、樹脂繊維として熱可塑性樹脂の繊維を含む場合は、炭素繊維不織布に別途樹脂を含浸させることなく、炭素繊維不織布を加圧熱プレスして樹脂繊維を溶融させることで複合材料を作製することができる。さらに、複合材料を樹脂トランスファー成形法により作製する場合の取り扱い性と形状追従性も良好となる。
樹脂繊維を構成する熱可塑性樹脂は、特に制限されない。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン6、ナイロン66、ポリカーボネート、及びポリスチレンが挙げられる。
炭素繊維不織布が樹脂繊維を含有する場合、炭素繊維と樹脂繊維の合計における炭素繊維の割合が20質量%以上99質量%未満(樹脂繊維の割合が1質量%以上80質量%未満)であることが好ましい。炭素繊維の割合が20質量%以上99質量%未満(樹脂繊維の割合が1質量%以上80質量%未満)であると、炭素繊維不織布を用いて作製される複合材料がより高弾性となる傾向にある。
樹脂繊維の合計における炭素繊維の割合は30質量%以上90質量%未満(樹脂繊維の含有量が10質量%以上70質量%未満)であることがより好ましく、35質量%以上80質量%未満(樹脂繊維の割合が20質量%以上65質量%未満)であることが更に好ましい。
<炭素繊維不織布の製造方法>
本実施形態の炭素繊維不織布の製造方法は、処理液に、前記処理液によって分解する有機物と、炭素繊維と、を含む複合材料を接触させる接触工程と、
前記有機物の分解物を含む前記処理液と、前記炭素繊維と、を分離する分離工程と、
前記接触工程及び前記分離工程を経た炭素繊維と、前記接触工程及び前記分離工程を経ない炭素繊維と、を用いて炭素繊維不織布を作製する不織布作製工程と、をこの順に有する。
本実施形態の炭素繊維不織布の製造方法は、処理液に、前記処理液によって分解する有機物と、炭素繊維と、を含む複合材料を接触させる接触工程と、
前記有機物の分解物を含む前記処理液と、前記炭素繊維と、を分離する分離工程と、
前記接触工程及び前記分離工程を経た炭素繊維と、前記接触工程及び前記分離工程を経ない炭素繊維と、を用いて炭素繊維不織布を作製する不織布作製工程と、をこの順に有する。
本明細書において、有機物が「分解する」とは、処理液の作用によって有機物の分子構造が変化し、処理液に取り込まれうる程度の大きさにまで分子が小さくなることをいう。
上記方法が適用可能な複合材料は、本実施形態の方法で使用する処理液によって分解する有機物と、炭素繊維と、を含むものであれば特に制限されない。
複合材料に含まれる有機物としては、例えば、樹脂が挙げられる。有機物が樹脂である場合、熱硬化性樹脂であっても熱可塑性樹脂であってもよい。樹脂は完全に硬化又は固化した状態であっても、完全に硬化又は固化していない状態であってもよい。
有機物が樹脂である場合、その種類は特に制限されず、処理液、処理温度、処理時間等の条件に応じて選択される。処理液による分解の容易性の観点からは、エステル結合を含有する樹脂であることが好ましい。エステル結合を含有する樹脂としては、ポリエステル樹脂(不飽和ポリエステル樹脂又は飽和ポリエステル樹脂)、エステル結合を含有するエポキシ樹脂(酸無水物硬化エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂等)などが挙げられる。複合材料に含まれる有機物は、1種のみであっても、2種以上であってもよい。
処理液は、複合材料に含まれる有機物を分解しうるものであれば特に制限されない。例えば、有機物がエステル結合を含有する樹脂を含む場合は、エステル結合の分解を生じうる処理液を用いることが好ましい。エステル結合の分解を生じうる処理液としては、有機溶媒と分解触媒とを含む処理液が挙げられる。
処理液が有機溶媒を含む場合、有機溶媒の種類は特に制限されない。例えば、アルコール系溶媒、ケトン系溶媒、エーテル系溶媒、アミド系溶媒、及びエステル系溶媒が挙げられる。
アミド系溶媒としては、ホルムアミド、N-メチルホルムアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジエチルホルムアミド、アセトアミド、N-メチルアセトアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N,N’,N’-テトラメチル尿素、2-ピロリドン、N-メチル-2-ピロリドン、カプロラクタム、カルバミド酸エステル等が挙げられる。
アルコール系溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、 1-ブタノール、2- ブタノール、イソブタノール、tert-ブタノール、1-ペンタノール、2-ペンタノール、3-ペンタノール、2-メチル-1-ブタノール、イソペンチルアルコール、tert -ペンチルアルコール、3-メチル-2-ブタノール、ネオペンチルアルコール、1-ヘキサノール、2-メチル-1-ペンタノール、4-メチル-2-ペンタノール、2-エチル-1-ブタノール、1-ヘプタノール、2-ヘプタノール、3-ヘプタノール、シクロヘキサノール、1-メチルシクロヘキサノール、2-メチルシクロヘキサノール、3-メチルシクロヘキサノール、4-メチルシクロヘキサノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコール、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコール、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール(分子量200~400)、1,2-プロパンジオール、1,3-プロパンジオール、1,2-ブタンジオール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、2,3-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、グリセリン、ジプロピレングリコール、ベンジルアルコール等が挙げられる。
ケトン系溶媒としては、アセトン、メチルエチルケトン、2-ペンタノン、3-ペンタノン、2-ヘキサノン、メチルイソブチルケトン、2-ヘプタノン、4-ヘプタノン、ジイソブチルケトン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、ホロン、イソホロンアセチルアセトン、アセトフェノン等が挙げられる。
エーテル系溶媒としては、例えば、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、アニソール、フェネトール、ジオキサン、テトラヒドロフラン、アセタール、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、アセタール等が挙げられる。
エステル系溶媒としては、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、ギ酸ブチル、ギ酸イソブチル、ギ酸ペンチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、3-メトキシブチルアセタート、2-エチルブチルアセタート、2-エチルヘキシルアセタート、酢酸シクロヘキシル、酢酸ベンジル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチル、プロピオン酸イソペンチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸ブチル、酪酸イソペンチル、イソ酪酸イソブチル、イソ吉草酸エチル、イソ吉草酸イソペンチル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、安息香酸ブチル、γ-ブチロラクトン、シュウ酸ジエチル、シュウ酸ジブチル、マロン酸ジエチル、サリチル酸メチル、エチレングリコールジアセタート、ホウ酸トリブチル、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル等が挙げられる。
中でもエステル交換反応によって酸無水物硬化エポキシ樹脂等のエステル結合を有する樹脂を分解する能力が高いことからアルコール系溶媒が好ましく、アルコール系溶媒の中でも水酸基を1個持つモノアルコールは、分解生成物の副反応が少ないことからより好ましい。モノアルコールの中でも、分解能力の観点からはベンジルアルコールが更に好ましい。処理液に含まれる有機溶媒は、1種のみであっても、2種以上であってもよい。
処理液が分解触媒を含む場合、分解触媒としてはリン酸塩等のアルカリ金属化合物、金属水酸化物等が挙げられる。リン酸塩としてはリン酸三カリウム、リン酸三ルビジウム、リン酸三ナトリウム、リン酸三リチウム等が挙げられる。金属水酸化物としては水酸化ルビジウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム等が挙げられる。
中でも有機物を効率よく分解する観点からは金属水酸化物が好ましく、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムであることがより好ましい。処理液に含まれる分解触媒は、1種のみであっても、2種以上であってもよい。処理液が分解触媒を含む場合の分解触媒の濃度は特に制限されない。例えば、0.3mol/L~1mol/Lの範囲であってもよい。
複合材料に含まれる炭素繊維の方向は特に制限されず、縦横方向に配置されていても、一方向に配置されていても、ランダムな方向に配置されていてもよい。炭素繊維は1種のみであっても、形態等が異なる2種以上であってもよい。
複合材料は、所望の大きさに予め切断してもよい。例えば、炭素繊維が縦横方向に配置されている場合は、炭素繊維の縦横方向に沿って複合材料を正方形に切断することで、長さの等しい炭素繊維を回収することができる。回収される炭素繊維の長さは特に制限されず、作製される炭素繊維不織布の所望の特性に応じて選択できる。
処理液に複合材料を接触させる方法は、特に制限されない。例えば、処理液中に複合材料を浸漬する方法、処理液を複合材料に吹付又は塗布する方法等が挙げられる。処理液によって有機物を効率的に分解し、分解物を処理液中に取り込む観点からは、処理液中に複合材料を浸漬する方法であることが好ましい。
有機物の分解を促進する観点からは、複合材料と接触している処理液が流動していることが好ましい。処理液を流動させる方法としては、例えば、処理液を内部に流入させるための管と流出させるための管を備えた容器内で、処理液を流動させながら複合材料を浸漬する方法が挙げられる。処理液が容器内を流動している場合の方向は特に制限されず、例えば水平方向であっても重力方向であってもよい。
接触工程における処理液の温度は、有機物が分解しうる温度であれば特に制限されない。例えば、50℃~300℃の範囲であってよく、100℃~200℃の範囲であることが好ましい。接触工程における処理液の温度は、接触工程の開始から終了まで一定であっても、変化してもよい。
有機物の分解物を含む処理液と、炭素繊維と、を分離する方法は、特に制限されない。例えば、接触工程を容器中で行った場合は、処理液を先に容器から取り出してもよく、炭素繊維を先に容器から取り出してもよい。
分離工程後の有機物の分解物を含む処理液は、そのまま廃棄しても、再利用してもよい。処理液を再利用する場合、処理液からの有機物の分解物その他の成分(分解反応により生じた物質等)の除去、未使用の処理液の追加などの、何らかの処理を必要に応じて実施してもよい。
分離工程後の炭素繊維には、処理液によって分解されなかった有機物が付着していてもよい。この場合、必要に応じて接触工程と分離工程をさらに実施して、有機物を除去してもよい。接触工程と分離工程をさらに実施する場合、その方法は特に制限されず、上述した方法と同じ条件で行っても、条件を変更して行ってもよい。また、接触工程と分離工程をさらに実施する場合の回数は特に制限されない。あるいは、炭素繊維に付着している有機物が消失する温度以上の温度で熱処理を行って除去してもよい。
複合材料は、処理液に分解しない有機物をさらに含んでいてもよい。この場合は、当該有機物を除去するための手段を講じてもよい。例えば、炭素繊維に接触させる処理液の温度を、処理液に分解しない有機物の軟化点以上の温度にして有機物を軟化させて、炭素繊維から分離する方法が挙げられる。この場合、有機物が処理液中に取り込まれた状態で炭素繊維から分離させる観点からは、処理液と炭素繊維とが分離されるまで処理液の温度を有機物の軟化点以上に維持することが好ましい。
処理液による有機物の分解がエステル結合の分解によって行われる場合、処理液に分解しない有機物としては、エステル結合を含有しない樹脂が挙げられる。エステル結合を含有しない樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂などが挙げられる。
炭素繊維を用いて不織布を作製する工程は特に制限されず、公知の方法により作製できる。必要に応じ、樹脂繊維等の炭素繊維以外の材料を混合してもよい。炭素繊維不織布を作製する工程としては、例えば、炭素繊維をカード機等で開繊する方法が挙げられる。樹脂繊維等を加える場合は、炭素繊維とともに樹脂繊維をカード機に投入し、混綿、開繊することで、炭素繊維と樹脂繊維とを含む不織布を得ることができる。なお、樹脂繊維を加える場合は、炭素繊維と樹脂繊維とができるだけ均一に混合された状態となっていることが好ましい。
<炭素繊維多層布>
本実施形態の炭素繊維多層布は、上述した実施形態の炭素繊維不織布と、少なくとも一方向に配向した炭素繊維シートと、を含む。炭素繊維多層布における炭素繊維不織布と炭素繊維織布の数は特に制限されず、それぞれ独立に1枚でも2枚以上であってもよい。炭素繊維多層布は、必要に応じてその他の部材を有してもよい。
本実施形態の炭素繊維多層布は、上述した実施形態の炭素繊維不織布と、少なくとも一方向に配向した炭素繊維シートと、を含む。炭素繊維多層布における炭素繊維不織布と炭素繊維織布の数は特に制限されず、それぞれ独立に1枚でも2枚以上であってもよい。炭素繊維多層布は、必要に応じてその他の部材を有してもよい。
本明細書において「少なくとも一方向に配向した炭素繊維シート」とは、全質量に占める炭素繊維の割合が30質量%である炭素繊維シートであって、炭素繊維の集束体又は単繊維が少なくとも一方向に配向した状態のものを意味する。このような炭素繊維シートとしては、炭素繊維が縦横方向に配置された炭素繊維材料(クロス材)と、炭素繊維が一方向に配置された炭素繊維材料(Unidirectional、UD材)とが挙げられる。少なくとも一方向に配向した炭素繊維シートは強度に優れているため、これを配置することで、炭素繊維不織布のみでは強度が不足する場合も強度を補完することができる。
炭素繊維多層布の構造は特に制限されない。例えば、炭素繊維不織布の一方の面側にのみ少なくとも一方向に配向した炭素繊維シートが配置されてもよく、炭素繊維不織布の両面側に少なくとも一方向に配向した炭素繊維シートが配置されてもよい。必要に応じ、その他の層が配置されてもよい。
炭素繊維多層布の厚さは特に制限されない。例えば、複合材料を作製する際のハンドリング性の観点からは、100mm以下であることが好ましい。
<複合材料>
本実施形態の複合材料は、上述した実施形態の炭素繊維不織布又は炭素繊維多層布と、樹脂と、を含む。複合材料は、必要に応じてその他の成分又はその他の部材を含んでもよい。
本実施形態の複合材料は、上述した実施形態の炭素繊維不織布又は炭素繊維多層布と、樹脂と、を含む。複合材料は、必要に応じてその他の成分又はその他の部材を含んでもよい。
複合材料における樹脂の種類は特に制限されず、複合材料の用途等に応じて選択できる。例えば、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂、及びエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。
複合材料における樹脂の状態は特に制限されず、完全に硬化又は固化していても、部分的に硬化又は固化していてもよい。
複合材料の製造方法は特に制限されず、RTM法、オートクレーブ法、プレス法等の公知の方法を採用できる。本実施形態の複合材料は成形性に優れることから、RTM法によって複雑な形状に成形する場合にも適している。
複合材料の用途は特に制限されない。例えば、自動車、飛行機等の車体及び内外装部材、断熱材、並びに電磁波遮蔽フィルム等が挙げられる。
以下、本実施形態を実施例により具体的に説明するが、本実施形態はこの実施例に限定されるものではない。
<実施例1>
下記に示す条件で、複合材料から炭素繊維を分離した。
複合材料としては、エステル結合を含有するエポキシ樹脂と、炭素繊維のクロス材とを含むプリプレグ材(厚さ:0.4mm、樹脂含有率:45質量%)を使用した。処理液としては、ベンジルアルコールと水酸化ナトリウムの混合物(水酸化ナトリウムの濃度:0.5mol/L)を使用した。
下記に示す条件で、複合材料から炭素繊維を分離した。
複合材料としては、エステル結合を含有するエポキシ樹脂と、炭素繊維のクロス材とを含むプリプレグ材(厚さ:0.4mm、樹脂含有率:45質量%)を使用した。処理液としては、ベンジルアルコールと水酸化ナトリウムの混合物(水酸化ナトリウムの濃度:0.5mol/L)を使用した。
(接触工程)
処理液を満たした容器中に、炭素繊維の方向に沿って4cm×4cmの正方形に切断した複合材料を浸漬して、処理液を複合材料に接触させた。容器としては、処理液を流入させるための管を重力方向にみて下部に、処理液を流出させるための管を重力方向にみて上部に備え、処理液が内部を重力方向にみて下から上に流動する構造を有するものを使用した。処理液の温度は、浸漬の開始から2時間を60℃、続く5時間を190℃とした。
処理液を満たした容器中に、炭素繊維の方向に沿って4cm×4cmの正方形に切断した複合材料を浸漬して、処理液を複合材料に接触させた。容器としては、処理液を流入させるための管を重力方向にみて下部に、処理液を流出させるための管を重力方向にみて上部に備え、処理液が内部を重力方向にみて下から上に流動する構造を有するものを使用した。処理液の温度は、浸漬の開始から2時間を60℃、続く5時間を190℃とした。
(分離工程)
浸漬の開始から7時間後に、処理液を容器内から排出させることで、炭素繊維と処理液とを分離した。分離の際の処理液の温度は60℃とした。分離後の処理液は、エポキシ樹脂の分解物を含んでいた。
浸漬の開始から7時間後に、処理液を容器内から排出させることで、炭素繊維と処理液とを分離した。分離の際の処理液の温度は60℃とした。分離後の処理液は、エポキシ樹脂の分解物を含んでいた。
分離後の炭素繊維を観察したところ、集束体を形成せずに単繊維が独立した状態の炭素繊維が含まれていた。また、マッフル炉(ヤマト科学株式会社、FP311)を用いて上述した条件で測定した炭素繊維と、当該炭素繊維が有する有機物の総質量に占める有機物の割合は1.3質量%であり、実質的に有機物を有していないことを確認した。
(炭素繊維不織布の作製)
上記で得られた炭素繊維3.5kgと、表面に有機物(サイジング剤)が付着した炭素繊維(東レ株式会社、T700S)2.2kgと、樹脂繊維としてポリプロピレン繊維(JNC製株式会社、RP-270、繊度:6.6Dt、平均繊維長:51mm)4.3kgとを、カード機で開繊し、炭素繊維不織布を得た。なお、炭素繊維不織布の目付けは、200g/m2であった。得られた炭素繊維不織布は、立体的な成形にも充分に対応可能な柔軟性を有していた。
上記で得られた炭素繊維3.5kgと、表面に有機物(サイジング剤)が付着した炭素繊維(東レ株式会社、T700S)2.2kgと、樹脂繊維としてポリプロピレン繊維(JNC製株式会社、RP-270、繊度:6.6Dt、平均繊維長:51mm)4.3kgとを、カード機で開繊し、炭素繊維不織布を得た。なお、炭素繊維不織布の目付けは、200g/m2であった。得られた炭素繊維不織布は、立体的な成形にも充分に対応可能な柔軟性を有していた。
(複合材料の作製)
上記で得られた炭素繊維不織布を、目付けが2500g/m2になるように複数枚積層した。この積層体を、小型熱プレス機(アズワン株式会社)で、複合材料の仕上がり厚みが2.7mmになるようにスペーサを挟み、43kg/cm2の圧力で加圧しながら、200℃で熱プレスすることにより、複合材料を得た。
上記で得られた炭素繊維不織布を、目付けが2500g/m2になるように複数枚積層した。この積層体を、小型熱プレス機(アズワン株式会社)で、複合材料の仕上がり厚みが2.7mmになるようにスペーサを挟み、43kg/cm2の圧力で加圧しながら、200℃で熱プレスすることにより、複合材料を得た。
(強度の評価)
上記で得られた複合材料を、回転カッター(株式会社マキタ)に回転刃(株式会社谷テック)を装着して切断し、幅2.5cm×長さ8cmの大きさの試験片を10枚作製した。各試験片について、JIS K 7171法に準じ、3点曲げにより、曲げ強度と曲げ弾性率を計測した。計測には精密万能試験機(株式会社島津製作所、AUTOGRAPH AG-X 1kN)を使用した。10枚の試験片について得られた測定値の平均は、曲げ強度が251MPa、曲げ弾性率が18GPaであった。
上記で得られた複合材料を、回転カッター(株式会社マキタ)に回転刃(株式会社谷テック)を装着して切断し、幅2.5cm×長さ8cmの大きさの試験片を10枚作製した。各試験片について、JIS K 7171法に準じ、3点曲げにより、曲げ強度と曲げ弾性率を計測した。計測には精密万能試験機(株式会社島津製作所、AUTOGRAPH AG-X 1kN)を使用した。10枚の試験片について得られた測定値の平均は、曲げ強度が251MPa、曲げ弾性率が18GPaであった。
<比較例1>
炭素繊維として、表面に有機物(サイジング剤)が付着した状態の炭素繊維(東レ株式会社、T700S)のみ5.7kgを用いた以外は実施例1と同様にして炭素繊維不織布と複合材料を作製し、強度を評価した。10枚の試験片について得られた測定値の平均は、曲げ強度が190MPa、曲げ弾性率が9GPaとなった。
炭素繊維として、表面に有機物(サイジング剤)が付着した状態の炭素繊維(東レ株式会社、T700S)のみ5.7kgを用いた以外は実施例1と同様にして炭素繊維不織布と複合材料を作製し、強度を評価した。10枚の試験片について得られた測定値の平均は、曲げ強度が190MPa、曲げ弾性率が9GPaとなった。
<比較例2>
炭素繊維として、複合材料から回収した炭素繊維のみ5.7kgを用いた以外は実施例1と同様にして炭素繊維不織布と複合材料を作製し、強度を評価した。10枚の試験片について得られた測定値の平均は、曲げ強度は232MPa、曲げ弾性率は13GPaとなった。
炭素繊維として、複合材料から回収した炭素繊維のみ5.7kgを用いた以外は実施例1と同様にして炭素繊維不織布と複合材料を作製し、強度を評価した。10枚の試験片について得られた測定値の平均は、曲げ強度は232MPa、曲げ弾性率は13GPaとなった。
以上の結果より、本実施形態によれば成形性と強度に優れる複合材料を作製できることがわかった。
Claims (8)
- 下記(1)~(3)の少なくとも1つを満たす、炭素繊維不織布。
(1)有機物を有する炭素繊維と、実質的に有機物を有しない炭素繊維と、を含む。
(2)集束体を形成している炭素繊維と、集束体を形成していない炭素繊維と、を含む。
(3)炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物ではない炭素繊維と、炭素繊維と有機物を含む複合材料からの回収物である炭素繊維と、を含む。 - 前記炭素繊維の長さが20mm以上150mm以下である、請求項1に記載の炭素繊維不織布。
- さらに樹脂繊維を含む、請求項1又は請求項2に記載の炭素繊維不織布。
- 処理液に、前記処理液によって分解する有機物と、炭素繊維と、を含む複合材料を接触させる接触工程と、
前記有機物の分解物を含む前記処理液と、前記炭素繊維と、を分離する分離工程と、
前記接触工程及び前記分離工程を経た炭素繊維と、前記接触工程及び前記分離工程を経ない炭素繊維と、を用いて不織布を作製する不織布作製工程と、をこの順に有する請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の炭素繊維不織布の製造方法。 - 前記有機物はエステル結合を含有する樹脂を含む、請求項4に記載の炭素繊維不織布の製造方法。
- 前記処理液は有機溶媒と、分解触媒とを含む、請求項4又は請求項5に記載の炭素繊維不織布の製造方法。
- 請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の炭素繊維不織布と、少なくとも一方向に配向した炭素繊維シートと、を含む、炭素繊維多層布。
- 請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の炭素繊維不織布又は請求項7に記載の炭素繊維多層布と、樹脂と、を含む、複合材料。
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