(57)【要約】【課題】炭素繊維と熱可塑性樹脂を含む破砕材を均一散布し、複合材料を製造する方法を提供する。【解決手段】重量平均繊維長Ｌｗｘが１ｍｍ以上の炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む破砕材Ｘの集合体Ｙを散布した後、加熱固化して複合材料Ａを製造する方法であって、散布された集合体Ｙの目付の変動係数が４０％以内である、複合材料Ａの製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量平均繊維長Ｌｗｘが１ｍｍ以上の炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む破砕材Ｘの集合体Ｙを散布した後、加熱固化して複合材料Ａを製造する方法であって、散布された集合体Ｙの目付の変動係数が４０％以内である、複合材料Ａの製造方法。
【請求項２】
長さ１ｍｍ以上の棘を有する破砕材Ｘが、集合体Ｙの３０％以上を占める、請求項１に記載の複合材料Ａの製造方法。
【請求項３】
振動式フィーダーから破砕材Ｘの集合体Ｙを散布して複合材料Ａを製造する、請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
集合体Ｙをホッパに貯留し、ホッパ吐出口から集合体Ｙを散布して複合材料Ａを製造する方法であって、ホッパ下部に空気注入口を有するテーパー管を設け、ホッパ吐出口から吐出された集合体Ｙをテーパー管内で空気を吹き付けて均一化した後、ベルトコンベヤーへ集合体Ｙを散布する、請求項１又は２いずれか１項に記載の複合材料Ａを製造する方法。
【請求項５】
集合体Ｙをホッパに貯留し、ホッパ下部に設けた回転ローラへ、ホッパ吐出口から破砕材Ｘを吐出し、回転ローラからベルトコンベヤーへ破砕材Ｘの集合体Ｙを散布し、請求項１又は２いずれか１項に記載の複合材料Ａを製造する方法。
【請求項６】
ホッパをベルトコンベヤーの幅方向に少なくとも３個以上並べて集合体Ｙを散布し、幅が１ｍ以上の複合材料Ａを得る、請求項４又は５に記載の複合材料Ａを製造する方法。
【請求項７】
重量平均繊維長Ｌｗｚの炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む集合体Ｚの上に、集合体Ｙを散布し加熱固化して、集合体Ｚ由来の複合材料Ｂとの積層体を構成する層として複合材料Ａを製造する請求項１乃至６いずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維複合材料を破砕して得られた破砕材を用いて、複合材料を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維を含む繊維強化プラスチックは、軽量性と高い機械特性を有することから種々の分野に展開されている。例えば特許文献１では、炭素繊維の集合体を含む複数の小片とマトリックス樹脂からなる炭素繊維強化プラスチックが記載されている。１ｃｍ２〜５０ｃｍ２の小片を用いて成形することで、流動性の良く成形体を製造できることが記載されている。特許文献２には、ガラス品の破砕物を空気輸送する破砕物輸送管が記載されている。特許文献３には、供給ホッパからスクリーンを介して砂を捲く技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０１８８５９号公報
【特許文献２】特公平０１−００９０６１号公報
【特許文献３】特開平０４−２１５８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の発明は、スタンパブルシートをカットした後、小片を１つ１つ並べる必要があり、並べるために時間がかかりすぎる。また、並べられた小片は１層のみであり、これをプレスして成形体を製造しても、小片間で橋渡しされている炭素繊維が存在しておらず、小片間の機械物性は極めて弱い。
【０００５】
特許文献２ではガラスの破砕品を輸送するために空気流を用いているものの、炭素繊維を含んだ複合材料の破砕品を空気輸送するための検討は不十分である。
【０００６】
特許文献３に記載の発明では、砂を捲いているため、炭素繊維を含んだ破砕材を捲く場合について、全く見当されておらず、不定形状の破砕材を散布するのは難しい。
【０００７】
そこで本発明においては、炭素繊維と熱可塑性樹脂を含む破砕材を均一散布し、複合材料を製造する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
１．  重量平均繊維長Ｌｗｘが１ｍｍ以上の炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む破砕材Ｘの集合体Ｙを散布した後、加熱固化して複合材料Ａを製造する方法であって、散布された集合体Ｙの目付の変動係数が４０％以内である、複合材料Ａの製造方法。
２．  長さ１ｍｍ以上の棘を有する破砕材Ｘが、集合体Ｙの３０％以上を占める、前記１に記載の複合材料Ａの製造方法。
３．  振動式フィーダーから破砕材Ｘの集合体Ｙを散布して複合材料Ａを製造する、前記１又は２に記載の製造方法。
４．  集合体Ｙをホッパに貯留し、ホッパ吐出口から集合体Ｙを散布して複合材料Ａを製造する方法であって、ホッパ下部に空気注入口を有するテーパー管を設け、ホッパ吐出口から吐出された集合体Ｙをテーパー管内で空気を吹き付けて均一化した後、ベルトコンベヤーへ集合体Ｙを散布する、前記１又は２いずれか１項に記載の複合材料Ａを製造する方法。
５.  集合体Ｙをホッパに貯留し、ホッパ下部に設けた回転ローラへ、ホッパ吐出口から破砕材Ｘを吐出し、回転ローラからベルトコンベヤーへ破砕材Ｘの集合体Ｙを散布し、前記１又は２いずれか１項に記載の複合材料Ａを製造する方法。
６．  ホッパをベルトコンベヤーの幅方向に少なくとも３個以上並べて集合体Ｙを散布し、幅が１ｍ以上の複合材料Ａを得る、前記４又は５に記載の複合材料Ａを製造する方法。
７．  重量平均繊維長Ｌｗｚの炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む集合体Ｚの上に、集合体Ｙを散布し加熱固化して、集合体Ｚ由来の複合材料Ｂとの積層体を構成する層として複合材料Ａを製造する前記１乃至６いずれか１項に記載の製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、破砕材を均一に散布し、破砕材は複数層に重ねられて複合材料を製造できるため、これを用いて成形した場合、良好な機械物性を有する成形体を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】破砕材Ｘの集合体Ｙの製造に用いる切断機２００の構造を示す概略図。
【図２】振動式フィーダーを用いた集合体Ｙの散布方法の模式図。
【図３】回転ローラを用いた集合体Ｙの散布方法の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［炭素繊維］
本発明に用いられる炭素繊維としては、一般的にポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、石油・石炭ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、リグニン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維などが知られているが、本発明においてはこれらのいずれの炭素繊維であっても好適に用いることができる。なかでも、本発明においては引張強度に優れる点でポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系炭素繊維を用いることが好ましい。本発明に用いられる炭素繊維は、表面にサイジング剤が付着しているものであってもよい。
【００１２】
［炭素繊維の繊維長］
本発明における破砕材Ｘは重量平均繊維長Ｌｗｘの炭素繊維を含む。重量平均繊維長Ｌｗは、１ｍｍ以上５０ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下がより好ましく、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下が更に好ましい。
【００１３】
Ｌｗｘが５０ｍｍ以下であれば、複合材料Ａの流動性が低下しにくく、プレス成形の際に所望の形状のプレス成形体を得られやすい。また、Ｌｗｘが１ｍｍ以上の場合、得られるプレス成形体の機械強度が低下しにくく好ましい。
【００１４】
破砕材Ｘに含まれる炭素繊維は、互いに異なる炭素繊維を併用してもよい。換言すると、破砕材Ｘに含まれる炭素繊維は、重量平均繊維長の分布において単一のピークを有するものであってもよく、あるいは複数のピークを有するものであってもよい。なお、射出成形体や押出成形体に含まれる炭素繊維は、炭素繊維を射出（押出）成形体中で均一に炭素繊維を分散させるために十分な混練工程を経たものは一般的に炭素繊維の重量平均繊維長は１ｍｍ未満となる。
【００１５】
［平均繊維長］
炭素繊維の平均繊維長は、例えば、成形体から無作為に抽出した１００本の繊維の繊維長を、ノギス等を用いて１ｍｍ単位まで測定し、下記式（１）に基づいて求めることができる。
個々の炭素繊維の繊維長をＬｉ、測定本数をｊとすると、数平均繊維長（Ｌｎ）と重量平均繊維長（Ｌｗ）とは、一般的に以下の式（１）、（２）により求められる。
Ｌｎ＝ΣＬｉ／ｊ・・・式（１）
Ｌｗ＝（ΣＬｉ２）／（ΣＬｉ）・・・式（２）
繊維長が一定長の場合は数平均繊維長と重量平均繊維長は同じ値になる。複合材料Ａからの炭素繊維の抽出は、例えば、５００℃×１時間程度の加熱処理を施し、炉内にて樹脂を除去することによって行うことができる。
【００１６】
［熱可塑性樹脂］
本発明に用いられる熱可塑性樹脂（熱可塑性のマトリクス樹脂）は特に限定されるものではなく、所望の軟化点又は融点を有するものを適宜選択して用いることができる。熱可塑性樹脂としては、通常、軟化点が１８０℃〜３５０℃の範囲内のものが用いられるが、これに限定されるものではない。
【００１７】
［散布された集合体Ｙの目付の変動係数］
本発明における散布された集合体Ｙの目付の変動係数は４０％以下である。本発明における集合体Ｙの目付の変動係数とは、散布された集合体Ｙの面内の全範囲を２５ｍｍ×２５ｍｍピッチで区分けしたときの各々の目付の変動係数を式（ａ）で算出したものであり、例えば、散布された集合体Ｙの区画が１００ｍｍ×１００ｍｍの場合、４×４の１６ヶ所に区分けして測定した変動係数で定義される。
【００１８】
散布された集合体の変動係数＝１００×総目付の標準偏差／総目付の平均値  式（ａ）
集合体Ｙの目付の変動係数は４０％以下にすることにより、加熱されて作成された複合材料Ａの成形時の賦形ムラや機械特性ムラを小ピッチで低減することができ、小型成形体や複雑形状の成形体においても、優れた成形性や機械特性を発揮させることができる。
【００１９】
［破砕材Ｘ］
破砕材Ｘの製法について特に限定は無いが、例えば炭素繊維強化熱可塑性樹脂の成形材料や成形体の製造過程で得られた端材などを用いる。成形材料や成形体の製造又は成形する際に出る端材（以下、単に端材と呼ぶ場合がある）を利用すれば、製造コストを低減でき省資源や地球環境保全に貢献することができる。破砕前の成形材料や成形体は特に限定されるものではなく、例えば特開２０１１−１７８８９０号公報や特開２０１１−１７８８９１号公報に記載の炭素繊維を１０〜７０ｗｔ％含んだ複合材料や、一方向性炭素繊維強化複合材料と組合せた、特開２０１１−２４１３３８号公報に記載のものなど、種々の材料を用いることもできる。
【００２０】
［破砕材Ｘの製造例］
図１は、実施の形態の破砕材Ｘの集合体Ｙの製造に用いる切断機２００の構造を示す概略図である。切断機２００は市販のプラスチック切断機である。成形材料又は成形体の破材、廃材、製造廃材（図１の１０１）を切断機２００に供給して切断する。
【００２１】
切断機２００の切断刃寸法、切断刃間隔、粉砕時間、回転数を適宜変更して切断片の容積分布を測定することにより、切断片１０２の容積が破砕材Ｘの好ましい大きさに入る条件に調整することができる。さらに、切断片１０２をフィルター２１０に通し、一定粒度以下の切断片を破砕材Ｘとして回収する。フィルター２１０を通過しない切断片１０２は再度、切断機２００に供給して切断を行う。このように、フィルター２１０の開口面積を調整することにより、破砕材Ｘを得る事が出来る。破砕材Ｘの集合体Ｙについて、破砕材Ｘの平面のうち、最大面積を有する平面の最小外接円の直径が５〜２５ｍｍであることが好ましい。破砕材Ｘの大きさは直径１〜２０ｍｍ以下が好ましく、３〜１５ｍｍがより好ましい。
【００２２】
［破砕材の面粗度］
上述の切断機２００の切断刃で端材を切断した場合、粉砕材Ｘの面のうち、面粗度（Ｒｚ）が５００μｍ以上である破砕面を少なくとも１面有することとなる。
面粗度（Ｒｚ）が大きくなると、集合体Ｙ中で破砕材Ｘ同士が絡み合い、通常の散布方法では均一散布しにくくなる。本発明における好ましい複合材料Ａの製造方法を用いれば、より大きな課題を持った破砕材Ｘの集合体Ｙであっても、均一に散布することが可能となる。
【００２３】
[破砕材Ｘの棘]
上述の切断機２００の切断刃は連続使用すると熱を帯びる。熱を帯びた切断刃で端材を切断すると、端材に含まれる熱可塑性樹脂が溶融し、棘を有する破砕材Ｘが製造される。
長さ１ｍｍ以上の棘を有する破砕材Ｘが、集合体Ｙの３０％以上を占める場合、集合体Ｙ中で、破砕材Ｘの棘が絡み合うため、通常の散布方法では均一散布しにくくなる。本発明における好ましい複合材料Ａの製造方法を用いれば、棘を持った破砕材Ｘの集合体Ｙであっても、均一に散布することが可能となる。
長さ１ｍｍ以上の棘を有する破砕材Ｘが、集合体の４０％以上を占めることが好ましい。
【００２４】
［集合体Ｙの散布方法（振動式フィーダーの利用）］
本発明における集合体Ｙの散布は、振動式フィーダーから破砕材Ｘの集合体Ｙを散布して複合材料Ａを製造することが好ましい。図２は振動式フィーダーを利用した集合体Ｙの散布方法を模式図である。集合体Ｙは振動式フィーダー３０１内で振動しながらベルトコンベヤー３０２へ散布されるため、容易に散布された集合体Ｙの目付の変動係数が４０％以下とすることができる。
【００２５】
また、振動式フィーダーをＭＤ方向（Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に２台以上並べれば、１度目に散布された集合体Ｙの目付にムラがあったとしても、２度目の集合体Ｙの散布により目付は均一化される。一方、振動式フィーダーを幅方向に２台以上並べ、１台あたりの散布幅を小さくすれば、やはり集合体Ｙの目付ムラは改善する。
【００２６】
［集合体Ｙの散布方法（ホッパからの散布）］
集合体Ｙをホッパに投入し、ホッパ吐出口から集合体を散布する場合、ホッパ内で破砕材同士が絡み合ったり、突っ張りあったりして、吐出口から均一かつ連続に破砕材を吐出するのは難しい。そこで、本発明においては、以下の方法を採用することが好ましい。
【００２７】
１．空気吹き付け
本発明において、集合体Ｙをホッパに貯留し、ホッパ吐出口から集合体Ｙを散布して複合材料Ａを製造する方法であって、ホッパ下部に空気注入口を有するテーパー管を設け、ホッパ吐出口から吐出された集合体をテーパー管内で空気を吹き付けて均一化した後、ベルトコンベヤーに散布することが好ましい。
空気注入口には圧縮空気を吹き込むことが好ましく、圧縮空気の風量は１０ＮＬ／ｍｉｎ以上１０００ＮＬ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。
空気を集合体Ｙへ吹き付けることにより、ホッパ中で不均一に堆積している破砕材Ｘの集合体Ｙを均一化できる。
【００２８】
２．回転ローラの利用
本発明において、集合体Ｙをホッパ（例えば図３の４０３）に貯留し、ホッパ下部に設けた回転ローラへ、ホッパ吐出口（例えば図３の４０５のクリアランス）から破砕材Ｘを吐出し、回転ローラからベルトコンベヤーへ破砕材Ｘの集合体Ｙを散布することが好ましい。このとき、ホッパ下部の供給口の大きさは１５０ｍｍ以下であることが好ましい。１５０ｍｍ以下であれば、ホッパ内の破砕材Ｘの集合体Ｙが回転ローラに引き出される形で吐出されるため好ましい。
【００２９】
２．１  回転ローラ
回転ローラの周速に特に限定は無いが、１ｍ／ｍｉｎ以上であることが好ましく、２ｍ／ｍｉｎ以上であることがより好ましい。
ローラ表面は、５０ｍｍ以下の間隔で溝又は突起を有することが好ましく、ローラ表面は１００メッシュ以下のシボ加工がされていても良い。また、ローラ表面は、表面粗さＲａ（算術平均粗さ）が３μｍ以上１５μｍ以下の梨地加工されたものであることが好ましい。該表面粗さＲａは３μｍ以上１０μｍ以下がより好ましく、４μｍ以上６μｍ以下が更に好ましい。
【００３０】
３．複数のホッパ
ホッパから集合体Ｙを散布する場合、ホッパを複合材料の幅方向に少なくとも３個以上並べて集合体Ｙを散布するのが好ましい。
幅方向に小さなホッパを並べることで、ホッパ内で絡み合う破砕材Ｘを減少させることができ、ホッパから吐出される集合体Ｙの散布を均一化することができる。
【００３１】
［積層体の製造］
重量平均繊維長Ｌｗｚの炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む集合体Ｚの上に、集合体Ｙを散布し、加熱固化して複合材料Ａと、集合体Ｚ由来の複合材料Ｂとの積層体を製造しても良い。ここで、Ｌｗｚ＞Ｌｗｘである。
【００３２】
［炭素繊維の体積割合］
破砕材Ｘに含まれる炭素繊維の炭素繊維体積割合（Ｖｆ）は、下記式（３）で求めることができる。
炭素繊維体積割合に特に限定は無いが、炭素繊維体積割合（Ｖｆ）は、１０Ｖｏｌ％〜６０Ｖｏｌ％であることが好ましく、２０Ｖｏｌ％〜５０Ｖｏｌ％であることがより好ましく、２５Ｖｏｌ％〜４５Ｖｏｌ％であればさらに好ましい。
炭素繊維体積割合（Ｖｆ）＝１００×炭素繊維体積／（炭素繊維体積＋熱可塑性樹脂体積）    式（３）
本発明においては、破砕材Ｘの炭素繊維体積割合Ｖｆｘと、集合体Ｚ由来の複合材料Ｂの炭素繊維体積割合ＶｆＢとが、Ｖｆｘ≦ＶｆＢの関係を満たすことが、製造プロセス上好ましい。
【００３３】
炭素繊維と熱可塑性樹脂を含む複合材料Ｂを破砕して破砕材Ｘとして切り出して用いた場合、ＶｆＸ＝ＶｆＢとなり、複合材料Ｂの端材を砕いた後、更に熱可塑性樹脂を添加して破砕材Ｘを製造した場合はＶｆＸ＜ＶｆＢとなる。すなわち、ＶｆＸ≦ＶｆＢとなるような製造方法を採用すれば、複合材料Ｂを切り出した後に残った端材を効率的に利用できる。
【００３４】
［複合材料Ａの製造］
複合材料Ａは、ベルトコンベヤー（例えば図２の３０２、図３の４０２）の上で集結した集合体Ｙを加熱して熱可塑性樹脂を溶融させ、集合体Ｙ同士を溶融結合し、冷却固化して得られる。
【符号の説明】
【００３５】
１０１：成形材料又は成形体の破材、廃材、製造廃材
１０２：切断片
２００：切断機
２１０：フィルター
Ｙ：集合体Ｙ
３０１：振動式フィーダー
３０２：ベルトコンベヤー
４０１：回転ローラ
４０２：ベルトコンベヤー
４０３：ホッパ
４０４：ゲート
４０５：クリアランス
４０６：破砕材Ｘ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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