(57)【要約】【課題】  短い炭素繊維を含有しても高い強度が得られて成形性も優れた複合材料及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  熱可塑性樹脂２に炭素繊維３が含有されており、炭素繊維３の長さが、２０ｍｍ未満であり、さらに、熱可塑性樹脂２にグラフェン４が添加されている。特に、炭素繊維３の長さが、１０ｍｍ以下であり、グラフェン４の粒子径が、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。これにより、２０ｍｍ未満の短い炭素繊維だけを含有している場合よりも高い強度が得られると共に、熱伝導性及び電気伝導性も向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂に炭素繊維が含有されており、
前記炭素繊維の長さが、２０ｍｍ未満であり、
さらに、前記熱可塑性樹脂内にグラフェンが添加され分散していることを特徴とする複合材料。
【請求項２】
請求項１に記載の複合材料において、
前記炭素繊維の長さが、１０ｍｍ以下であり、
前記グラフェンの粒子径が、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする複合材料。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の複合材料において、
前記炭素繊維が、３０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下で含有され、
前記グラフェンが、０．１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下で含有されていることを特徴とする複合材料。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項の複合材料において、
前記グラフェンが、炭素原子の単層以上で９層以下の層構造を有することを特徴とする複合材料。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項の複合材料において、
前記グラフェンが、表面に酸素原子を含む官能基を有していることを特徴とする複合材料。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項の複合材料の製造方法であって、
溶融させた熱可塑性樹脂に長さ２０ｍｍ未満の炭素繊維を含有させて混練する炭素繊維混練工程と、
溶融させた前記熱可塑性樹脂にグラフェンを含有させて混練するグラフェン混練工程とを有し、
前記グラフェン混練工程を、前記炭素繊維混練工程よりも前に行うことを特徴とする複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂に炭素繊維を含有させた複合材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、航空機や自動車等の部材には、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics：熱硬化性樹脂）やＣＦＲＴＰ（Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics：熱可塑性樹脂）などの樹脂に炭素繊維を含有させた炭素繊維複合材料が多く採用されている。
従来、例えば特許文献１には、グラフェンレイヤーで表面が被覆された炭素繊維を熱可塑性樹脂中に含有した炭素繊維複合体が記載されている。
【０００３】
上記炭素繊維複合材料のうち、ＣＦＲＰに比べて短時間で低コストな成形が可能なＣＦＲＴＰを用いた複合材料の採用が増えてきている。すなわち、炭素繊維と熱硬化型のＣＦＲＰとの複合材料では、通常２時間程度の加熱保持する工程が必要であるのに対し、炭素繊維と熱可塑型のＣＦＲＴＰとの複合材料では、１分以内で成形可能である。また、ＣＦＲＴＰを用いた複合材料では、一度成形したものに熱と圧力とを加えることで、曲げ等の再成形（二次成形）が可能であると共に、ＣＦＲＴＰを用いた複合材料同士を短時間に熱融着させることも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４８４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、熱可塑型のＣＦＲＴＰを用いた炭素繊維複合材料は、上述したように成形性に優れており、射出成形等も可能であるが、熱硬化型のＣＦＲＰを用いた炭素繊維複合材料に比べて強度が低くなってしまう不都合があった。そのため、含有させる炭素繊維の長さを長くすることで、強度を高めることが可能であるが、炭素繊維が長くなるほど成形性が低下してしまう問題があった。なお、特許文献１のようにグラフェンレイヤーで表面が被覆された炭素繊維を熱可塑性樹脂中に含有した場合、炭素繊維表面のグラフェンレイヤーのアンカー効果により樹脂との接着が強固になるが、炭素繊維を短くするとやはり全体の強度が低下してしまう問題がある。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、短い炭素繊維を含有しても高い強度が得られて成形性も優れた複合材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る複合材料は、熱可塑性樹脂に炭素繊維が含有されており、前記炭素繊維の長さが、２０ｍｍ未満であり、さらに、前記熱可塑性樹脂内にグラフェンが添加され分散していることを特徴とする。
【０００８】
この複合材料では、炭素繊維の長さが、２０ｍｍ未満であり、さらに、熱可塑性樹脂内にグラフェンが添加され分散しているので、表面積が非常に大きいグラフェンを含有していることで、２０ｍｍ未満の短い炭素繊維だけを含有している場合よりも高い強度が得られると共に、熱伝導性及び電気伝導性も向上する。また、熱可塑性樹脂の良好な成形性を得るために、上記短い炭素繊維を採用しても高い機械特性を得ることができる。なお、本発明では、特許文献１のようにグラフェンが炭素繊維の表面を被覆しているのではなく、グラフェンが炭素繊維とは別に熱可塑性樹脂内に分散しているため、炭素繊維が短くても全体の強度を向上させることができる。
【０００９】
第２の発明に係る複合材料は、第１の発明において、前記炭素繊維の長さが、１０ｍｍ以下であり、前記グラフェンの粒子径が、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。
すなわち、この複合材料では、炭素繊維の長さが、１０ｍｍ以下であり、グラフェンの粒子径が、０．１μｍ以上１０μｍ以下であるので、１０ｍｍ以下のより短い炭素繊維を採用してもグラフェンが非常に小さく熱可塑性樹脂内に良好に分散できることによって、高い強度と高い成形性とが得られる。
【００１０】
第３の発明に係る複合材料は、第１又は第２の発明において、前記炭素繊維が、３０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下で含有され、前記グラフェンが、０．１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下で含有されていることを特徴とする。
すなわち、この複合材料では、炭素繊維が、３０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下で含有されているので、強度及び剛性が十分に高くできると共に、熱可塑性樹脂の良好な成形性が得られる。また、グラフェンが、０．１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下で含有されているので、上記短い炭素繊維であっても十分な機械特性の向上効果が得られる。
なお、炭素繊維が、３０ｖｏｌ％未満であると、強度の十分な向上が得難く、炭素繊維が、７０ｖｏｌ％を超えると、良好な成形性が得られず、母材としての熱可塑性樹脂の構造連続性に影響があり、機械特性を向上させることが困難となる。また、グラフェンが、０．１ｖｏｌ％未満であると、熱可塑性樹脂の機械特性の向上効果が十分に得られず、グラフェンが、１０ｖｏｌ％を超えると、母材としての熱可塑性樹脂の構造連続性に影響があり、機械特性に問題が生じるおそれがある。
【００１１】
第４の発明に係る複合材料は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記グラフェンが、炭素原子の単層以上で９層以下の層構造を有することを特徴とする。
すなわち、この複合材料では、グラフェンが、炭素原子の単層以上で９層以下の層構造を有するので、グラフェンの単位重量当たりの総表面積が大きく、少ない添加量でも高い熱伝導性及び電気伝導性と機械特性の向上効果とを得ることができる。特に、グラフェンが炭素原子の単層の場合、単位重量当たりで複数層のグラフェンよりも総表面積が大きくなり、１ｖｏｌ％以下の添加量でも熱可塑性樹脂内でグラフェン同士が接触し易いため、熱伝導性及び電気伝導性がより向上する。
なお、グラフェンが、炭素原子の１０層以上の層構造であると、例えば添加量を１０ｖｏｌ％に増やしても、単層のグラフェンを１ｖｏｌ％添加した場合と同等の熱伝導性及び電気伝導性の効果しか得られないと共に、母材である熱可塑性樹脂の機械特性に影響を与えてしまう場合がある。
【００１２】
第５の発明に係る複合材料は、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記グラフェンが、表面に酸素原子を含む官能基を有していることを特徴とする。
すなわち、この複合材料では、グラフェンが、表面に酸素原子を含む官能基を有しているので、グラフェンの熱可塑性樹脂への分散性が向上し、グラフェンの少量添加で機械的特性を最大限に得ることが可能になる。なお、表面に酸素原子を含む官能基を有しているグラフェンは、Ｃ／Ｏの原子数の比（Ｃ／Ｏ比）が１０／１以下（すなわち、酸素原子数が炭素原子数の１／１０以上）のものである。
【００１３】
第６の発明に係る複合材料は、第１から第５の発明のいずれかの複合材料の製造方法であって、溶融させた熱可塑性樹脂に長さ２０ｍｍ未満の炭素繊維を含有させて混練する炭素繊維混練工程と、溶融させた前記熱可塑性樹脂にグラフェンを含有させて混練するグラフェン混練工程とを有し、前記グラフェン混練工程を、前記炭素繊維混練工程よりも前に行うことを特徴とする。
すなわち、この複合材料の製造方法では、グラフェン混練工程を、炭素繊維混練工程よりも前に行うことで、炭素繊維混練工程後に行うよりも、熱可塑性樹脂内にグラフェンをより均一に分散混合させることが可能になる。したがって、グラフェンが高い分散性を有して熱可塑性樹脂内に混合されることで、全体的に均一な強度や熱伝導性及び電気伝導性を得ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る複合材料及びその製造方法によれば、炭素繊維の長さが、２０ｍｍ未満であり、さらに、熱可塑性樹脂にグラフェンが添加され分散しているので、高い強度と良好な成形性とにより高い機械特性が得られると共に、熱伝導性及び電気伝導性も向上する。
したがって、本実施形態の複合材料及びその製造方法では、良好な成形性によって自動車等の多様な形状の部材に好適であり、高い強度によって高い信頼性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る複合材料及びその製造方法の一実施形態において、複合材料を示す模式的な拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る複合材料及びその製造方法における一実施形態を、図１を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。
【００１７】
本実施形態の複合材料１は、図１に示すように、熱可塑性樹脂２に炭素繊維３が含有されており、炭素繊維３の長さが、２０ｍｍ未満であり、さらに、熱可塑性樹脂２にグラフェン４が添加されている。
上記炭素繊維３の長さは、１０ｍｍ以下であることが好ましく、グラフェン４の粒子径は、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
なお、グラフェン４は非常に薄い厚さ（原子レベルの厚さ）であるため、粒子径「０．１μｍ以上１０μｍ以下」は、厚みに対して垂直の面内方向のサイズに相当する。
【００１８】
上記熱可塑性樹脂２は、例えばポリエチレン，ポリプロピレン，ポリ塩化ビニル，ＡＢＳ樹脂等が採用可能である。
上記炭素繊維３は、例えばカーボンファイバー等である。
また、炭素繊維３は、３０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下で含有され、グラフェン４は、０．１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下で含有されている。
【００１９】
上記グラフェン４は、炭素原子の単層以上で９層以下の層構造を有している。特に、グラフェン４が、炭素原子の単層であることが好ましい。
また、グラフェン４は、表面に酸素原子を含む官能基を有した酸化グラフェン（ＧＯ：Graphene Oxide）であることが好ましい。
なお、表面に酸素原子を含む官能基を有しているグラフェン４は、Ｃ／Ｏの原子数の比（Ｃ／Ｏ比）が１０／１以下のものである（酸素原子数が炭素原子数の１／１０以上）。
また、グラフェン４は、Ｃ／Ｏの原子数の比（Ｃ／Ｏ比）が１０／１以下のものであれば、還元型酸化グラフェン（ｒＧＯ：Reduced GO）でも構わない。
【００２０】
本実施形態の複合材料１の製造方法は、溶融させた熱可塑性樹脂２に長さ２０ｍｍ未満の炭素繊維３を含有させて混練する炭素繊維混練工程と、溶融させた熱可塑性樹脂２にグラフェン４を含有させて混練するグラフェン混練工程とを有している。
なお、上記グラフェン混練工程は、炭素繊維混練工程よりも前に行う。
これら混練工程は、ミキサー型混練機などの既存の装置を用いて行われる。
【００２１】
上記製造方法で製造された複合材料１は、ペレット状に加工され、これを用いて射出成形等により所望の形状に成形される。
例えば、他の部材（ＳＵＳやアルミニウム等の部材）を型に入れると共にペレット状の複合材料１を溶融させ、射出成形により複合材料１を前記他の部材と一体成形させ、前記他の部材と複合材料１との接合体を作製する。
【００２２】
このように本実施形態の複合材料１では、炭素繊維３の長さが、２０ｍｍ未満であり、さらに、熱可塑性樹脂２にグラフェン４が添加されているので、表面積が非常に大きいグラフェン４を含有していることで、２０ｍｍ未満の短い炭素繊維３だけを含有している場合よりも高い強度が得られると共に、熱伝導性及び電気伝導性も向上する。また、熱可塑性樹脂２の良好な成形性を得るために、上記短い炭素繊維３を採用しても高い機械特性を得ることができる。
【００２３】
また、炭素繊維３の長さが、１０ｍｍ以下であり、グラフェン４の粒子径が、０．１μｍ以上１０μｍ以下であるので、１０ｍｍ以下のより短い炭素繊維３を採用してもグラフェン４が非常に小さく熱可塑性樹脂２内に良好に分散できることによって、高い強度と高い成形性とが得られる。
【００２４】
特に、炭素繊維３が、３０ｖｏｌ％以上７０ｖｏｌ％以下で含有されているので、強度及び剛性が十分に高くできると共に、熱可塑性樹脂２の良好な成形性が得られる。また、グラフェン４が、０．１ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下で含有されているので、上記短い炭素繊維３であっても十分な機械特性の向上効果が得られる。
【００２５】
また、グラフェン４が、炭素原子の単層以上で９層以下の層構造を有するので、グラフェン４の単位重量当たりの総表面積が大きく、少ない添加量でも高い熱伝導性及び電気伝導性と機械特性の向上効果とを得ることができる。特に、グラフェン４が炭素原子の単層の場合、単位重量当たりで複数層のグラフェン４よりも総表面積が大きくなり、１ｖｏｌ％以下の添加量でも熱可塑性樹脂２内でグラフェン４同士が接触し易いため、熱伝導性及び電気伝導性がより向上する。
【００２６】
さらに、グラフェン４が、表面に酸素原子を含む官能基を有しているので、グラフェン４の熱可塑性樹脂２への分散性が向上し、グラフェン４の少量添加で機械的特性を最大限に得ることが可能になる。
【００２７】
また、本実施形態の複合材料１の製造方法では、グラフェン混練工程を、炭素繊維混練工程よりも前に行うことで、炭素繊維混練工程後に行うよりも、熱可塑性樹脂２内にグラフェン４をより均一に分散混合させることが可能になる。したがって、グラフェン４が高い分散性を有して熱可塑性樹脂２内に混合されることで、全体的に均一な強度や熱伝導性及び電気伝導性を得ることができる。
【００２８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１…複合材料、２…熱可塑性樹脂、３…炭素繊維、４…グラフェン
【図１】
2020070309.tif 000003