(57)【要約】【課題】本発明の課題は、シワや切れ目等の欠点の発生を低減し、シートの切断を抑制するとともに地合の良好な炭素繊維不織布の製造方法を提供することである。【解決手段】炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含有する炭素繊維不織布を湿式抄造法により形成する製造方法であって、ワイヤーパートのフォーマー部において、クーチロール通過時の湿紙に対して、湿紙１平方メートルあたり、０．２Ｌ以上２．５Ｌ以下の水量で水滴を噴霧することを特徴とする炭素繊維不織布の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含有する炭素繊維不織布を湿式抄造法により形成する製造方法であって、ワイヤーパートのフォーマー部において、クーチロール通過時の湿紙に対して、湿紙１平方メートルあたり、０．２Ｌ以上２．５Ｌ以下の水量で水滴を噴霧することを特徴とする炭素繊維不織布の製造方法。
【請求項２】
水滴の平均粒子径が４００μｍ以下である請求項１記載の炭素繊維不織布の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含有する炭素繊維不織布を湿式抄造法により形成する炭素繊維不織布の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維と樹脂を複合化してなる炭素繊維強化樹脂複合体は、金属材料に匹敵する強度・弾性率を有しながら、金属材料よりも比重が小さいため、部材の軽量化を図ることができ、また、発錆の問題もなく、酸やアルカリにも強いという性質を有していることから、電子機器材料、電気機器材料、土木材料、建築材料、自動車材料、航空機材料、各種製造業で使用されるロボット、ロール等の製造部品等で使用されている。
【０００３】
炭素繊維強化樹脂複合体は、長繊維織布、開繊織物、一方向性ウェブ、長繊維不織布、短繊維不織布等の炭素繊維布帛と、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の樹脂とを複合させた複合体である。最も一般的な炭素繊維強化樹脂複合体には、炭素長繊維布帛と熱硬化性樹脂とを複合させた複合体であるが、設計が難しい、均質材料ではない、成形加工時間が長い、高価等の課題があった。
【０００４】
これらの課題を解決する方法として、炭素繊維を含有する不織布（炭素繊維不織布）と熱可塑性樹脂とを複合した炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合体が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。炭素繊維不織布と熱可塑性樹脂が使用されることによって、易設計・加工性が得られ、成形加工時間の短縮が可能となっている。
【０００５】
炭素繊維不織布を形成する方法としては、針や凹凸のあるロール間に繊維を通して機械的に解繊、交絡させてシート化するカード法（例えば、特許文献１、５参照）や繊維を気流中で浮遊、解繊させ、スクリーンに吸引してシート化するエアレイ法等の乾式法、繊維を水等の液体中に分散させ、パルパー等で解繊した後、網上に抄き上げ、付着した水等の液体を乾燥してシート化する湿式抄紙法（例えば、特許文献２、４参照）等がある。地合の良さ及び比較的低い目付の炭素繊維不織布を得るためには、湿式抄造法が好ましいが、炭素繊維不織布の炭素繊維の含有率が高くなると、炭素繊維の剛直性の影響で抄造時にシワや切れ目等の欠点やシートの切断が発生する場合があるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−４３９８５号公報
【特許文献２】特開２０１１−２１３０３号公報
【特許文献３】特開２０１３−２０２８９１号公報
【特許文献４】特開２０１４−２２４３３３号公報
【特許文献５】特開２０１６−１５１０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、シワや切れ目等の欠点の発生を低減し、シートの切断を抑制するとともに地合の良好な炭素繊維不織布の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、下記発明によって解決することができる。
【０００９】
（１）炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含有する炭素繊維不織布を湿式抄造法により形成する製造方法であって、ワイヤーパートのフォーマー部において、クーチロール通過時の湿紙に対して、湿紙１平方メートルあたり、０．２Ｌ以上２．５Ｌ以下の水量で水滴を噴霧することを特徴とする炭素繊維不織布の製造方法。
【００１０】
（２）水滴の平均粒子径が４００μｍ以下である上記（１）記載の炭素繊維不織布の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、シワや切れ目等の欠点の発生を低減し、シートの切断を抑制するとともに地合の良好な炭素繊維不織布を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の製造方法に関する抄造工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の炭素繊維不織布の製造方法は、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含有する炭素繊維不織布を湿式抄造法により形成する製造方法であり、ワイヤーパートのフォーマー部において、クーチロール通過時の湿紙に対して、湿紙１平方メートルあたり０．２Ｌ以上２．５Ｌ以下の水量で水滴を噴霧することを特徴としている。
【００１４】
本発明に係る製造方法により製造する炭素繊維不織布は、少なくとも炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含有する。炭素繊維不織布の目付は、１０〜２００ｇ／ｍ２であることが好ましく、２０〜１５０ｇ／ｍ２であることがより好ましい。
【００１５】
炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を原料とするＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ類を原料とするピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリルを原料とするＰＡＮ系再生炭素繊維、ピッチ系炭素繊維を原料とするピッチ系再生炭素繊維が挙げられる。炭素繊維の繊維径は３〜２０μｍであることが好ましく、５〜１５μｍであることがより好ましい。また、炭素繊維の繊維長は１〜５０ｍｍであることが好ましく、３〜２０ｍｍであることがより好ましい。炭素繊維の含有量は、不織布中の全繊維に対して、５０〜９６質量％であることが好ましく、７０〜９３質量％であることがより好ましい。
【００１６】
再生炭素繊維とは、炭素繊維と樹脂を複合化してなる炭素繊維強化樹脂複合体等から得られる再生品である。炭素繊維強化樹脂複合体は、長繊維織布、開繊織物、一方向性ウェブ、長繊維不織布、短繊維不織布等の炭素繊維布帛と、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の樹脂とを複合させた複合体である。最も一般的な炭素繊維強化樹脂複合体は、炭素長繊維布帛と熱硬化性樹脂とを複合させた複合体である。炭素繊維としては、ポリアクリロニトリルを原料とするＰＡＮ系炭素繊維やピッチ類を原料とするピッチ系炭素繊維が挙げられる。炭素繊維強化樹脂複合体から、熱処理法、焼結法、過熱法、過熱水蒸気法等の再生処理方法により、樹脂が除去されることによって得られる炭素繊維が再生炭素繊維である。
【００１７】
熱可塑性樹脂繊維は、炭素繊維が不織布から脱離することを防止し、炭素繊維不織布に強度を付与するために添加される。熱可塑性樹脂繊維としては、ポリビニルアルコール（ビニロン）繊維、表面が低融点化されているポリエステル芯鞘繊維、未延伸ポリエステル繊維、ポリカーボネート（ＰＣ）繊維、ポリオレフィン繊維、表面が低融点化されているポリオレフィン芯鞘繊維、表面が酸変性ポリオレフィンよりなるポリオレフィン繊維、脂肪族ポリアミド繊維、未延伸ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリエーテルケトンケトン繊維等が挙げられる。
【００１８】
熱可塑性樹脂繊維が融点を示す場合、融点は６０〜２６０℃であることが好ましく、６０〜２３０℃であることがより好ましく、６０〜１８０℃であることが更に好ましい。熱可塑性樹脂繊維の融点がこの温度範囲であることによって、不織布製造工程における加熱処理によって、結着性が付与され、炭素繊維不織布に強度が付与される。
【００１９】
熱可塑性樹脂繊維であるポリビニルアルコール（ビニロン）繊維は明確な融点を示さないが、水の存在下６０〜１００℃で溶融するため、湿式抄紙法においては、ドライヤーでの加熱処理によって、湿熱溶融して結着性が付与され、炭素繊維不織布に強度が付与される。
【００２０】
熱可塑性樹脂繊維の繊維径は３〜４０μｍであることが好ましく、５〜２０μｍであることがより好ましい。また、熱可塑性樹脂繊維の繊維長は１〜２０ｍｍであることが好ましく、３〜１２ｍｍであることがより好ましい。
【００２１】
本発明において炭素繊維不織布を製造する際には、炭素繊維、熱可塑性樹脂繊維に加えて、熱硬化性樹脂繊維、ガラス繊維、セルロース繊維等の繊維を併用することができる。セルロース繊維の中でもフィブリル化セルロース繊維を併用することで、湿紙の強度を改善し、製造工程での断紙を防ぐ効果が高まる。また、炭素繊維や熱可塑性樹脂繊維と適度に絡み合い、強度に優れ、繊維の脱落の少ない炭素繊維不織布を提供することができる。
【００２２】
フィブリル化セルロース繊維とは、フィルム状ではなく、主に繊維軸と平行な方向に非常に細かく分割された部分を有する繊維状で、少なくとも一部が繊維径１μｍ以下であるセルロース繊維である。長さと幅のアスペクト比が２０〜１０００００であることが好ましい。また、変法濾水度が０〜７７０ｍｌであることが好ましく、０〜６００ｍｌであることがより好ましい。さらに、質量平均繊維長が０．１〜２ｍｍであることが好ましい。フィブリル化セルロース繊維の含有量は、不織布中の全繊維に対して、２〜２０質量％であることが好ましく、２〜１０質量％であることがより好ましい。本発明における変法濾水度は、ふるい板として線径０．１４ｍｍ、目開き０．１８ｍｍの金網（ＰＵＬＰ  ＡＮＤ  ＰＡＰＥＲ  ＲＥＳＥＡＲＣＨ  ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ  ＯＦ  ＣＡＮＡＤＡ製）を用い、試料濃度を０．１％にした以外はＪＩＳ  Ｐ８１２１−２：２０１２に準拠して測定した濾水度である。
【００２３】
フィブリル化セルロース繊維用のセルロース材料としては、植物パルプ、溶剤紡糸セルロース、半合成セルロース等が挙げられる。植物パルプとしては、広葉樹材（Ｌ材）や針葉樹材（Ｎ材）を用いたクラフトパルプ（ＫＰ）、溶解パルプ（ＤＰ）、溶解クラフトパルプ（ＤＫＰ）等の木質系パルプが挙げられる。また、藁パルプ、麻パルプ、コットンパルプ、コットンリンターパルプ、ケナフパルプ等の非木質系パルプも挙げられる。市販品としては、セリッシュ（登録商標、ダイセルファインケム社製）が挙げられる。
【００２４】
フィブリル化セルロース繊維を得る方法としては、セルロース材料を水中で分散したスラリーを機械的に粉砕することにより、セルロース材料の繊維を解繊してミクロフィブリルを形成する方法が挙げられる。セルロース材料を解繊する装置としては、ディスクリファイナー、石臼型磨砕機、高圧ホモジナイザー、ボールミル、水中カウンターコリジョン法用装置、超音波破砕機等が挙げられる。これらの装置を適宜組み合わせて使用することもできる。
【００２５】
本発明において、炭素繊維不織布は、湿式抄造法で製造される。湿式抄造法では、まず、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維、場合によって他の併用する繊維とを均一に水中に混合分散させてスラリーとし、その後、スクリーン（異物、塊等除去）等の工程を通り、最終の繊維濃度が０．０１〜０．５０質量％に調整されたスラリーを得る。該スラリーが抄紙機で抄き上げられ、湿紙（湿潤状態の不織布）が得られる。繊維の分散性の均一化等のために、工程中で分散剤、消泡剤、親水化剤、帯電防止剤、高分子粘剤、離型剤、抗菌剤、殺菌剤等の薬品を添加する場合もある。
【００２６】
抄紙機としては、例えば、長網、円網、傾斜ワイヤー等の抄紙網を単独で使用した抄紙機、同種又は異種の２以上の抄紙網がオンラインで設置されているコンビネーション抄紙機等を使用することができる。また、炭素繊維不織布が２層以上の多層構造の場合には、各々の抄紙機で抄き上げた湿紙を積層する抄き合わせ法や、一方の層を形成した後に、該層上に繊維を分散したスラリーを流延して積層とする流延法等で、炭素繊維不織布を製造することができる。繊維を分散したスラリーを流延する際に、先に形成した層は湿紙状態であっても、乾燥状態であってもいずれでも良い。また、２枚以上の乾燥状態の層を熱融着させて、多層構造の炭素繊維不織布とすることもできる。
【００２７】
本発明において、炭素繊維不織布が多層構造である場合、各層の繊維配合が同一である多層構造であっても良く、各層の繊維配合が異なっている多層構造であっても良い。多層構造である場合、各層の目付が下がることにより、スラリーの繊維濃度を下げることができるため、炭素繊維不織布の地合が良くなり、その結果、炭素繊維不織布の地合の均一性が向上する。また、各層の地合が不均一であった場合でも、積層することで補填できる。さらに、抄紙速度を上げることができ、操業性が向上するという効果も得られる。
【００２８】
湿式抄造法では、抄紙網で抄造された湿紙をフェルト等の搬送支持体上に転写し、プレスロール等で加圧脱水して、含有水分量を制御した上で、ヤンキードライヤー、エアードライヤー、シリンダードライヤー、サクションドラム式ドライヤー、赤外方式ドライヤー等で乾燥することによって、シート状の湿式抄紙不織布が得られる。湿紙の乾燥の際に、ヤンキードライヤー等の熱ロールに密着させて熱圧乾燥させることによって、密着させた面の平滑性が向上する。熱圧乾燥とは、タッチロール等で熱ロールに湿紙を押しつけて乾燥させることを言う。熱ロールの表面温度は、１００〜１８０℃が好ましく、１００〜１６０℃がより好ましく、１１０〜１６０℃がさらに好ましい。圧力は、好ましくは５０〜１０００Ｎ／ｃｍであり、より好ましくは１００〜８００Ｎ／ｃｍである。
【００２９】
本発明の炭素繊維不織布の製造方法について、図１を例にして具体的に説明する。図１は円網抄紙機の一部であるフォーマー部、ワイヤーパート及びプレス部等を示している。
【００３０】
本発明の炭素繊維不織布の製造方法では、フォーマーインレット１から原料スラリーが円網２に供給され、円網上に抄き上げられた炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含有する湿紙がクーチロール３と接したフェルト６に転写される。フェルト上に転写された湿紙がクーチロール通過時に水滴供給装置４から湿紙に対して水滴を噴霧し、湿紙とフェルトを密着させた後、フェルトと共に搬送し、プレス部８のプレスロール７等で脱水し、湿紙の水分量を適宜調整した後、ドライヤーで乾燥して炭素繊維不織布を製造する。
【００３１】
本発明の製造方法においてクーチロール通過時とは、フェルトが円筒状のクーチロールの胴面に接している間である。炭素繊維不織布の抄造において、炭素繊維を主として含有する湿紙は、柔軟性が低く、剛直性があり、工程中のフェルトの変曲点等で湿紙がフェルトの変曲に追随できず、湿紙とフェルトの間に空隙が生じやすく、これが原因となって、シワや切れ目の発生、更にはシートの切断が発生する場合がある。本発明の製造方法により、クーチロール通過時の湿紙に水滴を噴霧し水分を供給することにより、フェルトと湿紙の密着性が向上し、これらの不具合を改善することができる。水滴の水量は、湿紙１平方メートルあたり、０．２Ｌ以上２．５Ｌ以下であり、より好ましくは、０．８Ｌ以上２．０Ｌ以下である。水滴の水量が湿紙１平方メートルあたり、０．２Ｌ未満では、フェルトと湿紙の密着性が不十分となり、一方、２．５Ｌを超えると、紙層に不具合が発生しやすくなり、地合が悪化する。水滴の供給装置としては、微細化した水滴を供給できるスプレーノズルを湿紙の抄紙幅に合わせて１つ又は複数設置することが望ましい。スプレーノズルとしては、ノズルから円錐状に水滴が噴霧されるものや、ノズルから扇形に水滴が噴霧されるものが使用できる。水滴を供給する角度としては、噴霧される水滴の中心線と湿紙との接触点におけるクーチロールの接線とが成す角度が９０度以下であることが好ましい。ただし、この角度は水滴が供給される前の方向に伸ばした接線と噴霧される水滴の中心線が成す角度である。水滴供給装置と湿紙との距離は、５０ｍｍ以上６００ｍｍ以下が好ましい。本発明の製造方法においては、水滴の平均粒子径は４００μｍ以下であることが好ましい。水滴の平均粒子径は、液浸法やレーザー回折法等により測定できるが、本発明においては、液浸法により測定した平均粒子径を示している。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。
【００３３】
表１記載の「繊維配合」で原料繊維を水中に加え、パルパーを使用して濃度１．０質量％で５分間分散処理してスラリーとし、水を加えて分散濃度０．２質量％の抄紙用スラリーとした。この抄紙用スラリーをフォーマーインレットから供給し、９０メッシュの金属ワイヤーを有した円網で抄き上げ、炭素繊維と熱可塑性樹脂繊維を含有する湿紙を形成し、クーチロールと接したフェルト上に湿紙を転写させた後、クーチロール通過時の湿紙に、表１記載の「水滴供給条件」で水滴供給装置から水滴を噴霧した後、プレスロールで加圧脱水して湿紙の水分を調整し、表面温度１５０℃のヤンキードライヤーで乾燥し、巻長さ１００ｍ、平均目付５０ｇ／ｍ２の実施例１〜６及び比較例１〜３の炭素繊維不織布を作製した。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
「炭素繊維」：Ｚｏｌｔｅｋ社製ＰＡＮ系炭素繊維、繊維径９μｍ、繊維長６ｍｍ
「ＰＰ／ＰＥ芯鞘繊維」：ポリプロピレン／ポリエチレン芯鞘繊維、繊維径１０μｍ、繊維長５ｍｍ（鞘部のポリエチレンの融点１３０℃）
「ＰＶＡ繊維」：ポリビニルアルコール（ビニロン）繊維、繊維径１１μｍ、繊維長３ｍｍ（水中溶解温度７０℃）
「フィブリル化セルロース繊維」：ダイセルファインケム社製「セリッシュ（登録商標）ＫＹ−１００Ｇ」
【００３６】
実施例及び比較例で製造した炭素繊維不織布に対して、以下の評価を行い、結果を表２に示した。
【００３７】
（抄造性の評価）
炭素繊維不織布の抄紙１００ｍ中で発生したシート中のシワ、切れ目の数を確認し、結果を表２に示した。また１００ｍの抄紙中に発生したシートの切断回数を表２に示した。
【００３８】
（不織布の地合の評価）
幅方向４００ｍｍ×流れ方向５００ｍｍの炭素繊維不織布を採取して、炭素繊維不織布を透過光で観察した場合の地合及び炭素繊維不織布の表面の状態を下記の基準に従って目視評価を実施した。ここで地合ムラとは、不織布を透過光で観察した場合に濃淡差が生じる部分があることを示す。
【００３９】
「◎」：炭素繊維不織布の表面に筋や凹凸が見られず、透過光で観察した場合に、地合ムラが全く無く均一で非常に良好である。
「○」：炭素繊維不織布の表面に若干筋や凹凸が見られるが、透過光で観察した場合に、地合ムラが殆ど無く均一で良好である。
「△」：炭素繊維不織布の表面に筋や凹凸が見られ、透過光で観察した場合に、地合ムラがやや多く見られあまり良くない。
「×」：炭素繊維不織布の表面に凹凸と筋が多数見られ、透過光で観察した場合に、地合ムラが多く見られ悪い。
【００４０】
【表２】
2020050984.tif 000003
【００４１】
実施例の製造方法を実施することにより、炭素繊維不織布の抄造時にシワや切れ目の発生を低減し、シートの切断が発生することなく連続抄紙が可能となり優れている。
【００４２】
実施例１と比較例１を比較すると、クーチロール通過時に水滴を噴霧していない比較例１では、炭素繊維不織布中にシワや切れ目が多数発生し、更には抄造中にシートの切断が複数発生し、抄造性が大きく劣っている。
【００４３】
実施例１と比較例２を比較すると、比較例２ではクーチロール通過時に水滴を噴霧しているが、必要な噴霧水量に満たないため、比較例１よりは少ないものの、炭素繊維不織布中にシワや切れ目が多数発生し、更には抄造中にシートの切断も発生し、抄造性が劣っている。
【００４４】
実施例４と比較例３を比較すると、比較例３ではクーチロール通過時に水滴を噴霧しているが、噴霧水量が多すぎるため、実施例４に比べ、シワや切れ目の発生が多く、シートの切断は抑制できているものの、得られた炭素繊維不織布の地合は大幅に劣っている。
【００４５】
実施例１と実施例２を比較すると、フィブリル化セルロース繊維を含有する実施例２の方が、炭素繊維及び熱可塑性樹脂繊維との相互作用が強まっているためか、シワや切れ目の発生が少なく好ましい。
【００４６】
実施例２と実施例３を比較すると、クーチロール通過時の水滴噴霧水量がより好ましい範囲になる実施例３の方が、シワの発生がなく、地合も良好でより優れている。
【００４７】
実施例４と実施例５を比較すると、クーチロール通過時の水滴噴霧水量がより好ましい範囲にある実施例４の方が、シワの発生がなく、地合も良好でより優れている。
【００４８】
実施例５と実施例６を比較すると、クーチロール通過時に噴霧される水滴の平均粒子径がより好ましい範囲にある実施例５の方が、シワや切れ目の発生が少なく、地合も良好で優れている。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の炭素繊維不織布の製造方法で得られた炭素繊維不織布は、電子機器材料、電気機器材料、土木材料、建築材料、自動車材料、航空機材料、各種製造業で使用されるロボット、ロール等の製造部品等に利用可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１  フォーマーインレット
２  円網
３  クーチロール
４  水滴供給装置
５  ワイヤーパートのフォーマー部
６  フェルト
７  プレスロール
８  プレス部
【図１】
2020050984.tif 000004