(57)【要約】【課題】  従来のＳＭＣの製造方法の問題点を解消し、機械的強度と場所による強度むらを・表面の平滑性ともに満足できるレベルのＳＭＣを得ることのできるＳＭＣの製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】  複数の、それぞれ収束性が付与された炭素繊維束が引き揃えることなく単一のボビンに巻き取られてなる複数炭素繊維束巻取体から複数炭素繊維束が引き出され、ロービングカッターで切断されると同時に炭素繊維束ごとに分割され、切断された炭素繊維束と樹脂組成物とを混合、シート化するシートモールディングコンパウンドの製造方法である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の、それぞれ収束性が付与された炭素繊維束が引き揃えることなく単一のボビンに巻き取られてなる複数炭素繊維束巻取体から複数炭素繊維束が引き出され、ロービングカッターで切断されると同時に炭素繊維束ごとに分割され、切断された炭素繊維束と樹脂組成物とを混合、シート化するシートモールディングコンパウンドの製造方法。
【請求項２】
複数の、それぞれ収束性が付与された炭素繊維束が、互いに並列に配置されていて、かつ単一のボビンに巻き取られてなる複数炭素繊維束巻取体から複数炭素繊維束が引き出され、ロービングカッターで切断されると同時に炭素繊維束ごとに分割され、切断された炭素繊維束と樹脂組成物とを混合、シート化するシートモールディングコンパウンドの製造方法。
【請求項３】
互いに隣接する前記炭素繊維束同士が、サイズ剤によって接着されている、請求項２に記載の、シートモールディングコンパウンドの製造方法。
【請求項４】
ロービングカッターとして、ゴムロールと周面にカッターを配したカッターロールとの間に被切断物を挟んで切断するロービングカッターを用いる請求項１〜３のいずれか１項記載のシートモールディングコンパウンドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シートモールディングコンパウンドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シートモールディングコンパウンド（以下、ＳＭＣという。）は、金型内で加熱加圧されると、補強繊維と樹脂組成物とが一体として流動してキャビティを充填するので、部分的に肉厚の異なるもの、リブ・ボスを有するものなど各種形状の成形品を得るのに有利な中間材料である。
【０００３】
一方、ＳＭＣ中の強化繊維は繊維長が短く、その配向がランダムであることから、機械的強度を高くできないという欠点があった。さらに、機械的強度は場所によるむらが大きいという欠点があった。
【０００４】
非特許文献１には、炭素繊維ストランドのフィラメント数が増えるほど、ＳＭＣ成形品の強度と弾性率が低下することが示されている。
【０００５】
そこで、太物ストランドを細く分割して使用する検討がなされている。特許文献１には、スプリットトウという表現でフィラメント数が４８０００（４８Ｋ）の炭素繊維ストランドを、頂部（ｃｒｏｗｎ）のある拡幅棒（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ  ｂａｒ）と溝（ｇｒｏｏｖｅ）付きの分割棒（ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  ｂａｒ）を通過させることで、フィラメント数が数千単位の細い炭素繊維ストランドに分割する装置が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、連続した炭素繊維ストランドに張力をかけながら連続走行させ走行途中に配した拡幅冶具で該炭素繊維ストランドを拡幅すると同時に、または、拡幅した後、拡幅状態の炭素繊維繊維ストランドを、該炭素繊維ストランドの走行方向と平行に回転する切断刃により一部の炭素繊維フィラメントを切断する炭素繊維ストランドの分割方法が開示されている。
【０００７】
通常、炭素繊維ストランド中の炭素繊維フィラメント同士の位置関係は一定ではない。すなわち、炭素繊維ストランド中の炭素繊維フィラメントの一本を長手方向にトレースしていくと、炭素繊維ストランドの外側の見える部分にきたり、炭素繊維ストランドの内部の外からは見えない箇所に入り込んだり、また左右に振れたり、螺旋状になっていたりする。このため、特許文献１のように、太物ストランドを溝付きの棒／ロールを通過させて分割するという方法では、連続処理する炭素繊維のストランド長が長いと、次第に炭素繊維ストランドが回転し、撚りが溜まって、炭素繊維ストランドを巻き取ることができなくなったり、撚りによって炭素繊維ストランドが切断されたりして分割できなくなる。溜まった撚りを取り除くためには、装置を停機させなければならず、連続生産が出来ないという問題があった。
【０００８】
また、炭素繊維ストランドの走行方向と平行に回転する切断刃により一部の炭素繊維フィラメントを切断すると、毛羽立ち、繊維の切断等が生じ、炭素繊維束の品質が低下し、ＳＭＣ成形品の機械的強度が低下する欠点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６３８５８２８号明細書
【特許文献２】特開２００６−２１９７８０号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｎ．  Ｔｓｕｃｈｉｙａｍａ，  “Ｔｈｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  ＳＭＣ”，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｆｏｕｒｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  （ＩＣＣＭ−ＩＶ），  １９８２，  ｐ．４９７−５０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した従来の問題点を解消し、機械的強度と場所による強度むらを満足できるレベルのＳＭＣを得ることのできるＳＭＣの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の要旨は、複数の、それぞれ収束性が付与された炭素繊維束が引き揃えることなく単一のボビンに巻き取られてなる複数炭素繊維束巻取体から複数炭素繊維束が引き出され、ロービングカッターで切断されると同時に炭素繊維束ごとに分割され、切断された炭素繊維束と樹脂組成物とを混合、シート化するシートモールディングコンパウンドの製造方法である。
【００１３】
また、本発明の第２要旨は、複数の、それぞれ収束性が付与された炭素繊維束が、互いに並列に配置されていて、かつ単一のボビンに巻き取られてなる複数炭素繊維束巻取体から複数炭素繊維束が引き出され、ロービングカッターで切断されると同時に炭素繊維束ごとに分割され、切断された炭素繊維束と樹脂組成物とを混合、シート化するシートモールディングコンパウンドの製造方法である。
【００１４】
これらの発明において、互いに隣接する前記炭素繊維束同士が、サイズ剤によって接着されていること、ロービングカッターとして、ゴムロールと周面にカッターを配したカッターロールとの間に被切断物を挟んで切断するロービングカッターを用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に従う特定の複数炭素繊維束巻取体を選択することにより、複数炭素繊維束から各炭素繊維束への切断と同時に分繊が可能となる。これにより、複数の炭素繊維前駆体繊維束を焼成して得られた複数炭素繊維束をそのまま単一のボビンに巻き取ることができ、炭素繊維束巻取りのためのワインダー及びボビン等の新たな設備投資が不要となるばかりか、ＳＭＣ製造の際のクリール数を減らすことができる。
【００１６】
特に、本出願人の出願に係る特開２００２−２００３７号公報、同２００２−２５５４４８号公報に記載の炭素繊維前駆体繊維束の巻取体を使用することにより、「単一のボビンに巻かれた前駆体繊維束→焼成工程→単一のボビンに巻かれた炭素繊維束」という一連の流れを形成するため、従来の焼成装置をそのまま流用することができる。
【００１７】
また、単一のボビンから多数の炭素繊維束を任意の速度で引き出してそのまま使用することもできるので、炭素繊維分割装置を別途準備して炭素繊維束を分割しておく必要がなく、工程の省略、設備コストの削減を図ることができる。別途炭素繊維分割装置を使用する場合であっても、高速で分割することが可能であるため、数台の分繊装置を有効に使用して効率よく分割することができる。さらに、全体として工程数を削減できるため、炭素繊維束の品質向上も期待できる。
【００１８】
さらに本発明により得られるＳＭＣは、機械的強度と場所による強度むらを満足できるレベルのものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】複数の、それぞれ収束性が付与された炭素繊維束が引き揃えることなく単一のボビンに巻き取られてなる複数炭素繊維束巻取体の概念図
【図２】複数の、それぞれ収束性が付与された炭素繊維束が引き揃えることなく単一のボビンに巻き取られてなる複数炭素繊維束巻取体の概念図
【図３】図２の巻き取られている複数炭素繊維の拡大図
【図４】シートモールディングコンパウンド（ＳＭＣ）の製造装置の概念図
【図５】ロービングカッターの装置の概念図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明について、詳細に説明する。
＜複数炭素繊維束巻取体＞
本発明では、複数の、それぞれ収束性が付与された炭素繊維束が引き揃えることなく単一のボビンに巻き取られてなる複数炭素繊維束巻取体を用いることが重要である。
【００２１】
この複数炭素繊維束巻取体は、本出願人の出願に係る特開２００２−２５５４４８号公報に記載の複数炭素繊維束巻取体を使用することができる。
【００２２】
本発明で使用する複数炭素繊維束巻取体の一実施形態を、添付図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態における複数炭素繊維束巻取体１は、炭素繊維束４が、単一のボビン２に巻き取られてなるものである。
【００２３】
炭素繊維束４は、５００〜２４０００本、好ましくは、１０００〜８０００本の炭素繊維フィラメントからなる。本発明における炭素繊維束は、通常、ポリアクリロニトリル、ピッチおよびセルロース等の炭素繊維前駆体束を焼成して得られる既存の炭素繊維束が使用できる。さらに、本実施形態の炭素繊維束４は、収束性が付与されたものである。ここで、「収束性が付与された」とは、炭素繊維束がそれを構成する本数毎にばらけることなく、まとまっている状態をいう。例えば３０００本の炭素繊維に収束性を付与することにより、１本のまとまりある繊維形態を形成する。
【００２４】
収束性を付与することにより、毛羽の発生やロールへの巻付き等を防止し、焼成工程通過性や後述の分繊工程通過性を改善するという利点が生ずる。収束性を付与する手段としては、例えば、気体交絡処理、ニードルパンチ処理等のフィラメント同士を交絡させる手段及び仮撚り等による手段等、公知の手段を用いることができる。好ましくは、８０〜６５０ｋＰａの気体圧力で気体交絡処理を行うことが、十分な収束性の付与、及び炭素繊維束の毛羽発生防止のためには好適である。
【００２５】
本発明における複数炭素繊維束巻取体の実施形態としては、図１に示すように、少なくとも２本、好ましくは、２〜６本の炭素繊維束４を、引き揃えることなく単一のボビン２に巻き取られたものであってもよい。ここで、「引き揃えることなく」とは、図１に示すように、各炭素繊維束が互いに重なり合うことなく、互いに並列に独立して存在していることを意味する。従って、複数の炭素繊維束を並列又は上下に重ね合わせ、任意に撚りをかけたり、交絡させたりして、これら炭素繊維束を１本のまとまりある炭素繊維糸条とする「合糸」とは異なる状態である。
【００２６】
このように複数炭素繊維束を巻き取ることにより、後述する分繊装置で各炭素繊維束に分割する際、毛羽立ち及び繊維の切断を抑えつつ、任意の速度で分割することができる。また、本発明における複数炭素繊維巻取体の実施形態としては、図２に示すように、少なくとも２本、好ましくは、２〜６本の炭素繊維束４を、互いに並列に配置した状態を保持したまま単一のボビン２に巻き取られたものであってもよい。ここで、「互いに並列に配置した」とは、図２に示すように、各炭素繊維束が互いに重なり合うことなく、互いに並列に隣接して存在していることを意味する。例えば、２本の炭素繊維束４は、上下に重ね合わせることなく、互いに隙間なく並列に配列される。このように複数炭素繊維束を巻き取ることにより、後述するロービングカッターで所望の長さに切断する際、毛羽立ち及び繊維の破損を抑えつつ、通常のロービングカッターの運転速度で切断・分割することができる。
【００２７】
さらに、炭素繊維束４は、図２における複数炭素繊維束３の先端部の拡大図である図３に示すように、互いに隣接する炭素繊維束４同士が、隣接面５でサイズ剤によって接着されていることが好ましい。単に複数の炭素繊維束を巻き取るのみでは、複数炭素繊維束巻取体に巻き取られた炭素繊維束がばらけてしまい、取扱いが不便だからである。サイズ剤による接着は、例えば、２本の炭素繊維束前駆体を互いに並列に配置された状態で焼成し、乾燥し、得られた２本の炭素繊維束を、並列に配置した状態を保持しつつサイズ剤溶液に浸し、乾燥することにより行われる。これにより、炭素繊維束４に含まれるフィラメント同士がサイズ剤により接着されると共に、隣接する炭素繊維束４同士も隣接面５において接着される。ここで使用されるサイズ剤としては特に限定はしないが、例えば、エポキシ系、ウレタン系、エステル系及びそれらの混合系等を主成分としたものを使用できる。水に不溶な化合物からなるサイズ剤溶液を調製する際には、分散の安定性のため、界面活性剤を利用することが好ましい。ここで使用される界面活性剤としては、ノニオン系、カチオン系及びアニオン系等のいずれのものも用いることができる。また、脂肪酸エチレンオキシド付加物等の柔軟剤を配合することにより、分繊性の点でより優れた炭素繊維にすることができる。なお、このときに添加する柔軟剤としては、水溶性タイプのものを選択することが好ましい。複数炭素繊維束３を、並列に配置した状態を保持したまま、ボビン２に巻き取ることによって、本発明の一実施形態である複数炭素繊維束巻取体１が得られる。
【００２８】
ボビン２への巻取り方法としては、例えば、いわゆるチーズ巻き、パーン巻き、コーン巻き等、公知の巻取り方法を使用し得る。ボビン２は、いかなる材料から形成されてもよいが、紙、プラスチック、金属が好ましい。ボビン２の形状は、炭素繊維束４を巻き取るのに適していれば、いかなる公知の形状であってもよい。例えば円筒形のような形状のボビンを使用し得る。ボビン２の大きさは、その形状にもよるが、例えば円筒形ボビンの場合、外径６０〜２１０ｍｍ、内径５０〜２００ｍｍ、長さ１５０〜１０００ｍｍである。このようなボビンに複数炭素繊維束を、例えば５００〜２００００ｍ、好ましくは、８００〜１２０００ｍ巻き取る。得られた複数炭素繊維束巻取体の大きさは、巻取り回数、ボビンの形状にもよるが、例えば、直径７０〜１０００ｍｍ、幅１５０〜１０００ｍｍである。
【００２９】
＜シートモールディングコンパウンドの製造装置＞
本発明に好適に使用可能なシートモールディングコンパウンドの製造装置の一実施形態を図４により説明する。シートモールディングコンパウンドの製造装置１００は、
複数炭素繊維束巻取体を回転自在に保持するクリール（図示していない）、
引き出された複数炭素繊維束１を所望の繊維長に切断するロービングカッター３１、
上下フィルムを巻きだす巻き出し機２１、
樹脂組成物１１を所望の厚みでフィルム上に塗布するドターブレイド１２、
樹脂組成物を炭素繊維束に含浸するために押圧を加えるローラー群２４、
含浸途中のシートモールディングコンパウンドを移送するメッシュベルト２２、および、含浸が完了した）シートモールディングコンパウンドを巻き取る巻取り機２５からなる。
【００３０】
＜ロービングカッター＞
本発明に使用するロービングカッターの一実施形態を、図面を参照して説明する。図４及び図５に示すように、本実施形態のロービングカッター３１は、ゴムローラー３２とカッターローラー３３とからなる。さらにカッターローラーには、その周面に所望のカット長だけ離して刃３４が設けられている。
【００３１】
本発明のシートモールディングコンパウンドの製造方法では、炭素繊維束として、複数の、それぞれ収束性が付与された炭素繊維束が引き揃えることなく単一のボビンに巻き取られてなる複数炭素繊維束巻取体から複数炭素繊維束を引き出すことにより、ロービングカッターで切断されると同時に炭素繊維束ごとに容易に剥離し、炭素繊維束毎の分割を円滑かつ連続的に行うことができる。
（実施例）
以下、実施例をあげて本発明の効果を具体的に説明する。
【００３２】
＜複数炭素繊維束巻取体１＞
ポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体３０００本に、空気交絡処理機を用いて収束性を付与し、炭素繊維前駆体束を得た。
【００３３】
この炭素繊維前駆体束を２３０〜２７０℃の空気中で４５分間耐炎化処理を行い、続いて１４００℃で１分間炭素化処理を施した。得られた炭素繊維束を、エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン株式会社製、ｊＥＲ８２８)８０部をノニオン系乳化剤２０部で乳化したエポキシ系サイズ剤溶液に浸し、その後乾燥した。
【００３４】
この炭素繊維束の目付は、２０００ｄｔｅｘであった。得られた炭素繊維束４本を引き揃えることなく独立してかつ同一速度（１００ｍ／ｓ）で同時に引き出しながら、内径７６ｍｍ、外径８２ｍｍ、長さ２８０ｍｍの円筒形ボビンに巻き、複数炭素繊維束巻取体１を得た。
【００３５】
＜複数炭素繊維束巻取体２＞
ポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体３０００本を６０００本に替えた他は、＜複数炭素繊維束巻取体１＞と同様に操作し、得られた炭素繊維束２本を引き揃えることなく独立してかつ同一速度（１００ｍ／ｓ）で同時に引き出しながら、内径７６ｍｍ、外径８２ｍｍ、長さ２８０ｍｍの円筒形ボビンに巻き、複数炭素繊維束巻取体２を得た。
【００３６】
＜複数炭素繊維束巻取体３＞
得られた炭素繊維束８本を引き揃えることなく独立してかつ同一速度（１００ｍ／ｓ）で同時に引き出した他は、＜複数炭素繊維束巻取体２＞と同様に操作し、複数炭素繊維束巻取体３を得た。
【００３７】
＜樹脂組成物＞
表１に示した樹脂等をその配合量で加え、混合撹拌し、樹脂組成物を得た。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
＜平板状の成形板の成形＞
ＳＭＣを、成形用金型にチャージ率６５％（金型面積に対するＳＭＣの面積の割合）でチャージし、金型温度１４５℃、圧力８Ｍｐａの条件下で２分間加熱加圧硬化させ、厚さ２ｍｍ、３００ｍｍ角の平板状の成形板を得た。
【００４０】
＜成形板の機械物性測定＞
成形板より、長さ６０ｍｍ、幅２５ｍｍの曲げ強度試験片を切り出した。５ｋＮインストロン万能試験機を用い、Ｌ／Ｄ＝１６、クロスヘッド速度２．６ｍｍ／分で３点曲げ試験を実施し、曲げ強度を測定した。測定した試験片の数はｎ＝６とし、平均値を曲げ強度とした。さらに標準偏差を当該平均値で割って変動係数（ＣＶ（％））を求めた。
【実施例１】
【００４１】
図４に示したＳＭＣ製造装置を用い、複数炭素繊維束巻取体１と樹脂組成物を使用してシートモールディングコンパウンドを製造した。
【００４２】
このとき、上下のフィルム上の樹脂組成物の目付は、それぞれ６００ｇ／ｍ２になるように厚み調整を行い、複数炭素繊維束巻取体１をロービングカッター（カット長２５ｍｍ）に幅１ｃｍ当たりの本数を調整して、炭素繊維束の目付が１３５０ｇ／ｍ２になるように調整した。得られたＳＭＣ（炭素繊維含有量５３質量%）を２３℃にて２４時間静置したのち、上記条件で成型して平板状の成形板を得た。評価結果を表２に示した。
【実施例２】
【００４３】
複数炭素繊維束巻取体を複数炭素繊維束巻取体２に替えたほかは、実施例１と同様にしてＳＭＣおよび平板状の成形板を得た。評価結果を表２に示した。
【実施例３】
【００４４】
複数炭素繊維束巻取体を複数炭素繊維束巻取体３に替えたほかは、実施例１と同様にしてＳＭＣおよび平板状の成形板を得た。評価結果を表２に示した。
(比較例１)
【００４５】
フィラメント数が４８０００本（４８Ｋ）の単一炭素繊維束巻取体を用いるほかは、実施例１と同様にしてＳＭＣおよび平板状の成形板を得た。評価結果を表２に示した。
(比較例２)
【００４６】
フィラメント数が１２０００本の単一炭素繊維束巻取体を用いるほかは、実施例１と同様にしてＳＭＣおよび平板状の成形板を得た。評価結果を表２に示した。
(比較例３)
【００４７】
フィラメント数が３０００本（３Ｋ）の単一炭素繊維束巻取体を用いるほかは、実施例１と同様にしてＳＭＣおよび平板状の成形板を得た。評価結果を表２に示した。
【００４８】
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、金型内で加熱加圧されると、補強繊維と樹脂組成物とが一体として流動してキャビティを充填するので、部分的に肉厚の異なるもの、リブ・ボスを有するものなど各種形状の成形品を得るのに有利な中間材料であるＳＭＣの製造方法に関する。
【符号の説明】
【００５０】
１    複数炭素繊維束巻取体
２    ボビン
３    複数炭素繊維束
４    炭素繊維束
１１    樹脂組成物
１２    ドクターブレード
２１    フィルム巻き出し機
２２    メッシュベルト
２４    ローラー群
２５    ＳＭＣ
３１    ロービングカッター
３２    ゴムローラー
３３    カッターローラー
３４    刃
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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