(57)【要約】【課題】引張弾性率に優れている炭素繊維複合材及び炭素繊維複合材の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る炭素繊維複合材は、炭素繊維と、該炭素繊維中に含浸されたポリプロピレンとを有する。該ポリプロピレンの結晶化率は６０％以上である。本発明に係る炭素繊維複合材の製造方法は、炭素繊維に、溶融したポリプロピレンを含浸させた後に冷却して、上記ポリプロピレンを結晶化させることで、上記炭素繊維と上記ポリプロピレンとの複合材を得る工程と、上記ポリプロピレンの融点以下の温度に、上記複合材を再加熱する工程と、上記複合材が再加熱されている状態で、上記ポリプロピレンに対して溶解可能な気体を、大気圧を超える圧力で上記複合材に作用させることで、上記ポリプロピレン中に上記気体を含有させて、上記炭素繊維複合材を得る工程とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維と、前記炭素繊維中に含浸されたポリプロピレンとを有し、
前記ポリプロピレンの結晶化率が６０％以上である、炭素繊維複合材。
【請求項２】
前記炭素繊維の形態が、繊維方向が一方向に揃えられた形態であるか、又は、繊維方向が第１の方向と前記第１の方向と直交する第２の方向とに揃えられた織物の形態である、請求項１に記載の炭素繊維複合材。
【請求項３】
前記炭素繊維の形態が、繊維方向が第１の方向と前記第１の方向と直交する第２の方向とに揃えられた織物の形態である、請求項２に記載の炭素繊維複合材。
【請求項４】
前記第１の方向と前記第２の方向とからそれぞれ４５°傾いた方向における引張試験において、２３℃での引張弾性率が３ＧＰａ以上であり、かつ２３℃での引張試験最大応力が４５ＭＰａ以上である、請求項３に記載の炭素繊維複合材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭素繊維複合材と、
前記炭素繊維複合材の一方の表面又は両方の表面に積層された不織布又は紙とを備える、積層体。
【請求項６】
炭素繊維に、溶融したポリプロピレンを含浸させた後に冷却して、前記ポリプロピレンを結晶化させることで、前記炭素繊維と前記ポリプロピレンとの複合材を得る工程と、
前記ポリプロピレンの融点をＴｍ℃としたときに、（Ｔｍ−５）℃以下の温度に、前記複合材を再加熱する工程と、
前記複合材が再加熱されている状態で、前記ポリプロピレンに対して溶解可能な気体を、大気圧を超える圧力で前記複合材に作用させることで、前記ポリプロピレン中に前記気体を含有させる工程とを備え、
前記炭素繊維と前記炭素繊維中に含浸されたポリプロピレンとを有し、前記ポリプロピレンの結晶化率が６０％以上である炭素繊維複合材を得る、炭素繊維複合材の製造方法。
【請求項７】
前記ポリプロピレンの融点をＴｍ℃としたときに、（Ｔｍ−４０）℃以上、（Ｔｍ−５）℃以下の温度に、前記複合材を再加熱する、請求項６に記載の炭素繊維複合材の製造方法。
【請求項８】
前記気体が、不活性気体、有機溶剤又は二酸化炭素である、請求項６又は７に記載の炭素繊維複合材の製造方法。
【請求項９】
前記気体を、０．５ＭＰａ以上の圧力で、前記複合材に作用させる、請求項６〜８のいずれか１項に記載の炭素繊維複合材の製造方法。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか１項に記載の炭素繊維複合材の製造方法により得られる炭素繊維複合材と、
前記炭素繊維複合材の一方の表面又は両方の表面に積層された不織布又は紙とを備える、積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維中に樹脂が含浸されている炭素繊維複合材及び炭素繊維複合材の製造方法に関する。また、本発明は、上記炭素繊維複合材を用いた積層体に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱硬化樹脂や熱可塑性樹脂等のマトリクス樹脂を炭素繊維で補強した炭素繊維複合材は、引張弾性率や引張強度に優れている。このため、上記炭素繊維複合材は、スポーツ、レジャー及び航空宇宙に用いられる各種の物品や風力発電の翼等に用いられている。
【０００３】
上記炭素繊維複合材の引張弾性率や引張強度等の機械的特性は、炭素繊維の物性のみで決まらず、マトリクス樹脂の物性にも大きな影響を受ける。従来、マトリクス樹脂が熱硬化樹脂である場合には、エポキシ樹脂やビニルエステル樹脂等の比較的高い機械的物性を有する樹脂が用いられており、マトリクス樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、ナイロン樹脂やポリカーボネート樹脂等が用いられている。
【０００４】
しかしながら、マトリクス樹脂として、ポリプロピレンを使用したいという強い要望がある。この理由の１つとして、上述した樹脂の比重がいずれも、１．１ｇ／ｃｃ以上であるのに対して、ポリプロピレンの比重は約０．９ｇ／ｃｃであり、ポリプロピレンの比重が極端に小さいことが挙げられる。すなわち、ポリプロピレンを用いることで、上記炭素繊維複合材を軽量化できる。
【０００５】
しかしながら、上述した樹脂の弾性率がいずれも２ＧＰａ以上であるのに対して、ポリプロピレンの弾性率は一般に１〜２ＧＰａ程度であり、ポリプロピレンの弾性率は低いという問題がある。ポリプロピレンを用いた上記炭素繊維複合材は、強度不足を理由として、さほど実用化されていない。
【０００６】
一方で、ポリプロピレンを用いた上記炭素繊維複合材の研究は広く行われている。しかしながら、公開されている特許文献では、酸変性技術などを利用して、ポリプロピレンと炭素繊維との接着性の改善を目的としていることが多い。すなわち、公開されている特許文献の中で、ポリプロピレン自体の物性に着目した文献は少ない。
【０００７】
ポリプロピレン自体の物性に着目した数少ない文献として、下記の特許文献１には、単独重合体部分のアイソタクチックペンンタッド分率が９８％以上であり、共重合体部分のピロピレン含量が３０〜６５重量％、重量平均分子量が４０万以上であるポリプロピレンブロック共重合体と、無機フィラーと、炭素繊維とを含む炭素繊維複合材が開示されている。特許文献１では、単独重合体部分のアイソタクチックペンタッド分率を９８％以上にする理由として、「アイソタクチックペンタッド分率が９８．０％未満の場合、単純な立体規則性に起因する剛性の低下を示すだけでなく、炭素繊維や無機フィラーとポリプロピレンが接触する界面における剛直性が低下し、後述の炭素繊維や無機フィラーの補強効果を組成物全体に反映しにくくなるため、結果として複合的に樹脂組成物の剛性や耐熱性が劣るため好ましくない。」旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２３２４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載されるような高い立体規則性を有するポリプロピレンを用いても、上記炭素繊維複合材の引張弾性率を十分に高くすることは困難である。さらに、このような高い立体規則性を有するポリプロピレンは、高価であることなどから、実際にはほとんど用いられていない。
【００１０】
本発明の目的は、引張弾性率に優れている炭素繊維複合材及び炭素繊維複合材の製造方法、並びに上記炭素繊維複合材を用いた積層体を提供することである。
【００１１】
本発明の限定的な目的は、一般に市販されるポリプロピレンを用いても、炭素繊維複合材を作製する際の成形方法を工夫することで、ポリプロピレンに起因して引張弾性率を高めることができる炭素繊維複合材及び炭素繊維複合材の製造方法、並びに上記炭素繊維複合材を用いた積層体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の広い局面によれば、炭素繊維と、前記炭素繊維中に含浸されたポリプロピレンとを有し、前記ポリプロピレンの結晶化率が６０％以上である、炭素繊維複合材が提供される。
【００１３】
本発明に係る炭素繊維複合材のある特定の局面では、前記炭素繊維の形態が、繊維方向が一方向に揃えられた形態であるか、又は、繊維方向が第１の方向と前記第１の方向と直交する第２の方向とに揃えられた織物の形態である。
【００１４】
本発明に係る炭素繊維複合材のある特定の局面では、前記炭素繊維の形態が、繊維方向が第１の方向と前記第１の方向と直交する第２の方向とに揃えられた織物の形態である。
【００１５】
本発明に係る炭素繊維複合材のある特定の局面では、前記第１の方向及び前記第２の方向とからそれぞれ４５°傾いた方向における引張試験において、２３℃での引張弾性率が３ＧＰａ以上であり、かつ２３℃での引張試験最大応力が４５ＭＰａ以上である。
【００１６】
本発明の広い局面によれば、上述した炭素繊維複合材と、前記炭素繊維複合材の一方の表面又は両方の表面に積層された不織布又は紙とを備える、積層体が提供される。
【００１７】
本発明の広い局面によれば、炭素繊維に、溶融したポリプロピレンを含浸させた後に冷却して、前記ポリプロピレンを結晶化させることで、前記炭素繊維と前記ポリプロピレンとの複合材を得る工程と、前記ポリプロピレンの融点をＴｍ℃としたときに、（Ｔｍ−５）℃以下の温度に、前記複合材を再加熱する工程と、前記複合材が再加熱されている状態で、前記ポリプロピレンに対して溶解可能な気体を、大気圧を超える圧力で前記複合材に作用させることで、前記ポリプロピレン中に前記気体を含有させる工程とを備え、前記炭素繊維と前記炭素繊維中に含浸されたポリプロピレンとを有し、前記ポリプロピレンの結晶化率が６０％以上である炭素繊維複合材を得る、炭素繊維複合材の製造方法が提供される。
【００１８】
本発明に係る炭素繊維複合材の製造方法のある特定の局面では、前記ポリプロピレンの融点をＴｍ℃としたときに、（Ｔｍ−４０）℃以上、（Ｔｍ−５）℃以下の温度に、前記複合材を再加熱する。
【００１９】
本発明に係る炭素繊維複合材の製造方法のある特定の局面では、前記気体が、不活性気体、有機溶剤又は二酸化炭素である。
【００２０】
本発明に係る炭素繊維複合材の製造方法のある特定の局面では、前記気体を、０．５ＭＰａ以上の圧力で前記複合材に作用させる。
【００２１】
本発明の広い局面によれば、上述した炭素繊維複合材の製造方法により得られる炭素繊維複合材と、前記炭素繊維複合材の一方の表面又は両方の表面に積層された不織布又は紙とを備える、積層体が提供される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る炭素繊維複合材は、炭素繊維と該炭素繊維中に含浸されたポリプロピレンとを有し、上記ポリプロピレンの結晶化率が６０％以上であるので、引張弾性率を高めることができる。
【００２３】
本発明に係る炭素繊維複合材の製造方法は、炭素繊維に、溶融したポリプロピレンを含浸させた後に冷却して、上記ポリプロピレンを結晶化させることで、上記炭素繊維と上記ポリプロピレンとの複合材を得る工程と、上記ポリプロピレンの融点以下の温度に、上記複合材を再加熱する工程と、上記複合材が再加熱されている状態で、上記ポリプロピレンに対して溶解可能な気体を、大気圧を超える圧力で上記複合材に作用させることで、上記ポリプロピレン中に上記気体を含有させる工程とを備えており、更に上記炭素繊維と該炭素繊維中に含浸されたポリプロピレンとを有し、上記ポリプロピレンの結晶化率が６０％以上である炭素繊維複合材を得るので、得られる炭素繊維複合材の引張弾性率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る積層体を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の詳細を説明する。
【００２６】
本発明に係る炭素繊維複合材は、炭素繊維と該炭素繊維中に含浸されたポリプロピレンとを有する。上記炭素繊維中に含浸されている上記ポリプロピレンの結晶化率は６０％以上である。
【００２７】
本発明に係る炭素繊維複合材の製造方法は、炭素繊維に、溶融したポリプロピレンを含浸させた後に冷却して、上記ポリプロピレンを結晶化させることで、上記炭素繊維と上記ポリプロピレンとの複合材を得る工程と、上記ポリプロピレンの融点をＴｍ℃としたときに、（Ｔｍ−５）℃以下の温度に、上記複合材を再加熱する工程と、上記複合材が再加熱されている状態で、上記ポリプロピレンに対して溶解可能な気体を、大気圧を超える圧力で上記複合材に作用させることで、上記ポリプロピレン中に上記気体を含有させる工程とを備える。上記再加熱する工程と、上記ポリプロピレン中に上記気体を含有させる工程とは、ポリプロピレンの高結晶化工程である。本発明に係る炭素繊維複合材の製造方法では、上記炭素繊維と該炭素繊維中に含浸されたポリプロピレンとを有し、上記ポリプロピレンの結晶化率が６０％以上である炭素繊維複合材を得る。
【００２８】
本発明における上述した構成の採用により、炭素繊維複合材の引張弾性率を高めることができる。また、本発明における上述した構成の採用により、引張試験最大応力を高めることもできる。すなわち、本発明では、上記炭素繊維複合材の剛性を高めることができる。本発明では、一般に市販されるポリプロピレンを用いても、炭素繊維複合材を作製する際の成形方法を工夫することで、ポリプロピレンに起因して、炭素繊維複合材の引張弾性率及び引張試験最大応力を高めることができる。
【００２９】
本発明では、従来採用されていなかった炭素繊維と結晶化率が６０％以上であるポリプロピレンとの組み合わせが初めて採用されており、それによって炭素繊維複合材の引張弾性率及び引張試験最大応力をかなり高めることができる。
【００３０】
本発明に係る積層体は、上述した炭素繊維複合材と、該炭素繊維複合材の一方の表面又は両方の表面に積層された不織布又は紙とを備える。不織布又は紙の積層は、上記炭素繊維と上記ポリプロピレンとの複合材を得る工程の前に行ってもよく、この工程中に行ってもよく、この工程の後に行ってもよい。不織布又は紙の積層は、上記再加熱する工程の前に行ってもよく、この工程中に行ってもよく、この工程の後に行ってもよい。不織布又は紙の積層は、上記ポリプロピレン中に上記気体を含有させる工程の前に行ってもよく、この工程中に行ってもよく、この工程の後に行ってもよい。但し、不織布又は紙の積層は、上記高結晶化工程の前に行うことが好ましい。
【００３１】
以下、本発明の具体的な実施形態及び実施例を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００３２】
図１（ａ）に、本発明の一実施形態に係る積層体を斜視図で示す。図１（ｂ）に、図１（ａ）に示すＸ−Ｘ線に沿う断面図を示す。
【００３３】
図１（ａ）及び（ｂ）に示す積層体１は、炭素繊維複合材２と、第１，第２の紙３，４とを備える。
【００３４】
炭素繊維複合材２は、炭素繊維と該炭素繊維中に含浸されたポリプロピレンとを有する。なお、図１（ａ）及び（ｂ）では、炭素繊維複合材２は略図で示されている。炭素繊維複合材２は、シートである。なお、本明細書において、シートには、フィルムが含まれる。
【００３５】
炭素繊維複合材２において、炭素繊維の形態は、繊維方向が第１の方向Ｄ１と第１の方向Ｄ１と直交する第２の方向Ｄ２とに揃えられた織物の形態である。炭素繊維複合材２において、炭素繊維の形態は、繊維方向が縦方向と横方向とに揃えられた織物の形態である。第１，第２の方向Ｄ１，Ｄ２は、炭素繊維複合材２の厚み方向と直交する方向である。炭素繊維の形態は、繊維方向が一方向に揃えられた形態であってもよい。例えば、炭素繊維の形態が、繊維方向が第１の方向のみに揃えられた形態であってもよく、繊維方向が第２の方向のみに揃えられた形態であってもよい。従って、上記炭素繊維の形態は、繊維方向が一方向に揃えられた形態であるか、又は、繊維方向が第１の方向と前記第１の方向と直交する第２の方向とに揃えられた織物の形態であることが好ましい。
【００３６】
積層体１は、炭素繊維複合材２の第１の表面２ａ（一方の表面）に積層された第１の紙３を有する。また、積層体１は、炭素繊維複合材２の第１の表面２ａとは反対の第２の表面２ｂ（他方の表面）に積層された第２の紙４を有する。第１，第２の紙３，４にかえて、不織布を用いてもよい。上記積層体は、一方の表面又は両方の表面に積層された不織布又は紙を有する。第１の表面２ａのみに紙又は不織布が積層されており、第２の表面２ｂに紙又は不織布が積層されていなくてもよい。
【００３７】
以下、上記炭素繊維複合材及び上記積層体を構成する各材料の詳細を説明する。
【００３８】
（炭素繊維）
上記炭素繊維は特に限定されない。上記炭素繊維として、ＰＡＮ系炭素繊維、ＰＩＴＣＨ系炭素繊維の双方を使用可能である。上記炭素繊維の形態についても特に限定されず、全ての形態を本発明で適用可能である。
【００３９】
上記炭素繊維の繊維径は、好ましくは４μｍ以上、好ましくは２０μｍ以下である。上記繊維の長さは特に限定されない。上記繊維径の長さに関しては、２ｍｍ以下に短く切断したミルドファイバーである炭素繊維や、３μｍ以上、３０ｍｍ以下の長さのチョップドストランド形状の炭素繊維や、連続繊維である炭素繊維を使用可能である。上記連続繊維のフィラメントに関しては、繊維の集合本数は、一般に３，０００本以上、８０，０００本以下である。フィラメントを縦及び横に織り込んだ炭素繊維（いわゆるカーボン繊維クロス）も使用可能である。また、織らずに、繊維方向が一方向に揃えられた炭素繊維（いわゆるＵＤ材）も、高い剛性を発現するために有用である。本発明では、予め、これらの炭素繊維とポリプロピレンとを複合化させる。
【００４０】
上記した炭素繊維の表面は、ポリプロピレンとの親和性を高める目的で、マレイン酸変性処理されていてもよい。上記マレイン酸変性処理には、マレイン酸変性用樹脂を用いることができ、上記炭素繊維の表面は、マレイン酸変性用樹脂で被覆されていてもよい。マレイン酸変性用樹脂としては、マレイン酸グラフトポリプロピレン、マレイン酸グラフトＳＥＢＳ樹脂等が挙げられる。
【００４１】
（マトリクス樹脂）
上記炭素繊維複合材は、マトリクス樹脂として、ポリプロピレンを有する。上記ポリプロピレンは、プロピレンを重合させた熱可塑性樹脂である。上記ポリプロピレンに関しては、立体規則性の違いにより、アイソタクチック、シンジオタクチック及びアタクチック等の違いがある。上記炭素繊維複合材の剛性をより一層高める観点から、上記ポリプロピレンは、アイソタクチックポリプロピレンであることが好ましい。
【００４２】
上記ポリプロピレンは、ポリプロピレンを含む重合成分を重合させることにより得られ、プロピレンに由来する構造単位を有する。上記ポリプロピレンとしては、ホモポリプロピレン、並びにプロピレンと他の重合成分（モノマーなど）との共重合体が挙げられる。プロピレンと他の重合成分との共重合体では、プロピレンが主成分として用いられ、共重合体を得るための重合成分の合計１００質量％中、プロピレンが５０質量％以上用いられ、好ましくは８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上、更に好ましくは９５質量％以上用いられる。従って、上記重合成分は、ポリプロピレン以外の化合物を含んでいてもよく、上記ポリプロピレンは、プロピレン以外の化合物に由来する構造単位を有していてもよい。
【００４３】
上記ポリプロピレン以外の化合物としては、α−オレフィンが挙げられる。該α−オレフィンとしては、エチレン、１−ブテン、１−ペンテン、１−ヘキセン、４−メチル−１−ペンテン、１−ヘプテン及び１−オクテン等が挙げられる。上記共重合体を得るための重合成分１００質量％中、上記α−オレフィンの含有量は、好ましくは２０質量％以下、より好ましくは１０質量％以下、更に好ましくは５質量％以下である。
【００４４】
上記プロピレンと他の重合成分との共重合体は、ブロック共重合体、ランダム共重合体及びランダムブロック共重合体等のいずれの形態であってもよい。
【００４５】
上記炭素樹脂中に上記ポリプロピレンを効率的に含浸させる観点からは、上記ポリプロピレンのＭＦＲ（メルトフローレート）は高い方が好ましい。上記ＭＦＲは分子量を反映する。上記炭素繊維中に上記ポリプロピレンを効率的に含浸させるために、各社が販売する射出グレードのポリプロピレンの中から選定して、ポリプロピレンを用いることが好ましい。
【００４６】
上記炭素繊維と上記ポリプロピレンとの複合材の作製方法は特に限定されず、一般的な方法を採用できる。この方法として、例えば、溶融させたポリプロピレンを、ダイ等を用いてシート状に押し出し、炭素繊維等へ積層し、積層物を加熱しながら圧縮することにより、溶融したポリプロピレンを、炭素繊維中に含浸させることができる。その後、冷却することで、シート状の上記複合材を容易に得ることができる。
【００４７】
上記炭素繊維複合材における上記炭素繊維と上記ポリプリピレンとの含有量は、上記炭素繊維の形態によって適宜変更可能である。上記炭素繊維と上記ポリプロピレンとの合計１００質量％中、上記炭素繊維の含有量は好ましくは３０質量％以上、好ましくは７０質量％以下であり、上記ポリプロピレンの含有量は好ましくは３０質量％以上、好ましくは７０質量％以下である。上記炭素繊維が例えば炭素繊維クロス（織物）である場合には、上記炭素繊維と上記ポリプロピレンとの含有量がそれぞれ、上記下限以上及び上記上限以下であることが特に好ましい。
【００４８】
（不織布又は布）
上記炭素繊維複合材の接着対象部材に対する接着性をより一層高める観点から、上記積層体は、上記炭素繊維複合材の一方の表面又は両方の表面に積層された不織布又は紙を有する。上記積層体は、両方の表面に積層された不織布又は紙を有することが好ましい。不織布を用いてもよく、紙を用いてもよい。不織布又は紙の使用により、接着剤を炭素繊維複合材の片面又は両面に塗布することが容易である。このため、上記炭素繊維複合材を接着対象部材に強固に接着可能になる。
【００４９】
本発明に係る炭素繊維複合材では、高い結晶化率によって高い剛性を発現させているために、使用時に結晶化率が低くならないように、使用時に結晶を溶かさないことが好ましい。すなわち、本発明に係る炭素繊維複合材を用いる際には、上記ポリプロピレンが溶融する温度以上（例えば、ポリプロプレンの融点（Ｔｍ℃）以上）に炭素繊維複合材を加熱して、融着などの処理を行わないことが好ましい。不織布又は紙の使用により、融着などの処理を行う必要がなくなり、ポリプロピレンに由来して接着が困難な炭素繊維複合材であっても、不織布又は紙を介して、炭素繊維複合材を接着対象部材に接着することが容易になる。ポリプロピレンが溶融する温度以上に加熱しなくても、ポリプロピレンの融点以上に加熱しなくても、接着対象部材に炭素繊維複合材を接着することが容易であることから、不織布又は紙を有する炭素繊維複合材の応用範囲は大きく拡がる。従って、本発明では、炭素繊維と結晶化率が６０％以上であるポリプロピレンとを組み合わせた炭素繊維複合材に、不織布又は紙を積層して積層体とすることには、大きな意味がある。
【００５０】
上記不織布は特に限定されない。上記不織布としては、セルロース等の天然繊維や、ポリエステル等の合成繊維等が挙げられる。上記不織布におけるフリースの形成方法は、乾式法、湿式法及びスパンボンド法等いずれも使用できる。上記不織布の繊維の結合方法も、ニードルパンチ法、水流絡合法及び接着剤法等いずれも使用できる。
【００５１】
繊維パルプを用いて、しょう紙法で得られるものは、一般に紙と呼ばれる。特に漂白等の処理をしていないクラフト紙は強度が高いため、このようなクラフト紙が好適に用いられる。上記紙は、クラフト紙であることが好ましい。
【００５２】
上記不織布又は上記紙の厚さは特に限定されない。上記不織布及び上記紙の厚さは、好ましくは０．０５ｍｍ以上、好ましくは０．２ｍｍ以下である。
【００５３】
上記した炭素繊維複合材の表面に不織布又は紙を積層する方法は、炭素繊維中に含浸されたポリプロピレンが溶融した状態で、炭素繊維複合材の一方の表面又は他方の表面に複合材に不織布又は紙を重ねて、ロール等を用いて、圧縮する方法等が挙げられる。複合材に上記不織布又は紙を重ねる前、重ねる際又は重ねた後に、炭素繊維中に含浸されたポリプロピレンを溶融させてもよい。不織布を用いた場合には、溶融したポリプロピレンが、不織布へ効率的に入りこみ、ポリプロピレンと不織布とが強固に接合する。
【００５４】
（炭素繊維複合材、炭素繊維複合材の製造方法及び積層体の他の詳細）
上記炭素繊維複合材を得るには、先ず、上記炭素繊維中に、上記ポリプロピレンを含浸させる。上記ポリプロピレンは、上記炭素繊維中に含有される。上記炭素繊維に溶融した上記ポリプロピレンを含浸させた後に、冷却して、上記ポリプロピレンを結晶化させる。この結果、上記炭素繊維と上記ポリプロピレンとの複合材を得る。
【００５５】
次に、上記ポリプロピレンの融点をＴｍ℃としたときに、（Ｔｍ−５）℃以下の温度に、上記炭素繊維と上記ポリプロピレンとの複合材を、再加熱する。上記ポリプロピレンが溶融しない温度に、上記複合材を再加熱することが好ましい。この再加熱は、結晶化したポリプロピレンの結晶を核として、結晶化をさらに進めるために行われる。結晶化をより一層効率的に進める観点からは、好ましくは（Ｔｍ−４０）℃以上の温度に、上記複合材を再加熱することが好ましい。
【００５６】
結晶化をより一層促進するために、上記複合材が再加熱されている状態で、上記ポリピロピレンに対して溶解可能な気体を、大気圧を超える圧力で上記複合材に作用させることで、上記ポリプロピレン中に上記気体を含有させることが好ましい。上記複合材に上記気体を作用させる際の温度は、好ましくは（Ｔｍ−４０）℃以上、（Ｔｍ−５）℃以下である。上記気体を、大気圧を超える圧力で上記複合材に作用させることで、上記ポリプロピレン中に上記気体が含有される。
【００５７】
上記再加熱の温度が（Ｔｍ−５）℃を超えると、気体の可塑化作用により、Ｔｍ℃以上に再加熱していなくてもポリプロピレン全体が溶融してしまうおそれがある。気体の可塑化作用に伴うポリプロピレンの溶融を抑制する観点から、上記再加熱の温度及び上記複合材に上記気体を作用させる際の温度は（Ｔｍ−５）℃以下である。上記再加熱の温度及び上記複合材に上記気体を作用させる際の温度が（Ｔｍ−４０）℃以上であると、結晶化がより一層促進され、結晶化の処理時間が短くなる。
【００５８】
上記ポリプロピレン中に上記気体を含有させることで、ポリプロピレンが可塑化される。可塑化により、融点以下の温度でも、ポリプロピレンの分子鎖の運動性が高くなり、結晶化が促進される。
【００５９】
上記ポリプロピレンに対して溶解可能な気体としては、不活性気体、有機溶剤、フロン及び二酸化炭素等が挙げられる。上記不活性気体としては、窒素及びアルゴン等が挙げられる。上記有機溶剤は、蒸気の状態で用いられる。上記気体は、不活性気体、有機溶剤又は二酸化炭素であることが好ましい。高い可塑化効果と安全性との観点から、二酸化炭素が特に適している。
【００６０】
上記気体を作用させる際の圧力は、好ましくは０．５ＭＰａ以上、好ましくは１００ＭＰａ以下である。上記圧力が０．５ＭＰａ以上であると、複合材に気体がより効率的に含有され、結果として、十分な量の気体がポリプロピレンに溶解し、可塑化効果が十分に高くなる。上記圧力が１００ＭＰａ以下であると、複雑な構造の高圧処理装置を用いる必要がなくなる。
【００６１】
上記複合材に上記気体を作用させる方法としては特に限定されない。この方法としては十分な耐圧性を有する金属製の容器に、上記複合材を入れた後に、容器を加熱して、適正な温度まで複合材の温度を上げた後に、上記気体を容器内へ圧入する方法が挙げられる。
【００６２】
上記複合材に上記気体を作用させる時間は特に限定されないが、処理効率を考慮すると、好ましくは１時間以上、好ましくは２４時間以下である。上記時間が１時間以上であると、結晶化が十分に進行し、結果として剛性がより一層高くなる。また、結晶化が進み結晶同士が接触するようになると、結晶化の進行が抑制される。従って、上記時間が２４時間以下であると、結晶化に要する加熱エネルギーを節約できる。
【００６３】
高結晶化処理の後に、圧力を直ぐに開放すると、ポリプロピレン内部に気泡等が発生するおそれがある。このため、複合材の温度がある程度低くなるように冷却した後に徐々に脱圧して、炭素繊維複合材を取り出すことが好ましい。８０℃以下まで冷却して、脱圧することが好ましい。
【００６４】
上記炭素繊維の形態が、繊維方向が第１の方向と前記第１の方向と直交する第２の方向とに揃えられた織物の形態である場合に、上記第１の方向（図１（ａ）に示す方向Ｄ１）と上記第２の方向（図１（ａ）に示す方向Ｄ２）からそれぞれ４５°傾いた方向（図１（ａ）に示す方向Ｄ３）における引張試験において、上記炭素繊維複合材の２３℃での引張弾性率が３ＧＰａ以上であることが好ましい。上記第１の方向と上記第２の方向とからそれぞれ４５°傾いた方向における引張試験において、上記炭素繊維複合材の２３℃での引張試験最大応力が４５ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００６５】
炭素繊維として、繊維方向が縦方向と横方向との２方向である平織の織布を用いる場合に、マトリクス樹脂が従来のポリプロピレンであると、繊維方向から４５°傾いた方向における引張特性が低くなる傾向がある。これに対して、本発明に係る炭素繊維複合材では、ポリプロピレンの剛性を高めているために、繊維方向から４５°傾いた方向における引張特性を高めることができる。
【００６６】
また、従来のポリプロピレンを用いた場合には、炭素繊維のバインド力が十分ではないために、繊維方向に圧縮を行うと、繊維が容易に座屈してしまい、炭素繊維複合材の引張特性が低くなる傾向がある。また、従来のポリプロピレンを用いた場合には、積層体を曲げる際に、一方の表面に圧縮応力がかかり、十分な曲げ物性が得られないという問題がある。これに対して、本発明に係る炭素繊維複合材及び本発明に係る積層体では、高い圧縮物性により高い引張特性や、高い曲げ物性を得ることができる。
【００６７】
また、本発明に係る炭素繊維複合材は、マトリクス樹脂としてポリプロピレンを用いているにも関わらず、高結晶化処理により剛性が高められているので、高い機械的物性を有する。このため、上記炭素繊維複合材は、土木及び建築等に使われる補強用シートや、風力発電ブレード等に適用可能である。また、エポキシ樹脂等のマトリクス樹脂に比べて、ポリプロピレンは軽く、安価である。このため、ポリプロピレンを用いた炭素繊維複合材では、各種の工業用途として魅力的な製品展開が可能となる。
【００６８】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳しく説明する。本発明は以下の実施例のみに限定されない。
【００６９】
（実施例１）
炭素繊維織物（東レ社製「ＣＯ６３４３Ｂ」、繊維方向が縦方向と縦方向と直交する横方向、目付け量：１９８ｇ／ｍ２）中に、ポリプロピレン樹脂（日本ポリプロ社製「ＭＡ３Ｈ」）を、プレスによる加熱圧縮で含浸させた。このとき、プレス板温度を２１０℃、プレス圧力を３ＭＰａとした。その後、急冷して、ポリプロピレンを結晶化させて、炭素繊維とポリプロピレンとの複合材を得た。得られたシート状の複合材の厚みは、０．２８ｍｍ、質量は３２１ｇ／ｍ２であった。織物の目付け量は、１９８ｇ／ｍ２であるので、含浸されたポリプロピレンの質量は、１２３ｇ／ｍ２であった。
【００７０】
次に、得られた複合材の高結晶化処理を以下のようにして行った。
【００７１】
上記複合材を、常温（２３℃）及び常圧で圧力容器に封入して、圧力容器内を真空ポンプで１時間減圧した。次に、圧力容器内が１４８℃になるまで、圧力容器を加熱した。その後、炭酸ガスを圧力容器に封入して、容器内の圧力が６ＭＰａとなったのを確認した後、３時間にわたり圧力と温度を維持した。
【００７２】
その後、０．５℃／分の速度で、圧力容器内が常温（２３℃）になるまで、圧力容器を冷却した。続いて、炭酸ガスをリークさせて容器内を常圧へと戻した。その後、圧力容器から、高結晶化処理された炭素繊維複合材を取り出した。この炭素繊維複合材について、以下の引張試験及び結晶化率を評価した。
【００７３】
（比較例１）
高結晶化処理を行わなかったこと以外は実施例１と同様にして、炭素繊維複合材を得た。
【００７４】
（実施例２）
炭素繊維織物（東レ社製「ＣＯ６３４３Ｂ、繊維方向が縦方向と縦方向と直交する横方向、目付け量：１９８ｇ／ｍ２）に、ポリプロピレン樹脂（日本ポリプロ社製「ＭＡ３Ｈ」）をプレスによる加熱圧縮で含浸させた。このとき、プレス板温度を２１０℃、プレス圧力を３ＭＰａとした。その後、急冷して、ポリプロピレンを結晶化させて、炭素繊維とポリプロピレンとの複合材を得た。得られたシート状の複合材の厚みは、０．２８ｍｍ、質量は３２１ｇ／ｍ２であった。織物の目付け量は、１９８ｇ／ｍ２であるので、含浸されたポリプロピレンの質量は、１２３ｇ／ｍ２であった。
【００７５】
得られた複合材の片面に、クラフト紙（厚み９０μｍ）を積層した。次に、クラフト紙が積層された複合材全体を１８０℃まで加熱して、ポリプロピレンを十分に溶融させた。その後に、冷却ロールの間をピンチしながら通過させることで、積層したクラフト紙を溶融したポリプロピレンに強く押し付けた。
【００７６】
この操作により溶融したポリプロピレンはクラフト紙に、該クラフト紙の一方の表面から含浸された（含浸処理）。但し、クラフト紙の片面は冷却ロールにより冷却されているために、クラフト紙の全ては、ポリプロピレンに埋没しなかった。
【００７７】
含浸処理後のクラフト紙が積層された複合材では、クラフト紙とポリプロピレンとが強固に接合しており、かつ外表面にはクラフト紙のパルプ繊維が残っているため、接着剤との接合も可能であった。
【００７８】
次に、含浸処理後のクラフト紙が積層された複合材の高結晶化処理を、実施例１と同様にして行い、高結晶化処理された炭素繊維複合材を備える積層体を得た。
【００７９】
次に、高結晶化処理された炭素繊維複合材を備える２つの積層体におけるクラフト紙の外側の表面に、接着剤（ハンツマン・アドバンスト・マテリアル社製「アラルダイト」）を塗布した。その後、木材（木村バルサ社製のバルサ材、厚み１０ｍｍ）の両面に、２つの積層体を１つずつクラフト紙側から積層した。
【００８０】
その後、厚み１０ｍｍの鉄板を１０枚重ねて、木材と積層体との積層構造体の上に載せて、全体を圧縮した。この状態のままで、常温（２３℃）で３日間放置し、接着剤を完全に硬化させて、２つの炭素繊維複合材間に木材が挟み込まれた積層構造体を得た。得られた積層構造体では、木材と炭素繊維複合材とが強固に接合されていた。
【００８１】
（比較例２）
高結晶化処理を行わなかったこと以外は実施例２と同様にして、積層体及び積層構造体を得た。
【００８２】
（評価）
得られた炭素繊維複合材において、炭素繊維の繊維方向である縦方向と横方向とから４５°傾いた方向（縦糸と横糸を０°、９０°方向とした場合の４５°方向）にて、引張試験を評価した。また、得られた積層構造体の曲げ試験を評価した。また、得られた炭素繊維複合材及び積層体におけるポリプロピレンの結晶化率を測定した。
【００８３】
（１）引張試験
ＪＩＳ  Ｋ７１１３に準拠し下記の条件で、得られた炭素繊維複合材の２３℃での引張弾性率及び２３℃での引張試験最大応力を測定した。
【００８４】
試験機：島津製作所社製オートグラフ  ＡＢ−１０ＴＢ
引張りスピード：５ｍｍ／分
巾１０ｍｍに切り出し、スパンは５０ｍｍで引張試験を行った。
【００８５】
（２）曲げ試験
ＪＩＳ  Ｋ６９１１に準拠し下記の条件で、得られた積層構造体の２３℃での曲げ弾性率及び２３℃での曲げ試験最大応力を測定した。
【００８６】
試験機：島津製作所社製オートグラフ  ＡＢ−１０ＴＢ
クロスヘッド降下スピード：６ｍｍ／分
巾２０ｍｍに切り出し、スパンは１００ｍｍで３点曲げ試験を行った。
圧子として、半径が２ｍｍの比較的尖った先端を用いた。
【００８７】
（３）結晶化率
示差走査熱量計（エスアイアイ・ナノテクノロジー社製「ＤＳＣ６２２０」）を用いて、得られた炭素繊維複合材中に含まれるポリプロピレンの融解挙動を観察した。昇温は１０℃／分で行い、吸熱（結晶融解）プロファイルを得た。また融解時の吸熱量を測定し、下記の式で結晶化率を計算した。なお、ポリプロピレン完全結晶の融解熱として、２０９ｍＪ／ｍｇを用いた。
【００８８】
結晶化率（％）＝（炭素繊維複合材中に含まれるポリプロピレン１ｍｇあたりの融解熱量／ポリプロピレン完全結晶１ｍｇあたりの融解熱量）×１００
【００８９】
なお、炭素繊維複合材中のポリプロピレンの質量として、実施例１及び比較例１では炭素繊維複合材の質量から炭素繊維織物の質量を差し引いた値を用いた。積層体における炭素繊維複合材のポリプロピレンの質量として、実施例２及び比較例２では積層体の質量から炭素繊維織物とクラフト紙との質量を差し引いた値を用いた。
【００９０】
結果を下記の表１に示す。
【００９１】
【表１】
2014047344.tif 000003
【００９２】
表１に示す結果から明らかなように、ポリプロピレンの結晶化率が高いことによって、高い強度が得られることがわかる。マトリクス樹脂の炭素繊維のバインド能力が高まり、結果として強度が高くなると考えられる。
【符号の説明】
【００９３】
１…積層体
２…炭素繊維複合材
２ａ，２ｂ…第１，第２の表面
３，４…第１，第２の紙
【図１】
2014047344.tif 000004