(57)【要約】【課題】細かな形状を有する製品に対してもカーボンファイバーを型枠の凹部に入り込ませるとともに、製品の強度も持たせるようにしたカーボンファイバーのプレス成型方法、および、その成型品を提供することを目的とする。【解決手段】カーボンファイバーを気流粉砕器１を用いて粉砕させてカーボンファイバーを短くするとともに、その表面を凹凸処理を施して毛羽立たった短繊維カーボンファイバーを生成する。また、これに長繊維カーボンファイバーを３：７〜５：５の重量割合で混合させ、毛羽だった短繊維カーボンファイバーに絡ませるようにする。そして、エポキシ樹脂や硬化剤と混合させて加圧し、そして、加熱後、再び冷却させてプレス加工品を取り出すようにする。【選択図】図５
2018193434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さの異なるカーボンファイバーの表面に凹凸処理を施して混合させることにより混合カーボンファイバーを作る工程と、
当該混合カーボンファイバーと樹脂を型枠に入れて加圧し、プレス成型品を成型する工程と、
を備えたことを特徴とするカーボンファイバーのプレス成型方法。
【請求項２】
カーボンファイバーを気流粉砕器で粉砕する工程と、
当該粉砕されたカーボンファイバーに対して、当該粉砕されたカーボンファイバーよりも長いカーボンファイバーを入れて混合させることにより混合カーボンファイバーを生成する工程と、
当該混合カーボンファイバーと樹脂を型枠に入れて加圧し、プレス成型品を成型する工程と、
を備えたことを特徴とするカーボンファイバーのプレス成型方法。
【請求項３】
前記気流粉砕器で粉砕されたカーボンファイバーと、当該粉砕されたカーボンファイバーよりも長いカーボンファイバーを重量比で２：８〜５：５の割合で混合させるようにした請求項１または２に記載のカーボンファイバーのプレス成型方法。
【請求項４】
前記気流粉砕器で粉砕されたカーボンファイバーが、長さ５０μｍ以下の長さまでで粉砕されたものである請求項１または２に記載のカーボンファイバーのプレス成型方法。
【請求項５】
長さ５０μｍ以下であって、表面に凹凸処理の施されたカーボンファイバーと、
当該凹凸処理の施されたカーボンファイバーよりも繊維長の長いカーボンファイバーと、
を用いて成型されたカーボンファイバーのプレス成型品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンファイバーをプレス加工するプレス成型品の製造方法に関するものであり、より詳しくは、その成型品に凹凸を有する場合であっても、強度や耐久性を持たせることができるようにしたプレス成型方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、カーボンファイバーを用いたプレス成型品は、強度・耐久性・軽量性などの点で極めて優れていることから、航空部品や自動車部品、建築材料など様々な分野で使用されている。
【０００３】
このようなカーボンファイバーを用いたプレス成型品を製造する場合、一般に次のような工程で製造される（特許文献１など）。
【０００４】
まず、製品を型取った型枠を用意しておき、その型枠にプリプレグやチョップドファイバーとエポキシなどの熱硬化性樹脂を入れる。そして、プレス機によってこれらの材料を加圧し、加熱・冷却させた後に型枠を分離して、その型枠からプレス成型品を取り出す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１５−５２５７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、このようなプレス成型品を製造する場合、従来では自動車のシャフトや建築資材などを始めとする比較的大きな製品を対象としていたため、比較的繊維の長いチョップドファイバーなどを用いて製造することが可能であったが、比較的細かな凹凸を有する製品をプレス成型する場合、次のような問題があった。
【０００７】
すなわち、比較的細かな凹凸を有する成型品を製造する場合、型枠の凹部にカーボンファイバーを隙間なく充填させる必要があるが、カーボンファイバーの繊維長が長いと、その型枠の凹部に隙間なく充填させることができず、製品の精度が悪くなってしまうといった問題があった。
【０００８】
これに対して、カーボンファイバーをカッターで短く切断して型枠の凹部にカーボンファイバーを充填させるようにすることも考えられるが、このようにカーボンファイバーを短くすると、今度は切断されたカーボンファイバー同士の隙間にクラックが入ってしまい、製品が脆くなってしまう。
【０００９】
一方、長いカーボンファイバーや短いカーボンファイバーを混合させることによって、短いカーボンファイバーを型枠の凹部を充填させ、また、長いカーボンファイバーで強度も持たせるようにすることも考えられるが、このように長さの異なるカーボンファイバーを混合させようとすると、どうしても短いカーボンファイバー同士や長いカーボンファイバー同士が凝集してしまい、均一に混合させることができないといった問題があった。
【００１０】
また、強度を保たせるように、金属粉やガラス繊維、天然石などを混合させる方法も考えられるが、このようにすると比重も重くなり、カーボンファイバーを用いて軽量化するという目的に相反することになるばかりでなく、耐候性や耐熱性、伝導性などの性質も大きく変えてしまうことになる。
【００１１】
そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、細かな形状を有する製品に対してもカーボンファイバーを型枠の凹部に入り込ませるとともに、製品の強度も持たせるようにしたカーボンファイバーのプレス成型方法、および、その成型品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】
【００１２】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、長さの異なるカーボンファイバーの表面に凹凸処理を施して混合させることにより混合カーボンファイバーを作る工程と、当該混合カーボンファイバーと樹脂を型枠に入れて加圧し、プレス成型品を成型する工程とを備えるようにしたものである。
【００１３】
このようにすれば、カーボンファイバーの表面に凹凸処理を施しているために、長さの異なるカーボンファイバー同士を絡める混合させることができ、均一にカーボンファイバーを混合させてプレス成型することができるようになる。これにより、型枠の細かな凹部に短い繊維長のカーボンファイバーを充填させ、また、長い繊維長のカーボンファイバーで強度を持たせることができるようになる。
【００１４】
また、カーボンファイバーを気流粉砕器で粉砕して表面に凹凸処理を施す工程と、当該粉砕されたカーボンファイバーに対して、当該粉砕されたカーボンファイバーよりも長いカーボンファイバーを入れて混合させることにより混合カーボンファイバーを生成する工程とを備えるようにする。
【００１５】
このように構成すれば、気流粉砕で、カーボンファイバーを細かく粉砕する工程と、その表面に凹凸処理を施す工程を同時に行うことができ、工程処理を短縮化することができるようになる。
【００１６】
さらに、このようにカーボンファイバーを混合させる場合、気流粉砕器で粉砕されたカーボンファイバーと、当該粉砕されたカーボンファイバーよりも長いカーボンファイバーを重量比で２：８〜５：５の割合で混合させる。
【００１７】
このようにすれば、細かな精度の成型品を製造することができるとともに、強度も最適に保つことができるようになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、長さの異なるカーボンファイバーの表面に凹凸処理を施して混合させることにより混合カーボンファイバーを作る工程と、当該混合カーボンファイバーと樹脂を型枠に入れて加圧し、プレス成型品を成型する工程とを備えるようにしたので、カーボンファイバーの表面に凹凸処理を施すことにより、長さの異なるカーボンファイバー同士を絡める混合させることができ、均一にカーボンファイバーを混合させてプレス成型することができるようになる。これにより、型枠の細かな凹部に短い繊維長のカーボンファイバーを充填させ、また、長い繊維長のカーボンファイバーで強度を持たせることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施の形態におけるカーボンファイバーの成型方法を示すフローチャート
【図２】同形態における短繊維カーボンファイバーを製造する気流粉砕器を示す図
【図３】同形態におけるインペラを示す図
【図４】カッターで切断した際のカーボンファイバーを示す写真
【図５】気流粉砕させた際のカーボンファイバーを示す図
【図６】同形態に使用されるプレス器を示す図
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
この実施の形態におけるカーボンファイバーのプレス成型方法は、短いカーボンファイバー（以下、短繊維カーボンファイバーと称する）を製造すると同時にその表面に毛羽だった凹凸を形成する工程と、この短繊維カーボンファイバーよりも長いカーボンファイバー（以下、長繊維カーボンファイバー）を入れて混合させる工程と、このように混合されたカーボンファイバー（以下、混合カーボンファイバーと称する）を型枠９（図６参照）に入れるとともに樹脂を入れて加圧成型する工程を有する。以下、本実施の形態における混合カーボンファイバーの製造方法について、図１のフローチャートや図２の気流粉砕器１などを用いて詳細に説明する。
【００２２】
まず、短繊維カーボンファイバーを製造する場合（図１のステップＳ１）、繊維長が１０ｎｍ〜５０μｍ程度の長さの短繊維カーボンファイバーを製造する。このような短繊維カーボンファイバーを製造する場合、従来では、カーボンファイバーを対向するディスクカッターの間に挟み込ませるようにして切断していが、このような方法であると、図４に示すように、繊維の表面が平滑な状態になってしまう。そのため、このような短繊維カーボンファイバーを用いて長繊維カーボンファイバーと混合させたとしても、他の繊維と絡まるようなことがなく、また、同じ長さのカーボンファイバー同士が凝集してしまうといった問題があった。そこで、この実施の形態では、短繊維カーボンファイバーを製造する場合、繊維長を短くするとともに、その表面に毛羽だった凹凸を形成できるようにしている。
【００２３】
このような短繊維カーボンファイバーを製造するに際しては、気流粉砕器１を用いて粉砕を行う。この気流粉砕器１は、図２に示すように、長繊維カーボンファイバーを入れるホッパー２と、そこからカーボンファイバーを移送するスクリューフィーダー３と、そのスクリューフィーダー３から排出されたカーボンファイバーを粉砕する粉砕部４とを有する。
【００２４】
この粉砕部４は、対向する前後一対のインペラ５を有し、このインペラ５を粉砕室の内部で同じ方向に高速回転させることでカーボンファイバーを粉砕させるようにしている。このとき、カーボンファイバーは、図３に示すように、インペラ５の外周に設けられた突起６に沿って周回するように回転するとともに、インペラ５の回転軸に沿ってもカーボンファイバーが回転する。そして、このインペラ５を１０，０００ｒｐｍ〜１５，０００ｒｐｍで高速回転させることによって、前後のインペラ５によって回転するカーボンファイバーをインペラ５に衝突させて細断させるとともに、インペラ５の突起６に沿って周回するカーボンファイバー同士を衝突させることによって細断させる。このとき、カーボンファイバーは、その衝突によって、図５に示すように、表面に凹凸などが生じ、毛羽だった状態となる。そして、このように毛羽だった状態となった短繊維カーボンファイバーを吸引部７で吸引しながら回収する。
【００２５】
一方、長繊維カーボンファイバーは、長繊維のカーボンファイバーをカッターで細断して形成する（ステップＳ２）。この長繊維カーボンファイバーは、短繊維カーボンファイバーよりも長く、１５０μｍ〜数ｃｍまでの長さのカーボンファイバーを用いる。このようなカーボンファイバーをカッターで細断すると、表面が平滑な状態のまま切断されることになるが、気流粉砕器１に入れて表面処理を施そうとすると細かく破断されてしまう。このため、この実施の形態では、表面が平滑な状態のままの長繊維カーボンファイバーを用いるようにする。なお、ここでは長繊維カーボンファイバーをそのまま用いるようにしているが、この長繊維カーボンファイバーについても、長さを維持したまま表面処理を施して表面に凹凸を形成するようにしてもよい。
【００２６】
そして、このように設けられた短繊維カーボンファイバーと長繊維カーボンファイバーをバンバリーミキサーやニーダーなどの攪拌機に入れて均一に混合させる（ステップＳ３）。このような短繊維カーボンファイバーや長繊維カーボンファイバーを混合させる場合、型枠９の細かな凹部に短繊維カーボンファイバーを充填できるようにしつつ、かつ、製品の強度を保てるようにするために、短繊維カーボンファイバーと長繊維カーボンファイバーの重量比率として２：８〜５：５の割合で混合させるようにする。そして、１，０００ｒｐｍ〜１，５００ｒｐｍで２〜３分撹拌させて、それぞれを混合させる。このとき、この撹拌によって短繊維カーボンファイバーの毛羽だった凹凸がそれぞれ絡み合い、長繊維カーボンファイバーを囲い込むように絡めることができる。
【００２７】
次に、このように撹拌された混合カーボンファイバーに対してエポキシ樹脂などの樹脂を入れ、同様にして１，０００ｒｐｍ〜１，５００ｒｐｍで１分程度撹拌させ（ステップＳ４）、そこに硬化剤を入れた同様に１，０００ｒｐｍ〜１，５００ｒｐｍで１分程度撹拌させる（ステップＳ５）。
【００２８】
そして、このように撹拌させた混合カーボンファイバー入りの樹脂剤を、図６に示すプレス器８の型枠９に充填し（ステップＳ６）、高圧で加圧していく（ステップＳ７）。そして、その型枠９を１００℃で１０分程度加熱し（ステップＳ８）、その型枠９を冷却させた後に（ステップＳ９）、その型枠９からプレス成型品を取り出す（ステップＳ１０）。
【００２９】
このように上記実施の形態によれば、カーボンファイバーを気流粉砕器１で粉砕して短繊維カーボンファイバーの表面に毛羽だった凹凸処理を施し、これに長繊維カーボンファイバーを混合させてエポキシ樹脂や硬化剤とともに撹拌させてプレス成型するようにしたので、毛羽だった短繊維カーボンファイバーによって、カーボンファイバー同士を絡ませることができ、均一に長さの異なるカーボンファイバーを混合させてプレス成型することができるようになる。これにより、型枠９の細かな凹部に短繊維カーボンファイバーを充填させることができ、また、長繊維カーボンファイバーで強度を持たせることができるようになる。また、毛羽だったカーボンファイバーによってそれぞれが絡み合うようになるため、空気中にカーボンファイバーが飛散することを防止することができ、環境汚染や人体への影響を低減させることができるようになる。
【実施例１】
【００３０】
上記実施の形態における検証例を説明する。
【００３１】
検証では、（Ａ）エポキシ樹脂および硬化剤、（Ｂ）繊維長５０μｍの短繊維カーボンファイバー、（Ｃ）チョップドファイバー（長さ１ｃｍ程度）で構成された長繊維カーボンファイバーをそれぞれ配合を変えて強度や製品の成型状態を評価した。
【表１】
2018193434.tif 000003
【００３２】
上記検証例において、長繊維カーボンファイバーを配合しないＴ１のプレス成型品では、ハンマーで簡単に割れてしまった。一方、長繊維カーボンファイバーを多く配合させたＴ３の試験では、型枠９の細かな凹部にカーボンファイバーが入らず、加工後にすが見受けられ、製品としては不良品の状態であった。これに対して、Ｔ２のプレス成型品では、型枠９の細かな凹部にもカーボンファイバーが充填されており、また、ハンマーによる打撃試験でも良好な結果が得られた。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・気流粉砕器
２・・・ホッパー
３・・・移送部
４・・・粉砕部
５・・・インペラ
６・・・突起部
７・・・吸引部
８・・・プレス器
９・・・型枠
【図１】
2018193434.tif 000004
【図２】
2018193434.tif 000005
【図３】
2018193434.tif 000006
【図４】
2018193434.tif 000007
【図５】
2018193434.tif 000008
【図６】
2018193434.tif 000009