(57)【要約】【課題】再生炭素繊維を用いたとしても、所望の強度特性を維持できる複合材中間材料の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る複合材中間材料１０の製造方法は、マトリックス樹脂および炭素繊維を含む複合材から再生させた再生炭素繊維を、スクリュ式混練押出機１によりベース樹脂と混練させて製造する複合材中間材料１０の製造方法であって、炭素繊維質量の１重量％以上４重量％以下の含有量で、マトリックス樹脂の残渣または表面処理剤の少なくとも一方を備えた再生炭素繊維を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス樹脂および炭素繊維を含む複合材から再生させた再生炭素繊維を、スクリュ式混練押出機によりベース樹脂と混練させて製造する複合材中間材料の製造方法であって、
炭素繊維質量の１重量％以上４重量％以下の含有量で、前記マトリックス樹脂の残渣または表面処理剤の少なくとも一方を備えた再生炭素繊維を用いる複合材中間材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再生炭素繊維を用いる複合材中間材料の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複合材は、軽量かつ高強度、高弾性を有する素材であり、航空宇宙産業、自動車産業、船舶、家電等に幅広く用いられている。
【０００３】
複合材は、ガラス繊維や炭素繊維等の強化材およびマトリックス樹脂で構成される。近年、複合材の製造には、プリプレグまたはペレット状の複合材中間材料が多用されている。プリプレグは、シート状の強化材に半硬化させたマトリックス樹脂を含浸させた複合材中間材料である。ペレットは、強化材とマトリックス樹脂が混練されてなる粒状の複合材中間材料である。
【０００４】
複合材部品を成形する際、トリミング等により端材が出る。複合材は高価であるうえ、複合材に含まれる炭素繊維は廃棄処理が困難である。そのため、端材の再利用が望まれている。特許文献１では、複合材から再生させた再生炭素繊維を用いた強化プラスチック成形体の製造方法を開示している。
【０００５】
複合材から炭素繊維を再生する方法には、加熱法、溶解法等がある。例えば、複合材を加熱処理してマトリックス樹脂を分解除去することで再生炭素繊維を得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−８１２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
再生炭素繊維は、新たにマトリックス樹脂が混合され、複合材中間材料にリサイクルされる。例えば、特許文献１では、スクリュ式の混練押出機を用いて複合材ペレットを製造している。ここで、再生炭素繊維は、マトリックス樹脂とともに、混練押出機に投入される。再生炭素繊維およびベース樹脂は、スクリュで混練された後、押し出され、切断されて造粒体（ペレット）となる。
【０００８】
従来の再生炭素繊維は、綿状で嵩密度が低い。嵩密度が低い再生炭素繊維は、扱いづらいうえ、混練押出機に投入する際に繊維同士が絡み合って詰まったり（ブリッジング）、スクリュの表面で繊維が滑ったりして、上手く混練できないという問題がある。投入および混練が上手くいかないと、押し出されるマトリックス樹脂中に含まれる炭素繊維の含有量が少なくなる。炭素繊維の含有量が少ない複合材中間材料を用いた複合材の強度は、設計値よりも低くなる。
【０００９】
そのため、通常は、再生炭素繊維を混練押出機に安定供給するための工夫（収束剤塗布工程、再生炭素繊維投入時の工夫等）が必要となる。特許文献１では、再生炭素繊維とともに不織布または織布を混練押出機内に巻き込むことで、再生炭素繊維を安定した量で供給できるようにしている。特許文献１では、再生炭素繊維を母材樹脂（マトリックス樹脂）より融点が高い樹脂繊維からなる不織布に包み、混練押出機に供給している。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、再生炭素繊維を用いたとしても、複合材としたときに所望の強度特性を維持できる複合材中間材料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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の複合材中間材料の製造方法は以下の手段を採用する。
【００１２】
本発明は、マトリックス樹脂および炭素繊維を含む複合材から再生させた再生炭素繊維を、スクリュ式混練押出機によりベース樹脂と混練させて製造する複合材中間材料の製造方法であって、炭素繊維質量の１重量％以上４重量％以下の含有量で、前記マトリックス樹脂の残渣または表面処理剤の少なくとも一方を備えた再生炭素繊維を用いる複合材中間材料の製造方法を提供する。
【００１３】
本明細書では、再生炭素繊維の原料となる複合材の母材樹脂を「マトリックス樹脂」、複合材中間材料の母材樹脂を「ベース樹脂」と称する。
【００１４】
マトリックス樹脂の残渣または表面処理剤を備えることで、従来のものと比較して嵩密度が高く、剛直な再生炭素繊維となる。このような再生炭素繊維は、混練押出機への安定供給が可能であり、混練押出機におけるベース樹脂との混練性が良好である。そのため、上記発明で製造した複合材中間材料は、バージン炭素繊維を用いたものと比較しても、複合材としたときの強度が維持される。
【００１５】
特に、マトリックス樹脂の残渣を備える再生炭素繊維は、所望の残渣量である再生炭素繊維を選択すればよく、再生炭素繊維を供給・混練するための余分な工程が不要である。
【００１６】
マトリックス樹脂の残渣または表面処理剤の含有量が多すぎると、複合材としたときの強度が低くなり、かつ、複合材中間材料製造時にベース樹脂との混練が上手くできなくなる恐れがある。
【００１７】
マトリックス樹脂の残渣または表面処理剤の含有量が少なすぎると、再生炭素繊維の嵩密度が低くなり、取扱い性が低下するとともに、再生炭素繊維が混練押出機へ供給されにくくなり、スクリュに絡みにくくなる。
【００１８】
表面処理剤としてベース樹脂と相性のよいものを選択すれば、複合材としたときの機械的強度を向上させられる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、再生炭素繊維を用いて、容易に、低コストで、複合材中間材料を製造でき、製造された複合材中間材料を用いた複合材は、所望の強度特性を備えたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る複合材中間材料の製造方法で用いる混練押出機の概略図である。
【図２】試験１の引張強度の結果を示すグラフである。
【図３】試験２の引張強度の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明に係る複合材中間材料の製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２２】
〔第１実施形態〕
本実施形態では、図１に示すスクリュ式混練押出機を用いて複合材用ペレット（複合材中間材料）を製造する。スクリュ式混練押出機１は、混練容器２、冷却水槽３、搬送機構４および切断機（ペレタイザー）５を備えている。混練容器（シリンダ）２は、原料投入口（ホッパー）６、スクリュ７および混練物出口８を備えている。ホッパー６は１つまたは複数あってよい。
【００２３】
本実施形態では、ホッパー６にベース樹脂および再生炭素繊維を投入する。スクリュ７を回転させ、ベース樹脂を溶融させながら、ベース樹脂と再生炭素繊維とを混練する。混練物９を混練物出口８から押し出し、棒状に引き伸ばしながら搬送機構４により冷却水槽３へと導く。冷却水槽３において混練物９は冷却され、ベース樹脂が固まる。ベース樹脂が固まった混練物９をペレタイザー５に導き、適当な長さに切断する。これにより、再生炭素繊維を含む複合材用ペレット（複合材中間材料）１０が得られる。ホッパー６が複数ある場合には、再生炭素繊維は、ベース樹脂と別のホッパー６から投入してもよい。
【００２４】
混練容器２内でスクリュ７を回転させると、混練容器２との間で摩擦が発生し、ベース樹脂にせん断力が付与される。これにより、自己発熱が生じ、ベース樹脂が溶融される。スクリュ式混練押出機１は、ヒーターと比べ、容易にかつ低エネルギーでベース樹脂を溶融させられる。スクリュ式混練押出機１は、搬送機構４も合わせ持つことから、非常に効率（仕事率）が良く、大量生産に向いている。
【００２５】
ベース樹脂は、熱可塑性樹脂である。ベース樹脂は、例えば、ナイロン等のポリアミド系樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）系樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）系樹脂、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）系樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）系樹脂等の樹脂である。
【００２６】
再生炭素繊維は、炭素繊維およびマトリックス樹脂で構成された廃複合材（廃複合材中間材料を含む）から取り出した炭素繊維である。再生炭素繊維は、溶解法および熱分解法などの公知の技術によって取り出されたものであってよい。ただし、本実施形態では、マトリックス樹脂残渣量（以下、樹脂残渣量）が炭素繊維質量の１重量％以上４重量％以下である再生炭素繊維を選択して使用する。再生炭素繊維は短繊維（１０ｍｍ以下）である。短繊維は、射出成形に好適である。
【００２７】
本実施形態により製造された複合材中間材料は、複雑形状を持った射出成型品の製造に適用できる。射出成型品は、例えば、ＰＣ筐体、航空機二次部品、移動体（船舶、自動車等）の部品等である。
【００２８】
＜試験１＞
（ペレット製造）
上記実施形態に従い、ベース樹脂および再生炭素繊維を含む複合材用ペレット（実施例１〜４、比較例１〜３）を製造した。複合材ペレット中の再生炭素繊維の含有量は、２０重量％とした。ベース樹脂には、ポリアミド（ＰＡ１２、ダイセルポリマー社製）を使用した。
【００２９】
実施例１〜４では、樹脂残渣量が異なる再生炭素繊維を使用した。ここで樹脂（マトリックス樹脂）は、エポキシ樹脂である。
比較例１では、再生炭素繊維の代わりにバージン炭素繊維（東レ株式会社製、Ｔ７００）を使用した。
比較例２では、炭素繊維を使用せず、ベース樹脂のみとした。
比較例３では、樹脂残渣量が１重量％未満の再生炭素繊維を使用した。
【００３０】
実施例１〜４および比較例１，２は、ペレット化できた。特に実施例４、比較例１，２は、良好にペレット化できた。比較例３はペレット化が困難であった。
【００３１】
（引張強度）
実施例１〜４および比較例１，２の複合材用ペレットを射出成形機に投入し、試験片を射出成形した（ＪＩＳ（日本工業規格）  Ｋ７１６２に準拠）。各試験片の引張強度を測定した。
【００３２】
表１に、ペレット化および引張試験の結果を示す。表１において「良好」は「良」よりもペレット化しやすかったことを意味する。「○」は総合評価が高く、「×」は総合評価が低いことを意味する。図２は、引張強度の結果を示すグラフである。同図において、縦軸は引張強度（ＭＰａ）であり、横軸では実施例１〜４について樹脂残渣量で示している。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
実施例１〜３の引張強度は、バージン炭素繊維を用いた比較例１と同程度であった。実施例４（樹脂残渣量１４％）の引張強度は、樹脂のみ（比較例２）の試験片よりも高かったが、比較例１よりも低くなった。この結果から、樹脂残渣量が多すぎると複合材としたときに引張強度が低下すること、再生炭素繊維の樹脂残渣量が１重量％以上４重量％以下であれば、バージン炭素繊維を用いた場合と遜色ない引張強度を維持できることが確認された。
【００３５】
マトリックス樹脂の残渣量を制御することで、再生炭素繊維を、嵩密度が高く、剛直なものにできる。このような再生炭素繊維を用いることで、混練押出機への安定供給が可能となり、ベース樹脂に絡みやすくなった結果、実施例１〜３で引張強度が維持されたものと考えられる。
【００３６】
本実施形態によれば、原料（廃複合材）由来のマトリックス樹脂が所望量残った再生炭素繊維を用いることで、収束剤塗布工程および混練押出機投入時の工夫等の余分な工程が不要となる。マトリックス樹脂が所望量残った再生炭素繊維は、取扱い性がよく、ペレット製造を容易にする。これは再生炭素繊維の利用拡大につながる。再生炭素繊維の普及により、低コスト製造が可能となる。
【００３７】
４重量％以下であればマトリックス樹脂残渣が存在しても、複合材としたときの強度特性は大きく低下せず、プロセス性も変わらない。
【００３８】
〔第２実施形態〕
本実施形態では、表面処理剤を塗布した再生炭素繊維およびベース樹脂をホッパーに投入して、第１実施形態と同様にペレットを製造する。以下、第１実施形態と相違している点について説明する。
【００３９】
本実施形態で使用する再生炭素繊維は、炭素繊維およびマトリックス樹脂で構成された廃複合材料から炭素繊維を取り出したものである。樹脂残渣量が炭素繊維質量の１重量％未満の再生炭素繊維を選択して使用してもよい。
【００４０】
本実施形態では、再生炭素繊維に表面処理剤を塗布する。表面処理剤は、ポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）系樹脂、エポキシ系樹脂等である。表面処理剤は、マトリックス樹脂の官能基に対して水素結合可能な官能基を有する樹脂であるとよい。
【００４１】
表面処理剤は、例えば、再生炭素繊維に塗布したい濃度に調整した表面処理溶液に再生炭素繊維を浸し、乾燥させることで再生炭素繊維に塗布できる。表面処理剤の塗布量は、樹脂残渣量と合わせて、炭素繊維質量の１重量％以上４重量％以下となるようにするとよい。
【００４２】
＜試験２＞
（表面処理剤の塗布）
再生炭素繊維には、樹脂残渣量が１重量％未満であるものを使用した。表面処理剤は、ポリアミド系樹脂、ＰＥＴ系樹脂、エポキシ系樹脂のいずれかとした。
【００４３】
表面処理剤の濃度が１重量％となるよう表面処理溶液を調製し、再生炭素繊維を表面処理溶液中に浸した後、引き揚げ、乾燥させた。これにより、表面処理剤と樹脂残渣量との和が、少なくとも炭素繊維質量の２重量％未満なる表面処理された再生炭素繊維が得られた。
【００４４】
（ペレット製造）
第１実施形態の手順に従い、複合材用ペレット（Ａ〜Ｅ）を製造した。
【００４５】
材料には、以下を用いた。
（１）炭素繊維
Ａ：バージン炭素繊維（東レ株式会社製、Ｔ７００）、表面処理無し
Ｂ：表面処理なしの再生炭素繊維
Ｃ〜Ｅ：表面処理した再生炭素繊維
（２）ベース樹脂
ポリアミド（ＰＡ１２、ダイセルポリマー社製）
【００４６】
複合材ペレット中の炭素繊維の含有量は、２０重量％とした。
【００４７】
（引張強度）
上記製造した複合材ペレット（Ａ〜Ｅ）を用い、それぞれ引張試験用の試験片を射出成形した。（ＪＩＳ（日本工業規格）  Ｋ７１６２に準拠）。各試験片の引張強度を測定した。
【００４８】
図３に、引張試験の結果を示す。同図において、縦軸（左）は引張強度［ＭＰａ］、縦軸（右）は、バージン炭素繊維（Ａ）を含む試験片の引張強さを基準とした強度維持率［％］である。
【００４９】
図３によれば、いずれの試験片でも、バージン炭素繊維（Ａ）を含む試験片と同等の強度が維持されていた。
【符号の説明】
【００５０】
１  スクリュ式混練押出機
２  混練容器（シリンダ）
３  冷却水槽
４  搬送機構
５  切断機（ペレタイザー）
６  原料投入口（ホッパー）
７  スクリュ
８  混練物出口
９  混練物
１０  複合材用ペレット（複合材中間材料）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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