(57)【要約】【課題】ＣＦＲＰを粉砕した短炭素繊維や新規なミルドファイバーなどの短炭素繊維を使用する場合であっても、引っ張り強度や熱伝導性、電気伝導性などを確保できるようにした炭素繊維を提供する。【解決手段】ＣＦＲＰを粉砕させて、径が１５μｍ乃至３μｍとなるようにした第一短炭素繊維２と、ＣＦＲＰを更に粉砕させて、径が５０ｎｍ乃至１００ｎｍとなるようにした第二短炭素繊維３と、前記第一短炭素繊維２と第二短炭素繊維３とを充填するポリイミドなどの樹脂４とを備え、樹脂４を６０乃至８０重量部、第一短炭素繊維２を２５乃至３５重量部、第二短炭素繊維３を０．５乃至２重量部の割合で配合し、ホッパー６１から螺旋状に回転させながらノズルから押し出し、長い炭素繊維を製造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体の繊維径に対して１／２よりも小さな径を有し、繊維の長手方向に沿って分断された複数の第一短炭素繊維と、
前記複数の第一短炭素繊維の隙間を埋めるように前記第一短炭素繊維よりも小径の第二短炭素繊維と、
前記第一短炭素繊維と第二短炭素繊維とを充填する樹脂とを有するように構成した炭素繊維。
【請求項２】
前記第一短炭素繊維がミルドファイバーで構成されるものである請求項１に記載の炭素繊維。
【請求項３】
前記第二短炭素繊維がナノファイバーで構成されるものである請求項１に記載の炭素繊維。
【請求項４】
前記第一短炭素繊維と第二短炭素繊維の径の比率が、３０：１乃至３：１である請求項１に記載の炭素繊維。
【請求項５】
前記第一短炭素繊維と第二短炭素繊維の長手方向の寸法比率が、１０：１乃至２：１である請求項１に記載の炭素繊維。
【請求項６】
前記前記第一短炭素繊維と第二短炭素繊維との重量割合を１０：１乃至２００：１である請求項１に記載の炭素繊維。
【請求項７】
前記全体の繊維径が２０μｍ乃至５０μｍである請求項１に記載の炭素繊維。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短炭素繊維を利用して製造される炭素繊維に関するものであって、例えば、ＣＦＲＰを粉砕して生成した短炭素繊維や、新規なミルドファイバーなどを利用して製造される炭素繊維に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、炭素繊維は、軽くて強い繊維として、航空機分野・農業分野・工業製品などの幅広い分野で使用されている。
【０００３】
ところで、このような炭素繊維には、ＰＡＮ系炭素繊維やピッチ系炭素繊維が存在しており、それぞれ、次のようにして製造される（非特許文献１）。
【０００４】
まず、ＰＡＮ系炭素繊維を製造する場合、まず、アクリロニトリルから重合によってポリアクリロニトリル樹脂を生成し、それを空気中において２００℃乃至３５０℃で数時間熱処理する。そして、それを窒素などの不活性ガス雰囲気下において１０００℃乃至１５００℃で加熱し、次に、窒素などの不活性ガス雰囲気下において、２０００℃乃至３０００℃で加熱し、最後に、表面処理やサイジング処理を行って製造する。
【０００５】
一方、ピッチ系炭素繊維は、石油系のエチレンボトムオイルや石炭系のコールタールを原料として、低沸点成分の除去や熱処理による重質化の進行を経て紡糸に適したピッチを生成し、これを細いノズルから押し出して繊維状にした後、不融化、炭素化及び黒鉛化工程などを経て製造される。
【０００６】
このような方法によって製造された炭素繊維は、繊維の長手方向に沿って炭素繊維が連続的に生成されているため、引っ張り強度を有するとともに、熱伝導性や電気伝導性も確保することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】炭素繊維協会ＨＰ（「炭素繊維はこうしてつくられる」）  http://www.carbonfiber.gr.jp/material/manufacture.html 2018/1/20確認
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、近年では、炭素繊維を含むＣＦＲＰを再利用して低コスト化を図ることなどが求められている。
【０００９】
しかしながら、このようなＣＦＲＰなどを粉砕して再利用する場合、炭素繊維が分断された短炭素繊維の状態となっているため、繊維を引っ張った際に分断された短炭素繊維の隙間から亀裂を生じ、強度を保つことができない。また、炭素繊維が分断された状態であるため、熱伝導性や電気伝導性も確保することができない。
【００１０】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みて、ＣＦＲＰを粉砕した短炭素繊維や新規なミルドファイバーなどの短炭素繊維を使用する場合であっても、引っ張り強度や熱伝導性、電気伝導性などを確保できるようにした炭素繊維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】
すなわち、本発明の炭素繊維は、上記課題を解決するために、全体の繊維径に対して１／２よりも小さな径を有し、繊維の長手方向に沿って分断された複数の第一短炭素繊維と、前記複数の第一短炭素繊維の隙間を埋めるように前記第一短炭素繊維よりも小径の第二短炭素繊維と、前記第一短炭素繊維と第二短炭素繊維とを充填する樹脂とを有するように構成したものである。
【００１２】
また、このような発明において、前記第一短炭素繊維をミルドファイバーで構成する。
【００１３】
さらに、前記第二短炭素繊維をナノファイバーで構成する。
【００１４】
そして、前記第一短炭素繊維と第二短炭素繊維の径の比率を、３０：１乃至３：１とする。
【００１５】
また、前記第一短炭素繊維と第二短炭素繊維の長手方向の寸法比率を、１０：１乃至２：１とする。
【００１６】
加えて、前記第一短炭素繊維と第二短炭素繊維との重量割合を１０：１乃至２００：１としておく。
【００１７】
また、前記全体の繊維径を２０μｍ乃至５０μｍとする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、全体径に対して１／２よりも小さな径を有する第一短炭素繊維によって複数本の第一短炭素繊維を横断面内に収容することができるとともに、その第一短炭素繊維の隙間に第二短炭素繊維を収容することができるため、断面内において第一短炭素繊維や第二短炭素繊維を接触させることができ、強度を確保することができるようになる。
【００１９】
また、第一短炭素繊維をミルドファイバーで構成しているため、炭素繊維の粉砕物などを用いることができ、ＣＦＲＰの再利用品などを用いることができるようになる。
【００２０】
さらに、第二短炭素繊維としてナノファイバーを用いるようにしたので、ミルドファイバーの隙間に第二短炭素繊維を確実に埋めることができるようになる。なお、ここでナノファイバーとは、径が１μｍ以下のファイバーをいい、より好ましくは３００ｎｍ以下のファイバーをいう。
【００２１】
加えて、第一短炭素繊維と第二短炭素繊維の径の比率を、３０：１乃至３：１としたので、太い第一短炭素繊維によって強度を確保することができるようになる。
【００２２】
また、第一短炭素繊維と第二短炭素繊維の長手方向の長さ比率を、１０：１乃至２：１としたので、長手方向における第一短炭素繊維や第二短炭素繊維の不連続部分をなくすことができるようになる。
【００２３】
また、前記第一短炭素繊維と第二短炭素繊維との重量割合を１０：１乃至２００：１としたので、第一短炭素繊維によって強度を確保することができるとともに、第二短炭素繊維で隙間を埋めることができるようになる。
【００２４】
また、前記全体の繊維径を２０μｍ乃至５０μｍとしたので、当該繊維を用いて布などを製造することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施の形態を示す炭素繊維を示す概略図
【図２】同形態における短炭素繊維を生成する気流粉砕機を示す図
【図３】気流粉砕機におけるインペラを示す図
【図４】同形態における炭素繊維の製造装置を示す図
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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。
【００２７】
この実施の形態における炭素繊維１は、図１に示すように、繊維の長手方向に沿って短炭素繊維を連続した状態で設けられるようにしたものであって、径の太い第一短炭素繊維２と、この第一短炭素繊維２よりも径の細い第二短炭素繊維３と、これらの第一短炭素繊維２や第二短炭素繊維３を分散させる分散剤と、ロングファイバーの炭素繊維１を成形する樹脂４とを有するように設けられる。
【００２８】
＜第一短炭素繊維＞
【００２９】
このうち、第一短炭素繊維２は、新規なミルドファイバーなどの他、ＣＦＲＰを粉砕したミルドファイバーなどによって構成され、繊維全体に強度を持たせる役割を有する。この第一短炭素繊維２をＣＦＲＰの粉砕物で生成する場合、まず、ＰＡＮ系の炭素繊維１で構成されたＣＦＲＰをカットしてチョップドファイバーを生成し、これを気流粉砕機５に入れて粉砕させる。この気流粉砕機５は、図２に示すように、ホッパー５１から投入されたチョップドファイバーを、一対の回転可能なインペラ５３ａ、５３ｂを有する粉砕室５２に導き、そこでインペラ５３ａ、５３ｂに沿って逆方向に旋回させて互いに衝突させて粉砕させるようにしたものである。このインペラ５３ａ、５３ｂは、モーターによって、同じ方向に回転するように設けられており、図３に示すように、その回転軸の周りに粉砕対象物を回転させるとともに、そのインペラ５３ａ、５３ｂの外周突起５３ｃに沿っても回転させるようになっている。そして、前後一対のインペラ５３ａ、５３ｂや外周突起５３ｃによって互いに逆方向に回転させ、粉砕対象物であるチョップドファイバーを互いに衝突させるようになっている。このとき、粉砕されたＰＡＮ系のチョップドファイバーは、最初は大きな状態で互いに衝突し、粗い状態で粉砕され、また、繊維長も比較的長い状態に粉砕される。そして、そこから更に粉砕させていくと、繊維径が細くなるように粉砕され、また、繊維長も短くなるように粉砕されて回収部５４で回収される。このようにチョップドファイバーを粉砕させる際、４０００乃至９０００ｒｐｍの回転数で３０分乃至６０分程度インペラ５３ａ、５３ｂを回転させて粉砕させる。なお、このときＰＡＮ系ではなく、ピッチ系の炭素繊維を用いた場合は、各繊維が均一の径を有するように粉砕されてしまい、径の異なる短炭素繊維にすることができなくなる。そこで、この実施の形態では、ＰＡＮ系の炭素繊維を粉砕させて第一短炭素繊維２を生成するようにしている。
【００３０】
この第一短炭素繊維２を生成する場合、製品全体の炭素繊維１の径に対して１／２乃至１／１０の径を有するように粉砕させる。具体的には、製品全体の炭素繊維１の径が３０μｍである場合は、１５μｍ乃至３μｍの範囲内となるように粉砕する。このとき、全体の炭素繊維１の径に対して１／２よりも大きいと、製品全体の横断面内において一本の第一短炭素繊維２しか存在しないことになり、第一短炭素繊維２を長手方向にオーバーラップさせることができなくなる。一方、製品全体の径に対して１／１０よりも細くなれば、第一短炭素繊維２が細くなり過ぎるため強度を確保することが難しくなる。このため、好ましくは、全体の径に対して１／２乃至１／１０の範囲内の径にしておく。一方、この第一短炭素繊維２の長手方向の寸法については、短くなり過ぎれば、長手方向の引っ張り強度を確保することが難しくなる。このため、少なくとも平均繊維長を４０μｍ乃至１００μｍとし、好ましくは、平均アスペクト比[平均繊維長／平均繊維径]を１０以上としておく。
【００３１】
＜第二短炭素繊維＞
【００３２】
次に、第二短炭素繊維３は、第一短炭素繊維２よりも径が著しく小さいものであって、ここでは、アスペクト比[平均繊維長／平均繊維径]の大きなナノファイバーを用いるようにする。このナノファイバーは、横方向に存在する第一短炭素繊維２の隙間を埋めて短炭素繊維同士を接触させるとともに、長手方向に存在する第一短炭素繊維２の隙間を連結させて、長手方向の強度や熱伝導性、電気伝導性などを確保できるようにする役割を担う。ここで、この第二短炭素繊維３の径については、太すぎると第一短炭素繊維２の隙間を確実に埋めることができなくなる。一方、径が細すぎると、コストが高くなり過ぎるとともに、強度も確保することができない。そこで、第一短炭素繊維２の５０分の１から１００分の１の径を有するものであって、好ましくは、５０ｎｍ乃至１００ｎｍの径を有するようなものが用いられる。また、長手方向の寸法については、長すぎるとランダムに存在する第一短炭素繊維２の隙間に直線的に入り込むことができなくなる。一方、長手方向の寸法が短すぎると、長手方向に存在する第一短炭素繊維２の間を連結させることができなくなる。そこで、この第二短炭素繊維３を用いる場合、第一短炭素繊維２の４分の１乃至１０分の１程度の長さであって、好ましくは５μｍ乃至１５μｍの長さを有し、好ましくは、平均アスペクト比[平均繊維長／平均繊維径]を１０以上のものを用いる。この第二短炭素繊維３は、ＣＦＲＰを切断したチョップドファイバーを粉砕して針状に生成されるものであって、同様に、気流粉砕機５を用いて粉砕される。この第二短炭素繊維３を生成する場合、第一短炭素繊維２を更に長時間、また、高速回転で気流粉砕機５で粉砕を行うことにより第二短炭素繊維３を生成し、あるいは、ピッチ系の炭素繊維１を気流粉砕器で粉砕することにより生成することができる。
【００３３】
＜分散剤＞
【００３４】
これらの第一短炭素繊維２や第二短炭素繊維３を樹脂４に分散させる分散剤としては、塗料、インク等の溶媒若しくは分散媒として使用されるものや、塗料、インク等を製造する際のマスターバッチの溶媒若しくは分散媒として使用されるものが挙げられる。
【００３５】
具体的には、例えば、以下の分散剤を使用することができる。
【００３６】
エチレングリコール；ジエチレングリコール、トリエチレングリコール等のエチレングリコール縮合物；それらのジアセテート；エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル等のエチレングリコールモノアルキル（又はフェニル）エーテル；それらのモノアセテート；エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジフェニルエーテル等のエチレングリコールジアルキル（又はジフェニル）エーテル；上記「エチレングリコール」を「ジエチレングリコール」又は「トリエチレングリコール」に代えた溶剤；上記の「エチレングリコール」を「プロピレングリコール」に代えた溶剤；等を使用することができる。
【００３７】
また、３，５，５−トリメチルヘキサノール、２−エチル−１，３−ヘキサンジオール、２−メチル−２，４−ペンタンジオール等のアルコール；それらのカルボン酸エステル；γ−ブチルラクトン等の環状エステル；プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニルカーボネート等の炭酸エステル；ピロリドン、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、Ｎ−エチルピロリドン等の「窒素原子に炭化水素基が結合していてもよいピロリドン」（「ピロリドン」は、「２−ピロリドン」が好ましい）；等を使用することもできる。
【００３８】
更に、酢酸；テトラヒドロフラン；ベンゼン、トルエン、シクロヘキサン、キシレン等の炭化水素；酢酸メチル、酢酸エチル、フタル酸ジオクチル、芳香族エステル等のエステル；アセトフェノン、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、シクロヘキサノン、アセトン等のケトン；四塩化炭素、クロロホルム、トリクロロエチレン、ジクロロメタン等の塩素含有溶剤；オクチレングリコール、アセトンアルコール、イソプロピルアルコール等のアルコール；二硫化炭素；ピリジン、ニトロエタン、アセトニトリル等の窒素含有溶剤；ジオキサン；ε−カプロラクトン、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）等のラクトン；等を使用することもできる。
【００３９】
上記分散媒は、同じ系統内でも異なる系統内を跨いでいても単独で又は２種以上を混合して用いられる。
【００４０】
中でも、短炭素繊維の分散性に適し、樹脂であるポリイミドにマッチングする等の理由から、ピロリドン、Ｎ−メチルピロリドン、Ｎ−エチルピロリドン等の「窒素原子が炭化水素基で置換されていてもよいピロリドン」、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）等のケトン：γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）等のラクトン；等が好ましく、「窒素原子に炭化水素基が結合していてもよい２−ピロリドン」（すなわち、「窒素原子に結合した水素原子が炭化水素基で置換されていてもよい２−ピロリドン」）がより好ましく、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）が特に好ましい。
【００４１】
これらの短炭素繊維（第一短炭素繊維および第二短炭素繊維）と分散剤の割合は、特に限定されるものではないが、例えば、分散媒と短炭素繊維の合計質量に対して、短炭素繊維が、１重量部以上９９．７重量部以下であることが好ましく、５重量部以上９９．５重量部以下であることより好ましく、１０重量部以上９９重量部以下であることが更に好ましく、２０重量部以上９８％以下であることが特に好ましい。
【００４２】
含有割合が上記下限以上であると、分散剤が薄過ぎずに分散媒が無駄にならず、必要以上に分散剤の体積が大きくならないといった効果がある。
【００４３】
一方、含有割合が上記上限以下であると、短炭素繊維の分散性や分散安定性が良くなり、分散剤の粘度、構造粘性、濃度が高くなり過ぎずに、粉砕性や分散性が向上したり、粉砕時間や分散時間の短縮がなされたりするといった効果がある。
【００４４】
＜樹脂＞
【００４５】
次に、樹脂４は、塩化ビニル、アクリル、エポキシ、ポリウレタン、ナイロン、ポリエステル、アクリル、ビニロン、ポリオレフィン、ポリイミドなどが用いられるが、これに限らず、合成繊維を構成する他の樹脂４などを用いることができる。なお、この実施の形態では、ポリイミドを用いるようにする。ポリイミドは、通常の高分子に比べて、高強度、高耐熱性を有する効果がある。ポリイミドの中でも、上記点から、特に芳香族ポリイミドが好ましい。
【００４６】
次に、このように構成される炭素繊維１の製造方法について説明する。
【００４７】
まず、第一短炭素繊維２や第二短炭素繊維３を生成すべく、廃材であるＣＦＲＰを切断してチョップドファイバーにする。そして、そのチップドファイバーを図２に示す気流粉砕機５のホッパー５１に投入し、粉砕室５２のインペラ５３ａ、５３ｂの回転によって径が１５μｍ乃至３μｍ、平均繊維長が４０μｍ乃至１００μｍとなるように粉砕させる。そして、その粉砕物を回収し、樹脂４などの異物を取り除いた後、その第一短炭素繊維２を回収する。
【００４８】
次に、その第一短炭素繊維２のうち、一部の第一短炭素繊維２や、ピッチ系炭素繊維を再びホッパー５１に投入して、粉砕室５２のインペラ５３ａ、５３ｂの回転によって径が５０ｎｍ乃至１００ｎｍ、平均繊維長が５μｍ乃至１５μｍの状態になるまで粉砕する。
【００４９】
そして、このように針状体になるまで粉砕された第一短炭素繊維２と第二短炭素繊維３を、それぞれ重量割合で１０：１乃至２００：１の範囲、好ましくは、２０：１乃至４０：１の割合で混合させ、ポリイミドなどの樹脂４溶媒の中で分散させる。ここでは、ポリイミドなどの樹脂４を６０乃至８０重量部、第一短炭素繊維２を２５乃至３５重量部、第二短炭素繊維を３０．５乃至２重量部の割合で配合させる。
【００５０】
ところで、短炭素繊維を樹脂溶媒中に投入した場合、短炭素繊維同士が凝集してしまい、また、ランダムな状態で短炭素繊維が向いてしまう。このため、上述の分散剤を入れるとともに、円筒状容器の中で回転させながら撹拌させて、ある程度同一方向を向くように配向させる。
【００５１】
そして、このように撹拌させた溶媒をロングテーパー状のホッパー６１に入れて、先端のノズルから押し出すようにしていく。このとき、溶媒に含まれる第一短炭素繊維２や第二短炭素繊維３がノズルに詰まらないようにするため、ホッパー６１内で回転部材６２を用いて回転させ、ノズル方向に螺旋状に押し出していく。これにより、針状体の短炭素繊維が徐々にノズルの押し出し方向に揃い、配向された状態でノズルから排出される。
【００５２】
そして、このように押し出された材料を水などの冷却溶媒の中に通して凝固させ、その後、加熱処理などによる最終処理を行って巻き取りを行うようにする。
【００５３】
このように上記実施の形態によれば、全体の繊維径に対して１／２よりも小さな径を有し、繊維の長手方向に沿って分断された複数の第一短炭素繊維２と、前記複数の第一短炭素繊維２の隙間を埋めるように前記第一短炭素繊維２よりも小径の第二短炭素繊維３と、前記第一短炭素繊維２と第二短炭素繊維３とを充填する樹脂４とを有するようにしたので、第一短炭素繊維２によって複数本の第一短炭素繊維２を断面内に収容することができるとともに、その第一短炭素繊維２の隙間に第二短炭素繊維３を収容することができ、横断面内において第一短炭素繊維２や第二短炭素繊維３を接触させることができ、強度を確保することができるようになる。
【００５４】
また、第一短炭素繊維２をミルドファイバーで構成しているため、炭素繊維１の粉砕物などを用いることができ、ＣＦＲＰなどの廃材などを利用することができるようになる。
【００５５】
さらに、第二短炭素繊維３としてナノファイバーを用いるようにしたので、ミルドファイバーの隙間に第二短炭素繊維３を確実に埋めることができるようになる。
【００５６】
加えて、第一短炭素繊維２が１５μｍ乃至３μｍ、第二短炭素繊維３の径が５０ｎｍ乃至１００ｎｍとなるように、各比率を３０：１乃至３：１としたので、太い第一短炭素繊維２によって強度を確保することができるようになる。
【００５７】
また、第一短炭素繊維２の長手方向の長さが４０μｍ乃至１００μｍ、第二短炭素繊維３が５μｍ乃至１５μｍとなるように、各比率を１０：１乃至２：１としたので、長手方向における第一短炭素繊維２や第二短炭素繊維３の不連続部分をなくすことができるようになる。
【００５８】
また、前記第一短炭素繊維２と第二短炭素繊維３との重量割合を１０：１乃至２００：１としたので、第一短炭素繊維２によって強度を確保することができるとともに、第二短炭素繊維３で隙間を埋めることができるようになる。
【００５９】
また、前記全体の繊維径を２０μｍ乃至５０μｍとしたので、当該繊維を用いて布などを製造することができるようになる。
【００６０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。
【００６１】
例えば、上記実施の形態では、ＣＦＲＰの廃材を用いてミルドファイバーやナノファイバーを生成するようにしたが、これに限らず、新規のミルドファイバーやナノファイバーを用いるようにしてもよい。
【００６２】
また、上記実施の形態では、例えば、長い炭素繊維１を製造する際に、上述の寸法を有する第一短炭素繊維２や第二短炭素繊維３を用いるようにしたが、寸法や形状などについては適宜選択して製造することができる。
【００６３】
さらに、上記実施の形態では、長い炭素繊維１を製造する場合に、樹脂４と第一短炭素繊維２、第二短炭素繊維３で構成するようにしたが、適宜、分散剤や凝固剤、耐候剤などを含有させるようにしてもよい。
また、上記実施の形態における炭素繊維１に、カーボンナノチューブを入れて耐衝撃性を持たせるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１・・・炭素繊維
２・・・第一短炭素繊維
３・・・第二短炭素繊維
４・・・樹脂
５・・・気流粉砕機
５１・・・ホッパー
５２・・・粉砕室
５３ａ、ｂ・・・インペラ
５３ｃ・・・突起
【図１】
2019126956.tif 000003
【図２】
2019126956.tif 000004
【図３】
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【図４】
2019126956.tif 000006