(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲げ弾性率が１５ＧＰａ以上３０ＧＰａ以下であり、曲げ強度が２５０ＭＰａ以上３４０ＭＰａ以下であり、比剛性が１．０Ｍｍ以上２．３Ｍｍ以下である成形体を製造する方法であって、
不連続炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含む組成物を、前記不連続炭素繊維の押し出し方向に対する角度が０°以上２０°以下の範囲に配向している割合が８０％以上になるように、加圧押出機を用い押出成形してプリプレグを作製する工程と、
該プリプレグを加熱プレス成形して成形体を作製する工程を有し、
前記不連続炭素繊維は、数平均繊維径が５μｍ以上１０μｍ以下であり、
前記組成物は、前記不連続炭素繊維の含有量が１６体積％以上４０体積％以下であることを特徴とする成形体の製造方法。
【請求項２】
炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含む組成物を溶融混練する工程をさらに有し、
該溶融混練された組成物を前記押出成形することを特徴とする請求項１に記載の成形体の製造方法。
【請求項３】
成形体を有する物品を製造する方法であって、
請求項１又は２に記載の成形体の製造方法を用いて、成形体を製造する工程を有することを特徴とする物品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形体の製造方法及び成形体を有する物品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
不連続炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含むプリプレグは、連続炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含むプリプレグと比較して、柔軟性に優れるため、皺及び歪みの発生を抑制すると共に、凹部又は複雑な形状を有する成形体を容易に製造することができる。
【０００３】
しかしながら、不連続炭素繊維を十分に配向させないと、機械的特性が不十分になるという問題があった。
【０００４】
特許文献１には、平均繊維長１０ｍｍ以上の不連続な炭素繊維をシート状基材に形成した後、シート状基材にマトリックス樹脂を含浸する炭素繊維強化プラスチックの製造方法が開示されている。このとき、シート状基材の形成を、カーディングにより、基材に含まれる炭素繊維の配向度の平均値が２〜１０の範囲内になるように行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１６５０７６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、曲げ特性が不十分であるという問題がある。
【０００７】
本発明の一態様は、上記の従来技術が有する問題に鑑み、曲げ特性に優れる成形体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】
【０００８】
本発明の一態様は、曲げ弾性率が１５ＧＰａ以上３０ＧＰａ以下であり、曲げ強度が２５０ＭＰａ以上３４０ＭＰａ以下であり、比剛性が１．０Ｍｍ以上２．３Ｍｍ以下である成形体を製造する方法であって、不連続炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含む組成物を、前記不連続炭素繊維の押し出し方向に対する角度が０°以上２０°以下の範囲に配向している割合が８０％以上になるように、加圧押出機を用い押出成形してプリプレグを作製する工程と、該プリプレグを加熱プレス成形して成形体を作製する工程を有し、前記不連続炭素繊維は、数平均繊維径が５μｍ以上１０μｍ以下であり、前記組成物は、前記不連続炭素繊維の含有量が１６体積％以上４０体積％以下である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、曲げ特性に優れる成形体を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、本発明を実施するための形態を説明する。
【００１１】
成形体の製造方法は、不連続炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含む組成物を押出成形してプリプレグを作製する工程と、プリプレグを加熱プレス成形して成形体を作製する工程を有する。
【００１２】
不連続炭素繊維は、ギロチンカッター等を用いて、連続炭素繊維を切断することにより製造することができる。
【００１３】
炭素繊維は、バージン繊維及びリユース・リサイクル繊維のいずれであってもよく、両者を併用してもよい。
【００１４】
炭素繊維は、表面がサイジング剤でコーティングされている及び表面がサイジング剤でコーティングされていない繊維のいずれであってもよく、両者を併用してもよい。
【００１５】
サイジング剤としては、熱可塑性樹脂と炭素繊維の密着性を向上させることが可能であれば、特に限定されない。
【００１６】
不連続炭素繊維の数平均繊維径は、５〜１５μｍであり、５〜１０μｍであることが好ましい。不連続炭素繊維の数平均繊維径が５μｍ未満であると、不連続炭素繊維が折れやすくなる。一方、不連続炭素繊維の数平均繊維径が１０μｍを超えると、不連続炭素繊維の柔軟性が低下し、組成物及びプリプレグの成形性が低下する。
【００１７】
組成物中の不連続炭素繊維の含有量は、１〜５０体積％であり、１６〜４０体積％であることが好ましい。組成物中の不連続炭素繊維の含有量が１体積％以下であると、成形体の曲げ特性が低下する。一方、組成物中の不連続炭素繊維の含有量が５０体積％を超えると、組成物及びプリプレグの成形性が低下する。
【００１８】
プリプレグに含まれる不連続炭素繊維の押し出し方向に対する角度が０〜２０°の範囲に配向している割合は、７０％以上であり、８０％以上であることが好ましい。プリプレグに含まれる不連続炭素繊維の押し出し方向に対する角度が０〜２０°の範囲に配向している割合が７０％未満であると、成形体の曲げ特性が低下する。
【００１９】
熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリアセタール、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ＡＢＳ樹脂、フッ素樹脂等が挙げられ、二種以上併用してもよい。
【００２０】
組成物は、炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含む組成物を溶融混練することにより、作製されていてもよい。
【００２１】
組成物を作製する際に用いる炭素繊維は、不連続炭素繊維及び連続炭素繊維のいずれであってもよい。
【００２２】
組成物を押出成形する際に用いる押出成形機としては、特に限定されないが、熱可塑性樹脂を軟化させるための加熱機構を備えた加圧押出機等が挙げられる。
【００２３】
プリプレグを加熱プレス成形する方法としては、特に限定されないが、プリプレグを所定の方向で金型に積層した後、加熱プレス機を用いて成形する方法等が挙げられる。
【００２４】
プリプレグを金型に積層する際は、手動であってもよいし、機械を用いてもよい。
【００２５】
なお、プリプレグを金型に積層する前に、延伸してもよい。これにより、成形体中の空隙の残存量を低減することができる。
【００２６】
次に、プリプレグを所定の方向で積層する方法について説明する。
【００２７】
例えば、ｎ＋１層目のプリプレグの押し出し方向が、ｎ層目のプリプレグの押し出し方向に対して、平行になるように、プリプレグを積層すると、プリプレグの押し出し方向に対して、垂直な力に対する曲げ特性を向上させることができる。
【００２８】
また、ｎ＋１層目のプリプレグの押し出し方向と、ｎ層目のプリプレグの押し出し方向の間の角度が４５°となるように、プリプレグを積層すると、ｎ層目のプリプレグの押し出し方向に対して、垂直な力に対する曲げ特性を向上させることができる。
【００２９】
さらに、ｎ＋１層目のプリプレグの押し出し方向が、ｎ層目のプリプレグの押し出し方向に対して、垂直になるように、プリプレグを積層すると、ｎ層目のプリプレグの押し出し方向に対して、垂直な力に対する曲げ特性を向上させることができる。
【００３０】
なお、プリプレグの積層数及びｎ＋１層目のプリプレグの押し出し方向と、ｎ層目のプリプレグの押し出し方向の間の角度は、特に限定されない。
【００３１】
プリプレグを加熱プレス成形する温度は、通常、１８０〜３５０℃である。
【００３２】
プリプレグを加熱プレス成形する圧力は、通常、０．５〜４ＭＰａである。
【００３３】
成形体に含まれる不連続炭素繊維の数平均繊維長は、０．１〜５ｍｍであり、０．１〜４ｍｍであることが好ましい。成形体に含まれる不連続炭素繊維の数平均繊維長が０．１ｍｍ未満であると、プリプレグに含まれる不連続炭素繊維の自由度が大きくなり、プリプレグを加熱プレス成形する際に、不連続炭素繊維の配向が乱れ、成形体の曲げ特性が低下する。一方、成形体に含まれる不連続炭素繊維の数平均繊維長が５ｍｍを超えると、不連続炭素繊維が絡まりやすくなり、組成物の成形性が低下する。
【００３４】
成形体の曲げ弾性率は、通常、１５〜３０ＧＰａであり、１８〜３０ＧＰａであることが好ましい。
【００３５】
成形体の曲げ強度は、通常、２５０〜３４０ＭＰａであり、２８０〜３４０MＰａであることが好ましい。
【００３６】
成形体の比剛性は、通常、１．０〜２．３Ｍｍであり、１．２〜２．３Ｍｍであることが好ましい。
【００３７】
成形体に含まれる不連続炭素繊維のプリプレグの押し出し方向に対する角度が０〜２０°の範囲に配向している割合は、通常、７０％以上であり、８０％以上であることが好ましい。成形体に含まれる不連続炭素繊維のプリプレグの押し出し方向に対する角度が０〜２０°の範囲に配向している割合が７０％以上であることにより、成形体の曲げ特性をさらに向上させることができる。
【００３８】
成形体の厚さは、通常、１〜１０ｍｍである。
【００３９】
なお、成形体の形状は、平面であってもよいし、曲面であってもよい。
【００４０】
また、成形体に対して、高次の成形を繰り返してもよい。
【００４１】
さらに、補強材と共に、プリプレグを加熱プレス成形してもよい。
【００４２】
成形体は、自動車等の輸送機器、電子モバイル機器、医療機器、介助用品等に適用することができる。
【実施例】
【００４３】
以下に、実施例を示して、本発明を具体的に説明するが、本発明は、実施例により限定されない。
【００４４】
（実施例１）
二軸混練機を用いて、２０体積％のチョップド炭素繊維Ｔ０１０−００３（東レ社製）及び８０体積％のポリアミド６としてのＣＭ１０１７（東レ社製）からなる組成物を溶融混練し、混練物を得た。このとき、混練温度を２４０℃、スクリューの回転数１５ｒｐｍとした。
【００４５】
加圧押出機を用いて、混練物を２５０〜２８０℃に加熱し、押出し比を２８として、押出成形し、プリプレグを得た。プリプレグは、不連続炭素繊維の配向度が９４％であった。
【００４６】
縦７０ｍｍ、横９０ｍｍの金型に、プリプレグの押し出し方向が金型の横方向になるように、プリプレグを２層積層した後、加熱プレス機を用いて、０．６ＭＰａ、２３５℃で２０分間成形し、厚さが４ｍｍの成形体を得た。成形体は、不連続炭素繊維の配向度が８７％、曲げ弾性率が２１ＧＰａ、曲げ強度が２８６ＭＰａ、比剛性が１．５Ｍｍであった。
【００４７】
（比較例１）
二軸混練機を用いて、２０体積％のチョップド炭素繊維Ｔ０１０−００３（東レ社製）及び８０体積％のポリアミド６としてのＣＭ１０１７（東レ社製）からなる組成物を溶融混練し、混練物を得た。このとき、混練温度を２４０℃、スクリューの回転数１５ｒｐｍとした。
【００４８】
縦７０ｍｍ、横９０ｍｍの金型に混練物を充填した後、加熱プレス機を用いて、０．６ＭＰａ、２３５℃で２０分間成形し、厚さが３ｍｍの成形体を得た。成形体は、不連続炭素繊維の数平均繊維長が０．８ｍｍ、不連続炭素繊維の配向度が３８％、曲げ弾性率が１１ＧＰａ、曲げ強度が１５４ＭＰａ、比剛性が０．９Ｍｍであった。
【００４９】
（比較例２）
一軸混練機を用いて、ポリアミド６としてのＣＭ１０１７（東レ社製）を２回溶融混練し、混練物を得た。このとき、混練温度を２４０℃、スクリューの回転数２５ｒｐｍとした。
【００５０】
縦７０ｍｍ、横９０ｍｍの金型に混練物を充填した後、加熱プレス機を用いて、１．２ＭＰａ、２３５℃で２０分間成形し、成形体を得た。成形体は、曲げ弾性率が４ＧＰａ、曲げ強度が１２３ＭＰａ、比剛性が０．３Ｍｍであった。
【００５１】
（実施例２）
チョップド炭素繊維Ｔ０１０−００３（東レ社製）の代わりに、数平均繊維長が３ｍｍ、数平均繊維径が７μｍの表面がサイジング剤でコーティングされているチョップド炭素繊維Ｔ００８−００３（東レ社製）を用いた以外は、実施例１と同様にして、厚さが４ｍｍの成形体を得た。プリプレグは、不連続炭素繊維の配向度が８５％であった。成形体は、不連続炭素繊維の配向度が８０％、曲げ弾性率が１８ＧＰａ、曲げ強度が２９１ＭＰａ、比剛性が１．４Ｍｍであった。
【００５２】
（比較例３）
チョップド炭素繊維Ｔ０１０−００３（東レ社製）の代わりに、数平均繊維長が３ｍｍ、数平均繊維径が７μｍの表面がサイジング剤でコーティングされているチョップド炭素繊維Ｔ００８−００３（東レ社製）を用いた以外は、比較例１と同様にして、厚さが３ｍｍの成形体を得た。成形体は、不連続炭素繊維の数平均繊維長が１．１ｍｍ、不連続炭素繊維の配向度が３３％、曲げ弾性率が１１ＧＰａ、曲げ強度が１１３ＭＰａ、比剛性が０．９Ｍｍであった。
【００５３】
（実施例３）
チョップド炭素繊維Ｔ０１０−００３（東レ社製）の代わりに、数平均繊維長が６ｍｍ、数平均繊維径が７μｍのチョップド炭素繊維Ｔ０１０−００６（東レ社製）を用いた以外は、実施例１と同様にして、厚さが４ｍｍの成形体を得た。プリプレグは、不連続炭素繊維の配向度が９１％であった。成形体は、不連続炭素繊維の数平均繊維長が１．９ｍｍ、不連続炭素繊維の配向度が８６％、曲げ弾性率が２３ＧＰａ、曲げ強度が３５１ＭＰａ、比剛性が１．８Ｍｍであった。
【００５４】
（比較例４）
チョップド炭素繊維Ｔ０１０−００３（東レ社製）の代わりに、数平均繊維長が６ｍｍ、数平均繊維径が７μｍのチョップド炭素繊維Ｔ０１０−００６（東レ社製）を用いた以外は、比較例１と同様にして、厚さが３ｍｍの成形体を得た。成形体は、不連続炭素繊維の数平均繊維長が２．１ｍｍ、不連続炭素繊維の配向度が３５％、曲げ弾性率が１２ＧＰａ、曲げ強度が１２０ＭＰａ、比剛性が０．８Ｍｍであった。
【００５５】
（実施例４）
チョップド炭素繊維Ｔ０１０−００３（東レ社製）の代わりに、数平均繊維長が６ｍｍ、数平均繊維径が７μｍの表面がサイジング剤でコーティングされているチョップド炭素繊維Ｔ００８−００６（東レ社製）を用いた以外は、実施例１と同様にして、厚さが４ｍｍの成形体を得た。プリプレグは、不連続炭素繊維の配向度が９１％であった。成形体は、不連続炭素繊維の配向度が８３％、曲げ弾性率が２６ＧＰａ、曲げ強度が３３６ＭＰａ、比剛性が２．０Ｍｍであった。
【００５６】
（比較例５）
チョップド炭素繊維Ｔ０１０−００３（東レ社製）の代わりに、数平均繊維長が６ｍｍ、数平均繊維径が７μｍの表面がサイジング剤でコーティングされているチョップド炭素繊維Ｔ００８−００６（東レ社製）を用いた以外は、比較例１と同様にして、厚さが３ｍｍの成形体を得た。成形体は、不連続炭素繊維の数平均繊維長が２．３ｍｍ、不連続炭素繊維の配向度が２７％、曲げ弾性率が１０ＧＰａ、曲げ強度が１１２ＭＰａ、比剛性が０．９Ｍｍであった。
【００５７】
（実施例５）
チョップド炭素繊維Ｔ０１０−００３（東レ社製）の代わりに、数平均繊維長が１２ｍｍ、数平均繊維径が７μｍのチョップド炭素繊維Ｔ０１０−０１２（東レ社製）を用いた以外は、実施例１と同様にして、厚さが４ｍｍの成形体を得た。プリプレグは、不連続炭素繊維の配向度が９３％であった。成形体は、不連続炭素繊維の数平均繊維長が３．４ｍｍ、不連続炭素繊維の配向度が８９％、曲げ弾性率が２３ＧＰａ、曲げ強度が３１４ＭＰａ、比剛性が１．８Ｍｍであった。
【００５８】
（比較例６）
チョップド炭素繊維Ｔ０１０−００３（東レ社製）の代わりに、数平均繊維長が１２ｍｍ、数平均繊維径が７μｍのチョップド炭素繊維Ｔ０１０−０１２（東レ社製）を用いた以外は、比較例１と同様にして、厚さが４ｍｍの成形体を得た。成形体は、不連続炭素繊維の数平均繊維長が５．５ｍｍ、不連続炭素繊維の配向度が４９％、曲げ弾性率が１０ＧＰａ、曲げ強度が１０１ＭＰａ、比剛性が０．８Ｍｍであった。
【００５９】
（実施例６）
チョップド炭素繊維Ｔ０１０−００３（東レ社製）の代わりに、数平均繊維長が４８ｍｍ、数平均繊維径が９μｍの表面がサイジング剤でコーティングされているチョップド炭素繊維ＣＳ−２５１６（Ｆｏｒｍｏｓａ  Ｐｌａｓｔｉｃ社製）を用いた以外は、実施例１と同様にして、厚さが２ｍｍの成形体を得た。プリプレグは、不連続炭素繊維の配向度が９１％であった。成形体は、不連続炭素繊維の数平均繊維長が１．２ｍｍ、不連続炭素繊維の配向度が８０％、曲げ弾性率が２４ＧＰａ、曲げ強度が２９７ＭＰａ、比剛性が１．８Ｍｍであった。
【００６０】
（比較例７）
チョップド炭素繊維Ｔ０１０−００３（東レ社製）の代わりに、数平均繊維長が４８ｍｍ、数平均繊維径が９μｍの表面がサイジング剤でコーティングされているチョップド炭素繊維ＣＳ−２５１６（Ｆｏｒｍｏｓａ  Ｐｌａｓｔｉｃ社製）を用いた以外は、比較例１と同様にして、厚さが３ｍｍの成形体を得た。成形体は、不連続炭素繊維の数平均繊維長が１．９ｍｍ、不連続炭素繊維の配向度が３１％、曲げ弾性率が１３ＧＰａ、曲げ強度が１５６ＭＰａ、比剛性が１．０Ｍｍであった。
【００６１】
表１に、成形体の製造条件を示す。
【００６２】
【表１】
0006558623.tif 000002
【００６３】
次に、成形体中の不連続炭素繊維の数平均繊維長及び配向度、成形体の曲げ特性を評価した。
【００６４】
＜チョップド炭素繊維の数平均繊維長＞
チョップド炭素繊維をスライドガラスの上に載せた。次に、チョップド炭素繊維が切れないようピンセットで解した後、チョップド炭素繊維をスケールと共に写真撮影し、チョップド炭素繊維の長さを手動で計測し、数平均繊維長を求めた。
【００６５】
＜チョップド炭素繊維の数平均繊維径＞
チョップド炭素繊維の断面を走査型電子顕微鏡を用いて撮影し、手動で繊維径を計測し、数平均繊維径を求めた。
【００６６】
＜成形体に含まれる不連続炭素繊維の数平均繊維長＞
成形体をギ酸に浸漬し、ポリアミド６を溶解させた後、濾過しながら残存したポリアミド６をギ酸で洗い流した。次に、蒸留水でギ酸を洗い流すことで不連続炭素繊維を抽出した。抽出した不連続炭素繊維をスライドガラスの上に載せた以外は、チョップド炭素繊維と同様にして、不連続炭素繊維の数平均繊維長を求めた。
【００６７】
＜プリプレグ中の不連続炭素繊維の配向度＞
光学顕微鏡を用いて、倍率を１５倍として、プリプレグの表面を二次元撮影した後、２５０個の不連続炭素繊維の方向を、押し出し方向を０°として、−９０°〜＋９０°の角度で測定した。次に、−９０°〜０°の角度を０°〜９０°に畳み込み、１０°間隔とした０〜９０°の範囲のヒストグラムを作成した後、０〜２０°の範囲に配向している不連続炭素繊維の割合を算出し、不連続炭素繊維の配向度とした。
【００６８】
＜成形体中の不連続炭素繊維の配向度＞
光学顕微鏡を用いて、倍率を１５倍として、成形体の表面を二次元撮影した後、片面当たり１２５個、合計２５０個の不連続炭素繊維の方向を、プリプレグの押し出し方向を０°として、−９０°〜＋９０°の角度で測定した。次に、−９０°〜０°の角度を０°〜９０°に畳み込み、１０°間隔とした０°〜９０°範囲のヒストグラムを作成した後、０〜２０°の範囲に配向している不連続炭素繊維の割合を算出し、不連続炭素繊維の配向度とした。
【００６９】
＜成形体の曲げ特性＞
ＪＩＳ  Ｋ  ７１７１に準拠し、圧子に対して、成形体の押し出し方向が垂直になるように、成形体を設置した後、三点曲げ試験を実施し、曲げ弾性率、曲げ強度及び比剛性を測定した。
【００７０】
表２に、成形体中の不連続炭素繊維の数平均繊維長及び配向度、成形体の曲げ特性の評価結果を示す。
【００７１】
【表２】
0006558623.tif 000003
【００７２】
表２から、実施例１〜６の成形体は、曲げ特性に優れることがわかる。
【００７３】
これに対して、比較例１、３〜７の成形体は、プリプレグを作製する代わりに、混練物を作製したため、不連続炭素繊維の配向度が低下し、曲げ特性が低下する。
【００７４】
比較例２の成形体は、不連続炭素繊維を含まないため、曲げ特性が低下する。