(57)【要約】【課題】  物性を低下させることなく、炭素繊維とマトリックス樹脂の含浸性が向上した低コストな炭素繊維強化プラスチックスを提供する。【解決手段】  炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させてなる炭素繊維強化プラスチックスであって、マトリックス樹脂は、基マトリックス樹脂を、この基マトリックス樹脂よりも表面エネルギーの高い成分によって改質した改質マトリックス樹脂である。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させてなる炭素繊維強化プラスチックスであって、上記マトリックス樹脂は、基マトリックス樹脂を、この基マトリックス樹脂よりも表面エネルギーの高い成分によって改質した改質マトリックス樹脂であることを特徴とする炭素繊維強化プラスチックス。
【請求項２】
前記改質マトリックス樹脂は、熱可塑性樹脂であり、かつ、エチレン性不飽和結合含有カルボン酸もしくはその無水物をグラフト重合した改質マトリックス樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチックス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維強化プラスチックスに係り、特に、炭素繊維強化プラスチックスに用いられるマトリックス樹脂に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化複合材料の一つに、炭素繊維と樹脂からなる炭素繊維強化プラスチックス（以下、ＣＦＲＰと略称する。）がある。このＣＦＲＰを構成するマトリックス樹脂としては、一般的に広く使用されているエポキシ樹脂の他、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、アクリル樹脂などのラジカル重合系樹脂など多くの樹脂が用いられている。ＣＦＲＰに使用されている炭素繊維は、化学組成の大部分（９０％以上）が炭素よりなる繊維であり、再生セルロース、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ピッチなどから得られ、高強度炭素繊維、高弾性炭素繊維などに区別される。この炭素繊維は、軽量で、比強度および比弾性率に対して特に優れた性質を有している。加えて、耐熱性、耐薬品性にも優れていることなどから、強化材として有効であり、広範囲に用いられている。
【０００３】
しかしながら、この炭素繊維は、一般にマトリックス樹脂に対する含浸性に乏しいため、これを使用したＣＦＲＰにおいて、炭素繊維の有する優れた性質を充分に発揮させることが困難であるという不都合が生じていた。
【０００４】
マトリックス樹脂の炭素繊維に対する含浸性を改善するため、従来から様々な試みがなされてきた。例えば、マトリックス樹脂を低分子量化して樹脂粘度を下げる方法、炭素繊維束や織物を薄くする方法、および炭素繊維に対して表面処理を行い、炭素繊維の表面エネルギーをマトリックス樹脂の表面エネルギーに近づけて濡れ性を向上させる方法（例えば特許文献１〜３参照）等が挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３５５８８１号公報
【特許文献２】特開２０００−３５５８８４号公報
【特許文献３】特開２００１−３２６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、マトリックス樹脂を低分子量化して樹脂粘度を下げる方法においては、含浸性は高まる反面、熱分解温度や樹脂強度等のマトリックス樹脂の物性が低下するため、それを用いたＣＦＲＰの物性も低下する。また、炭素繊維束や織物を薄くして含浸性を高める方法においては、厚い板状体を作製することができず、厚い板状体を得る場合には薄い板状体を積層しなければならないという問題を有していた。さらに、炭素繊維に対して表面処理を行い、炭素繊維の表面エネルギーをマトリックス樹脂の表面エネルギーに近づけて濡れ性を向上させる方法においては、新たに表面処理工程を要し、サイズ剤等の原料コストの増大が問題となるばかりでなく、炭素繊維にサイズ剤を均一に付着させることが難しく、含浸性にムラが出るという問題を有していた。
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みてなされたものであり、樹脂の物性を低下させることなく、炭素繊維とマトリックス樹脂の含浸性が向上した低コストな炭素繊維強化プラスチックスを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の炭素繊維強化プラスチックスは、炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させてなる炭素繊維強化プラスチックスであって、上記マトリックス樹脂は、基マトリックス樹脂を、この基マトリックス樹脂よりも表面エネルギーの高い成分によって改質した改質マトリックス樹脂であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の炭素繊維強化プラスチックスによれば、基マトリックス樹脂に対して、この基マトリックス樹脂よりも表面エネルギーの高い成分によって改質した改質マトリックス樹脂を用いているので、マトリックス樹脂の表面エネルギーが従来のものと比較して高くなっており、炭素繊維への濡れ性が向上している。したがって、マトリックス樹脂の粘度を下げることなく炭素繊維に対するマトリックス樹脂の含浸性が向上し、結果として優れた性能を有する炭素繊維強化プラスチックスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の炭素繊維強化プラスチックスの好適な実施形態について、説明する。
本発明では、マトリックス樹脂を改質することによって表面エネルギーを増加させ、炭素繊維への含浸性の向上を図っている。表面エネルギーを増加させる手段としては特に制限されず、任意の手段を選択可能であるが、分子鎖中に官能基を持たない基マトリックス樹脂に対して、電子線や放射線を照射してラジカルを発生させて改質成分との重合を行うグラフト重合法によって官能基を導入した改質マトリックス樹脂を用いる態様が好ましい。このような基マトリックス樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂が好ましく用いられる。
【００１１】
改質のためにグラフト重合によって基マトリックス樹脂に導入される成分としては、エチレン性不飽和結合含有カルボン酸、およびその無水物が挙げられる。具体例としては、アクリル酸、メタクリル酸等のモノカルボン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸等のジカルボン酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸等のカルボン酸無水物が挙げられる。化１に、本発明の一例であるポリプロピレンに無水マレイン酸を導入した改質マトリックス樹脂の構造式を示す。
【００１２】
【化１】
2005325248.tif 000002
【００１３】
基マトリックス樹脂に対する改質成分のグラフト重合量としては、基マトリックス樹脂分子中の炭素原子数（Ｃ）と改質成分のカルボキシル基数（ＣＯＯＨ）が、下記式の範囲であることが好ましい。
４０＜（Ｃ）／（ＣＯＯＨ）＜１４００  （ポリプロピレンの場合）
２７＜（Ｃ）／（ＣＯＯＨ）＜９３０    （ポリエチレンの場合）
ポリプロピレンに無水マレイン酸をグラフト重合させた場合は、後述の実施例で示すように、無水マレイン酸の含有量が０．３〜１０重量％であれば好ましい。
【００１４】
本発明の炭素繊維強化プラスチックスに用いられる炭素繊維は、ピッチ、レーヨン、またはポリアクリロニトリル等のいずれの原料物質から製造したものでもよく、特に制限されない。また、その種類は、高強度タイプの低弾性率炭素繊維、中高弾性炭素繊維、および超高弾性炭素繊維などいずれの種類のものでもよい。さらに、その形態は、長繊維、短繊維、あるいは織物、編み物、不織布などのシート状形態を有するもの等、任意のものが使用可能である。
【００１５】
炭素繊維シート状物としては、織布、一方向配列シート、不織布、マット等、およびこれらを組み合わせたものが挙げられる。織り組織は特に限定はされず、平織り、綾織り、朱子織り等の他、これら原組織を変化させたものでもよい。また、緯糸、経糸共に上記の炭素繊維でもよく、また他の炭素繊維あるいは炭素繊維以外の繊維との混織でもよい。このような繊維としては、ガラス繊維、チラノ繊維、ＳｉＣ繊維等の無機繊維、アラミド、ポリエステル、ポリプロピレン、ナイロン、アクリル、ポリイミド、ビニロン等の有機繊維等が挙げられる。
【００１６】
本発明の炭素繊維強化プラスチックスは、これらの繊維を補強繊維として、マトリックス樹脂と複合化され、一方向プリプレグ、クロスプリプレグ、トウプレグ、短繊維強化樹脂含浸シート、短繊維マット強化樹脂含浸シート等の炭素繊維強化プラスチックスとなる。
【実施例】
【００１７】
以下、実施例および比較例を用いて本発明を具体的に説明する。
［樹脂のグラフト］
無水マレイン酸０．０３ｋｇとｔ−ブチルペルオキシベンゾエート０．０３ｋｇと結晶性プロピレン単独重合体パウダー１０ｋｇとをドライブレンドした後、ニーダー（森山製作所製）により２１０℃で溶融混練し、無水マレイン酸グラフト変性ポリプロピレン樹脂（ＰＰ−１）を得た。
【００１８】
［測定試料の作製］
ＰＰ−１を表面温度２００℃に調整したホットプレスに１ｇ載せ、５分間予熱後、５ＭＰａの圧力をかけてフィルムを作製した。
【００１９】
［表面エネルギーの測定］
あらかじめ表面エネルギーの分かっている蒸留水（和光純薬工業株式会社製）、流動パラフィン（和光純薬工業株式会社製）を上記で作製したフィルムに０．２μｌ滴下し、接触角測定器（商品名：Ｇ−Ｉ、ＥＲＭＡ  ＩＮＣ社製）を用いて接触角を測定した。測定に当たっては滴下後３０、６０、９０秒後の接触角を測定し、その回帰線から滴下直後の接触角を求めた。表面エネルギーの算出は以下の式を用いた。
γ＝γｄ＋γｐ
γｄ＝７．９５×（１＋ｃｏｓθｐ）２
γｐ＝［７２．８×（１＋ｃｏｓθｗ）−２×（γｄ×２１．８）０．５］２／２０４
（上式において、θｗは蒸留水接触角、θｐは流動パラフィン接触角である）
【００２０】
［含浸深さの測定］
オーブン（商品名：ハイテンプオーブンＰＨＨ−２００、ＴＡＢＡＩ社製）を用いて雰囲気温度２３０度に設定し、ＰＰ−１を３０ｇ入れて１時間恒温槽中で保持し溶融させた。炭素繊維織物（商品名：ＴＣＳ−Ｓ３００１、東邦テナックス社製）の目付け３００ｇを５０×５０ｍｍに切り取り、ステンレス製バットの上に、炭素繊維の織目が互いに直交するように７層積層した。この積層物の上に、外径φ２６、内径φ２２、重量１００ｇの金属製円筒を載せた。バットを恒温槽にいれ、溶融させたＰＰ−１を５ｇ注いだ。恒温槽内で５分間放置後、バットを取り出して室内にて冷却した。ＳＥＭ（商品名：Ｓ−８００、日立製）を用いて板厚方向に対する含浸深さを測定した。
【００２１】
［測定結果］
マレイン酸のグラフト量とマトリックス樹脂の表面エネルギーの関係を図１に、表面エネルギーと含浸深さの関係を図２に示した。図から明らかなように、マレイン酸のグラフトに伴いマトリックス樹脂の表面エネルギーが増加しており、表面エネルギーの増加に伴い含浸深さが深くなっている。無水マレイン酸の含有量は、０．３〜１０重量％の範囲であれば好ましい。含有量が０．３重量％未満の場合は本発明の効果が得られない。また、グラフト量を１０重量％より大きくしようとすると、マレイン酸成分が分子鎖中で立体的に干渉するため、分子鎖を切断して端部にマレイン酸をグラフトしなければならない。ただし、分子鎖を切断するとマトリックス樹脂の分子量が低下するため、所望の物性が得られず、好ましくない。
【００２２】
以上説明したように、本発明の繊維強化プラスチック用多軸積層強化材によれば、マトリックス樹脂の粘度を上げることなく含浸性を高めることができるため、樹脂の物性を下げることなく厚いマットへの含浸を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のマトリックス樹脂におけるマレイン酸のグラフト量と表面エネルギーの関係を示すグラフである。
【図２】本発明のマトリックス樹脂の表面エネルギーと炭素繊維への含浸深さの関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
2005325248.tif 000004