(57)【要約】【課題】炭素繊維を使用して、全く新規な実用性あるシート及びそれを補強材として使用した強化プラスチックを提供する。【課題手段】直径１０μｍ以下の炭素繊維モノフィラメントを単糸として使用し、１インチ間に５〜１５００本の密度で編織し又は一方向に引き揃えてシートとした。このシートは生体適合性ある又は導電性ある超薄シートとして、精密機器及び医療分野などに幅広く実用化できる。また、かかる炭素繊維モノフィラメントからなる厚さ２０μｍ以下というような超薄シートで補強した強化プラスチックは、厚さ０．５ｍｍ以下というような薄さでも、適度の強度を有し、しかも電導性、熱線吸収能、Ｘ線透過性、熱伝導性、吸着能などの機能性あるシートとなる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径１０μｍ以下の炭素繊維モノフィラメントを単糸として使用し、１インチ間に前記モノフィラメントを５〜１５００本の密度で有する炭素繊維製シート。
【請求項２】
前記シートが、前記炭素繊維モノフィラメントの織編又は一方向引き揃えにより得られたものであり、厚さが２０μｍ以下である請求項１の炭素繊維製シート。
【請求項３】
請求項１又は２の炭素繊維製シートを補強材として、樹脂に複合化させてなる強化プラスチック。
【請求項４】
強化プラスチックの厚さが０．５ｍｍ以下である請求項３の強化プラスチック。
【請求項５】
前記シートが直径１０μｍ以下の炭素繊維モノフィラメントを単糸として、１インチ間に５〜１５００本の密度で一方向に引き揃えたものである請求項３又は４の強化プラスチック。
【請求項６】
前記シートが、前記炭素繊維モノフィラメントを単糸として、１インチ間に８〜２００本の密度で一方向に引き揃えたものを角度変化させて、２〜４層積層したものである請求項５の強化プラスチック。
【請求項７】
強化プラスチックが透明である請求項３〜６いずれか１項の強化プラスチック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維モノフィラメントを単糸として使用した炭素繊維製シートとその用途に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は、金属等に比べて比重が小さく、弾性率が高く、熱伝導性があり、耐薬品性や耐熱性に優れ、生体適合性があり、導電性や電磁波シールド性などにも優れるという利点があるため、非常に幅広い用途に使用されている。
【０００３】
一般に、炭素繊維はマルチフィラメント糸として供給され、一方向繊維や織物にして使用されることが多く、繊維の引張強度や引張弾性率は大きいが、ループ強度や結節強度が小さく、折れやすいという欠点がある。そのため、布帛形成には、例えば特許文献１に示されるように、通常、１Ｋ〜２４Ｋ程度の繊維束としてプリプレグ製造用の織物などに使用されることが多く、炭素繊維モノフィラメントを、単糸として使用したり、厚さ１００μｍ以下のシート状に形成したりすることはなかった。
【特許文献１】特開２００３−２６８６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、このような炭素繊維を、モノフィラメント単独として使用し、全く新規なシート及び用途を開発することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、炭素繊維を、直径１０μｍ以下のモノフィラメントとして使用し、これを単糸として、１インチ間に５〜１５００本の密度で有する炭素繊維製シートとすることによって、上記課題を解決した。
【０００６】
かかる本発明では、厚さ２０μｍ以下というような従来になく極めて薄いシート（モノフィラメントを織編したもの、又は一方向に引き揃えてシート状としたもの等）を得ることが可能であり、かかる超薄シートは、黒色の炭素繊維モノフィラメントからなるため、周囲に同化して、通常では視認できなくなるという意味で、透明性あるシートとなるが、高強度、高弾性率、熱伝導性、Ｘ線透過性、熱線吸収能、吸着能など炭素繊維本来の性能を十分に発揮しうるものである。
【０００７】
更に、かかるシートで補強した極薄強化プラスチックは、ＩＴ関連電子機器など超精密分野等で、用途展開が可能となる。例えば、炭素繊維で補強した強化プラスチックを、厚さ０．５ｍｍ以下、特に０．２ｍｍ以下という非常に薄いシートとして得ることも可能である。
【０００８】
なお、本発明で使用する炭素繊維モノフィラメントの直径は、１０μｍ以下であればよく、通常３μｍ以上、特に５〜１０μｍ、７〜８μｍ程度であるのが好ましい。
【０００９】
かかる炭素繊維モノフィラメントを用いたシートは、織物であっても、編物であってもよく、レースやネット状のものであってもよい。また、モノフィラメントの一方向引き揃えによるものであってもよい。通常、炭素繊維モノフィラメントを単糸として、１インチ間に５〜１５００本の密度で有するようにするのが好ましく、特に８〜１０００本程度の密度であるのが好ましい。なお、透明性と補強性を兼ね備えたシートとしては、モノフィラメントの密度が、１インチ間に８〜２００本程度の密度であるのが好ましい。
【００１０】
本発明の炭素繊維モノフィラメントからなるシートは、強化プラスチックの補強材として樹脂と複合化して有効に使用できるが、これは、炭素繊維モノフィラメントからなるシートに、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、アクリル樹脂等の熱硬化性樹脂や、ナイロン、ポリオレフィン、ポリエステル等の熱可塑性樹脂を含浸させ、又は積層して、極薄のシート状の強化プラスチックとすることができるのである。また、そのプリプレグを用いてパイプ状など３次元形状を有する強化プラスチック製品を得ることも可能である。なお、かかる強化プラスチックの製造に当たっては、炭素繊維モノフィラメントを前記密度で一方向に引き揃えて、補強材として使用することもできる。
【００１１】
炭素繊維モノフィラメントを一方向に引き揃えたシートは、一層で使用しても、二層以上の積層材として使用してもよいが、二層以上積層する場合には、第一層と第二層のモノフィラメントの引き揃え方向が、３０〜９０度となるように角度変化させて積層することで、擬似等方的な強度を得ることができ、好ましい。更に、透明性ある製品を得るためには、二〜四層であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のシートは、炭素繊維からなるため、寸法安定性に優れ、機械的強度にも優れ、また、生体親和性、化学安定性、耐熱性、導電性など優れた特性を有するものである。しかも、炭素繊維を非常に細いモノフィラメントとして使用しているため、目視できないような超薄の布帛とすることができ、その結果、生体適合性繊維材料として、細胞成長を阻害せず、超高強度で、かつ柔軟性を有し、しかもその使用を目視的に感知させない状態で、非常に有効に使用可能となる。
また、本発明の厚さ２０μｍ以下というような超薄シート（布帛又は炭素繊維モノフィラメントの一方向引き揃え材）で補強した強化プラスチックは、厚さ０．５ｍｍ以下というような薄さでも、適度の強度を有し、しかも電導性、電波遮蔽性、熱線吸収能、Ｘ線透過性、熱伝導性、吸着能などの機能性あるシートとして、ＩＴ関連電子機器など超精密機器の分野等で、広く使用されるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施例１
直径７μｍの炭素繊維モノフィラメントを、経緯にそれぞれ１２本／インチの密度で平織組織の織物とした。この織物は、１０名のモニター確認によって、１０名全てがその存在を視認できなかった。
この織物を生体適合性ある癒着防止膜として使用した。
【００１４】
実施例２
直径７μｍの炭素繊維モノフィラメントを、経緯にそれぞれ２４本／インチの密度で平織組織の織物とした。
この織物に、シリコン樹脂を含浸して、厚さ０．２ｍｍの強化プラスチックとした。これは耐熱性ある電導シートとして効果的に使用できた。
【００１５】
実施例３
直径７μｍの炭素繊維モノフィラメントを、経緯にそれぞれ１ｍｍピッチ（１ｃｍ間に１０本）の密度で綾織組織の織物とした。この織物も、その存在を視認できない薄布となり、実施例１のものと同様、生体適合性ある癒着防止膜として使用できた。
更に、同様の炭素繊維モノフィラメントを使用して、経緯にそれぞれ０．５ｍｍピッチ（１ｃｍ間に２０本）及び０．２ｍｍピッチ（１ｃｍ間に５０本）の密度で、綾織物を製造した。これらは、シリコン樹脂を含浸して、強化プラスチックとして、実用化できた。
【００１６】
実施例４
直径７μｍの炭素繊維モノフィラメントを、経緯にそれぞれ１ｍｍピッチ（１ｃｍ間に１０本）、０．５ｍｍピッチ（１ｃｍ間に２０本）、０．２ｍｍピッチ（１ｃｍ間に５０本）の密度で、平織物とし、それぞれに、母材樹脂として１５−２０重量％に溶剤希釈したアクリルポリウレタン樹脂（大日本塗料製のＶトップクリア）を含浸した後、常温で２０時間硬化させて、厚さ５９−８４μm の炭素繊維／樹脂極薄シートを得た。
本発明に従った布帛を補強材とした、極薄強化プラスチックは、ヤング率が大きく、熱伝導性（放熱性）にも優れていた。しかし、比較例の樹脂シートでは、良好な放熱性が得られなかった
なお、製造した強化プラスチックの種類を下記に示す。
.          平織物                  強化プラスチック（樹脂シート）
.        ピッチ（ｍｍ）                厚さ（μｍ）
.         １                      ５９、６０、６１、６５、６３、６７ 
.         ０．５                  ７１、７０、６９、７３、７５、７１ 
.         ０．５                  ７１、７０、６９、７３、７５、７１ 
.         布帛なし（比較例）      ５０、４９、５１、４７、４８、４８ 
【００１７】
実施例５
直径７μｍの炭素繊維モノフィラメントを０．５−０．１ｍｍピッチで一方向に引揃えたＵＤ材を用いて、母材樹脂としてエポキシ樹脂（ジャパン エポキシ レジン社製のエピコート８２８)、硬化剤として脂環式ポリアミン(ジャパン エポキシ レジン社製のエピキュア１１３）を３２ｐｈｒ及び柔軟剤を配合したものを、１０−１５重量％に溶剤希釈し、前記ＵＤ材に含浸させた後、４５℃にて４０分間保持することで、Ｂステージ化した炭素繊維モノフィラメントプリプレグを得た。このプリプレグを±９０度方向に４層積層させて、１６０℃、１−２ＭPaの低圧で真空バグ成形することにより、炭素繊維／樹脂極薄積層体を得た。
０．１ｍｍピッチ材による極薄積層体は、精密回転体の微小治具の補強部材として有用であった。
製造した積層体の種類を下記に示す。
.      フィラメント引き揃え                積層体
.      ピッチ（ｍｍ）                    厚さ（μｍ）
.         ０．５              １９０、１８０、２０８、２１０、１９９、２２０ 
.         ０．２５            ２４１、２３２、２２８、２４０、２３９、２４３ 
.         ０．１              ３０８、２９９、３１０、３１５、２８８、２８５ 
【００１８】
実施例６
直径７μｍの炭素繊維モノフィラメントによる平織クロス（ピッチ：１ｍｍと２ｍｍ）１層を用いて、母材樹脂として１５−２０重量％に溶剤希釈したアクリルポリウレタン樹脂（大日本塗料製のＶトップクリア）を含浸後、常温で２０時間硬化させることで、厚さ５１μｍと５４μｍの炭素繊維モノフィラメント平織クロス／樹脂極薄シートを得た。
次表に示したヤング率（引張弾性率）にみられるように、樹脂のみの極薄シート（比較例）と比較して補強効果が認められた。また、ヘイズ値は何れも比較例同様、１０％以下を維持し透明性が確保されていた。
【００１９】
．        試験体                    厚さ(μｍ)    ヘイズ値(%)  ヤング率(MPa)  
炭素繊維モノフィラメント平織クロス       51           2.9          2120
（１ｍｍピッチ）／透明樹脂シート
炭素繊維モノフィラメント平織クロス       54           2.6          1290
（２ｍｍピッチ）／透明樹脂シート
透明樹脂シート（比較例）                 64           2.2          1090
【００２０】
実施例７
直径7μmの炭素繊維モノフィラメントを０．５ｍｍピッチ又は０．３ｍｍピッチで一方向に引揃えたＵＤ材を用いて、１５−２０重量％に溶剤希釈したアクリルポリウレタン樹脂（ロックペイント製のマルチトップクリヤーMR）を含浸後、６０℃で１０時間硬化させることで、厚さ４９μｍ又は５１μｍのUD炭素繊維／樹脂極薄シートを得た。本極薄シートは０．５ｍｍピッチ又は０．３ｍｍピッチのUD炭素繊維モノフィラメント材を用いて補強しているため、その外観は透明性を維持しており、かつ次表に示した繊維軸方向の引張試験により得られたヤング率（引張弾性率）にみられるように、樹脂のみの極薄シート（比較例）と比較して補強効果が認められた。透明性についてもヘイズ値が示すとおり何れも確保されていた。
【００２１】
.         試験体                     厚さ(μm)   ヘイズ値(%)  ヤング率(MPa)
一方向炭素繊維モノフィラメント           49         3.8           1260
(0.5mmピッチ)／透明樹脂シート
一方向炭素繊維モノフィラメント           51         4.1           1780
(0.3mmピッチ)／透明樹脂シート
透明樹脂シート（比較例）                 52         2.2           990
【００２２】
実施例８
直径7μmの炭素繊維モノフィラメントを０．５ｍｍピッチで一方向に引揃えたＵＤ材を第１層とし、第２層は第１層と直交（若しくは±３０〜４５度方向でも良い）するように引揃えることにより得られた炭素繊維モノフィラメント異方向引揃２層（同様に３層以上も可であるが極薄かつ透明性を確保するためには２〜４層が好ましい）積層材を用いて、１５〜２０重量％に溶剤希釈した透明アクリルポリウレタン樹脂（ロックペイント  マルチトップクリヤーMR）を含浸製膜後、６０℃で１０時間硬化させることで、厚さ５５〜６２μｍの異方向引揃２層炭素繊維モノフィラメント／樹脂透明極薄シートを得た。繊維軸方向（０度方向）と繊維軸と直交方向（９０度方向）の引張試験を行った。それぞれの引張強度を次表に示す。この表に見られるように、一方向繊維／樹脂シート材は、強度に異方性が見られるのに対して、異方向引揃２層繊維／樹脂シート材には、０、９０度方向において強度に異方性が認められなかった。また、ヘイズ値についても比較例（実施例７の比較例−透明樹脂シート−参照）同様、１０％以下を維持し透明性が確保されていた。
【００２３】
．      試験体                         厚さ   ヘイズ値  引張強度    引張強度 
(μｍ)   (%)     (0度/MPa)  (90度/MPa)
異方向引揃２層炭素繊維モノフィラメント  55      5.1       32.5         31.8
(0. 5mmピッチ)／透明樹脂シート
一方向炭素繊維モノフィラメント          49      3.8       35.8          7.8
(0.5mmピッチ)／透明樹脂シート