(57)【要約】【課題】  本発明は、炭素繊維束に熱硬化性樹脂もしくは熱可塑性樹脂を含浸した、ボイドが少なく高度な力学特性と成形流動性のバランスに優れた炭素繊維強化複合材料を提供することにより、マトリックス樹脂の含浸性を向上させ、成形時の金型への賦形性に優れた炭素繊維による繊維強化成形部材を提供することにある。【解決手段】  炭素繊維束（ａ）からなる炭素繊維複合シートであって、該炭素繊維束を形成する単繊維の繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘであり、かつ断面の長径と短径の比が１．５以上、３．０以下であり、該炭素繊維束の長さが１〜５０ｍｍである炭素繊維シートにより解決する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維束（ａ）からなる炭素繊維複合シートであって、該炭素繊維束を形成する単繊維の繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘであり、かつ断面の長径と短径の比が１．５以上、３．０以下であり、該炭素繊維束の長さが１〜５０ｍｍである炭素繊維シート。
【請求項２】
請求項１に記載の炭素繊維束と少なくとも１種類以上のほかの強化繊維束（ｂ）と含む炭素繊維複合シートであって，強化繊維束（ｂ）の長さが１〜５０ｍｍであり、炭素繊維束（ａ）を３０〜９９質量％、強化繊維束（ｂ）を１〜７０質量％含む炭素繊維複合シート。
【請求項３】
請求項２に記載の強化繊維束（ｂ）が金属繊維束、有機繊維束、無機繊維束より選ばれる少なくとも１種以上からなる強化繊維束である、請求項２に記載の炭素繊維複合シート。
【請求項４】
請求項１に記載の炭素繊維束（ａ）または請求項２に記載の炭素繊維束（ａ）と強化繊維束（ｂ）とを抄造して得られる炭素繊維複合シートの製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の抄造方法が湿式法である炭素繊維複合シートの製造方法。
【請求項６】
請求項４に記載の抄造方法がカーディング法である炭素繊維複合シートの製造方法。
【請求項７】
請求項４に記載の抄造方法がニードルパンチ法である炭素繊維複合シートの製造方法。
【請求項８】
請求項４に記載の抄造方法がローラー開繊法である炭素繊維複合シートの製造方法。
【請求項９】
請求項４に記載の抄造方法が空気開繊法である炭素繊維複合シートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維複合シートおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維、ガラス繊維などの強化繊維と熱可塑性樹脂からなる繊維強化材料は、比強度、比剛性に優れているため、電気・電子用途、土木・建築用途、自動車用途、航空機用途に広く用いられている。なかでも熱可塑性樹脂中に不連続の強化繊維を分散させた繊維強化複合材の中間基材は，力学特性が等方的であり、射出成形やプレス成形による賦形が容易で、リブ構造など複雑な形状に対応することが可能である。さらにはそれが高強度を発現するものであれば適用可能な用途は非常に多くなる。従ってこのような不連続繊維による強化繊維複合シートおよびその製造方法についてはこれまで様々な検討がなされてきた．
【０００３】
特許文献１には、強化繊維束中の単繊維の水との接触角、単繊維の表面積比、単繊維の二乗平均粗さ、および繊維長が異なる２種類以上の強化繊維束を抄造することにより、繊維分散性すぐれた強化繊維複合シートの製造方法が記載されている。
【０００４】
特許文献２には、太さの異なる２種類以上の炭素短繊維であって、最も細い炭素短繊維と最も太い炭素短繊維の太さの比が限定された炭素短繊維が、実質的に２次元ランダムな方向に分散させて有機物が結着してなる炭素繊維紙として用いられることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−３７６６８号公報
【特許文献２】特開平９−３２４３９０号公報
【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、特許文献1の方法を用いて強化繊維複合シートを製造すると、抄造時の炭素繊維の分散性がまだまだ十分ではなく、結果的に熱可塑性樹脂を含浸させた成形品も強度に劣り、外観にも問題のあるものであった。また、特許文献２には太径と細径の炭素繊維に有機繊維をバインダー成分として添加した炭素繊維紙が開示されているが、炭素繊維の径以外の条件は特に変更しておらず、繊維の分散状態についてはさらなる改造が望まれていた。
【０００７】
本発明は、炭素繊維の分散性に優れ、熱可塑性樹脂を含浸させた成形品とした場合に力学特性に優れた炭素繊維複合シート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】
本発明者らは検討を重ねた結果、炭素繊維束（ａ）を構成する単繊維の繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘであり、かつ断面の長径と短径の比が１．５以上、３．０以下である炭素繊維束を用いることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、不連続の繊維束を抄造し、炭素繊維の繊維分散性に優れる炭素繊維複合シートが得られる。かかる炭素繊維複合シートに熱可塑性樹脂を含浸して作成した成形品は樹脂の含浸が良好で、強度および外観に優れるものとなる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明で用いられる炭素繊維束（ａ）は、単繊維の繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘである。単繊維の繊維度が１．０ｄｔｅｘ以上であると湿式開繊、カーディング、ニードルパンチ、ローラー開繊、空気開繊時の炭素繊維の繊維分散性に優れ、かつ成形物の厚みが増した時の圧縮強度保持率が高くなる。単繊維の繊維度が２．４ｄｔｅｘ以下であると成形物の機械的強度が良好である。また本発明で用いられる炭素繊維束は、単繊維断面の長径と短径の比が１．５以上、３．０以下である。長径と短径の比が１．５以上であると炭素繊維複合シートへの熱可塑性樹脂の含浸が良好となる。また長径と短径の比が３．０より大きくなると炭素繊維の製造が困難となる。
【００１１】
炭素繊維束（ａ）の長さは１〜５０ｍｍであり、５〜２０ｍｍであることが望ましい。５ｍｍ未満であると熱可塑性樹脂含浸後の成形品の機械強度の低下が生じ、１ｍｍ未満であると強度の低下が著しい。また２０ｍｍより大きいと繊維分散性が低下し、５０ｍｍより大きいと繊維分散性の低下が著しい。
【００１２】
本発明の炭素繊維複合シートは炭素繊維束（ａ）と少なくとも１種類以上の他の強化繊維束（ｂ）と含んでも良い。
【００１３】
強化繊維束（ｂ）としては、金属繊維、有機繊維、無機繊維が例示される。これらのうち、アルミニウム繊維、ガラス繊維が好ましい。
【００１４】
炭素繊維束（ａ）としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、気相成長系炭素繊維、これらの黒鉛化繊維などが例示される。これらのうちＰＡＮ系炭素繊維が望ましい。
【００１５】
金属繊維としては例えば、アルミニウム、黄銅、ステンレスなど金属からなる繊維が挙げられる。有機繊維としては、アラミド、ＰＢＯ、ポリフェニレンスルフィド、ポリエステル、アクリル、ナイロン、ポリエチレンなどの有機材料からなる繊維が挙げられる。無機繊維としては、ガラス、バサルト、シリコンカーバイト、シリコンナイトライドなどの無機材料が挙げられる．
【００１６】
強化繊維束（ｂ）を構成する強化繊維は１種類であっても良いし、２種類以上であってもよい。
【００１７】
本発明では炭素繊維束（ａ）、もしくは炭素繊維束（ａ）と強化繊維束（ｂ）とを抄造を行う。抄造は，湿式法あるいは乾式法のいずれかによることができる。湿式法とは繊維束を水中で分散させ抄造する方法であり、乾式法とは繊維束を空気中で分散させ抄造する方法である。
【００１８】
湿式法による場合、炭素繊維束（ａ）、もしくは炭素繊維束（ａ）と強化繊維束（ｂ）の分散を水中で行い得られるスラリーを抄造して強化繊維シートを得ることができる。
【００１９】
乾式法による場合、炭素繊維束（ａ）、もしくは炭素繊維束（ａ）と強化繊維束（ｂ）を気相中で分散させて強化繊維シートを得ることができる。すなわち、強化繊維束を気相中で分散させて、分散後の繊維束を体積させて、強化繊維シートを得ることができる。
【００２０】
気相中での分散は、炭素繊維束（ａ）、もしくは炭素繊維束（ａ）と強化繊維束（ｂ）を非接触式で開繊し、開繊した強化繊維束を堆積させて行う方法（非接触式法）、炭素繊維束（ａ）、もしくは炭素繊維束（ａ）と強化繊維束（ｂ）を接触式で開繊し、開繊した強化繊維束を堆積させて行う方法（接触式法）の２種類がある。
【００２１】
非接触式法は、炭素繊維束（ａ）、もしくは炭素繊維束（ａ）と強化繊維束（ｂ）に固体や開繊装置を接触させることなく開繊させる方法である。例えば空気が不活性ガスなどの気体を強化繊維束に吹き付ける方法、なかでもコスト面で有利な空気を加圧して噴きつける方法が好ましい。
【００２２】
接触式法とは、炭素繊維束（ａ）、もしくは炭素繊維束（ａ）と強化繊維束（ｂ）に固体や開繊装置を物理的に接触させて開繊させる方法である。接触式法としては、カーディング、ニードルパンチ、ローラー開繊が例示されるが、このうちカーディング、ニードルパンチによることが好ましい。接触式法の実施条件は特に限定されず、繊維束が開繊する条件を適宜定めることができる。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
【００２４】
以下の実施例および比較例においては、炭素繊維束（ａ）として下記のものを用いた。
（炭素繊維）
ＰＡＮ系炭素繊維１（単繊維繊度  ０．７５ｄｔｅｘ、強度  ４１１６ＭＰａ、弾性率  ２３５ＧＰａ）
ＰＡＮ系炭素繊維２（単繊維繊度  １．２４ｄｔｅｘ、強度  ４２２６ＭＰａ、弾性率  ２２９ＧＰａ）
ＰＡＮ系炭素繊維３（単繊維繊度  ２．３４ｄｔｅｘ、強度  ３１８０ＭＰａ、弾性率  ２３４ＧＰａ）
【００２５】
以下の実施例および比較例においては、強化繊維束（ｂ）として下記のものを用いた。
ガラス繊維（日東紡製、製品名：ＰＦ−Ｅ００１）
【００２６】
（熱可塑性樹脂）
接着性ポリオレフィン樹脂（三菱化学製、製品名：ＭＯＤＩＣ  Ｐ９５８）を、３５０ｍｍ幅のコートハンガーダイを単軸押出機（ＫＧ製、製品名：ＰＭＳ−３０Ｉ）に取り付け、シリンダーおよびダイ温度２００℃で押出、フィルム巻き取り機（ＧＳＩクレオス製）で巻き取り、２００ｍｍ幅、会厚み４０μｍのフィルムを作成した。
【００２７】
（抄造方法１：湿式法）
水と界面活性剤（ナカライテクス製、ポリオキシエチレンラウリルエーテル）からなる濃度０．１質量％の分散液を作成した。これを大型のステンレスビーカーに投入し、攪拌しながら、炭素繊維束、もしくは炭素繊維束と強化繊維束を投入し、１０分間攪拌を行った。次に１００メッシュのステンレスメッシュで繊維束をろ過した。
【００２８】
（抄造方法２：カーディング法）
カーディングマシン（大元機械製、製品名：ＤＷ−Ｃ１）を用いて目付け２０ｇ／ｍ２の不織布を、有効シート幅３００ｍｍ，ライン速度１０ｍ／ｍｉｎで製造した。
【００２９】
（空気開繊法）
炭素繊維束（ａ）、もしくは炭素繊維束（ａ）と強化繊維束（ｂ）に０．９ＭＰａの加圧空気を繊維束が開繊するまで１０分間当てた。
【００３０】
（繊維分散性評価）
抄造によって得られた炭素繊維複合シートの任意の部位より、５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形状にシートを切り出して顕微鏡にて観察した。１０本以上の炭素繊維の単繊維が束状になった状態、すなわち分散が不十分な炭素繊維の束の個数を測定した。この手順で２０回の測定を行い、その平均値をもって、分散が不十分な炭素繊維の束が１個未満を◎、分散が不十分な炭素繊維の束が１個以上５個未満を○、分散が不十分な炭素繊維の束が５個以上１０個未満を△、分散が不十分な炭素繊維の束が１０個以上を×で評価した○
【００３１】
（機械強度評価）
抄造により得られた炭素繊維複合シートを２００ｍｍ×２００ｍｍに切り出して、１２０℃で１時間乾燥させた。このシートを複数枚重ねて４ｇにした後、前記の熱可塑性樹脂フィルム（４０μｍ）／炭素繊維シート（４ｇ）／熱可塑性樹脂フィルム（４０μｍ）になるよう３層積層した。これを温度２００℃、圧力３ＭＰａで５分間プレス成形して、厚さ１５０μｍのフィルムを得た。これを複数枚重ねて５５ｇになるようにし、温度２００℃、１０ＭＰａでプレス成形を５分間行い、厚さ２ｍｍの成形品を得た。この成形品を切り出して、ＪＩＳ  Ｋ７０１７に従って曲げ強度を測定した。
【００３２】
（実施例１）
ＰＡＮ系炭素繊維２をローラーカッターで２０ｍｍにカットし前記の湿式法にて炭素繊維複合シートを作成した。
【００３３】
（実施例２）
ＰＡＮ系炭素繊維３をローラーカッターで２０ｍｍにカットし前記のカーディング法にて炭素繊維複合シートを作成した。
【００３４】
（実施例３）
ＰＡＮ系炭素繊維３をローラーカッターで５ｍｍにカットし前記のカーディング法にて炭素繊維複合シートを作成した。
【００３５】
（実施例４）
ＰＡＮ系炭素繊維２とガラス繊維をローラーカッターで２０ｍｍにカットし前記のカーディング法にて炭素繊維複合シートを作成した。
【００３６】
（実施例５）
ＰＡＮ系炭素繊維２をローラーカッターで２０ｍｍにカットし前記のロール開繊法にて炭素繊維複合シートを作成した。
【００３７】
（実施例５）
ＰＡＮ系炭素繊維２をローラーカッターで２０ｍｍにカットし前記の空気開繊法にて炭素繊維複合シートを作成した。
【００３８】
（比較例１）
ＰＡＮ系炭素繊維１をローラーカッターで２０ｍｍにカットし前記の湿式法にて炭素繊維複合シートを作成した。
【００３９】
（比較例２）
ＰＡＮ系炭素繊維３をローラーカッターで１ｍｍにカットし前記のカーディング法にて炭素繊維複合シートを作成した。
【００４０】
【表１】
2013209758.tif 000002