(57)【要約】【課題】成形品の望ましい機械特性と成形の際の望ましい流動性とをバランス良く両立させることが可能な炭素繊維強化樹脂成形材料を提供する。【解決手段】少なくとも、炭素繊維基材とマトリックス樹脂を含む炭素繊維強化樹脂成形材料であって、炭素繊維基材が、連続炭素繊維の繊維束を切断して得られたチョップド繊維束から形成され、炭素繊維基材における全炭素繊維量に対する重量割合にてチョップド繊維束の５０〜８５％が単糸数１００本以下になるように開繊されていることを特徴とする炭素繊維強化樹脂成形材料。【選択図】図１
2016155912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、炭素繊維基材とマトリックス樹脂を含む炭素繊維強化樹脂成形材料であって、前記炭素繊維基材が、連続炭素繊維の繊維束を切断して得られたチョップド繊維束から形成され、前記炭素繊維基材における全炭素繊維量に対する重量割合にて前記チョップド繊維束の５０〜８５％が単糸数１００本以下になるように開繊されていることを特徴とする炭素繊維強化樹脂成形材料。
【請求項２】
前記チョップド繊維束の端部が、繊維束の延在方向に対し非直交方向に切断されている、請求項１に記載の炭素繊維強化樹脂成形材料。
【請求項３】
前記炭素繊維基材における炭素繊維の重量平均繊維長が５ｍｍを超え４０ｍｍ以下の範囲にある、請求項１または２に記載の炭素繊維強化樹脂成形材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維強化樹脂成形材料に関し、とくに、成形品の望ましい機械特性と成形の際の望ましい流動性とをバランス良く両立させるようにした炭素繊維強化樹脂成形材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
強化繊維としての炭素繊維を用いて樹脂を強化した炭素繊維強化樹脂には、連続繊維からなる織物や一方向シートを強化繊維基材とするものと、短繊維の炭素繊維を用いたものがある。連続繊維の強化繊維基材を用いた炭素繊維強化樹脂は、強度特性等の異方性が極めて高く、主としてその異方性を前提とした、あるいはその異方性を利用した用途に適用されている。一方、短繊維の炭素繊維からなる強化繊維基材を用いた炭素繊維強化樹脂では、この異方性を軽減可能ではあるものの、その製法によっては、相当程度の異方性が残り、かつ、発現可能な強度等の機械特性にも限界がある。
【０００３】
短繊維の炭素繊維を用いた炭素繊維強化樹脂の代表的なものとして、ＳＭＣ(Sheet Molding Compound)により成形された炭素繊維強化樹脂が知られている。炭素繊維は、工業的には通常、炭素繊維の繊維束（ストランド）として製造され、生産性や製造コスト等を考慮して、通常、単糸数が１，０００本（１Ｋ）から４８，０００本（４８Ｋ）程度までの繊維束として製造されている。上記ＳＭＣでは、このような炭素繊維の繊維束が用いられている。
【０００４】
図３に、ＳＭＣにおける炭素繊維基材の概念を示す。すなわち、ＳＭＣでは、半硬化状態の熱硬化性樹脂フィルム（シート）上に、連続繊維の炭素繊維からなる繊維束を所定の長さにカット（チョップド化）しながら、カットされた短繊維の炭素繊維からなる炭素繊維束１０１をランダムな方向に散布し、樹脂をホットプレス含浸してシート化することにより、樹脂含浸した炭素繊維基材１００が得られる（通常、半硬化樹脂と炭素繊維基材１００とのプリプレグの形態）。この炭素繊維基材１００は、一般的には連続して製造される。このようなＳＭＣのシート化工程には、炭素繊維束を開繊し、分繊する工程がないので、図中円内の炭素繊維束１０１のように、炭素繊維束が、その単糸が実質的に分繊されることなく前記所定量（１Ｋ〜４８Ｋ本）に収束されたままの状態（つまり、ストランド形態のままの状態）にあり、その分、炭素繊維の配向状態としての等方性は低い。しかし、ストランド状態であるので、繊維束としての剛性が高いため、真直状態の繊維長（上記カット長）は長くすることが可能である。その半面、ＳＭＣの特徴である加圧成形時に樹脂含浸された繊維束が、低粘度の樹脂とともにプレス圧で流され、成形体の曲面部や角部、コーナー部などで炭素繊維が曲がったり折れたりする箇所が多くなる。また、成形体の強度等の機械特性を向上するために炭素繊維の体積含有率を増大させようとしてプレス圧を強引に上げると、繊維束同士の重なりによる屈曲によって、平坦部でも繊維束の曲がりや繊維折れが発生しやすくなる。これら繊維束の曲がりや繊維折れが発生していると、その部位から破壊に繋がる亀裂が進展しやすくなり、炭素繊維強化樹脂の機械特性の向上が望めないことになる。つまり、従来一般のＳＭＣによって成形された炭素繊維強化樹脂では、強度等の機械特性の向上に限界がある。
【０００５】
また、ＳＭＣでは、多数の炭素繊維が集束された繊維束の状態のままの炭素繊維基材であるため、炭素繊維束をあるレベル以上に密集させることは困難である（プレス圧で強引に密集させようとすると、上述の問題が顕著になる）。そのため、通常繊維体積含有率増大による機械特性の向上には限界がある。また、各炭素繊維束が１Ｋ以上の単糸からなる比較的太い繊維束であるため、繊維束間の樹脂部分が比較的大きくなり、上述のような破壊の起点となる繊維束の曲がりや繊維折れが発生していると、樹脂部分で破壊に繋がる亀裂がより進展しやすくなる。この面からも、従来一般のＳＭＣによって成形された炭素繊維強化樹脂では、強度等の機械特性の向上に限界が生じる。
【０００６】
このような問題に対し、炭素繊維基材中の繊維束の９０％以上が単糸数が１００本以下となるように分繊された繊維束からなり、真直な繊維束数が全繊維束数の７０％以上であり、繊維束の配向が二次元的に擬似等方性であり、かつ、基材中の繊維束の９０％以上が単糸数が１００本以下となるように分繊された繊維束からなり、真直な繊維束数が全繊維束数の７０％以上であり、繊維束の配向が二次元的に擬似等方性であり、かつ、炭素繊維の体積含有率が３５％以上である炭素繊維強化樹脂が知られている（特許文献１）。
【０００７】
しかし、上記特許文献１に記載の炭素繊維強化樹脂では、炭素繊維束が極めて高度に分繊（開繊）されているので、強度等の機械特性は大幅に向上されるものの、繊維同士の交絡が増大するため、成形時の流動性が低下しすぎ、所望の形状に成形できない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１７４６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで本発明の課題は、上記のような従来のＳＭＣにおける問題点および特許文献１に記載の炭素繊維強化樹脂における問題点に着目し、成形品の望ましい機械特性と成形の際の望ましい流動性とをバランス良く両立させることが可能な炭素繊維強化樹脂成形材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る炭素繊維強化樹脂成形材料は、少なくとも、炭素繊維基材とマトリックス樹脂を含む炭素繊維強化樹脂成形材料であって、前記炭素繊維基材が、連続炭素繊維の繊維束を切断して得られたチョップド繊維束から形成され、前記炭素繊維基材における全炭素繊維量に対する重量割合にて前記チョップド繊維束の５０〜８５％が単糸数１００本以下になるように開繊されていることを特徴とするものからなる。
【００１１】
このような本発明に係る炭素繊維強化樹脂成形材料においては、炭素繊維基材におけるチョップド繊維束のうち、適度な割合の（つまり、重量割合にて５０〜８５％の）チョップド繊維束が、単糸数１００本以下という高度に開繊されているので、炭素繊維基材全体として、チョップド繊維束の開繊度合が、適切な範囲とされる。すなわち、全く開繊されないか、開繊度合が低すぎる場合の強度等の機械特性の向上に限界が生じるという問題と、開繊度合が高すぎる場合の成形時の流動性が低下しすぎるという問題の両方が解消もしくは軽減され、成形品の望ましい機械特性と成形の際の望ましい流動性とをバランス良く両立させることが可能になる。
【００１２】
上記本発明に係る炭素繊維強化樹脂成形材料においては、上記チョップド繊維束の端部が、繊維束の延在方向に対し直交方向に切断されている形態とすることもできるが、繊維束の延在方向に対し非直交方向に(斜めの方向に)切断されている形態とすることもできる。とくに後者の形態の場合には、成形の際の望ましい流動性を維持しつつ、成形品のより高い機械特性の実現が可能になる。
【００１３】
また、上記本発明に係る炭素繊維強化樹脂成形材料においては、上記炭素繊維基材における炭素繊維の重量平均繊維長としては、５ｍｍを超え４０ｍｍ以下の範囲にあることが好ましい。かかる範囲において、７ｍｍ以上、４０ｍｍ以下にあることがより好ましく、１２ｍｍ以上、４０ｍｍ以下にあることがさらに好ましい。この範囲に対し、炭素繊維の重量平均繊維長が短くなると、成形の際の流動性は高くなるものの成形品の機械特性が低下する傾向にあり、炭素繊維の重量平均繊維長が長くなると、成形品の機械特性は比較的高く維持可能であるものの成形の際の流動性が低下する傾向にある。前述の如くチョップド繊維束の開繊度合が適切な範囲とされるとともに、炭素繊維の重量平均繊維長を好ましい範囲内に納めておくことにより、より確実に、成形品の望ましい機械特性と成形の際の望ましい流動性とをバランス良く両立させることが可能になる。
【発明の効果】
【００１４】
このように、本発明に係る炭素繊維強化樹脂成形材料によれば、炭素繊維基材中の適切な割合のチョップド繊維束が、適度な度合で開繊されていることにより、成形品の望ましい機械特性と成形の際の望ましい流動性とをバランス良く両立させることができ、それら機械特性と流動性とをともに目標とする範囲内の特性として実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】チョップド繊維束の開繊度合が異なる各炭素繊維基材（（Ａ）〜（Ｄ））の概略部分平面図である。
【図２】チョップド繊維束の開繊度合が異なる各炭素繊維基材（（Ａ）〜（Ｄ））を用いた成形品の曲げ強度の概略比較図である。
【図３】従来のＳＭＣにおける炭素繊維基材の一例を示す概略部分平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明に係る炭素繊維強化樹脂成形材料では、少なくとも、炭素繊維基材とマトリックス樹脂が含まれ、炭素繊維基材が、連続炭素繊維の繊維束を切断して得られたチョップド繊維束から形成され、炭素繊維基材における全炭素繊維量に対する重量割合にてチョップド繊維束の５０〜８５％が単糸数１００本以下になるように開繊されている。
【００１７】
ここで、単糸数１００本以下になるように開繊されているチョップド繊維束の割合を確認する手法として、特に限定はされないが、例えば次のような手法が挙げられる。すなわち、炭素繊維強化樹脂成形材料から、１００ｍｍ×１００ｍｍのサンプルを切り出し、切り出したサンプルを電気炉中で１〜２時間程度加熱し、マトリックス樹脂等の有機物を焼き飛ばす。こうして得られた炭素繊維基材単体の重量を測定する。その後、ピンセット等を用いて、炭素繊維基材から、炭素繊維基材中のチョップド繊維束を採取し、重量を測定する（束重量）。また同時に０．１ｍｍまで測定可能なノギスを用いて、繊維長を測定する。すると次式から、取り出したチョップド繊維束を構成する炭素繊維の単糸数を算出することができる。
（単糸数）＝（束重量）／｛（炭素繊維単糸の繊度）×（繊維長）｝
上記の操作を取り出した炭素繊維基材中のチョップド繊維束全てに対して行い、単糸数を測定し、単糸数１００本を超えるチョップド繊維束の重量の総和を算出する。そして次式より、炭素繊維基材中に存在する単糸数１００本以下のチョップド繊維束の割合を算出することができる。
（単糸数１００本以下のチョップド繊維束の割合）＝｛１−（単糸数１００本を超えるチョップド繊維束の重量の総和）／（炭素繊維基材の重量）｝×１００
【００１８】
本発明における上記マトリックス樹脂としては特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリアミド、ポリアセタール、ポリアクリレート、ポリスルフォン、ＡＢＳ、ポリエステル、アクリル、ポリブチレンテレフタラート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー、塩ビ、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、シリコーンなどの熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００１９】
上記炭素繊維基材におけるチョップド繊維束の開繊度合を概念的に示せば、例えば図１に示すようになる。図１（Ａ）は、チョップド繊維束が適切に開繊され、一部がチョップド繊維束として残存した本発明に係る炭素繊維基材１の一例の概略部分平面を示しており、図１（Ｂ）は、前述の従来のＳＭＣにおける炭素繊維基材１００の一例の概略部分平面を示しており、図１（Ｃ）は、従来のＳＭＣに比べ開繊は行われるものの開繊度合が本発明に比べて低すぎる炭素繊維基材１１０の一例の概略部分平面を示しており、図１（Ｄ）は本発明で規定したチョップド繊維束の開繊度合よりも高い開繊度合の炭素繊維基材１２０の一例の概略部分平面を示している
【００２０】
このようなチョップド繊維束の開繊度合は、例えば、エアレイドやカーディングによってコントロール可能であるが、エアレイドのみで高度に開繊させることは困難であるので、本発明で規定したような比較的高度な開繊度合を達成するためには、カーディングによることが好ましい。カーディングは、例えば、紡績工程で用いられるカード機に、炭素繊維ストランド（１Ｋ〜４８Ｋ糸）を所定の繊維長に切断したチョップド繊維束を所定量投入することにより実施できる。開繊度合が目標値に比べ低い場合には、再度カード機に掛けて、より高度なレベルまで開繊することができる。
【００２１】
上記の如く炭素繊維ストランドを所定の繊維長に切断してチョップド繊維束を形成する際には、通常は、チョップド繊維束の端部が繊維束の延在方向に対し直交方向となるように切断刃によって切断するが、繊維束の延在方向に対し非直交方向に切断することもできる。非直交方向としては、繊維束の延在方向に対し、斜めの方向に直線的に切断することも可能であり、湾曲形状にて切断することも可能である。湾曲形状での切断は、繊維束の延在方向に対し、直交方向、斜めの方向のいずれの方向にも可能である。斜めの方向への切断により、前述の如く、成形の際の望ましい流動性を維持しつつ、成形品のより高い機械特性の実現が可能になる。
【００２２】
なお、チョップド繊維束の端部が繊維束の延在方向に対し直交方向となるように切断刃によって切断された場合、束としての長さ、すなわちチョップド繊維束の両末端の間隔と、繊維束を構成する炭素繊維単糸の長さが等しくなる。しかし、繊維束の延在方向に対し非直交方向に切断した場合、チョップド繊維束の束としての長さと繊維束を構成する炭素繊維単糸の長さが異なる場合がある。
【００２３】
ここで本発明における「繊維長」とは、束としての長さではなく、あくまで束を構成する炭素繊維単糸の長さを指す。したがって、前述の重量平均繊維長を算出に際しては、非直交方向に切断したチョップド繊維束の場合、束を構成する炭素繊維単糸の長さを用いて算出する。なお、重量平均繊維長の算出は公知の手法によって算出することができる。
【００２４】
上述のように炭素繊維基材におけるチョップド繊維束の開繊度合を高めることにより、成形の際の流動性は低下する傾向にあるが、成形品の機械特性が高められる。例えば図２に、チョップド繊維束の開繊度合が異なる各炭素繊維基材（（Ａ）〜（Ｄ））を用いた成形品の曲げ強度の概略比較を示す。図２における（Ｂ）は、図１（Ｂ）の形態に対応した、従来のＳＭＣにおける炭素繊維基材を使用した成形品の曲げ強度を示しており、図２における（Ｃ）は、図１（Ｃ）の形態に対応した、従来のＳＭＣに比べ開繊は行われるものの開繊度合が本発明に比べて低すぎる炭素繊維基材使用した成形品の曲げ強度を示しており、図２における（Ａ）は、本発明で規定した適切なチョップド繊維束の開繊度合の炭素繊維基材を使用した成形品の曲げ強度を示しており、図２における（Ｄ）は、図１（Ｄ）の形態に対応した、本発明で規定したチョップド繊維束の開繊度合よりも高い開繊度合の、例えば前述の特許文献１における炭素繊維基材を使用した成形品の曲げ強度を示している。
【００２５】
図２に示すように、炭素繊維基材におけるチョップド繊維束の開繊度合が高められるほど、成形品の機械特性が高められる。しかし前述したように、チョップド繊維束の開繊度合が高められすぎると、成形品の機械特性は高められるものの、成形の際の流動性が低下する傾向にある。本発明に係る炭素繊維強化樹脂成形材料では、炭素繊維基材中の適切な割合のチョップド繊維束が適度な度合で開繊されていることにより、成形品の望ましい機械特性と成形の際の望ましい流動性とがバランス良く目標範囲内の特性として満足される。このことを、実施例、比較例に基づいて以下に説明する。
【実施例】
【００２６】
後述の表１、表２(実施例１〜６、比較例１〜３)に示すように、炭素繊維基材における、重量平均繊維長、チョップド繊維束の開繊度合、チョップド繊維束の切断端部形状、繊維束延在方向と切断部のなす角が異なる炭素繊維基材に、マトリックス樹脂［ＶＥ−１］としてビニルエステル樹脂（ ダウ・ケミカル（株）製“デラケン” （登録商標））１００重量部、硬化剤として、ｔｅｒｔ−ブチルパーオキシベンゾエート（日本油脂（株）製、“パーブチルＺ”（登録商標））１重量部、増粘剤として、酸化マグネシウム（協和化学工業（株）製“ＭｇＯ＃４０”）７重量部を配合したものを含浸した炭素繊維強化樹脂成形材料を作製し、成形品の機械特性としての曲げ強度および曲げ弾性率と成形の際の流動性を評価した。なお、炭素繊維強化樹脂成形材料における炭素繊維基材中の１００本以下に開繊されたチョップド繊維束の割合、曲げ強度、および流動性の評価方法は以下の通りである。
【００２７】
（１）炭素繊維基材中の１００本以下に開繊されたチョップド繊維束の割合
炭素繊維強化樹脂成形材料から、１００ｍｍ×１００ｍｍのサンプルを切り出し、切り出したサンプルを電気炉中で６００℃、１．５時間加熱し、マトリックス樹脂を焼き飛ばした。こうして得られた炭素繊維基材単体の重量を測定し、その後、ピンセット等を用いて、炭素繊維基材から、炭素繊維基材中のチョップド繊維束を採取し、重量を測定した（束重量）。また同時に０．１ｍｍまで測定可能なノギスを用いて、繊維長を測定した。そして次式から、取り出したチョップド繊維束を構成する炭素繊維の単糸数を算出した。
（単糸数）＝（束重量）／｛（炭素繊維単糸の繊度）×（繊維長）｝
上記の操作を取り出した炭素繊維基材中のチョップド繊維束全てに対して行い、単糸数を測定し、単糸数１００本を超えるチョップド繊維束の重量の総和を算出した。そして、次式より、単糸数１００本以下に開繊されたチョップド繊維束の割合を算出した。
（単糸数１００本以下に開繊されたチョップド繊維束の割合）＝｛１−（単糸数１００本を超えるチョップド繊維束の重量の総和）／（炭素繊維基材の重量）｝×１００
【００２８】
（２）曲げ強度の評価方法
ＪＩＳ  Ｋ７０７４に準拠して測定した。得られた曲げ強度の値について、下記判定基準に基づき評価し、△以上を本発明においては合格とした。
◎：４００ＭＰａ以上
○：３７０〜３９９ＭＰａ
△：３４０〜３６９ＭＰａ
×：３４０ＭＰａ未満
【００２９】
（３）流動性の評価方法
凹凸部（厚さ１ｍｍ）とリブ（厚さ２ｍｍ）形状を有する平板金型に、炭素繊維強化樹脂成形材料をチャージ率５０％で配置し、プレス成形によって、成形品を得た。得られた成形品について、下記判定基準に基づき評価し、△以上を本発明においては合格とした。
◎：欠肉なし、シワのない平滑な表面を有する。
○：欠肉なし、表面に一部微小なシワが存在。
△：欠肉は存在しないものの、表面に一部皺シワや膨れが存在。
×：成形品に欠肉が存在する。
【００３０】
【表１】
2016155912.tif 000003
【００３１】
【表２】
2016155912.tif 000004
【００３２】
表１、表２から分かるように、炭素繊維基材における全炭素繊維量に対する重量割合にて、単糸数１００本以下になるように開繊されているチョップド繊維束の割合が５０〜８５％の範囲にある場合(実施例１〜６)には、成形品の望ましい機械特性と成形の際の望ましい流動性とをバランス良く両立させることができ、とくにチョップド繊維束の端部が、繊維束の延在方向に対し斜めの方向に切断されている場合(実施例３、４)には、良好な流動性を維持しつつより高い機械特性を達成できる。
【００３３】
これに対し、炭素繊維基材における全炭素繊維量に対する重量割合にて、単糸数１００本以下になるように開繊されているチョップド繊維束の割合が本発明で規定した割合の範囲未満の場合(比較例１、２)には、優れた流動性は得られるものの高い機械特性を達成することが困難であり、単糸数１００本以下になるように開繊されているチョップド繊維束の割合が本発明で規定した割合の範囲よりも高い場合(比較例３)には、高い機械特性は達成できるものの優れた流動性を得ることが困難であった。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明に係る炭素繊維強化樹脂成形材料は、あらゆる分野の成形に適用できる。
【符号の説明】
【００３５】
１、１００、１１０、１２０  炭素繊維基材
１０１  炭素繊維束
【図１】
2016155912.tif 000005
【図２】
2016155912.tif 000006
【図３】
2016155912.tif 000007