(57)【要約】【課題】本発明の課題は、強度特性に優れたリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートを提供することである。【解決手段】リサイクル炭素繊維と、酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維とを含有してなるリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シート。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
リサイクル炭素繊維と、酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維とを含有してなるリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維と樹脂を複合化してなる炭素繊維強化樹脂複合体は、長繊維織布、開繊織物、一方向性ウェブ、長繊維不織布、短繊維不織布等の炭素繊維布帛と、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の樹脂とを複合させた複合体である。最も一般的な炭素繊維強化樹脂複合体は、炭素長繊維布帛と熱硬化性樹脂とを複合させた複合体である。炭素繊維強化樹脂複合体は、金属材料に匹敵する強度・弾性率を有しながら、金属材料よりも比重が小さいため、部材の軽量化を図ることができ、また、発錆の問題もなく、酸やアルカリにも強いという性質を有していることから、電子機器材料、電気機器材料、土木材料、建築材料、自動車材料、航空機材料、各種製造業で使用されるロボット、ロール等の製造部品等で使用されている。しかし、その一方で、年間数万トンという規模での廃棄物の問題が生じており、炭素繊維強化樹脂複合体の廃材をリサイクルする技術が必要となっている。
【０００３】
炭素繊維強化樹脂複合体のリサイクル方法として、複合体を粉砕することによって、所定粒径の粉体を得、新たに樹脂と混合して利用する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法では、高いアスペクト比を有する炭素繊維が含有されているものの、粉砕物として単なる充填剤として利用されているので、炭素繊維の特性が充分発揮されているとは言い難い。そこで、複合体を裁断した後、５００℃から９００℃で焼結することにより、樹脂を除き、炭素繊維を短繊維の状態で取り出し、新たにポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂と複合化して利用する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、焼結温度と焼結時間の兼ね合いが難しく、炭素繊維自体も熱損傷を受けやすいという問題があった。
【０００４】
一方、炭素繊維強化樹脂複合体の廃材から得られたリサイクル炭素繊維の利用技術として、リサイクル炭素繊維を用いた炭素繊維紙が提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、この炭素繊維紙は、焼結等で得られたリサイクル炭素繊維を用いており、炭素繊維が粉末状のミルド糸や、長くても数ｍｍ程度のチョップド糸であるため、新品の炭素繊維からなるシート状物と、リサイクル炭素繊維含有シート状物を積層していて、リサイクル炭素繊維を有効活用する技術とは言い難い。
【０００５】
また、焼結等で得られた短繊維状のリサイクル炭素繊維と、他の熱可塑性樹脂よりなる短繊維とを混合して、乾式法によりウェッブを形成させ、これを熱圧で圧縮し、リサイクル炭素繊維を含有するリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートを得る方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。しかし、この方法では、リサイクル炭素繊維と熱可塑性樹脂との密着性まで考慮されておらず、リサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートの強度が不足するなどの問題を残していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４５６５４６１号公報
【特許文献２】特許第４４５２７４０号公報
【特許文献３】特開２０１３−２４９５５５号公報
【特許文献４】特表２０１３−５１９５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、強度特性に優れたリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために鋭意検討した結果、下記発明を見出した。
【０００９】
（１）リサイクル炭素繊維と、酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維とを含有してなるリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シート。
【発明の効果】
【００１０】
強度特性に優れたリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートを提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートは、リサイクル炭素繊維と、酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維とを含有してなる。
【００１２】
本発明におけるリサイクル炭素繊維とは、炭素繊維と樹脂を複合化してなる炭素繊維強化樹脂複合体から得られるリサイクル品である。炭素繊維強化樹脂複合体は、長繊維織布、開繊織物、一方向性ウェブ、長繊維不織布、短繊維不織布等の炭素繊維布帛と、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の樹脂とを複合させた複合体である。最も一般的な炭素繊維強化樹脂複合体は、炭素長繊維布帛と熱硬化性樹脂とを複合させた複合体である。炭素繊維としては、アクリル繊維を用いたＰＡＮ系やピッチを用いたピッチ系炭素繊維が挙げられる。炭素繊維強化樹脂複合体から、熱処理法、焼結法、過熱法、過熱水蒸気法等のリサイクル処理方法により、樹脂が除去されることによって得られる、短繊維状の炭素繊維がリサイクル炭素繊維である。
【００１３】
本発明では、リサイクル炭素繊維が大気下など酸素を含む気体中で熱処理されると炭素繊維自体の損傷を伴うので、窒素、アルゴン、水蒸気などの気体中で熱処理されるのが好ましい。熱処理温度としては、好ましくは４００℃から８００℃であり、更に好ましくは４５０℃から６００℃である。
【００１４】
リサイクル炭素繊維の繊維長は、原料である複合体の製造方法に依存する。例えば、炭素長繊維布帛と熱硬化性樹脂とを複合させた複合体は、熱硬化性樹脂を含浸した炭素長繊維布帛であるプリプレグを複数枚積層し、加熱して熱硬化性樹脂を硬化させることによって製造される。プリプレグの積層構成には、複合体全体の炭素長繊維が一方向に配向した配向角θが０°である一方向プライ、配向角θが０°と９０°の二方向である直交プライ、配向角＋θと−θ（０°＜θ＜９０°）が組み合わせて積層されているアングルプライ等がある。リサイクル処理では、原料である複合体を小さく裁断するため、裁断方向に対して垂直に配向する炭素繊維、水平に配向する炭素繊維、斜めに配向する繊維は、それぞれ、裁断後の繊維長が異なるので、リサイクル炭素繊維の繊維長は、このプリプレグの積層構成に依存する。本発明におけるリサイクル炭素繊維の好ましい繊維長は３ｍｍから５００ｍｍであり、より好ましくは６ｍｍから１５０ｍｍである。
【００１５】
本発明のリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートは、リサイクル炭素繊維と、酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維とを含有してなるウェッブを作製し、該ウェッブを熱圧で圧縮することによって得られる。リサイクル炭素繊維のみを含有してなるウェッブを作製しても、繊維間強度が得られないので、本発明では、酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維を併用して、ウェッブを作製する。
【００１６】
酸変性ポリプロピレンとは、ポリプロピレンを溶融状態又は溶剤に溶解させた状態で、ラジカル発生剤を用いて、無水マレイン酸を付加重合させた材料である。無水マレイン酸の付加量は、好ましくは０．１質量％から５質量％であり、より好ましくは０．２質量％から４質量％である。酸変性ポリプロピレンは、ポリプロピレンと相溶する他、ポリプロピレンとリサイクル炭素繊維との接着に寄与する。
【００１７】
酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維は、酸変性ポリプロピレン単独又は酸変性ポリプロピレンとポリプロピレンとを複合して、繊維状とすることによって得られる。酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維は、単繊維であっても良いが、芯鞘繊維であっても良異。芯鞘繊維の場合、鞘部が酸変性ポリプロピレンを含有している。
【００１８】
リサイクル炭素繊維と酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維の混合比率（質量基準）は、リサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートが多孔性を有する不織布状である場合には９：１から４：６であることが好ましく、リサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートが密なフィルム状である場合には６：４から１：９であることが好ましい。
【００１９】
酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維の繊維長は、好ましくは１０から１００ｍｍであり、より好ましくは２０から６０ｍｍである。酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維の繊維径は、好ましくは２から５０μｍであり、より好ましくは４から４０μｍである。本発明では、リサイクル炭素繊維と酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維の他に、ポリエチレン短繊維やポリプロピレン短繊維、芯部がポリプロピレンで、鞘部がポリエチレンで構成されたポリオレフィン芯鞘短繊維も併用することができる。
【００２０】
本発明のリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートは、まず、リサイクル炭素繊維と酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維をそれぞれ解繊機にて解繊した後混合し、次に、カード機等を用いてウェッブを形成し、続いて酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維の一部が溶融接着する温度域で熱処理を施して、不織布状のウェッブを作製する。その後、得られたウェッブを熱圧で圧縮することによって、リサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートが得られる。熱圧圧縮における温度は、好ましくは１５０から２３０℃であり、より好ましくは１７０から２００℃である。また、圧力（線圧）は、好ましくは５０から１０００Ｎ／ｍであり、より好ましくは１００から８００Ｎ／ｍである。本発明のリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートの目付量は、好ましくは２０から２００ｇ／ｍ２であり、より好ましくは３０から１００ｇ／ｍ２である。
【実施例】
【００２１】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。なお、実施例中における部や百分率は断りのない限り、すべて質量によるものである。
【００２２】
実施例１
（リサイクル炭素繊維の作製）
炭素繊維強化樹脂複合体（樹脂：エポキシ樹脂、θ＝４５°のアングルプライ積層板、厚み：３０ｍｍ、炭素繊維の繊維径：７μｍ）を１００ｍｍの幅で裁断し、さらに、長さ方向に３０ｍｍ間隔で裁断した。裁断後の積層板を、窒素雰囲気下で、電気炉を用いて、５５０℃で２時間処理して、リサイクル炭素繊維を作製した。得られたリサイクル炭素繊維の繊維長は、４０ｍｍから８０ｍｍであった。
【００２３】
（酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維の作製）
酸変性ポリプロピレン（商品名：アドマー（登録商標）ＱＥ８００、三井化学社製）とホモタイプポリプロピレン（商品名：プライムポリプロ（登録商標）Ｅ−１０５ＧＭ、  プライムポリマー社製）を比率１：２で、二軸混練機を用い混練し、繊維径が１８μｍとなるように、ノズルから水中に押し出して、繊維長４０ｍｍにカットして、酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維を作製した。
【００２４】
（リサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートの作製）
得られたリサイクル炭素繊維と酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維を、それぞれ解繊機にかけ、混合比２：８で、気相中で混合して、カード機中で積層配向して、１６０℃で加熱してウェッブを作製した。次に、得られたウェッブに１８０℃で線圧５００Ｎ／ｃｍで延伸しながら熱圧圧縮処理を施し、目付量９０ｇ／ｍ２、厚み１００μｍのリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートを作製した。
【００２５】
比較例１
酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維の代わりに、ポリプロピレン繊維（ダイワボウポリテック社製、繊度：２．２ｄｔｅｘ、繊維径：１８μｍ、繊維長：３８ｍｍ）を使用した以外は、実施例１と同様にして、リサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートを作製した。目付量は９０ｇ／ｍ２で、厚みは１００μｍであった。
【００２６】
＜評価＞
実施例１及び比較例１で得られたリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートを、処理方向（ＭＤ）に幅５ｃｍ×長さ２０ｃｍに裁断して、オリエンテック社製引張試験機（装置名：ＳＴＡ−１１５０）を用いて、引張強度と引張弾性率を測定し、その比較を行ったところ、引張強度比（実施例１／比較例１）が１．３であり、引張弾性率比（実施例１／比較例１）が１．５であった。酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維を用いることで、リサイクル炭素繊維と酸変性ポリプロピレン含有ポリオレフィン短繊維との密着性が増し、繊維間強度が高くなり、リサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートの強度特性が向上した。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明のリサイクル炭素繊維含有熱圧圧縮複合シートは、電子機器材料、電気機器材料、土木材料、建築材料、自動車材料、航空機材料、各種製造業で使用されるロボット、ロール等の製造部品等に利用できる。