(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続したフィラメントからなる炭素繊維束をサイジング処理及び乾燥処理して収束した後、ノズルより噴射させた高圧水を用いて切断する炭素繊維チョップの製造方法であって、前記炭素繊維束をその長手方向に間欠的に供給し、前記炭素繊維束の長手方向と前記高圧水の噴射方向とが直交するように前記ノズル又は前記炭素繊維束を走査させながら、前記ノズルより高圧水を噴射して前記炭素繊維束を切断すると共に、前記高圧水が通過できるスリットが刻んである押さえ板を、前記炭素繊維束の供給と連動させて上下させ、前記炭素繊維束の浮き上がりを防止することを特徴とする炭素繊維チョップの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭素繊維束を切断して長さの揃った炭素繊維チョップを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、炭素繊維等の繊維と各種マトリックスを混合して得られる繊維強化複合材料は、その優れた性質、即ち高強度、高弾性率、高電気伝導性、高耐摩耗性、低比重により、工業的に重要な材料として注目されている。特に、マトリックスとして、熱可塑性樹脂や、水硬性材料と炭素繊維チョップを混合して使用されるケースが急増している。
【０００３】
例えば炭素繊維を強化繊維として、マトリックスに熱可塑性樹脂を用いた繊維強化複合材料を得ようとする場合は、予め炭素繊維を１〜数十ｍｍに切断して炭素繊維チョップとし、これと熱可塑性樹脂ペレットまたはパウダーを押し出し機に投入し、溶融混練して繊維強化複合材料である混合ペレットとし、この混合ペレットを成形機にかけ、目的とする成型体を得ている。混合ペレットを得るに当たり重要なことは炭素繊維チョップが定量的に押し出し機内に供給されることである。もしそうでない場合は、吐出斑となり、一定の押し出し速度が得られず、ストランド切れが起こり、生産性が大幅に低下することとなる。この定量的供給に大きな影響を及ぼす要因として、押し出し機のホッパー部での炭素繊維チョップの食い込み性があり、これは炭素繊維チョップの収束性と密接な関係にある。
【０００４】
炭繊繊維チョップの収束性が低い場合には、ホッパー下部のスクリューと接する部分で開繊して毛羽塊となり、定量的な供給が阻害される。この他ホッパー投入前の樹脂ペレットと炭素繊維チョップとをあらかじめ混合する場合において、収束性が低いと、やはり毛羽が発生して押し出し機への定量供給性が損なわれる。これらのことから、収束性は炭素繊維チョップを評価するときの重要な指標となる。
【０００５】
ところで、こうした用途に供される炭素繊維チョップを得るには、次のような方法が一般的である。
【０００６】
まず、炭素繊維をサイズ剤に浸漬してサイズ剤を含浸させ、続く乾燥工程で水等の溶媒を除去して収束した炭素繊維を、連続的あるいは非連続的にロービングカッターやギロチンカッター等を用いて所定の長さに切断して炭素繊維チョップとしている。
【０００７】
乾燥後の炭素繊維はサイズ剤のバインダー成分のみで収束されているため、切断するとき衝撃性のせん断力がかかるとチョップ割れを生じ、この欠点は修復されないため毛羽の原因となって次の工程である押し出し機への定量供給が難しくなる。このことから明らかなように従来の炭素繊維チョップの製造では収束性を良好なレベルに保とうとするため、サイズ剤付着率を上げようとする傾向にある。しかしながら、サイズ剤付着量の上昇は、最終的なコンポジット特性の低下を招く懸念があり、好ましいものではない。
【０００８】
以上の様に、炭素繊維チョップの製造工程では収束性とコンポジット特性の面から多様な種類、付着量のサイズ剤処理が行われ、続くチョップの工程ではそれら多様なサイズ処理を施された炭素繊維束に対して安定な切断を行うことが要求される。
【０００９】
炭素繊維を切断するチョップの方法としては、軸方向に平行する多数条の切断刃を形成した切断ロールと、外周にゴムをライニングした支承ロールを相近接し、切断刃の刃先をゴム面に強く押しつけながら回転させ、これら各ロール間にトウ状繊維を所定の間隔をもって長手方向に供給し、その一端から順次ロール間に食い込ませて切断するロービングカッターを用いる方法がある。この方法では供給されるトウが丸くて太い場合には完全な切断が不可能であるため、供給前に一端を薄く押し広げ、繊維の重なりをなくすための工程を経なければならないこと、切断されたチョップの長さが不定であり品質に問題があること、さらには、ゴムライニングロールの寿命が短いという欠点を有する。
【００１０】
その他の切断方法として、ガイド及びロールを配列して供給経路の末端において、放射状に配列した複数の切り刃を有する回転刃とこれに対位する固定刃を備えた装置を用いて、両刃を接触させて供給されるトウを切断する方法があるが、この方法でも上記と同様にまず、トウを分解して繊維の重なりを極力少なくする必要があり、また、両刃は切断時の衝撃によって損耗が激しくチョップに寸法のばらつきが出るなど品質面での欠点を有する。
【００１１】
以上のように切断刃を用いる従来の技術においては、切断に伴う装置の損耗が品質に影響を及ぼすのを避けるため、頻繁に運転を停止し、メンテナンスを実施しなくてはならず、これは生産性を著しく低下させるものである。また、交換部品のコストもランニングコストとして決して無視し得ない。さらに、チョップの寸法にばらつきが出るなど品質面での欠点をも有している。
【００１２】
さらに、他の技術として、水等の液体とともに高速のミキサーを用いる方法（特開昭５０−８２３２１号公報）があるが、バッチ的な切断処理であり、また、得られたチョップはその長さが一定ではなく、分布を有するものであるため、コンポジット特性の面からは望ましいものではない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題点を解決し、炭素繊維チョップを製造するにあたり、装置メンテナンスの手間を大幅に削減すると共に、品質の良い所望の長さの炭素繊維チョップを安定して、生産性良く製造する方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、連続したフィラメントからなる炭素繊維束をサイジング処理及び乾燥処理して収束した後、ノズルより噴出する高圧水を用いて切断する炭素繊維チョップの製造方法であって、前記炭素繊維束をその長手方向に間欠的に供給し、前記炭素繊維束の長手方向と前記高圧水の噴射方向とが直交するように前記ノズル又は前記炭素繊維束を走査させながら、前記ノズルより高圧水を噴射して前記炭素繊維束を切断すると共に、前記高圧水が通過できるスリットが刻んである押さえ板を、前記炭素繊維束の供給と連動させて上下させ、前記炭素繊維束の浮き上がりを防止することを特徴とする炭素繊維チョップの製造方法に関する。
【００１５】
本発明によれば、毛羽の発生がないので、サイズ剤の種類や付着量、乾燥状態等によらず品質の良い所望の一定の長さの炭素繊維チョップを安定して得ることができる。
【００１６】
この際には、一定の長さの炭素繊維チョップを効率的に得るために、炭素繊維束をその長手方向に間欠的に供給し、この供給に同期してノズルを炭素繊維束と直交する方向に走査させながら高圧水を噴射して炭素繊維束を切断することを繰り返す。
【００１７】
また、ノズルを走査させる代わりに、炭素繊維束をその長手方向に間欠的に供給し、これと同期して炭素繊維束を炭素繊維束と直交する方向に走査させて、固定したノズルから噴射した高圧水を横切るようにして炭素繊維束を切断することを繰り返してもよい。本発明では、高圧水を噴射する際に、高圧水とともに固体粒子をノズルより噴出させてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の方法により切断する繊維束を構成する繊維は特に制限は無く、公知の各種有機合成繊維、無機繊維等を用いることができるが、本発明では、特に炭素繊維で構成された炭素繊維束を切断する。
【００１９】
有機合成繊維としては、セルロース系繊維、ポリイミド繊維、ポリアミド系繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエステル繊維、ポリオキシメチレン繊維、ポリビニールアルコール繊維、アクリル繊維、アラミド繊維、ポリエーテルエーテルケトン繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリアリレート系繊維等の公知の合成繊維が挙げられる。
【００２０】
無機繊維材質としては、ガラス繊維、アルミナ繊維、ジルコニア繊維、炭化ケイ素繊維、ボロン繊維、炭素繊維等が挙げられる。さらに、これらにニッケル、アルミニウム、銅等の金属をコーティングした金属被覆炭素繊維等が挙げられる。
【００２１】
本発明に用いられる繊維束では、用いられる収束剤として種類、量等を比較的に自由に選ぶことが可能であり、ビスフェノール型、ノボラック型、グリシジルアミン型等の汎用のエポキシ樹脂や汎用のウレタン樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂等の通常用いられるものを使用することができる。
【００２２】
繊維束の中の繊維の本数は特に制限はない。一般的な繊維の製造における、繊維の束をトウと称するが、これは通常、一束が５００〜３５０，０００本の繊維フィラメントから成る。本発明における繊維束もこれと同じである。
【００２３】
本発明で用いられる繊維束の形状は特に制限はなく、束の断面がほぼ円形であるもの、楕円形のもの、ほぼ長方形であるもの、それらの形の崩れたもの等の一般的な形状であればよい。楕円形やほぼ長方形であるもの等の場合のように縦と横の長さが異なる場合は、本発明では短い方を「厚み」、長い方を「幅」というものとする。
【００２４】
本発明では、噴射される高圧水と同方向に「厚み」方向をあわせ、ノズルの走査方向（高圧水の移動方向）または繊維束の走査方向に「幅」方向をあわせるようにして切断することが好ましい。
【００２５】
尚、複数の繊維束をさらに束にして走査方向の幅を大きくした場合には、このさらにまとめた束の走査方向の距離をもって「幅」というものとする。
【００２６】
一本の繊維束を構成する繊維フィラメントの数が多くなればなるほど、束自体は太くなり、これに伴って切断する際の繊維束の厚みが厚くなるほど切断はしにくくなる。この様な場合には高圧水噴射ノズルの走査速度を遅くすることで切断可能となるため、適宜繊維束の厚みを調整するか、ノズル走査速度または繊維束の走査速度を調整すれば良い。繊維束の厚みは、繊維の材料にも依存するが、一般的には０．１〜１０ｍｍ程度であり、炭素繊維については０．３〜５ｍｍ、好ましくは、０．４〜３ｍｍである。
【００２７】
一方、繊維束の幅とは、ノズルまたは繊維束を動かす機構が許容する限り大きくすることは可能であり、生産効率を勘案して適宜決めることができる。
【００２８】
また、高圧水噴射ノズルとしては、口径が０．０５ｍｍ〜１ｍｍ程度の公知の高圧水噴射ノズルを用いることができる。ノズルの口径は高圧水噴射圧力と密接な関係があるので、本発明においては０．１ｍｍ以上の口径を有するノズルを用いることが好ましい。
【００２９】
さらに、本発明において高圧水の圧力は４９ＭＰａ以上あれば良いが、その切断効果から、９８ＭＰａ以上が望ましい。高圧水噴射ノズルの口径と高圧水圧力は、切断しようとする繊維束を構成するフィラメント数、束の厚み等により、確実に切断がなされる様にあらかじめ選定すれば良い。
【００３０】
繊維束をその長手方向に間欠的に供給する方法としては特に制限はなく、ベルトコンベヤ、ローラーコンベヤ、ニップロール等で一定量間欠的に繊維束を送糸させる搬送手段であれば何れの手段でも構わない。繊維束の浮き上がりを防止するために、切断方向に高圧水が通過できるスリットが刻んである押さえ板が繊維束の送糸と連動して、上下する機構を具備することが好ましい。
【００３１】
高圧水噴射ノズルまたは繊維束自体を繊維束幅方向に走査するのに際し、往路、復路で各々一定量糸を送り切断してもよいし、一往復で切断してもよいし、さらには往路でカットし、元の位置に戻してカットを繰り返してもよい。
【００３２】
本発明において、高圧水とともにノズルより固体粒子を噴出させる場合に用いられる固体粒子として、通常はガーネット、けい砂、アルミナ、シリコンカーバイト等の砥粒が用いられるが、砥粒であればその種類に何ら制限はない。本方式はアブレーシブジェットと呼ばれる方式であり、切断しようとする繊維束の厚みが厚い場合など切断しにくくなる場合に本方式を用いれば良い。
【００３３】
【実施例】
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【００３４】
（実施例１）
ポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維１２，０００本から成る炭素繊維１０錘を溝ロールガイドを通した後、タッチロール方式でサイジング処理し、サイズ剤ピックアップ量８２〜８６重量％となるように調整した。ここで使用したサイズ剤は分子量４７０と２９００のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂／水系エマルジョンの混合物で、固形分濃度７重量％に調整した。
【００３５】
こうして得られた炭素繊維糸条を溝ロールガイドを用いて連続的に熱風式乾燥機を用いて乾燥しながら、その長手方向にステッピングモータにより駆動されるニップ機構により当該糸条を切断位置に間欠的に供給した。この時の乾燥後のサイズ剤付着量は５％であり、また、炭素繊維束の厚みは１．５ｍｍ、幅５０ｍｍであった。炭素繊維束の供給と同期して、炭素繊維糸条の幅方向に、口径０．２３ｍｍの高圧水噴射ノズルを走査して、高圧水を炭素繊維束に噴射し炭素繊維を切断した。これを繰り返して炭素繊維チョップを得た。このときの高圧水圧力は、２７４ＭＰａであった。一回当たりのフィード長さは、チョップの製品長さである６ｍｍ、高圧水ノズルを走査する速度は１００ｍｍ／ｓｅｃとした。
【００３６】
このようにして、ミスカット品が無く、長さの揃った品質良好な炭素繊維チョップが得られた。また１０ｋｇの炭素繊維をカットするのに、糸詰まり等のトラブルは一切発生しなかった。
【００３７】
（実施例２）
ポリアクリロニトリルを原料とする炭素繊維５０，０００本から成る炭素繊維２０錘に、実施例１と同様にしてサイジング処理及び乾燥処理を行い、切断位置に供給した。このときのサイズ剤ピックアップ量は４０〜４３重量％、乾燥後のサイズ剤付着量は３％であった。また、切断時の炭素繊維束の厚みは２，２ｍｍ、幅２００ｍｍであった。
【００３８】
この実施例では、口径０．３２ｍｍの高圧水噴射ノズルを用いて炭素繊維束の供給と同期して炭素繊維束の幅方向に走査しながら高圧水を噴射して炭素繊維を切断した。これを繰り返して炭素繊維チョップを得た。このときの高圧水圧力は、３４３ＭＰａとした。一回当たりのフィード長さは、チョップの製品長さである６ｍｍ、高圧水ノズルを走査する速度は８０ｍｍ／ｓｅｃとした。
【００３９】
このようにしてミスカットが全くなく、長さのそろった良好な品質のチョップ品が得られた。
【００４０】
（実施例３）
ウレタン樹脂をメチルエチルケトンに溶解し、濃度を３５ｇ／ｌに調節した溶液をサイズ剤とした以外は実施例２と同様にしてチョップ品を得た。このときの乾燥後のサイズ剤付着量は２．５％であった。このようにしてミスカットが全く無く、長さのそろった良好な品質のチョップ品が得られた。
【００４１】
（参考例１）
単糸径１０μｍ、収束フィラメント数約８００のガラス繊維束５本を１ｍｍピッチで移送すると同時に、それと連動して、固定した口径０．２３ｍｍの高圧水噴射ノズルから噴射される高圧水に対して、テーブル上のガラス繊維束を幅方向に走査し、切断することを繰り返してガラス短繊維を得た。切断位置における繊維束の厚みは２ｍｍ、幅は５ｍｍであった。また、このときの高圧水圧力は、２７４ＭＰａとした。
【００４２】
このようにして、ミスカット品が無く、長さの揃った品質良好な短繊維チョップが得られた。
【００４３】
（参考例２）
単糸径１２μｍ、フィラメント数３０００のアラミド繊維束２０本を幅５０ｍｍに束ね、３ｍｍピッチで移送すると同時に、それと連動してアラミド繊維束の幅方向に口径０．２３ｍｍの高圧水噴射ノズルを間欠的に走査し、ノズルから噴射される高圧水によりアラミド繊維を切断し、これを繰り返して短繊維チョップを得た。切断位置における繊維束の厚みは１．５ｍｍであった。また、このときの高圧水圧力は、３４３ＭＰａであった。
【００４４】
このようにして、ミスカット品が無く、長さの揃った品質良好な短繊維チョップが得られた。
【００４５】
（参考例３）
単糸径１２μｍ、フィラメント数３０００のアラミド繊維束２０本を幅５０ｍｍに束ね、その長手方向にステッピングモータにより駆動されるニップ機構により３ｍｍピッチで移送すると同時に、それと連動して繊維束の幅方向に口径０．２５ｍｍの高圧水噴射ノズルを走査しながら、固体粒子を含んだ高圧水を間欠的噴射してアラミド繊維を切断し、これを繰り返してアラミド短繊維を得た。切断位置における繊維束の厚みは１．５ｍｍであり、高圧水ノズルを走査する速度は１００ｍｍ／ｓｅｃであった。またこのときの高圧水圧力は２９５ＭＰａであり、固体粒子としては＃１００のガーネットを用いた。
【００４６】
このようにして、ミスカット品が無く、長さの揃った品質良好なアラミド短繊維が得られた。また１０ｋｇのアラミド繊維をカットするのに、糸詰まり等のトラブルは一切発生しなかった。
【００４７】
（比較例）
軸方向に平行する多数条の切断刃を形成した切断ロールと外周にゴム質をライニングしたロールからなるロービングカッターを用いて、実施例５と同じアラミド繊維１０本をカット長３ｍｍに切断した。このようにして得られたアラミド短繊維中には、ミスカット品が多く発生し、しかも繊維長のバラつきが大きかった。また１０ｋｇのアラミド繊維をカットするのに、糸詰まり等のトラブルが３回発生した。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の炭素繊維チョップの製造方法によれば、サイズ剤の種類や付着量、その乾燥状態によらず安定な切断が可能となるため、品質の良い所望の一定の長さの炭素繊維チョップの製造が可能となった。さらに、安定に切断を行うためのメンテナンスに要する手間およびコストも低減されるため、従来の炭素繊維チョップの製造方法に比べ工業的に極めて有利である。