JPS6235408B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は成形性、取扱い性にすぐれ、炭素繊維
による補強効果が大きい炭素繊維強化ポリフエニ
レンサルフアイド系樹脂複合材料（以下PPS―
CFRPという）の成形用繊維コンパウンドに関す
る。 従来、炭素繊維強化プラスチツク（以下CFRP
という）は、卓越した比強度、比弾性率等の機械
的特性により、各種の構造部材に広く使用されて
いる。このCFRPはその構成成分であるマトリツ
クス樹脂の物性、性能に無関係ではなく、たとえ
ばエポキシ樹脂をマトリツクスとするCFRPは炭
素繊維とマトリツクスとの接着性には優れている
が耐薬品性、耐熱性、耐炎性などは不十分であ
り、機械部品のような構造部材としては実用上必
ずしも満足されていない。また、これらの物性が
エポキシ樹脂よりも良好であるポリイミド樹脂は
価格が高く、しかも成形性が悪いという基本的な
欠陥があるのでCFRPのマトリツクスとしては実
用性に乏しい。一方、耐熱性、耐薬品性、耐炎性
に加えて熱可塑性で炭素繊維に対する接着性の良
好なポリフエニレンサルフアイド系樹脂（以下
PPSという）が知られているがこの樹脂は伸びが
小さく、耐衝撃性が低いためにマトリツクス樹脂
としては実用上問題があると云われている。すな
わち、通常炭素繊維等の補強用繊維からなるチヨ
ツプドフアイバーはマトリツクス樹脂と混練さ
れ、次いでエクストルーダーを通して押出しペレ
ツト化し、該ペレツトが複合材料の成形用素材と
して用いられるのであるが、PPSをマトリツクス
とするペレツトはコンポジツド物性、特に耐衝撃
性にすぐれた複合材料（このようなペレツトから
得られる複合材料を一般にCFRTPという）を与
えないのである。また、CFRPにおいては補強繊
維の繊維長が大きいほどCFRP成形品の強度も向
上するがPPSのような熱可塑性樹脂にくらべて粘
度が高く、繊維に対する含浸性に乏しいため、マ
トリツクスが均一に含浸されたコンポジツト物性
の良好な成形品は得難いのが普通である。そこで
このような熱可塑性樹脂をマトリツクスとする場
合には補強繊維の繊維長が1/4インチ以下のでき
るだけ短いものを用い、エクストルーダーでマト
リツクスと混練するが、炭素繊維のように剛直で
脆い繊維は混練時に切断し、得られるペレツト、
特に最終成形品のCFRTPにおける炭素繊維の補
強効果は著しく低下する。 本発明の目的は上記PPSをマトリツクス樹脂と
するCFRP用成形原料、特にPPSの優れた物性、
性能を反映し、かつ繊維長が可及的に長い炭素繊
維が均一に分布し、優れたコンポジツト物性を有
するCFRP成形用素材を提供するにある。 さらに他の目的は炭素繊維の切断が少なく、当
初のカツト長を実質的に保持した炭素繊維からな
り、成形性のみならず炭素繊維とマトリツクス樹
脂（PPS）との親和性、濡れ性のよい成形用繊維
コンパウンドを提供するにある。 このような本発明の目的は前記特許請求の範囲
に記載したように約1/4〜４インチの長さを有す
る複数本の炭素繊維をバインダーとしてPPSおよ
びポリスルホンの少なくとも１種を用いて束状に
集束した繊維コンパウンドにより基本的に達成す
ることができる。 本発明の繊維コンパウンドは繊維長が可及的に
長い、すなわち約1/4〜４インチ、好ましくは1/3
〜３インチの炭素繊維を用いる点に特長があり、
繊維長が1/4インチより短いと従来のPPS―
CFRPにくらべてコンポジツト物性の十分な向上
が期待できないし、一方４インチよりも長くなる
と成形性、特に射出およびトランスフア成形時の
成形性が低下するので好ましくない。 本発明は上記繊維長の炭素繊維を複数本、PPS
およびポリスルホンの少なくとも１種を用いて繊
維を相互に接合し束状に集合した点に大きな特徴
がある。すなわち、該炭素繊維を束状に集束する
PPSおよび／又はポリスルホンは最終製品の
CFRPのマトリツクスの一部を形成するが、
CFRPそのもののマトリツクスとしては量的に著
しく少なく、複数本の炭素繊維を相互に束状に集
束する程度、すなわち通常は繊維重量当り約５〜
35重量％好ましくは10〜30％、さらに好ましくは
10〜20％の範囲量である。 このような繊維コンパウンドはさらに前記バイ
ンダーを用いてシート状、フレーク状、ブロツク
状に結合したものでもよく、特に粉末状乃至粒状
のPPSマトリツクスを配合することにより、この
マトリツクス配合物をそのまま成形して一挙に複
合材料にすることができる。 前記繊維コンパウンドをさらにバインダーを用
いて相互に接合する際には、別に炭素繊維、ガラ
ス繊維、ボロン繊維あるいは公知のポリエステ
ル、ポリアミド等の汎用繊維からなるカツトフア
イバーを混入して一緒に接合し、シート状、フレ
ーク状、ブロツク状にしてもよい。しかしこの場
合には本発明の繊維コンパウンドが重量比で少な
くとも20重量％、好ましくは30重量％以上配合さ
れていないと、得られる複合材料のコンポジツト
特性の向上を十分に期待できない。 また、ポリスルホンをバインダーとして用いる
ときには炭素繊維をポリスルホンで結合して束状
に集束すると同時に粉末状乃至粒状のPPSと該集
束された繊維コンパウンドとをポリスルホンで結
合したものは成形性、コンポジツト物性に格段に
すぐれている。 ここで約1/4〜４インチの長さを有する炭素繊
維の集束本数としては通常1000本以上、好ましく
は1000〜150000本、特に好ましくは3000〜120000
本の範囲にするのがよい。すなわち、炭素繊維の
集束本数が余りに少ないと束状成形用コンパウン
ドの成形コストが高くなり、一方集束本数が余り
多いと成形性の低下、物性低下が大きくなり好ま
しくない。 本発明の繊維コンパウンドの製造法としては、
前述した混練のように炭素繊維を切断する方法で
はなく、所定の繊維長に保つて炭素繊維を相互に
束状に集束することができる方法であればよい。 このような製法としては、たとえば、集束した
炭素繊維の連続糸条を少なくとも300℃、好まし
くは320℃以上に加熱溶融したPPSの融液中に浸
漬したのち、所定繊維長にカツトする方法、炭素
繊維束にPPSの粉末を散布、混合し、300℃以上
に加熱してPPSを融解させ、繊維束を束状に結合
する方法、炭素繊維束をポリスルホンを溶解、又
は分散させた溶液中に浸漬するかあるいは該溶液
又は分散液をスプレーなどで散布したのち乾燥し
て束状に集束し、次いでカツトする方法などがあ
る。 さらにこれらの繊維コンパウンドからなる集合
体は該繊維コンパウンドを単独又は他の補強繊維
と共に一定の厚さに集積した後、バインダーを散
布して結合することにより得られる。さらにこれ
らの繊維コンパウンドにPPSの粉末乃至粒状物を
配合したものは、前記バインダーで束状に結合し
た繊維コンパウンドに粉末又は粒状のPPSを混入
したり、さらに前述のようにバインダー液を散布
して結合させてもよい。 かくして得られる本発明のPPS―CFRP用繊維
コンパウンドは次のような特長を有する。 (1) 圧縮、射出およびトランスフアなど各種成形
法によつてCFRP成形品とすることができ、し
かもこれら成形手段が相違してもCFRPのコン
ポジツト物性がいずれもすぐれている。 (2) CFRP中の炭素繊維の繊維長が長く、しかも
混練を行なつていないので混練によつて切断し
た短繊維が実質的に含まれておらず、相対的に
繊維長分布が均一であるからコンポジツト物
性、特に耐衝撃性の優れたPSS―CFRPが得ら
れる。 (3) 成形時に繊維コンパウンドに配合するPPSの
量、炭素繊維、ボロン繊維、ガラス繊維又は有
機繊維などの種類、量をCFRPの用途、要求特
性に応じて変更、最適化することができ、多品
種、多性能のPPS―CFRPを得ることができ
る。 なお、本発明に用いられるバインダーのPPSお
よびポリスルホンとしては米国フイリツプス・ペ
トロリアムズ社製“ライトン”（一般式

【式】）米国ユニオンカーバイド社製 “ポリスルホン”（一般式 ）、米国カーボランダム社製“ポリアリールスル
ホン”（一般式 ）、英国インペリアル・ケミカル・インダストリ
ーズ社製“ポリエーテルスルホン”（一般式

【式】）などがある。 以下、実施例により本発明をさらに具体的に説
明する。 実施例 １ ポリアクリルニトリル繊維を焼成して表面処理
して得た炭素繊維“トレカ”Ｔ―300，6K糸を10
本合糸した糸を、350℃に加熱された米国フイリ
ツプス・ペトロリアムズ社製ポリフエニレンサル
フアイド“ライトン”Ｖ―１の融液中を通して前
記炭素繊維にポリフエニレンサルフアイドを含浸
させた。次に得られたポリフエニレンサルフアイ
ド含浸炭素繊維を、長さ1/16インチから８インチ
の間で任意の長さに切断し、長さの異なる炭素繊
維の束状成形用繊維コンパウンドを得た。なお、
成形用コンパウンドの含有量は炭素繊維の重量当
り20重量％になるように、ポリフエニレンサルフ
アイドの含浸量を調節した。 そこで得られた成形用基材コンパウンドとポリ
フエニレンサルフアイドを繊維の長さ方向がラン
ダムに配向するように平板状の金型に入れ、340
℃でプレス成形して平板状の成形品を作成した。
得られた成形品の曲げ強度とアイゾツト衝撃値
（ノツチ付）を測定した。得られた結果を図１に
まとめた。この結果、繊維長が1/4インチより短
かくなると曲げ強度・衝撃値とも著しく低下し、
高物性のコンポジツトが得られないことがわかつ
た。なお、成形品中の炭素繊維の含有量は50重量
％に調整した。 実施例 ２ 実施例１で得られた繊維長の異なる束状成形用
コンポジツトとPPS粉末を混合してトランスフア
ー成形並びに射出成形を行なつた。繊維長２イン
チ以下の成形用コンパウンドについては何ら問題
なく成形出来た。４インチ長のものについては射
出成形ではスクリユウへの喰込みに多少問題があ
つたものの、トランスフアー成形では何ら問題は
認められなかつた。しかし、長さ６インチ以上の
ものについてはトランスフアー成形の場合でも繊
維の流動性が著しく悪く満足に成形出来なかつ
た。 実施例 ３ “トレカ”Ｔ―300 6K糸を長さ１インチに切
断し、厚さが６〜８mmになるようにランダムに配
列させて積重ねた上にPPSとして、“ライトン”
Ｖ―１の粉末を均一に散布した。次いで340℃に
加熱してポリフエニレンサルフアイドを溶融させ
た後１Kg／cm²の圧力で加圧して厚さ２〜３mmの成
形用コンパウンドを作成した。なおポリフエニレ
ンサルフアイドの添加量は、成形用コンパウンド
中のＷ_fが50wt％〜95wt％になるように調節して
Ｗ_fの異なる成形用コンパウンドを作成した。 次に各基材のハンドリング性をチエツクしたと
ころ、いずれもハンドリング性は良好であつた。
そこで、束状成形用コンパウンドにPPS粉末添加
してトランスフアー成形により平板状の成形品を
成形した。なお添加したPPS粉末は、最終成形品
中のＷ_fが50％になるように調整した。成形性は
いずれも良好で、得られた成形品の物性も曲げ強
度39〜42Kg／mm²、衝撃値31〜34Kg・cm／cmで、束
状成形用コンパウンド中のPPSの量に関係なくほ
ぼ一定のものが得られた。 実施例 ４ 実施例１で得られた繊維長２インチの束状成形
用コンパウンド100ｇとポリフエニレンサルフア
イド粉末40ｇを均一に混合した後、米国ユニオン
カーバイド社製“ポリスルホン”の塩化メチレン
溶液をスプレーした後加熱乾燥して束状成形用コ
ンパウンドとポリフエニレンサルフアイド粉末が
ポリスルホンで結合された成形用コンパウンドを
得た。なお成形用コンパウンド中のポリスルホン
の比率が12.5重量％になるように調整した。 次に得られた成形用コンパウンドを圧縮成形し
て平板状の成形品を作成し、物性を評価したとこ
ろ、曲げ強度40.8Kg／mm²、アイゾツト衝撃値（ノ
ツチ付）32.6Kg・cm／cmで、良好な成形品が得ら
れた。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明の成形用繊維強化樹脂基材中の炭
素繊維の繊維長と成形品のコンポジツト物性との
関係を示すグラフ、図２は同じく成形用基材中の
炭素繊維の含有量と成形品の衝撃値の関係を示し
たグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 長さが1/4〜４インチ複数本の炭素繊維が、
   ポリスルホン系重合体およびポリフエニレンサル
   フアイド系重合体から選ばれた少なくとも１種の
   バインダーで束状に集束されてなる炭素繊維集束
   体と、粉状乃至粒状のポリフエニレンサルフアイ
   ド系樹脂を必須成分とするポリフエニレンサルフ
   アイド系樹脂複合材料用コンパウンド。