JPH0641524B2

JPH0641524B2 - 繊維含有塊状樹脂組成物およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0641524B2
Application number: JP63090769A
Authority: JP
Inventors: 均之稲守; 覚浜岡; 彰啓蜂谷
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1987-04-17
Filing date: 1988-04-12
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2009-06-01
Also published as: JPS6426652A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、繊維含有塊状樹脂組成物およびその製造方法
に関する。本発明の繊維含有塊状樹脂組成物は、樹脂、
ゴムなどと強化材とからなる複合材料における強化材と
して、有用である。

従来技術とその問題点炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などは、樹脂、セ
メントなどに導電性を付与したり、その機械的性質、成
形寸法安定性などを改善するために、使用されている。
炭素繊維を例としてより具体的に説明すれば、樹脂、セ
メントなどの材料の強度向上のみならず、導電性の付
与、摺動性の向上などを主な目的として、カップリング
剤による処理を行った繊維長１mm以下のものを複合相手
の母材に配合している。この様な物性の向上は、付与さ
れたカップリング剤が母材と炭素繊維との密着性を改善
することにより、達成される。従来のカップリング剤に
よる炭素繊維の表面処理は、長繊維、マット状、トウ状
などの形態の炭素繊維にカップリング剤を含有する液を
付与した後、乾燥し、ボビンに巻き取り、切断して、短
繊維とすることにより、行われている。しかしながら、
この様な従来技術による炭素繊維の表面処理には、以下
の如き欠点がある。

（イ）カップリング剤による処理後に炭素繊維の切断を
行うので、切断端面には、カップリング剤が付与されな
い。従って、複合材料の物性改善が十分に行われない。

（ロ）炭素繊維の切断時に粉塵が発生するので、作業環
境を悪化させる。

（ハ）炭素繊維は、導電性なので、短繊維加工機の操作
盤、周辺のスイッチボックスなどを密閉構造として、漏
電、感電などを防止する必要がある。

上記の問題点は、（ハ）を除いて、ガラス繊維およびア
ラミド繊維についても、該当する。

また、炭素短繊維の樹脂への配合を例にとるならば、炭
素短繊維は、通常下記の如きペレット化工程を経た後、
樹脂に混入配合されているが、それぞれやはり問題点が
ある。

（ｉ）樹脂ペレットまたは樹脂パウダーに必要量の炭素
短繊維を加え、高速回転ミキサーにより均一に分散させ
た後、加熱加圧下に混練しつつ、ロープ状に押出し成形
し、冷却後、３〜５mmに切断して炭素短繊維と樹脂とか
らなるペレットとする。

この場合には、高速回転ミキサー中で繊維切れを起こし
易く、また繊維に添着したカップリング剤が脱離するこ
とがある。従って、この様なペレットを使用して得られ
た複合材料の物性向上は、不十分となる。

（ii）樹脂ペレットまたは樹脂パウダーに必要量の炭素
短繊維を加え、高速回転ミキサーにより均一に分散させ
た後、加熱加圧下に混練しつつ、ロープ状に押出し成形
し、３〜５mmに切断し、冷却し、乾燥して、炭素短繊維
と樹脂とからなるペレットとする。

この場合にも、高速回転ミキサーを使用するので、上記
（ｉ）と同様な問題が生じる。

（iii）一定量の樹脂ペレットまたは樹脂パウダーと炭
素短繊維とを連続的に押出し成形機に投入し、加熱加圧
下に混練しつつ、ロープ状に成形し、冷却後、３〜５mm
程度に切断して、ペレットとする。

更に、（iv）単に収束材で収束した長繊維を切断して得
たチョップをマトリックス樹脂と共に成形機の供給ホッ
パーに供給するとチョップがブリッジを組みチョップと
マトリックス樹脂が均一に供給されない問題もある。

問題点を解決するための手段本発明者は、上記の如き従来技術の問題点に鑑みて種々
研究を重ねた結果、まず炭素繊維などに樹脂系カップリ
ング剤を含有する溶液を付与し、この状態で圧縮および
切断を行う場合には、従来技術の問題点を大巾に軽減若
しくは実質的に解消し得ることを見出した。

すなわち、本発明は、下記の組成物およびその製造方法
を提供するものである。

炭素繊維１００重量部と、エポキシ樹脂、フェノール
樹脂、ポリアミド樹脂、ウレタン樹脂及び不飽和ポリエ
ステル樹脂からなる群から選ばれた少なくとも一種の樹
脂０．５〜１０重量部とからなり、かつ前記繊維の配列
がランダムであって、マトリックス材料と併用して繊維
強化複合材を製造するために使用する湿潤状態で製造さ
れた補強用炭素繊維含有塊状樹脂組成物。

炭素繊維１００重量部に対し、チタン酸カリウムウィ
スカー、メソカーボンマイクロビーズおよびカーボンブ
ラックからなる群から選ばれた少なくとも一種の補助添
加成分５〜２００重量部を含有する第１請求項に記載の
マトリックス材料と併用して繊維強化複合材を製造する
ために使用する湿潤状態で製造された補強用炭素繊維含
有樹脂組成物。

炭素繊維（紐状又はロープ状のものを除く）に、エポ
キシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、ウレタン
及び不飽和ポリエスエル樹脂からなる群から選ばれた少
なくとも一種を含む溶液を付与混合し、湿潤状態で圧縮
及び切断又は分断して塊状とした後、乾燥することを特
徴とする繊維の配列がランダムであって、マトリックス
材料と混合して繊維強化複合材を製造するために使用す
る補強用炭素繊維含有塊状樹脂組成物の製造方法。

使用する繊維がマット状である上記第３項に記載のマ
トリックス材料と混合して繊維強化複合材を製造するた
めに使用する補強用炭素繊維含有塊状樹脂組成物の製造
方法。

なお、本発明において、カップリング剤とは、繊維を集
合させ、その集合した状態を保持する機能を有するもの
をいう。

本発明の塊状樹脂組成物の塊状の大きさは、本発明の塊
状物とマトリックス材が中間製品又は最終製品の成形機
の供給機に均一に供給できる大きさである。その好まし
い大きさは供給機によって異なり一律には決定できない
が、通常の供給機を使用する場合、塊状物が球形のとき
は２〜１０mm、球形でないときは短径が２mm以上で長径
が１０mm以下である。

本発明の製造に使用する炭素繊維は、形状、原料などに
特に制限はない。例えば、トウ状繊維、マット状繊維の
いずれであっても良く、またその原料としても、石炭
系、石油系、有機繊維系の如何を問わない。しかし、繊
維の形状は、マット状繊維（繊維の綿状になっているも
のをいう）が好ましい。得られる繊維含有塊状樹脂組成
物中の繊維の配向がよりランダムになりやすいためであ
る。

本発明で使用するカップリング剤としては、エポキシ樹
脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、ウレタン樹脂お
よび不飽和ポリエステル樹脂が使用される。これらカッ
プリング剤の溶液、分散液などの液中の濃度は、特に限
定されないが、通常１〜１０重量％程度である。また、
カップリング剤は、２種以上を併用することも差し支え
ない。

溶媒ないし液媒としても、特に限定されず、水、メタノ
ール、エタノール、アセトン、トルエン、メチルエチル
ケトンなどが例示される。

本発明組成物においては、炭素繊維と樹脂との割合は、
前者１００重量部に対し、後者０．５〜１０重量部、よ
り好ましくは１〜８重量部とする。樹脂の量が少なすぎ
る場合には、繊維の保型性が不十分となるのに対し、樹
脂の量が過剰となる場合には、補強材としての有用性が
低下する。

さらに、本発明においては、炭素繊維にチタン酸カリウ
ムウィスカー、メソカーボンマイクロビーズ、カーボン
ブラックなどの補助添加成分を併用するにより、組成物
の特性、延いては本発明組成物を補強材とする複合材料
の物性（例えば、メソカーボンマイクロビーズまたはカ
ーボンブラックを使用する場合には、導電性：チタン酸
カリウムウィスカーを使用する場合には、機械的強度お
よび発色性）を改善することが出来る。この様な補助添
加成分の量は、炭素繊維１００重量部に対し、５〜２０
０重量部程度とすることが好ましく、１０〜１００重量
部程度とすることが特に好ましい。

本発明方法は、以下の様にして実施される。まず、処理
すべき炭素繊維をカップリング剤の溶液、分散液などに
浸漬するか、処理すべき炭素繊維にカップリング剤の溶
液、分散液などを噴霧するなどの任意の手段により、繊
維に処理液を付与する。次いで、該炭素繊維をローラー
などの任意の手段で圧縮することにより、過剰のカップ
リング剤液を除去するとともに、かさ比重を増大させた
後、カップリング剤を含む湿った状態の組成物を所定の
大きさに切断または分断すると、カップリング剤液が存
在しているので、短繊維は、個々に分散することなく、
小さな塊状体を形成する。この塊状体を乾燥すると、短
繊維が凝集した乾燥塊状体が得られる。また、補助添加
成分を使用する場合には、補助添加成分を予め分散させ
ておいたカップリング剤液に使用して上記と同様の操作
を行うことが出来る。

なお、カップリング剤液を付与された繊維の圧縮をミン
チ・ミキサーに類似するミキシング・イクストルーダー
により行う場合には、圧縮と同時に繊維の切断も行わ
れ、豆粒大の塊状体が直接得られるので、好都合であ
る。

発明の効果本発明の塊状物（１）湿潤状態で製造するため、炭素繊
維が過度に切断されず、そのためこれを炭素繊維強化複
合材に使用した場合、補強効果が大きい。（２）さらに
塊状であるため、これとマトリックス材を成形機の供給
ホッパーに供給したとき補強材がブリッジを組むことが
ほとんどなく均一供給でき製品の品質がより均一にな
る。（３）塊状物中の炭素繊維がランダムに存在してい
るため、複合材に成形したとき炭素繊維がより均一にマ
トリックス中に分散する。（４）湿潤状態で塊状物を製
造するため、炭素繊維の粉塵の発生が少なく作業環境を
良好に保つことができる。このため、炭素繊維の粉塵が
電気器具に付着して発生する短絡や感電が防止できる。

本発明の塊状樹脂組成物を補強材とする場合には、マト
リックスが樹脂、ゴムなどである複合材料の物性が大き
く改善される。

さらに、補助添加成分を併用する場合には、導電性、機
械的強度などをさらに一層改善することが出来る。

また、得られる短繊維は、切断端面にもカップリングが
付与されているので、防水性の樹脂を用いる場合には、
吸水および吸湿を予防することが出来る。

さらにまた、カップリング剤の付与量をコントロールす
ることにより、これを補強材とする複合材料の物性を適
宜調整することも、出来る。

さらに、本発明による短繊維は、一体性を有する塊状物
なので、取扱が容易であり、例えば、これを樹脂と併せ
てペレット化する場合にも、定量供給によるペレット組
成の均一化を図り得る。

さらにまた、本発明による短繊維は、母材に対する分散
性に優れているので、高繊維含有率の複合材料を得るこ
とが出来る。

さらに、本発明の繊維含有塊状樹脂組成物中の繊維の配
向状態はランダムであるため、これを使用して成形した
繊維強化樹脂組成物は性質がより均一になる。マット状
の繊維を使用した場合は、塊状物中およびそれを使用し
て作ったＣＦＲＰ中の繊維の配向がよりランダムになり
性質がより均一化される。

なお、実施例には示していないが、炭素繊維を使用する
本発明の塊状樹脂組成物を合成ゴムに配合すると、引張
り強度が向上することが確認された。

実施例以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより
一層明らかにする。

以下において、“部”および“％とあるのは、それぞれ
“重量部”および“重量％”を表す。

実施例１水溶性エポキシ樹脂の５０％水溶液３部を水９７部に加
え、カップリング剤液を調製した。次いで、マット状の
ピッチ系炭素繊維（５０ｇ）を該カップリング剤液に浸
漬し（重量１５０ｇ）、手で圧縮して過剰のカップリン
グ剤液を除去して重量を１３４ｇとした後、６０℃で３
０分間予備乾燥した（重量８４ｇ）。次いで、予備乾燥
物をミキサー・イクストルーダーに入れ、直径３mmのロ
ープ状に押出した後、長さ３mmに分断し、乾燥した。乾
燥は、１００℃から２０分間かけて１６５℃に昇温さ
せ、同温度に１０分間保持した。乾燥体の重量は、５
１．２ｇであり、繊維長さは、平均０．３mmであった。

得られた塊状の炭素繊維−エポキシ樹脂組成物の炭素繊
維形状の走査型電子顕微鏡写真を第１図（９７倍）、第
２図（１０００倍）および第３図（２０００倍）として
示す。

また、得られた塊状の炭素繊維−エポキシ樹脂組成物を
補強材として用いて、ナイロン１２（商標“ＵＢＥ３
０２４Ｄ”、宇部興産株式会社製）の引張試験片（炭素
繊維含有率１０％）を押出し成形し、その引張り強度を
測定したところ、６８５kgf／cm²であった。

一方、ナイロン１２単独の引張り強度は、４８５kgf／c
m²であった。

実施例２ピッチ系炭素繊維からなる連続したマット状物（厚さ２
５mm）に実施例１と同様のカップリング剤溶液を噴霧
し、ローラーで厚さ３mmとなるまで圧縮して過剰のカッ
プリング剤溶液を除去した後、ローラーカッターによ
り、縦３mm×横３mmに切断し、実施例１と同様にして乾
燥した。

得られた塊状の炭素繊維−エポキシ樹脂組成物は、一体
性に優れ、取扱が容易であった。

また、これを樹脂類の補強材として使用したところ、分
散性に優れているので、物性が大巾に改善された。

実施例３マット状のピッチ系炭素繊維（５０ｇ）とマット状のガ
ラス繊維（５０ｇ）との混合物に実施例１と同様のカッ
プリング剤溶液１００ｇを均一に含浸させた後、実施例
２と同様にして過剰の溶液を除去して、重量を１６９ｇ
とした。次いで、これを実施例２と同様にして、直径４
mmのロープ状に押出し、長さ５mmに分断し、乾燥した。
得られた塊状の炭素繊維−ガラス繊維−エポキシ樹脂組
成物の重量は、９７ｇであった。

実施例４マット状のピッチ系炭素繊維（７５ｇ）とチタン酸カリ
ウムウィスカー（５０ｇ）との混合物に実施例１と同様
のカップリング剤溶液１００ｇを均一に含浸させた後、
実施例２と同様にして過剰の溶液を除去して、重量を１
６９ｇとした。次いで、これを実施例２と同様にして、
直径４mmのロープ状に押出し、長さ５mmに分断し、乾燥
した。得られた塊状の繊維−エポキシ樹脂組成物の重量
は、１２３ｇであった。

得られた塊状の繊維−エポキシ樹脂組成物をナイロン６
６に配合して、炭素繊維含有率３０％の樹脂複合体を成
形したところ、その色は薄い灰色となった。

実施例５水溶性エポキシ樹脂の１．５％水溶液１５００ｇに平均
粒径２０μｍのメソカーボンマイクロビーズ２５０ｇを
分散させた後、ピッチ系炭素繊維２５０ｇを含浸した。
次いで、得られた混合物２０００ｇを１００℃の乾燥炉
で乾燥し、過剰の水分を除去して７２５ｇまで減量した
後、ミンチ・ミキサーに類似するイクストルーダーによ
り、直径３．６mm×１６２個のスクリーンから押出し、
長さ５mmに分断した。次いで、これを熱風循環式乾燥炉
中１６０℃で乾燥して、本発明の炭素繊維−メソカーボ
ンマイクロビーズ−エポキシ樹脂からなる塊状組成物４
９１ｇを得た。

この塊状組成物を樹脂の補強材として使用する場合に
は、その導電性をより一層改善し得る。

実施例６水溶性エポキシ樹脂の１．５％水溶液１２００ｇに平均
粒径２０μｍのメソカーボンマイクロビーズ２５０ｇを
分散させた後、マット状ガラス繊維２５０ｇを含浸し
た。次いで、得られた混合物１７００ｇを１００℃の乾
燥炉で乾燥し、過剰の水分を除去して６００ｇまで減量
した後、ミンチ・ミキサーに類似するイクストルーダー
により、直径３．６mm×１６２個のスクリーンから押出
し、長さ５mmに分断した。次いで、これを熱風循環式乾
燥炉中１６０℃で乾燥して、本発明のガラス繊維−メソ
カーボンマイクロビーズ−エポキシ樹脂からなる塊状組
成物４６３ｇを得た。

実施例７水溶性エポキシ樹脂の１．５％水溶液１０００ｇに導電
性カーボンブラック（商標“ケッチェンブラック”、ア
クゾ社製）３００ｇを分散させた後、ピッチ系炭素繊維
２００ｇを含浸した。次いで、得られた混合物１５００
ｇを１００℃の乾燥炉で乾燥し、過剰の水分を除去して
７００ｇまで減量した後、ミンチ・ミキサーに類似する
イクストルーダーにより、直径３．６mm×１６２個のス
クリーンから押出し、長さ５mmに分断した。次いで、こ
れを熱風循環式乾燥炉中１６０℃で乾燥して、本発明の
炭素繊維−カーボンブラック−エポキシ樹脂からなる塊
状組成物４９５ｇを得た。

この塊状組成物を樹脂の補強材として使用する場合に
は、その導電性をさらに一層改善することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は、本発明による炭素繊維
含有塊状樹脂組成物における炭素繊維の形状を示す写真
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−33861（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−190343（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−49928（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−34472（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素繊維１００重量部と、エポキシ樹脂、
フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、ウレタン樹脂および
不飽和ポリエステル樹脂からなる群から選ばれた少なく
とも一種の樹脂０．５〜１０重量部とからなり、かつ前
記繊維の配列がランダムであって、マトリックス材料と
併用して繊維強化複合材を製造するために使用する湿潤
状態で製造された補強用炭素繊維含有塊状樹脂組成物。
【請求項２】炭素繊維１００重量部に対し、チタン酸カ
リウムウィスカー、メソカーボンマイクロビーズおよび
カーボンブラックからなる群から選ばれた少なくとも一
種の補助添加成分５〜２００重量部を含有する第１請求
項に記載のマトリックス材料と併用して繊維強化複合材
を製造するために使用する湿潤状態で製造された補強用
炭素繊維含有樹脂組成物。
【請求項３】炭素繊維（紐状又はロープ状のものを除
く）に、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹
脂、ウレタン樹脂および不飽和ポリエステル樹脂からな
る群から選ばれた少なくとも一種を含む溶液を付与混合
し、湿潤状態で圧縮及び切断又は分断して塊状とした
後、乾燥することを特徴とする繊維の配列がランダムで
あって、マトリックス材料と混合して繊維強化複合材を
製造するために使用する補強用炭素繊維含有塊状樹脂組
成物の製造方法。
【請求項４】使用する繊維がマット状である第３請求項
に記載のマトリックス材料と混合して繊維強化複合材を
製造するために使用する補強用炭素繊維含有塊状樹脂組
成物の製造方法。