JPS6310183B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、スチロール系樹脂、炭素繊維及び硫
酸バリウム粉末よりなる、とくに機械的特性、電
気伝導性の諸特性に優れた炭素繊維複合組成物に
関するものである。 近時、炭素繊維によつて補強された、プラスチ
ツク複合材料が開発され、これらは、各種の構造
材料、耐熱材料あるいは導電材料など、広範な用
途に応用されるようになつて来た。 炭素繊維は、プラスチツクの補強材として、非
常に優れた性質をもつているものの、その製造に
高度な技術、および設備が必要なため、製造コス
トが非常に高く、仲々汎用的に使いにくいという
欠点がある。したがつて、出来る丈、安価なコス
トで炭素繊維の優れた性質を生かすことは、工業
的な見地から、非常に大きな意義がある。 本発明者らは、炭素繊維の優れた性質を生か
し、かつまた、低い炭素繊維の濃度で有用な性質
を示すプラスチツク複合材料、すなわち、炭素繊
維で補強した熱可塑性樹脂の開発について、研究
を行なつて来た。その研究の過程で、炭素繊維補
強熱可塑性樹脂において、最も優れた補強効果を
得るためには、炭素繊維の分散状態に着目する必
要があることを発見した。そこで、炭素繊維が最
も効果的な分散状態をとるような分散助剤の研究
を続けた結果、遂に、本発明に到達したものであ
る。 すなわち、本発明はスチロール系樹脂、炭素繊
維及び硫酸バリウム粉末よりなる炭素繊維複合組
成物である。 本発明の最大の特徴は、炭素繊維と硫酸バリウ
ムの複合効果である。すなわち、スチロール系樹
脂と炭素繊維との二成分に、さらに硫酸バリウム
粉末を加えた三成分にすることによつて、機械的
強度、剛性、電気伝導性などの諸特性が著しく大
きく向上することである。スチロール系樹脂を炭
素繊維で補強すると、引張り強度等の機械的強
度、曲げ弾性率などの剛性、また電気伝導性等が
向上することは公知である。これらの諸特性は、
炭素繊維の濃度の増大とともに向上することも周
知である。したがつて、スチロール／炭素繊維の
複合系で、これらの諸特性を増大させるために
は、炭素繊維の濃度を増大することである。とこ
ろが、本発明によると、スチロール系樹脂と炭素
繊維との二成分に、硫酸バリウム粉末を加えるこ
とによつて、あたかも炭素繊維の濃度を増やした
かの如く、機械的強度、剛性などの機械的特性が
向上し、さらに驚くべきことには、電気伝導度な
どの導電性能も、向上するのである。すなわち、
高価な炭素繊維の一部が、安価な硫酸バリウムに
より代替されうるのである。このような、スチロ
ール系樹脂、炭素繊維及び硫酸バリウム粉末から
成る組成物の特異な性能は、本発明によつて、は
じめて明らかになつたのである。 さらに、本発明の組成物の特長を具体的に列挙
すれば下記のようになる。 (1) 引張り強度、曲げ強度などの機械的強度が著
しく優れている。 (2) 曲げ弾性率、引張り弾性率など、剛性が著し
く優れている。 (3) 電気伝導性、熱伝導性など、伝導特性が優れ
ている。 (4) 遮音特性、防音特性などの特性が優れてい
る。 (5) 成形加工性が優れており、射出成形、押出成
形などの各種の成形方法によつて成形出来る。 (6) 従来のスチロール系樹脂と炭素繊維との二成
分にくらべ、安価で、高機能が得られる。 本発明のスチロール系樹脂とは、スチレンモノ
マーを単一で重合させたり、合成ゴムを配合した
り、あるいは他のモノマーと共重合させた樹脂、
すなわち、ポリスチレン樹脂、耐衝撃性ポリスチ
レン樹脂、スチロールアクリロニトリル共重合樹
脂（通称、AS樹脂またはSAN）およびアクリロ
ニトリル―ブタジエン―スチレン樹脂（通称、
ABS樹脂）等である。本発明においては、該ス
チロール系樹脂は、単一、あるいは二種以上のブ
レンド物、または少量のゴムを混合して使用する
ことが出来る。本発明において最も好ましい樹脂
は、ABS樹脂である。 本発明において使用される炭素繊維は、セルロ
ース、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、
ポリビニルアルコール、ピツチ等の高分子物質か
ら作られた繊維を、700〜3000℃ぐらいの温度で、
焼成した高強力糸または高弾性糸いずれでもよい
が、特に表面酸性化処理を施した繊維を使用する
ことが望ましい。 使用する場合の繊維長は、数10mm以下、とくに
好ましくは、数mm〜10数mmの範囲が、ブレンド、
混練操作、組成物の成形性、機械的、電気的特性
などの点から好ましい。 その使用量は、組成物中、２〜50重量％が好ま
しい。さらに好ましくは、５〜35重量％の範囲
が、硫酸バリウムとの複合効果が顕著であり、本
発明の特徴が最も大きく発揮される。炭素繊維の
量が２重量％未満の場合は、炭素繊維と硫酸バリ
ウムの複合効果が非常に小さい。また、50重量％
を越える場合にも、炭素繊維と硫酸バリウムの複
合効果が低減し、本発明の目的とするような効果
はほとんど得られない。 本発明における硫酸バリウム粉末とは、重晶石
を粉砕してつくつたもの、あるいは、化学的に沈
降させて造つたもの、あるいは、これらの混合物
である。粒度は、通常0.01〜100μの範囲にあり、
好ましくは0.1〜50μである。 その使用量は、組成物中５〜60重量％で、かつ
炭素繊維の量との和が70重量％未満である。硫酸
バリウムの使用量が５重量％未満の時は、物性改
良効果が非常に小さい。また60重量％を越えて
も、60重量％以下の場合にくらべて、物性改良効
果は少ない。さらに、炭素繊維の量との和が70重
量％を越えた場合には、組成物の機械的強度が低
下し、脆性が増し、実用性能は低減し、炭素繊維
と硫酸バリウムの複合効果は小さい。 本発明の炭素繊維複合組成物の製造方法は、加
熱混練の方法がよい。すなわち、単軸押出機、バ
ンバリーミキサーなどの加熱混練機を使用し、ス
チロール系樹脂に炭素繊維および硫酸バリウムを
混練分散させる方法である。これらの混練機を使
用し、三者を同時に混練することは可能である。
しかし、本発明の特徴を最も大きく発揮させるた
めには、次の方法が推奨される。すなわち、まず
バンバリーミキサー、二軸押出機などの、とくに
混練力の高い機械を使用し、まずスチロール系樹
脂と硫酸バリウムとの二者の混練組成物をつく
る。この混練組成物に炭素繊維を、さらに必要な
場合はスチロール系樹脂を加え、リボンブレンダ
ー等の比較的撹拌力の小さい混合機で混合し、こ
の混合物をフルフライトスクリユーをもつ単軸押
出機に通し加熱混練する方法である。この場合単
軸押出機としては、溝深さの深いスクリユーを有
するものが好ましい。加熱、混練の方法が重要な
のは、炭素繊維の分散状態を左右するからであ
る。炭素繊維が出来る丈折れないで、樹脂中で網
組織をつくるように分散し、かつ、硫酸バリウム
の粒子が、この網組織の中に均一に分散すること
により組成物の機能が向上する。加熱混練の温度
は、スチロール系樹脂の溶融軟化温度以上、熱分
解温度以下の範囲にあるが、通常180〜260℃の範
囲が好ましい。 本発明の組成物は、以上の如く、スチロール系
樹脂に炭素繊維と硫酸バリウムを、適切に混練分
散することによつて得られるが、本発明の顕著な
効果は、硫酸バリウムの代りに、炭酸カルシウム
などの炭酸塩充填剤、タルク、アルミノケイ酸ナ
トリウム、アルミノケイ酸カリウムなどのケイ酸
塩充填剤、酸化亜鉛、酸化チタンなどの酸化物充
填剤等通常よく使用される充填剤を用いても得ら
れない。すなわち、スチロール系樹脂、炭素繊
維、硫酸バリウム粉末の組み合せが、本発明の特
異な効果をもたらす要因になつている。これは、
硫酸バリウムが、炭素繊維の分散助剤となり、炭
素繊維の有効な分散を助長しているためと考えら
れる。 本発明の炭素繊維複合組成物は、上記組成以外
に、安定剤、可塑剤、滑剤、架橋剤、顔料、難燃
剤、帯電防止剤、増粘剤、発泡剤、炭素繊維以外
の繊維補強材、硫酸バリウム以外の他の充填剤、
カーボンブラツク、その他の少量の添加剤を含ん
でいてもよい。 以下に、実施例により、さらに詳細に説明す
る。 なお、実施例、参考例における部、％はそれぞ
れ重量部、重量％である。 また、組成物の引張強度、曲げ強度、曲げ弾性
率、アイゾツト衝撃強度は、射出成形により作成
した試験片を用いて次の方法にしたがつて測定し
たものである。 引張強度；ASTM Ｄ―638 曲げ強度；ASTM Ｄ―790 曲げ弾性率；ASTM Ｄ―790 アイゾツト衝撃強度；ASTM Ｄ―256 なお、電気抵抗は、射出成形により作成した曲
げ強度測定用のテストピースを用い、両端を研磨
して電極を継ぎ、長辺方向に両端間の電気抵抗を
測定したものである。 実施例 １ ABS樹脂60部と、硫酸バリウム粉末（平均粒
径5μ）40部をバンバリーミキサーで、約200℃の
温度で４分間よく混練し、硫酸バリウムがよく分
散したABS樹脂と硫酸バリウムとよりなる組成
物をつくつた。この組成物をロールでシート化し
たのちカツテイングしてペレツト状にした。この
ペレツト75部と炭素繊維（表面酸化処理、繊維長
６mmのもの）12部とさらに上で使用したABS樹
脂13部を、リボンブレンダー中で、約１分間、撹
拌混合した。この混合物を、フルフライトスクリ
ユーをもつ単軸押出機に投入し、約200℃の温度
で混練押出しをしてペレツト化した。このように
して得られた組成物は、ABS樹脂58部、炭素繊
維12部、硫酸バリウム30部から成るものである。
この組成物の物理的性質を測定した。その測定結
果を第１表に示す。 比較例 １―１ 実施例１で使用したABS樹脂88部と、炭素繊
維12部とを、実施例１と同じように、リボンブレ
ンダーで混合し、押出機を通し、ペレツト化し
た。この組成物の物理的性質を測定した。その測
定結果を第１表に示す。 比較例 １―２ 実施例１において、硫酸バリウム粉末の代りに
重質炭酸カルシウムの粉末（平均粒径2μ）を使
用し、それ以外は全て実施例１と同様にして組成
物をつくつた。この組成物は、ABS樹脂58部、
炭素繊維12部、炭酸カルシウム30部から成るもの
である。この組成物の物理的性質を測定した。そ
の測定結果を第１表に示す。 比較例 １―３ 実施例１において、硫酸バリウム粉末の代りに
酸化亜鉛の粉末（平均粒径0.2μ）を使用し、それ
以外は全て実施例１と同様にして組成物をつくつ
た。この組成物は、ABS樹脂58部、炭素繊維12
部、酸化亜鉛30部から成るものである。この組成
物の物理的性質を測定した。その測定結果を第１
表に示す。 比較例 １―４ 実施例１において、硫酸バリウム粉末の代りに
アルミノケイ酸ナトリウムの粉末（平均粒径3μ）
を使用し、それ以外は全て実施例１と同様にして
組成物をつくつた。この組成物は、ABS樹脂58
部、炭素繊維12部、アルミノケイ酸ナトリウム30
部から成るものである。この組成物の物理的性質
を測定した。その測定結果を第１表に示す。

【表】 実施例 ２―１ 実施例１でつくつたABS樹脂60部と硫酸バリ
ウム粉末40部とよりなる組成物15部、炭素繊維20
部およびABS樹脂65部を実施例１と同じ方法で、
ABS樹脂、炭素繊維および硫酸バリウムの３成
分から成る組成物をつくつた。この組成物は、
ABS樹脂74部、炭素繊維20部、硫酸バリウム６
部の組成から成るものである。この組成物の物理
的性質を測定した。その測定結果を第２表に示
す。 実施例 ２―２ 実施例１でつくつたABS樹脂60部と硫酸バリ
ウム粉末40部とよりなる組成物50部と、炭素繊維
20部およびABS樹脂30部を、実施例１と同じ方
法で、ABS樹脂、炭素繊維および硫酸バリウム
の３成分から成る組成物をつくつた。この組成物
は、ABS樹脂60部、炭素繊維20部、硫酸バリウ
ム20部の組成から成るものである。この組成物の
物理的性質を測定した。その測定結果を第２表に
示す。 比較例 ２―１ ABS樹脂80部と炭素繊維20部の２成分から成
る組成物を、比較例１―１と同じように、リボン
ブレンダーで混合して押出機を通しペレツト化し
てつくつた。この組成物の物理的性質を測定し
た。その結果を第２表に示す。 比較例 ２―２ 実施例２―２における硫酸バリウム粉末の代り
に、タルク粉末（平均粒径4.5μ）を用いた以外は
実施例２―２と同様にして、ABS樹脂60部、炭
素繊維20部、タルク20部の組成物をつくつた。 この組成物の物理的性質を測定した。その測定
結果を第２表に示す。

【表】 実施例 ３ 耐衝撃性ポリスチレン60部と硫酸バリウム粉末
（平均粒径0.5μ）40部とをバンバリーミキサーで、
約200℃の温度で４分間よく混練し、硫酸バリウ
ムがよく分散した耐衝撃性ポリスチレンと硫酸バ
リウム粉末とよりなる組成物をつくつた。この組
成物をロールでシート化したのちカツテイングし
てペレツト状にした。このペレツト30部と炭素繊
維（表面酸化処理、繊維長３mmのもの）30部と、
さらに上で使用した耐衝撃ポリスチレン40部と
を、リボンブレンダー中で約１分間撹拌、混合し
た。この混合物をフルフライトスクリユーをもつ
単軸押出機に投入し、約200℃の温度で、混練押
出しをしてペレツト化した。このようにして得ら
れた組成物は、耐衝撃性ポリスチレン58部、炭素
繊維30部および硫酸バリウム12部から成るもので
ある。この組成物の物理的性質を測定した。この
測定結果を第３表に示す。 比較例 ２―１ 実施例３で使用した耐衝撃性ポリスチレン70部
と炭素繊維30部とを、実施例３と同じようにリボ
ンブレンダーで混合して押出機を通し、組成物を
つくつた。この組成物の物理的性質を測定した。
その測定結果を第３表に示す。 比較例 ３―２ 実施例３において、硫酸バリウム粉末の代りに
合成炭酸カルシウムの粉末（平均粒径0.2μ）を使
用し、それ以外は全て、実施例３と同様にして、
組成物をつくつた。この組成物の物理的性質を測
定した。その測定結果を第３表に示す。

【表】 以上の如く、本発明においては、炭素繊維の補
強効果が、硫酸バリウムの添加によつて、著しく
助長される。すなわち、硫酸バリウムの添加によ
つて高価な炭素繊維の濃度を減らしても、高い補
強効果が得られる。本発明の組成物は、物質的に
も、工業的にも、極めて有用で、多汎な用途が期
待できるものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ スチロール系樹脂、炭素繊維及び硫酸バリウ
   ム粉末からなる炭素繊維複合組成物。