碳纖維聚集體的製造方法和碳纖維增強塑料的製造方法
2023-12-02 13:12:11 1
專利名稱：碳纖維聚集體的製造方法和碳纖維增強塑料的製造方法
技術領域：
本發明涉及將在碳纖維增強塑料(CFRP)的製造エ序中產生的碳纖維基材的邊角料的切斷片再利用於碳纖維聚集體和/或碳纖維增強塑料的技木。更具體地說，涉及用於將碳纖維基材的邊角料在機械特性高的CFRP中再利用的、碳纖維聚集體的製造方法和碳纖維增強塑料的製造方法。
背景技術：
由增強纖維和基質樹脂構成的纖維增強塑料(FRP)由於在機械特性、輕質性、耐腐蝕性等方面優異，所以作為製造面向飛機、汽車、船舶、風車、運動用具等各種用途的部件的材料被廣泛使用。作為增強纖維，使用芳族聚醯胺纖維、高強度聚こ烯纖維等有機纖維、碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維等無機纖維，在要求機械特性高的用途中大多使用碳纖維。所述使用碳纖維的碳纖維增強塑料(CFRP)由於強度、彈性模量、輕質性、穩定性優異，所以在要求高性能的航空宇宙領域中成為主要的材料之一，今後也期待進ー步擴大使用。另外，在汽車和風カ發電用風車等用途中預計今後會有很大的發展，今後，預計CFRP的製造量會飛躍性地增加。作為製造CFRP的方法，已知使用了預先將樹脂含浸在碳纖維中而得到的所謂的預浸料坯的方法。特別是所謂高壓釜成型法可易於獲得機械特性和熱穩定性優異的CFRP，在航空宇宙用途那樣的要求高性能的用途中被廣泛採用，所述高壓釜成型法中，在碳纖維束以開纖狀態單向排列而得到的片材中含浸熱固性樹脂，將所形成的所謂的單向預浸料坯等熱固性預浸料坯根據需要切斷和層合後，在高壓釜中於高溫和高壓下使熱固性樹脂固化。該高壓釜成型法可易於獲得高性能CFRP，而另一方面，存在成型所需的時間長、可成型的CFRP的形狀有限這樣的問題。另ー方面，作為製造CFRP的另外的方法，有RTM(ResinTransfer Molding,樹脂傳遞成型)成型法。其是將不含樹脂的碳纖維基材(例如，織物等基材)設置在模具中之後，注入樹脂並使其固化的方法。該方法與高壓釜法相比，可成型的CFRP的形狀的範圍寬，而且成型所需的時間也短，所以預計今後在汽車用途、特別是批量生產的車的用途中將被廣泛採用。在該RTM成型法中，當製造立體形狀的CFRP吋，一般是將碳纖維基材切斷為規定的形狀，層合後設置在模具中。由於上述碳纖維基材通常被製成具有一定幅寬的連續片材，所以在上述成型前的切斷中必然會產生邊角料。根據切斷碳纖維基材的形狀，有時產生佔碳纖維基材3 7成的邊角料。如上所述預計今後CFRP的使用會擴大，所以尋求將CFRP的製造エ序中產生的該邊角料循環利用的技木。然而，由於碳纖維的化學穩定性和熱穩定性高，所以難以採用通過溶解、熔融、分解等製成原料再次使用的化學再利用技木。碳纖維基材的邊角料所含的碳纖維是連續纖維被切斷而形成的不連續纖維，纖維長度從非常長至短具有很寬的分布，並且碳纖維大多被經緯組織、編織組織或縫合線束縛，根據情況，進一歩被粘結劑或增粘劑(顆粒或熱粘絲形態的物質等)更牢固地束縛，所以循環利用性非常差，難以重製為碳纖維基材自身。因此，想出了將碳纖維基材的邊角料切斷後與熱塑性樹脂混合，然後注射成型，製造CFRP的方法，但在切斷所述邊角料直接進行注射成型的情況下，碳纖維在熱塑性樹脂中沒有充分分散，或如果增強注射成型時的混煉條件以將碳纖維充分分散在熱塑性樹脂中，則形成纖維長度短的CFRP，因而在任一情況下都僅獲得機械特性低的CFRP。作為對碳纖維以外的纖維進行循環利用的方法，在專利文獻I中公開了將從含有全芳香族聚醯胺纖維等高功能纖維的使用後的製品中得到的不連續纖維與新品的高功能纖維混合，得到循環利用高功能紗的方法。但是，該方法設想將使用高功能紗而成的製品再次用於高性能紗，無法在碳纖維基材的循環利用中採用。另外，在專利文獻2和3中公開了ー種循環利用的方法，其具有將含有化學纖維的織物或針織物的剪裁屑粉碎的剪裁屑粉碎エ序、和使粉碎的剪裁屑含浸熱反應性的固化劑的固化劑含浸エ序，通過對含浸了固化劑的剪裁屑進行熱壓成型，形成成型體。但是，該方法設想對聚酯等合成纖維進行再利用，所得到的成型品的機械特性低，不適於碳纖維基材的循環利用。進而，已知通過注射成型來循環利用CFRP的技術。例如，在專利文獻4中公開了ー種方法，其中，將碳纖維增強熱塑性樹脂成型品粉碎、粒化，與新品的碳纖維增強熱可塑樹脂粒混合，用於注射成型。但是，該方法是將注射成型後的CFRP以含有基質樹脂的狀態進行注射成型而循環利用的方法，不適於含浸樹脂前的碳纖維基材的循環利用。此外，在專利文獻5中公開了ー種循環利用方法，其中，對由碳纖維和熱固性樹脂構成的CFRP進行熱處理使熱固性樹脂燃燒，製成碳纖維的殘渣後，將其混煉在熱塑性樹脂中。但是，該方法中，將所述碳纖維的殘渣直接混煉，與將上述的碳纖維基材的邊角料直接注射成型的方法同樣，碳纖維仍然沒有充分分散在熱塑性樹脂中，或者碳纖維的纖維長度變短，無法獲得機械特性優異的CFRP。進而，進行嘗試，從CFRP中溶解除去作為基質樹脂的環氧樹脂，並通過梳理對回收的碳纖維進行無紡布化處理(非專利文獻I)。該方法中，溶解除去基質樹脂導致當製成無紡布時的收率低，而且所得到的CFRP的機械特性、無紡布的批量生產性和加工成本也不充分。具體來說，原因主要在於以下方面。首先，在從碳纖維增強塑料中除去基質樹脂吋，需要浸潰在化學藥品或溶劑等中加壓加熱，而此時不僅失去基質樹脂，而且失去了碳纖維表面的上膠劑。上膠劑具有提高碳纖維與基質樹脂的粘接性的作用，即使使用上述失去了上膠劑的碳纖維製作碳纖維增強塑料，也只能獲得低的機械特性。進而，用上述方法回收的碳纖維長短不齊，包含非常短的碳纖維和非常長的碳纖維。對於非常短的碳纖維，在梳理エ序中碳纖維易於埋在針筒輥或工作輥上，其結果，容易發生碳纖維纏在輥上或相反從輥上脫落，所以不是優選的。另外，非常長的碳纖維容易纏繞而形成塊，從而易於滯留在梳理裝置中。滯留的碳纖維隨時間的經過被切斷，產生大量纖維長度短的碳纖維。其結果，發生碳纖維的纏輥、或相反從輥上的脫落，所以不是優選的。另外，上述方法中回收的碳纖維形成互相纏繞的塊狀，碳纖維被切斷，這樣的塊在變小之前無法從梳理裝置的各輥間通過。因此，最終得到的碳纖維增強塑料中所含的碳纖維的長度變短，形成機械特性低的碳纖維增強塑料。即，迄今為止所公開的碳纖維的循環利用技術基本上都是將CFRP循環再次用於CFRP的技術，所得到的CFRP的機械特性也不充分，至今不存在將CFRP的製造エ序中產生的碳纖維基材的邊角料以優異的批量生產性循環利用於機械特性高的CFRP或用於該CFRP的製造的碳纖維聚集體中的技木。專利文獻1:日本特開2005-105491號公報專利文獻2:日本特開2009-66885號公報專利文獻3:日本特開平06-288084號公報專利文獻4:日本特開2006-218793號公報專利文獻5:日本特開2009-138143號公報非專利文獻1:日立化成エ業株式會社主頁「平成17、18年度經濟產業省地域新型產業創造技術開發輔助事業[採用常壓溶解法對環氧CFRP進行的再利用]」http://www.hitach1-chem.c0.jp/japanese/csr/flies/irp_recyclmg_technology_2.pdf
發明內容
因此，本發明的目的是提供用於將CFRP的製造エ序中產生的碳纖維基材的邊角料在機械特性高的CFRP中循環利用的、碳纖維聚集體的製造方法和碳纖維增強塑料的製造方法。為了解決上述課題，本發明的碳纖維聚集體和碳纖維增強塑料的製造方法具有下述構成。S卩，本發明的碳纖維聚集體的製造方法的特徵在於，將含有碳纖維的碳纖維基材的邊角料切斷，得到切斷片，通過對該切斷片進行氈片化處理和/或無紡布化處理，得到碳纖維聚集體。另外，本發明的碳纖維增強塑料的製造方法的特徵在於，將基質樹脂含浸在用上述方法製造的碳纖維聚集體中。根據本發明的碳纖維聚集體的製造方法，將含浸基質樹脂前的碳纖維基材的邊角料切斷，得到切斷片後，對其進行氈片化處理和/或無紡布化處理(優選梳理和/或衝壓)。在該梳理工序和/或衝壓エ序中，一邊對碳纖維斷裂導致纖維長度變短進行抑制吋，ー邊將切斷片開纖使碳纖維進行取向，可以容易地獲得儘管上述碳纖維基材含有粘結劑或增粘劑也可再利用於各種形態的碳纖維增強塑料(CFRP)的氈片或無紡布等的碳纖維聚集體。特別是在梳理和/或衝壓時，在上述切斷片中添加熱塑性樹脂纖維或玻璃纖維，則可以更高地表現出其批量生產性，可以降低製造成本。另外，上述碳纖維聚集體由於規定長度的碳纖維已被開纖，所以碳纖維的每單位面積重量偏差(CV值)小，而且其極限剪切變形角度大，對複雜形狀的賦形性也優異。在通過上述方法得到的碳纖維聚集體中含浸基質樹脂而得到的CFRP，由於規定長度的碳纖維已被開纖，所以成型性良好，並且機械特性也優異。所述碳纖維聚集體可以通過樹脂傳遞成型(RTM)、真空輔助樹脂傳遞成型(VaRTM)或反應注射成型(RIM)來含浸基質樹脂進行成型。進而，也可以在含浸基質樹脂後進行注射成型、或進行加壓成型，還可以通過加壓成型含浸基質樹脂。
[圖1]是表示對本發明中的碳纖維基材的邊角料的切斷片進行氈片化處理的梳理工序的ー實施方式的不意圖。[圖2]是表示本發明的碳纖維聚集體的製造方法和碳纖維增強塑料的製造方法的エ藝流程的ー實施方式的示意圖。
具體實施例方式以下，連同實施方式一起對本發明進行詳細說明。本發明的碳纖維聚集體的製造方法中，將含有碳纖維的碳纖維基材(後述的織物、多軸向縫合基材、絛子等)的邊角料切斷，得到切斷片，通過對所述切斷片進行氈片化處理和/或無紡布化處理(優選後述的梳理、衝壓等)，得到碳纖維聚集體。作為本發明中的碳纖維，沒有特別限定，可以使用PAN系碳纖維、浙青系碳纖維、纖維素系碳纖維、氣相生長系碳纖維、它們的石墨化纖維。此處，PAN系碳纖維是以聚丙烯腈纖維作為原料的碳纖維。另外，浙青系碳纖維是以油焦、石油浙青作為原料的碳纖維。另夕卜，纖維素系碳纖維是以纖維膠人造絲、こ酸纖維素等作為原料的碳纖維。另外，氣相生長系碳纖維是以烴等作為原料的碳纖維。其中，在強度與彈性模量的均衡性優異的方面，優選PAN系碳纖維。進而，可以使用在上述碳纖維上被覆有鎳、銅等金屬的金屬被覆碳纖維等。作為碳纖維的密度，優選1.65 1.95g/cm3,更優選1.70 1.85g/cm3。密度過大的碳纖維所得到的碳纖維增強塑料的輕質性能有時差，密度過小，則所得到的碳纖維增強塑料的機械特性有時降低。另外，碳纖維的粗度(直徑)優選姆ー根為5 8 ii m、更優選6.5 7.5um0直徑過小，則具有在後述的氈片化處理工序和/或無紡布化處理工序(優選梳理エ序和/或衝壓エ序)中的粉塵量增多、或變得易於發生從エ序中脫落的傾向，直徑過大的碳纖維由於力學特性差，所以有可能得不到充分的增強效果。另外，基於提高碳纖維與基質樹脂的粘接性等目的，也可以對碳纖維進行表面處理。作為表面處理的方法，有電解處理、臭氧處理、紫外線處理等。另外，基於防止碳纖維起毛、或提高碳纖維與基質樹脂的粘接性等目的，也可以對碳纖維賦予上膠劑。作為上膠劑，有氨基甲酸酯化合物、環氧化合物等。此處所說的含有碳纖維的碳纖維基材由碳纖維單獨構成或根據需要與其他的玻璃纖維等無機纖維、有機纖維等組合構成。作為其形態，可以舉出:將纖維方向拉齊為大致同一方向，用輔助緯線或粘結劑等一體化而得到的單向織物；至少使碳纖維在兩個方向交錯而得到的雙向織物、在多方向交錯而得到的多軸向織物；將碳纖維在ー個方向上並絲而得的片材在多方向進行層合，用縫合線一體化而得到的多軸向縫合基材；以及絛子、使用不連續纖維的無紡布或墊等。作為單向織物，例如，可以舉出:將碳纖維束作為經線單向相互平行配置、該經線和與其正交的例如由玻璃纖維或有機纖維構成的輔助緯線相互交叉進行經緯編織得到的織物；和所謂無捲曲結構的織物等，該無捲曲結構的織物包含由碳纖維束構成的經線和與其平行排列的由玻璃纖維或有機纖維構成的細纖度纖維束的輔助經線、以及以與它們正交的方式排列的由玻璃纖維或有機纖維構成的細纖度纖維束的輔助緯線，通過該輔助經線與該輔助緯線相互交叉，從而以碳纖維束幾乎不彎曲的狀態保持為一體而形成了織物。另外，在本發明中並不限於單向織物，也可以使用以碳纖維作為經線和/或緯線的雙向織物。作為所述雙向織物，沒有特別限定，可以使用平紋織物、斜紋織物、緞紋織物、提花織物等。本發明中，作為織物可以使用多軸向織物。多軸向織物是從3個以上方向送出線以編織竹籃的方式編織得到的織物，代表性地可以舉出從相互錯開60°的3個方向送出線進行經緯編織得到的3軸向織物、從相互錯開45°的4個方向送出線進行經緯編織得到的4軸向織物等。另外，本發明中，作為基材，可以使用多軸向縫合基材。此處所說的多軸向縫合基材是指:將在ー個方向並絲的增強纖維的束製成片狀，改變角度進行層合，用尼龍線、聚酯線、玻璃纖維絲等縫合線在該層合體的厚度方向上貫通，沿表面方向對層合體的表面與背面之間往復進行縫合，將所得的基材利用縫合線進行一體化而得到的縫合基材。此外，還可以使用將碳纖維在特定方向交錯排列而得到的絛子、將不連續的碳纖維以ニ維或三維方式配置並用輔助線或粘結劑等使其一體化而得到的無紡布或墊等。在本發明中，構成碳纖維基材(織物等)的碳纖維束，經後述的氈片化處理工序被解開、從而開纖。因此，構成碳纖維基材的碳纖維束中的碳纖維單絲的根數對最終得到的碳纖維增強塑料的性能並不直接產生大的影響。因此，在本發明中，對構成織物的碳纖維束中所含的碳纖維的根數沒有特別限制，只要為一般用於製作碳纖維織物時的由1，000 60，000根碳纖維單絲構成的碳纖維束，就可以沒有問題地使用。在所用的碳纖維基材中可以含有碳纖維以外的纖維。具體地說，可以含有玻璃纖維、金屬纖維、陶瓷纖維等無機纖維；聚醯胺纖維、聚酯纖維、酚樹脂纖維等有機纖維。作為含有所述無機纖維的例子，可以舉出單向織物或無捲曲織物的緯線、形成含浸樹脂時的樹脂流路的輔助線等。另外，作為含有所述有機纖維的例子，可以舉出用於防止碳纖維的網孔錯動的填充線或多軸向縫合基材的縫合線。但是，如果這些除碳纖維以外的纖維的含量多，則有時使最終得到的碳纖維增強塑料的特性降低，或有時可以使用的用途受限，因而這些纖維在碳纖維基材中的含量優選為10重量％以下，更優選為5重量％以下。另外，在所用的碳纖維基材中可以含有不連續狀或顆粒狀的粘結劑、增粘劑、層間增強顆粒等。如果碳纖維基材中含有粘結劑、增粘劑，則碳纖維基材更牢固地被固定或被形態穩定化，所以一般變得難以進行氈片化處理。但是，即使使用這樣的碳纖維基材，在得到碳纖維基材的邊角料的切斷片(例如，碳纖維的長度在一定長度以下的切斷片)後，優選經過後述的開纖エ序將切斷片開纖，對開纖的切斷片進行氈片化處理，通過經歷這樣的本發明的優選エ序，也可以表現出本發明的效果。即，在附著有粘結劑等的情況下，即使希望所得到的碳纖維聚集體中的碳纖維被大致均勻地開纖至接近單絲水平時，通過經歷將適當形態的碳纖維基材的切斷片開纖這樣的後述的本發明的開纖エ序，也可得到例如碳纖維的每単位面積重量偏差或厚度偏差(CV值)小於10%的均一性優異的碳纖維聚集體。因此，使用以顆粒狀含有所述粘結劑或增粘劑的碳纖維基材、進而經歷後述的開纖エ序被認為是本發明中發揮其最大效果的優選方式。另ー方面，在希望碳纖維聚集體中的碳纖維不均勻開纖至接近單絲水平而是殘存一部分碳纖維束形態的情況下，相反，如果使用含有粘結劑、增粘劑的碳纖維基材，則與通常的碳纖維基材相比，碳纖維束牢固地被固定或被形態穩定化，因而可以容易地使碳纖維束形態殘存一部分。另外，作為上述那樣的顆粒，可以例示由聚醯胺、聚烯烴、聚酯(包括不飽和聚酷)、聚こ烯基甲醯胺、聚醚碸、聚苯硫醚、こ酸こ烯酯、こ烯基酯、環氧、苯酚等樹脂單獨或複合形成的顆粒。所述顆粒的含量沒有特別限制，然而，由於根據構成顆粒的樹脂與製成碳纖維增強塑料時的基質樹脂的組合的不同，有時使最終得到的碳纖維增強塑料的特性降低，或有時可使用的用途受限，所以所述顆粒在碳纖維基材中的含量優選為25重量％以下，更優選為10重量％以下，進ー步優選為5重量％以下。本發明的碳纖維聚集體的製造方法包含:將含有碳纖維的碳纖維基材的邊角料切斷，得到切斷片的エ序；通過對所述切斷片進行氈片化處理和/或無紡布化處理，得到碳纖維聚集體的エ序。本發明的碳纖維增強塑料的製造方法進ー步包含在所述碳纖維聚集體中含浸基質樹脂的エ序。此處，作為氈片化處理和/或無紡布化處理的方法，可以適用梳理、氣流成網、抄造(抄紙)、衝壓等各種方法，但優選為梳理和/或衝壓。為了更確實地將纖維彼此絡合，更優選經歷梳理工序和衝壓エ序這兩個エ序。通過將碳纖維基材的邊角料切斷，製成切斷片，從而在後述的氈片化處理中，例如採用梳理時，投入裝置中的碳纖維投入量的控制變容易，可以使所得到的碳纖維聚集體的品質穩定。另外，所述切斷的重要目的是使碳纖維的長度為一定長度以下。含有纖維長度過長的碳纖維會導致梳理工序中碳纖維纏在梳理裝置中的輥上、或成型碳纖維增強塑料時的成型性降低，所以不是優選的。本發明人等發現，通過預先將含有碳纖維的碳纖維基材切斷，使碳纖維的長度為一定長度以下，從而可以解決上述問題，完成了本發明。在本發明中，對切斷碳纖維的方法沒有特別限制，可以採用旋轉刀具或閘刀式剪切機、Thompson刀模具的衝切、超聲波切割機等的方法。作為以特別高的生產率獲得切斷片的方法，優選用Thompson刀模具進行的衝切。另外，優選在氈片化處理之前，經歷預先將上述切斷片開纖的開纖エ序。特別是在如上所述在碳纖維基材中含有粘結劑或增粘劑的情況下，通過使所述切斷片預先開纖，更容易進行本發明中的氈片化處理或無紡布化處理。另外，通過預先進行開纖，在後述的梳理エ序、衝壓エ序中，可以更容易地統ー纖維的方向，使纖維開纖。對於事前將切斷片開纖的方法沒有特別限制，可以採用蓋板式梳棉機、羅列粗梳機等、使用切割刀、五寸圓釘、鋸齒、各種絲等的開纖機或開棉機。特別是在碳纖維基材中含有粘結劑、增粘劑的情況下，與通常的碳纖維基材相比，碳纖維束牢固地被固定或被形態穩定化，因而更優選多次通過開纖機，使其充分開纖。本發明中所說的梳理是指，通過對不連續纖維的聚集體用梳狀物在大致同一方向施加力，使不連續纖維的方向統一，並將纖維開纖的操作。一般使用下述梳理裝置進行，該梳理裝置具有在表面具備大量針狀突起的輥和/或卷繞有含鋸刃狀突起的金屬絲的輥。在實施所述梳理時，為了防止碳纖維折斷，優選縮短碳纖維在梳理裝置中存在的時間(滯留時間)。具體來說，優選使卷在梳理裝置(有關裝置構成的例示，見後述)的針筒輥上的絲上存在的碳纖維在儘可能短的時間內移動到小滾筒(doffer roll)。因此，為了促進所述移動，針筒輥的轉速優選以例如300rpm以上的高轉速旋轉。另外，基於同樣的理由，小滾筒的表面速度優選為快速度，例如IOm/分鐘以上。另外，同樣地，為了減少對碳纖維的損害，並且防止碳纖維被擠壓而埋在針筒輥或工作輥、剝離輥(stripper roll)等的表面，重要的是使各輥間的間隙比梳理通常的有機纖維時擴大一定程度。如果進行例示，則優選使針筒輥或工作輥、剝離輥彼此之間的間隙為0.5mm以上，更優選為0.7mm以上，進ー步優選為0.9mm以上。另外，此處所說的碳纖維聚集體是指，在不連續的其他的纖維經上述梳理被開纖、取向的狀態下通過纖維彼此的互相纏繞或摩擦而保持了形態的物質，可以例示薄片狀的氈片、通過對氈片實施捻搓和/或拉伸而得到的繩子狀的梳條、或將氈片層合併根據需要使其絡合、粘接而得到的無紡布等。圖1是表示對碳纖維基材的邊角料的切斷片進行氈片化處理的梳理工序的一實施方式的示意圖。圖1所示的梳理裝置I主要由針筒輥2、鄰近其外周面設置的刺輥(take-1n roll) 3、在刺輥3的相反側鄰近針筒輥2的外周面設置的小滾筒4、在刺輥3與小滾筒4之間鄰近針筒輥2的外周面設置的多個工作輥5、鄰近工作輥5設置的剝離輥6、鄰近刺輥3設置的進料輥(feed roll) 7和皮帶輸送機8構成。在皮帶輸送機8上供給碳纖維基材的邊角料的切斷片9，切斷片9通過進料輥7的外周面、接著通過刺輥3的外周面被導入針筒輥2的外周面上。直至該階段，切斷片9被解開，形成沒有保持碳纖維基材邊角料的形態的狀態，形成棉花狀的碳纖維。被導入到針筒輥2的外周面上的棉花狀碳纖維一部分卷繞在工作輥5的外周面上，而且該碳纖維被剝離輥6剝下，再次送回針筒輥2的外周面上。在進料輥7、刺輥3、針筒輥2、工作輥5、剝離輥6的各輥的外周面上存在大量立起的針、突起，在上述エ序中碳纖維在針的作用下被開纖為單纖維狀，同時使其方向一致。經所述過程被開纖並進行了纖維取向的碳纖維，以作為碳纖維聚集體一形態的片狀的氈片10的形式移動到小滾筒4的外周面上。進而，對氈片10進行牽引並使其幅寬變窄，由此可以得到作為碳纖維聚集體另一形態的纖維狀的梳條。在本發明中，碳纖維聚集體可以僅由碳纖維構成，但也可以使其含有熱塑性樹脂纖維或玻璃纖維。特別是在梳理切斷片時添加熱塑性樹脂纖維、玻璃纖維不僅可以防止梳理時碳纖維斷裂，而且可以使紡出量増大，所以是優選的。由於碳纖維剛硬、脆，所以難以纏繞而易於折斷。為此，僅由碳纖維構成的碳纖維聚集體在其製造中存在易於斷開、碳纖維易於脫落的問題。因此，通過含有相對柔軟、不易折斷而易於纏繞的熱塑性樹脂纖維、玻璃纖維，可以形成均一性高的碳纖維聚集體。在本發明中，在碳纖維聚集體中含有熱塑性樹脂纖維或玻璃纖維的情況下，碳纖維聚集體中的碳纖維的含量優選為20 95質量％、更優選為50 95質量％、進ー步優選為70 95質量％。如果碳纖維的比例低，則當製成碳纖維增強塑料時難以獲得高機械特性，相反，如果熱塑性樹脂纖維、玻璃纖維的比例過低，則無法獲得上述的提高碳纖維聚集體的均一性的效果。在本發明中，在使碳纖維聚集體中含有熱塑性樹脂纖維、玻璃纖維的情況下，所含纖維的纖維長度只要為可以達成保持碳纖維聚集體的形態、防止碳纖維的脫落這樣的本發明的目的的範圍即可，沒有特別限定，一般可以使用10 IOOmm左右的熱塑性樹脂纖維或玻璃纖維。此夕卜，熱塑性樹脂纖維的纖維長度也可根據碳纖維的纖維長度相對決定。例如，在拉伸碳纖維聚集體時，由於對纖維長度長的纖維施加的張カ更大，所以在希望對碳纖維施加張カ使其在碳纖維聚集體的長度方向進行取向的情況下，可以設定碳纖維的纖維長度大於熱塑性樹脂纖維和玻璃纖維的纖維長度，相反的情況下可以設定碳纖維的纖維長度小於熱塑性樹脂纖維和玻璃纖維的纖維長度。另外，為了提高由上述熱塑性樹脂纖維導致的互相纏繞的效果，優選對熱塑性樹脂纖維賦予捲曲。捲曲的程度只要為可以達成本發明目的的範圍即可，沒有特別限定，一般可以使用捲曲數為5 25節/25mm左右、捲曲率為3 30%左右的熱塑性樹脂纖維。
作為所述熱塑性樹脂纖維的材料，沒有特別限制，可以在不使碳纖維增強塑料的機械特性大幅降低的範圍中適宜選擇。具體可以使用將聚こ烯、聚丙烯等聚烯烴類樹脂、尼龍6、尼龍6，6等聚醯胺類樹脂、聚對苯ニ甲酸こニ醇酷、聚對苯ニ甲酸丁ニ醇酯等聚酯類樹脂、聚醚酮、聚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚碸、芳香族聚醯胺、苯氧基等樹脂紡絲而得到的纖維。所述熱塑性樹脂纖維的材料優選根據與碳纖維聚集體中所含浸的基質樹脂的組合，適宜選擇使用。另外，作為熱塑性樹脂纖維，尤其是適用使用了經循環利用的熱塑性樹脂的纖維時，從提高作為本發明課題之一的循環利用性的觀點考慮，是優選的。作為熱塑性樹脂纖維，特別是使用與基質樹脂相同的樹脂、或者與基質樹脂具有相容性的樹脂、與基質樹脂的粘接性高的樹脂而形成的熱塑性樹脂纖維，由於不使碳纖維增強塑料的機械特性降低，所以是優選的。進行例示，則熱塑性樹脂纖維優選為選自由聚醯胺纖維、聚酯纖維、聚苯硫醚纖維、聚丙烯纖維、聚醚醚酮纖維和苯氧基樹脂纖維組成的組中的至少ー種纖維。在本發明中，在碳纖維聚集體中含浸基質樹脂吋，既可以製作含有熱塑性樹脂纖維的碳纖維聚集體，將碳纖維聚集體所含的熱塑性樹脂纖維直接用作基質樹脂，也可以將不含熱塑性樹脂纖維的碳纖維聚集體用作原料，在製造碳纖維增強塑料的任意階段含浸基質樹脂。另外，即使在使用含有熱塑性樹脂纖維的碳纖維聚集體作為原料的情況下，也可以在製造碳纖維增強塑料的任意階段含浸基質樹脂。這種情況下，構成熱塑性樹脂纖維的樹脂與基質樹脂既可以為同一樹脂，也可以為不相同的樹脂。在構成熱塑性樹脂纖維的樹脂與基質樹脂不相同的情況下，兩方既可以為熱塑性樹脂，可以為熱塑性樹脂與熱固性樹脂的組合。但構成熱塑性樹脂纖維的樹脂與基質不相同時，兩者優選具有相容性或親和性高，例如，用以下的式I定義的溶解度參數(SP值)5接近時FRP的機械特性變高，因而優選。
權利要求
1.一種碳纖維聚集體的製造方法，其特徵在於，將含有碳纖維的碳纖維基材的邊角料切斷，得到切斷片，將該切斷片進行氈片化處理和/或無紡布化處理，由此得到碳纖維聚集體。
2.如權利要求1所述的碳纖維聚集體的製造方法，其中，所述氈片化處理和/或無紡布化處理的方法為梳理和/或衝壓，並且所述碳纖維聚集體為氈片或無紡布的形態。
3.如權利要求1或2所述的碳纖維聚集體的製造方法，其中，碳纖維聚集體中的碳纖維的每單位面積重量偏差(CV值)小於10%。
4.如權利要求1 3中任一項所述的碳纖維聚集體的製造方法，其中，碳纖維聚集體的極限剪切變形角度為30°以上。
5.如權利要求1 4中任一項所述的碳纖維聚集體的製造方法，其中，在所述碳纖維基材中含有粘結劑或增粘劑。
6.如權利要求1 5中任一項所述的碳纖維聚集體的製造方法，其中，預先將所述切斷片開纖，再進行梳理和/或衝壓。
7.如權利要求1 6中任一項所述的碳纖維聚集體的製造方法，其中，所述碳纖維聚集體中所含有的碳纖維的數均纖維長度在5 IOOmm的範圍。
8.如權利要求1 7中任一項所述的碳纖維聚集體的製造方法，其中，所用的所述切斷片中所含有的碳纖維的數均纖維長度在25 IOOmm的範圍。
9.如權利要求1 8中任一項所述的碳纖維聚集體的製造方法，其中，所述碳纖維基材含有碳纖維束，該碳纖維束已被開纖。
10.如權利要求2 9中任一項所述的碳纖維聚集體的製造方法，其中，梳理和/或衝壓時，在所述切斷片中添加熱塑性樹脂纖維或玻璃纖維。
11.如權利要求10所述的碳纖維聚集體的製造方法，其中，所述熱塑性樹脂纖維或所述玻璃纖維是循環使用的纖維。
12.—種碳纖維增強塑料的製造方法，其中，將基質樹脂含浸在用權利要求1 11中任一項所述的製造方法製造的碳纖維聚集體中。
13.如權利要求12所述的碳纖維增強塑料的製造方法，其中，所述基質樹脂為熱固性樹脂或熱塑性樹脂前體，通過樹脂傳遞成型(RTM)、真空輔助樹脂傳遞成型(VaRTM)或反應注射成型(RIM)的注入成型來含浸基質樹脂。
14.如權利要求12或13所述的碳纖維增強塑料的製造方法，其中，在所述注入成型中，將基質樹脂含浸在碳纖維聚集體和不同於該碳纖維聚集體的碳纖維基材以碳纖維聚集體為芯部的方式層合成的三明治狀的層合體中。
15.如權利要求12所述的碳纖維增強塑料的製造方法，其中，所述基質樹脂為熱塑性樹脂，將該基質樹脂含浸在碳纖維聚集體中後對其進行注射成型。
16.如權利要求15所述的碳纖維增強塑料的製造方法，其中，在注射成型得到的碳纖維增強塑料中所含的碳纖維的數均纖維長度在0.2 25mm的範圍。
17.如權利要求12所述的碳纖維增強塑料的製造方法，其中，所述基質樹脂為熱固性樹脂或熱塑性樹脂，將該基質樹脂含浸在碳纖維聚集體中後對其進行加壓成型。
18.如權利要求12所述的碳纖維增強塑料的製造方法，其中，所述基質樹脂為熱固性樹脂或熱塑性樹脂，通過加壓成型來含浸基質樹脂。
19.如權利要求17或18所述的碳纖維增強塑料的製造方法，其中，在加壓成型得到的碳纖維增強塑料中所含的碳纖維的數均纖維長度為3 50mm。
20.如權利要求17 19中任一項所述的碳纖維增強塑料的製造方法，其中，在所述加壓成型中，將基質樹脂含浸在碳纖維聚集體和不同於該碳纖維聚集體的碳纖維基材以碳纖維聚集體為芯部的方式層合成的大致三明治狀的層合體中。
全文摘要
本發明提供一種碳纖維聚集體的製造方法，其中，將含有碳纖維的碳纖維基材的邊角料切斷，得到切斷片，將該切斷片進行氈片化處理和/或無紡布化處理，由此得到碳纖維聚集體。另外，提供一種碳纖維聚集體的製造方法，其中，通過對上述切斷片進行梳理和/或衝壓，得到碳纖維聚集體。進而，提供一種碳纖維增強塑料的製造方法，其中，將基質樹脂含浸在用上述方法製造的碳纖維聚集體中。本發明可以提供用於將在碳纖維增強塑料(CFRP)的製造工序中產生的碳纖維基材的邊角料在機械特性高的CFRP中循環利用的、碳纖維聚集體的製造方法和碳纖維增強塑料的製造方法。
文檔編號B29C39/24GK103119209SQ201180046018
公開日2013年5月22日 申請日期2011年12月21日 優先權日2010年12月24日
發明者橋本貴史, 二宮浩樹, 和田原英輔, 山崎真明 申請人:東麗株式會社