JP2011213797A - Hybrid carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭素長繊維と炭素微細繊維からなるハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に関する。更に詳しくは、炭素長繊維の軸方向およびこの横方向の機械的強度が、炭素長繊維と炭素微細繊維の相乗効果により、著しく改善されたハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に関する。 The present invention relates to a hybrid carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material comprising carbon long fibers and carbon fine fibers. More specifically, the present invention relates to a hybrid carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material in which the mechanical strength in the axial direction and the transverse direction of carbon long fibers is remarkably improved by the synergistic effect of carbon long fibers and carbon fine fibers.
従来、ガラス長繊維強化ポリプロピレン複合材料は知られていた(例えば、非文献1参照)。しかし、かかる従来技術は、ガラス繊維とポリプロピレンの接着性が低く、ガラス繊維の強度や弾性率への補強効果が低く、構造材としての実用性能には不満足であった。
ガラス繊維とポリプロピレンの接着性については、プロピレンを無水マレイン酸のような極性官能基により変性することは有効であると特開平05−001184(特許文献1)や特開平06−279615(特許文献2)に開示されている。さらに特殊なカップリング剤を含む集束剤で処理したガラス繊維を使用することが特開2005−170691(特許文献3)に開示されている。しかし、保安部品のような高強度の構造部材に要求される高い強度や物性の信頼性にははるかに未達であった。また、ガラス繊維より、強度や弾性率の高い炭素繊維を使用した炭素繊維強化ポリプロピレンについても、無水マレイン酸変性ポリオレフィン共重合体を使用して接着性を改善した組成物が特開2005−256206(特許文献4)に開示されている。しかし、炭素繊維とポリプロピレンの接着性がまだ低く、炭素繊維の高強度が複合材料に反映されず、構造材としての要求には未達であった。
また、電線被覆法を応用したガラス長繊維強化ポリアミド樹脂複合材料は知られていた(例えば、非特許文献2参照)。しかし、かかる従来技術は、コンパウンド工程や射出成形工程でガラス繊維の折損が著しく、ガラス繊維の強度や弾性率への補強効果が低下し、構造材としての実用性能には不満足であった。
Conventionally, a long glass fiber reinforced polypropylene composite material has been known (see, for example, Non-Patent Document 1). However, such a conventional technique has low adhesiveness between glass fiber and polypropylene, has a low reinforcing effect on the strength and elastic modulus of glass fiber, and is unsatisfactory in practical performance as a structural material.
Regarding the adhesion between glass fiber and polypropylene, it is effective to modify propylene with a polar functional group such as maleic anhydride, as disclosed in JP-A Nos. 05-001184 (Patent Document 1) and JP-A No. 06-279615 (Patent Document 2). ). Furthermore, JP 2005-170691 (Patent Document 3) discloses the use of glass fibers treated with a sizing agent containing a special coupling agent. However, the reliability of the high strength and physical properties required for a high-strength structural member such as a safety part has not been achieved. Further, regarding carbon fiber reinforced polypropylene using carbon fiber having higher strength and elastic modulus than glass fiber, a composition having improved adhesiveness using a maleic anhydride-modified polyolefin copolymer is disclosed in JP-A-2005-256206 ( It is disclosed in Patent Document 4). However, the adhesion between the carbon fiber and the polypropylene is still low, and the high strength of the carbon fiber is not reflected in the composite material, and the demand as a structural material has not been achieved.
Moreover, the glass long fiber reinforced polyamide resin composite material which applied the electric wire coating method was known (for example, refer nonpatent literature 2). However, such a conventional technique is not satisfactory in practical performance as a structural material because glass fiber breakage is remarkable in the compounding process and injection molding process, and the reinforcing effect on the strength and elastic modulus of the glass fiber is lowered.
一方、体積抵抗率の低下や導電性や電磁波シールド性付与のために、炭素繊維や微細炭素繊維を配合する研究が進められていた。カーボンナノチューブを含むポリアミド複合材料が、特開2006−117756(特許文献5)に開示されている。熱可塑性樹脂に、カーボンナノチューブのような微細炭素繊維を含有することにより、体積抵抗率を安定化することが特開2003−135976(特許文献6)に、ピッチ系炭素繊維ミルドにカーボンナノチューブを混合することが、特開2002−105329(特許文献7)、また、ケッチェンブラックやカーボンナノチューブと気相成長した炭素繊維を組み合わせ効果が、特開2005−200620(特許文献8)にそれぞれ開示されている。さらにカーボンナノチューブと導電ポリマーと併用することが、特開2009−138032(特許文献9)に開示されている。また、熱可塑性樹脂にカーボンナノチューブと導電性を有する炭素繊維を併用配合することにより、導電性とガスバリア性が改善され、燃料電池セパレーターに適した樹脂組成物が提供されることが、特開2002−97375(特許文献10)に開示されている。また、段階的に希釈したカーボンナノチューブと射出成形を目的として、比較的低配合量の炭素繊維から熱可塑性樹脂組成物が、特開2003−286350(特許文献11)開示されている。しかし、カーボンナノチューブ併用はいずれも導電性の発揮を目的としており、強化については、炭素繊維による強化効果のみ期待されており、要求強度を満たす炭素繊維量が配合されていた。
カーボンナノチューブ配合による弾性率や強度の向上は、炭素繊維強化が困難な透明フィルム成形品などで開示されているが、その効果は、炭素長繊維による補強効果に比較してたいへん小さく、構造材を目的とした複合材料には、併用効果は全く予想外であり、応用されていなかった。
炭素繊維強化樹脂を構造材は、炭素繊維の長さ方向に引っ張り荷重を受けた場合たいへん強いが、繊維軸に対して横方向の荷重を受けた場合や曲げ荷重を受けた場合、大変弱い。この強度は、炭素繊維の配合量を増やしても改善されず、むしろマイナス効果であった。
炭素繊維配合量の増加では改善できない、曲げ荷重や繊維の軸方向に対して横方向の荷重を受けた場合の強度を改善する要求が設計者から強かった。
On the other hand, research for blending carbon fibers and fine carbon fibers has been underway in order to reduce volume resistivity and to provide conductivity and electromagnetic shielding properties. Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2006-117756 (Patent Document 5) discloses a polyamide composite material containing carbon nanotubes. JP-A-2003-135976 (Patent Document 6) describes that the volume resistivity is stabilized by containing fine carbon fibers such as carbon nanotubes in the thermoplastic resin, and the pitch-based carbon fiber milled is mixed with carbon nanotubes. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-105329 (Patent Document 7) and the effect of combining ketjen black and carbon nanotubes with vapor grown carbon fiber are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-200620 (Patent Document 8). Yes. Further, JP 2009-138032 (Patent Document 9) discloses that a carbon nanotube and a conductive polymer are used in combination. Moreover, by combining carbon nanotubes and conductive carbon fibers in a thermoplastic resin, the conductivity and gas barrier properties are improved, and a resin composition suitable for a fuel cell separator is provided. -97375 (Patent Document 10). JP-A-2003-286350 (Patent Document 11) discloses a relatively low blending amount of carbon fiber for the purpose of stepwise diluted carbon nanotubes and injection molding. However, the combined use of carbon nanotubes is aimed at exhibiting electrical conductivity, and for reinforcement, only the reinforcing effect by carbon fiber is expected, and the amount of carbon fiber satisfying the required strength was blended.
Improvements in elastic modulus and strength due to the incorporation of carbon nanotubes have been disclosed for transparent film molded products that are difficult to reinforce carbon fibers, but the effect is much smaller than the reinforcement effect of carbon long fibers, and structural materials The intended composite material was totally unexpected and had not been applied.
A structural material made of carbon fiber reinforced resin is very strong when subjected to a tensile load in the length direction of the carbon fiber, but is very weak when subjected to a load in a direction transverse to the fiber axis or a bending load. This strength was not improved by increasing the amount of carbon fiber, but rather a negative effect.
There was a strong demand from designers to improve the strength when subjected to bending load or lateral load with respect to the axial direction of the fiber, which cannot be improved by increasing the amount of carbon fiber.
本発明は、かかる従来技術の課題を背景になされたものである。すなわち、本発明の目的は、曲げ荷重や繊維の軸方向に対して横方向の荷重を受けた場合の強度を改善した構造材に適した複合材料を提供することにある。 The present invention has been made against the background of such prior art problems. That is, an object of the present invention is to provide a composite material suitable for a structural material having improved strength when subjected to a bending load or a load lateral to the axial direction of the fiber.
本発明者らは鋭意検討した結果、以下に示す手段により、上記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、以下の構成からなる。
1.熱可塑性樹脂(A)100質量部に対して、繊維径3〜25μm、長さ20mm以上の炭素長繊維(B)80〜250質量部、及び繊維径0.5〜20nm、長さ100〜5000nmの炭素微細繊維(C) 0.1〜10質量部を含有することを特徴とするハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料である。
2.また、熱可塑性樹脂(A)が、ポリアミド樹脂及び/または酸変性ポリプロピレン樹脂であることが好ましい態様であるハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料である。
3.また、炭素微細繊維(C)が、カーボンナノチューブ及び/またはカーボンナノファイバーであることがさらに好ましい態様であるハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材である。
4.スタンピング成形用ハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料である、上記1.〜3.のいずれかのハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料である。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above problems can be solved by the following means, and have reached the present invention.
That is, this invention consists of the following structures.
1. 80 to 250 parts by mass of carbon fiber (B) having a fiber diameter of 3 to 25 μm and a length of 20 mm or more, and a fiber diameter of 0.5 to 20 nm and a length of 100 to 5000 nm with respect to 100 parts by mass of the thermoplastic resin (A). It is a hybrid carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material characterized by containing 0.1 to 10 parts by mass of carbon fine fiber (C).
2. Moreover, it is a hybrid carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material in which the thermoplastic resin (A) is preferably a polyamide resin and / or an acid-modified polypropylene resin.
3. In addition, in the hybrid carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material, the carbon fine fiber (C) is a carbon nanotube and / or a carbon nanofiber.
4). 1. A carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material for stamping molding, ~ 3. Any of the hybrid carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite materials.
本発明は、炭素繊維配合量の増加のみでは到達できない非常に高い曲げ強度や炭素繊維の軸方向に対して横方向の荷重を受けた場合の強度が著しく高い、ハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性複合材である。本発明により得られた炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材のプリプレグを成形して得られる成形部品は、自動車のフレーム部品や機械器具の構造部材やスポーツ器具などに使用される。本発明により、高い曲げ強度や繊維軸に対して横方向の高い強度を有するプリプレグが提供される理由は、未だ明確でないが、微細炭素繊維が母相をなす熱可塑性樹脂の圧縮弾性率を高めため、曲げ応力を受けた場合、圧縮側の変形を抑制し、炭素繊維の座屈を抑制することで、圧縮破壊モードを防止することにより炭素繊維の高い引張強度を有効にすることと、微細炭素繊維が炭素繊維の軸方向に対して、配向性が低く、炭素繊維の補強効果が期待できない軸方向に対して横方向の強化作用を有するためと考察される。 The present invention is a hybrid carbon fiber reinforced thermoplastic composite material that has a very high bending strength that cannot be achieved only by an increase in the amount of carbon fiber and a strength that is extremely high when subjected to a load transverse to the axial direction of the carbon fiber. It is. A molded part obtained by molding a prepreg of a carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material obtained by the present invention is used for a frame part of an automobile, a structural member of a mechanical instrument, a sports instrument or the like. The reason why the present invention provides a prepreg having high bending strength and high strength in the transverse direction with respect to the fiber axis is not yet clear, but increases the compression modulus of the thermoplastic resin in which the fine carbon fibers form the matrix. Therefore, when subjected to bending stress, by suppressing the deformation on the compression side and suppressing the buckling of the carbon fiber, the high tensile strength of the carbon fiber is made effective by preventing the compression failure mode, and fine It is considered that the carbon fiber has low orientation with respect to the axial direction of the carbon fiber and has a reinforcing action in the lateral direction with respect to the axial direction where the reinforcing effect of the carbon fiber cannot be expected.
以下、本発明を詳述する。
本発明は、熱可塑性樹脂(A)100質量部に対して、繊維径3〜25μm、長さ20mm以上の炭素長繊維(B)80〜250質量部、及び繊維径0.5〜20nm、長さ100〜5000nmの炭素微細繊維(C) 0.1〜10質量部を含有することを特徴とするハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料である。
また熱可塑性樹脂(A)が、ポリアミド樹脂及び/または酸変性ポリプロピレン樹脂であることを好ましい態様とするハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料である。
さらに、炭素微細繊維(C)が、カーボンナノチューブ及び/またはカーボンナノファイバーであることが好ましい態様であるハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料である。
さらに、スタンピング成形ハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料であることを好ましい様態とするハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料である。
The present invention is described in detail below.
In the present invention, the fiber diameter is 3 to 25 μm, the carbon long fiber (B) is 80 to 250 parts by mass and the fiber diameter is 0.5 to 20 nm, and the length is 100 to 100 parts by mass of the thermoplastic resin (A). A hybrid carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material comprising 0.1 to 10 parts by mass of carbon fine fibers (C) having a thickness of 100 to 5000 nm.
Moreover, it is a hybrid carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material in which the thermoplastic resin (A) is preferably a polyamide resin and / or an acid-modified polypropylene resin.
Furthermore, it is a hybrid carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material in which the carbon fine fibers (C) are preferably carbon nanotubes and / or carbon nanofibers.
Furthermore, it is a hybrid carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material that is preferably a stamped molded hybrid carbon fiber reinforced thermoplastic resin composite material.
本発明には、重量平均繊維長が20mm以上好ましくは30mm以上、より好ましくは33mm以上、更に好ましくは100mm以上の炭素長繊維や連続繊維が使用される。重量平均繊維長が20mm未満では、構造材としての強度が未達となり、好ましくない。構造材を目的とした複合材料と導電性付与を目的とした複合材料とは、好ましい繊維長は基本的に異なる。本発明の目的とする構造材用複合材料の場合、高い応力や高いひずみ下でも応力伝達ができる繊維長が必要である。繊維のからみ合いや接触した状態では目的は達成できない。機械物性上は連続繊維が好ましいが、スタンピング成形時の金型内における流動性が必要なことからプリプレグとして、補強上十分なアスペクト比を保った長さで流動性を満たす長さに切断されたものが使用されることもある。炭素繊維としては、製造法に特に制限されないが、ポリアクリロニトル繊維やセルロース繊維などの繊維を空気中で200〜300℃にて処理した後、不活性ガス中で1000〜3000℃以上で焼成され炭化製造された引っ張り強度20t/cm2以上、引っ張り弾性率200GPa以上の炭素繊維が好ましい。本発明に使用される単繊維径は、特に制限されないが、複合化の製造ライン工程から3〜25μmが好まし;く、特に4〜15μm好ましい。3μm未満では、含浸や脱泡が難しく、25μmを超えると、比表面積が小さくなり、複合化の効果が小さくなり好ましくない。本発明に使用される炭素繊維は、空気や硝酸による湿式酸化、乾式酸化、ヒートクリーニング、ウイスカライジングなどによる接着性改良のための処理されたものが好ましい。また本発明の複合材料製造に使用される炭素繊維は、作業工程の取り扱い性から、100℃以下で軟化する集束剤により集束されていることが好ましい。集束フィラメント数には特に制限ないが、1000〜30000フィラメント、好ましくは、3000〜25000フィラメントが好ましい。
炭素長繊維または連続繊維は、熱可塑性樹脂100質量部当り、80〜250質量部、好ましくは、90〜200質量部含有する。80質量部未満では、構造材としての強度や弾性率が低く好ましくなく、250質量部を超えると、炭素繊維への熱可塑性樹脂の含浸性が難しく、含浸時毛羽の発生やボイドの割合が高くなり好ましくない。
In the present invention, carbon long fibers or continuous fibers having a weight average fiber length of 20 mm or more, preferably 30 mm or more, more preferably 33 mm or more, and further preferably 100 mm or more are used. When the weight average fiber length is less than 20 mm, the strength as a structural material is not achieved, which is not preferable. The preferred fiber length is fundamentally different between the composite material for the structural material and the composite material for the purpose of imparting electrical conductivity. In the case of the composite material for structural material which is the object of the present invention, a fiber length capable of transmitting stress even under high stress or high strain is required. The objective cannot be achieved when the fibers are entangled or in contact. In terms of mechanical properties, continuous fibers are preferable, but fluidity in the mold during stamping molding is required, so as a prepreg, it was cut to a length that satisfies the fluidity while maintaining a sufficient aspect ratio for reinforcement. Things are sometimes used. Although it does not restrict | limit especially in a manufacturing method as carbon fiber, After processing fibers, such as a polyacrylonitrile fiber and a cellulose fiber, in air at 200-300 degreeC, it is baked at 1000-3000 degreeC or more in inert gas. Carbon fibers produced by carbonization and having a tensile strength of 20 t / cm 2 or more and a tensile modulus of 200 GPa or more are preferred. The diameter of the single fiber used in the present invention is not particularly limited, but is preferably 3 to 25 μm from the composite production line process; particularly preferably 4 to 15 μm. If it is less than 3 μm, impregnation and defoaming are difficult, and if it exceeds 25 μm, the specific surface area becomes small and the effect of compositing becomes unfavorable. The carbon fiber used in the present invention is preferably treated for improving adhesion by wet oxidation with air or nitric acid, dry oxidation, heat cleaning, whiskerizing, or the like. Moreover, it is preferable that the carbon fiber used for composite material manufacture of this invention is bundled by the bundling agent which softens at 100 degrees C or less from the handleability of a work process. Although there is no restriction | limiting in particular in the number of focusing filaments, 1000-30000 filaments, Preferably 3000-25000 filaments are preferable.
The carbon long fiber or continuous fiber is contained in an amount of 80 to 250 parts by mass, preferably 90 to 200 parts by mass, per 100 parts by mass of the thermoplastic resin. If it is less than 80 parts by mass, the strength and elastic modulus as a structural material are low and not preferable, and if it exceeds 250 parts by mass, it is difficult to impregnate carbon fiber with a thermoplastic resin, and the generation of fluff and void ratio during impregnation is high. It is not preferable.
本発明に使用される炭素微細繊維は、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーと呼ばれるものであり、炭素層が、炭素六角網面が円筒状に閉じた単層のものや円筒状の炭素層が入れ子状になった多層のものがあり、いずれかに限定されない。含浸中せん断圧力による破損がしにくい曲げ強度の高い多層のカーボンナノチューブが好ましい。単繊維径が、0.5〜20nm、好ましくは5〜15nmで、長さが100〜5000nm,好ましくは150〜3000nmのものである。単繊維径が、0.5nm未満では、熱可塑性樹脂中で分散は難しく、また炭素繊維に含浸中のせん断応力で破損しやすいので好ましくない。また20nmを超えると、微細繊維の特徴である微分散効果が得られず、炭素繊維とのハイブリッド補強効果が得られず好ましくない。また長さが,100nm未満では、補強効果が小さく本発明には好ましくなく、5000nmを超えると樹脂中への分散が難しく好ましくない。長さ(L)を単繊維径(D)で除したアスペクト比(L/D)は10以上が好ましく、50以上がさらに好ましく、100以上が特に好ましい。
本発明に使用されるカーボンナノチューブやカーボンナノファイバーの製造法は限定されないが、炭素電極間にアーク放電し、放電用電極の陰極表面に成長させる方法や、シリコンカーバイドにレーザービームを照射して、加熱昇華させる方法、遷移金属触媒を使用して、炭化水素を還元雰囲気下の気相で炭化する方法などで製造される。製造方法により得られるカーボンナノチューブの形状やサイズは異なる。カーボンナノチューブは、繊維軸に対して、黒鉛層はほぼ平行である。一方、気相法により製造される微細炭素繊維には、製造方法により、中空でないものや、繊維軸に対して、黒鉛層が傾いている構造のものと、繊維軸に対してほぼ直角なものや、不鮮明なものがあり、これらはナノファイバーと呼ばれている。本発明には、黒鉛層がほぼ直角なものや不鮮明なものは強化効果が小さく好ましくない。
本発明の複合材料には、熱可塑性樹脂(A)100重量部に対して、炭素微細繊維(C)を0.1〜10質量部を、好ましくは1〜7質量部含有する。0.1質量部未満では、炭素微細繊維をハイブリッドした効果は発揮できず好ましくない。また10質量部を超えると樹脂の溶融粘度が上昇し、炭素繊維への含浸性が低下するので好ましくない。等質量部の炭素繊維を増加した場合と炭素微細繊維をハイブリッドの場合の差は、熱可塑性樹脂(A)100質量部に対して、炭素繊維(B)を60質量部、特に100質量部を超えて含有する複合材料で顕著である。炭素繊維含有量がこれを超えて場合、炭素繊維含有量を炭素繊維の長さ方向に対して横方向の曲げ強度(以下90度曲げ強度と表す)は、低下するが、炭素微細繊維をハイブリッドした場合は、90度曲げ強度が増加するという大きな差異がある。また、炭素繊維含有量増に対して、炭素繊維の長さ方向の曲げ強度(以下0度曲げ強度と表す)の増分に対して、炭素繊維の含有量増分を炭素微細繊維に置き換えた場合、その強度増分は2倍以上ある。熱可塑性樹脂(A)100質量部に、炭素繊維5質量部を含有した複合材料の0度曲げ強度に対して、炭素微細繊維5質量部含有した複合材料の0度曲げ強度は、1/2以下であるから、炭素繊維と微細炭素繊維のハイブリッド効果は、全く予想されない驚いた相乗効果である。この効果発現の理由は、未だよく解らないが、長い炭素繊維は引張り側の強化に有効であり、炭素繊維間を埋める微細炭素繊維は、圧縮側の座屈に対する強化に有効な作用をするから、引っ張り変形モードと圧縮変形モードが複合された曲げ強度において、相乗効果を示したものと考察される。
本発明によると、0度曲げ強度が1000MPaを、かつ、90度曲げ強度が95MPa、好ましくは100MPaを超えることができることが特徴である。
The carbon fine fiber used in the present invention is called carbon nanotube or carbon nanofiber, and the carbon layer is a single layer with a carbon hexagonal mesh surface closed in a cylindrical shape or a cylindrical carbon layer is nested. There is a multi-layered one that is not limited to any one. Multi-walled carbon nanotubes with high bending strength that are difficult to break due to shear pressure during impregnation are preferred. The single fiber diameter is 0.5 to 20 nm, preferably 5 to 15 nm, and the length is 100 to 5000 nm, preferably 150 to 3000 nm. When the single fiber diameter is less than 0.5 nm, it is difficult to disperse in the thermoplastic resin, and the carbon fiber is easily broken by the shear stress during impregnation, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 20 nm, the fine dispersion effect characteristic of fine fibers cannot be obtained, and the hybrid reinforcing effect with carbon fibers cannot be obtained, which is not preferable. If the length is less than 100 nm, the reinforcing effect is small and is not preferred for the present invention. If the length is more than 5000 nm, it is difficult to disperse in the resin. The aspect ratio (L / D) obtained by dividing the length (L) by the single fiber diameter (D) is preferably 10 or more, more preferably 50 or more, and particularly preferably 100 or more.
The method for producing carbon nanotubes and carbon nanofibers used in the present invention is not limited, but a method of arc discharge between the carbon electrodes and growing on the cathode surface of the discharge electrode, or irradiating the silicon carbide with a laser beam, It is produced by a method of heating and sublimation, a method of carbonizing a hydrocarbon in a gas phase under a reducing atmosphere using a transition metal catalyst, and the like. The shape and size of the carbon nanotube obtained by the manufacturing method are different. In the carbon nanotube, the graphite layer is substantially parallel to the fiber axis. On the other hand, fine carbon fibers produced by the vapor phase method are not hollow depending on the production method, have a structure in which the graphite layer is inclined with respect to the fiber axis, and are substantially perpendicular to the fiber axis. There are some things that are unclear, and these are called nanofibers. In the present invention, a graphite layer having a substantially right angle or an unclear graphite layer is not preferable because the reinforcing effect is small.
The composite material of the present invention contains 0.1 to 10 parts by mass, preferably 1 to 7 parts by mass of the carbon fine fiber (C) with respect to 100 parts by mass of the thermoplastic resin (A). If it is less than 0.1 parts by mass, the effect of hybridizing carbon fine fibers cannot be exhibited, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 10 parts by mass, the melt viscosity of the resin increases and the impregnation property of the carbon fibers decreases, which is not preferable. The difference between the case where the carbon fiber of the equal mass part is increased and the case where the carbon fine fiber is hybrid is that the carbon fiber (B) is 60 parts by mass, particularly 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the thermoplastic resin (A). It is remarkable in the composite material contained exceeding. When the carbon fiber content exceeds this, the bending strength in the transverse direction of the carbon fiber content with respect to the length direction of the carbon fiber (hereinafter referred to as 90 ° bending strength) decreases, but the carbon fine fiber is hybridized. In this case, there is a big difference that the 90-degree bending strength increases. In addition, when the carbon fiber content increase is replaced with carbon fine fiber with respect to the increase in the bending strength in the length direction of the carbon fiber (hereinafter referred to as 0 degree bending strength) with respect to the increase in carbon fiber content, Its intensity increment is more than twice. The 0 degree bending strength of the composite material containing 5 parts by mass of carbon fine fiber is 1/2 with respect to the 0 degree bending strength of the composite material containing 5 parts by mass of carbon fiber in 100 parts by mass of the thermoplastic resin (A). Because of the following, the hybrid effect of carbon fiber and fine carbon fiber is a surprising synergistic effect that is not expected at all. The reason for this effect is not well understood, but long carbon fibers are effective for strengthening the tension side, and fine carbon fibers that fill the gap between the carbon fibers are effective for strengthening the buckling on the compression side. It is considered that a synergistic effect was exhibited in the bending strength in which the tensile deformation mode and the compression deformation mode were combined.
According to the present invention, the 0-degree bending strength is 1000 MPa, and the 90-degree bending strength is more than 95 MPa, preferably more than 100 MPa.
本発明に使用される熱可塑性樹脂は、特に限定されない。ポリアミド樹脂、飽和ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリオキシメチレン樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリスチレン樹脂、ABS樹脂、AS樹脂などが例示される。これらの中では、炭素繊維や微細炭素繊維と親和性を有する官能基を含有するものが、繊維との接着性が高く強化効果が発揮できるので好ましい。上記のうちでもポリプロピレン系樹脂及び/またはポリアミド系樹脂が好ましく、ポリプロピレン系樹脂の中でも酸変性ポリプロピレン系樹脂が特に好ましい。
本発明で好ましく使用される酸変性ポリプロピレンの重量平均分子量は、8万〜20万、好ましくは9万〜18万である。重量平均分子量が、20万を超えると、溶融粘度が高くなり、プリプレグ作製時、含浸性が低く、ボイドを含み易く、本発明が達成されない。また重量平均分子量が8万未満では、強度や伸度が低く、プリプレグから得られる成形品の強度・伸度が低く好ましくない。重合触媒としては、チグラーナッタ触媒より、メタロセン系触媒が好ましい。また酸変性は、有機過酸化物によるラジカルにより、不飽和酸や不飽和無水酸をグラフトすることで得られる。有機過酸化物では、パーオキシジカーボネート系やパーオキシケタール系より、ジアルキルパーオキサイドが好ましい。本発明に使用される酸変性ポリプロピレンの多分散性指数(数平均分子量に対する重量平均分子量の比)には1.5〜7、好ましくは1.6〜6、特に好ましくは1.7〜5である。多分散指数は、1.5未満の酸変性ポリプロピレンを得るには、分別処理が必要でコスト高となり、好ましくない。また7を超えると、重量平均分子量が、8万〜20万の範囲内あっても、混在する低分子量ポリプロピレンが強度・伸度を低下させるので好ましくない。逆に、混在する高分子量成分は、含浸性や接着性を低下させて好ましくない。多分散性指数が小さいために、比較的低い重量平均分子量品でも、低分子量成分が非常に少なく、酸変性ポリプロピレンの強伸度が高くなったためと考察される。プリプレグ製造時の含浸性は、重量平均分子量に強く依存する、一方機械的性質は低分量成分に依存することが分かった。分子量分布を大変狭く制御することで、低い重量平均分子量と少ない低分子量成分を両立することが可能となる。
重量平均分子量およびその分布は、JISK7252系に準じて、140℃の1,2,4−トリクロロベンゼン溶液について、ゲル浸透クロマトグラフィー法により、140℃の高温カラムを使用して測定される。
The thermoplastic resin used in the present invention is not particularly limited. Examples include polyamide resin, saturated polyester resin, polycarbonate resin, polyolefin resin, polyphenylene sulfide resin, polyoxymethylene resin, polyphenylene ether resin, polystyrene resin, ABS resin, AS resin, and the like. Among these, those containing a functional group having an affinity for carbon fiber or fine carbon fiber are preferable because they have high adhesion to the fiber and can exert a reinforcing effect. Of these, polypropylene resins and / or polyamide resins are preferred, and acid-modified polypropylene resins are particularly preferred among polypropylene resins.
The weight average molecular weight of the acid-modified polypropylene preferably used in the present invention is 80,000 to 200,000, preferably 90,000 to 180,000. When the weight average molecular weight exceeds 200,000, the melt viscosity becomes high, and when the prepreg is produced, the impregnation property is low and voids are easily contained, and the present invention is not achieved. If the weight average molecular weight is less than 80,000, the strength and elongation are low, and the strength and elongation of the molded product obtained from the prepreg is low, which is not preferable. As a polymerization catalyst, a metallocene catalyst is preferable to a Ziegler-Natta catalyst. Acid modification can be obtained by grafting an unsaturated acid or an unsaturated acid anhydride with a radical derived from an organic peroxide. Of the organic peroxides, dialkyl peroxides are preferred to peroxydicarbonates and peroxyketals. The polydispersity index (ratio of the weight average molecular weight to the number average molecular weight) of the acid-modified polypropylene used in the present invention is 1.5 to 7, preferably 1.6 to 6, particularly preferably 1.7 to 5. is there. In order to obtain an acid-modified polypropylene having a polydispersity index of less than 1.5, a fractionation treatment is required, resulting in an increase in cost. On the other hand, when it exceeds 7, even if the weight average molecular weight is in the range of 80,000 to 200,000, the mixed low molecular weight polypropylene lowers the strength and elongation, which is not preferable. On the other hand, the mixed high molecular weight component is not preferable because it impregnates and impairs. Since the polydispersity index is small, it is considered that even in a relatively low weight average molecular weight product, the low molecular weight component is very small and the high elongation of acid-modified polypropylene is high. It was found that the impregnation properties during prepreg production depended strongly on the weight average molecular weight, while the mechanical properties depended on the low component. By controlling the molecular weight distribution very narrowly, it is possible to achieve both a low weight average molecular weight and a low low molecular weight component.
The weight average molecular weight and the distribution thereof are measured by a gel permeation chromatography method using a 140 ° C. high temperature column for a 1,2,4-trichlorobenzene solution at 140 ° C. according to JIS K7252.
本発明に使用される酸変性ポリプロピレンは、強化材と高い接着強度を有することが必要であり、赤外吸収スペルトルにおいて、840cm−1の吸光度面積に対して1790cm−1と1710cm−1の吸光度面積の和の比が0.1〜1.2、好ましくは0.2〜1.0である酸変性されている。無水酸変性度が0.1%未満では、プリプレグを成形して得られる成形品の強度が低く好ましくない。また1.2を超えると、熱分解や熱変色が起こり好ましくない。酸成分としては、マレイン酸、イタコン酸、コハク酸、アジピン酸などの無水酸やアクリル酸、メタクリル酸などが例示される。好ましくは、変性のしやすさからマレイン酸、イタコン酸の無水酸である。840cm−1は、ポリプロピレンに由来する赤外線吸収であり、測定した試験片の厚さ補正係数である。また1790cm−1,1710cm−1は、それぞれ無水カルボン酸とカルボン酸に由来する吸収であり、吸水と脱水状態を移行するから総合した変性度で効果は整理される。 Acid-modified polypropylene used in the present invention, it is necessary to have a reinforcement and high adhesive strength, in an infrared absorption Superutoru, absorbance area of 1790 cm -1 and 1710 cm -1 relative to the absorbance area of 840 cm -1 Is modified with an acid that has a ratio of 0.1 to 1.2, preferably 0.2 to 1.0. When the acid anhydride modification degree is less than 0.1%, the strength of the molded product obtained by molding the prepreg is low, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 1.2, thermal decomposition and thermal discoloration occur, which is not preferable. Examples of the acid component include anhydrides such as maleic acid, itaconic acid, succinic acid, and adipic acid, acrylic acid, and methacrylic acid. Of these, maleic acid and itaconic acid anhydride are preferred because they are easily modified. 840 cm −1 is infrared absorption derived from polypropylene, and is a thickness correction coefficient of the measured test piece. In addition, 1790 cm −1 and 1710 cm −1 are absorptions derived from carboxylic anhydride and carboxylic acid, respectively, and the effects are arranged by the total degree of modification since the water absorption and dehydration states are transferred.
本発明に使用されるポリプロピレン(A)としては、プリプレグ作製時の含浸性から分岐構造が殆どなく、物性的には高い弾性率を有する、95モル%以上がプロピレン繰り返し単位からなるホモタイプのポリプロピレンで、アイソタクチックスやシンジオタクチックスの立体規則性分率の高いものが好ましい。特にアイソタクチックス分率の高いものが好ましい。また、本発明に使用されるポリプロピレンの重合触媒は、特に限定されないが、立体規則性や分子量分布がシャープなポリプロピレンが提供できるメタロセン系触媒が好ましい。 The polypropylene (A) used in the present invention is a homo-type polypropylene having 95% by mole or more of propylene repeating units having almost no branched structure due to impregnation properties at the time of prepreg production and having a high elastic modulus in terms of physical properties. Isotactic or syndiotactic high stereoregularity fractions are preferred. Those having a high isotactic fraction are particularly preferred. In addition, the polymerization catalyst for polypropylene used in the present invention is not particularly limited, but a metallocene catalyst that can provide a polypropylene having a stereoregularity and a sharp molecular weight distribution is preferable.
本発明の酸変性ポリプロピレン樹脂及び組成物は、出発原料や製造条件は制限されないが、メルトフローレート0.1〜4dg/minであるポリプロピレン(A)100質量部に対して、無水マレイン酸0.01〜5質量部、半減期が1分となる温度が170〜185℃の範囲にある有機過酸化物0.05〜3質量部を溶融混練して得られることが好ましい態様である。
ポリプロピレン(A)に不飽和ジカルボン酸化合物と有機過酸化物を作用させて酸変性する方法が、工業的には好ましいが、この方法による変性時、ポリプロピレン(A)の分子鎖はラジカルで切断される副反応が伴う。この反応を制御するには、有機過酸化物のラジカル発生特性が適合することが必要である。半減期が1分となる温度が170〜185℃、好ましくは、172〜183℃である有機過酸化物が好ましい。170℃未満では、低分子量のポリプロピレンのみ溶融した状態からラジカル発生を開始するから低分量のポリプロピレンが発生しやすく、多分散性指数が高くなり好ましくない。また185℃を超えると、滞留時間が2分以下の押出機で変性反応を行う場合、230℃以上の高温が必要となり、熱分解や熱変色を伴いやすく、品質安定性の面から好ましくない。半減期が1分となる温度が、170〜185℃である有機過酸化物としては、メチルエチルケトンパーオキシド(182℃)、t−ブチルハイドロパーオキシド(179℃)、ジクミルパーオキシド(172℃)、2,5ジメチル2,5ジ(t−ブチルパーオキシド)ヘキサン(180℃)、nーブチル4,4−ジ(t−ブチルパーオキシ)バレレート(173℃)などが例示される。これらの中では、t−ブチルハイドロパーオキシド(179℃)、ジクミルパーオキシド(172℃)、2,5ジメチル2,5ジ(t−ブチルパーオキシド)ヘキサン(180℃)が活性酸素量も高く好ましい。ポリプロピレン100質量部に対して、無水マレイン酸0.01〜5質量部をグラフト変性する場合、活性酸素の必要量から、有機過酸化物は0.05〜3質量部、好ましくは、0.1〜1質量部使用される。
0.05質量部未満では、反応不足となりやすく好ましくない。3質量部を超えると低分子量ポリプロピレンにもラジカルの作用が起こりやすく好ましくない。
The acid-modified polypropylene resin and composition of the present invention are not limited in starting materials and production conditions, but with respect to 100 parts by mass of polypropylene (A) having a melt flow rate of 0.1 to 4 dg / min, maleic anhydride A preferred embodiment is obtained by melt-kneading 0.05 to 3 parts by mass of an organic peroxide having a temperature of from 0 to 5 parts by mass and a half-life of 1 minute at 170 to 185 ° C.
The method of acid-modifying a polypropylene (A) by reacting an unsaturated dicarboxylic acid compound and an organic peroxide is industrially preferable, but when modified by this method, the molecular chain of the polypropylene (A) is cleaved by radicals. Accompanied by side reactions. To control this reaction, the radical generation characteristics of the organic peroxide must be matched. An organic peroxide having a half-life of 1 minute at 170 to 185 ° C, preferably 172 to 183 ° C is preferred. When the temperature is less than 170 ° C., radical generation starts from a state in which only a low molecular weight polypropylene is melted, so that a low amount of polypropylene is likely to be generated, and the polydispersity index becomes high. On the other hand, when the temperature exceeds 185 ° C., when the modification reaction is carried out with an extruder having a residence time of 2 minutes or less, a high temperature of 230 ° C. or more is required, which is likely to be accompanied by thermal decomposition and thermal discoloration, which is not preferable from the viewpoint of quality stability. Examples of the organic peroxide having a half-life of 1 minute at 170 to 185 ° C include methyl ethyl ketone peroxide (182 ° C), t-butyl hydroperoxide (179 ° C), and dicumyl peroxide (172 ° C). 2,5-dimethyl-2,5-di (t-butylperoxide) hexane (180 ° C.), n-butyl 4,4-di (t-butylperoxy) valerate (173 ° C.) and the like. Among these, t-butyl hydroperoxide (179 ° C.), dicumyl peroxide (172 ° C.), 2,5 dimethyl 2,5 di (t-butyl peroxide) hexane (180 ° C.) has an active oxygen content. Highly preferred. When 0.01 to 5 parts by mass of maleic anhydride is graft-modified with respect to 100 parts by mass of polypropylene, the organic peroxide is 0.05 to 3 parts by mass, preferably 0.1 ~ 1 part by mass is used.
If it is less than 0.05 parts by mass, the reaction tends to be insufficient, which is not preferable. When the amount exceeds 3 parts by mass, the low molecular weight polypropylene is not preferable because radical action is likely to occur.
本発明に好ましく使用されるポリアミド樹脂は、特に限定されないが、複合化して構造材として使用されるから、融点が100℃以上、曲げ弾性率が2GPa以上のポリアミド樹脂が好ましい。ポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド12、ポリアミド11、ポリアミド610、ポリアミド46などの脂肪族ポリアミドやポリアミドMXD6,ポリアミド9T、ポリアミド6T、ポリアミド4Tやこれらの共重合体やポリマーアロイなどが挙げられる。本発明の効果を発揮するには、主ポリアミドが70モル%未満のポリアミド共重合体は、結晶化速度が遅いことや、融点が低下し耐熱性が低いことや剛性が低いことから好ましくない。
本発明に使用されるポリアミド樹脂の分子量は特に限定されないが、25℃において測定した98質量%硫酸の0.05g/l濃度における相対粘度が1.8〜2.8、より好ましくは1.9〜2.6の範囲にある。やや低分子量のものが、炭素繊維への含浸性から好ましい。相対粘度が1.8未満では樹脂が脆く、本発明の効果を発揮しにくい。また2.8を超えると、溶融粘度が高くなり、炭素繊維への含浸性が低下するので好ましくない。
The polyamide resin preferably used in the present invention is not particularly limited, but is preferably a polyamide resin having a melting point of 100 ° C. or higher and a flexural modulus of 2 GPa or higher because it is combined and used as a structural material. Examples thereof include aliphatic polyamides such as polyamide 6, polyamide 66, polyamide 12, polyamide 11, polyamide 610, and polyamide 46, polyamide MXD6, polyamide 9T, polyamide 6T, polyamide 4T, copolymers thereof, and polymer alloys. In order to exert the effects of the present invention, a polyamide copolymer having a main polyamide of less than 70 mol% is not preferable because of a slow crystallization rate, a low melting point, low heat resistance and low rigidity.
The molecular weight of the polyamide resin used in the present invention is not particularly limited, but the relative viscosity at a concentration of 0.05 g / l of 98% by mass sulfuric acid measured at 25 ° C. is 1.8 to 2.8, more preferably 1.9. It is in the range of ~ 2.6. Slightly low molecular weight is preferable from the viewpoint of impregnation into carbon fiber. If the relative viscosity is less than 1.8, the resin is brittle and the effects of the present invention are hardly exhibited. On the other hand, if it exceeds 2.8, the melt viscosity becomes high and the impregnation property to the carbon fiber is lowered, which is not preferable.
本発明の複合材料は、プリプレグとして、スタンピング成形して使用される。本発明で言うプリプレグとは、予め強化繊維に樹脂を含浸して得られる板状・シート状・テープ状の予備成形材料である。この予備成形体であるプリプレグを更にスタンピング成形して、実用の形状をした成形品が得られる。プリプレグ作製やスタンピング成形は、溶融加工であり、一般に融点より、20〜100℃、好ましくは30〜80℃高温に加熱して使用される。 The composite material of the present invention is used by stamping as a prepreg. The prepreg referred to in the present invention is a plate-shaped, sheet-shaped, or tape-shaped preformed material obtained by impregnating a reinforcing fiber with a resin in advance. The prepreg as the preform is further stamped to obtain a molded product having a practical shape. Preparation of prepreg and stamping molding are melt processing, and are generally used by heating to a high temperature of 20 to 100 ° C., preferably 30 to 80 ° C. from the melting point.
本発明の複合材料には、上記の必須成分の他に物性改良・成形性改良、耐久性改良を目的として、結晶核剤・離型剤、滑剤、酸化防止剤、難燃剤、耐光剤、耐候剤、酸化防止剤などが配合できる。
本発明の複合材料の製造法は特に限定されない。好ましくは、熱可塑性樹脂(A)に微細炭素繊維(C)を微分散し後、炭素繊維に含浸する方法である。熱可塑性樹脂に微細炭素繊維を微分散する方法としては、樹脂の融点以上に温度調節されたスクリュータイプ押出機のホッパーに熱可塑性樹脂(A)と微細炭素繊維(C)を所定割合に予備混合して供給する。溶融混練されたストランドを水冷後ペレタイズする方法や、熱可塑性樹脂(A)を上流のホッパーに供給し、微細炭素繊維を下流のサイドフィーダーから供給し、溶融混練されたストランドを水冷後ペレタイズする方法などが挙げられる。また、予め高濃度の微細炭素繊維を熱可塑性樹脂に溶融混練して、得られた微細炭素繊維のマスターバッチに、熱可塑性樹脂をブレンドして、溶融混練して、微細炭素繊維を希釈して、所定濃度の微細炭素繊維を含有するペレットを得るも使用される。また逆に、低濃度の微細炭素を溶融混練してえられた熱可塑性樹脂ペレットに、微細炭素繊維を追加溶融混練して、微細炭素繊維をより高濃度にしていく濃縮する方法も使用される。
希釈法や濃縮法の場合、一段目の熱可塑性樹脂と二段目以降の熱可塑性樹脂は、同樹脂か異樹脂かは限定されない。ただ、一段目の熱可塑性樹脂と二段目の熱可塑性樹脂は相溶性がよくナノ分散性があることが好ましい。一段目の熱可塑性樹脂は、二段目の熱可塑性樹脂より、低粘度の方が微細炭素繊維を微分散する上で好ましい。
炭素繊維に微細炭素繊維含有熱可塑性樹脂を溶融し、ダイ内やロール間で含浸して本発明の複合材料からなるプリプレグが製造される。
In addition to the above essential components, the composite material of the present invention has a crystal nucleating agent / mold releasing agent, a lubricant, an antioxidant, a flame retardant, a light resistance agent, a weather resistance, for the purpose of improving physical properties, moldability, and durability. Agents, antioxidants, etc. can be blended.
The method for producing the composite material of the present invention is not particularly limited. Preferably, the carbon fiber is impregnated after finely dispersing the fine carbon fiber (C) in the thermoplastic resin (A). As a method of finely dispersing fine carbon fibers in a thermoplastic resin, a thermoplastic resin (A) and fine carbon fibers (C) are premixed in a predetermined ratio into a hopper of a screw type extruder whose temperature is controlled to be higher than the melting point of the resin. And supply. A method of pelletizing the melt-kneaded strand after water cooling, or a method of supplying the thermoplastic resin (A) to the upstream hopper, supplying fine carbon fibers from the downstream side feeder, and pelletizing the melt-kneaded strand after water cooling Etc. Also, melt and knead high-concentration fine carbon fiber in a thermoplastic resin in advance, blend the thermoplastic resin into the obtained master batch of fine carbon fiber, melt-knead to dilute the fine carbon fiber. Also, a pellet containing a predetermined concentration of fine carbon fibers is used. Conversely, a method of concentrating the fine carbon fibers to a higher concentration by further melting and kneading the fine carbon fibers to a thermoplastic resin pellet obtained by melting and kneading the low concentration fine carbon is also used. .
In the case of the dilution method or the concentration method, the first-stage thermoplastic resin and the second-stage and subsequent thermoplastic resins are not limited to the same resin or different resins. However, it is preferable that the first-stage thermoplastic resin and the second-stage thermoplastic resin have good compatibility and nano-dispersibility. The first-stage thermoplastic resin has a lower viscosity than the second-stage thermoplastic resin in terms of finely dispersing fine carbon fibers.
A carbon fiber-containing thermoplastic resin containing fine carbon fibers is melted and impregnated in a die or between rolls to produce a prepreg made of the composite material of the present invention.
本発明の複合材プリプレグは、赤外線加熱や高周波加熱により、樹脂を加熱溶融して、圧縮成形機の金型に供給して、賦形冷却後脱型して構造材の部品が成形される。
本発明の複合材から得られた成形部品は、自動車のフレーム、バンパーフェースバーサポート材、シャシーシェル、座席フレーム、サスペンジョン支持部、サンルーフフレーム、バンパービーム、2輪車のフレーム、農機具のフレーム、OA機器のフレーム、機械部品など高い強度と剛性の必要な部品に利用される。
In the composite material prepreg of the present invention, the resin is heated and melted by infrared heating or high-frequency heating, supplied to a mold of a compression molding machine, demolded after shaping cooling, and a structural material part is formed.
Molded parts obtained from the composite material of the present invention include automobile frames, bumper face bar support materials, chassis shells, seat frames, suspension support parts, sunroof frames, bumper beams, two-wheeled vehicle frames, farm equipment frames, OA. Used for parts that require high strength and rigidity, such as equipment frames and machine parts.
以下に実施例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
実施例 1〜8
ポリプロピレン、ポリアミド樹脂、無水マレイン酸、有機過酸化物、微細炭素繊維、微細炭素繊維マスターバッチを表1に示した質量部に配合して、ポリプロピレンの場合は、シリンダー温度が200℃に、ポリアミド樹脂の場合は270℃に温度調節されたスクリュー式ニ軸押出機(池貝鉄工社製PCM30)のホッパーに投入した。スクリュウ回転数100rpmにて溶融混練し、水冷しペレタイズされた。
得られた微細炭素繊維含有熱可塑性樹脂のペレットは、80℃にて1時間乾燥した後、アルミラミの防湿袋にとり、絶乾状態で保管された。
微細炭素繊維含有熱可塑性樹脂ペレットをスクリュー式押出機のホッパーに投入し、可塑化した樹脂をギアポンプにより計量し、含浸装置の含浸台に供給した。一方、炭素繊維のロービングを一定速度で拡張開繊して押出機のダイヘッドに供給し、表2に示した混合比になるように、押出機より供給される熱可塑性樹脂量を調節した。幅10mm・高さ0.2mmのダイから含浸被覆されたテープ状プリプレグを水槽に浸漬して固化した後、枷に巻き取った。
テープ状プリプレグを内寸200mm×150mmの金属製枠に繊維軸を平行になるように12層重ねて固定した。IRヒータにより、200℃〜260℃に予熱した後、表面温度120〜180℃のある温度に温度調節された200mm×150mmの金型にセットして、5分間30MPa圧縮保持した。その後、金型を開いて成形品を取り出した。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples.
Examples 1-8
Polypropylene, polyamide resin, maleic anhydride, organic peroxide, fine carbon fiber, fine carbon fiber masterbatch are blended in the parts by mass shown in Table 1, and in the case of polypropylene, the cylinder temperature is 200 ° C., and the polyamide resin In this case, it was put into a hopper of a screw type twin screw extruder (PCM30 manufactured by Ikekai Tekko Co., Ltd.) whose temperature was adjusted to 270 ° C. It was melt-kneaded at a screw speed of 100 rpm, cooled with water, and pelletized.
The resulting pellets of the fine carbon fiber-containing thermoplastic resin were dried at 80 ° C. for 1 hour, then placed in an aluminum laminated moisture-proof bag and stored in an absolutely dry state.
The fine carbon fiber-containing thermoplastic resin pellets were put into a hopper of a screw type extruder, and the plasticized resin was weighed by a gear pump and supplied to an impregnation table of an impregnation apparatus. On the other hand, the carbon fiber roving was expanded and opened at a constant speed and supplied to the die head of the extruder, and the amount of the thermoplastic resin supplied from the extruder was adjusted so that the mixing ratio shown in Table 2 was obtained. A tape-shaped prepreg impregnated and coated from a die having a width of 10 mm and a height of 0.2 mm was immersed in a water bath and solidified, and then wound on a basket.
The tape-shaped prepreg was fixed on a metal frame having an inner dimension of 200 mm × 150 mm by stacking 12 layers so that the fiber axes were parallel. After preheating to 200 ° C. to 260 ° C. with an IR heater, it was set in a 200 mm × 150 mm mold whose temperature was adjusted to a surface temperature of 120 to 180 ° C. and compressed and held at 30 MPa for 5 minutes. Thereafter, the mold was opened and the molded product was taken out.
評価や分析は、次の方法で行った。
・微細炭素繊維の寸法測定
本発明により得られた厚さ約2mmのプリプレグテープの横方向の側面から幅0.5mm長さ3mmサンプリングした。これからウルトラミクロトームを使用して厚さ50〜200nm,好ましくは、80〜150nmの超薄切片を得た。超破薄切片について透過型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジー社)を使用して、5〜50万倍にて観察し透過像写真を得た。微細繊維約30本になるように視野を変えて透過像写真を得た。この透過像写真の限定視野内にあるすべての微細炭素繊維について、繊維径と長さを測定して、長さ方向に径は均一である仮定で、複合材料中の重量平均の平均繊維長を求めた。
透過型写真では、厳密には、超薄切片内の平面への投影像であり、投影長さや繊維径であり、実際より、小さい寸法として観察されるが、本発明では、超薄切片の厚さ50〜200nmの範囲で得られる投影寸法をもって微細炭素繊維の寸法と定義した。
・炭素長繊維の繊維径測定
本発明により得られた厚さ約2mmのプリプレグテープについて、エポキシ樹脂で包埋して、ミクロトームを使用して成形品の断面について、薄片を切り出し、走査型電子顕微鏡S3500N型(日立ハイテクノロジー社)を使用し、真空下において1000倍で視野を変えて10個観察して、繊維径を測定した。それらの平均径を求めた。
・炭素長繊維長さ
本発明により得られたプリプレグテープ100mmについて、キーエンス社マイクロスコープを使用して、50倍にて観察して、炭素繊維30本の単糸の長さを測定し、重量平均を求めた。毛玉や単糸切れが観察されない場合は、プリプレグテープの長さ100mmとした。
・微細炭素繊維の含有量(AN)
微細炭素繊維と熱可塑性樹脂を、溶融混練する場合のそれぞれの仕込み質量から、(1)式により、微細炭素繊維含有量(AN)を算定した。
AN=WN/(WN+WT) (1)
ここで、WN:仕込み微細炭素繊維質量、WT:仕込み熱可塑性樹脂質量
・炭素繊維量
プリプレグテープについて、550℃にて5時間加熱して、その質量減少率から熱可塑性樹脂分率を求め、得られた熱可塑性樹脂分率から(4)で求めた微細炭素繊維含有熱可塑性樹脂分率を算定して、(2)式により全体から微細炭素繊維分率を差し引いて炭素繊維量とした。
C=1−(1+AN)B (2)
ここで、C:炭素繊維分率、 B:熱可塑性樹脂分率、
AN:微細炭素繊維含有熱可塑性樹脂中の微細炭素繊維含有率
(5)物性評価
得られた厚さ約2mmの平板状成形品から、炭素繊維の長さ方向(0度)およびこれと直角方向(90度)について、それぞれ15mm×100mmの試験片各5本切削した。これをデシケータ中で23℃にて48時間保管後、ISO178に準じて、3点曲げ試験機(オリエンテック社製テンシロン4L型)を使用して、スパン長80mm・クロスヘッド速度1mm/minとして曲げ強度を測定した。
Evaluation and analysis were performed by the following methods.
-Dimensional measurement of fine carbon fiber 0.5 mm in width and 3 mm in length were sampled from the lateral side surface of the prepreg tape having a thickness of about 2 mm obtained by the present invention. From this, an ultra-thin section having a thickness of 50 to 200 nm, preferably 80 to 150 nm, was obtained using an ultramicrotome. The ultrathin slice was observed at 5 to 500,000 times using a transmission electron microscope (Hitachi High Technology) to obtain a transmission image photograph. Transmission images were obtained by changing the field of view so that there were about 30 fine fibers. For all the fine carbon fibers in the limited field of view of this transmission image photograph, the fiber diameter and length are measured, and the average fiber length of the weight average in the composite material is calculated on the assumption that the diameter is uniform in the length direction. Asked.
Strictly speaking, in a transmission type photograph, it is a projection image onto a plane in an ultrathin slice, which is the projection length and fiber diameter, and is actually observed as a smaller dimension. The projected dimension obtained in the range of 50 to 200 nm was defined as the dimension of the fine carbon fiber.
-Fiber diameter measurement of carbon long fiber About 2 mm thick prepreg tape obtained according to the present invention, it was embedded with an epoxy resin, and a microtome was used to cut out a thin piece from the cross section of the molded product, and a scanning electron microscope Using S3500N type (Hitachi High Technology Co., Ltd.), the fiber diameter was measured by changing the field of view at 1000 times and observing 10 pieces under vacuum. Their average diameter was determined.
-Carbon long fiber length About 100 mm of the prepreg tape obtained by this invention, it observed by 50 time using the Keyence microscope, the length of the single fiber of 30 carbon fibers was measured, and a weight average Asked. When pills and single yarn breakage were not observed, the length of the prepreg tape was 100 mm.
・ Content of fine carbon fiber (A N )
The fine carbon fiber content (A N ) was calculated from the respective charged masses when the fine carbon fibers and the thermoplastic resin were melt-kneaded according to the equation (1).
A N = W N / (W N + W T ) (1)
Here, WN: mass of charged fine carbon fiber, WT: mass of charged thermoplastic resin / carbon fiber amount About prepreg tape, heating at 550 ° C. for 5 hours, and obtaining the thermoplastic resin fraction from the mass reduction rate, From the obtained thermoplastic resin fraction, the fine carbon fiber-containing thermoplastic resin fraction obtained in (4) was calculated, and the fine carbon fiber fraction was subtracted from the whole by the formula (2) to obtain the carbon fiber amount.
C = 1- (1 + A N ) B (2)
Here, C: carbon fiber fraction, B: thermoplastic resin fraction,
A N : Fine carbon fiber content in the fine carbon fiber-containing thermoplastic resin (5) Evaluation of physical properties From the obtained flat plate-shaped product having a thickness of about 2 mm, the length direction of the carbon fiber (0 degree) and perpendicular thereto For each direction (90 degrees), 5 test pieces each having a size of 15 mm × 100 mm were cut. This is stored in a desiccator for 48 hours at 23 ° C. and then bent in accordance with ISO178 using a three-point bending tester (Tensilon 4L type manufactured by Orientec Corp.) with a span length of 80 mm and a crosshead speed of 1 mm / min. The strength was measured.
比較例1〜7
炭素長繊維、微細炭素繊維、熱可塑性樹脂の種類と配合比を表3に示したように変更した以外は、実施例と全く同様にプリプレグを作製した後、スタンピング成形により、平板を成形して、平板からテストピースを切削した。得られた試験片について,実施例と全く同様に0度曲げ強度と90度曲げ強度を測定した。得られた試験データを表3に合わせて示した。
実験に使用した原料と記号
PP1:未変性ポリプロピレン(プライムポリマー社製、E111G、MFR 0.5dg/min)
PP2:未変性ポリプロピレン(プライムポリマー社製、J136、MFR20dg/min)
PA6:ポリアミド6(東洋紡績社製T802、相対粘度2.5)
MAH:粉末状無水マレイン酸(日油社製)
25B:有機過酸化物2,5ジメチル2,5ジ(t−ブチルパーオキシド)ヘキサン(180℃)、(日油社製、パーヘキサ25B)1分半減期温度 179.8℃
CF:東邦テナックス社製炭素繊維、IMS40(単繊維径6.4μm、6000フィラメント)
CNT1:多層カーボンナノチューブ(昭和電工社製VGCF、単繊維系18nm,長さ2800nm)
CNTM:カーボンナノチューブ/ポリプロピレン20%マスターバッチ(Hyperion Catalysis international, Inc. 製FIBRIL MB3020-01)
Comparative Examples 1-7
Except for changing the types and blending ratios of carbon long fibers, fine carbon fibers, and thermoplastic resins as shown in Table 3, a prepreg was prepared in the same manner as in the examples, and then a flat plate was formed by stamping. A test piece was cut from the flat plate. About the obtained test piece, 0 degree | times bending strength and 90 degree | times bending strength were measured just like the Example. The obtained test data is shown in Table 3 together.
Raw materials used in the experiment and symbol PP1: unmodified polypropylene (manufactured by Prime Polymer, E111G, MFR 0.5 dg / min)
PP2: unmodified polypropylene (manufactured by Prime Polymer, J136, MFR 20 dg / min)
PA6: Polyamide 6 (T802 manufactured by Toyobo Co., Ltd., relative viscosity 2.5)
MAH: Powdered maleic anhydride (manufactured by NOF Corporation)
25B: organic peroxide 2,5 dimethyl 2,5 di (t-butyl peroxide) hexane (180 ° C.) (manufactured by NOF Corporation, Perhexa 25B) 1 minute half-life temperature 179.8 ° C.
CF: Carbon fiber manufactured by Toho Tenax Co., Ltd., IMS 40 (single fiber diameter 6.4 μm, 6000 filaments)
CNT1: multi-walled carbon nanotube (VGCF manufactured by Showa Denko KK, single fiber type 18 nm, length 2800 nm)
CNTM: 20% carbon nanotube / polypropylene masterbatch (FIBRIL MB3020-01 manufactured by Hyperion Catalysis international, Inc.)
炭素長繊維と微細炭素繊維のハイブリッドによる相乗強化効果を有する本発明の複合材料から得られるスタンピング成形品は、炭素繊維の単独強化では到底得られない非常に高い0度方向曲げ強度と90度方向曲げ強度を有する。この複合材料により、構造部材の樹脂化が可能となり、軽量化や省エネルギーの面から産業界に大きく寄与することが期待される。 A stamping molded product obtained from the composite material of the present invention having a synergistic reinforcing effect by a hybrid of carbon long fibers and fine carbon fibers has a very high 0-degree bending strength and 90-degree direction which cannot be obtained by single reinforcement of carbon fibers. Has bending strength. This composite material enables the structural member to be made of resin, and is expected to make a significant contribution to the industry in terms of weight reduction and energy saving.
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