JP2011089060A

JP2011089060A - 繊維強化樹脂複合体

Info

Publication number: JP2011089060A
Application number: JP2009244630A
Authority: JP
Inventors: Takeya Dei; 丈也出井
Original assignee: Teijin Techno Products Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2011-05-06

Abstract

【課題】原料の混練および成形加工時の作業性を阻害することがなく、高強度・高耐衝撃性、耐磨耗性の繊維強化樹脂複合体とすることができる補強材用短繊維及び該短繊維を含有する繊維強化樹脂複合体を提供する。
【解決手段】下記要件を満足する繊維を含むことを特徴とする繊維強化樹脂複合体。
ａ）単糸繊維径が２０〜１００μｍ、繊維長が０．８〜１５ｍｍであること。
ｂ）引張強度が２５００ＭＰａ以上、引張弾性率が５０ＧＰａ以上、破断伸度が３〜８％範囲内であること。
ｃ）密度が１．５ｇ／ｃｍ^３以下であること。
ｄ）熱分解開始温度が３００℃以上であること。
ｅ）繊維混入率が１容積％以上であること。
【選択図】なし

Description

本発明は、主に自動車、電気部品をはじめとする構造、機構、摺動部材において使用される繊維強化樹脂複合体に関する。

従来より、自動車、電機部品をはじめとする構造、機構部品の材料として、特に高負荷がかかる用途においては、鋼等の金属材料が使用されることが一般的であったが、小型化、軽量化、高性能化に伴い、材料への要求はますます厳しくなってきており、最近では、繊維強化樹脂複合体を用いた材料が検討されている。

このような繊維強化樹脂複合体の繊維補強材物性としては、樹脂成形する際の成形温度、或いは自動車エンジンに用いられるタイミングギアのように１００〜１３０℃の潤滑油への浸漬に耐え得る耐熱性を有することが必要であり、さらに近年では、車両用の構造部材にかかる負荷が一層高くなっているため、より高強度、高耐衝撃吸収性を有することも要求されている。

このような繊維補強材として、従来より、メタ型芳香族ポリアミド繊維を用いた紡織布が知られている（特許文献１）が、メタ型芳香族ポリアミド繊維は成形加工性には優れているものの強度が劣るため、高負荷がかかる用途では安全面で問題があった。
このような問題を解決するため、メタ型芳香族ポリアミド繊維とカーボン繊維とを複合した混織布が補強材として開示されている（特許文献２）が、カーボン繊維は耐衝撃強度が低いため、繊維強化樹脂複合体の切削加工時、或いは使用時に破損するなどの問題があった。

さらに、成型加工性に優れたメタ型芳香族ポリアミド繊維と高強度のパラ型芳香族ポリアミド繊維とを複合した不織布が補強材として開示されている（特許文献３）。
確かにある程度効果があるものの、自動車などのギアとして使用した際に、最近の高速回転化に伴う負荷の増加や、より高温雰囲気下での使用では必ずしも充分な物性であるとはいえず、また不織布にする工程が必要になることや歩留まりが低下するという問題点があった。

特開平２−２４１７２９号公報特開平５−２４０３２５号公報特開平７−１１３４５８号公報

従って、本発明の目的は、繊維を織物や不織布等の繊維構造体とすることなく、樹脂と混練して得られる繊維強化樹脂複合体を提供することにある。

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、特定の繊維形状、および機械物性を有する繊維を補強材として使用することで、所望の繊維強化樹脂複合体が得られることを究明し、本発明に到達した。

即ち、本発明によれば、
下記要件を満足する繊維を含むことを特徴とする繊維強化樹脂複合体、
ａ）単糸繊維径が２０〜１００μｍ、繊維長が０．８〜１５ｍｍであること。
ｂ）引張強度が２５００ＭＰａ以上、引張弾性率が５０ＧＰａ以上、破断伸度が３〜８％の範囲内であること。
ｃ）密度が１．５ｇ／ｃｍ^３以下であること。
ｄ）熱分解開始温度が３００℃以上であること。
ｅ）繊維混入率が１容積％以上であること。
好ましくは繊維がポリパラフェニレン・テレフタラアミド繊維及び／又はコポリパラフェニレン・３，４’−オキシジフェニレン・テレフタラアミド繊維である繊維強化樹脂複合体、
が提供される。

本発明の繊維強化樹脂複合体は、高強度・耐高衝撃吸収性・高耐熱性、高耐摩耗性が付与された繊維強化樹脂複合体であり、特定の繊度や長さ（アスペクト比）、強度、密度を有する繊維を用いることにより、樹脂と繊維の混練時および成形加工時に補強繊維の絡まり等の作業性を阻害されることがなく均一に分散し容易に成形体とすることができる。

本発明を以下の好適例により説明するが、これらに限定されるものではない。
本発明の繊維強化樹脂複合体に使用する（補強材）繊維の繊維長は０．８〜１５ｍｍ、好ましくは０．９〜１０ｍｍ、より好ましくは１〜６ｍｍで、繊維径は２０〜１００μｍ、好ましくは３０〜８０μｍ、より好ましくは４０〜７０μｍのものを用いる必要がある。繊維の繊維長が０．８ｍｍ未満や繊維径が１００μｍを超える場合は、繊維が均一に分散するものの、樹脂との接着が不足して強度や耐久性に乏しくなる。
逆に繊維長が１５ｍｍを超えたり、繊維径が２０μｍ未満であると、繊維同士の絡まりが発生し、樹脂中で繊維が均一に存在せず十分な補強効果が得られない。

本発明の繊維強化樹脂複合体に使用する繊維は、高強力、高弾性率、且つ破断伸度が適度な大きさであることが必要であり、具体的には、該繊維の引張強度が２５００ＭＰａ以上、引張弾性率が５０ＧＰａ以上であり、且つ該繊維の破断伸度が３〜８％範囲内であることが好ましい。

繊維の引張強度が２５００ＭＰａ未満であったり、引張弾性率が５０ＧＰａ未満であると、繊維強化樹脂複合体の曲げ強度が小さくなり、繊維強化樹脂複合体に荷重がかかった場合、繊維が破断して、その衝撃を十分に吸収できない。逆に、所定の補強効果を得るためには繊維添加量を増やさなければならず、繊維の分散状態が不均一となる。繊維の引張強度は好ましくは３０００ＭＰａ以上、引張弾性率は６０ＧＰａ以上である。

該繊維の破断伸度が３％未満では繊維強化樹脂複合体の靱性が十分ではない。また、破断伸度が８％を超えると母材である樹脂との伸度差が大きくなりすぎ、かつ、伸びによる単繊維の太さの減少によって繊維強化樹脂複合体破断面近辺での界面接着部で部分的な剥離が生じ易くなって補強効果を充分に発現できなくなる。

繊維の密度は、繊維強化樹脂複合体の軽量化の観点から１．５ｇ／ｃｍ^３未満であることが望ましい。また、従来使用されているガラス繊維と同繊維径および同繊維長の繊維を樹脂中に同体積量混入する場合、密度が小さい方が繊維本数は多くなり、より有効的に優れた強化性能の発現が期待される。

上記繊維強化樹脂複合体に使用する繊維としては、カーボン繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、鋼繊維、アスベスト繊維等の無機繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維、ポリベンズオキサゾール（ＰＢＯ）繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、ポリケトン繊維、アクリル繊維、塩化ビニル繊維、セルロース繊維、パルプ繊維等の有機繊維のいずれをも使用することができる。なかでもパラ型アラミドからなる繊維が他の繊維に比べて補強効果が大きいので好ましく、特にコポリパラフェニレン・３，４’オキシジフェニレン・テレフタラミド繊維は、耐薬品性に優れ、高温高圧下雰囲気中に長時間保持してもその機械的特性の劣化が小さく、高い強力保持率を有するので好ましい。

また、上記繊維の繊維混入率は、繊維強化樹脂複合体の成形性、加工性を考慮して決めることができるが、１容積％以上であることが必要である。該繊維混入率が１容積％未満では、強度や耐衝撃性が十分ではない場合がある。好ましくは、該繊維混入率は５容積％以上、より好ましくは１０容積％以上である。

ここで、本発明における繊維混入率（Ｖｆ：ｆｉｂｅｒｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎ）は、次式；Ｖｆ＝（Ｖ１／Ｖ２）×１００（Ｉ）
（式中、Ｖ１は繊維を含有した繊維強化樹脂複合体の単位体積（１リットル）中に混入された補強繊維の容積（リットル）を示し、Ｖ２は繊維強化樹脂複合体の単位容積（１リットル）で表される割合（容積％）である。

さらに、上記繊維には、補強材繊維と樹脂との接着性を向上させるために種々の界面活性剤を付着させたり、また、元来繊維に付着している油剤や精練加工剤（いずれも界面活性剤を含んでいるもの）などを完全に洗浄せずに微量残存させることにより、樹脂との接着性を向上させることもできる。

繊維強化樹脂複合体に使用する樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミノアミド樹脂、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＣＰレジン（架橋ポリエステルアミド、架橋ポリアミノアミド）などの熱硬化性樹脂或いは熱可塑性樹脂が例示され、これらは１種、または１種以上の混合物にして利用することが可能である。

繊維強化樹脂複合体の成形材料化の方法は、樹脂、繊維、充填材、添加剤等をブレンドし、ロール、コニーダ、押出機等を使用して加熱溶融混練した後、ペレット化あるいは冷却後粉砕して成形材料化する方法、あるいは、充填材、添加剤に樹脂ワニスを加え、ヘンシェルミキサー、スーパーミキサー等を使用し撹拌することにより樹脂を充填材に含浸させた後、溶媒を除去して成形材料化する方法等がある。上記の方法で得た繊維強化樹脂複合体の成形材料を、所定の金型により加熱加圧し硬化または加熱し可塑化させた後冷却して硬化させることにより、優れた強度、耐衝撃吸収性、および摩耗性をもつ成形品が得られる。

以下に実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
なお、実施例における各種の物性評価は、次のようにして測定した。

（１）繊維長、繊度
ＪＩＳ−Ｌ−１０１５に準拠して測定した。

（２）繊維の熱分解開始温度
熱分析装置（理学株式会社製ＴＡＳ−２００）を用いて測定した。

（３）繊維の引張強度
ＪＩＳＬ−１０１３に基づいて測定した。

（４）繊維の引張弾性率
ＪＩＳＬ−１０１３に基づいて測定した。

（５）繊維強化樹脂複合体の原料混練性と繊維分散性
粉末フェノール樹脂（住友ベークライト株式会社製）５００ｇと繊維を、アイリッヒミキサー（日本アイリッヒ（株）、Ｒ−０２タイプ、容量：５Ｌ）を用いて１０００ｒｐｍの撹拌速度で約１分間混練して得られた原料の混練性について、繊維同士の絡まりが無く且つ成形時における金型充填作業等を阻害しないときは良好とし、繊維の絡まりが有りまた成形時の作業を阻害するときは不良とした。

（６）繊維強化樹脂複合体の曲げ強度および衝撃吸収性
縦１３０ｍｍ×横１３０ｍｍの成形金型に上記で得られた混合物を１７０ｇ充填した後、所定のプレス装置を用いて１１０℃、１ｔｏｎ、５分間のセミホットプレスで成形した。この後成形金型から脱型し、さらに２００℃、５時間で焼成した。このようにして得られた成形品を、ダイヤモンドカッターを用いて幅１０ｍｍ×高さ４ｍｍ×長さ８０ｍｍに切り出し、繊維強化樹脂複合体の供試体を作成した。
曲げ強度測定について、上記供試体をＩＳＯ１７８３点曲げ測定法に準拠して測定した。すなわち、１０トン用引張圧縮試験機（ＴＯＹＯＢＡＬＤＷＩＮ社製、ＵＮＩＶＥＲＳＡＬＴＥＳＴＩＮＧＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＭＯＤＥＬＵＴＭ１０ｔ）を用い、支点間距離６４ｍｍの中心を２ｍｍ／ｍｉｎの速度で圧縮し、応力の最高点より曲げ強度を求めた。
また、衝撃吸収性について、上記供試体をＪＩＳ−Ｋ−７７０１シャルピー衝撃強さの試験に準拠して測定した。すなわち、シャルピー衝撃試験機（東洋精機製、ＤＧ−ＣＢ型）を用い、試験片の中心を２．０Ｊ用振り子の打撃刃先端が接触するように試験片を設置して測定を行い、衝撃エネルギーの値は、振り子の振り下ろす前の位置エネルギーと試験片破壊後に残された振り子のエネルギーの差から求めた。
曲げ強度１５０Ｎ／ｍｍ^２以上で且つ衝撃吸収エネルギー５ｋＪ／ｍ^２以上を良好とし、曲げ強度１５０Ｎ／ｍｍ^２または衝撃吸収エネルギー５ｋＪ／ｍ^２未満を不良とした。

（７）繊維強化樹脂複合体の耐摩耗性
ＪＩＳＫ−７２１８「プラスチックの滑り摩耗試験方法」に基づいて試験し、荷重２０ｋｇ、周速度５０ｍｍ／分、回転体となる金属をアルミニウムとしたときの、繊維強化樹脂複合体と金属回転体の摩耗した重量を測定した。
繊維強化樹脂複合体の摩耗量２０ｇ以下で且つアルミニウム回転体の摩耗量１０ｇ以下を良好とし、繊維強化樹脂複合体の摩耗量２０ｇ、またはアルミニウム回転体の摩耗量１０ｇを越えれば不良とした。

［実施例１］
表１に示す配合割合で繊維強化樹脂複合体を調整し、繊維としてアラミド繊維（帝人テクノプロダクツ株式会社製「テクノーラ」（密度１．３９ｇ／ｃｍ^３、繊維径４５μｍ、長さ３ｍｍ、引張強力３４１０ＭＰａ、引張弾性率７４ＧＰａ、破断伸度４％、熱分解温度５００℃）を使用した。繊維強化樹脂複合体の原料混練性、曲げ強度、衝撃吸収性、および摩耗試験実施し、評価結果を表２に示す。

［実施例２〜５、比較例１〜８］
実施例１において、繊維強化樹脂複合体の配合割合、繊維種、繊維の体積混入率、繊維径、繊維長、引張強力、引張弾性率、破断伸度および熱分解温度を表１に示す通り変更して繊維強化樹脂複合体を調整し、繊維強化樹脂複合体の原料混練性、曲げ強度、衝撃吸収性、および摩耗試験実施し、評価結果を表２に示す。
本発明の繊維強化樹脂複合体は原料の良好な混練性および成形時の作業性を阻害することなく、繊維は均一に分散している。また得られた供試体は、作用応力が増加しても急激な繊維の破断は生じず、曲げ応力も低下することがなく、該繊維で強化されていない樹脂複合体に比べ優れた耐久性、耐衝撃性、耐摩耗性が認められた。また、三点曲げ試験において、曲げ応力が１５０Ｎ／ｍｍ^２、衝撃吸収エネルギー５ｋＪ／ｍ^２以上であることが明らかである。

本発明の繊維強化樹脂複合体は軽量、高耐熱性、高強度、高耐衝撃性を有し、自動車や電気部品の構造部材として有用である。

Claims

下記要件を満足する繊維を含むことを特徴とする繊維強化樹脂複合体。
ａ）単糸繊維径が２０〜１００μｍ、繊維長が０．８〜１５ｍｍであること。
ｂ）引張強度が２５００ＭＰａ以上、引張弾性率が５０ＧＰａ以上、破断伸度が３〜８％範囲内であること。
ｃ）密度が１．５ｇ／ｃｍ^３以下であること。
ｄ）熱分解開始温度が３００℃以上であること。
ｅ）繊維混入率が１容積％以上であること。
繊維がポリパラフェニレン・テレフタラアミド繊維及び／又はコポリパラフェニレン・３，４’−オキシジフェニレン・テレフタラアミド繊維である請求項１記載の繊維強化樹脂複合体。