JP2014009248A - 炭素繊維複合樹脂ビーズならびに炭素繊維強化複合材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素繊維の体積含有量を大きくし、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ・ＣＦＲＴＰ）の製造に使用できる、取扱性や作業性に優れた炭素繊維複合樹脂ビーズ、該ビーズを用いた、熱履歴による劣化を抑制することが可能な炭素繊維複合ビーズ、炭素繊維強化複合樹脂組成物およびその成型体を提供する。
【解決手段】混練方法を用いたペレット製造では困難な、高繊維含有量の炭素繊維複合樹脂ビーズを作製し、炭素繊維を樹脂に配合する際に、炭素繊維と樹脂の混合媒体を回転させ、且つ樹脂中へ機能性フィラーを配合することによって、機能性を有する炭素繊維複合樹脂ビーズを製造し、これに加熱加圧成形法を適用することで、熱劣化を抑えることが可能な炭素繊維強化複合樹脂組成物、すなわち炭素繊維強化プラスチックおよびその成型体を製造する。
【効果】製造したビーズが可とう性を示し、高繊維含有量の炭素繊維強化プラスチックを製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高繊維含有量の炭素繊維複合樹脂ビーズとその製造方法、ならびに炭素繊維と高分子樹脂からなる炭素繊維強化複合材料に関するものであり、さらに詳しくは、炭素繊維複合樹脂ビーズならびに炭素繊維強化複合材料およびその製造方法、その複合材料の熱劣化を抑制する機能を付加した機能性炭素繊維複合樹脂ビーズおよびその組成物に関するものである。

本発明は、圧縮、押出しまたは射出成形用の炭素繊維強化樹脂コンパウンドあるいはペレット材料およびその成型体の技術分野において、炭素繊維複合樹脂ビーズならびに炭素繊維強化複合材料およびその製造方法に関する新技術・新製品を提供するものである。

近年、炭素繊維で強化した炭素繊維強化樹脂材料（ＣＦＲＰ、ＣＦＲＴＰ）は、軽量化と高剛性を兼ね備えた材料として、特に、電子部品のシャーシー部材や自動車用の準構造部材として、その適用が検討され始めている。汎用製品としての炭素繊維強化樹脂材料では、非連続の炭素繊維（長繊維、短繊維）を利用することが大きなニーズとなっている。

炭素繊維強化樹脂の機械特性を高めるには、強化する炭素繊維の長繊維化もしくは樹脂中への炭素繊維含有量の増加が望ましいとされ、その炭素繊維を含有させた樹脂をペレット化して、圧縮、押出し、射出成形などの加熱加圧成形を行って、成型品を生産している。特に、このようなペレット材料を用いることは、成型品の生産性を上げるために適した手法となっている。

炭素繊維の長繊維を樹脂中に導入し、ペレット化する方法としては、先行技術として、例えば、溶融状態の熱可塑性樹脂に炭素繊維束を導入し、その後に、切断、ペレット化する含浸スランド法（特許文献１）、が報告されているが、大掛かりな設備を必要とするものであり、且つその炭素繊維含有量は約２０重量％程度のものである。

その他、樹脂の押出溶融混練状態の中に炭素繊維を導入し、その押出体を、切断、ペレット化する方法が既知の手法として知られており、例えば、先行技術として、ポリプロピレン樹脂組成物６０〜８５重量部、ＰＡＮ系炭素繊維１５〜４０重量部、中実のカーボンブラック０．１〜５．０重量部を配合してなる樹脂組成物（特許文献２）、が報告されている。

また、成形体中の材料として使用される再生ポリフェニレンスルフィドの比率を高めても、ポリフェニレンスルフィド成形体が本来有する機械特性、耐熱性、耐薬品性、寸法安定性に優れるという特性を保持した成形体の製造方法や（特許文献３）、また、リグニンを含む、圧縮、押出しまたは射出成形用の成形用樹脂コンパウンド材料であって、リグニンが有機溶媒に可溶であり、リグニンを５〜９０質量％含む成形用樹脂コンパウンド材料（特許文献４）、が報告されている。

しかし、これらの押出混練法では、炭素繊維の含有量が多くなると溶融樹脂の粘度が極めて高くなるため、炭素繊維は、２０〜３０体積％での混練が限界とされている。

また、用途によっては、高剛性のような機械特性だけではなく、熱伝導性が求められる。樹脂は、熱伝導性が低く、炭素繊維の熱伝導性が高いため、熱が加わる部品に用いた場合、材料中に熱が籠り、その熱履歴によって熱劣化を引き起こしてしまうという問題がある。このような問題に対する対策技術は、現在のところ、公知の事実として公表されていないが、その対策技術あるいはそれに対応した新しい炭素繊維強化樹脂材料（ＣＦＲＰ）の開発は、材料の安全性と信頼性の観点から、必要且つ重要である。

特開２０１１−２４６６２１号公報 特開２０１２−３６２４７号公報 特開２００９−２９１９８６号公報 特開２０１１−２１９７１５号公報

ここで、上述の樹脂ペレットについて、さらに説明すると、複合材料の製造に際しては、樹脂粉末と炭素繊維をそれぞれ単独で、もしくは両者を混合して、直接、成形機に供給する方法が、特に、生産性を考慮する上で望ましい。しかしながら、このような方法では、ホッパー内で原料の樹脂粉末あるいは炭素繊維が固まり、ブリッジ現象が生じるという問題があり、さらには品質のばらつきが起きるという問題がある。

また、炭素繊維の添加量が高くなると、混合物の流動性は低下することから、現状では、高炭素繊維添加量での樹脂混練は困難であり、さらにペレットの樹脂特性である可とう性を発現させることは困難であるのが実情であり、当技術分野においては、これらの課題を解決するための新しい技術を開発することが強く要請されていた。

このような状況の中で、本発明者らは、上述のような課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、炭素繊維を樹脂に配合する際に、炭素繊維と樹脂の混合媒体を回転させ、且つ樹脂中へ機能性フィラーを配合することによって、これらの課題を解決した製品が得られることを見出し、公知の混練方法を用いたペレット製造では困難であった、高繊維含有量の炭素繊維複合樹脂ビーズを作製するに至り、熱履歴による劣化を抑えることが可能な炭素繊維複合樹脂組成物を開発することに成功し、本発明を完成するに至った。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、炭素繊維複合樹脂ペレットの従来材に見られる種々の問題点を解決できる炭素繊維複合樹脂ペレットとその組成物の製造方法を提供することを目的とするものである。また、本発明は、炭素繊維の体積含有量を大きくし、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ・ＣＦＲＴＰ）の製造に使用できる、取扱性や作業性に優れた炭素繊維複合樹脂ビーズを提供することを目的とするものである。さらに、本発明は、熱履歴による劣化を抑制する炭素繊維複合ビーズおよびその炭素繊維複合樹脂組成物の成型体を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）炭素繊維と樹脂との混合物を撹拌して複合化して得られる、炭素繊維を高含有量で含む加熱および加圧成形用の炭素繊維複合樹脂ビーズであって、炭素繊維含有量が３０体積％以上９５体積％以下であることを特徴とする炭素繊維複合樹脂ビーズ。
（２）炭素繊維の繊維長が１００μｍ以上６ｍｍ以下であり、その径が５μｍ以上１５μｍ以下である炭素繊維から構成される、前記（１）に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズ。
（３）樹脂が、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドからなる群より選ばれる１種または２種以上の高分子樹脂である、前記（１）または（２）に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズ。
（４）前記複合樹脂が、樹脂に、フィラーとして、アルミナ、酸化マグネシウム、ジルコニア、チタン酸バリウム、二酸化チタン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリカからなる群より選ばれる１種または２種以上の無機フィラーを複合化した複合樹脂である、前記（１）から（３）のいずれか１項に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズ。
（５）前記（４）に記載の複合樹脂を含有する、機能性を付与した炭素繊維複合樹脂ビーズであって、その熱伝導性による熱劣化が抑えられている、前記（４）に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズ。
（６）炭素繊維を高含有量で含む加熱および加圧成形用の炭素繊維複合樹脂ビーズであり、該炭素繊維の含有量が３０体積％以上９５体積％以下である炭素繊維複合樹脂ビーズを製造する方法であって、
炭素繊維および液状化した樹脂の混合物を、公転および／または自転する撹拌装置によって、毎分４００〜３０００回転で撹拌操作を行って複合し、これを、加熱加圧成形してビーズに形成することを特徴とする炭素繊維複合樹脂ビーズの製造方法。
（７）炭素繊維の繊維長が１００μｍ以上６ｍｍ以下であり、その径が５μｍ以上１５μｍ以下である炭素繊維から構成される、前記（６）に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズの製造方法。
（８）樹脂が、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドからなる群より選ばれる１種または２種以上の高分子樹脂である、前記（６）または（７）に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズの製造方法。
（９）前記複合樹脂が、樹脂に、フィラーとして、アルミナ、酸化マグネシウム、ジルコニア、チタン酸バリウム、二酸化チタン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリカからなる群より選ばれる１種または２種以上の無機フィラーを複合化した複合樹脂である、前記（６）から（８）のいずれかに記載の炭素繊維複合樹脂ビーズの製造方法。
（１０）前記（１）から（５）のいずれか１項に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズを、加熱加圧成形して得られることを特徴とする炭素繊維強化複合樹脂組成物。
（１１）前記（１０）に記載の炭素繊維強化複合樹脂組成物の成型体。

次に、本発明についてさらに詳細に説明する。
本発明の炭素繊維複合樹脂ビーズは、炭素繊維複合樹脂組成物の成形体を製造するための、加熱及び加圧成形用のペレットであり、従来の炭素繊維複合樹脂ペレットのように、単純に樹脂粉末と炭素繊維を混合したものではなく、その炭素繊維含有量が３０体積％から９５体積％の範囲で製造したものである。

この製造方法による炭素繊維複合樹脂ビーズは、液状の高分子樹脂もしくは溶媒にて溶解した高分子樹脂液に、炭素繊維を混合し、公転および／または自転を有する撹拌装置で複合化して得られるビーズ形状体であり、その炭素繊維複合ビーズが、加熱および加圧下において、可とう性を有し、且つ成形可能な特性を有すものである。

使用する炭素繊維としては、その繊維長が１００μｍ以上６ｍｍ以下のものを使用することができ、繊維長が１２０μｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。また、炭素繊維の径が５μｍ以上１５μｍ以下のものを使用することができ、炭素繊維の径が８μｍ以上１２μｍ以下であることが好ましい。繊維長が１００μｍ未満では、組成物の十分な機械的な特性を得られることができず、好ましくない。

また、６ｍｍよりも長い繊維では、複合化において、繊維の絡み合いがとれず、ビーズを形成できず、好ましくない。また、繊維径が５μｍ未満では、混練時に繊維が壊れる可能性があり、１５μｍを超える径では、繊維の剛直性が強くなり、ビーズを製造することが困難であるため、本発明の炭素繊維複合樹脂ビーズの形成においては、好ましくない。

使用する樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、あるいはこの混合物であればよく、具体的には、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドからなる群より選ばれる１種または２種以上の高分子樹脂材料を選択することができる。この場合、樹脂の種類に制限はないが、室温あるいは加熱下において、液状の樹脂あるいは溶媒にて溶解した高分子樹脂液が、本発明の炭素繊維複合樹脂ビーズの製造に好適に用いられる。

本発明において提供される炭素繊維複合樹脂ビーズは、公転および／または自転を有する撹拌装置で複合化して得られる。すなわち、炭素繊維と樹脂とを、容器中にて混合し、その容器を撹拌機に設置した後、毎分４００〜３０００回転、好適には５００〜２０００回転にて公転および／または自転の撹拌操作を行う。当然ながら、公転のみでビーズ形成を行っても問題はないが、より球状化、繊維の充填化を向上させるためには、公転と自転での撹拌操作を行うことが好ましい。

炭素繊維と樹脂との混合割合としては、製造される炭素繊維複合樹脂ビーズの炭素繊維含有量を３０体積％から９５体積％とすることが好適であり、それにより、通常の混練法では困難な、高い繊維含有量の炭素繊維複合樹脂ビーズが形成される。したがって、このような炭素繊維複合樹脂ビーズを、圧縮、押出し、射出成形のような、加熱および加圧成形方法によって、成形体を作製することができ、その成形体の炭素繊維含有量も、炭素繊維が３０体積％から９５体積％という、高い繊維含有量の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ・ＣＦＲＴＰ複合材）を製造することができる。

本発明における炭素繊維複合樹脂ビーズの繊維含有量は、好適には、３０体積％から９５体積％の範囲である。３０体積％未満の繊維含有量では、液状化した高分子樹脂の量が多すぎて、均一なペースト状になるが、複合ビーズの形態にすることはできない。また、９５体積％を超えた繊維含有量では、繊維間を繋ぐあるいは繊維間の空隙を埋めるための樹脂量が足りず、且つ炭素繊維の嵩が大きくなりすぎるために、複合ビーズを形成することができない。そのため、好適には、３０体積％から９５体積％の範囲の炭素繊維含有量で、複合ビーズを製造することが好ましい。

また、炭素繊維複合樹脂ビーズのマトリックス樹脂に、高熱伝導性などのフィラーを複合化することによって、機能性を有する炭素繊維複合ビーズを製造することが可能である。この場合、フィラーとして、アルミナ、酸化マグネシウム、ジルコニア、チタン酸バリウム、二酸化チタン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリカからなる群より選ばれる１種または２種以上が例示される。これらの無機フィラーを樹脂と複合化し、その無機フィラー複合樹脂と炭素繊維を、上述した方法ならびに条件にて混合することによって、機能性の炭素繊維樹脂ビーズ構造体を製造することができる。

本発明の機能性を有する炭素繊維複合樹脂ビーズにおいては、複合化する無機フィラーは、３０体積％を超えないことが好ましい。３０体積％を超えてしまうと、複合化した樹脂の流動性が損なわれ、炭素繊維と撹拌混合することが困難になる可能性がある。さらには、無機フィラー量が増すと、素材コストの観点、材料としての重量増が引き起こされ、工業的な部材としての価値が損なわれる可能性がある。好適には、０．１体積％以上３０体積％以下の無機フィラー含有量のマトリックス樹脂を形成することが望ましい。

本発明の炭素繊維複合樹脂ビーズは、次のような特徴を有する。すなわち、第１に、炭素繊維と高分子樹脂を混合、撹拌することによって得られたビーズ状のものであって、第２に、その炭素繊維複合樹脂ビーズの繊維含有量が３０体積％から９５体積％の範囲である高繊維含有量のビーズ状構造体である。

第３に、炭素繊維複合樹脂ビーズを構成している炭素繊維の繊維長および繊維径が、それぞれ１００μｍ以上６ｍｍ以下、好ましくは５μｍ以上１５μｍの範囲であり、第４に、炭素繊維複合樹脂ビーズを構成している高分子樹脂材料が少なくとも１種類あるいは複数種類の樹脂であり、第５に、製造した炭素繊維複合樹脂ビーズを用いて、加熱、加圧よって可とう性を発現し、加熱加圧成形によって、炭素繊維含有量が３０体積％から９５体積％の高繊維含有量で炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ・ＣＦＲＴＰ）を形成する。

また、第６に、製造する炭素繊維複合樹脂ビーズを構成している樹脂に、機能性の無機フィラーを０．１体積％以上３０体積％以下の範囲で導入することによって、熱伝導性を付加した、機能性を有する炭素繊維複合樹脂ビーズを形成し、それを加熱加圧成形することによって、機能性を持った炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ・ＣＦＲＴＰ）とすることができる。さらに、炭素繊維、無機フィラー、樹脂を配合ならびに混合し、公転および／または自転を有する撹拌機により、ビーズ形態の炭素繊維複合樹脂ビーズを製造することができる。

次に、本発明で提供される炭素繊維複合樹脂ビーズを用いた、炭素繊維強化複合樹脂組成物としての成型体の特徴について説明する。

本発明の炭素繊維複合樹脂ビーズは、３０体積％から９５体積％の炭素繊維と、炭素繊維間あるいは空隙を埋める形態で固体の樹脂（熱可塑性の場合）あるいは半固体状の樹脂（熱硬化性樹脂の場合）を含んでいる。そのため、加熱プレス機、押出成形機、射出成形機、ロール機などの加熱加圧を用いた成形、すなわち公知の成形方法を利用して成形することが可能である。

この成形では、加熱によって樹脂が溶融化および軟化し、炭素繊維複合樹脂ビーズに可とう性が発現し、加圧によって変形し、成型することが可能となる。その結果、易成形性の、高い繊維含有量を有する炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ・ＣＦＲＴＰ）材料およびその成型体が得られる。

前述したように、この炭素繊維複合樹脂ビーズを構成しているマトリックス樹脂に、機能性を有する無機フィラーを導入しても、上記成形方法で、成型体を製造することが可能であり、それにより、機能性を、炭素繊維強化プラスチックに付与することができる。

後述する実施例において詳細に示すように、例えば、高熱伝導性の特徴を有する窒化ホウ素を、１０体積％で樹脂に混練すると、その複合樹脂の熱伝導率は、約１Ｗ／ｍＫになる。この窒化ホウ素複合樹脂と炭素繊維とを混合し、撹拌することによって、前述した方法によって、窒化ホウ素フィラーを含んだ炭素繊維複合樹脂ビーズの構造体が形成される。

その成形後の成型体の熱伝導率は、上記複合樹脂の熱伝導率とほぼ同等の値を示すが、この特性は、成型体の熱偏析を抑制することになり、炭素繊維強化プラスチックの熱劣化を抑制する。なぜならば、炭素繊維は熱伝導性を有するが、樹脂は熱伝導性が低いために、熱が成型体に加わると、炭素繊維に付加された熱の放出場所がなくなり、樹脂の劣化を引き起こしてしまうからである。

このように、機能性無機フィラーを、炭素繊維複合樹脂ビーズの構造体中に導入することにより、機能性のビーズ、すなわち機能性炭素繊維複合樹脂ビーズが形成され、その成型体は、機能性を有する。

図１は、上記炭素繊維複合樹脂ビーズの構造を模式的に示した説明図である。図中、１は樹脂、２は炭素繊維、３は無機フィラーを示す。得ようとする炭素繊維複合樹脂ビーズならびに成型体としての炭素繊維強化プラスチックによって、３の無機フィラーを、構造体中に導入するかどうかを決めればよい。

また、使用する炭素繊維複合樹脂ビーズは、単一の直径でもよいし、粒径の異なる炭素繊維複合樹脂ビーズを用いてもよい。加熱および加圧した際に、ビーズが可とう性を示し、且つ樹脂が一部染み出れば、炭素繊維複合樹脂ビーズ間をつなぎ合わせ、且つ炭素繊維間およびその空隙を樹脂が埋めることになるため、成型体の大小は問わず、また、厚さも問うことなく、成形加工することが可能である。

以上述べたように、本発明では、炭素繊維と樹脂からなる高繊維含有量の炭素繊維複合樹脂ビーズが得られ、その特徴は、加熱加圧において、可とう性を有するために、成型体、すなわち炭素繊維強化プラスチックを容易に製造することができる。炭素繊維複合樹脂ビーズは、従来のペレットとして使われているものと同等に扱うことができるため、成型体の生産性と加工性が向上する。このように、本発明は、炭素繊維強化プラスチックを利用して製品を製造する諸産業において、その意義はきわめて大きく、例えば、自動車、航空機、電子機器などに搭載される炭素繊維強化プラスチック構造部材として有用である。

本発明により、以下のような効果が奏される。
（１）本発明の炭素繊維複合樹脂ビーズは、該ビーズ中に３０体積％から９５体積％という非常に高い繊維含有量の炭素繊維を含んでおり、しかも、加熱および加圧によって、可とう性を有するため、圧縮、押出し、射出成形などの加熱加圧成形法が適用でき、繊維含有量３０体積％から９５体積％の成型体、すなわち高繊維含有の炭素繊維強化プラスチックを得ることができる。
（２）本発明の炭素繊維複合樹脂ビーズを用いて、これを加熱加圧成形することによって、任意の形状に、容易に、空隙の少ない、高品位の炭素繊維複合プラスチック（ＣＦＲＰ・ＣＦＲＴＰ）成型体に加工することができる。
（３）炭素繊維複合樹脂ビーズ中のマトリックス樹脂中に、熱伝導性フィラーを導入した構造体を製造することが可能であり、マトリックス樹脂の熱伝導性の向上によって、炭素繊維複合樹脂材料中に熱が籠ることがなく、熱劣化を抑えた炭素繊維複合プラスチック（ＣＦＲＰ・ＣＦＲＴＰ）を簡便な方法で製造することができる。
（４）本発明の炭素繊維複合樹脂ビーズは、ペレット材料として用いることができ、そのため、炭素繊維強化プラスチックの成型品を生産性よく作製することができる。
（５）本発明の炭素繊維複合樹脂ビーズは、そのマトリックス樹脂中に熱伝導性フィラーを導入することができ、その特性を有した炭素繊維強化プラスチックを作製できるため、熱特性および機械強度の必要な部分製品に適用可能である。

本発明の炭素繊維複合樹脂ビーズの概念を示す説明図である。 実施例１の炭素繊維複合樹脂ビーズの外観写真である。 実施例１の炭素繊維複合樹脂ビーズの断面写真である。 ポリカーボネートと炭素繊維から構成された炭素繊維複合ビーズを示す。 実施例４の炭素繊維複合樹脂ビーズから成形した圧縮成型体の熱伝導率を示す。 実施例２および実施例３で作製した成型体の熱劣化の様子と熱劣化の抑制を示す写真である。

次に、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。

［炭素繊維複合樹脂ビーズおよび炭素繊維強化プラスチックの作製］
原料繊維としての炭素繊維（繊維長２５０μｍ、繊維径１０μｍ）を、液状のエポキシ樹脂とその硬化剤の混合溶液に、繊維含有量５０体積％となるように配合し、室温で、公転および自転を有する撹拌機にて混合し、９分間、回転処理を行った。その結果、図２に示すような炭素繊維複合樹脂ビーズを得た。ビーズの断面写真を、図３に示す。図より、ビーズの断面には、空隙がほとんど見られず、炭素繊維間およびその空隙を埋めるように、エポキシ樹脂が充填している様子が分かる。

このようにして製造した炭素繊維複合樹脂ビーズを、金型に詰め、温度１００℃、加圧８０ＭＰａにて、加熱圧縮成形を実施し、炭素繊維強化プラスチックを製造した。その成型体の炭素繊維含有量は５０体積％となり、初めに調合した炭素繊維含有量と同様の、高繊維含有量の成型体、すなわち熱硬化性炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が得られることを確認した。

［炭素繊維複合樹脂ビーズおよび炭素繊維強化プラスチックの作製］
本実施例では、実施例１と同じ炭素繊維、およびトルエンに溶解したポリカーボネート溶液を準備した。先ず、炭素繊維を、ポリカーボネートに対して６０体積％となるように混合し、室温で、公転および自転を有する撹拌機にて混合し、５分間、回転処理を行った。その結果、図４に示すような熱可塑性樹脂による炭素繊維複合樹脂ビーズが形成された。図より、ビーズ表面および断面は、溶媒が蒸発するために、空隙の存在がある様子が分かる。

このようにして製造した炭素繊維複合樹脂ビーズを、金型に詰め、温度２６５℃、加圧４０ＭＰａにて、加熱圧縮成形を実施し、炭素繊維強化プラスチックを製造した。その成型体の炭素繊維含有量は６０体積％となり、初めに調合した炭素繊維含有量と同様の、高繊維含有量の成型体、すなわち熱可塑性炭素繊維強化プラスチックＣＦＲＰ（ＣＦＲＴＰ）が得られることを確認した。

このように、ビーズ自体に空隙が存在しても、加熱加圧成形によって、炭素繊維複合樹脂ビーズが可とう性を示し、且つ樹脂が炭素繊維の間に充填するため、初めに調合した炭素繊維含有量を保持した、熱可塑性樹脂で構成した熱可塑性炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＴＰ）が得られることを確認した。

［機能性炭素繊維複合樹脂ビーズの機能化］
本実施例では、炭素繊維複合樹脂ビーズを機能化するために、熱伝導性の向上を調べた。熱伝導率の高い窒化ホウ素を無機フィラーとし、これを、１０体積％となるように、液状エポキシと硬化剤の混合溶液に添加混合し、窒化ホウ素複合樹脂ペーストを得た。それとは別に、これを、１０体積％となるように、ポリカーボネートペレットと混合し、その混合物を、一軸押出混練機に導入し、２６０℃にて、混練押出することで、窒化ホウ素複合樹脂ペレットを作製した。

まず、第１に、窒化ホウ素複合樹脂ペーストに対して、炭素繊維を、５０体積％となるように配合し、実施例１と同様な条件で撹拌を行った。そして、第２に、ポリカーボネートを用いて作製した窒化ホウ素複合樹脂ペレットを、実施例２と同様に、トルエンに溶解し、繊維含有量が６０体積％となるように、炭素繊維を混合し、撹拌を行った。

その結果、窒化ホウ素を１０体積％含んだエポキシ樹脂ならびにポリカーボネートから、炭素繊維複合樹脂ビーズを得ることができることを確認した。これらの炭素繊維複合樹脂ビーズを用いて、加熱圧縮成形を行うことにより、１０体積％の窒化ホウ素を含有した炭素繊維複合組成物、すなわち窒化ホウ素を複合化した炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ・ＣＦＲＴＰ）を得ることに成功した。その炭素繊維含有量は、初めに配合した繊維含有量を維持していた。

［炭素繊維強化プラスチックの熱伝導率］
本実施例では、実施例３で作製した炭素繊維強化プラスチックの熱伝導率を調べた。熱伝導率の測定は、レーザーフラッシュ法によって行った。図５に、窒化ホウ素を複合化したエポキシ樹脂から作製した、実施例３の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）における熱伝導率、その比較例としての、炭素繊維を複合化していない窒化ホウ素複合樹脂（エポキシ）の熱伝導率、およびエポキシ単体での熱伝導率、を示す。

図から明らかなように、エポキシ単体での熱伝導率は、０．１９Ｗ／ｍＫであり、窒化ホウ素複合樹脂の熱伝導率は、１．０１Ｗ／ｍＫであり、本発明で開発した実施例３の炭素繊維複合樹脂ビーズから作製した炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の熱伝導率は、１．１３Ｗ／ｍＫであり、これらの結果から、マトリックス樹脂の熱伝導性が、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の熱伝導性に付加されたことを確認した。

［炭素繊維強化プラスチックの熱劣化の抑制］
本実施例では、実施例３で作製した、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）に関して、加熱による熱劣化の形態を調べた。加熱は、１５００Ｗのマイクロ波照射を３０秒行って実施した。その結果、実施例１および２で作製した、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰとＣＦＲＴＰ）は、熱劣化を起こし、表面が破損した。

一方、実施例３で作製した、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰおよびＣＦＲＴＰ）の表面外観は、変化せず、熱伝導性マトリックス複合樹脂を用いたことで、熱偏析が緩和されたために、熱劣化を抑制できたと考えられた。図６に、熱可塑性樹脂をマトリックスにした熱劣化の様子とその抑制の様子を示す。

以上詳述した通り、本発明は、炭素繊維複合樹脂ビーズならびに炭素繊維と高分子樹脂からなる複合材料およびその製造方法に係るものであり、本発明により、本発明の炭素繊維複合樹脂ビーズは、ビーズ中に炭素繊維含有量３０体積％から９５体積％という非常に高い炭素繊維を含んでおり、しかも、加熱および加圧によって、可とう性を示すようになるため、圧縮、押出し、射出成形などの加熱加圧成形法が適用でき、炭素繊維含有量３０体積％から９５体積％の成型体を得ることができる。本発明の炭素繊維複合樹脂ビーズを用いて、これを加熱加圧成形することによって、任意の形状に、空隙の少ない高品位の炭素繊維複合プラスチック（ＣＦＲＰ・ＣＦＲＴＰ）成型体に加工することができる。本発明は、炭素繊維複合樹脂ビーズ中のマトリックス樹脂中に、熱伝導性フィラーを導入した構造体を製造することを可能とするものであり、マトリックス樹脂の熱伝導性の向上によって、炭素繊維複合樹脂材料中に熱が籠ることがなく、熱劣化を抑えた炭素繊維複合プラスチック（ＣＦＲＰ・ＣＦＲＴＰ）を製造することを可能とするものとして有用である。

（図１の符号）
１ 樹脂
２ 炭素繊維
３ 無機フィラー

Claims (11)

1. 炭素繊維と樹脂との混合物を撹拌して複合化して得られる、炭素繊維を高含有量で含む加熱および加圧成形用の炭素繊維複合樹脂ビーズであって、炭素繊維含有量が３０体積％以上９５体積％以下であることを特徴とする炭素繊維複合樹脂ビーズ。
2. 炭素繊維の繊維長が１００μｍ以上６ｍｍ以下であり、その径が５μｍ以上１５μｍ以下である炭素繊維から構成される、請求項１に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズ。
3. 樹脂が、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドからなる群より選ばれる１種または２種以上の高分子樹脂である、請求項１または２に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズ。
4. 前記複合樹脂が、樹脂に、フィラーとして、アルミナ、酸化マグネシウム、ジルコニア、チタン酸バリウム、二酸化チタン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリカからなる群より選ばれる１種または２種以上の無機フィラーを複合化した複合樹脂である、請求項１から３のいずれか１項に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズ。
5. 請求項４に記載の複合樹脂を含有する、機能性を付与した炭素繊維複合樹脂ビーズであって、その熱伝導性による熱劣化が抑えられている、請求項４に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズ。
6. 炭素繊維を高含有量で含む加熱および加圧成形用の炭素繊維複合樹脂ビーズであり、該炭素繊維の含有量が３０体積％以上９５体積％以下である炭素繊維複合樹脂ビーズを製造する方法であって、
   炭素繊維および液状化した樹脂の混合物を、公転および／または自転する撹拌装置によって、毎分４００〜３０００回転で撹拌操作を行って複合し、これを、加熱加圧成形してビーズに形成することを特徴とする炭素繊維複合樹脂ビーズの製造方法。
7. 炭素繊維の繊維長が１００μｍ以上６ｍｍ以下であり、その径が５μｍ以上１５μｍ以下である炭素繊維から構成される、請求項６に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズの製造方法。
8. 樹脂が、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドからなる群より選ばれる１種または２種以上の高分子樹脂である、請求項６または７に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズの製造方法。
9. 前記複合樹脂が、樹脂に、フィラーとして、アルミナ、酸化マグネシウム、ジルコニア、チタン酸バリウム、二酸化チタン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、シリカからなる群より選ばれる１種または２種以上の無機フィラーを複合化した複合樹脂である、請求項６から８のいずれかに記載の炭素繊維複合樹脂ビーズの製造方法。
10. 請求項１から５のいずれか１項に記載の炭素繊維複合樹脂ビーズを、加熱加圧成形して得られることを特徴とする炭素繊維強化複合樹脂組成物。
11. 請求項１０に記載の炭素繊維強化複合樹脂組成物の成型体。