专利名称：碳纤维卷绕带及其制造方法
技术领域：
本发明涉及碳纤维带卷绕在圆柱形芯材上的碳纤维卷绕带，及其制造方法。
背景技术：
由于轻量、机械强度高，碳纤维以适用于各种用途的树脂材料的強化纤维而被广泛使用。日本专利第3119699号公报是涉及长纤维强化复合材料的制造方法的发明，在第0007段中示出了作为纤维实例的玻璃纤维、碳纤维、金属纤维、芳香族聚酰胺纤维等连续纤維。然而，在实施例中使用的仅是玻璃纤维，不能确认其它纤维，特别是机械强度显著不同的碳纤维也能以同样方式制造。
日本专利第3386158号公报是涉及用热塑性树脂浸溃满足给定条件式的强化纤维而获得的帯状成型材料的发明。在第0007段中，例示了作为强化纤维的玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、陶瓷纤维、金属纤维等。但是，在实施例中使用的仅是玻璃纤维，不能确认其它纤维，特别是机械强度显著不同的碳纤维也能以同样方式制造。需要说明的是，在使用满足权利要求I所述条件式的碳纤维的情况下，日本专利第3386158号公报的实施例的方法实际上不能制造带状成型体。日本特开2007-76224号公报是涉及碳纤维強化热塑性树脂带的制造装置的发明。所述制造装置的特征在于在制造碳素纤维强化热塑性树脂带时排出产生的绒毛。日本特开2007-118216号公报是涉及碳纤维強化热塑性树脂带的制造方法的发明。该发明中记载所得带的厚度为130 以下，厚度超过130 的带弯曲強度差(參见表I)。基于日本特开2007-118216号公报的发明，发现带厚度大则弯曲強度差，期望通过减小带厚度来提高弯曲強度。
发明内容
在储存或运输碳纤维带吋，以长碳纤维带的状态进行操作较为困难，因此，若以卷绕在芯材上的卷绕带的状态储存、运输则较容易，使用时的操作性也良好。并且，根据操作的种类，存在小直径的卷绕带容易使用的情況，以及大直径的卷绕带容易使用的情況。但是，如日本特开2007-118216号公报中公开的内容，可知一直以来，若碳纤维带的厚度増大(厚度超过130 ym)，则弯曲強度差(即，厚度増大则难以卷绕保存)。基于这一事实可知虽然碳纤维带越薄越好，但是过薄的话，存在技术上的困难，并且会损害重复操作性。本发明所要解决的问题是提供储存或运输较为容易的、能够显著提高操作性的、碳纤维带卷绕在圆柱形芯材上的碳纤维卷绕带，及其制造方法。作为解决该问题的方法，本发明提供碳纤维卷绕带，其由碳纤维带卷绕在圆柱形芯材上得到，所述碳纤维带由包含碳纤维、和芳香族聚酰胺树脂或脂肪族聚酰胺树脂的复合物形成，
其中，由式(I)求得的碳纤维带的宽度(W)在5 100mm范围内，所述宽度(W)在ClOOmm范围的碳纤维带所卷绕的圆柱形芯材的最小直径(D)由式(II)求得，0. 2X IO^3XN ^ W ^ 2X IO^3XN (I)在式⑴中，N为构成碳纤维带的碳纤维根数，
4. 5XFXt ^ D ^ 50XFXt (II)在式(II)中，F为碳纤维量，在2(T60质量％的范围内，t为碳纤维带的厚度，在0. I 0. 5mm的范围内。此外，作为其他的解决问题的方法，本发明的上述碳纤维卷绕带的制造方法具有以下エ序将包含一根或两根以上碳纤维的集束体导入直角进料模头的エ序，在直角进料模头中，于加热和加压状态下，将包含碳纤维的集束体开松，并使其与熔融树脂接触，得到帯状碳纤维和热塑性树脂一体化而成的带状复合物的エ序，将所述带状复合物从直角进料模头的狭缝出口挤出，用辊从厚度方向的两侧进行支撑，并通过冷却获得碳纤维带的エ序，将所得碳纤维带卷绕在圆柱形芯材上的エ序。本发明的碳纤维卷绕带为碳纤维带卷绕在芯材周围的形态，所以容易储存和运输，可以仅取出所需要的量，因此操作性良好。本发明可通过在操作时，从碳纤维卷绕带上取出所需长度的碳纤维带，切割出所希望的长度来使用。本发明可用作对汽车等部件的增强帯。通过嵌入成型、贴附、层压等，可对设计上必要的部分进行修补，从而实现零件薄型化、小型化，减轻零件的重量。进ー步地，因为其还能够实现对利用了方向性的零件变形的控制，因此，特别在汽车产业、土木建筑业等需要部件轻量化的领域中是有效。
[图I]为示意图，表示用来说明碳纤维卷绕带的制造方法的制造流程。[图2]为示意图，表示用来说明碳纤维卷绕带的制造方法的其它制造流程。图中，符号10表示碳纤维的帯状集束体，11表示碳纤维帯，20表示直角进料模头，21表示上摸，22表示下摸，25表示熔融树脂供给线路(供给孔)，26表示狭缝出ロ，31、32、33分别表示冷却辊。
具体实施例方式<碳纤维卷绕带>本发明的碳纤维卷绕带是碳纤维带多次(多层)卷绕在圆柱形芯材的周围而成的。在本发明碳纤维卷绕带中使用的碳纤维带可卷绕在圆柱形芯材上，并且在实施至少实施例中记载的耐久试验I时，其外观不发生变化(不产生裂纹等)，优选在进ー步实施耐久试验2时也不发生变化。
对于本发明的碳纤维卷绕带(碳纤维带)，由下述式(I)求得的碳纤维带的宽度(W)在5 IOOmm的范围内，0. 2X IO^3XN ^ W ^ 2X IO^3XN (I)(式⑴中，N为构成碳纤维带的碳纤维根数。)需要说明的是，市售碳纤维的外径基本上相同(7 Pm左右)，因此，在式⑴中不予考虑。对于由式⑴求得的碳纤维带的宽度(W)，例如在使用25，000根碳纤维吋，碳纤维带的宽度(W)可在5 50mm的范围内，在使用50，000根碳纤维吋，碳纤维带的宽度(W)可在10 IOOmm的范围内。
由式⑴求得的碳纤维带的宽度(W)为下限值(5mm)以上吋，则树脂(芳香族聚酰胺树脂或脂肪族聚酰胺树脂)的浸溃充分，因此，碳纤维带本身的強度得以提高，如果在上限值(IOOmm)以下，则带内的碳纤维分布均匀，充分显示出由于包含碳纤维所帯来的功能。由式⑴求得的碳纤维带的宽度(W)优选为10 80mm,更优选lO'Omm。本发明碳纤维卷绕带中使用的圆柱形芯材在宽度(直径)方向上的截面为圆形，但也可为多边形(三角形以上，理想的为六边形、八边形等)、还可为椭圆形。圆柱形芯材可使用由纸、木材、塑料、金属、陶瓷等制成的芯材。圆柱形芯材的最小直径(最小外径)(D)由式(II)求得。圆柱形芯材的最小直径(D)为可卷绕上述宽度(W)的碳纤维带，并且至少在实施实施例中记载的耐久试验I时其外观不发生变化(不产生裂纹)的最小值，优选为在进一步实施耐久试验2时也不发生变化的最小值。4. 5XFXt ^ D ^ 50XFXt (II)(式(II)中，F为碳纤维量，在2(T60质量％的范围内，t为碳纤维带的厚度，在
0.ro. 5mm的范围内。)需要说明的是，在圆柱形芯材的截面形状为多边形，例如六边形的情况下，将连接正对角的长度作为所述D，在椭圆形的情况下，将长径的长度作为所述D。碳纤维带的碳纤维量越小(即，芳香族聚酰胺树脂量或脂肪族聚酰胺树脂量越多)，柔软性提高，越容易卷绕到芯材上，碳纤维量越多(即，芳香族聚酰胺树脂量或脂肪族聚酰胺树脂量越少)，柔软性降低，越难以卷绕到芯材上。并且，如果碳纤维带厚度大则容易制造，但难以卷绕到芯材上，如果厚度小则难以制造，但容易卷绕到芯材上。式(II)是从碳纤维带的碳纤维浓度(F)和厚度(t)的关系求出可卷绕碳纤维带并保持的圆柱形芯材的直径(D)的式子。具体而言，在将具有各种浓度(F)和厚度(t)的碳纤维带卷绕到各种直径的芯材上时，通过实验测定碳纤维带的外观不发生变化时的芯材直径(D)，并由浓度(F)和厚度(t)的关系推导出式(II)。在式(II)求得的圆柱形芯材的最小直径(D)以上的情况下，在卷绕保持时，碳纤维带不会产生裂纹等。需要说明的是，从运输、储存、操作时等易于处理的观点来看，在满足由式(II)求得的最小直径⑶的范围内，圆柱形芯材的最小直径⑶优选为25_以上，更优选为30mm以上。
另外，从可卷绕碳纤维带，并且不产生裂纹等的理由考虑，圆柱形芯材的上限值没有限定，可根据制造エ艺、储存和运输、操作场所等的要求选择适当的值，例如可以为IOOOmm以下,从处理的观点来看,优选800mm以下、更优选600mm以下、500mm以下。形成碳纤维卷绕带的碳纤维带是由包含碳纤维和聚酰胺树脂的复合物形成的。碳纤维为公知的碳纤维，其可使用PAN类、浙青类、人造丝类、木质素类等物质。芳香族聚酰胺由芳香族ニ羧酸与脂肪族ニ胺、或脂肪族ニ羧酸与芳香族ニ胺得至IJ，例如可使用聚酰胺MXD(间苯ニ甲胺和己ニ酸)、聚酰胺6T(己ニ胺和对苯ニ甲酸)、聚酰胺61 (己ニ胺和间苯ニ甲酸)、聚酰胺9T (壬ニ胺和对苯ニ甲酸)、聚酰胺M5T(甲基戊ニ胺和对苯ニ甲酸)、聚酰胺IOT (癸ニ胺和对苯ニ甲酸)。脂肪族聚酰胺可使用聚酰胺6、聚酰胺46、聚酰胺66、聚酰胺11、聚酰胺12、聚酰胺1212、聚酰胺1010、聚酰胺1012、聚酰胺1112、聚酰胺610、聚酰胺612、聚酰胺69、聚酰胺810 等。 本发明的碳纤维卷绕带为卷绕在圆柱形芯材上的形态，在操作时，可放出适当的长度，并切割出所期望的长度，作为碳纤维带使用。从本发明的碳纤维卷绕带中取出的碳纤维带可用作各种树脂成型体的增强材料。从本发明碳纤维卷绕带中取出的碳纤维带适用于平织、斜织、缎织等方法，可形成片状织物，也可将所述片状织物加工成柱形。另外，还可将本发明碳纤维卷绕带中取出的碳纤维带编织成柱形。从本发明碳纤维卷绕带中取出的碳纤维带、由此获得的片或圆柱体等，由于包含芳香族聚酰胺树脂，可通过加热而变形成期望的形状。〈碳纤维卷绕带的制造方法〉根据图I、图2，说明碳纤维卷绕带的制造方法。在最初的エ序中，以传送棍15、16支撑,并将包含一根或两根以上碳纤维的集束体10导入直角进料模头20中。集束体10优选纤维直径为5 24 u m,纤维根数在1000 200，000根的范围内的碳纤维束，更优选3000150，000根范围内的碳纤维束。该碳纤维束可直接使用市售的碳纤维束(例如，30K=30，000根)，也可将多个市售的碳纤维束组合使用(例如，将三束IOK=IO, 000根的纤维束组合成30，000根使用)。另外，该集束体10可直接使用碳纤维束，也可用集束剂对碳纤维束的表面进行表面处理而形成暂时固定(仮留め)的状态(不松开束，并且以不损害以后的开松操作的程度而使之一体化的状态)。接着，在直角进料模头20内，于加热和加压状态下，将包含碳纤维的集束体10开松，并与熔融树脂(熔融状态的芳香族聚酰胺树脂)接触。集束体10的开松，只要是可在厚度方向上对集束体10施加压カ的方法即可，在本发明中，使用将上模21和下模22组合的直角进料模头。直角进料模头20组合有具有在长度方向上连续形成波浪状的凹凸21a的上模21和具有可形成与所述上模21的波浪状凹凸21a相嵌合的波浪状凹凸22a的下模22。在上模21 (或者也可为下模22)中设置有熔融树脂的导入线路(导入孔)25，可在上模21和下模22之间的集束体10的通过间隙供入熔融树脂。
在上模21和下模22中，可采用各种加热方法，将通过上述通过间隙的集束体10加热。此时的加热温度为导入线路(导入孔)25所供给的树脂(芳香族聚酰胺树脂)的熔点以上的温度。在通过上模21和下模22之间的通过间 隙时，在以锯齿形通过凹凸21a、22a的间隙的过程中使集束体10开松，在碳纤维间浸溃熔融的芳香族聚酰胺树脂。此后，将使集束体10和芳香族聚酰胺树脂一体化而成的复合物从直角进料模头20的狭缝出ロ 26以带状(碳纤维带11)挤出。此时，可通过调整狭缝出ロ 26的大小而调整碳纤维带11的厚度和宽度。此后，在适当配置的冷却辊31、32、33上冷却并拉取，卷绕在圆柱形芯材上，获得碳纤维卷绕帯。图I中，将冷却辊31、32、33分别隔着碳纤维带11配置在不邻接的位置上，先将碳纤维带11的任意一面冷却，接着冷却其它面。图2中，将冷却辊31、32分别隔着碳纤维带11配置在邻接的位置上，将碳纤维带11的两面同时冷却。实施例制造例(碳纤维带的制造)根据图I中所示的流程，制造具有表I中所示碳纤维浓度和厚度的碳纤维帯。[碳纤维集束体10]托雷卡丝，T700S(东_株式会社制造)[芳香族聚酰胺树脂]PA MXD6，RENY6002 (三菱工程塑料(株)制造)[脂肪族聚酰胺]PA66，UBE尼龙2015B (宇部兴产(株)制造)PA612, VESTMID DX9308 (大赛璐 赢创(株)制造)〈PA MXD6使用时的制造条件>集束体10的进给速度5m/分钟直角进料模头20的加热温度290°C (其中，在PA66、PA612的情况下为300°C )狭缝出ロ宽度(带的厚度)0. ro. 6mm X长度(带的宽度)10 50臟冷却辊31的表面温度80°C (其中，在PA66、PA612的情况下为85°C )冷却辊32的表面温度80°C (其中，在PA66、PA612的情况下为85°C )冷却辊33的表面温度60°C使用所得各碳纤维带的碳纤维浓度(F)和厚度⑴，由式(II)
4.5XFXt ^ D ^ 50XFXt(II)4求得的圆柱形芯材的外径⑶在表I中示出。[表 I]
权利要求
1.碳纤维卷绕带，其由碳纤维带卷绕在圆柱形芯材上得到，所述碳纤维带由包含碳纤维、和芳香族聚酰胺树脂或脂肪族聚酰胺树脂的复合物形成， 其中，由式(I)求得的碳纤维带的宽度(W)在ClOOmm范围内， 所述宽度(W)在ClOOmm范围的碳纤维带所卷绕的圆柱形芯材的最小直径(D)由式(II)求得，0. 2X IO^3XN ^ W ^ 2X IO^3XN (I) 在式(I)中，N为构成碳纤维带的碳纤维根数， 4. 5XFXt ^ D ^ 50XFXt (II) 在式(II)中，F为碳纤维量，在2(T60质量％的范围内，t为碳纤维带的厚度，在0. I 0. 5mm的范围内。
2.根据权利要求I所述的碳纤维卷绕带，其中，所述碳纤维带的宽度为l(T80mm。
3.根据权利要求I或2所述的碳纤维卷绕带，其中，所述芳香族聚酰胺树脂选自聚酰胺MXD6、聚酰胺9T和聚酰胺10T，所述脂肪族聚酰胺树脂选自聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺610和聚酰胺612。
4.权利要求广3中任一项所述的碳纤维卷绕带的制造方法，其具有以下エ序 将包含一根或两根以上碳纤维的集束体导入直角进料模头的エ序， 在直角进料模头中，于加热和加压状态下，将包含碳纤维的集束体开松，并使其与熔融树脂接触，得到帯状碳纤维和热塑性树脂一体化而成的带状复合物的エ序， 将所述带状复合物从直角进料模头的狭缝出口挤出，用辊从厚度方向的两侧进行支撑，并通过冷却获得碳纤维带的エ序， 将所得碳纤维带卷绕在圆柱形芯材上的エ序。
5.根据权利要求4所述的碳纤维卷绕带的制造方法，其中，所述直角进料模头组合有具有在长度方向上连续形成的波浪状凹凸的上模和具有可形成与所述上模的波浪状凹凸相嵌合的波浪状凹凸的下模，在任意之一的模中设置有熔融树脂的导入孔， 所述包含碳纤维的集束体的开松通过使所述集束体锯齿形地通过上模和下模之间来实现。
全文摘要
本发明提供一种碳纤维带卷绕在圆柱形芯材上得到的碳纤维卷绕带，所述碳纤维带由包含碳纤维和芳香族聚酰胺树脂或脂肪族聚酰胺树脂的复合物形成。由式(I)求得碳纤维带的宽度(W)在5-100mm之间，并且所述宽度(W)在5-100mm之间的碳纤维带所卷绕的圆柱形芯材的最小直径(D)由式(II)求得。0.2×10-3×N≦W≦2×10-3×N(I)(在式(I)中，N为构成碳纤维带的碳纤维根数)；4.5×F×t≦D≦50×F×t(II)(在式(II)中，F为碳纤维量，在20-60质量%的范围内，t为碳纤维带的厚度，在0.1-0.5mm的范围内)。
文档编号C08J5/04GK102971363SQ201180032640
公开日2013年3月13日 申请日期2011年6月29日 优先权日2010年7月1日
发明者高坂繁行, 朝见芳弘 申请人:大赛璐高分子株式会社