特開 2024-148170 リサイクル炭素繊維と熱可塑性マトリックスから複合材料を製造するための最適化されたプロセス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024148170

(43)【公開日】2024-10-17

(54)【発明の名称】リサイクル炭素繊維と熱可塑性マトリックスから複合材料を製造するための最適化されたプロセス

(51)【国際特許分類】

   C08J 5/04 20060101AFI20241009BHJP

【ＦＩ】

C08J5/04 CFG

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024060492

(22)【出願日】2024-04-03

(31)【優先権主張番号】23166509.2

(32)【優先日】2023-04-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】595014653

【氏名又は名称】フラウンホーファー－ゲゼルシャフト ツール フエルデルング デア アンゲヴァンテン フォルシュング エー．ファオ．

(71)【出願人】

【識別番号】000000033

【氏名又は名称】旭化成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100206335

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 和宏

(72)【発明者】

【氏名】マニス フランク

(72)【発明者】

【氏名】セイス ジュリアン

(72)【発明者】

【氏名】木村 俊太

(72)【発明者】

【氏名】森 勇樹

【テーマコード（参考）】

4F072

【Ｆターム（参考）】

4F072AA08

4F072AB10

4F072AB29

4F072AD44

4F072AG03

4F072AH05

4F072AH21

4F072AH49

(57)【要約】      （修正有）

【課題】リサイクル炭素繊維と熱可塑性ポリアミドを含む熱可塑性マトリックスとを含む半製品の取得プロセス、半製品、及び複合材料の製造におけるその使用を提供する。
【解決手段】リサイクル炭素繊維を含む不織布を提供するステップａ）と、熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末を前記リサイクル炭素繊維を含む不織布に均一に配置するステップｂ）と、前記ステップｂ）で取得された前記不織布を圧密して繊維強化半製品を取得するステップｃ）とを含む、リサイクル炭素繊維強化半製品の取得方法である。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

リサイクル炭素繊維を含む不織布を提供するステップａ）と、
熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末を前記リサイクル炭素繊維を含む不織布に均一に配置するステップｂ）と、
前記ステップｂ）で取得された前記不織布を圧密して繊維強化半製品を取得するステップｃ）と
を含むことを特徴とする、リサイクル炭素繊維強化半製品の取得方法。

【請求項2】

前記リサイクル炭素繊維を含む前記不織布は、５０～２００ｇ・ｍ^－２、好ましくは７５～１５０ｇ・ｍ^－２、より好ましくは９０～１１０ｇ・ｍ^－２の範囲内の坪量を有し、かつ／又は前記不織布は、前記不織布の総重量に基づいて、８０～１００重量％、好ましくは９０～１００重量％、より好ましくは９８～１００重量％の範囲内の量の前記リサイクル炭素繊維を含み、かつ／又は前記リサイクル炭素繊維は、２０ｍｍ～１８０ｍｍ、好ましくは２５ｍｍ～１５０ｍｍ、より好ましくは３０ｍｍ～１００ｍｍの範囲内の長さを有する不連続炭素繊維であることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記熱可塑性ポリアミドを含む前記ポリマー粉末は、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアミド６Ｉ（ＰＡ６Ｉ）、ポリアミド６６／６Ｉ（ＰＡ６６／６Ｉ）及びそれらの混合物からなるリストから選択されるポリアミドを含み、かつ／又は前記熱可塑性ポリアミドを含む前記ポリマー粉末の最大粒径が、１μｍ～１０００μｍ、好ましくは１０μｍ～６００μｍの範囲内にあり、かつ／又は前記ステップｂ）で配置される前記熱可塑性ポリアミドを含む前記ポリマー粉末の量が、取得される前記半製品の総重量に基づいて、３０重量％～９０重量％、好ましくは４０重量％～８０重量％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記熱可塑性ポリアミドを含む前記ポリマー粉末と前記リサイクル炭素繊維を含む前記不織布との重量比が、０．５～５、好ましくは０．７～３、より好ましくは０．８～２の範囲内にあり、かつ／又は前記熱可塑性ポリアミドを含む前記ポリマー粉末と前記ｒＣＦを含む前記不織布との合計量が、取得される前記半製品の総重量に基づいて、９０重量％～１００重量％、より好ましくは９５重量％～１００重量％、より好ましくは９８重量％～１００重量％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記ステップｂ）では、前記熱可塑性ポリアミドを含む前記ポリマー粉末は、前記不織布の各面に均一に配置され、かつ／又は１５０℃～３５０℃、好ましくは２００℃～３００℃、より好ましくは２２５℃～２７５℃の範囲内の温度で配置されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記ステップｃ）における圧密は、２３０℃～３３０℃、好ましくは２５０℃～３１０℃の範囲内の温度及び／若しくは１～６０バール、好ましくは５～３０バール、より好ましくは８～２０バールの範囲内の圧力で行われ、かつ／又はダブルスチールベルトプレス内で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項7】

リサイクル炭素繊維を含む不織布と、熱可塑性ポリアミドを含む熱可塑性マトリックスとを含むリサイクル炭素繊維強化半製品であって、前記半製品は、平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）及び繊維体積分率差（ΔＦＶＦ）を有し、
前記平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）は、前記リサイクル炭素繊維強化半製品の総体積に基づいて、５～５０体積％、好ましくは１０～４０体積％、より好ましくは１７～３０体積％の範囲内にあり、前記平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）は、前記リサイクル炭素繊維強化半製品において互いに５ｃｍ以上２０ｃｍ以下離れた点から採取されたｎ個の１０ｍｍ×２０ｍｍのサンプルの繊維体積分率を測定し、以下の式（ｉ）に従って計算することにより取得され、

【数1】

式中、ｎは、採取された前記サンプルの数であり、ｎは≧２、好ましくは≧４であり、ＦＶＦ_ｎは、サンプルｎの繊維体積分率であり、
前記繊維体積分率差（ΔＦＶＦ）は、測定された前記サンプルｎの繊維体積分率（ＦＶＦ_ｎ）と前記平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）との間の差であり、以下の式（ｉｉ）に従って計算され、
ΔＦＶＦ＝ＦＶＦ_ｎ－ａＦＶＦ （ｉｉ）
前記繊維体積分率差（ΔＦＶＦ）は、≦±３体積％、好ましくは≦±２体積％、より好ましくは≦±１．５体積％であることを特徴とするリサイクル炭素繊維強化半製品。

【請求項8】

前記不織布は、前記不織布の総重量に基づいて、８０～１００重量％、好ましくは９０～１００重量％、より好ましくは９８～１００重量％の範囲内の量の前記リサイクル炭素繊維を含み、かつ／又は前記リサイクル炭素繊維は、２０ｍｍ～１８０ｍｍ、好ましくは２５ｍｍ～１５０ｍｍ、より好ましくは３０ｍｍ～１００ｍｍの範囲内の長さを有する不連続炭素繊維であることを特徴とする請求項７に記載のリサイクル炭素繊維強化半製品。

【請求項9】

前記熱可塑性ポリアミドを含む前記ポリマーマトリックスは、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアミド６Ｉ（ＰＡ６Ｉ）、ポリアミド６６／６Ｉ（ＰＡ６６／６Ｉ）及びそれらの混合物からなるリストから選択されるポリアミドを含み、かつ／又は前記熱可塑性ポリアミドを含む前記ポリマーマトリックスの量が、前記半製品の総重量に基づいて、３０重量％～９０重量％、好ましくは４０重量％～８０重量％の範囲内にあり、かつ／又は前記熱可塑性ポリアミドを含む前記ポリマーマトリックスと前記リサイクル炭素繊維を含む前記不織布との重量比が、０．５～５、好ましくは０．７～３、より好ましくは０．８～２の範囲内にあり、かつ／又は前記熱可塑性ポリアミドを含む前記ポリマーマトリックスと前記ｒＣＦを含む前記不織布との合計量が、前記半製品の総重量に基づいて、９０重量％～１００重量％、より好ましくは９５重量％～１００重量％、より好ましくは９８重量％～１００重量％の範囲内にあることを特徴とする請求項７に記載のリサイクル炭素繊維強化半製品。

【請求項10】

請求項１～６のいずれか一項に記載の方法により取得されることを特徴とする請求項７に記載のリサイクル炭素繊維強化半製品。

【請求項11】

請求項１～６のいずれか一項により取得されるか又は請求項７～１０のいずれか一項に記載のリサイクル炭素繊維強化半製品を提供するステップＩ）と、
前記リサイクル炭素繊維強化半製品を加熱するステップＩＩ）と、
加熱された前記リサイクル炭素繊維強化半製品を複合材料に成形するステップＩＩＩ）と
を含むことを特徴とする複合材料の取得方法。

【請求項12】

前記ステップＩＩ）における加熱は、前記熱可塑性ポリアミドの融点より低い温度、好ましくは１５０℃～３００℃、より好ましくは２００℃～２５０℃の範囲内の温度で行われることを特徴とする請求項１１に記載の複合材料の取得方法。

【請求項13】

前記ステップＩＩＩ）における成形は、５０℃～１５０℃、好ましくは６０℃～１２０℃の範囲内の温度を有する加熱された工具内で行われることを特徴とする請求項１１に記載の複合材料の取得方法。

【請求項14】

請求項７～１０のいずれか一項に記載のリサイクル炭素繊維強化半製品を含むことを特徴とする複合材料。

【請求項15】

請求項１１～１３のいずれか一項に記載の方法により取得されることを特徴とする請求項１４に記載の複合材料。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、リサイクル炭素繊維と熱可塑性ポリアミドを含む熱可塑性マトリックスとを含む半製品の取得プロセス、取得された半製品、及び複合材料の製造におけるその使用に関する。

【背景技術】

【0002】

炭素繊維は、主に炭素原子で構成される。炭素繊維の製造にはかなりのコストがかかるが、炭素繊維は、高い剛性、高い引張強度、高い強度重量比、高い耐化学薬品性、高い温度許容度及び低い熱膨張などの非常に求められるいくつかの特性により世界中で幅広い用途が見出されている。

【0003】

その結果、炭素繊維を含む廃棄物の量は、着実に増加する。これらの貴重な繊維をリサイクルするために、通常、各々の廃棄物を細断し、熱分解又は加溶媒分解を使用して複合材料から繊維を再生利用する。

【0004】

リサイクル炭素繊維のもう１つの供給源は、半製品織物からの切れ端である。これらのリサイクル炭素繊維は、それぞれの用途に応じて必要な長さに短縮される。その後に、切断廃棄物として取得された不連続廃棄炭素繊維は、炭素繊維を再利用するためのプロセスに供給され得る。

【0005】

リサイクル炭素繊維（ｒＣＦ）又は切断廃棄炭素繊維は、不織布に加工され得る。

【0006】

しかしながら、リサイクル炭素繊維を含む不織布は、バージン炭素繊維を含む不織布と比較して、布地特性が異なり、ほとんど劣っている。

【0007】

これは主に、廃棄物を含む炭素繊維の細断又はバージン繊維の切断により生じる取得されるランダムに配向された不連続炭素繊維によるものである。加溶媒分解又は熱分解などの一般的なリサイクル方法でも、炭素繊維のサイジング剤が除去され、繊維の保護が低下する。

【0008】

特に、これらのリサイクル炭素繊維を含む不織布を熱可塑性マトリックスを備えた半製品に加工することは、歴史的に困難であり、不織布のロフト（ｌｏｆｔｉｎｇ）などの問題が圧密（結合、ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ）中にポリマーの酸化を引き起こし、半製品の含浸不良につながる。

【0009】

通常、熱可塑性ポリマー繊維は、リサイクル炭素繊維を含む不織布に加工され、各々の不織布が圧密された後に熱可塑性マトリックスを形成する。これにより、半製品における熱可塑性ポリマーの不均一な分散が生じ、使用可能な熱可塑性ポリマーが繊維に紡糸できるポリマーに限定される可能性がある。

【0010】

したがって、リサイクル炭素繊維と熱可塑性ポリマーとを含む良好な特性を有する半製品を取得し、複合材料の製造に使用できる半製品の大量生産を可能にするプロセスが必要とされている。

【0011】

本技術分野において徹底的に研究した結果、驚くべきことに、リサイクル炭素繊維を含む不織布を各々の半製品に圧密する前に、粉末含浸法を利用して熱可塑性ポリアミド粉末を不織布に配置することによって、その不織布をリサイクル炭素繊維強化半製品に加工することができることが判明した。

【0012】

取得されたリサイクル炭素繊維強化半製品は、半製品の異なる点の繊維体積分率の差が非常に小さいことから明らかなように、優れた均質性を示した。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明は、リサイクル炭素繊維強化半製品の取得プロセスに関し、このプロセスは、
リサイクル炭素繊維を含む不織布を提供するステップａ）と、
熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末を前記リサイクル炭素繊維を含む前記不織布に均一に配置するステップｂ）と、
前記ステップｂ）で取得された前記不織布を圧密して繊維強化半製品を取得するステップｃ）とを含む。

【0014】

別の態様では、本発明は、リサイクル炭素繊維を含む不織布と、熱可塑性ポリアミドを含む熱可塑性マトリックスとを含むリサイクル炭素繊維強化半製品に関し、この半製品は、平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）及び繊維体積分率差（ΔＦＶＦ）を有し、
前記平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）が、前記リサイクル炭素繊維強化半製品の総体積に基づいて、５～５０体積％、好ましくは１０～４０体積％、より好ましくは１７～３０体積％の範囲内にあり、前記平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）が、前記リサイクル炭素繊維強化半製品において互いに５ｃｍ以上２０ｃｍ以下離れた点から採取されたｎ個の１０ｍｍ×２０ｍｍのサンプルの繊維体積分率を測定し、以下の式（ｉ）に従って計算することにより取得され、

【数1】

式中、ｎは、採取された前記サンプルの数であり、ｎは≧２、好ましくは≧４であり、ＦＶＦ_ｎは、サンプルｎの繊維体積分率であり、
前記繊維体積分率差（ΔＦＶＦ）が、測定された前記サンプルｎの繊維体積分率（ＦＶＦ_ｎ）と前記平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）との間の差であり、以下の式（ｉｉ）に従って計算され、
ΔＦＶＦ＝ＦＶＦ_ｎ－ａＦＶＦ （ｉｉ）
前記繊維体積分率差（ΔＦＶＦ）が、≦±３体積％、好ましくは≦±２体積％、より好ましくは≦±１．５体積％であることを特徴とする。

【0015】

更なる態様では、本発明は、複合材料の取得プロセスに関し、このプロセスは、
本発明に関するリサイクル炭素繊維強化半製品を提供するステップＩ）と、
前記リサイクル炭素繊維強化半製品を加熱するステップＩＩ）と、
加熱された前記リサイクル炭素繊維強化半製品を複合材料に成形するステップＩＩＩ）とを含む。

【0016】

最後に、本発明は、本発明に関するリサイクル炭素繊維強化半製品を含む複合材料に関する。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明は、リサイクル炭素繊維強化半製品の取得プロセス（方法）に関し、このプロセスは、
リサイクル炭素繊維を含む不織布を提供するステップａ）と、
熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末をリサイクル炭素繊維を含む不織布に均一に配置するステップｂ）と、
ステップｂ）で取得された不織布を圧密して繊維強化半製品を取得するステップｃ）とを含むことを特徴とする。

【0018】

繊維強化半製品
繊維強化半製品は、先行技術において知られており、繊維で強化されたポリマーマトリックスからなる。繊維強化半製品は、通常、シートの形態で取得される。

【0019】

リサイクル炭素繊維を含む不織布
炭素繊維のリサイクル方法は、先行技術において知られている。通常、炭素繊維を含む各々の廃棄物を細断し、熱分解又は加溶媒分解を使用して繊維を残りの廃棄物から分離する。

【0020】

廃棄物を細断すると、廃棄物中に存在する配向された連続炭素繊維が破壊される。したがって、取得されたリサイクル炭素繊維は、ランダムに配向された不連続炭素繊維となる。これらのリサイクル炭素繊維の長さは、通常１８０ｍｍ未満である。

【0021】

追加的に、熱分解及び加溶媒分解の両方により、通常炭素繊維に適用されるサイジング剤が除去される（サイジングされていない繊維）。

【0022】

繊維のサイジングは、先行技術において知られている。これにより、製造プロセス中に繊維の表面に薄く均質なコーティングが施される。サイジングは、取り扱い及び加工中、更にその後の配合及び複合加工中のフィラメントの破損を防止するのに役立ち、後続のプロセスでの繊維の適合性（相溶性）を向上させる。

【0023】

リサイクル炭素繊維は、長さが短く、配向がランダムであるため、織布に織り込むことができないが、不織布に加工することができる。

【0024】

不織布を取得するプロセスは、先行技術において知られている。不織布を取得するプロセスとしては、湿式プロセス、乾式プロセスなどが挙げられる。

【0025】

本発明に関するプロセスにおいて使用されるリサイクル炭素繊維を含む不織布は、以下の特性のうちの１つ以上を有することが好ましい。

【0026】

リサイクル炭素繊維の長さは、好ましくは２０ｍｍ～１８０ｍｍ、より好ましくは２５ｍｍ～１５０ｍｍ、更により好ましくは３０～１００ｍｍの範囲内にある。

【0027】

不織布は、不織布の総重量に基づいて、好ましくは８０～１００重量％、より好ましくは９０～１００重量％、更により好ましくは９８～１００重量％の量のリサイクル炭素繊維を含む。

【0028】

リサイクル炭素繊維を含む不織布の坪量は、好ましくは５０ｇ・ｍ^－２～２５０ｇ・ｍ^－２、より好ましくは７５ｇ・ｍ^－２～１５０ｇ・ｍ^－２、更により好ましくは９０ｇ・ｍ^－２～１１０ｇ・ｍ^－２の範囲内にある。

【0029】

本発明に関するプロセスの一実施形態では、不織布のリサイクル炭素繊維は、不連続である。

【0030】

本発明に関するプロセスの別の一実施形態では、不織布のリサイクル炭素繊維は、不連続であり、サイジングされていない。

【0031】

熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末
リサイクル炭素繊維（ｒＣＦ）を含む不織布の含浸には、上述したように、熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末が使用される。

【0032】

ポリマー粉末を取得する方法は、先行技術において知られている。例えば、各々のポリマーを粉砕することにより、適切なポリマー粉末を提供することができる。更に、極低温粉砕を使用することは、例えばポリマーの脆性を増加させ、ポリマーの粉砕プロセスを容易にすることに有利であり得る。

【0033】

ポリマー粉末の良好な含浸及び分散を達成するために、熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末の最大粒径は、１μｍ～１０００μｍ、好ましくは１０μｍ～６００μｍの範囲内にあることが好ましい。

【0034】

本発明に関するプロセスに熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末が使用されるため、適切な熱可塑性ポリアミドは、繊維に紡糸できるポリアミドに限定されない。したがって、低い粘度及び／又は低い分子量を有するポリアミドを熱可塑性ポリアミドとして使用することができる。

【0035】

熱可塑性は、特定の高温で成形可能であり、冷却すると固化するというプラスチックポリマー材料の特性を表す。

【0036】

適切なポリアミドは、例えば、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアミド６Ｉ（ＰＡ６Ｉ）、ポリアミド６６／６Ｉ（ＰＡ６６／６Ｉ）及びそれらの混合物である。

【0037】

熱可塑性ポリアミドＰＡ６６は、１８０００～２４０００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは１９０００～２００００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の数平均分子量（Ｍｎ）及び／又は３５０００～５００００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは３８５００～４１０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の重量平均分子量（Ｍｗ）を有してもよい。

【0038】

熱可塑性ポリアミドＰＡ６６／６Ｉは、１００００～１４５００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは１２０００～１３０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の数平均分子量（Ｍｎ）及び／又は１８０００～３４０００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは２４０００～２８０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の重量平均分子量（Ｍｗ）を有してもよい。

【0039】

熱可塑性ポリアミドＰＡ６Ｉは、８０００～１３０００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは１００００～１２０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の数平均分子量（Ｍｎ）及び／又は１７５００～２７０００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは２００００～２５０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の重量平均分子量（Ｍｗ）を有してもよい。

【0040】

熱可塑性ポリアミドＰＡ６は、１５０００～２００００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは１７０００～１９０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の数平均分子量（Ｍｎ）及び／又は２９０００～３８０００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは３３０００～３６０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の重量平均分子量（Ｍｗ）を有してもよい。

【0041】

平均分子量は、ＩＳＯ１６０１４－１に従って測定される。

【0042】

熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末は、９０重量％を超える量、好ましくは９５重量％～１００重量％の範囲内の量の熱可塑性ポリアミドを含み、より好ましくは熱可塑性ポリアミドからなることが好ましい。

【0043】

ｒＣＦを含む不織布に熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末を含浸させるために、熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末を、不織布の片面、好ましくは両面に均一に配置する。

【0044】

ポリマー粉末を配置する技術は、先行技術において知られている。

【0045】

熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末は、１５０℃～３５０℃、好ましくは２００℃～３００℃、より好ましくは２２５℃～２７５℃の範囲内の温度でｒＣＦを含む不織布に配置されることが好ましい。

【0046】

ｒＣＦを含む不織布に配置される熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末の量は、含浸後の不織布の総重量に基づいて、好ましくは３０重量％～９０重量％、より好ましくは４０重量％～８０重量％の範囲内である。

【0047】

熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末とｒＣＦを含む不織布との合計量は、取得される半製品の総重量に基づいて９０重量％～１００重量％、より好ましくは９５重量％～１００重量％、より好ましくは９８重量％～１００重量％の範囲内にあることが好ましい。

【0048】

圧密
圧密は、材料又は材料組成物に熱と圧力を加えるプロセスである。

【0049】

熱と圧力を加えることで、熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末を溶融させ、ｒＣＦを含む不織布に押し込み、リサイクル炭素繊維強化半製品を取得する。

【0050】

圧密方法は、先行技術において知られている。好ましい実施形態では、圧密のためにダブルベルトプレス（ｄｏｕｂｌｅ ｂｅｌｔ ｐｒｅｓｓ）が使用される。更により好ましくは、圧密のためにダブルスチールベルトプレスが使用される。

【0051】

加えられる熱及び圧力の量は、熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末の溶融を引き起こすのに十分でなければならない。

【0052】

圧密は、好ましくは２３０℃～３３０℃、より好ましくは２５０℃～３１０℃の範囲内の温度及び／又は１～６０バール（ｂａｒ）、好ましくは５～３０バール、より好ましくは８～２０バールの範囲内の圧力で行われる。

【0053】

圧密中に、熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末は、リサイクル炭素繊維維強化半製品の熱可塑性マトリックスに変換される。

【0054】

ｒＣＦを含む不織布の熱可塑性ポリアミドによる完全な含浸は、上述したような本発明に関するプロセスによって達成することができる。

【0055】

半製品
本発明は、更に、上述したような本発明に関するプロセスによって製造することができるリサイクル炭素繊維強化半製品に関し、この半製品は、上述したようなリサイクル炭素繊維を含む不織布と、上述したような熱可塑性ポリアミドを含むポリマーマトリックスとを含むことを特徴とする。

【0056】

このリサイクル炭素繊維強化半製品の平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）は、リサイクル炭素繊維強化半製品の総体積に基づいて、５～５０体積％、より好ましくは１０～４０体積％、更により好ましくは１７～３０体積％の範囲内にある。

【0057】

平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）を測定するために、半製品の異なる点から複数（ｎ個）のサンプルを採取し、各サンプルの繊維体積分率を測定する。代表的なサンプルを取得するために、各サンプルが採取された点は、少なくとも５ｃｍ離れる必要がある。本発明において使用される測定方法では、点は、互いに５～２０ｃｍ離れる。

【0058】

繊維強化材料の繊維体積分率を測定する技術は、先行技術において知られている。

【0059】

繊維体積分率を測定する１つの方法は、ＤＩＮ ＥＮ２５６４又はＤＩＮ１６４５９に従って熱処理又は化学処理によってサンプルからポリマーマトリックスを除去することである。その後に、残りの繊維を洗浄し、乾燥させ、重量を量る。半製品の初期重量及び初期体積、並びに繊維の密度がわかれば、繊維の体積分率を測定することができる。

【0060】

平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）は、以下の式（ｉ）に従って計算され得る。

【数2】

式中、ｎは、採取されたサンプルの数であり、ｎは≧２、好ましくは≧４であり、ＦＶＦ_ｎは、サンプルｎの繊維体積分率である。

【0061】

上述したような本発明に関するプロセスを利用して、高度に均質なリサイクル炭素繊維強化半製品を取得することができる。

【0062】

本開示によれば、ｒＣＦ強化半製品の均質性は、サンプルｎの測定された繊維体積分率（ＦＶＦ_ｎ）と半製品の平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）との間の繊維体積分率差（ΔＦＶＦ）に相当する。

【0063】

繊維体積分率差（ΔＦＶＦ）は、以下の式（ｉｉ）に従って計算され得る。
ΔＦＶＦ＝ＦＶＦ_ｎ－ａＦＶＦ （ｉｉ）

【0064】

本発明によれば、任意のサンプルｎのΔＦＶＦは、≦±３体積％、好ましくは≦±２体積％、より好ましくは≦±１．５体積％である。

【0065】

繊維体積分率のこの小さな変動は、本技術分野で知られている他の混合及び浸透技術と比較して、本発明に関するリサイクル炭素繊維強化半製品の均質性が向上していることを示している。

【0066】

複合材料
本発明のリサイクル炭素繊維強化半製品は、複合材料に加工され得る。

【0067】

本発明に関する複合材料の取得プロセスは、
上述したようなリサイクル炭素繊維強化半製品又は上述したようなプロセスのいずれかにより取得されるリサイクル炭素繊維強化半製品を提供するステップＩ）と、
リサイクル炭素繊維強化半製品を加熱するステップＩＩ）と、
加熱されたリサイクル炭素繊維強化半製品を複合材料に成形するステップＩＩＩ）と
を含む。

【0068】

ステップＩＩ）における加熱は、本技術分野で知られている任意の方法によって行われてもよい。好ましい実施形態では、リサイクル炭素繊維強化半製品は、コンベクションオーブン又は赤外線オーブン内で加熱される。

【0069】

上述したようにｒＣＦを含む不織布を熱可塑性ポリアミドで完全に含浸させるため、ステップＩＩ）におけるリサイクル炭素繊維強化半製品の加熱を熱可塑性ポリアミドの融点より低い温度で行うことにより、不織布のロフトによるポリマーの酸化量を低減することができる。

【0070】

ステップＩＩ）における加熱は、好ましくは熱可塑性ポリアミドの融点より低い温度、より好ましくは１５０℃～３００℃、更により好ましくは２００℃～２５０℃の範囲内の温度で行われる。

【0071】

複合材料の成形は、本技術分野で知られている。好ましい実施形態では、複合材料は、ヒートプレスによって成形され、ヒートプレスでは、半製品が加熱された工具に挿入される。

【0072】

好ましくは、ステップＩＩＩ）における成形は、５０℃～１５０℃、好ましくは６０℃～１２０℃の範囲内の温度を有する工具内で行われる。

【0073】

最後に、本発明は、複合材料に関し、この複合材料は、リサイクル炭素繊維を含む不織布と、熱可塑性ポリアミドを含む熱可塑性マトリックスとを含み、好ましくは、上述したようなプロセス若しくは以下で説明するプロセスのいずれかにより取得されるか又はそれに記載のリサイクル炭素繊維強化半製品を含むことを特徴とする。

【0074】

この複合材料は、任意の既知の方法によって更に機能化され得る。適切な方法の例としては、射出成形プロセスが挙げられる。

【0075】

更に、本発明は、以下の番号付きの条項によって説明することができる。

【0076】

１． リサイクル炭素繊維を含む不織布を提供するステップａ）と、
熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末をリサイクル炭素繊維を含む不織布に均一に配置するステップｂ）と、
ステップｂ）で取得された不織布を圧密して繊維強化半製品を取得するステップｃ）と
を含むことを特徴とする、リサイクル炭素繊維強化半製品の取得プロセス。

【0077】

２． リサイクル炭素繊維を含む不織布は、５０～２５０ｇ・ｍ^－２、好ましくは７５～１５０ｇ・ｍ^－２、より好ましくは９０～１１０ｇ・ｍ^－２の範囲内の坪量を有することを特徴とする条項１に記載のプロセス。

【0078】

３． 不織布は、不織布の総重量に基づいて、８０～１００重量％、好ましくは９０～１００重量％、より好ましくは９８～１００重量％の範囲内の量のリサイクル炭素繊維を含むことを特徴とする条項１又は２に記載のプロセス。

【0079】

４． 不織布のリサイクル炭素繊維は、２０ｍｍ～１８０ｍｍ、好ましくは２５ｍｍ～１５０ｍｍ、より好ましくは３０ｍｍ～１００ｍｍの範囲内の長さを有する不連続炭素繊維であることを特徴とする条項１～３のいずれか一項に記載のプロセス。

【0080】

５． 不織布のリサイクル炭素繊維はサイジングされていないことを特徴とする条項４に記載のプロセス。

【0081】

６． 熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末は、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアミド６Ｉ（ＰＡ６Ｉ）、ポリアミド６６／６Ｉ（ＰＡ６６／６Ｉ）及びそれらの混合物からなるリストから選択されるポリアミドを含むことを特徴とする条項１～５のいずれか一項に記載のプロセス。

【0082】

７． 熱可塑性ポリアミドは、
１８０００～２４０００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは１９０００～２００００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の数平均分子量（Ｍｎ）及び／又は３５０００～５００００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは３８５００～４１０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の重量平均分子量（Ｍｗ）を有するＰＡ６６、
１００００～１４５００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは１２０００～１３０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の数平均分子量（Ｍｎ）及び／又は１８０００～３４０００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは２４０００～２８０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の重量平均分子量（Ｍｗ）を有するＰＡ６６／６Ｉ、
８０００～１３０００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは１００００～１２０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の数平均分子量（Ｍｎ）及び／又は１７５００～２７０００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは２００００～２５０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の重量平均分子量（Ｍｗ）を有するＰＡ６Ｉ、
１５０００～２００００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは１７０００～１９０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の数平均分子量（Ｍｎ）及び／又は２９０００～３８０００ｇ・ｍｏｌ^－１、好ましくは３３０００～３６０００ｇ・ｍｏｌ^－１の範囲内の重量平均分子量（Ｍｗ）を有するＰＡ６、
並びにそれらの混合物
からなるリストから選択されることを特徴とする条項６に記載のプロセス。

【0083】

８． 熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末の最大粒径が、１μｍ～１０００μｍ、好ましくは１０μｍ～６００μｍの範囲内にあることを特徴とする条項１～７のいずれか一項に記載のプロセス。

【0084】

９． 熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末における熱可塑性ポリアミドの量が、熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末の総重量に基づいて、８０～１００重量％、好ましくは９０～１００重量％、より好ましくは９８～１００重量％の範囲内にあることを特徴とする条項１～８のいずれか一項に記載のプロセス。

【0085】

１０． 熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末の量が、取得される半製品の総重量に基づいて、３０重量％～９０重量％、好ましくは４０重量％～８０重量％の範囲内にあることを特徴とする条項１～９のいずれか一項に記載のプロセス。

【0086】

１１． 熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末とリサイクル炭素繊維を含む不織布との重量比が、０．５～５、好ましくは０．７～３、より好ましくは０．８～２の範囲内にあることを特徴とする条項１～１０のいずれか一項に記載のプロセス。

【0087】

１２． 熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末とｒＣＦを含む不織布との合計量が、取得される半製品の総重量に基づいて、９０重量％～１００重量％、より好ましくは９５重量％～１００重量％、より好ましくは９８重量％～１００重量％の範囲内にあることを特徴とする条項１～１１のいずれか一項に記載のプロセス。

【0088】

１３． ステップｂ）では、熱可塑性ポリアミドを含むポリマー粉末は、１５０℃～３５０℃、好ましくは２００℃～３００℃、より好ましくは２２５℃～２７５℃の範囲内の温度で不織布に均一に配置されることを特徴とする条項１～１２のいずれか一項に記載のプロセス。

【0089】

１４． ステップｃ）における圧密は、２３０℃～３３０℃、好ましくは２５０℃～３１０℃の範囲内の温度で行われることを特徴とする条項１～１３のいずれか一項に記載のプロセス。

【0090】

１５． ステップｃ）における圧密は、１～６０バール、好ましくは５～３０バール、より好ましくは８～２０バールの範囲内の圧力で行われることを特徴とする条項１～１４のいずれか一項に記載のプロセス。

【0091】

１６． ステップｃ）における圧密は、ダブルベルトプレス内で、好ましくはダブルスチールベルトプレス内で行われることを特徴とする条項１～１５のいずれか一項に記載のプロセス。

【0092】

１７． 条項１～１６のいずれか一項に記載されるようなリサイクル炭素繊維を含む不織布と、条項１～１６のいずれか一項に記載されるような熱可塑性ポリアミドを含む熱可塑性マトリックスとを含むリサイクル炭素繊維強化半製品であって、半製品は、平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）を有し、平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）は、リサイクル炭素繊維強化半製品の総体積に基づいて、５～５０体積％、好ましくは１０～４０体積％、より好ましくは１７～３０体積％の範囲内にあり、平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）は、リサイクル炭素繊維強化半製品において互いに５ｃｍ以上２０ｃｍ以下離れた点から採取されたｎ個の１０ｍｍ×２０ｍｍのサンプルの繊維体積分率を測定し、以下の式（ｉ）に従って計算することにより取得され、

【数3】

式中、ｎは、採取されたサンプルの数であり、ｎは≧２、好ましくは≧４であり、ＦＶＦ_ｎは、サンプルｎの繊維体積分率であることを特徴とする、リサイクル炭素繊維強化半製品。

【0093】

１８． 測定されたサンプルｎの繊維体積分率（ＦＶＦ_ｎ）と平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）との間の繊維体積分率差（ΔＦＶＦ）は、以下の式（ｉｉ）に従って計算され、
ΔＦＶＦ＝ＦＶＦ_ｎ－ａＦＶＦ （ｉｉ）
繊維体積分率差（ΔＦＶＦ）は、≦±３体積％、好ましくは≦±２体積％、より好ましくは≦±１．５体積％である条項１７に記載のリサイクル炭素繊維強化半製品。

【0094】

１９． 半製品における、リサイクル炭素繊維を含む不織布と熱可塑性ポリアミドを含む熱可塑性マトリックスとの総量は、半製品の総重量に基づいて、８０～１００重量％、好ましくは９０～１００重量％、より好ましくは９８～１００重量％の範囲内にあることを特徴とする条項１７又は１８に記載のリサイクル炭素繊維強化半製品。

【0095】

２０． リサイクル炭素繊維を含む不織布と、熱可塑性ポリアミドを含む熱可塑性マトリックスとからなることを特徴とする条項１７～１９のいずれか一項に記載のリサイクル炭素繊維強化半製品。

【0096】

２１． 条項１～１６のいずれか一項に記載のプロセスにより取得されることを特徴とする条項１７～２０のいずれか一項に記載のリサイクル炭素繊維強化半製品。

【0097】

２２． 条項１～１６のいずれか一項により取得されるリサイクル炭素繊維強化半製品又は条項１７～２１のいずれか一項に記載のリサイクル炭素繊維強化半製品を提供するステップＩ）と、
リサイクル炭素繊維強化半製品を加熱するステップＩＩ）と、
加熱されたリサイクル炭素繊維強化半製品を複合材料に成形するステップＩＩＩ）とを含むことを特徴とする、複合材料の取得プロセス。

【0098】

２３． ステップＩＩ）における加熱は、熱可塑性ポリマーの融点より低い温度、好ましくは１５０℃～３００℃、より好ましくは２００℃～２５０℃の範囲内の温度で行われることを特徴とする条項２２に記載の複合材料の取得プロセス。

【0099】

２４． ステップＩＩＩ）における成形は、５０℃～１５０℃、好ましくは６０℃～１２０℃の範囲内の温度を有する加熱された工具内で行われることを特徴とする条項２２又は２３に記載の複合材料の取得プロセス。

【0100】

２５． 条項１７～２１のいずれか一項に記載のリサイクル炭素繊維強化半製品を含むことを特徴とする複合材料。

【0101】

２６． 条項２２～２４のいずれか一項に記載のプロセスにより取得されることを特徴とする条項２５に記載の複合材料。

【実施例0102】

実験手順について
リサイクル炭素繊維強化半製品
平行メートルあたり８０ｇの最大粒径＜６００μｍのＰＡ６６ポリアミド（Ｍｗ：８０００ｇ・ｍｏｌ^－１）粉末（Ｄ９９．９％）を、２５０℃、０．５バール、塗布速度２ｍ／分で、坪量が１００ｇ・ｍ^－２である、リサイクルされたがサイジングされない不連続炭素繊維からなる不織布の各面（合計１６０ｇ・ｍ^－２）に均一に配置した。その後、不織布をダブルスチールベルトプレス内で２８０℃、１５バール、０．５ｍ／分の速度で圧密した。得られたオルガノシートの形態のｒＣＦ強化半製品は、２６０ｇ・ｍ^－２の坪量及び２２．６７体積％の平均繊維体積分率（ａＦＶＦ）を有した。

【0103】

６つの１０ｍｍ×２０ｍｍのサンプルを、ｒＣＦ強化半製品の互いに５ｃｍ～２０ｃｍ離れた点から採取し、ポリマーマトリックスを除去した後に繊維体積分率を測定した。

【0104】

【表1】

【0105】

最大の繊維体積分率差（ΔＦＶＦ）は、２１．５０体積％のＦＶＦ_３を有するサンプル３に見られた。これにより、ＦＶＦ_３とａＦＶＦとの間の繊維体積分率差（ΔＦＶＦ）は、－１．１７体積％であった。

【0106】

したがって、取得された半製品は、他の混合及び浸透技術と比較して非常に均質である。

【0107】

複合材料
ｒＣＦ強化半製品を赤外線オーブン内で２２５℃まで６分間加熱した。その後、加熱したｒＣＦ強化半製品を加熱された工具内に入れ、８０℃のヒートプレスで複合材料を成形した。

【外国語明細書】