DE60133560T2

DE60133560T2 - Kohlenstofffaserprecursorbündel

Info

Publication number: DE60133560T2
Application number: DE60133560T
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Otake-shi IKEDA; Masakazu Otake-shi HOSHINO; Takayoshi Otake-shi YAMAMOTO; Aritaka Otake-shi SHIMOTASHIRO; Toshihiro Hiroshima-Ken MAKISHIMA; Masashi Otake-shi OKAMOTO
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2000-06-23
Filing date: 2001-06-18
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2021-06-19
Also published as: US6569523B2; KR100473126B1; MXPA02012862A; HU227286B1; CN1249280C; HUP0301420A3; KR20030011916A; EP1306470B1; US6503624B2; CN1187484C; EP1306470A4; US20020041957A1; ES2302736T3; CN1566420A; CN1441862A; PT1306470E; EP1306470A1; WO2001098566A1; HUP0301420A2; DE60133560D1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe, umfassend Monofilamente eines Acrylnitril-basierten Polymers, das zur Herstellung eines Kohlenstofffaserbündels zur Verwendung als Verstärkungsmaterial in einem faserverstärkten Kompositmaterial verwendbar ist.
Stand der Technik
Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern und ähnliche werden in einem faserverstärkten Kompositmaterial verwendet. Unter den zuvor erwähnten ist eine Kohlenstofffaser in Bezug auf Festigkeit, relativen Elastizitätsmodul, thermische Beständigkeit, chemische Beständigkeit und ähnliche überlegen und wird als Verstärkungsmaterial in einem faserverstärkten Kompositmaterial zur Verwendung in Sportgeräten, wie in Schäften von Golfschlägern und Angelruten, sowie für allgemeine industrielle Zwecke, wie in Flugzeugen und ähnlichen, verwendet. Solch ein faserverstärktes Kompositmaterial wird z. B. gemäß dem folgenden Verfahren hergestellt.
In dem Backverfahren (Oxidationsverfahren) wird das Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe, umfassend Monofilamente aus Acrylnitril-basierten Polymeren, anfänglich Backen bei 200 bis 300°C in einem oxidierenden Gas, wie Luft, unterzogen, um ein flammbeständiges Faserbündel zu ergeben. Anschließend wird im Carbonisierverfahren das flammbeständige Faserbündel bei 300 bis 2000°C unter Inertatmosphäre carbonisiert, um ein Kohlenstofffaserbündel zu ergeben. Dieses Kohlenstofffaserbündel wird nach Bedarf zu einem gewobenen Stoff und ähnlichem verarbeitet, der dann mit einem synthetischen Harz imprägniert und in eine vorbestimmte Form geformt wird, um ein faserverstärktes Kompositmaterial zu erhalten.
Von einem zur Herstellung eines Kohlenstofffaserbündels verwendeten Vorstufenfaserbündel wird verlangt, dass es eine hohe Kompaktheit besitzt, so dass sich die Monofilamente, die das Faserbündel aufbauen, während des Backverfahrens nicht aufwinden und mit benachbarten Faserbündeln verwickelt werden oder alternativ an den Walzen anhaften. Das aus einem Vorstufenfaserbündel erhaltene resultierende Kohlenstofffaserbündel mit hoher Kompaktheit besitzt jedoch den Nachteil, dass es aufgrund seiner hohen Kompaktheit sehr schwierig mit Harz zu imprägnieren ist.
Zusätzlich muss ein durch Weben von Kohlenstofffaserbündeln erhaltener Kohlenstofffaserstoff ein Stoff mit so wenigen Öffnungen wie möglich sein, um zu vermeiden, dass zur Zeit der Imprägnierung mit dem Harz Hohlräume in dem Harz gebildet werden. Als Folge wird ein Strangspreizverfahren entweder während oder nach dem Weben durchgeführt. Ein aus einem Vorstufenfaserbündel mit hoher Kompaktheit erhaltenes Kohlenstofffaserbündel besitzt jedoch den Nachteil, dass das Aufspreizen des Strangs aufgrund seiner hohen Kompaktheit sehr schwierig ist.
US-Patent Nr. 5,227,237 offenbart eine Kohlenstofffaser mit nicht-kreisförmigem Querschnitt, worin der Grad D der Deformation, definiert durch das Verhältnis R/r (R ist der Radius des umschriebenen Kreises des Querschnitts der Faser und r ist der Radius des einbeschriebenen Kreises davon), 1,1 bis 7,0 ist, offenbart ferner, dass der koagulierten Faser 0,2 bis 1,5 Gew.-% eines Verfahrensschmiermittels pro Einheitsgewicht der Trockenfaser beigegeben werden, und offenbart auch, dass es erwünscht ist, eine Silikonverbindung oder eine modifizierte Silikonverbindung als Schmiermittel zu verwenden.
Als Faserbündel einer Vorstufe, das eine hohe Kompaktheit hat, und das ein Kohlenstofffaserbündel mit einer Strangspreizbarkeit bereitstellen kann, offenbart die japanische ungeprüfte Patentanmeldung, erste Veröffentlichungs-Nr. 2000-144521 , ein Acrylnitril-basiertes Faserbündel, umfassend Acrylnitril-basierte Polymere, enthaltend zumindest 95 Gew.-% Acrylnitril, in dem das Gesamtdenier zumindest 30.000 ist, mit 2 bis 15 im Wesentlichen kontinuierlichen Falten, von denen jede 0,5 bis 1,0 μm in der Höhe ist und sich in der longitudinalen Richtung auf der Oberfläche des Faserbündels erstreckt, wobei das Absorptionsvolumen von Iod pro Fasergewicht des Faserbündels 0,5 bis 1,5 Gew.-% ist.
Dieses Vorstufenfaserbündel wird erhalten, indem eine Spinnlösung, die eine Lösung eines organischen Lösungsmittels und eines Acrylnitril-basierten Polymers ist, in ein erstes Koagulationsbad, gebildet aus einer wässrigen Lösung eines organischen Lösungsmittels, umfassend eine organische Lösungsmittelkonzentration von 50 bis 70 Gew.-%, und mit einer Temperatur von 30 bis 50°C extrudiert wird, um feste Fasern zu bilden. Die festen Fasern werden dann mit einer Aufnahmegeschwindigkeit von größer als 0,8 Mal der Extrusionslineargeschwindigkeit der Spinnlösung aus dem ersten Koagulationsbad entnommen. Anschließend werden die festen Fasern in ein zweites Koagulationsbad, gebildet aus einer wässrigen Lösung eines organischen Lösungsmittels, umfassend eine organische Lösungsmittelkonzentration von 50 bis 70 Gew.-% und mit einer Temperatur von 30 bis 50°C, gegeben und um das 1,1- bis 3,0-Fache gezogen, wodurch das Vorstufenfaserbündel erhalten wird.
Die Kompaktheit dieses Vorstufenfaserbündels und die Strangspreizbarkeit des aus diesem Vorstufenfaserbündel erhaltenen Kohlenstofffaserbündels sind jedoch nicht adäquat. Zusätzlich verlangt das gewobene Kohlenstofffasermaterial eine gleichmäßige Textur mit wenigen Öffnungen, und daher wird ein Kohlenstofffaserbündel mit einer hohen Sperrigkeit verlangt.
Auf diese Weise wird ein Faserbündel für eine Kohlenstofffaservorstufe mit einer hohen Kompaktheit und ausgezeichneter Carbonisierungsverarbeitbarkeit verlangt, das in der Lage ist, ein Kohlenstofffaserbündel zu ergeben, das eine ausgezeichnete Harzimprägnierbarkeit, eine ausgezeichnete Strangspreizbarkeit, eine hohe Festigkeit und hohe Sperrigkeit besitzt.
In Bezug auf den Stoff aus Kohlenstofffaser ist es außerdem nötig, der Kohlenstofffaser eine "Bedeckbarkeit" zu verleihen, da eine vorteilhafte äußere Erscheinung und Handhabung auch stark verlangt werden, zusätzlich zu den zuvor erwähnten Funktionen. Um simultan die zuvor erwähnte Harzimprägnierbarkeit, Strangspreizbarkeit und Bedeckbarkeit zur Zeit der Bildung des Stoffes bereitzustellen, ist es notwendig, dem Kohlenstofffaserbündel eine hohe Sperrigkeit zu verleihen. Um die Harzimprägnierbarkeit, Strangspreizbarkeit und Bedeckbarkeit weiter zu verbessern, ist es daher nötig, die Sperrigkeit des Kohlenstofffaserbündels weiter zu verbessern.
Folglich ist es ein erstes erfindungsgemäßes Ziel, ein Faserbündel für eine Kohlenstofffaservorstufe mit einer hohen Kompaktheit und ausgezeichneter Carbonisierverarbeitbarkeit bereitzustellen, das in der Lage ist, ein Kohlenstofffaserbündel zu liefern, das eine ausgezeichnete Harzimprägnierbarkeit und Strangspreizbarkeit zusätzlich zu einer hohen Festigkeit und hohen Sperrigkeit besitzt.
Zusätzlich ist es sein zweites erfindungsgemäßes Ziel, ein Faserbündel für eine Kohlenstofffaservorstufe bereitzustellen, das in der Lage ist, ein Kohlenstofffaserbündel zu liefern, das eine verbesserte Sperrigkeit zusätzlich zu einer überlegenen Harzimprägnierbarkeit, Strangspreizbarkeit und Bedeckbarkeit zur Zeit der Bildung eines Stoffs besitzt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vielzahl von Monofilamenten eines Acrylnitril-basierten Polymers umfasst, wobei das Verhältnis der Länge und Breite des Faserquerschnitts der Monofilamente (Länge/Breite) 1,05 bis 1,6 ist, und die Menge an Si, gemessen durch ICP-Atomemissionspektrometrie, im Bereich von 500 bis 4.000 ppm liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der Oberfläche des Monofilaments 0,01 bis 0,1 μm beträgt.
Das zuvor erwähnte Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe hat eine hohe Kompaktheit und ausgezeichnete Carbonisierverarbeitbarkeit. Zusätzlich besitzt das daraus erhaltene Kohlenstofffaserbündel eine ausgezeichnete Harzimprägnierbarkeit und Strangspreizbarkeit zusätzlich zu einer hohen Festigkeit und hohen Sperrigkeit.
Zusätzlich beträgt die Festigkeit des Monofilaments innerhalb dieses Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe bevorzugt zumindest 5,0 cN/dtex. Im Ergebnis wird die Bildung von Flaum sekundär zum Schneiden der Monofilamente während des Backverfahrens reduziert, was wiederum zu einer weiteren Verbesserung der Carbonisierverarbeitbarkeit führt.
Wie zuvor erwähnt, beträgt der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der Oberfläche des Monofilaments des Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe 0,01 bis 0,1 μm. Auf diese Weise ist es möglich, die Kompaktheit und die Carbonisierverarbeitbarkeit des Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe zu verbessern und auch die Harzimprägnierbarkeit, Strangspreizbarkeit und die Festigkeit des daraus erhaltenen Kohlenstofffaserbündels zu verbessern.
Zusätzlich beträgt die maximale Höhe (Ry) der Oberfläche des Monofilaments des Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe bevorzugt 0,1 bis 0,5 μm. Auf diese Weise ist es möglich, die Kompaktheit und die Carbonisierverarbeitbarkeit des Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe weiter zu verbessern und auch die Harzimprägnierbarkeit, Strangspreizbarkeit und Festigkeit des daraus erhaltenen Kohlenstofffaserbündels weiter zu verbessern.
Zusätzlich ist dieses Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe weiter dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vielzahl an Falten umfasst, die sich in longitudinaler Richtung auf der Oberfläche des Monofilaments erstrecken, wobei der Abstand (S) zwischen benachbarten lokalen Peaks innerhalb des Bereichs von 0,2 bis 1,0 μm liegt. Auf diese Weise ist es möglich, die Kompaktheit und die Carbonisierverarbeitbarkeit des Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe weiter zu verbessern, und auch die Harzimprägnierbarkeit, die Strangspreizbarkeit und die Festigkeit des daraus erhaltenen Kohlenstofffaserbündels weiter zu verbessern.
Zusätzlich ist der Wassergehalt dieses Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe bevorzugt nicht größer als 15 Gew.-%. Auf diese Weise lassen sich die Monofilamente des Faserbündels einfach miteinander verwirren, wodurch die Carbonisierverarbeitbarkeit weiter verbessert wird.
Zusätzlich ist die Anzahl an Monofilamenten, die dieses Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe aufbauen, bevorzugt nicht größer als 12.000. Auf diese Weise ist es möglich, die Spinnrate des Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe zu erhöhen. Zusätzlich ist es auch möglich, gleichmäßige Verwicklung zu verleihen zu verwirren, und im Ergebnis die Verarbeitbarkeit während des Backverfahrens zu verbessern.
Zusätzlich liegt der Verwicklungsgrad des Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe bevorzugt innerhalb des Bereichs von 5/m bis 20/m. Auf diese Weise wird die Carbonisierverarbeitbarkeit des Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe weiter verbessert, was wiederum zu einer weiteren Verbesserung der Harzimprägnierbarkeit und der Strangspreizbarkeit des daraus erhaltenen Kohlenstofffaserbündels führt.
(Berechnungsverfahren des Flüssigkeitsgehaltsverhältnisses)
Das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts HW wird unter Verwendung der folgenden Gleichung aus dem absoluten Trockengewicht WO des Faserbündels folgend auf die Entfernung eines öligen Mittels und Trocknen bis zu einem absolut trockenen Zustand und dem Faserbündelgewicht WT nach 1 Stunde Eintauchen dieses Faserbündels in destilliertes Wasser bei 20°C unter 0 Spannung und dann Durchführen einer Kompressionsentwässerung unter einem Druck von 200 kPa berechnet. HW (Gew.-%) = (WT – W0)/W0 × 100
Das Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vielzahl an Monofilamenten eines Acrylnitril-basierten Polymers umfasst, wobei das Verhältnis der Länge und Breite des Faserquerschnitts der Monofilamente (Länge/Breite) 1,05 bis 1,6 beträgt; die Menge an Si, gemessen durch ICP-Atomemissionsspektrometrie, im Bereich von 500 bis 4.000 ppm liegt; der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der Oberfläche des Monofilaments 0,01 bis 0,1 μm beträgt; und das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts HW, berechnet gemäß dem zuvor erwähnten Verfahren, zumindest 40 Gew.-% und weniger als 60 Gew.-% beträgt.
Das gemäß dem zuvor erwähnten gebildeten Faserbündels der Kohlenstofffaservorstufe zeigt eine hohe Kompaktheit und ausgezeichnete Carbonisierverarbeitbarkeit und ist in der Lage, ein Kohlenstofffaserbündel zu liefern, das eine ausgezeichnete Harzimprägnierbarkeit und Strangspreizbarkeit zusätzlich zu einer hohen Sperrigkeit besitzt. Zusätzlich besitzt das aus dem zuvor erwähnten Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe erhaltene Kohlenstofffaserbündel eine verbesserte Sperrigkeit zusätzlich zu einer überlegenen Harzimprägnierbarkeit, Strangspreizbarkeit und Bedeckbarkeit zur Zeit der Bildung eines Stoffs.
Zusätzlich umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe die Schritte: Extrudieren einer Spinnlösung, die eine Lösung eines organischen Lösungsmittels und eines Acrylnitril-basierten Polymers, enthaltend zumindest 95 Gew.-% der Acrylnitrileinheit ist, in ein erstes Koagulationsbad, das aus einer wässrigen Lösung eines organischen Lösungsmittels, umfassend eine organische Lösungsmittelkonzentration von 45 bis 68 Gew.-% gebildet wird, und bei einer Temperatur von 30 bis 50°C, um feste Fasern zu bilden; Aufnehmen der festen Fasern mit einer Aufnahmegeschwindigkeit nicht größer als 0,8-mal der Extrusionslineargeschwindigkeit der Spinnlösung aus dem ersten Koagulationsbad; Ziehen der festen Fasern um das 1,1 ~ 3,0-Fache in einem zweiten Koagulationsbad, das aus einer wässrigen Lösung eines organischen Lösungsmittels, umfassend eine organische Lösungsmittelkonzentration von 45 bis 68 Gew.-% gebildet wird, und bei einer Temperatur von 30 bis 50°C, um gezogene Fasern zu bilden; und Dampfziehen der gezogenen Fasern um das 2,05,0-Fache nach Trocknen der gezogenen Fasern.
Gemäß diesem Verfahren zur Herstellung eines Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe kann einfach ein Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe hergestellt werden, das die zuvor erwähnten überlegenen Eigenschaften besitzt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Querschnittsdiagramm, das die Oberfläche eines Monofilaments eines Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe zum Zwecke der Erläuterung des arithmetischen Mittenrauwerts (Ra) zeigt.
2 ist ein Querschnittsdiagramm, das die Oberfläche eines Monofilaments eines Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe zum Zwecke der Erläuterung der Maximalhöhe (Ry) zeigt.
3 ist ein Querschnittsdiagramm, das die Oberfläche eines Monofilaments eines Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe zum Zwecke der Erläuterung des Abstands (S) zwischen den lokalen Peaks zeigt.
Beste erfindungsgemäße Ausführungsform
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung mittels der bevorzugten Ausführungsformen weiter beschrieben.
(Erfindungsgemäßes Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe)
Das erfindungsgemäße Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe ist ein Strang, der eine Vielzahl von Monofilamenten aus Acrylnitril-basiertem Polymer bündelt.
Als Acrylnitril-basiertes Polymer ist ein Polymer, enthaltend zumindest 95 Gew.-% einer Acrylnitrileinheit aus dem Blickpunkt der in dem Kohlenstofffaserbündel, das mittels Backen des zuvor erwähnten Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe gebildet wird, bevorzugt. Das Acrylnitril-basierte Polymer kann mittels Polymerisation von Acrylnitril und einem Monomer, das in der Lage ist, damit copolymerisiert zu werden, nach Bedarf über Redoxpolymerisation in einer wässrigen Lösung, Suspensionspolymerisation in einem nicht gleichförmigen System, Emulsionspolymerisation unter Verwendung eines Dispergiermittels oder ähnlichem gebildet werden.
Das zuvor erwähnte mit Acrylnitril zu copolymerisierende Monomer kann z. B. (Meth)acrylatester, wie Methyl(meth)acrylat, Ethyl(meth)acrylat, Propyl(meth)acrylat, Butyl(meth)acrylat, Hexyl(meth)arylat usw., halogenierte Vinyle, wie Vinylchlorid, Vinylbromid, Vinylidenchlorid, usw., Säuren, wie Methacrylsäure, Itaconsäure, Crotonsäure, Salze davon, usw., Maleimid, Phenylmaleimid, Methacrylamid, Styrol, α-Methylstyrol, Vinylacetat; polymerisierbare ungesättigte Monomere, enthaltend eine Sulfonsäuregruppe, wie Natriumstyrolsulfonat, Natriumallylsulfonat, Natrium-β styrolsulfonat, Natriummethallylsulfonat usw.; ein polymerisierbares ungesättigtes Monomer, enthaltend eine Pyridingruppe, wie 2-Vinylpyridin, 2-Methyl-5-vinylpyridin, usw., einschließen.
Das erfindungsgemäße Verhältnis (Länge/Breite) der Länge und Breite des Faserquerschnitts eines Monofilaments aus dem Acrylnitril-basierten Polymer beträgt 1,05 bis 1,6, bevorzugt 1,1 bis 1,3 und bevorzugter 1,15 und 1,25. Solange das Länge/Breite-Verhältnis innerhalb des zuvor erwähnten Bereichs liegt, ist es möglich, die Carbonisierverarbeitbarkeit des Vorstufenfaserbündels zusätzlich zur Harzimprägnierbarkeit und Strangspreizbarkeit des daraus erhaltenen Kohlenstofffaserbündels gleichzeitig zu gewährleisten. Wenn das Länge/Breite-Verhältnis weniger als 1,05 beträgt, werden die Abstände zwischen den Monofilamenten reduziert, was wiederum zu einer Verschlechterung in der Harzimprägnierbarkeit und Strangspreizbarkeit des resultierenden Kohlenstofffaserbündels führt. Zusätzlich wird die Sperrigkeit unzureichend. Wenn das Länge/Breite-Verhältnis größer als 1,6 ist, wird die Kompaktheit des Faserbündels reduziert, was wiederum zu einer Verschlechterung der Carbonisierverarbeitbarkeit führt. Zusätzlich ist auch die Faserfestigkeit drastisch reduziert.
Hierbei wird das Verhältnis (Länge/Breite) der Länge und Breite des Faserquerschnitts eines Monofilaments auf die folgende Weise bestimmt.
Nachdem das Faserbündels eines Acrylnitril-basierten Polymers für die Verwendung zum Messen durch ein aus Poly(vinylchlorid) hergestelltes Rohr mit einem Innendurchmesser von 1 mm geführt wurde, wurde das zuvor genannte abschnittsweise in runde Stücke geschnitten, um eine Probe herzustellen. Anschließend wurde die zuvor erwähnte Probe auf einem Probenhalter eines SEM auf so eine Weise fixiert, dass der Faserquerschnitt des Acrylnitril-basierten Polymers nach oben zeigt. Außerdem wurde nach Sputtern von Au mit einer geeigneten Dicke von 10 nm der Faserquerschnitt unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (XL20, hergestellt von Phillips) unter den Bedingungen einer Beschleunigungsspannung von 7,00 kV und eines Arbeitsabstands von 31 mm untersucht. Die Länge und Breite des Faserquerschnitts der Monofilamente werden dann gemessen, und das Länge/Breite-Verhältnis wird mittels Dividieren der Länge durch die Breite bestimmt.
Die Menge an Si des erfindungsgemäßen Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe liegt innerhalb des Bereichs von 500 bis 4000 ppm und bevorzugt innerhalb des Bereichs von 1000 bis 3000 ppm. Solange die Menge an Si innerhalb des zuvor erwähnten Bereichs liegt, ist es möglich, gleichzeitig die Carbonisierverarbeitbarkeit des Vorstufenfaserbündels zusätzlich zur Harzimprägnierbarkeit und Spreizbarkeit des daraus erhaltenen Kohlenstofffaserbündels zu gewährleisten. Wenn die Menge Si weniger als 500 ppm beträgt, verschlechtert sich die Kompaktheit des Faserbündels, was wiederum zur Verschlechterung der Carbonisierverarbeitbarkeit führt. Zusätzlich verschlechtert sich auch die Strangfestigkeit des resultierenden Kohlenstofffaserbündels. Wenn die Menge an Si 4000 ppm übersteigt, wird Siliziumdioxid beim Backen des Vorstufenfaserbündels weit verstreut, was zu einer Verschlechterung der Carbonisierstabilität führt. Zusätzlich wird es schwierig, das resultierende Kohlenstofffaserbündel zu trennen, was zu einer Verschlechterung der Harzimprägnierbarkeit und der Strangspreizbarkeit davon führt.
Die Menge an Si stammt aus dem Silizium-basierten Ölmittel, das bei der Herstellung des Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe verwendet wird. Hierbei kann die Menge an Si mittels Verwendung von ICP-Atomemissionsspektrometrie gemessen werden.
Die Monofilamentfestigkeit des erfindungsgemäßen Acrylnitril-basierten Polymers beträgt bevorzugt mindestens 5,0 cN/dtex, bevorzugter mindestens 6,5 cN/dtex, und am bevorzugtesten 7,0 cN/dtex. Wenn die Monofilamentfestigkeit weniger als 5,0 cN/dtex beträgt, wird eine große Menge an Flaum mittels des Schneidens von einzelnen Fäden während des Carbonisierverfahrens gebildet, was zu einer Verschlechterung der Carbonisierverarbeitbarkeit führt.
Hierbei wird die Monofilamentfestigkeit des Acrylnitril-basierten Polymers mittels des Installierens des Monofilaments, das auf einer Halterung platziert wurde, in die Spannvorrichtung der Lastzelle und dann Messen der Zugfestigkeit davon über einen Zugtest bei einer Geschwindigkeit von 20,0 mm pro Minute unter Verwendung der automatischen Monofilament-Zugfestigkeitstestmaschine (UTM II-20, hergestellt durch K. K. Orientech) bestimmt.
Das erfindungsgemäße Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe hat bevorzugt Falten, die sich in longitudinaler Richtung des Faserbündels auf der Oberfläche des Monofilaments erstrecken. Das Vorhandensein dieser Falten verleiht dem erfindungsgemäßen Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe ausgezeichnete Kompaktheit und gleichzeitig zeigt das resultierende Kohlenstofffaserbündel eine ausgezeichnete Imprägnierbarkeit und Strangspreizbarkeit.
Die Tiefe der zuvor erwähnten Falten wird gemäß des arithmetischen Mittenrauwerts (Ra), der Maximalhöhe (Ry) und der Abstand (S) der lokalen Peaks eingestellt.
Der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der Oberfläche des Monofilaments des erfindungsgemäßen Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe beträgt 0,01 bis 0,1 Cm, bevorzugter 0,02 bis 0,07 μm und am bevorzugtesten 0,03 bis 0,06 μm. Ein arithmetischer Mittenrauwert (Ra) von weniger als 0,01 μm führt zu einer Abnahme der Harzimprägnierbarkeit und Strangspreizbarkeit des resultierenden Kohlenstofffaserbündels und führt zu einer unzureichenden Sperrigkeit. Andererseits führt ein arithmetischer Mittenrauwert (Ra) von größer als 0,1 μm zu einer Zunahme der Oberfläche des Faserbündels, was wiederum zu einer leichten Bildung von statischer Elektrizität führt. Folglich nimmt die Kompaktheit des Faserbündels ab. Zusätzlich wird die Strangfestigkeit des resultierenden Kohlenstofffaserbündels reduziert.
Hierbei wird wie in 1 gezeigt, der arithmetische Mittenrauwert (Ra) mittels Abtasten einer Standardlänge L in Richtung der Zentrallinie m aus der Rauheitskurve; Berechnen des Absolutwertes der Abweichung von der Zentrallinie m zur Messkurve dieser Probe; und dann Bilden des Durchschnitts davon bestimmt. Der arithmetische Mittenrauwert (Ra) wird unter Verwendung eines Lasermikroskops gemessen.
Die Maximalhöhe (Ry) der Monofilamentoberfläche des erfindungsgemäßen Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe beträgt bevorzugt 0,1 bis 0,5 μm, bevorzugter 0,15 bis 0,4 μm und am bevorzugtesten 0,2 bis 0,35 μm. Eine Maximalhöhe (Ry) von weniger als 0,1 μm führt zur Verschlechterung der Harzimprägnierbarkeit und Strangspreizbarkeit des resultierenden Kohlenstofffaserbündels und führt zu einer unzureichenden Sperrigkeit. Andererseits führt eine Maximalhöhe (Ry) von größer als 0,5 μm zu einem Anstieg der Oberfläche des Faserbündels, was wiederum zur leichten Bildung von statischer Elektrizität führt. Folglich nimmt die Kompaktheit des Faserbündels ab. Zusätzlich wird die Strangfestigkeit des resultierenden Kohlenstofffaserbündels reduziert.
Hierbei wird wie in 2 gezeigt die Maximalhöhe (Ry) mittels Abtasten einer Standardlänge L in Richtung der Zentrallinie m aus der Rauheitskurve; Berechnen der Summe von Rp, was dem Intervall zwischen der Peaklinie und der Zentrallinie bei dieser Probe entspricht, und Rv, was dem Intervall zwischen der Tallinie und der Zentrallinie m dieser Probe entspricht, bestimmt. Die Maximalhöhe (Ry) wird mittels Verwendung eines Lasermikroskops gemessen.
Zusätzlich beträgt der Abstand (S) zwischen benachbarten lokalen Peaks, der als Parameter dient, der den Abstand dieser Falten spezifiziert, bevorzugt 0,2 bis 1,0 μm, bevorzugter 0,3 bis 0,8 μm und am bevorzugtesten 0,4 bis 0,7 μm. Ein Abstand (S) zwischen benachbarten lokalen Peaks von weniger als 0,2 μm führt zur Abnahme der Harzimprägnierbarkeit und Strangspreizbarkeit des resultierenden Kohlenstofffaserbündels und führt zu einer unzureichenden Sperrigkeit. Andererseits führt ein Abstand (S) zwischen benachbarten lokalen Peaks von größer als 1,0 μm zu einem Anstieg der Oberfläche des Faserbündels, was wiederum zur leichten Bildung von statischer Elektrizität führt. Folglich nimmt die Kompaktheit des Faserbündels ab. Zusätzlich wird die Strangfestigkeit des resultierenden Kohlenstofffaserbundels reduziert.
Hierbei wird wie in 3 gezeigt der Abstand (S) zwischen benachbarten lokalen Peaks mittels Abtasten einer Standardlänge L in Richtung der Zentrallinie m aus der Rauheitskurve, und dann Bilden des Durchschnittswerts S der Abstände S₁, S₂, S₃ ... zwischen den benachbarten Peaks dieser Probe bestimmt. Der Abstand (S) zwischen benachbarten lokalen Peaks wird unter Verwendung eines Lasermikroskops gemessen.
Zusätzlich ist der Wassergehalt des erfindungsgemäßen Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe bevorzugt nicht größer als 15 Gew.-%, bevorzugter nicht größer als 10 Gew.-% und am bevorzugtesten innerhalb des Bereichs von 3 bis 5 Gew.-%. Ein Wassergehalt, der 15 Gew.-% übersteigt, führt zu Schwierigkeiten beim Verwirren der Monofilamente beim Blasen von Luft in das Faserbündel, um das Verwirrverfahren durchzuführen. Dies führt anschließend zu einem einfachen Entwirren des Faserbündels und zur Verschlechterung der Carbonisierverarbeitbarkeit.
Hierbei ist der Wassergehalt ein Zahlenwert, berechnet unter Verwendung der folgenden Gleichung aus dem Gewicht w des Faserbündels in nassem Zustand und dem Gewicht w₀ nach Trocknen des Faserbündels bei 105°C 2 Stunden unter Verwendung eines Heißlufttrockners. Wassergehalt (Gew.-%) = (w – w0) × 100/w0
Zusätzlich ist die Anzahl der Monofilamente, die das erfindungsgemäße Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe aufbauen, bevorzugt nicht größer als 12.000, bevorzugter nicht größer als 6.000 und am bevorzugtesten nicht größer als 3.000. Wenn die Anzahl der Monofilamente 12.000 übersteigt, nehmen die Stranghandhabung und das Strangvolumen zu, was wiederum die Trocknungslast erhöht, so dass eine Erhöhung der Spinngeschwindigkeit nicht länger möglich ist. Zusätzlich wird es schwierig, eine gleichmäßige Verwicklung zu erreichen, was zu einer Verschlechterung der Carbonisierverarbeitbarkeit führt.
Zusätzlich liegt der Verwicklungsgrad des erfindungsgemäßen Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe bevorzugt innerhalb des Bereichs von 5/m bis 20/m und bevorzugt innerhalb des Bereichs von 10/m bis 14/m. Wenn der Verwicklungsgrad geringer als 5/m ist, tritt leicht ein Entwirren des Faserbündels auf, was wiederum zu einer Verschlechterung der Carbonisierverarbeitbarkeit führt. Ein Verwicklungsgrad, der 20/m übersteigt, führt andererseits zur Abnahme der Harzimprägnierbarkeit und Strangspreizbarkeit des resultierenden Kohlenstofffaserbündels.
Hierbei ist der Verwicklungsgrad des Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe ein Parameter, der die Anzahl von Malen anzeigt, die ein einzelnes Monofilament innerhalb des Faserbündels eines benachbarten Monofilament über ein Intervall von 1 Meter kreuzt. Dieser Verwicklungsgrad wird mittels eines Hakenfallversuchs gemessen.
Erste Ausführungsform eines Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe
Das Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vielzahl von Monofilamenten aus Acrylnitril-basierten Polymer umfasst, wobei das Verhältnis der Länge und Breite des Faserquerschnitts des Monofilaments (Länge/Breite) 1,05 bis 1,6 ist; die Menge an Si, gemessen durch ICP-Atomemissionsspektrometrie, im Bereich von 500 bis 4.000 ppm liegt; der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der Oberfläche des Monofilaments 0,01 bis 0,1 μm beträgt und das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts HW, berechnet gemäß dem zuvor erwähnten Verfahren, zumindest 40 Gew.-% und weniger als 60 Gew.-% beträgt.
(Verfahren zur Herstellung eines Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe)
Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe kann auf die folgende Weise hergestellt werden.
Anfänglich wird eine Spinnlösung, die eine Lösung eines organischen Lösungsmittels und eines Acrylnitril-basierten Polymers ist, durch eine Spinndüse in ein erstes Koagulationsbad, das aus einer wässrigen Lösung eines organischen Lösungsmittels, umfassend eine organische Lösungsmittelkonzentration von 45 bis 68 Gew.-%, gebildet wird, und bei einer Temperatur von 30 bis 50°C extrudiert, um feste Fasern zu bilden. Die festen Fasern werden dann mit einer Aufnahmegeschwindigkeit von nicht größer als 0,8 Mal der Extrusionslineargeschwindigkeit der Spinnlösung aus dem ersten Koagulationsbad aufgenommen.
Anschließend werden die zuvor erwähnten festen Fasern dann um das 1,1- bis 3,0-Fache in einem zweiten Koagulationsbad, das aus einer wässrigen Lösung eines organischen Lösungsmittels, umfassend eine organische Lösungsmittelkonzentration von 45 bis 68 Gew.-%, gebildet wird, bei einer Temperatur von 30 bis 50°C gezogen.
Danach wird, wenn nötig, Nass-Heiß-Ziehen um zumindest das 3-Fache in Bezug auf das Faserbündel, das in einem gequollenen Zustand nach Ziehen in dem zweiten Koagulationsbad vorliegt, durchgeführt.
Nach Abschluss des Verfahrens der Zugabe eines Silizium-basierten Ölmittels zu dem Faserbündel wird das Faserbündel getrocknet und dann weiter um das 2,0- bis 5,0-Fache mittels einer Dampfziehmaschine gezogen.
Die Einstellung des Wassergehalts wird dann in Bezug auf dieses Faserbündel mittels Verwendung einer Berührungswalze durchgeführt. Anschließend wird Luft in das Faserbündel geblasen, um das Verwicklungsverfahren durchzuführen, wodurch sich das Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe ergibt.
Beispiele des organischen Lösungsmittels für ein Acrylnitril-basiertes Polymer, das in der Spinnlösung verwendet wird, schließen Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid und ähnliche ein. Unter den zuvor erwähnten wird Dimethylacetamid idealerweise aufgrund seiner ausgezeichneten Spinneigenschaften und minimalen negativen Effekten des Lösungsmittels auf die Hydrolyse verwendet.
Hierbei werden Präparate für das erste und zweite Koagulationsbad einfach mittels Verwendung der gleichen Konzentration des organischen Lösungsmittels im ersten und zweiten Koagulationsbad hergestellt; Einstellen des ersten und zweiten Koagulationsbads auf die gleiche Temperatur; oder Verwendung des gleichen organischen Lösungsmittels in der Spinnlösung, dem ersten Koagulationsbad und dem zweiten Koagulationsbad. Außerdem liegt ein bedeutender Vorteil darin, dass man in der Lage ist, das organische Lösungsmittel zu recyceln.
Mittels Verwendung einer Spinnlösung, gebildet aus einer Dimethylacetamidlösung eines Acrylnitril-basierten Polymers, eines ersten Koagulationsbads, gebildet aus einer wässrigen Dimethylacetamid-Lösung, und eines zweiten Koagulationsbads, gebildet aus einer wässrigen Dimethylacetamidlösung mit der gleichen Temperatur und umfassend die gleiche Zusammensetzung wie das erste Koagulationsbad, ist es möglich, einfach ein Monofilament mit einem Faserquerschnitt-Länge/Breite-Verhältnis von 1,05 bis 1,6 herzustellen.
Mittels Erniedrigung der Konzentration des organischen Lösungsmittels in dem ersten und zweiten Koagulationsbad ist es außerdem möglich, ein Monofilament mit einem großen Länge/Breite-Verhältnis des Faserquerschnitts zu erhalten. Andererseits ist es mittels Erhöhung der Konzentration des organischen Lösungsmittels in dem ersten und zweiten Koagulationsbad möglich, ein Monofilament mit einem Länge/Breite-Verhältnis des Faserquerschnitts nahe 1,0 zu erhalten. Wenn die Konzentration des organischen Lösungsmittels in dem ersten Koagulationsbad und dem zweiten Koagulationsbad außerhalb des Bereichs von 45 bis 68 Gew.-% liegt, wird es mit anderen Worten schwierig, ein Monofilament mit einem Länge/Breite-Verhältnis des Faserquerschnitts von 1,05 bis 1,60 zu erhalten.
Als Spinndüse zur Extrusion der Spinnlösung ist es möglich, eine Spinndüse mit einer Düsenöffnung, umfassend einen Durchmesser von 15 bis 100 μm, zu verwenden, mit anderen Worten einem Durchmesser der zur Herstellung eines Monofilaments, umfassend ein Acrylnitril-basiertes Polymer von ungefähr 1,0 Denier (1,1 dTex), das als Standardgröße eines Monofilament, umfassend ein Acrylnitril-basiertes Polymer, dient.
Durch Einstellung der "Aufnahmegeschwindigkeit der festen Fasern/Extrusionslineargeschwindigkeit der Spinnlösung aus der Düse" auf nicht größer als 0,8, ist es möglich, ausgezeichnete Spinneigenschaften beizubehalten.
Bei diesem Verfahren zur Herstellung eines Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe übersteigt die Konzentration des organischen Lösungsmittels enthalten in Lösung in der aus dem ersten Koagulationsbad aufgenommenen festen Faser die Konzentration des organischen Lösungsmittels in dem zuvor erwähnten ersten Koagulationsbad. Im Ergebnis nimmt die feste Faser einen halb-koagulierten Zustand an, was nur an der Oberfläche koaguliert bedeutet, so dass diese feste Faser eine ausgezeichnete Ziehbarkeit in dem zweiten Koagulationsbad des anschließenden Verfahrens zeigt.
Zusätzlich ist es möglich, die feste Faser, die aus dem ersten Koagulationsbad aufgenommen wird, in gequollenem Zustand mit der darin enthaltenen Koagulationslösung an der Luft zu ziehen. Mittels des Einsetzens eines Mittels zum Ziehen dieser festen Faser in dem zweiten Koagulationsbad, wie in dem zuvor erwähnten Verfahren beschrieben, ist es jedoch möglich, ferner die Koagulation der festen Faser zu fördern. Zusätzlich wird die Temperaturkontrolle des Ziehverfahrens auch einfach gemacht.
In Bezug auf das Ziehverhältnis in dem zweiten Koagulationsbad ist es, wenn dieses Verhältnis weniger als 1,1 ist, unmöglich, eine gleichmäßig orientierte Faser zu erhalten; wenn dieses Verhältnis größer als 3,0 ist, treten andererseits leicht Risse in dem Monofilament auf, was wiederum zu einer Abnahme der Spinnstabilität und einer Verschlechterung der Ziehbarkeit im anschließenden Nass-Warm-Ziehverfahren führt.
Das Nass-Warm-Ziehen, das nach dem Ziehverfahren in dem zweiten Koagulationsbad durchgeführt wird, dient dem Zweck der weiteren Verbesserung der Orientierung der Faser. Dieses Nass-Heiß-Ziehen wird am gequollenen Faserbündel durchgeführt, in seinem gequollenen Zustand nach dem Ziehen in dem zweiten Koagulationsbad, entweder während es mit Wasser gespült wird oder in heißem Wasser. Unter den zuvor erwähnten ist es aus dem Blickpunkt der hohen Produktivität bevorzugt, das oben beschriebene Nass-Heiß-Ziehen in heißem Wasser durchzuführen. Wenn das Ziehverhältnis bei diesem Nass-Heiß-Ziehverfahren weniger als 3,0 beträgt, wird außerdem die Verbesserung der Faserorientierung unzureichend.
Zusätzlich ist der Grad des Quellens des gequollenen Faserbündels nach dem Nass-Heiß-Ziehen und vor dem Trocknen bevorzugt nicht größer als 70 Gew.-%.
Mit anderen Worten umfasst eine Faser mit einem Quellgrad des gequollenen Faserbündels nach Nass-Heiß-Ziehen und vor dem Trocknen von nicht größer als 70 Gew.-% eine gleichmäßig orientierte Oberflächenschicht und Faserinneres. Mittels Erniedrigen der "Aufnahmegeschwindigkeit der festen Faser/Extrusionslineargeschwindigkeit der Spinnlösung aus der Düse" bei der Herstellung von festen Fasern in dem ersten Koagulationsbad ist es möglich, nach dem gleichmäßigen Koagulieren der Spinnlösung an feste Fasern in dem ersten Koagulationsbad und dem Ziehen von festen Fasern in dem zweiten Koagulationsbad die Faser den ganzen Weg bis ins Innere gleichmäßig zu orientieren. Im Ergebnis ist es möglich, den Grad des Quellens des gequollenen Faserbündels nach Nass-Heiß-Ziehen und vor Trocknen auf einen Wert von nicht größer als 70 Gew.-% herabzusetzen.
Wenn die "Aufnahmegeschwindigkeit der festen Fasern/Linearextrusionsgeschwindigkeit der Spinnlösung aus der Düse" bei der Herstellung von festen Fasern im ersten Koagulationsbad hoch ist, finden andererseits die Koagulation und das Ziehen der festen Fasern in dem zuvor erwähnten ersten Koagulationsbad gleichzeitig statt. Im Ergebnis wird die Koagulation der Spinnlösung an die festen Fasern in dem ersten Koagulationsbad nicht gleichmäßig. Sogar wenn ein Ziehverfahren an den festen Fasern in einem zweiten Koagulationsbad durchgeführt wird, nimmt folglich das gequollene Faserbündel nach Nass-Heiß-Ziehen und vor dem Trocknen einen hohen Quellgrad an, so dass eine Faser, die den ganzen Weg bis ins Faserinnere gleichmäßig orientiert wird, nicht realisiert werden kann.
Der Quellgrad des gequollenen Faserbündels vor dem Trocknen ist ein Wert, der unter Verwendung der folgenden Gleichung, aus dem Gewicht w nach Entfernung der an dem Faserbündel in seinem gequollenen Zustand anhaftenden Flüssigkeit unter Verwendung einer Zentrifuge (15 Minuten bei 3000 U/min) und dem Gewicht w₀ nach Trocknen der zuvor erwähnten unter Verwendung eines Heißlufttrockners bei 105°C für 2 Stunden berechnet wird. Quellgrad (Gew.-%) = (w – w0) × 100/w0
In Bezug auf das Verfahren der Zugabe des Ölmittels zu dem Faserbündel nach Durchführen des Nass-Heiß-Ziehens ist es möglich, ein Standardsilizium-basiertes Ölmittel zu verwenden. Dieses Silizium-basierte Ölmittel kann nach Einstellen der Konzentration auf 1,0 bis 2,5 Gew.-% verwendet werden.
Wenn das Ziehverhältnis unter Verwendung der Dampfziehmaschine weniger als 2,0 beträgt, wird die Verbesserung der Faserorientierung unzureichend. Wenn dieses Verhältnis größer als 5,0 ist, treten andererseits leicht Risse in dem Monofilament auf, was wiederum zu einer Reduktion der Spinnstabilität führt.
Beispiele
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Verwendung von Beispielen beschrieben.
Die entsprechenden Messungen in den vorliegenden Beispielen werden gemäß den folgenden Verfahren durchgeführt.
(Querschnittsform)
Eine Probe wird hergestellt, indem zu messende Fasern, umfassend ein Acrylnitril-basiertes Polymer, durch ein Poly(vinylchlorid)-Rohr mit einem Innendurchmesser von 1 mm geführt werden, und das zuvor Erwähnte abschnittsweise in runde Scheiben geschnitten wird.
Anschließend wird die Probe auf einem Probenhalter des SEM mit dem Faserquerschnitt des Acrylnitril-basierten Polymers aufwärtsblickend fixiert. Auch wird ferner mit einer Dicke von ungefähr 10 nm darauf gesputtert, und der Faserquerschnitt wird dann unter einem Elektronenrastermikroskop (XL 20, hergestellt von Phillips) unter den Bedingungen einer Beschleunigungsspannung von 7,00 kV und einem Arbeitsabstand von 31 mm betrachtet. Die Länge und Breite des Faserquerschnitts eines Monofilaments werden dann gemessen, und die Länge wird durch die Breite dividiert, um das Länge/Breite-Verhältnis zu erhalten.
(Menge an Si)
Zunächst wird eine Probe in einen luftdichten Behälter, hergestellt aus Teflon, gegeben, und sequenzielle Wärmeazidolyse der Probe wird unter Verwendung von Schwefelsäure und dann Salpetersäure durchgeführt. Nach Verdünnen der Probe wird dann die Menge von Si in der Probe unter Verwendung eines IRIS-AP (hergestellt von Jarrel Ash) als ICP-Atomemissionsspektrometer gemessen.
(Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts)
Zunächst wird ein an dem Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe anhaftendes Ölmittel zuerst mittels geeigneten Waschens mit kochendem Wasser bei 100°C entfernt. Das zuvor Erwähnte wird dann 2 Stunden bei 105°C in einem Trockner getrocknet, um ein Faserbündel in einem absolut trockenen Zustand herzustellen. Das absolute Trockengewicht W0 des Faserbündels zu dieser Zeit wird gemessen. Anschließend wird das Faserbündel in destilliertem Wasser bei 20°C unter Null Spannung 1 Stunde eingetaucht, um Wasser in das Faserbündel einzuschließen. Das Faserbündel in diesem Wasser-haltigen Zustand durchläuft dann Kompressionsentwässerung unter Verwendung eines Walzenspalts unter einem Druck von 200 kPa bei einer Wickelgeschwindigkeit von 10 m/min. Das Gewicht WT des Faserbündels nach Kompressionsentwässerung wird dann gemessen. Das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts HW des Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe wird unter Verwendung der folgenden Gleichung aus dem absoluten Trockengewicht W0 des Faserbündels und dem Faserbündelgewicht WT nach Durchlaufen der Kompressionsentwässerung berechnet. HW (Gew.-%) = (WT ~ W0)/W0 × 100
(Monofilamentfestigkeit)
Die Monofilamentfestigkeit wird mittels Installieren des Monofilaments, das auf einer Halterung gegeben wurde, in die Spannvorrichtung einer Lastzelle und dann Messen der Zugfestigkeit davon über einen Zugtest bei einer Geschwindigkeit von 20,0 mm pro Minute unter Verwendung einer automatischen Monofilamentzugfestigkeitstestmaschine (UTM II-20, hergestellt von K. K. Orientech) bestimmt.
(Verwicklungsgrad)
Ein Faserbündel des Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe in einem trockenen Zustand wird zuerst hergestellt und dann an die Oberseite eines Fallapparats gehängt. Ein Gewicht wird an das Faserbündel an einem Punkt 1 m von der oberen Halterung des Apparats in Abwärtsrichtung befestigt, und das Gewicht wird dann aufgehängt. Hierbei ist die Last des verwendeten Gewichts 1/5 des Denier in Gramm. Ein Haken wird in das Faserbündel an einem Punkt 1 cm unter der oberen Halterung des Apparats eingeführt, so dass das Faserbündel in zwei Teile geteilt wird. Der Haken wird dann mit einer Geschwindigkeit von 2 cm/s herabgeführt, und die Streckt L (mm), die der Haken herunterfiel bis zu einem Punkt, wo er durch die Verwicklung des zuvor erwähnten Faserbündels gestoppt wird, wird bestimmt. Der Verwicklungsgrad wird dann mittels der folgenden Formel berechnet. Außerdem war die Anzahl an Malen, die der Test durchgeführt wurde, N = 50, und der Durchschnittswert davon wurde auf 1 Dezimalstelle berechnet. Verwicklungsgrad = 1000/L
Hierbei ist der Haken ein Dorn mit einem Durchmesser von 0,5 mm bis 1,0 mm, der bearbeitet wurde, um eine glatte Oberfläche zu bilden.
(Faltenkontur)
Das Faserbündel der Kohlenstofffaservorstufe in einem trockenen Zustand wird auf ein Objektträgerglas montiert, und Ra, Ry und S werden in senkrechter Richtung in Bezug auf die Faserachse unter Verwendung eines Lasermikroskops VL 2000, hergestellt von Lasertec Corporation, gemessen.
(Wassergehalt)
Der Wassergehalt wird unter Verwendung der folgenden Gleichung aus dem Gewicht w des Faserbündels der Kohlenstofffaservorstufe im nassen Zustand und dem Gewicht w₀ nach Trocknen des Faserbündels bei 105°C für 2 Stunden unter Verwendung eines Heißlufttrockners berechnet. Wassergehalt (Gew.-%) = (w – w0) × 100/w0.
Zusätzlich werden das resultierende Acrylnitril-basierte Faserbündel und das Kohlenstofffaserbündel gemäß den folgenden Verfahren bewertet.
(Harzimprägnierbarkeit)
Ungefähr 20 cm des Kohlenstofffaserbündels werden zuerst abgeschnitten, ungefähr 3 cm werden dann Glycidylether eingetaucht und 15 Minuten stehen gelassen. Nach 3 zusätzlichen Minuten Stehenlassen des Kohlenstofffaserbündels, folgend auf die Entfernung aus dem Glycidylether, wurden die unteren 3,5 cm abgeschnitten und die Länge und das Gewicht des verbleibenden Kohlenstofffaserbündels werden gemessen. Das anteilige Gewicht des Glycidylether, eingesaugt von dem Flächengewicht des Kunststofffaserbündels, wird dann berechnet und als Index für die Harzimprägnierbarkeit verwendet.
(Strangspreizbarkeit)
Die Strangbreite zu der Zeit des Laufens des Kohlenstofffaserbündels über eine Metallrolle mit einer Laufgeschwindigkeit von 1 m/min unter einem Zug von 0,06 g/Monofilament wird als der Index der Strangspreizbarkeit verwendet.
(Bedeckbarkeit (Bedeckungsverhältnis))
Unter Verwendung des Kohlenstofffaserbündels in Kette und Schuss wurde ein einfacher Webstoff, umfassend ein Flächengewicht von 200 g/m² hergestellt. In Bezug auf diesen Stoff wurde das Aperturverhältnis (Anteile von Teilen, in denen sowohl Kette als auch Schuss innerhalb einer Einheitsfläche des Stoffs nicht vorhanden sind (mittels Verwendung eines Bildverarbeitungssensors (CV-100, hergestellt durch Keyence Corporation) bestimmt und das Bedeckungsverhältnis wurde mittels Subtraktion des Aperturverhältnisses von 100 erhalten.
(Festigkeit des Kohlenstofffaserstrangs)
Diese wurde basierend auf JIS R 7601 gemessen.
[Beispiel 1]
Acrylnitril, Methylacrylat und Methacrylsäure wurden in Gegenwart von Ammoniumpersulfat, Ammoniumhydrogensulfit und Eisensulfat mittels einer wässrigen Suspensionspolymerisation copolymerisiert, um ein Acrylnitril-basiertes Polymer, umfassend ein Acrylnitrileinheit/Methylacrylateinheit/Methacrylsäureeinheit = 95/4/1 (Gewichtsteile)-Verhältnis zu ergeben. Dieses Acrylnitril-basierte Polymer wurde dann in Dimethylacetamid gelöst, um eine Spinnlösung mit 21 Gew.-% herzustellen.
Diese Spinnlösung wurde in ein erstes Koagulationsbad, gebildet aus einer wässrigen Lösung von Dimethylacetamid, umfassend eine Konzentration von 60 Gew.-% und mit einer Temperatur von 30°C extrudiert, indem es durch eine Spinndüse mit einer Lochzahl von 3000 und einem Lochdurchmesser von 75 μm geleitet wurde, um feste Fasern zu bilden. Die festen Fasern wurden aus dem ersten Koagulationsbad mit einer Aufnahmegeschwindigkeit von 0,8 Mal der Extrusionslineargeschwindigkeit der Spinnlösung aufgenommen. Die festen Fasern wurden anschließend in ein zweites Koagulationsbad, das aus einer wässrigen Lösung von Dimethylacetamid, umfassend eine Konzentration von 60 Gew.-%, gebildet wurde, und mit einer Temperatur von 30°C eingeführt und um das 2,0-Fache gezogen.
Danach wurde dieses Faserbündel dann simultan mit Wasser gewaschen und um das 4-Fache gezogen. Ein auf 1,5 Gew.-% voreingestelltes Aminosilizium-basiertes öliges Mittel wurde dann hinzugesetzt. Dieses Faserbündel wurde dann unter Verwendung einer Wärmewalze getrocknet und ferner um das 2,0-Fache mittels Verwendung einer Dampfziehmaschine gezogen. Anschließend wurde der Wassergehalt des Faserbündels unter Verwendung einer Berührungswalze auf einen Wassergehalt von 5 Gew.-% pro Faser des Faserbündels eingestellt. Dieses Faserbündel wurde dann einem Verwicklungsverfahren unter Verwendung von Luft bei einem Luftdruck von 405 kPa unterworfen und dann um einen Wickler gewunden, um ein Acrylnitril-basiertes Faserbündel mit einer Monofilamentgröße von 1,1 dtex zu erhalten.
Die Querschnittsform, die Menge an Si, das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts, die Monofilamentfestigkeit, der Wassergehalt, der Verwicklungsgrad und die Faltenform des resultierenden Acrylnitril-basierten Faserbündels wurden dann gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Außerdem wurde das resultierende Acrylnitril-basierte Faserbündel dann in Luft unter Verwendung eines Heißluftzirkulationsoxidationsofens, der auf 230 bis 260°C eingestellt war, 50 Minuten bearbeitet, um ein flammbeständiges Faserbündel zu ergeben. Dieses flammbeständige Faserbündel wurde anschließend unter Stickstoffatmosphäre bei einer Maximaltemperatur von 780°C 1,5 Minuten bearbeitet und dann weiter in einem Hochtemperatur-Wärmebehandlungsofen in der gleichen Atmosphäre bei einer Maximaltemperatur von 1300°C ungefähr 1,5 Minuten bearbeitet. Eine Elektrolyse dieses Faserbündels wurde dann mit 0,4 Amin/m in einer wässrigen Lösung von Ammoniumbicarbonat durchgeführt, um ein Kohlenstofffaserbündel zu ergeben. Die Harzimprägnierbarkeit, die Strangspreizbarkeit, die Bedeckbarkeit und die Strangfestigkeit dieses Kohlenstofffaserbündels wurden dann bewertet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
[Beispiel 2]
Ein Acrylnitril-basiertes Faserbündel mit einer Monofilamentgröße von 1,1 dtex wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass die Dimethylacetamidkonzentration in dem ersten und zweiten Koagulationsbad auf 50 Gew.-% verändert wurde.
Die Querschnittsform, die Menge an Si, das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts, die Monofilamentfestigkeit, der Wassergehalt, der Verwicklungsgrad, die Faltenkontur des resultierenden Acrylnitril-basierten Faserbündels wurden dann gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Ferner wurden dann die Harzimprägnierbarkeit, die Strangspreizbarkeit, die Bedeckbarkeit und die Strangfestigkeit des durch Backen des zuvor erwähnten Acrylnitril-basierten Faserbündels erhaltenen Kohlenstofffaserbündels bewertet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
[Beispiel 3]
Ein Acrylnitril-basiertes Faserbündel mit einer Monofilamentgröße von 1,1 dtex wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass die Dimethylacetamidkonzentration in dem ersten und zweiten Koagulationsbad auf 65 Gew.-% verändert wurde.
Die Querschnittsform, die Menge an Si, das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts, die Monofilamentfestigkeit, der Wassergehalt, der Verwicklungsgrad, die Faltenkontur des resultierenden Acrylnitril-basierten Faserbündels wurden dann gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Ferner wurden dann die Harzimprägnierbarkeit, die Strangspreizbarkeit, die Bedeckbarkeit und die Strangfestigkeit des durch Backen des zuvor erwähnten Acrylnitril-basierten Faserbündels erhaltenen Kohlenstofffaserbündels bewertet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
[Beispiel 4]
Ein Acrylnitril-basiertes Faserbündel mit einer Monofilamentgröße von 1,1 dtex wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass das Ziehverhältnis im zweiten Koagulationsbad auf das 2,5-Fache verändert wurde, und das Ziehverhältnis unter Verwendung der zuvor erwähnten Dampfziehmaschine auf das 1,6-Fache verändert wurde.
Die Querschnittsform, die Menge an Si, das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts, die Monofilamentfestigkeit, der Wassergehalt, der Verwicklungsgrad, die Faltenkontur des resultierenden Acrylnitril-basierten Faserbündels wurden dann gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Ferner wurden dann die Harzimprägnierbarkeit, die Strangspreizbarkeit, die Bedeckbarkeit und die Strangfestigkeit des durch Backen des zuvor erwähnten Acrylnitril-basierten Faserbündels erhaltenen Kohlenstofffaserbündels bewertet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
[Beispiel 5]
Ein Acrylnitril-basiertes Faserbündel mit einer Monofilamentgröße von 1,1 dtex wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass das Zielverhältnis im zweiten Koagulationsbad auf das 1,2-Fache verändert wurde.
Die Querschnittsform, die Menge an Si, das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts, die Monofilamentfestigkeit, der Wassergehalt, der Verwicklungsgrad, die Faltenkontur des resultierenden Acrylnitril-basierten Faserbündels wurden dann gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Ferner wurden dann die Harzimprägnierbarkeit, die Strangspreizbarkeit, die Bedeckbarkeit und die Strangfestigkeit des durch Backen des zuvor erwähnten Acrylnitril-basierten Faserbündels erhaltenen Kohlenstofffaserbündels bewertet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
[Beispiel 6]
Ein Acrylnitril-basiertes Faserbündel mit einer Monofilamentgröße von 1,1 dtex wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass der Wassergehalt des Faserbündels unter Verwendung der zuvor erwähnten Berührungswalze auf 10 Gew.-% eingestellt wurde.
Die Querschnittsform, die Menge an Si, das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts, die Monofilamentfestigkeit, der Wassergehalt, der Verwicklungsgrad, die Faltenkontur des resultierenden Acrylnitril-basierten Faserbündels wurden dann gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Ferner wurden dann die Harzimprägnierbarkeit, die Strangspreizbarkeit, die Bedeckbarkeit und die Strangfestigkeit des durch Backen des zuvor erwähnten Acrylnitril-basierten Faserbündels erhaltenen Kohlenstofffaserbündels bewertet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
[Beispiel 7]
Ein Acrylnitril-basiertes Faserbündel mit einer Monofilamentgröße von 1,1 dtex wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass der Wassergehalt des Faserbündels unter Verwendung der zuvor erwähnten Berührungswalze auf 3 Gew.-% eingestellt wurde.
Die Querschnittsform, die Menge an Si, das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts, die Monofilamentfestigkeit, der Wassergehalt, der Verwicklungsgrad, die Faltenkontur des resultierenden Acrylnitril-basierten Faserbündels wurden dann gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Ferner wurden dann die Harzimprägnierbarkeit, die Strangspreizbarkeit, die Bedeckbarkeit und die Strangfestigkeit des durch Backen des zuvor erwähnten Acrylnitril-basierten Faserbündels erhaltenen Kohlenstofffaserbündels bewertet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
[Beispiel 8]
Ein Acrylnitril-basiertes Faserbündel mit einer Monofilamentgröße von 1,1 dtex wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass die Konzentration des zu dem Faserbündel zugesetzten Aminosilizium-basierten öligen Mittels auf 0,4 Gew.-% verändert wurde.
Die Querschnittsform, die Menge an Si, das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts, die Monofilamentfestigkeit, der Wassergehalt, der Verwicklungsgrad, die Faltenkontur des resultierenden Acrylnitril-basierten Faserbündels wurden dann gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Ferner wurden dann die Harzimprägnierbarkeit, die Strangspreizbarkeit, die Bedeckbarkeit und die Strangfestigkeit des durch Backen des zuvor erwähnten Acrylnitril-basierten Faserbündels erhaltenen Kohlenstofffaserbündels bewertet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
[Beispiel 9]
Ein Acrylnitril-basiertes Faserbündel mit einer Monofilamentgröße von 1,1 dtex wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass der Luftdruck während des Verwicklungsverfahrens auf 290 kPa verändert wurde.
Die Querschnittsform, die Menge an Si, das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts, die Monofilamentfestigkeit, der Wassergehalt, der Verwicklungsgrad, die Faltenkontur des resultierenden Acrylnitril-basierten Faserbündels wurden dann gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Ferner wurden dann die Harzimprägnierbarkeit, die Strangspreizbarkeit, die Bedeckbarkeit und die Strangfestigkeit des durch Backen des zuvor erwähnten Acrylnitril-basierten Faserbündels erhaltenen Kohlenstofffaserbündels bewertet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
[Vergleichsbeispiel 1]
Ein Acrylnitril-basiertes Faserbündel mit einer Monofilamentgröße von 1,1 dtex und einem Monofilamentfaserquerschnitt-Länge/Breite-Verhältnis von 1,02 wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass die Dimethylacetamidkonzentration des ersten und zweiten Koagulationsbads auf 70 Gew.-% verändert wurde.
Die Querschnittsform, die Menge an Si, das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts, die Monofilamentfestigkeit, der Wassergehalt, der Verwicklungsgrad, die Faltenkontur des resultierenden Acrylnitril-basierten Faserbündels wurden dann gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Ferner wurden dann die Harzimprägnierbarkeit, die Strangspreizbarkeit, die Bedeckbarkeit und die Strangfestigkeit des durch Backen des zuvor erwähnten Acrylnitril-basierten Faserbündels erhaltenen Kohlenstofffaserbündels bewertet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Dieses aus einem Acrylnitril-basierten Faserbündel mit einem Monofilamentfaserquerschnitt-Länge/Breite-Verhältnis von weniger als 1,05 erhaltene Kohlenstofffaserbündel zeigte sowohl eine schlechtere Harzimprägnierbarkeit als auch Strangspreizbarkeit.
[Vergleichsbeispiel 2]
Ein Acrylnitril-basiertes Faserbündel mit einer Monofilamentgröße von 1,1 dtex wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit der Ausnahme, dass die Dimethylacetamidkonzentration des ersten und zweiten Koagulationsbads auf 40 Gew.-% verändert wurde.
Die Querschnittsform, die Menge an Si, das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts, die Monofilamentfestigkeit, der Wassergehalt, der Verwicklungsgrad, die Faltenkontur des resultierenden Acrylnitril-basierten Faserbündels wurden dann gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Ferner wurden dann die Harzimprägnierbarkeit, die Strangspreizbarkeit, die Bedeckbarkeit und die Strangfestigkeit des durch Backen des zuvor erwähnten Acrylnitril-basierten Faserbündels erhaltenen Kohlenstofffaserbündels bewertet. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.

Dieses Acrylnitril-basierte Faserbündel mit einem Monofilamentfaser-Länge/Breite-Verhältnis, das 1,6 übersteigt, zeigte eine schlechtere Kompaktheit, und die Strangfestigkeit des daraus erhaltenen Kohlenstofffaserbündels war signifikant niedrig. Tabelle 1

		Querschnittsform (Länge/Breite)	Menge an Si (ppm)	Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts (Gew.-%)	Monofilamentfestigkeit (cN/dtex)
Beispiele	1	1,32	2500	52,25	7,2
	2	1,51	2650	58,18	6,8
	3	1,23	2600	46,56	7,7
	4	1,32	2550	49,56	7,5
	5	1,32	2500	44,72	6,1
	6	1,32	2500	54,43	7,3
	7	1,32	2500	48,77	7,2
	8	1,32	1600	51,34	7,3
	9	1,32	2500	53,80	7,2
Vergleichsbeispiele	1	1,02	2600	30,29	7,3
Vergleichsbeispiele	2	1,72	3400	64,85	4,8

Tabelle 2

		Wassergehalt (Gew.-%)	Verwicklungsgrad (pro m)	Faltenform
		Wassergehalt (Gew.-%)	Verwicklungsgrad (pro m)	Ra (μm)	Ry (μm	S (μm)
Beispiele	1	5	12	0,05	0,33	0,55
	2	5	11	0,08	0,35	0,68
	3	5	12	0,04	0,32	0,53
	4	5	13	0,08	0,40	0,70
	5	5	12	0,03	0,29	0,58
	6	10	6	0,05	0,33	0,55
	7	3	15	0,05	0,33	0,56
	8	5	12	0,05	0,33	0,53
	9	5	7	0,05	0,33	0,54
Vergleichsbeispiele	1	5	3	0,02	0,05	0,18
Vergleichsbeispiele	2	5	15	0,12	0,65	0,80

Tabelle 3

		Kohlenstofffaserbündel
		Harzimprägnierbarkeit (%)	Strangspreizbarkeit (mm)	Bedeckungsverhältnis (%)	Strangfestigkeit (kg/mm²)	Carbonisierverarbeitbarkeit
Beispiele	1	4,76	2,5	97,7	430	kein Problem
	2	5,10	2,7	98,2	400	kein Problem
	3	3,60	2,1	95,5	450	kein Problem
	4	4,50	2,4	96,8	410	kein Problem
	5	4,46	2,3	96,7	440	kein Problem
	6	4,88	2,9	98,7	430	kein Problem
	7	4,71	2,1	95,2	425	kein Problem
	8	4,66	2,8	99,1	430	kein Problem
	9	3,98	2,9	99,0	430	kein Problem
Vergleichsbeispiele	1	1,32	1,4	87,5	430	kein Problem
	2	7,22	3,2	99,8	350	ungünstig

Industrielle Anwendbarkeit
Wie zuvor erwähnt, werden bei dem erfindungsgemäßen Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe, da das Verhältnis der Länge und Breite des Faserquerschnitts des Monofilaments (Länge/Breite) 1,05 bis 1,6 beträgt und die Menge an Si, gemessen durch ICP-Atomemissionsspektrometrie, im Bereich von 500 bis 4000 ppm liegt, eine hohe Kompaktheit und ausgezeichnete Carbonisierverarbeitbarkeit erhalten. Zusätzlich wird ein Kohlenstofffaserbündel mit einer ausgezeichneten Harzimprägnierbarkeit, Strangspreizbarkeit, einer hohen Festigkeit und einer hohen Sperrigkeit erhalten.
Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe, da das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts HW, berechnet gemäß dem zuvor erwähnten Verfahren, 40 Gew.-% oder mehr und weniger als 60 Gew.-% beträgt, die Sperrigkeit verbessert, so dass ein Kohlenstofffaserbündel mit einer überlegenen Harzimprägnierbarkeit, Strangspreizbarkeit und Bedeckbarkeit bei der Ausbildung des Stoffs erhalten wird.
Außerdem werden bei dem erfindungsgemäßen Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe, da das Verhältnis der Länge und Breite des Faserquerschnitts des Monofilaments (Länge/Breite) 1,05 bis 1,6 beträgt, die Menge an Si, gemessen durch ICP-Atomemissionsspektrometrie im Bereich von 500 bis 4.000 ppm liegt; das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts HW, berechnet gemäß dem zuvor erwähnten Verfahren, 40 Gew.-% oder mehr und weniger als 60 Gew.-% beträgt, eine hohe Kompaktheit und ausgezeichnete Carbonisierverarbeitbarkeit erhalten. Zusätzlich wird ein Kohlenstofffaserbündel mit einer ausgezeichneten Harzimprägnierbarkeit, Strangspreizbarkeit, einer hohen Festigkeit und einer hohen Sperrigkeit erhalten. Ferner wird ein Kohlenstofffaserbündel erhalten aus dem Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe mit einer verbesserten Sperrigkeit, mit einer überlegenen Harzimprägnierbarkeit, Strangspreizbarkeit und Bedeckbarkeit bei der Bildung eines Stoffs erhalten.

Claims

Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe, umfassend eine Vielzahl an Monofilamenten eines Acrylnitril-basierten Polymers, wobei das Verhältnis der Länge und Breite des Faserquerschnitts des Monofilaments (Länge/Breite) 1,05 bis 1,6 ist und die Menge an Si, gemessen durch ICP-Atomemissionsspektrometrie, im Bereich von 500 bis 4000 ppm liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der arithmetische Mittenrauwert (Ra) der Oberfläche des Monofilaments 0,01 bis 0,1 μm beträgt.
Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe gemäß Anspruch 1, wobei die Maximalhöhe (Ry) der Oberfläche des Monofilaments 0,1 bis 0,5 μm beträgt.
Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe gemäß Anspruch 1, wobei das Monofilament eine Vielzahl an Falten umfasst, die sich in longitudinaler Richtung auf der Oberfläche des Monofilaments erstrecken, wobei der Abstand (S) zwischen benachbarten lokalen Peaks innerhalb des Bereichs von 0,2 bis 1,0 μm liegt.
Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Festigkeit des Monofilaments zumindest 5,0 cN/dtex beträgt.
Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wassergehalt des Faserbündels 15 Gew.-% oder weniger beträgt.
Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anzahl der Monofilamente, die das Faserbündel aufbauen, 12.000 oder kleiner ist.
Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Verwicklungsgrad des Faserbündels innerhalb des Bereichs von 5/m bis 20/m liegt.
Faserbündel einer Kohlenstofffaservorstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts HW, berechnet gemäß dem folgenden Verfahren, 40 Gew.-% oder mehr und weniger als 60 Gew.-% beträgt. (Berechnungsverfahren für das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts) Das Verhältnis des Flüssigkeitsgehalts HW wird unter Verwendung der folgenden Gleichung aus dem absoluten Trockengewicht WO des Faserbündels, folgend auf die Entfernung eines öligen Mittels und Trocknen bis zu einem absolut trockenen Zustand, und dem Faserbündelgewicht WT nach einer Stunde Eintauchen dieses Faserbündels in destilliertes Wasser bei 20°C unter Null Spannung und dann Durchführen einer Kompressionsentwässerung unter einem Druck von 200 kPa berechnet. HW (Gew.-%) = (WT – WO)/WO × 100
Verfahren zur Herstellung eines Faserbündels einer Kohlenstofffaservorstufe, umfassend die Schritte: Extrudieren einer Spinnlösung, die eine Lösung aus einem organischen Lösungsmittel, umfassend ein Acrylnitril- basiertes Polymer, enthaltend zumindest 95 Gew.-% einer Acrylnitrileinheit, ist, in ein erstes Koagulationsbad, das aus einer wässrigen Lösung eines organischen Lösungsmittels, umfassend eine organische Lösungsmittelkonzentration von 45 bis 68 Gew.-%, gebildet wird und bei einer Temperatur von 30 bis 50°C, um feste Fasern zu bilden; Aufnahme der festen Fasern mit einer Aufnahmegeschwindigkeit nicht größer als 0,8 Mal der linearen Extrusionsgeschwindigkeit der genannten Spinnlösung aus dem ersten Koagulationsbad; Ziehen der festen Fasern um das 1,1- bis 3,0-Fache in einem zweiten Koagulationsbad, das aus der wässrigen Lösung des organischen Lösungsmittels, umfassend eine organische Lösungsmittelkonzentration von 45 bis 68 Gew.-%, gebildet wird, und bei einer Temperatur von 30 bis 50°C, um gezogene Fasern zu bilden; und Dampfziehen der gezogenen Fasern um das 2,0- bis 5,0-Fache nach Trocknen der gezogenen Fasern.