JP2002317383A

JP2002317383A - フィラメントワインディング用炭素繊維束

Info

Publication number: JP2002317383A
Application number: JP2001127037A
Authority: JP
Inventors: Isao Nishimura; 功西村; Mitsuo Suguro; 光男勝呂; Hajime Sakamoto; 肇坂元; Sadataka Umemoto; 禎孝梅元
Original assignee: Toho Tenax Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2002-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】炭素繊維性能をＦＷ成型品の特性に反映で
き、作業操作性が良く、高強度且つ安価なのＦＷ成型用
炭素繊維束を提供する。【解決手段】サイズ剤を含有するフィラメントワイン
ディング成型用炭素繊維束であって、扁平率が３０〜１
００、２５℃における樹脂粘度が９０〜１５０ポイズで
あるビスフェノールＡ系エポキシ樹脂に対する接触角が
５５°以下であり、前記炭素繊維束から抽出した抽出物
の５０℃における粘度が１００〜１０００ポイズである
フィラメントワインディング成型用炭素繊維束。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、広幅のフィラメン
トワインディング（以下、ＦＷと表現することがある）
成型用炭素繊維束に関し、更に詳述すれば高強度かつ低
製造コストのＦＷ成形体を製造することの出来る、広幅
のＦＷ成型用炭素繊維束に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、炭素繊維は高い強度を有するた
め、各種樹脂と一体化した複合材の形態で航空機等の高
強度が要求される分野の構造材等に利用されている。特
に、近年重要になってきた分野としては、天然ガス自動
車等の燃料用ボンベ等を炭素繊維を用いるＦＷ成型法で
製造する分野で、この成型法によれば軽量且つ高性能な
ボンベ等を製造することができるものと期待されてい
る。

【０００３】従来、ＦＷ成型法でボンベ等の成型品を製
造する場合、通常炭素繊維を複数本束ねた炭素繊維束が
用いられる。炭素繊維束を用いてＦＷ成型をする場合、
太い炭素繊維束を用いるほど製造コストの低減が図れる
ので、従来よりも太い炭素繊維束を用いて、より低コス
トで低目付のＦＷ成型品を製造することが望まれてい
る。

【０００４】太い炭素繊維束を製造する方法としては、
トウ状のプリカーサー繊維束を焼成する方法（特開平４
−３００３２８号公報）等が提案されている。しかし、
この方法による場合、耐炎化時の発熱が大きいため安定
に耐炎化することが困難で、かつ得られる炭素繊維束の
機械強度が十分でないため、成型時に毛羽立ちが起きや
すく、更に炭素繊維束の特性が得られるＦＷ成型品の特
性に反映されにくい問題がある。

【０００５】上記問題を解決することを目的として、特
許第３０４７７３１号には、炭素繊維束の引張強度が４
００ｋｇｆ／ｍｍ²、糸切れ限界張力が０．２ｇ／Ｄ以
上であり、引掛強度が１００ｋｇｆ／ｍｍ²であるＦＷ
成型用炭素繊維が記載されている。この炭素繊維はＦＷ
成型に際し、毛羽立ち、糸切れが少なく、炭素繊維の性
能をＦＷ成型品の特性に反映できると記載されている。

【０００６】また、特開平８−１５８１６３号公報に
は、合糸されてなり、かつ糸割れ率が４０％以下である
実質的に無撚の炭素繊維束が開示されている。同公報に
よれば、この炭素繊維束はＦＷ成型において、成型コス
トを低減でき、ハンドリング性、樹脂含浸性等の加工性
に優れたものであると、記載されている。

【０００７】しかしながら、上記炭素繊維束にも一長一
短があり、総合的観点からＦＷ成型に適した炭素繊維束
を製造するための検討は十分になされていないのが現状
である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、高性能
なＦＷ成型品を製造する目的で、その原料である幅広の
炭素繊維束を種々検討した結果、高性能なＦＷ成型品を
得るためにはその原料である炭素繊維束の扁平率、サイ
ズ剤の粘度及びサイズ剤として用いるエポキシ樹脂に対
する炭素繊維束の濡れ性が重要な要素であることを知得
した。本発明は、上記発見に基づき完成するに至ったも
のである。従って、本発明の目的とするところは、炭素
繊維性能をＦＷ成型品の特性に反映でき、作業操作性が
良く、高強度且つ安価なＦＷ成型用炭素繊維束を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、以下に記載するものである。

【００１０】〔１〕サイズ剤を含有するフィラメント
ワインディング成型用炭素繊維束であって、扁平率が３
０〜１００、２５℃における樹脂粘度が９０〜１５０ポ
イズであるビスフェノールＡ系エポキシ樹脂に対する接
触角が５５°以下であり、前記炭素繊維束から抽出した
抽出物の５０℃における粘度が１００〜１０００ポイズ
であることを特徴とするフィラメントワインディング成
型用炭素繊維束。

【００１１】〔２〕抽出物が固形エポキシ樹脂を５０
〜８５質量％含有する〔１〕に記載のフィラメントワイ
ンディング成型用炭素繊維束。

【００１２】〔３〕抽出物が高級脂肪酸エステルを３
〜１５質量％含有する〔１〕又は〔２〕に記載のフィラ
メントワインディング成型用炭素繊維束。

【００１３】以下、本発明を詳細に説明する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明ＦＷ成型用炭素繊維束を構
成する炭素繊維は、特に制限が無く、ピッチ系、液晶
系、レーヨン系、アクリロニトリル系等の何れの炭素繊
維も使用できるが、アクリロニトリル系炭素繊維が操作
性、工程通過性、更にはＦＷ成型法により製造される成
型品の性能の高い点で好ましい。

【００１５】炭素繊維の繊度、強度等の特性も特に制限
が無く、従来のものが何れも使用できる。

【００１６】本発明ＦＷ成型用炭素繊維束は、サイズ剤
を用いて上記炭素繊維を所定の扁平率の形状に束ねたも
のである。この炭素繊維束を構成する炭素繊維の数は１
０００（１ｋ）〜５００００（５０ｋ）本が好ましく、
１２０００（１２ｋ）〜４８０００（４８ｋ）本が更に
好ましい。

【００１７】本発明ＦＷ成型用炭素繊維束の扁平率は３
０〜１００で、４０〜７０が好ましい。炭素繊維束の扁
平率が３０未満の場合は、これを用いて製造したＦＷ成
型品厚さ方向における炭素繊維束間の段差が大きくな
り、ＦＷ成型品の引張り強度が低下するので好ましくな
い。また、扁平率が１００を超える場合は、炭素繊維束
の厚さが薄いため均一にワインディングすることが困難
になり、得られるＦＷ成型品の物性のばらつきが大きく
なる。

【００１８】ここで、扁平率は下記式（１）で定義され
る。

【００１９】

【数１】扁平率＝Ｌ／Ｄ（１）（Ｌ：繊維束の幅、Ｄ：繊維束の厚み）本発明ＦＷ成型用炭素繊維束は、２５℃における粘度が
９０〜１５０ポイズのビスフェノールＡ系エポキシ樹脂
に対する接触角が５５°以下、好ましくは３０〜５０°
である。接触角が５５°を超える場合は、炭素繊維束と
ビスフェノールＡ系エポキシ樹脂間の接着不良により得
られるＦＷ成型品の物性が低下するので好ましくない。

【００２０】２５℃における粘度が９０〜１５０ポイズ
のビスフェノールＡ系エポキシ樹脂としては、油化シェ
ルエポキシ社製エピコート８２７、８２８、チバ社製ア
ダルライトＧＹ２５０、ＧＹ２６０、ダウケミカルイン
ターナショナル社製Ｄ．Ｅ．Ｒ．３３０、Ｄ．Ｅ．Ｒ．
３３１等が例示される。

【００２１】接触角の測定は、水平に敷き並べたサイズ
処理済炭素繊維束の表面に上記エポキシ樹脂を一滴
（０．２〜１．０ｇ）滴下し、３０秒間経過後の炭素繊
維束と樹脂との接触角を接触角計で測定することにより
求められる。接触角計としては、協和界面科学（株）社
製接触角計が例示される。

【００２２】本発明ＦＷ成型用炭素繊維束に付着してい
るサイズ剤等であって、ソックスレー抽出したサイズ剤
を主成分とする抽出物の粘度は、５０℃において１００
〜１０００ポイズであり、好ましくは４００〜８００ポ
イズである。ソックスレー抽出した抽出物の粘度が１０
００ポイズを超える場合は、ＦＷ成型品製造の際にＦＷ
成型工程における毛羽量が増大する。また、ソックスレ
ー抽出した抽出物の粘度が１００ポイズ未満の場合は、
繊維束中の繊維の収束性が悪い。このため、この炭素繊
維束を用いてＦＷ成型品を製造する際の作業性が悪くな
る。

【００２３】炭素繊維束からサイズ剤等をソックスレー
抽出する方法としては特に制限が無く、通常の操作条件
に従って行えばよい。具体的には、抽出用剤としてアセ
トン等の極性溶媒を用いて６０〜２４０分間抽出する方
法が例示できる。抽出溶媒量等は、使用するソックスレ
ー抽出器の容量により適宜決定される。

【００２４】本発明ＦＷ成型用炭素繊維束に用いるサイ
ズ剤は、上述のように、ソックスレー抽出した抽出物の
粘度が上記範囲内になるものである。抽出物中エポキシ
樹脂成分としては固形エポキシ樹脂成分が５０〜８５質
量％含有されたエマルジョンタイプのものが好ましい。
エポキシ樹脂成分としては、液状及び固形状の、ビスフ
ェノールＡ型エポキシ樹脂がある。

【００２５】固形エポキシ樹脂成分比が５０質量％未満
の場合、炭素繊維束の収束性が悪くなり、ＦＷ成形工程
における毛羽量が増大する。また、８５質量％を超える
場合は、炭素繊維束の収束性が高くなりすぎるため、マ
トリックス樹脂との濡れが悪くなり、ＦＷ成型品のコン
ポジット物性が低下する。

【００２６】液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂に
は、分子量３００〜５００のビスフェノールＡ型エポキ
シ樹脂が挙げられ、具体的にはエピコート８１５、エピ
コート８２８、エピコート８３４（商品名油化シェル
エポキシ社製）、アラルダイト２５０、アラルダイトＧ
Ｙ２６０、アラルダイトＧＹ２８０（商品名チバガイ
ギー社製）等が例示できる。

【００２７】固形状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂
には、分子量７００〜４０００以上のビスフェノールＡ
型エポキシ樹脂が挙げられ、具体的にはエピコート１０
０１、エピコート１００２、エピコート１００４、エピ
コート１００７（商品名油化シェルエポキシ社製）、
アラルダイト６０７１、アラルダイト６０８４、アラル
ダイト６０９７（商品名チバガイギー社製）等が例示
できる。

【００２８】固形エポキシ樹脂成分以外の成分として
は、高級脂肪酸エステルを３〜１５質量％含有すること
が好ましい。高級脂肪酸エステル含有率が３質量％未満
の場合、十分な摩擦低減効果が得られない。１５質量％
を超える場合、集束性が悪くなり、ＦＷ成形工程におけ
る毛羽量が増大する。

【００２９】高級脂肪酸エステルの具体例としては、メ
チルステアレート、エチルステアレート、プロピルステ
アレート、ブチルステアレート、オクチルステアレー
ト、ステアリルステアレート等のステアリン酸エステ
ル、イソプロピルパルミテート等のオレイン酸エステル
等が挙げられる。

【００３０】本発明織物用炭素繊維束に用いるサイズ剤
を炭素繊維束に付与するに際して、前記樹脂組成物の水
エマルジョン、アセトン等の有機溶剤溶液にて付与し、
次いで乾燥することによってサイズ剤を付与することが
できる。安全性を考慮すると水エマルジョンを使用する
ことが好ましい。

【００３１】前記樹脂組成物を水エマルジョンにするに
は、界面活性剤を使用することができる。このような界
面活性剤としては、ノニオン系、カチオン系、アニオン
系界面活性剤が挙げられるが、水エマルジョン溶液とし
た際の溶液安定性の面から、ノニオン系界面活性剤を使
用することが好ましい。この界面活性剤の配合比は、質
量比で樹脂組成物／界面活性剤＝９０／１０〜７０／３
０が好ましい。

【００３２】この界面活性剤の配合比がこの量比未満の
場合は、樹脂組成物の乳化が難しくなる。この界面活性
剤の配合比がこの量比を超える場合は、成型物とした際
のコンポジット物性が低下する。

【００３３】以下、実施例により本発明を更に具体的に
説明する。

【００３４】

【実施例】実施例１〜５、比較例１〜３（ＦＷ成型用炭素繊維束の製造）未サイジングの炭素繊
維束（東邦レーヨン製ベスファイト（登録商標）、２４
０００フィラメント、引張強度４８００ＭＰａ、引張弾
性率２４５ＧＰａ）を連続的に、サイジング浴（４質量
％水エマルジョン）に浸漬した後、ローラーで余分の水
分を除去し、表面温度１３０℃のヒートローラー（直径
３００ｍｍ、梨地仕上げ）に２０秒間接触乾燥させ、サ
イズ処理したＦＷ成型用炭素繊維束を製造した。

【００３５】用いたサイズ剤は油化シェルエポキシ
（株）社製ビスフェノールＡ系エポキシ樹脂（エピコー
トＥＰ８２８、ＥＰ１００１、ＥＰ１００２）、旭電化
社製ウレタン変性エポキシＥＰＵ６、及びＤＩＣ社製ウ
レタン変性エポキシＮ３２０であった。

【００３６】サイズ剤と併用した乳化剤はＰＯＥひまし
油エーテル（松本油脂製薬社製）、ＰＯ／ＰＥポリエー
テル（松本油脂製薬社製数平均分子量Ｍｗ＝１６００
０）、ポリオキシエチレンジスチリルフェニルエーテル
（商品名サミット７２３）であった。更に平滑剤とし
てオクチルステアレート（新日本理化社製エヌジュル
ブＯＳ（商品名））、ステアリルステアレート（新日
本理化社製エヌジュルブＳＳ（商品名））を用い
た。

【００３７】得られたＦＷ成型用炭素繊維束を用いて以
下の各評価試験を行った。その結果を表１にまとめて示
した。

【００３８】（１）抽出物の粘度サイズ処理された炭素繊維束約一回５ｇを繰返して合計
２００ｇをソックスレー抽出器を用いてアセトン２５０
ｍｌで抽出した。アセトンを留去して得られた残渣（サ
イズ剤を主成分とする抽出物）の粘度を（株）レオロジ
製、粘度計ＭＲ−５００を用いて測定した。

【００３９】（２）扁平率炭素繊維束の幅（Ｌ）、厚み（Ｄ）を以下の方法で５回
測定し（Ｎ＝５）、その平均値を求めた。幅：株式会社キーエンス製イメージセンサー（センサー
ヘッドＶＧ−０３５、コントローラーＶＧ−３００）を
用いて測定した。厚み：厚みゲージ（株式会社ミツトヨ製厚みゲージＮ
ｏ．２０５０Ｆ）を用いて測定した。

【００４０】（３）擦過毛羽量図１に示すように、サイズ処理された炭素繊維束２がス
テンレス棒４表面と１２０°の接触角で接触しながら通
過するように、５本の直径２ｍｍのクロムメッキしたス
テンレス棒を１５ｍｍ間隔でジグザグに配置した。この
５本のステンレス棒間にサイズ処理された炭素繊維束を
ジグザグに掛け、ボビンからの炭素繊維束解舒テンショ
ンを２００ｇ／繊維束に設定して、炭素繊維束を擦過さ
せた。擦過後の炭素繊維束をウレタンスポンジ（寸法３
２ｍｍｘ６４ｍｍｘ１０ｍｍ、質量０．２５ｇ）２枚の
間に挟み込み、１２５ｇの錘をウレタンスポンジ全面に
均等にかけた。炭素繊維束を１５ｍ／分の速度で２分間
通過させてスポンジに付着した毛羽の質量を擦過毛羽量
とした。

【００４１】（４）リング引張試験、ボイド観察油化シェルエポキシ社製ビスフェノールＡ型エポキシ樹
脂エピコート８２７（商品名）１００質量部、硬化剤と
して日立化成（株）社製カヤハードＭＣＤを９０質量
部、硬化剤として四国化成工業（株）製イミダゾールを
１質量部を混合し、ＦＷ製造用樹脂組成物を得た。

【００４２】ＦＷ装置を用いて、サイズ処理された炭素
繊維束にキスタッチ方式で上記樹脂組成物を含浸させ
た。樹脂組成物を含浸させた炭素繊維束を直径３５０ｍ
ｍのマンドレルに１０回巻取り、幅１８．５ｍｍ、厚さ
１．２ｍｍのリングを作製した。これを１２０℃で、２
時間加熱硬化させてリング試験片を得た。その後、ＡＳ
ＴＭ−Ｄ−２２９０−９２に準拠して、作製したリング
試験片の引張試験を室温で行った。

【００４３】また、試験片の断面を光学顕微鏡で観察
し、ボイドの状態を調べた。これらの結果を表１に示し
た。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【発明の効果】本発明のＦＷ成型用炭素繊維束は、その
抽出物の５０℃における粘度が１００〜１０００ポイ
ズ、扁平率が３０〜１００、エポキシ樹脂に対する接触
角が５５°以下であるので、これを用いて高性能なＦＷ
成型品を製造できる。このＦＷ成型用炭素繊維束はＦＷ
装置を用いてＦＷ成型品を製造する場合、毛羽量、糸切
れ等が少ないので、取扱いやすく、加工性に富むもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】擦過毛羽量測定用装置の構成を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

２炭素繊維束４ステンレス棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂元肇静岡県駿東郡長泉町上土狩234 東邦レーヨン株式会社内 (72)発明者梅元禎孝静岡県駿東郡長泉町上土狩234 東邦レーヨン株式会社内Ｆターム(参考） 4F072 AA04 AA07 AB10 AB22 AC05 AD23 AD28 AG02 4L033 AA09 AB01 AC12 AC15 BA14 BA21 CA49

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】サイズ剤を含有するフィラメントワイン
ディング成型用炭素繊維束であって、扁平率が３０〜１
００、２５℃における樹脂粘度が９０〜１５０ポイズで
あるビスフェノールＡ系エポキシ樹脂に対する接触角が
５５°以下であり、前記炭素繊維束から抽出した抽出物
の５０℃における粘度が１００〜１０００ポイズである
ことを特徴とするフィラメントワインディング成型用炭
素繊維束。
【請求項２】抽出物が固形エポキシ樹脂を５０〜８５
質量％含有する請求項１に記載のフィラメントワインデ
ィング成型用炭素繊維束。
【請求項３】抽出物が高級脂肪酸エステルを３〜１５
質量％含有する請求項１又は２に記載のフィラメントワ
インディング成型用炭素繊維束。