JP2005344254A - Carbon fiber and method for producing the same - Google Patents

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Takahiro Ito
隆弘 伊藤
Takamitsu Hirose
孝光 廣瀬
Yasutaka Ota
安孝 大田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substantially non-twisted carbon fiber which has both an improved tensile elastic modulus and an improved compression strength, highly harmonized physical values, and simultaneously an excellent fuzz grade, and to provide a method for producing the same. <P>SOLUTION: This substantially non-twisted carbon fiber is characterized by satisfying an expression (1): 230×10<SP>3</SP>≤E×C÷Lc≤400×10<SP>3</SP>[E(GPa) is a tensile elastic modulus; Lc is a crystal size; and C (MPa) is a compression strength of one direction composite made from the carbon fiber in the direction of 0°] or an expression (2): 1,150×10<SP>3</SP>≤E×F÷Lc≤1,800×10<SP>3</SP>[E(GPa) is a tensile elastic modulus; Lc (nm) is a crystal size; F(MPa) is a single fiber compression strength], and having an abraded fuzz rate of ≤10 fuzzes/m. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、コンポジットの引張弾性率や圧縮強度に優れ、かつ品位にも優れた炭素繊維およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a carbon fiber excellent in tensile modulus and compressive strength of a composite and excellent in quality and a method for producing the same.

炭素繊維は、他の補強用繊維に比べて高い比強度および比弾性率をもつことから、航空宇宙、スポーツおよび一般産業用途において、複合材料の補強繊維として工業的に幅広く利用されている。近年、ますます炭素繊維強化複合材料(以下、コンポジットと称する)に対する高性能化要求が高まっている。一般に、コンポジットのもつ特性は炭素繊維そのものの性能に起因するところが大きく、コンポジットの高性能化要求は炭素繊維自体そのものの高性能化を意味する。コンポジットに要求される特性としては、引張強度のような引張特性や、圧縮強度をはじめとする圧縮特性が挙げられる。使用用途によって要求特性は異なるが、中でも、航空機の一次構造材やゴルフクラブのシャフトなど複雑な応力下で使用する用途では、コンポジット片面には圧縮力が、もう一方の面には引張力が作用するために、引張特性や圧縮特性が高いレベルでバランス良く備わっていなければならない。また、軽量化の観点からは、炭素繊維そのものの弾性率を上げてコンポジットの剛性を向上させることに対しても要求がある。   Since carbon fibers have a higher specific strength and specific modulus than other reinforcing fibers, they are widely used industrially as reinforcing fibers for composite materials in aerospace, sports and general industrial applications. In recent years, there has been an increasing demand for higher performance of carbon fiber reinforced composite materials (hereinafter referred to as composites). In general, the characteristics of composites largely depend on the performance of the carbon fiber itself, and the demand for higher performance of the composite means higher performance of the carbon fiber itself. Properties required for the composite include tensile properties such as tensile strength and compressive properties including compressive strength. The required properties differ depending on the application, but in particular, in applications that are used under complex stresses such as aircraft primary structural materials and golf club shafts, compressive force acts on one side of the composite and tensile force acts on the other side. In order to do so, the tensile and compression properties must be well balanced at a high level. Further, from the viewpoint of weight reduction, there is a demand for improving the rigidity of the composite by increasing the elastic modulus of the carbon fiber itself.

炭素繊維においては、一般に、炭素繊維の焼成温度を高くすると、弾性率は上昇するが、反面、引張強度や圧縮強度が低下するというトレードオフの関係にあることが知られている。かかるトレードオフの関係に対して、コンポジットの圧縮強度を向上させる、または炭素繊維の弾性率を向上させるという2点に対して、いくつかの提案がある。   In general, carbon fibers are known to have a trade-off relationship in that, when the firing temperature of carbon fibers is increased, the elastic modulus increases, but on the other hand, tensile strength and compressive strength are reduced. With respect to such a trade-off relationship, there are several proposals for two points of improving the compressive strength of the composite or improving the elastic modulus of the carbon fiber.

例えば、炭素繊維の弾性率と結晶サイズの関係およびミクロボイド径を特定することで、圧縮強度を向上させる技術が提案されている(特許文献1参照)。しかしながら、この技術では、圧縮強度の向上は認められているものの、その絶対値は高々1350MPa程度で高いレベルにはなく、また結晶サイズも3nmを超えるいわゆる黒鉛化糸に関するものであり、高い剛性による軽量化には効果が期待できるが、その高い結晶性により十分な圧縮強度が得られない。   For example, a technique for improving the compressive strength by specifying the relationship between the elastic modulus of carbon fiber and the crystal size and the microvoid diameter has been proposed (see Patent Document 1). However, in this technique, although an improvement in compressive strength is recognized, the absolute value is about 1350 MPa at the highest level, and it is not related to a so-called graphitized yarn having a crystal size exceeding 3 nm. Although an effect can be expected for weight reduction, sufficient compressive strength cannot be obtained due to its high crystallinity.

また別に、炭素繊維の結晶性を低下させることにより、圧縮強度を向上させることが知られている。従来、結晶性を低下させる手段として、炭素繊維の表面にイオンを注入し炭素繊維表層部の結晶性を下げて、単繊維の圧縮強度を向上させる技術が公開されている(特許文献2および特許文献3参照)。この技術は、炭化糸および黒鉛化糸を問わずに適用でき、単繊維の圧縮強度向上効果は認められるが、これらの文献では、コンポジット特性への効果については言及されておらず、効果が不明である。さらに、この技術では、イオン注入には特別な設備が必要で大量生産には不適であり、工業的に、炭素繊維を安価に量産するには極めて困難である。   Separately, it is known to improve the compressive strength by reducing the crystallinity of the carbon fiber. Conventionally, as means for reducing crystallinity, a technique for improving the compressive strength of a single fiber by injecting ions into the surface of the carbon fiber to lower the crystallinity of the carbon fiber surface layer is disclosed (Patent Document 2 and Patent). Reference 3). This technology can be applied to both carbonized yarn and graphitized yarn, and the effect of improving the compressive strength of single fibers is recognized. However, these documents do not mention the effect on composite properties, and the effect is unknown. It is. Furthermore, this technique requires special equipment for ion implantation and is unsuitable for mass production, and it is extremely difficult to industrially produce carbon fiber at low cost.

さらに、炭素繊維の結晶サイズ微細化の方法として、低温炭化が知られている。これは、炭化最高温度を低下させることにより結晶サイズを小さくして、高い圧縮強度を得る方法である(特許文献4参照)。この技術を用いることにより、上記のイオン注入法のような特別な設備も不要であり、量産性にも優れている利点があると同時に、コンポジットの圧縮特性の向上も期待できる。しかしながら、この方法では、炭化温度を低下させるために、炭素繊維の弾性率も250GPaと、いわゆる普通弾性率レベルまで下がり、十分な剛性が得られず、コンポジット製品の軽量化が制限されるという問題がある。   Furthermore, low temperature carbonization is known as a method for refining the crystal size of carbon fibers. This is a method of reducing the crystal size by lowering the maximum carbonization temperature and obtaining high compressive strength (see Patent Document 4). By using this technique, special equipment such as the above-described ion implantation method is unnecessary, and there is an advantage that it is excellent in mass productivity, and at the same time, an improvement in compression characteristics of the composite can be expected. However, in this method, in order to lower the carbonization temperature, the elastic modulus of the carbon fiber is also reduced to a so-called ordinary elastic modulus level of 250 GPa, and sufficient rigidity cannot be obtained, so that the weight reduction of the composite product is limited. There is.

一方、炭素繊維の弾性率を向上させるために、耐炎化工程および炭化工程の延伸率を高くする高延伸焼成技術が知られている。例えば、炭素繊維の前駆体であるプリカーサーにエアー処理による開繊や加撚を施し、焼成工程の延伸比を上げることによって弾性率を向上させる方法が提案されている(特許文献5参照)。しかしながら、本発明者らが検討したところ、かかる方法では、炭素繊維の毛羽が大量に発生し、走行糸の毛羽品位が低下し、焼成工程での製品収率が低下したり、コンポジット成型時の品位悪化トラブルの原因となるなどの問題があることが分かった。   On the other hand, in order to improve the elastic modulus of carbon fiber, a high-stretch firing technique that increases the stretch ratio in the flameproofing process and the carbonization process is known. For example, a method has been proposed in which the precursor, which is a precursor of carbon fiber, is subjected to fiber opening and twisting by air treatment, and the elastic modulus is improved by increasing the stretch ratio in the firing step (see Patent Document 5). However, as a result of investigations by the present inventors, in such a method, a large amount of fluff of carbon fibers is generated, the fluff quality of the running yarn is lowered, the product yield in the firing process is lowered, or the composite molding is performed. It turned out that there were problems such as causing problems of deteriorating quality.

このように、炭素繊維の引張弾性率とコンポッジットの圧縮強度が高いレベルにあり、かつ、炭素繊維の毛羽品位が優れた炭素繊維は、工業的規模では得られていないのが実状である。
特開昭63−211326号公報 特開平3−180514号公報 特開平9−170170号公報 特開2002−339170号公報 特開昭58−214534号公報
Thus, the actual condition is that carbon fibers having high tensile elasticity modulus of carbon fibers and compressive strength of the composite and excellent carbon fiber fluff quality have not been obtained on an industrial scale.
JP 63-2111326 A Japanese Patent Laid-Open No. 3-180514 JP-A-9-170170 JP 2002-339170 A JP 58-214534 A

本発明の目的は、従来の炭素繊維の製造方法では同時に改良することが困難とされてきた、引っ張り弾性率と圧縮強度の双方を向上、改良し、高度の調和の取れた物性値を有しており、しかも同時に毛羽品位にも優れた実質的に無撚りの炭素繊維およびその製造方法を提供することにある。   The object of the present invention is to improve and improve both the tensile modulus and compressive strength, which have been difficult to improve at the same time by the conventional carbon fiber production method, and have highly harmonized physical property values. In addition, an object is to provide a substantially untwisted carbon fiber excellent in fluff quality and a method for producing the same.

本発明は上記目的を達成せんとするものであり、本発明の炭素繊維は、引張弾性率E(GPa)、結晶サイズLc(nm)および炭素繊維から作製した一方向コンポジットの0°方向の圧縮強度C(MPa)の間に下記の式(1)が成り立ち、かつ、擦過毛羽評価方法で測定される擦過毛羽数が1m当たり10個以下であることを特徴とする実質的に無撚りの炭素繊維である。   The present invention is intended to achieve the above object, and the carbon fiber of the present invention has a tensile elastic modulus E (GPa), crystal size Lc (nm), and compression of a unidirectional composite made from carbon fiber in the 0 ° direction. The following formula (1) is established between the strengths C (MPa), and the number of fuzzed fluffs measured by the fuzzing fluff evaluation method is 10 or less per 1 m. Fiber.

230×10≦E×C÷Lc≦400×10 (1)
また、本発明の炭素繊維は、引張弾性率E(GPa)、結晶サイズLc(nm)および単繊維圧縮強度F(MPa)の間に下記の式(2)が成り立ち、かつ、擦過毛羽評価方法で測定される擦過毛羽数が1m当たり10個以下であることを特徴とする実質的に無撚りの炭素繊維である。
230 × 10 3 ≦ E × C ÷ Lc ≦ 400 × 10 3 (1)
Further, the carbon fiber of the present invention has the following formula (2) among the tensile elastic modulus E (GPa), the crystal size Lc (nm), and the single fiber compressive strength F (MPa), and the fuzzing fluff evaluation method It is a substantially untwisted carbon fiber characterized in that the number of rubbing fluffs measured in (1) is 10 or less per 1 m.

1150×10≦E×F÷Lc≦1800×10 (2)
本発明の上記炭素繊維においては、次の好ましい態様を有している。
(a) 前記の引張弾性E(GPa)が255〜345GPaの範囲内にあり、かつ、単繊維数が少なくとも1,000本であること。
(b) 前記の結晶サイズLc(nm)が1.0〜2.5の範囲内にあること。
(c) 前記の炭素繊維から作製した一方向コンポジットの0°圧縮強度C(MPa)が1500〜1800の範囲にあること。
(d) 前記の炭素繊維の単繊維圧縮強度F(MPa)が6500〜9000の範囲にあること。
(e) 前記の炭素繊維重量に対するサイジング剤の付着量が0.1〜1.0重量%以下の範囲内にあること。
(f) 前記の炭素繊維の単繊維径R(μm)が4≦R≦7の範囲内にあること。
1150 × 10 3 ≦ E × F ÷ Lc ≦ 1800 × 10 3 (2)
The carbon fiber of the present invention has the following preferred embodiments.
(a) The tensile elasticity E (GPa) is in the range of 255 to 345 GPa, and the number of single fibers is at least 1,000.
(b) The crystal size Lc (nm) is in the range of 1.0 to 2.5.
(c) 0 degree compressive strength C (MPa) of the unidirectional composite produced from the said carbon fiber exists in the range of 1500-1800.
(d) The single fiber compressive strength F (MPa) of the carbon fiber is in the range of 6500 to 9000.
(e) The amount of the sizing agent attached to the carbon fiber weight is in the range of 0.1 to 1.0% by weight or less.
(f) The single fiber diameter R (μm) of the carbon fiber is in the range of 4 ≦ R ≦ 7.

また、本発明の炭素繊維の製造方法は、炭素繊維を炭化するための炭化工程を、不活性雰囲気中にて1000〜1500℃の範囲の温度で、且つ、走行糸の張力を4.5gf/tex以上の高張力で行うことを特徴とする炭素繊維の製造方法である。   In the carbon fiber production method of the present invention, the carbonization step for carbonizing the carbon fiber is performed at a temperature in the range of 1000 to 1500 ° C. in an inert atmosphere, and the tension of the running yarn is 4.5 gf / It is a carbon fiber manufacturing method characterized by being performed at a high tension of tex or higher.

本発明の上記炭素繊維の製造方法においては、炭素繊維の炭化工程を経て電解酸化表面処理工程に入るまでの間に、走行糸に1kg当たり0.5〜250リットルの水を付与すること、および、電解酸化表面処理工程の直前に設置した予備含浸槽で走行糸に電解液を含浸することが、好ましい態様として含まれている。   In the carbon fiber production method of the present invention, 0.5 to 250 liters of water per kg is applied to the running yarn before the carbon fiber carbonization step and the electrolytic oxidation surface treatment step. In a preferred embodiment, the traveling yarn is impregnated with the electrolytic solution in a pre-impregnation tank installed immediately before the electrolytic oxidation surface treatment step.

本発明によれば、引張弾性率と圧縮強度の双方に優れ、同時に毛羽品位にも優れた実質的に無撚りの炭素繊維を得ることができるため、本発明の炭素繊維を使用することにより、剛性および圧縮強度に優れたコンポジットを効率良く成型することができるとともに品位に優れた炭素繊維およびプリプレグを供することが可能になる。   According to the present invention, it is possible to obtain a substantially untwisted carbon fiber excellent in both tensile modulus and compressive strength and at the same time excellent in fluff quality, so by using the carbon fiber of the present invention, A composite excellent in rigidity and compressive strength can be efficiently molded, and carbon fibers and prepregs excellent in quality can be provided.

本発明になる炭素繊維は、引張弾性率E(GPa)、結晶サイズLc(nm)および炭素繊維から作製した一方向コンポジットの0°方向の圧縮強度C(GPa)の間に下記の式(1)が成り立つ、または、引張弾性率E(GPa)、結晶サイズLc(nm)および単繊維圧縮強度F(MPa)の間に下記の式(2)が成り立ち、かつ、擦過毛羽数が1m当たり10個以下であることを特徴とする実質的に無撚の炭素繊維である。   The carbon fiber according to the present invention has the following formula (1) between the tensile elastic modulus E (GPa), the crystal size Lc (nm), and the compressive strength C (GPa) in the 0 ° direction of the unidirectional composite produced from the carbon fiber. ) Or the following formula (2) holds between the tensile modulus E (GPa), the crystal size Lc (nm), and the single fiber compressive strength F (MPa), and the number of fuzzing fuzzes is 10 per m. It is a substantially untwisted carbon fiber characterized in that the number of carbon fibers is not more than one.

230×10≦E×C÷Lc≦400×10 (1)
1150×10≦E×F÷Lc≦1800×10 (2)
ここで上記の引張弾性率E(GPa)は、次のようにして求めることができる。すなわち、炭素繊維に、100重量部の3,4エポキシシクロヘキシルメチル−(3,4−エポキシ)シクロヘキシルカルボキシレートと、3重量部の三フッ化ホウ素モノエチルアミンと、4重量部のアセトンとの混合樹脂を含浸し、130℃の温度で35分間加熱して混合樹脂を硬化させた後、引張試験機を用い、JIS R 7601(1986)に規定される方法に準拠して引張試験を行う。このとき、試料長は200mmとし、引張速度は60mm/分とする。そして、引張弾性率は、引っ張り伸度が0.45〜0.85%の範囲の荷重変化の傾きから算出する。
230 × 10 3 ≦ E × C ÷ Lc ≦ 400 × 10 3 (1)
1150 × 10 3 ≦ E × F ÷ Lc ≦ 1800 × 10 3 (2)
Here, the tensile elastic modulus E (GPa) can be obtained as follows. That is, a mixed resin of carbon fiber with 100 parts by weight of 3,4 epoxycyclohexylmethyl- (3,4-epoxy) cyclohexylcarboxylate, 3 parts by weight of boron trifluoride monoethylamine, and 4 parts by weight of acetone. After the mixed resin is cured by heating at a temperature of 130 ° C. for 35 minutes, a tensile test is performed using a tensile tester in accordance with the method defined in JIS R 7601 (1986). At this time, the sample length is 200 mm, and the tensile speed is 60 mm / min. And a tensile elasticity modulus is computed from the inclination of the load change in the range whose tensile elongation is 0.45-0.85%.

また、結晶サイズLc(nm)は、広角X線回折法によって求めることができる。すなわち、炭素繊維を長さ4cmに切り出し、それを金型とコロジオンのアルコール溶液とを用いて角柱形に固め、試料とする。X線源としてはCuKα(Niフィルタ)を用い、出力は40kV、20mAとする。そして、透過法により得られた面指数(002)のピークの半値幅から、シェルラー(Scherrer)の式、すなわち、Lc(hkl)=K・λ/β0・cosθを用いて、結晶サイズを算出する。ここで、Lc(hkl)は(hkl)面に垂直な方向の結晶の平均サイズであり、Kは1.0、λはX線の波長であり、βは(β −β 1/2であり、θはブラッグ角であり、βは見かけの半値幅(測定値)であり、そしてβは1.05×10−2radである。 Further, the crystal size Lc (nm) can be obtained by a wide angle X-ray diffraction method. That is, a carbon fiber is cut into a length of 4 cm, and is solidified into a prismatic shape using a mold and an alcohol solution of collodion to obtain a sample. CuKα (Ni filter) is used as the X-ray source, and the output is 40 kV and 20 mA. Then, from the half width of the peak of the plane index (002) obtained by the transmission method, the crystal size is calculated using the Scherrer equation, that is, Lc (hkl) = K · λ / β 0 · cos θ B calculate. Here, Lc (hkl) is the average size of crystals in the direction perpendicular to the (hkl) plane, K is 1.0, λ is the wavelength of X-rays, and β 0 is (β E 21 2 ) 1/2 , θ B is the Bragg angle, β E is the apparent half width (measured value), and β 1 is 1.05 × 10 −2 rad.

さらに、一方向コンポジットの0°方向の圧縮強度C(GPa)は、次のようにして求めることができる。すなわち、まず、炭素繊維の目付が125g/mで、含有率が76重量%の一方向性プリプレグを作製する。樹脂としては、100重量部の3,4エポキシシクロヘキシルメチル−(3,4−エポキシ)シクロヘキシルカルボキシレートと、3重量部の三フッ化ホウ素モノエチルアミンと、4重量部のアセトンとの混合樹脂を用いる。次に、この一方向性プリプレグを、炭素繊維の方向を合わせて、厚みが1mm程度になるように積層し、オートクレーブ中にて温度135℃、圧力290MPaで2時間加熱、加圧して樹脂を硬化させ、炭素繊維強化樹脂複合材料(以下、CFRPと抄する)作製する。このCFRPについて、JIS K 7076(1991)に規定される方法に準拠して、0°方向の圧縮強度を測定する。このとき、CFRPの厚み、炭素繊維の目付、炭素繊維の密度、および方向性プリプレグの積層枚数から炭素繊維の体積含有率(Vf)を算出し、上記で得られた0°方向の圧縮強度を、炭素繊維の体積含有率が60%のときの値に換算する。 Further, the compressive strength C (GPa) in the 0 ° direction of the unidirectional composite can be obtained as follows. That is, first, a unidirectional prepreg having a basis weight of carbon fiber of 125 g / m 2 and a content of 76% by weight is manufactured. As the resin, a mixed resin of 100 parts by weight of 3,4 epoxycyclohexylmethyl- (3,4-epoxy) cyclohexylcarboxylate, 3 parts by weight of boron trifluoride monoethylamine, and 4 parts by weight of acetone is used. . Next, this unidirectional prepreg is laminated so that the thickness of the carbon fiber is aligned, and the thickness is about 1 mm, and the resin is cured by heating and pressurizing in an autoclave at a temperature of 135 ° C. and a pressure of 290 MPa for 2 hours. Carbon fiber reinforced resin composite material (hereinafter referred to as CFRP). For this CFRP, the compressive strength in the 0 ° direction is measured in accordance with the method defined in JIS K 7076 (1991). At this time, the volume content (Vf) of carbon fiber is calculated from the thickness of CFRP, the weight of carbon fiber, the density of carbon fiber, and the number of laminated directional prepregs, and the compression strength in the 0 ° direction obtained above is calculated. , Converted to a value when the volume content of carbon fiber is 60%.

また本発明において、炭素繊維の毛羽品位を表す擦過毛羽数は、以下の擦過毛羽評価方法で求めることができる。すなわち、評価サンプルである炭素繊維ボビンを、温度23±5℃、相対湿度60±20%に管理された温調室に30分以上放置する。次に、上記温度と湿度条件が設定されている温調室内にある擦過毛羽装置を用いて、図1に示した糸道図に従い、炭素繊維を、パウダークラッチを内蔵したクリール1に仕掛けて、糸道を作製する。まず、擦過毛羽を発生させるために、直径10mmの固定した表面が鏡面加工された擦過ピン2の4個に炭素繊維をかけて、毛羽カウンター3を通過させる。毛羽カウンターは、ランプ光から走行糸に照射し、その照射光をレンズで集光せしめた状態で、フォトトランジスタで毛羽数を検出するものである。検出精度としては、糸長2mm以上で、かつ炭素繊維の単繊維径が3ミクロン以上の毛羽を検出することができる。走行時のスリップが発生しないように駆動ローラー4に炭素繊維を5回以上巻いて、ワインダー5に巻き付ける。糸速を3m/分に設定して、図1に示したローラー6を介した糸道で炭素繊維の走行を開始する。糸道が安定したことを確認し、毛羽カウント機器3から駆動ローラー4の間で測定した走行時の炭素繊維の張力が6gf/texになるように、パウダークラッチで初期張力を調整する。その後、毛羽カウンターを作動させて、走行状態での擦過毛羽の評価を、サンプル毎に1分間測定を3回繰り返す。それぞれ1分間でカウントされた擦過毛羽数をX1、X2、X3として、下式から擦過毛羽数X[個/m]を算出する。
X=(X1+X2+X3)/9
また、単繊維圧縮強度F(MPa)は、以下のループ測定法に基づき求めることができる。まず、約10cmの炭素繊維単繊維7をスライドグラス上に置き、その中央部にグリセリンを1〜2滴垂らして、単繊維をひねってループを作った状態でプレパラートをその上に置く。これを、ビデオカメラを接続した顕微鏡下に置き、常にモニタリングしながらループの両端を指で押さえ、一定速度で引張り歪み8をかける。破断するまでの挙動をビデオ録画し、再生画面を停止させながら、図2に示すループ短径9(D)と長径10(φ)をモニター上で測定する。単繊維経RとDから、次式
ε=1.07×R/D
により、図2の炭素繊維単繊維歪み部分11における歪み(ε)を計算し、εを横軸に取り長径と短径の比(φ/D)を縦軸に取ったグラフをプロットする。図3にプロットした結果を示す。
In the present invention, the number of fluffs representing the fluff quality of carbon fiber can be determined by the following method for evaluating fuzz. That is, a carbon fiber bobbin as an evaluation sample is left in a temperature control room controlled at a temperature of 23 ± 5 ° C. and a relative humidity of 60 ± 20% for 30 minutes or more. Next, using the fuzzing fluff apparatus in the temperature control room where the temperature and humidity conditions are set, according to the yarn path diagram shown in FIG. 1, carbon fiber is placed on the creel 1 with a built-in powder clutch, Make a yarn path. First, in order to generate rubbing fluff, carbon fibers are put on four of the rubbing pins 2 having a fixed surface with a diameter of 10 mm and mirror-finished, and then passed through the fluff counter 3. The fluff counter detects the number of fluff with a phototransistor while irradiating the running yarn from the lamp light and condensing the irradiated light with a lens. As detection accuracy, fluff having a yarn length of 2 mm or more and a carbon fiber single fiber diameter of 3 microns or more can be detected. The carbon fiber is wound around the drive roller 4 five times or more and wound around the winder 5 so as not to cause a slip during traveling. The yarn speed is set to 3 m / min, and the running of the carbon fiber is started on the yarn path via the roller 6 shown in FIG. After confirming that the yarn path is stable, the initial tension is adjusted with the powder clutch so that the tension of the carbon fiber during running measured between the fluff counting device 3 and the driving roller 4 becomes 6 gf / tex. Thereafter, the fluff counter is operated, and the evaluation of the rubbing fluff in the running state is repeated 3 times for 1 minute for each sample. The number of rubbing feathers X [pieces / m] is calculated from the following formula, where the number of rubbing feathers counted in one minute is X1, X2, and X3.
X = (X1 + X2 + X3) / 9
Moreover, the single fiber compressive strength F (MPa) can be calculated | required based on the following loop measurement methods. First, about 10 cm of carbon fiber monofilament 7 is placed on a slide glass, and 1 to 2 drops of glycerin are dropped at the center, and the preparation is placed on the loop in a state where a single fiber is twisted to form a loop. This is placed under a microscope to which a video camera is connected, and while constantly monitoring, holding both ends of the loop with fingers and applying a tensile strain 8 at a constant speed. The behavior until breaking is video-recorded, and the loop minor axis 9 (D) and major axis 10 (φ) shown in FIG. 2 are measured on the monitor while the playback screen is stopped. From the single fiber warp R and D, the following formula ε = 1.07 × R / D
2, the strain (ε) in the carbon fiber single fiber strained portion 11 in FIG. 2 is calculated, and a graph in which ε is taken on the horizontal axis and the ratio of the major axis to the minor axis (φ / D) is plotted on the vertical axis is plotted. FIG. 3 shows the plotted results.

ループ長径(φ)/ループ短径(D)比は、圧縮座屈しない領域では一定値(1.34)を示すが、座屈が開始すると急激に大きくなる。このφ/D比が急に増加する歪みを、圧縮降伏歪み(εcf)として求める。これを各々10本ずつ測定し平均値を求め、この平均値に引張弾性率E(MPa)を掛けた値を、単繊維圧縮強度F(MPa)とした。   The loop major axis (φ) / loop minor axis (D) ratio shows a constant value (1.34) in a region where compression buckling does not occur, but increases rapidly when buckling starts. The strain at which the φ / D ratio suddenly increases is determined as the compression yield strain (εcf). Ten of these were measured to obtain an average value, and a value obtained by multiplying the average value by the tensile modulus E (MPa) was defined as a single fiber compressive strength F (MPa).

本発明の炭素繊維は、上記方法で求められる各パラメーターに対して、それぞれ以下の範囲を有することが好ましい。すなわち、引張弾性率E(GPa)、結晶サイズLc(nm)、および0°方向の圧縮強度C(MPa)からなる式(1)の値(E×C/Lc)が、230×10〜400×10GPa・MPa/nmの範囲内にあり、好ましくは範囲240×10〜350×10GPa・MPa/nmであり、さらに好ましくは範囲250×10〜300×10GPa・MPa/nmである。 The carbon fiber of the present invention preferably has the following ranges for each parameter required by the above method. That is, the value (E × C / Lc) of the formula (1) consisting of the tensile elastic modulus E (GPa), the crystal size Lc (nm), and the compressive strength C (MPa) in the 0 ° direction is 230 × 10 3 to It is in the range of 400 × 10 3 GPa · MPa / nm, preferably in the range of 240 × 10 3 to 350 × 10 3 GPa · MPa / nm, and more preferably in the range of 250 × 10 3 to 300 × 10 3 GPa · nm. MPa / nm.

この値が230×10GPa・MPa/nmよりも小さいと、CFRPの筒体としたときの圧縮強度が不足するようになる。また、この値を400×10GPa・MPa/nmよりも大きくするためには炭素繊維の製造コストが大幅に上がり、展開できる用途が制限される。 When this value is smaller than 230 × 10 3 GPa · MPa / nm, the compression strength when the CFRP cylinder is formed becomes insufficient. Moreover, in order to make this value larger than 400 × 10 3 GPa · MPa / nm, the production cost of the carbon fiber is significantly increased, and the use that can be developed is limited.

さらに、本発明の炭素繊維は、引っ張り弾性率E、コンポジット圧縮強度C(GPa)および単繊維圧縮強度F(MPa)からなる式(2)の値(E×F/Lc)が、1150×10〜1800×10GPa・MPa/nmの範囲内にあり、好ましくは範囲1250×10〜1700×10GPa・MPa/nmであり、さらに好ましくは範囲1350×10〜1600×10GPA・Mpa/nmである。 Further, the carbon fiber of the present invention has a value (E × F / Lc) of the formula (2) consisting of tensile elastic modulus E, composite compressive strength C (GPa) and single fiber compressive strength F (MPa) of 1150 × 10 3 to 1800 × 10 3 GPa · MPa / nm, preferably 1250 × 10 3 to 1700 × 10 3 GPa · MPa / nm, and more preferably 1350 × 10 3 to 1600 × 10 3. GPA · Mpa / nm.

この値が1150×10GPa・MPa/nmより小さいと、コンポジットの圧縮強度が不足し、また、この値を1800×10GPa・MPa/nmより大きくするためには炭素繊維の製造コストが大幅に上がり、展開できる用途が制限される。 When this value is smaller than 1150 × 10 3 GPa · MPa / nm, the compressive strength of the composite is insufficient, and in order to make this value larger than 1800 × 10 3 GPa · MPa / nm, the production cost of the carbon fiber is low. Significantly increased, limiting the applications that can be deployed.

本発明の炭素繊維は、複数の単繊維が集合された束状であってもよく、この場合、複数の単繊維が集合された炭素繊維束は、実質的に無撚りであることが好ましい。実質的に無撚りとは、たとえ撚りがあったとしても、1mあたり0.5ターン以下であることを意味する。   The carbon fiber of the present invention may be in the form of a bundle in which a plurality of single fibers are aggregated. In this case, the carbon fiber bundle in which the plurality of single fibers are aggregated is preferably substantially untwisted. Substantially no twist means that there are no more than 0.5 turns per meter even if there is a twist.

また、本発明の炭素繊維は、引張弾性率E(GPa)が255〜345GPa範囲にあることが好ましく、引張弾性率Eはより好ましくは265〜330GPaの範囲である。引張弾性率Eが255GPaよりも低いと、CFRPの筒体としたときの剛性が不足し、また、引張弾性率Eが345GPaを超えると、コンポジットの0°方向の圧縮強度が低下し、CFRPの筒体としたときの曲げ強度が損なわれるようになる。   The carbon fiber of the present invention preferably has a tensile modulus E (GPa) in the range of 255 to 345 GPa, and the tensile modulus E is more preferably in the range of 265 to 330 GPa. If the tensile modulus E is lower than 255 GPa, the rigidity of the CFRP cylinder is insufficient, and if the tensile modulus E exceeds 345 GPa, the compressive strength in the 0 ° direction of the composite decreases, and the CFRP The bending strength when it is made into a cylindrical body comes to be impaired.

引張弾性率Eに寄与する要因は炭化温度と炭化張力の2つである。いずれの要因もアップすれば弾性率は向上する。ただし、炭化温度をあげると強度と圧縮特性が低下し、炭化張力をあげると、毛羽立ちによる炭素繊維品位低下という問題が発生することがある。   There are two factors that contribute to the tensile modulus E: carbonization temperature and carbonization tension. If any factor increases, the elastic modulus will improve. However, when the carbonization temperature is raised, the strength and compression characteristics are lowered, and when the carbonization tension is raised, there is a problem that the carbon fiber quality is lowered due to fuzzing.

本発明において、炭素繊維のコンポジット0°圧縮強度C(MPa)は、好ましくは1500〜1800MPaの範囲であり、より好ましい範囲は1550〜1700MPaである。0°圧縮強度Cが1500MPa未満ではCFRPに成形したときに十分な圧縮強度が得られ難く、また、0°圧縮強度Cが1800MPaを超えると炭素繊維の結晶サイズを極力微細化した状態で必要な弾性率を確保するために、糸速を大幅に減少させる必要が発生することで炭素繊維の製造コストが大幅に上がり、展開できる用途が制限されてしまう。   In the present invention, the composite 0 ° compressive strength C (MPa) of the carbon fiber is preferably in the range of 1500 to 1800 MPa, and more preferably 1550 to 1700 MPa. When the 0 ° compressive strength C is less than 1500 MPa, it is difficult to obtain a sufficient compressive strength when molded into CFRP, and when the 0 ° compressive strength C exceeds 1800 MPa, it is necessary in a state where the crystal size of the carbon fiber is miniaturized as much as possible. In order to secure the elastic modulus, it is necessary to significantly reduce the yarn speed, which greatly increases the production cost of the carbon fiber and restricts the applications that can be deployed.

圧縮特性である0°圧縮強度Cは、炭素繊維の炭化度、すなわち結晶サイズに一元的に依存する。言い換えれば、炭化温度をあげて炭化度を深くして結晶サイズを大きくすると、圧縮強度は低下する。このため、圧縮強度を高いレベルで発現させるためには、低温炭化を適用することが好ましい。   The 0 ° compressive strength C, which is a compression characteristic, depends on the carbon fiber carbonization degree, that is, the crystal size. In other words, if the carbonization temperature is increased to increase the degree of carbonization to increase the crystal size, the compressive strength decreases. For this reason, in order to express compressive strength at a high level, it is preferable to apply low temperature carbonization.

炭素繊維束において、炭素繊維の単繊維数の好ましい範囲は1000〜48000本であり、さらに好ましい範囲は6000〜24000本である。単繊維数が1000本未満のものは、細すぎて取り扱い性に劣るうえに、糸切れや毛羽が発生しやすい。   In the carbon fiber bundle, a preferable range of the number of single fibers of the carbon fiber is 1000 to 48000, and a more preferable range is 6000 to 24000. Those having a number of single fibers of less than 1000 are too thin and inferior in handleability, and yarn breakage and fluff are likely to occur.

単繊維数の上限には特に制限はないものの、あまり太くなるとプリプレグに加工する時樹脂含浸の均一性が低下し、それに起因してCFRPに成形した時にボイドができ成形品の物性が低下することがあるので、単繊維数は48,000本以下とすることが好ましい。また、単繊維数が1000未満の場合、焼成工程でのローラとの擦過により毛羽立ちやすく、品位が低下することがある。   The upper limit of the number of single fibers is not particularly limited, but if it is too thick, the uniformity of resin impregnation will be reduced when processed into a prepreg, resulting in voids when molded into CFRP, and the physical properties of the molded product will be reduced. Therefore, the number of single fibers is preferably 48,000 or less. In addition, when the number of single fibers is less than 1000, fluffing easily occurs due to rubbing with a roller in the firing step, and the quality may be lowered.

本発明の炭素繊維は、結晶サイズLc(nm)が1.0〜2.5の範囲であることが好ましい。結晶サイズLcのより好ましい範囲は1.5〜2.0である。結晶サイズLcが1.0nmよりも小さいと、CFRPの筒体としたときの剛性が不足するようになって軽量化が難しくなる。また、結晶サイズLcが2.5nmを超えると、コンポジットの0°方向の圧縮強度が不足することになる。   The carbon fiber of the present invention preferably has a crystal size Lc (nm) in the range of 1.0 to 2.5. A more preferable range of the crystal size Lc is 1.5 to 2.0. If the crystal size Lc is smaller than 1.0 nm, the rigidity of the CFRP cylinder is insufficient and it is difficult to reduce the weight. If the crystal size Lc exceeds 2.5 nm, the compressive strength in the 0 ° direction of the composite will be insufficient.

結晶サイズLcは、炭化温度で一元的に決まる。炭化温度をあげるとLcもアップする。ここで求める結晶サイズに必要な炭化温度は、好ましくは1000〜1500℃相当である。   The crystal size Lc is determined uniformly by the carbonization temperature. Increasing the carbonization temperature also increases Lc. The carbonization temperature necessary for the crystal size obtained here is preferably 1000 to 1500 ° C.

本発明の炭素繊維は、単繊維径が4〜7μmの範囲であることが好ましい。単繊維径が4μmより小さいと焼成時に弱糸が破断しやすく炭素繊維の品位悪化ならびに工程通過性低下を発生させることになる。また、単繊維径が7μmより大きいと、単繊維内部まで炭化が十分に行われず、弾性率が低下してしまうことになる。   The carbon fiber of the present invention preferably has a single fiber diameter in the range of 4 to 7 μm. If the single fiber diameter is smaller than 4 μm, the weak yarn is liable to be broken during firing, and the quality of the carbon fiber is deteriorated and the process passability is lowered. On the other hand, if the single fiber diameter is larger than 7 μm, carbonization is not sufficiently performed to the inside of the single fiber, and the elastic modulus is lowered.

本発明の炭素繊維の毛羽品位は、擦過毛羽数として10個以下/mであることが好ましく、より好ましくは8個以下/mであり、さらに好ましくは5個以下/mである。擦過毛羽が10個/mを超えると、プリプレグやコンポジット成型品に加工する際にCFが毛羽立ち、製品収率が低下したり加工時の生産性が落ちるとともに製品品位も毛羽欠点等により悪化することになる。
擦過毛羽の減少は、炭素繊維品位の向上を意味する。一般的には、張力をさげることで擦過毛羽を減らすことができるが、低温炭化で必要な弾性率を確保するには、ある程度の張力を炭素繊維に付与することが求められる。高張力下で擦過毛羽を抑制するには、毛羽立ちが最も多い炭化糸(炭化出走行糸)に水を付与する方法と、表面処理液を予備含浸させて毛羽を内在化させて、毛羽立ちを抑制する方法が挙げられる。しかしながら、炭化糸への水付与量が少ないと集束性低下により毛羽立ち、多すぎると水自体の流れによる炭化糸への衝撃で毛羽立つ恐れがあるので、水付与量を走行炭素繊維1kgあたり0.5〜250リットルとすることが好ましい。
The fluff quality of the carbon fiber of the present invention is preferably 10 or less / m, more preferably 8 or less / m, and further preferably 5 or less / m, as the number of fluffs. If the abrasion fluff exceeds 10 pieces / m, the CF becomes fluffy when processed into a prepreg or composite molded product, and the product yield decreases or the productivity at the time of processing decreases, and the product quality deteriorates due to fuzz defects. become.
Reduction of fuzzing fluff means improvement in carbon fiber quality. Generally, the fuzz can be reduced by reducing the tension, but in order to secure the necessary elastic modulus by low-temperature carbonization, it is required to apply a certain amount of tension to the carbon fiber. In order to suppress scratching fluff under high tension, water is applied to the carbonized yarn (carbonized running yarn) with the most fluffing, and surface treatment liquid is pre-impregnated to internalize the fluff and suppress fluffing. The method of doing is mentioned. However, if the amount of water imparted to the carbonized yarn is small, fluffing occurs due to a decrease in convergence, and if it is too much, there is a risk of fluffing due to the impact on the carbonized yarn due to the flow of water itself. It is preferable to set it to -250 liters.

次に、本発明の炭素繊維の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the carbon fiber of this invention is demonstrated.

本発明に規定する炭素繊維は、例えば次のようにして製造することかできる。すなわち、ポリアクリロニトリル系繊維を、酸化性雰囲気中(通常は空気中)にて200〜300℃の範囲内の温度で加熱して耐炎化した後、炭化処理に先立って、耐炎化繊維を不活性雰囲気中(通常は窒素雰囲気中)にて300〜1000℃範囲内の温度で加熱する、いわゆる予備炭化処理を施す。このように予備炭化処理を施した後、不活性雰囲気中(通常は窒素雰囲気中)にて最高温度が1000〜1500℃の範囲内にある温度で、且つ、走行糸の張力が4.5gf/tex以上で加熱して炭化することによって、炭素繊維を製造することができる。   The carbon fiber prescribed | regulated to this invention can be manufactured as follows, for example. That is, after the polyacrylonitrile fiber is made flame resistant by heating at a temperature in the range of 200 to 300 ° C. in an oxidizing atmosphere (usually in air), the flame resistant fiber is inactivated prior to carbonization treatment. A so-called preliminary carbonization treatment is performed in which heating is performed at a temperature within a range of 300 to 1000 ° C. in an atmosphere (usually in a nitrogen atmosphere). After performing the preliminary carbonization treatment in this manner, the maximum temperature is in the range of 1000 to 1500 ° C. in an inert atmosphere (usually in a nitrogen atmosphere), and the running yarn tension is 4.5 gf / Carbon fibers can be produced by heating and carbonizing at tex or higher.

炭化最高温度に関して、より好ましい範囲は1200〜1450℃であり、さらに好ましい範囲は1250〜1400℃である。炭化最高温度が1000℃以下では引張弾性率が低下し、また、炭化最高温度が1500℃を超えると炭素繊維の結晶化が促進されてCFRPとしたときの圧縮強度が低下することになる。走行糸の張力は、好ましくは4.5gf/tex以上であり、より好ましくは5.0gf/tex以上である。走行糸の張力が4.5gf/tex未満では必要な引張弾性率を得ることが難しく、7.0gf/tex以上では炭素繊維の毛羽が発生してローラーへの巻き付きによる生産性の低下のみならず、炭素繊維の品位も著しく低下する。   With respect to the maximum carbonization temperature, a more preferable range is 1200 to 1450 ° C, and a further preferable range is 1250 to 1400 ° C. When the maximum carbonization temperature is 1000 ° C. or less, the tensile elastic modulus decreases, and when the maximum carbonization temperature exceeds 1500 ° C., the crystallization of carbon fibers is promoted and the compression strength when CFRP is obtained decreases. The tension of the running yarn is preferably 4.5 gf / tex or more, more preferably 5.0 gf / tex or more. If the tension of the running yarn is less than 4.5 gf / tex, it is difficult to obtain the necessary tensile elastic modulus, and if it is 7.0 gf / tex or more, fluff of carbon fiber is generated and not only the productivity is lowered due to winding around the roller. In addition, the quality of the carbon fiber is significantly lowered.

本発明では、圧縮強度向上のために、低温炭化による結晶サイズ微細化により高品質な炭素繊維を得ることを狙っているが、同時に炭素繊維の引っ張り弾性率を高く保つためには、炭化工程における走行糸の張力を限界まで高める必要がある。高張力で炭化すると、炭化糸の毛羽立ちによるローラへの巻付き等による生産性低下や、炭素繊維の毛羽品位悪化が起こる。そこで本発明者らが鋭意検討したところ、以下の生産技術を適用することで高張力炭化においても、毛羽の発生を抑えて、高い生産性と毛羽品位に優れた炭素繊維の製造が可能となった。   In the present invention, in order to improve the compressive strength, the aim is to obtain high-quality carbon fibers by refining the crystal size by low-temperature carbonization. At the same time, in order to keep the tensile elastic modulus of the carbon fibers high, in the carbonization process It is necessary to increase the tension of the running yarn to the limit. When carbonized with high tension, productivity decreases due to winding of the carbonized yarn on the roller due to fluffing and deterioration of the fluff quality of the carbon fiber occurs. Therefore, the present inventors diligently studied, and by applying the following production technology, it is possible to produce carbon fibers with high productivity and high fluff quality by suppressing the occurrence of fluff even in high tension carbonization. It was.

まず、炭化炉を出炉した乾燥した状態の炭素繊維は毛羽が最も発生しやすいために、毛羽発生抑制のためにローラに走行している炭素繊維に、水、好ましくは純水を付与することが好ましい。これは、走行している炭素繊維に水を付与することによって収束性を向上させ、毛羽を炭素繊維束内に内在させることで毛羽立ちや巻付きを抑制することことが出来るためと考えられる。炭素繊維に水を付与する方法としては、滴下式、スプレー式およびディップ式等の方法が考えられるが、特にこれらの方法に限定されるものではない。   First, since the carbon fiber in a dry state obtained from the carbonization furnace is most likely to generate fluff, water, preferably pure water, may be imparted to the carbon fiber running on the roller to suppress the occurrence of fluff. preferable. This is considered to be because the convergence is improved by imparting water to the running carbon fiber, and fluffing and wrapping can be suppressed by making the fluff in the carbon fiber bundle. As a method for imparting water to the carbon fiber, methods such as a dripping method, a spray method, and a dip method are conceivable, but the method is not particularly limited to these methods.

付与する水の量は、走行炭素繊維1kg当たり好ましくは0.5リットル以上250リットル以下であり、より好ましくは1リットル以上100リットル以下であり、さらに好ましくは2リットル以上50リットル以下である。水の量が250リットルを超える場合、過剰供給による走行糸への衝撃で毛羽立ちが発生することがあり、水使用量の増加に伴うコストアップにつながる。また、水の量が0.5リットル未満の場合、水付与による収束性改善の効果が不足し、ローラーに走行糸が取られて巻付きが発生したり毛羽品位が悪化することがある。   The amount of water to be applied is preferably 0.5 liter or more and 250 liters or less, more preferably 1 liter or more and 100 liters or less, and further preferably 2 liters or more and 50 liters or less, per 1 kg of the running carbon fiber. When the amount of water exceeds 250 liters, fluffing may occur due to the impact on the running yarn due to excessive supply, leading to an increase in cost associated with an increase in the amount of water used. In addition, when the amount of water is less than 0.5 liter, the effect of improving the convergence by applying water is insufficient, and the running yarn is taken up by the roller and winding may occur or the fluff quality may deteriorate.

さらに、炭化糸毛羽立ち抑制技術として、走行糸に電解液予備含浸を行うことが好ましい。これは、表面処理槽内の電解液流動による走行糸からの脱落毛羽発生の抑制、および表面処理槽内での隣接走行している炭素繊維の単繊維交絡による分繊不良抑制を狙ったものである。通常表面処理槽内を炭化糸が走行する際、電解液の流れにより炭素繊維束内に内在している毛羽が引き出されたり脱落することで、毛羽立ちや隣接糸条間の毛羽絡みによる分繊不良が発生することがある。これらの問題を未然に防ぐために、表面処理槽前に液体を満たした予備含浸槽を設置し、予め炭素繊維に液体を含浸して走行糸の収束性を高めた状態で表面処理槽を走行させる方法である。ここでいう予備含浸槽で使用する液体は特に限定はないが、後述する表面処理で使用している電解液を使うことが好ましい。   Furthermore, it is preferable to pre-impregnate the running yarn with an electrolyte as a carbonized yarn fluff suppression technique. This is aimed at suppressing the occurrence of fluff coming off from the running yarn due to the electrolyte flow in the surface treatment tank, and the suppression of splitting due to the single fiber entanglement of the adjacent running carbon fibers in the surface treatment tank. is there. Normally, when carbonized yarn travels in the surface treatment tank, the fluff existing in the carbon fiber bundle is pulled out or dropped by the flow of the electrolyte, resulting in poor separation due to fluffing or tangling between adjacent yarns. May occur. In order to prevent these problems, a pre-impregnation tank filled with a liquid is installed in front of the surface treatment tank, and the surface treatment tank is run in a state in which the carbon fiber is pre-impregnated with the liquid to improve the convergence of the running yarn. Is the method. The liquid used in the pre-impregnation tank here is not particularly limited, but it is preferable to use the electrolytic solution used in the surface treatment described later.

表面処理として、炭素繊維表面に官能基を生成して樹脂との接着性を高めることを目的に、電解酸化表面処理を施すことができる。その方法には、薬液を用いる液相酸化、電解液溶液中で炭素繊維を陽極として処理する電解酸化、および相状態でのプラズマ処理などによる気相酸化等がある。表面処理方法としては、比較的取り扱い性が良く、コスト的に有利な電解酸化処理方法が好適に採用される。電解液としては、酸性水溶液またはアルカリ水溶液のいずれも使用可能であるが、酸性水溶液としては強酸性を示す硫酸または硝酸が好ましく、またアルカリ水溶液としては炭酸アンモニウムや炭酸水素アンモニウム等の無機アルカリの水溶液が好ましく用いられる。   As the surface treatment, an electrolytic oxidation surface treatment can be performed for the purpose of generating a functional group on the surface of the carbon fiber and enhancing the adhesion to the resin. The method includes liquid phase oxidation using a chemical solution, electrolytic oxidation in which carbon fiber is treated as an anode in an electrolytic solution, and vapor phase oxidation by plasma treatment in a phase state. As the surface treatment method, an electrolytic oxidation treatment method that is relatively easy to handle and is advantageous in terms of cost is preferably employed. As the electrolytic solution, either an acidic aqueous solution or an alkaline aqueous solution can be used. As the acidic aqueous solution, sulfuric acid or nitric acid exhibiting strong acidity is preferable, and as the alkaline aqueous solution, an aqueous solution of an inorganic alkali such as ammonium carbonate or ammonium hydrogen carbonate is preferable. Is preferably used.

表面処理で電解酸化処理を施した後、炭素繊維にサイジング剤を付与して成型品用に供することができる。ここでいうサイジング剤の種類は特に限定するものではないが、エポキシ樹脂を主成分とするビスフェノールA型エポキシ樹脂や直鎖状構造を有する両端に2個以上のエポキシ基を有する脂肪族化合物が好ましく用いられる。脂肪族化合物とは、非環式直鎖状飽和炭化水素、分岐状炭化水素または上記炭化水素の炭素原子を酸素原子に置き換えた鎖状構造を有するものを指す。エポキシ基としては、反応性の高いグリシジル基が好ましい。本発明におけるエポキシ基を有する脂肪族化合物の具体例としては、グリシジルエーテル化合物ではグリセリンポリグリシジルエーテル類、またジグリシジルエーテル化合物ではポリエチレングリコールジグリシジルエーテル類が挙げられる。
サイジング剤の炭素繊維に対する付着量の好ましい範囲は0.1〜1.0重量%であり、より好ましい範囲は0.2〜0.9重量%である。サイジング剤の付着量が1.0重量%を超えると、炭素繊維をパッケージから解じょする際に、粘着による毛羽たちや糸切れを発生し易い。また、サイジング付着量が0.1重量%未満の場合、解じょ時の炭素繊維がさばけやすくなり、その取り扱い性が困難になるばかりでなく、毛羽立ちにより高次加工性も悪化する傾向を示す。
After performing the electrolytic oxidation treatment by the surface treatment, a sizing agent can be applied to the carbon fiber and used for a molded product. The kind of the sizing agent here is not particularly limited, but a bisphenol A type epoxy resin mainly composed of an epoxy resin or an aliphatic compound having two or more epoxy groups at both ends having a linear structure is preferable. Used. The term “aliphatic compound” refers to an acyclic linear saturated hydrocarbon, a branched hydrocarbon, or a chain structure in which a carbon atom of the hydrocarbon is replaced with an oxygen atom. The epoxy group is preferably a highly reactive glycidyl group. Specific examples of the aliphatic compound having an epoxy group in the present invention include glycerin polyglycidyl ethers for glycidyl ether compounds and polyethylene glycol diglycidyl ethers for diglycidyl ether compounds.
A preferable range of the amount of the sizing agent attached to the carbon fiber is 0.1 to 1.0% by weight, and a more preferable range is 0.2 to 0.9% by weight. When the amount of sizing agent adhering exceeds 1.0% by weight, fluff and thread breakage are likely to occur when the carbon fiber is unwound from the package. In addition, when the sizing adhesion amount is less than 0.1% by weight, the carbon fiber at the time of thawing becomes easy to handle, and not only the handling property becomes difficult, but also high-order workability tends to deteriorate due to fuzzing. .

本発明の炭素繊維は、航空宇宙、スポーツおよび一般産業用途において、複合材料の補強繊維として工業的に幅広く利用される。   The carbon fiber of the present invention is widely used industrially as a reinforcing fiber for composite materials in aerospace, sports and general industrial applications.

以下、本発明を実施例より、具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

(実施例1)
単繊維繊度0.74dtex、単繊維数12000本のアクリロニトリル系繊維束を、240℃の温度の空気雰囲気中にて90分間加熱し、耐炎化繊維を得た後、引き続き、窒素雰囲気中にて最高温度700℃で予備炭化した。引き続いて、窒素雰囲気中で最高温度を1300℃で、炭化炉内走行糸の張力を5.5gf/texにて炭化し、引き続き、炭化炉出側から表面処理までに設置しているローラにおいて、走行糸1kgあたり純水を5リットル付与し、表面処理槽に走行糸が入る直前に炭酸水素アンモニウムを流した予備含浸槽に通し、さらに炭酸水素アンモニウムを電解液とした電解酸化表面処理を施し、引き続きグリセリンポリグリシジルエーテルを主成分とするサイジング剤を0.6重量%になるように付着させて、単繊維径5.5μmの炭素繊維を得た。この炭素繊維と特性等は、次のとおりであった。
(Example 1)
An acrylonitrile fiber bundle having a single fiber fineness of 0.74 dtex and 12,000 single fibers was heated in an air atmosphere at a temperature of 240 ° C. for 90 minutes to obtain flame-resistant fibers, and then the highest in a nitrogen atmosphere. Pre-carbonization was performed at a temperature of 700 ° C. Subsequently, in a nitrogen atmosphere, the maximum temperature is 1300 ° C., the tension of the running yarn in the carbonization furnace is carbonized at 5.5 gf / tex, and subsequently the roller installed from the carbonization furnace outlet side to the surface treatment, 5 liters of pure water per 1 kg of running yarn is applied, passed through a pre-impregnation bath in which ammonium hydrogen carbonate is flowed immediately before the running yarn enters the surface treatment bath, and further subjected to electrolytic oxidation surface treatment using ammonium hydrogen carbonate as an electrolyte, Subsequently, a sizing agent containing glycerin polyglycidyl ether as a main component was adhered to 0.6% by weight to obtain a carbon fiber having a single fiber diameter of 5.5 μm. The carbon fiber and properties were as follows.

引張弾性率(E) :295GPa
結晶サイズ(Lc) :1.6nm
擦過毛羽 :2個/m
0°方向の圧縮強度(C):1580MPa
単繊維圧縮強度(F) :7900MPa
E×C/Lc :291×10GPa・MPa/nm
E×F/Lc :1457×10GPa・MPa/nm
ここで、得られた炭素繊維を用い、一方向プリプレグの作製、円筒成型品の作製、および、物性測定を、以下の方法に基づいて行った。なお、物性測定はすべて温度23℃、相対湿度50%の環境で行った。
Tensile modulus (E): 295 GPa
Crystal size (Lc): 1.6 nm
Abrasion fluff: 2 / m
Compressive strength in 0 ° direction (C): 1580 MPa
Single fiber compressive strength (F): 7900 MPa
E × C / Lc: 291 × 10 3 GPa · MPa / nm
E × F / Lc: 1457 × 10 3 GPa · MPa / nm
Here, using the obtained carbon fiber, production of a unidirectional prepreg, production of a cylindrical molded product, and measurement of physical properties were performed based on the following methods. All physical properties were measured in an environment at a temperature of 23 ° C. and a relative humidity of 50%.

一方向プリプレグを次のようにして作製した。エポキシ樹脂組成物を、リバースロールコーターを用いて離型紙上に塗布し、樹脂フィルムを作製した。次に、シート上に一方向に整列させた炭素繊維に、この樹脂フィルム2枚を炭素繊維の両面から重ね、加熱加圧して樹脂を含浸して、一方向プリプレグを作製した。なお、炭素繊維重量分率76重量%とした。このようにして得られた一方向プリプレグは、以下に示す補強材I、ストレート材Iおよびストレート材IIに使用した。   A unidirectional prepreg was prepared as follows. The epoxy resin composition was applied onto release paper using a reverse roll coater to prepare a resin film. Next, two resin films were stacked on both sides of the carbon fiber on the carbon fiber aligned in one direction on the sheet, and heated and pressed to impregnate the resin to prepare a one-way prepreg. The carbon fiber weight fraction was 76% by weight. The unidirectional prepreg thus obtained was used for the reinforcing material I, straight material I and straight material II shown below.

また、下記の円筒成形品の成形に必要な他の一方向性プリプレグに使用した炭素繊維の特徴は、アングル材については引張弾性率380GPaで結晶サイズは3.9nm、フープ材については引張弾性率295GPaで結晶サイズは2.7nm、補強材IIについては引張弾性率245GPaで結晶サイズは2.0nmのものを用いた。なお、一方向プリプレグ作製方法は、補強材I、ストレート材Iおよびストレート材IIと同じである。   The carbon fiber used in the other unidirectional prepreg necessary for molding the following cylindrical molded product is characterized in that the angle material has a tensile modulus of 380 GPa, the crystal size is 3.9 nm, and the hoop material has a tensile modulus. The crystal size was 2.7 GPa at 295 GPa, and the reinforcing material II was a tensile elastic modulus of 245 GPa and the crystal size was 2.0 nm. The unidirectional prepreg manufacturing method is the same as that of the reinforcing material I, the straight material I, and the straight material II.

これらの一方向性プリプレグから、直径6.3mm(長さ1000mm)のステンレス製丸棒を用いて、下記(a)〜(e)の手順により、円筒成形品作製した。
(a)補強材Iとして、炭素繊維目付125g/mのプリプレグを円筒軸方向に対して0°方向に7枚張り付ける。
(b)次に、アングル材として、炭素繊維目付70g/mのプリプレグを円筒軸方向に対して±45°方向に2枚張り付ける。
(c)ストレート材Iとして、炭素繊維目付100g/mのプリプレグを円筒軸方向に対して0°方向に1枚張り付ける。
(d)フープ材として、炭素繊維目付55g/mのプリプレグを円筒軸方向に対して±90°方向に1枚張り付ける。
(e)ストレート材IIとして、炭素繊維目付125g/m目付のプリプレグを円筒軸方向に対して0°方向に2枚張り付ける。
(f)補強材IIとして、炭素繊維目付100g/m目付のプリプレグを円筒軸方向に対して±45°方向に6枚張り付ける。
(g)ラッピングテープ(耐熱性フィルムテープ)を巻き付け、硬化用炉で130℃の温度で2時間加熱成形する。
(h)成形後マンドレルを抜き取り、ラッピングテープを除去して円筒複合材料を得る。
From these unidirectional prepregs, a cylindrical molded product was produced by the following procedures (a) to (e) using a stainless steel round bar having a diameter of 6.3 mm (length: 1000 mm).
(A) As the reinforcing material I, seven prepregs having a carbon fiber basis weight of 125 g / m 2 are attached in the 0 ° direction with respect to the cylindrical axis direction.
(B) Next, as an angle material, two prepregs having a carbon fiber basis weight of 70 g / m 2 are attached in a direction of ± 45 ° with respect to the cylindrical axis direction.
(C) As straight material I, one prepreg having a carbon fiber basis weight of 100 g / m 2 is attached in a direction of 0 ° with respect to the cylindrical axis direction.
(D) As a hoop material, one prepreg having a carbon fiber basis weight of 55 g / m 2 is attached in the ± 90 ° direction with respect to the cylindrical axis direction.
(E) As straight material II, two prepregs with a carbon fiber basis weight of 125 g / m2 are pasted in a direction of 0 ° with respect to the cylindrical axis direction.
(F) as a reinforcing material II, paste 6 sheets ± 45 ° direction prepreg of carbon fiber weight per unit area 100 g / m 2 basis weight with respect to the cylindrical axis.
(G) Wrapping tape (heat-resistant film tape) is wound and heat-molded at a temperature of 130 ° C. for 2 hours in a curing furnace.
(H) After molding, the mandrel is extracted, and the wrapping tape is removed to obtain a cylindrical composite material.

円筒の曲げ破壊荷重は、以下のとおりに測定した。上記で得られた内径6.3mmの円筒複合材料を用い、「ゴルフクラブ用シャフトの認定基準および基準確認方法」(製品安全協会編、通商産業大臣承認5産第2087号、1993年)に記載の3点曲げ試験方法に基づき、曲げ破壊荷重を測定し、測定数はn=6とし、平均値を曲げ破壊荷重とした。ここでは、支点間距離を150mm、試験速度を10mm/分とした。この円筒の曲げ破壊荷重は、1800Nであった。   The bending fracture load of the cylinder was measured as follows. Using the above-obtained cylindrical composite material with an inner diameter of 6.3 mm, described in “Golf Club Shaft Certification Criteria and Method for Confirming Standards” (Product Safety Association, Approved by the Minister of International Trade and Industry, No. 2087, 1993) Based on the three-point bending test method, the bending fracture load was measured, the number of measurements was n = 6, and the average value was the bending fracture load. Here, the distance between fulcrums was 150 mm, and the test speed was 10 mm / min. The bending fracture load of this cylinder was 1800N.

(実施例2)
実施例1と表面電解処理入側にある予備含浸槽を通過させないこと以外は、実施例1と同様にして、炭素繊維と円筒複合材料を作製した。この炭素繊維の特性等と円筒の曲げ破壊荷重は、次のとおりであった。
(Example 2)
A carbon fiber and a cylindrical composite material were produced in the same manner as in Example 1 except that Example 1 and the pre-impregnation tank on the entrance side of the surface electrolytic treatment were not passed. The characteristics of this carbon fiber and the bending fracture load of the cylinder were as follows.

引張弾性率(E) :292GPa
結晶サイズ(Lc) :1.6nm
擦過毛羽 :4個/m
0°方向の圧縮強度(C):1560MPa
単繊維圧縮強度(F) :7800MPa
E×C/Lc :285×10GPa・MPa/nm
E×F/Lc :1424×10GPa・MPa/nm
円筒の曲げ破壊荷重 :1770N
(実施例3)
実施例1と炭化炉出側から表面処理に設置しているローラにおいて走行糸1kgあたり純水を0.1リットル付与すること以外は、実施例1と同様にして、炭素繊維と円筒複合材料を作製した。この炭素繊維の特性等と円筒の曲げ破壊荷重は、次のとおりであった。
Tensile modulus (E): 292 GPa
Crystal size (Lc): 1.6 nm
Abrasion fluff: 4 / m
Compressive strength in 0 ° direction (C): 1560 MPa
Single fiber compressive strength (F): 7800 MPa
E × C / Lc: 285 × 10 3 GPa · MPa / nm
E × F / Lc: 1424 × 10 3 GPa · MPa / nm
Bending fracture load of cylinder: 1770N
(Example 3)
In the same manner as in Example 1 except that 0.1 liter of pure water per kg of running yarn is applied to the roller installed in the surface treatment from the exit side of the carbonization furnace in Example 1, carbon fiber and a cylindrical composite material are provided. Produced. The characteristics of this carbon fiber and the bending fracture load of the cylinder were as follows.

引張弾性率(E) :290GPa
結晶サイズ(Lc) :1.7nm
擦過毛羽 :5個/m
0°方向の圧縮強度(C):1550MPa
単繊維圧縮強度(F) :7700MPa
E×C/Lc :264×10GPa・MPa/nm
E×F/Lc :1314×10GPa・MPa/nm
円筒の曲げ破壊荷重 :1750N
(比較例1)
実施例1において、炭化繊維の最高焼成温度を1520℃で、炭化炉内走行糸の張力を4.4gf/texにて炭化した。その後、炭化炉出側から表面処理の間に設置されているローラ上を走行する炭素繊維1kg当たりに純水を4リットル付与し、表面処理入りで電解液を予備含浸させた後、グリセリンポリグリシジルエーテルを主成分とするサイジング剤0.5重量%付与し、単繊維径5.4μmの炭素繊維を得た。この炭素繊維について、実施例1と同様に評価した特性等は次のとおり、やや圧縮特性が低下した。また、この炭素繊維を用いた円筒複合材料の曲げ破壊荷重は1700Nであった。
Tensile modulus (E): 290 GPa
Crystal size (Lc): 1.7 nm
Abrasion fluff: 5 / m
Compressive strength in 0 ° direction (C): 1550 MPa
Single fiber compressive strength (F): 7700 MPa
E × C / Lc: 264 × 10 3 GPa · MPa / nm
E × F / Lc: 1314 × 10 3 GPa · MPa / nm
Bending fracture load of cylinder: 1750N
(Comparative Example 1)
In Example 1, the carbonized fiber was carbonized at a maximum firing temperature of 1520 ° C. and the tension of the running yarn in the carbonization furnace was 4.4 gf / tex. After that, 4 liters of pure water is applied to 1 kg of carbon fiber running on the roller installed between the surface treatment from the carbonization furnace exit side, and after pre-impregnation with the electrolyte with the surface treatment, glycerin polyglycidyl A carbon fiber having a single fiber diameter of 5.4 μm was obtained by applying 0.5% by weight of a sizing agent mainly composed of ether. With respect to this carbon fiber, the characteristics and the like evaluated in the same manner as in Example 1 were slightly reduced in compression characteristics as follows. Moreover, the bending fracture load of the cylindrical composite material using this carbon fiber was 1700N.

引張弾性率(E) :296GPa
結晶サイズ(Lc) :2.0nm
擦過毛羽 :5個/m
0°方向の圧縮強度(C):1520MPa
単繊維圧縮強度(F) :7250MPa
E×C/Lc :225×10GPa・MPa/nm
E×F/Lc :1073×10GPa・MPa/nm
円筒の曲げ破壊荷重 :1700N
(比較例2)
単繊維繊度0.73dtex、単繊維数18000本のアクリロニトリル系繊維を原料として、実施例1と同様に耐炎化処理を施した後、窒素雰囲気中で最高温度620℃で予備炭化した。予備炭化した後、炭化繊維の最高焼成温度を1800℃で、炭化炉内走行糸の張力を4.3gf/texにて炭化し、炭化炉出側から表面処理の間に設置されているローラ上を走行する炭素繊維1kg当たりに純水を4リットル付与し、表面処理入側に設置している予備含浸槽を通過させずに、電解液として硫酸水溶液を用いた電解酸化表面処理をした後、ビスフェノールA型エポキシ樹脂を主成分とするサイジング剤1.0重量%付与して単繊維径5.6μmの炭素繊維を得た。この炭素繊維について、実施例1と同様に評価した特性等と円筒の曲げ破壊荷重は次のとおりであり、毛羽品位および圧縮特性ともに悪化した。
Tensile elastic modulus (E): 296 GPa
Crystal size (Lc): 2.0 nm
Abrasion fluff: 5 / m
Compressive strength in 0 ° direction (C): 1520 MPa
Single fiber compressive strength (F): 7250 MPa
E × C / Lc: 225 × 10 3 GPa · MPa / nm
E × F / Lc: 1073 × 10 3 GPa · MPa / nm
Bending fracture load of cylinder: 1700N
(Comparative Example 2)
Using acrylonitrile fiber having a single fiber fineness of 0.73 dtex and a single fiber number of 18000 as a raw material, it was subjected to flameproofing treatment in the same manner as in Example 1, and then pre-carbonized at a maximum temperature of 620 ° C. in a nitrogen atmosphere. After preliminary carbonization, the carbonized fiber is carbonized at a maximum firing temperature of 1800 ° C. and the tension of the running yarn in the carbonization furnace is 4.3 gf / tex. 4 liters of pure water per kg of carbon fiber traveling on the surface, and after electrolytic oxidation surface treatment using an aqueous sulfuric acid solution as an electrolytic solution without passing through a pre-impregnation tank installed on the surface treatment inlet side, A carbon fiber having a single fiber diameter of 5.6 μm was obtained by applying 1.0% by weight of a sizing agent mainly composed of a bisphenol A type epoxy resin. For this carbon fiber, the characteristics and the like evaluated in the same manner as in Example 1 and the bending fracture load of the cylinder were as follows, and both the fluff quality and the compression characteristics deteriorated.

引張弾性率(E) :295GPa
結晶サイズ(Lc) :2.4nm
擦過毛羽 :15個/m
0°方向の圧縮強度(C):1430MPa
単繊維圧縮強度(F) :6700MPa
E×C/Lc :176×10GPa・MPa/nm
E×F/Lc :824×10GPa・MPa/nm
円筒の曲げ破壊荷重 :1500N
(比較例3)
単繊維繊度1.1dtex、単繊維数12000本のアクリロニトリル系繊維を原料として、実施例1と同様に耐炎化処理を施した後、窒素雰囲気中で最高温度650℃で予備炭化した。予備炭化した後、炭化繊維の最高焼成温度を1350℃で、炭化炉内走行糸の張力を1.6gf/texにて炭化し、炭化炉出側から表面処理の間に設置されているローラ上を走行する炭素繊維1kg当たりに純水を3リットル付与し、表面処理入側に設置している予備含浸槽で硫酸水溶液にて予備含浸し電解液として硫酸水溶液を用いた電解酸化表面処理をした後で、ビスフェノールA型エポキシ樹脂を主成分とするサイジング剤0.9重量%付与して単繊維径8.0μmの炭素繊維を得た。この炭素繊維について、実施例1と同様に評価した特性等と円筒の曲げ破壊荷重は、次のとおりであり、弾性率が目標に達しないものであった。
Tensile modulus (E): 295 GPa
Crystal size (Lc): 2.4 nm
Abrasion fluff: 15 / m
Compressive strength in 0 ° direction (C): 1430 MPa
Single fiber compressive strength (F): 6700 MPa
E × C / Lc: 176 × 10 3 GPa · MPa / nm
E × F / Lc: 824 × 10 3 GPa · MPa / nm
Bending fracture load of cylinder: 1500N
(Comparative Example 3)
Using acrylonitrile fiber having a single fiber fineness of 1.1 dtex and 12,000 single fibers as a raw material, it was subjected to a flameproofing treatment in the same manner as in Example 1, and then pre-carbonized at a maximum temperature of 650 ° C. in a nitrogen atmosphere. After preliminary carbonization, the maximum firing temperature of the carbonized fiber is carbonized at 1350 ° C., the tension of the running yarn in the carbonization furnace is 1.6 gf / tex, and on the roller installed between the surface treatment from the carbonization furnace exit side. 3 liters of pure water per 1 kg of carbon fiber traveling on the surface, pre-impregnated with a sulfuric acid aqueous solution in a pre-impregnation tank installed on the surface treatment inlet side, and subjected to electrolytic oxidation surface treatment using a sulfuric acid aqueous solution as an electrolytic solution Later, 0.9% by weight of a sizing agent mainly composed of a bisphenol A type epoxy resin was applied to obtain a carbon fiber having a single fiber diameter of 8.0 μm. About this carbon fiber, the characteristic etc. evaluated similarly to Example 1 and the bending fracture load of a cylinder are as follows, and the elasticity modulus did not reach a target.

引張弾性率(E) :233GPa
結晶サイズ(Lc) :1.7nm
擦過毛羽 :2個/m
0°方向の圧縮強度(C):1580MPa
単繊維圧縮強度(F) :7750MPa
E×C/Lc :217×10GPa・MPa/nm
E×F/Lc :1062×10GPa・MPa/nm
円筒の曲げ破壊荷重 :1700N
(比較例4)
単繊維繊度0.73dtex、単繊維数12000本のアクリロニトリル系繊維を原料として、実施例1と同様に耐炎化処理を施した後、窒素雰囲気中で最高温度720℃で予備炭化した。予備炭化した後、炭化繊維の最高焼成温度を2300℃で、炭化炉内走行糸の張力を2.7gf/texにて炭化し、炭化炉出側から表面処理の間に設置されているローラ上を走行する炭素繊維1kg当たりに純水を20リットル付与し、表面処理入側に設置している予備含浸槽で硫酸水溶液にて予備含浸し電解液として硫酸水溶液を用いた電解酸化表面処理をした後で、ビスフェノールA型エポキシ樹脂を主成分とするサイジング剤1.5重量%付与して単繊維径5.4μmの炭素繊維を得た。この炭素繊維について、実施例1と同様に評価した特性等と円筒の曲げ破壊荷重は以下のとおりであり、サイジング剤が過多に付着しているため炭素繊維を解ジョする際に粘着により擦過毛羽が増加して品位が低下し、圧縮特性も著しく低下した。
Tensile elastic modulus (E): 233 GPa
Crystal size (Lc): 1.7 nm
Abrasion fluff: 2 / m
Compressive strength in 0 ° direction (C): 1580 MPa
Single fiber compressive strength (F): 7750 MPa
E × C / Lc: 217 × 10 3 GPa · MPa / nm
E × F / Lc: 1062 × 10 3 GPa · MPa / nm
Bending fracture load of cylinder: 1700N
(Comparative Example 4)
Using acrylonitrile fiber having a single fiber fineness of 0.73 dtex and 12,000 single fibers as a raw material, it was subjected to a flame resistance treatment in the same manner as in Example 1, and then pre-carbonized at a maximum temperature of 720 ° C. in a nitrogen atmosphere. After preliminary carbonization, the carbonized fiber is carbonized at a maximum firing temperature of 2300 ° C. and the tension of the running yarn in the carbonization furnace is 2.7 gf / tex. 20 liters of pure water per 1 kg of carbon fiber traveling on the surface, pre-impregnated with an aqueous sulfuric acid solution in a pre-impregnation tank installed on the surface treatment inlet side, and subjected to electrolytic oxidation surface treatment using an aqueous sulfuric acid solution as an electrolytic solution Later, 1.5% by weight of a sizing agent mainly composed of a bisphenol A type epoxy resin was applied to obtain a carbon fiber having a single fiber diameter of 5.4 μm. For this carbon fiber, the characteristics and the like evaluated in the same manner as in Example 1 and the bending fracture load of the cylinder are as follows. As a result, the quality decreased, and the compression characteristics also deteriorated significantly.

引張弾性率(E) :382GPa
結晶サイズ(Lc) :3.9nm
擦過毛羽 :25個/m
0°方向の圧縮強度(C):1230MPa
単繊維圧縮強度(F) :4300MPa
E×C/Lc :120×10GPa・MPa/nm
E×F/Lc :421×10GPa・MPa/nm
円筒の曲げ破壊荷重 :1400N
Tensile modulus (E): 382 GPa
Crystal size (Lc): 3.9 nm
Abrasion fluff: 25 / m
Compressive strength in 0 ° direction (C): 1230 MPa
Single fiber compressive strength (F): 4300 MPa
E × C / Lc: 120 × 10 3 GPa · MPa / nm
E × F / Lc: 421 × 10 3 GPa · MPa / nm
Bending fracture load of cylinder: 1400N

本発明の炭素繊維は、他の補強用繊維に比べて高い比強度および比弾性率を有しており、航空宇宙、スポーツおよび一般産業用途において、複合材料の補強繊維として工業的に幅広く利用されるものであり、産業上有用である。   The carbon fiber of the present invention has a higher specific strength and specific modulus than other reinforcing fibers, and is widely used industrially as a reinforcing fiber for composite materials in aerospace, sports and general industrial applications. It is industrially useful.

図1は、本発明にかかる炭素繊維の毛羽品位を表す擦過毛羽数を測定するための擦過毛羽装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a fuzzing fluff device for measuring the number of fuzzing fluffs representing the fluff quality of carbon fibers according to the present invention. 図2は、本発明にかかる炭素繊維単繊維圧縮強度測定のための模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram for measuring the carbon fiber single fiber compressive strength according to the present invention. 図3は、本発明にかかる炭素繊維単繊維圧縮強度算出のための模式図である。FIG. 3 is a schematic view for calculating the carbon fiber single fiber compressive strength according to the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:クリール
2:擦過ピン
3:毛羽カウンター
4:駆動ローラー
5:ワインダー
6:ローラー
7:炭素繊維単繊維
8:引っ張り歪み
9:ループ短径
10:ループ長径
11:歪み計算部分
1: Creel 2: Friction pin 3: Fluff counter 4: Drive roller 5: Winder 6: Roller 7: Carbon fiber monofilament 8: Tensile strain 9: Loop minor axis 10: Loop major axis 11: Strain calculation part

Claims (11)

炭素繊維の引張弾性率E(GPa)、結晶サイズLc(nm)および炭素繊維から作製した一方向コンポジットの0°方向の圧縮強度C(MPa)の間に下記の式(1)が 成り立ち、かつ、擦過毛羽評価方法で測定される擦過毛羽数が1m当たり10個以下であることを特徴とする実質的に無撚の炭素繊維。
230×10≦E×C÷Lc≦400×10 (1)
The following formula (1) is established between the tensile elastic modulus E (GPa) of the carbon fiber, the crystal size Lc (nm), and the compressive strength C (MPa) in the 0 ° direction of the unidirectional composite produced from the carbon fiber, and A substantially untwisted carbon fiber, characterized in that the number of rubbing fluffs measured by the rubbing fluff evaluation method is 10 or less per 1 m.
230 × 10 3 ≦ E × C ÷ Lc ≦ 400 × 10 3 (1)
炭素繊維の引張弾性率E(GPa)、結晶サイズLc(nm)および単繊維圧縮強度F(MPa)の間に下記の式(2)が成り立ち、かつ、擦過毛羽評価方法で測定される擦過毛羽数が1m当たり10個以下であることを特徴とする実質的に無撚の炭素繊維。
1150×10≦E×F÷Lc≦1800×10 (2)
The following formula (2) is established among the tensile elastic modulus E (GPa), the crystal size Lc (nm), and the single fiber compressive strength F (MPa) of the carbon fiber, and the fuzzed fluff measured by the fuzzy fluff evaluation method A substantially untwisted carbon fiber characterized in that the number is 10 or less per 1 m.
1150 × 10 3 ≦ E × F ÷ Lc ≦ 1800 × 10 3 (2)
引張弾性E(GPa)が255〜345GPaの範囲内にあり、かつ、単繊維数が少なくとも1,000本であることを特徴とする請求項1または2記載の炭素繊維。   The carbon fiber according to claim 1 or 2, wherein the tensile elasticity E (GPa) is in a range of 255 to 345 GPa and the number of single fibers is at least 1,000. 結晶サイズLc(nm)が1.0〜2.5の範囲内にあることを特徴とする請求項1または2記載の炭素繊維。   The carbon fiber according to claim 1 or 2, wherein the crystal size Lc (nm) is in the range of 1.0 to 2.5. 炭素繊維から作製した一方向コンポジットの0°圧縮強度C(MPa)が1500〜1800の範囲にあることを特徴とする請求項1記載の炭素繊維。   The carbon fiber according to claim 1, wherein the unidirectional composite produced from the carbon fiber has a 0 ° compressive strength C (MPa) in the range of 1500 to 1800. 炭素繊維の単繊維圧縮強度F(MPa)が6500〜9000の範囲にあることを特徴とする請求項2記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to claim 2, wherein the single fiber compressive strength F (MPa) of the carbon fiber is in the range of 6500 to 9000. 炭素繊維重量に対するサイジング剤の付着量が0.1〜1.0重量%以下の範囲内にあることを特徴とする請求項1または2記載の炭素繊維。   The carbon fiber according to claim 1 or 2, wherein the amount of the sizing agent attached to the carbon fiber weight is in the range of 0.1 to 1.0% by weight or less. 炭素繊維の単繊維径R(μm)が4≦R≦7の範囲内にあることを特徴とする請求項1または2記載の炭素繊維。   The carbon fiber according to claim 1 or 2, wherein a single fiber diameter R (µm) of the carbon fiber is within a range of 4≤R≤7. 炭素繊維を炭化するための炭化工程を、不活性雰囲気中にて1000〜1500℃の範囲内の温度で、且つ、走行糸の張力を4.5gf/tex以上の高張力で行うことを特徴とする炭素繊維の製造方法。   The carbonization step for carbonizing the carbon fiber is performed in an inert atmosphere at a temperature in the range of 1000 to 1500 ° C., and the tension of the running yarn is high tension of 4.5 gf / tex or more. Carbon fiber manufacturing method. 炭素繊維の炭化工程を経て電解酸化表面処理工程に入るまでの間に、走行糸に1kg当たり0.5〜250リットルの水を付与することを特徴とする請求項9記載の炭素繊維の製造方法。   10. The method for producing carbon fiber according to claim 9, wherein 0.5 to 250 liters of water per kg is applied to the running yarn before the carbon fiber carbonization step and the electrolytic oxidation surface treatment step. . 電解表面酸化処理工程の直前に設置した予備含浸槽で走行糸に電解液を含浸することを特徴とする請求項9または10記載の炭素繊維の製造方法。   The method for producing carbon fiber according to claim 9 or 10, wherein the running yarn is impregnated with an electrolytic solution in a pre-impregnation tank installed immediately before the electrolytic surface oxidation treatment step.
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