JP2008088577A - 高強度炭素繊維 - Google Patents
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- Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
- Inorganic Fibers (AREA)
Abstract
【解決手段】L*a*b*表色系における彩度(ΔC*ab)が1.2以上で、且つ、L*a*b*表色系における色度b*が0以上である高強度炭素繊維である。これらは、例えば、炭素繊維の硝酸を用いる電解処理によって得られるが、かかる処理により炭素繊維の表面脆弱層が除去され、また表面付近の微細構造が緻密となるので、機械的特性に優れたものとなり、樹脂含浸ストランド強度が6000MPa以上、樹脂含浸ストランド弾性率が340GPa以上、密度が1.76g/cm3以上の性能を示す。
【選択図】なし
Description
a*b*は、色立体において三次元の座標軸を示すものであり、L*は明度を表し、L*=0がもっとも暗く(黒色)、L*=100がもっとも明るい状態(白色)を表現している。a*b*に関しては、tanθ(b*/a*)が色相を表し、それぞれ+と−の領域を持っている。即ち、原点0に垂直方向にL*軸が立っており、あるL*の値で縦軸と横軸にa*とb*が直交しており、a*が+なら赤、−なら補色の緑、b*が+なら黄色、そして−なら補色の青色を示す。そして、色々なa*b*の値の組み合わせで、中間的な色の表現がなされる。
本発明において、炭素繊維の製造方法に用いる前駆体繊維としては、従来公知のものが何ら制限なく使用できる。その中でもアクリル系繊維が好ましく、広角X線回折(回折角17°)による配向度が90.5%以下のアクリル系繊維がより好ましい。具体的にはアクリロニトリルを90質量%以上、好ましくは95質量%以上含有する単量体を重合した紡糸溶液を紡糸して、炭素繊維原料とする。紡糸方法としては、湿式又は乾湿式紡糸方法いずれの方法も用いることができるが、樹脂との接着性を考慮すると、湿式紡糸方法がより好ましい。また、凝固した後は、水洗・乾燥・延伸して炭素繊維原料とすることが好ましい。
得られた前駆体繊維は、引き続き加熱空気中200〜280℃の温度範囲内で耐炎化処理される。この時の処理は、一般的に、延伸倍率0.85〜1.30の範囲で処理されるが、高強度・高弾性率の炭素繊維を得るためには、0.95以上がより好ましい。この耐炎化処理は、繊維密度1.3〜1.5g/cm3の耐炎化繊維とするものであり、耐炎化時の糸にかかる張力は特に限定されるものでは無い。
上記耐炎化繊維を、不活性雰囲気中で、第一炭素化工程において、300〜900℃の温度範囲内で、1.03〜1.06の延伸倍率で一次延伸処理し、次いで0.9〜1.01の延伸倍率で二次延伸処理して、繊維密度1.50〜1.70g/cm3の第一炭素化処理繊維を得る。第一炭素化工程において、一次延伸処理では、耐炎化繊維の弾性率が極小値まで低下した時点から9.8GPaに増加するまでの範囲、同繊維の密度が1.5g/cm3に達するまでの範囲で、1.03〜1.06の延伸倍率で延伸処理を行うのが好ましい。二次延伸処理においては、一次延伸処理後の繊維の密度が二次延伸処理中に上昇し続ける範囲で、0.9〜1.01倍の延伸倍率で延伸処理を行うのが好ましい。かかる条件を採用すると、結晶が成長することなく、緻密化され、ボイドの生成も抑制でき、最終的に高い緻密性を有した高強度炭素繊維を得ることができる。上記第一炭素化工程は、一つの炉若しくは二つ以上の炉で、連続的若しくは別々に処理することができる。
上記第一炭素化処理繊維を、不活性雰囲気中で、第二炭素化工程において800〜2100℃の温度範囲内で、同工程を一次処理と二次処理とに分けて延伸処理して、第二炭素化処理繊維を得る。一次処理では、第一炭素化処理繊維の密度が一次処理中上昇し続ける範囲、同繊維の窒素含有量が10質量%以上の範囲で、同繊維を延伸処理するのが好ましい。二次処理においては、一次処理繊維の密度が変化しない又は低下する範囲で、同繊維を延伸処理するのが好ましい。第二炭素化処理繊維の伸度は2.10%以上、より好ましくは2.20%以上である。また、第二炭素化処理繊維の直径は、5〜6.5μmであるのが好ましい。また、これら焼成工程は、単一設備で連続して処理することも、数個の設備で連続して処理することも可能であり、特に限定されるものではない。
上記第二炭素化処理繊維は、引き続いて表面処理を施す。表面処理には気相、液相処理も用いることができるが、工程管理の簡便さと生産性を高める点から、電解処理による表面処理が好ましい。表面処理において用いる電解液としては、無機酸、無機酸塩等を用いることができるが、硫酸、硝酸、塩酸等の無機酸がより好ましい。これらの電解液の濃度が1〜25質量%、温度が10〜80℃、より好ましくは20〜50℃の範囲内で、繊維1gあたり10〜2000クーロン、より好ましくは200〜500クーロンの電気量で化学的・電気的酸化処理を行うのが良い。電気量を大きくすることで、エッチング量が増え、彩度は増加するが、電気量が大きすぎると表面の凹凸が表面欠陥となり、繊維強度が低下するため好ましくない。また、電気量が小さすぎると、エッチングが起こりにくくいため好ましくない。
上記第二炭素化処理繊維は、引き続いてサイジング処理を施す。サイジング方法は、従来の公知の方法で行うことができ、サイジング剤は、用途に即して適宜組成を変更して使用し、均一付着させた後に、乾燥することが好ましい。
7601に規定された方法により測定した。密度は、アルキメデス法により測定し、試料繊維はアセトン中にて脱気処理し測定した。炭素繊維のサイジング剤の除去は、アセトンを用い3時間のソックスレー処理によって行い、そののち繊維を風乾した。
アクリロニトリル95質量%/アクリル酸メチル4質量%/イタコン酸1質量%よりなる共重合体紡糸原液を、常法により湿式紡糸し、水洗・乾燥後、トタール延伸倍率が14倍になるようにスチーム延伸を行い、0.65デニールの繊度を有するフィラメント数12,000の前駆体繊維を得た。
実施例1で得られた前記未電解処理炭素繊維を、6.3質量%の硝酸水溶液を用い、電気量が500クーロン/gの条件で電解処理し、常法によりサイジング処理を行い、乾燥して密度1.77g/cm3、繊維直径5.1μmの炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の彩度、色度、樹脂含浸ストランド強度と弾性率、表面酸素濃度O/Cと表面窒素濃度N/Cの測定値は表1に示した。
実施例1で得られた前記未電解処理炭素繊維を、6.3質量%の硝酸水溶液を用い、電気量が1000クーロン/gの条件で電解処理し、常法によりサイジング処理を行い、乾燥して密度1.77g/cm3、繊維直径5.1μmの炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の彩度、色度、樹脂含浸ストランド強度と弾性率、表面酸素濃度O/Cと表面窒素濃度N/Cの測定値は表1に示した。
実施例1で得られた前記未電解処理炭素繊維を、電解質溶液として8.0質量%の硫酸アンモニウム水溶液を用い、電気量が50クーロン/gの条件で電解処理し、常法によりサイジング処理を行い、比較用の炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の彩度、色度、樹脂含浸ストランド強度と弾性率、表面酸素濃度O/Cと表面窒素濃度N/Cの測定値は表1に示した。
アクリロニトリル95質量%/アクリル酸メチル4質量%/イタコン酸1質量%よりなる共重合体紡糸原液を湿式又は乾湿式紡糸し、水洗・乾燥・延伸・オイリングして繊維直径9.1μmのアクリル系前駆体繊維を得た。この繊維を加熱空気中、200〜260℃の温度域で耐炎化処理し、繊維密度1.34g/cm3のアクリル系耐炎化繊維を得た。
アクリロニトリル97.5質量%/アクリル酸メチル2.5質量%よりなる共重合体紡糸原液を、常法により湿式紡糸し、水洗・乾燥・スチーム延伸を行い、0.9デニールの繊度を有するフィラメント数12,000の前駆体繊維を得た。
Claims (3)
- L*a*b*表色系における彩度(ΔC*ab)が1.2以上で、且つ、L*a*b*表色系における色度b*が0以上である高強度炭素繊維。
- X線光電子分光器により測定される炭素繊維の表面酸素濃度(O/C)が0.13以上、表面窒素濃度(N/C)が0.05以下である請求項1記載の高強度炭素繊維。
- 樹脂含浸ストランド強度が6000MPa以上、樹脂含浸ストランド弾性率が340GPa以上、密度が1.76g/cm3以上である請求項1又は2項記載の高強度炭素繊維。
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