JP2008095222A - 炭素繊維束およびプリプレグ - Google Patents

Abstract

【課題】
優れた繊維長さ方向の引張強度と衝撃強さに優れ、かつ接着強さに優れた炭素繊維強化複合材料を与える炭素繊維束および平滑性に優れたプリプレグを提供する。
【解決手段】
エポキシ基を有するゴムラテックス２０〜８０重量％とエポキシ樹脂８０〜２０重量％を必須成分として含有するエポキシ樹脂サイジング剤が、０．３〜５重量％付着されてなる炭素繊維束と、その炭素繊維束とエポキシ樹脂マトリックスからなるプリプレグ。
【選択図】 なし

Description

本発明は、航空機用構造材料をはじめとして、ゴルフシャフトや釣り竿等のスポーツ用途、およびその他一般産業用途に好適に適用しうる繊維強化複合材料を得るための炭素繊維束とプリプレグに関するものである。

炭素繊維強化複合材料は、軽量で比強度および比弾性率等の機械的強度に優れているため、ゴルフシャフトや釣り竿等のスポーツ用途や航空機用構造材料等に広く用いられている。

このような炭素繊維強化複合材料を得るために炭素繊維束が用いられるが、この炭素繊維束は、例えば、熱硬化性樹脂を含むサイジング剤が付着されてなるものである。このような炭素繊維束に付与される熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ビスマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂およびエポキシ樹脂などが挙げられ、中でも、エポキシ樹脂は、耐熱性、成形性および炭素繊維との接着性に優れ、高度の機械的強度を有する繊維強化複合材料を与える熱硬化性樹脂である。

このような炭素繊維強化複合材料を、航空機、車両および船舶などの構造材料として適用する場合は、炭素繊維強化複合材料中の繊維長さ方向の引張強度や剪断強度に加えて、耐衝撃強さを高いレベルで実現させることが要求されている。

そこで炭素繊維強化複合材料の衝撃強さを向上させるため、ゴムラテックス類をサイジング剤として使用する方法が提案されている（特許文献１参照。）。しかしながら、この提案では、炭素繊維強化複合材料中の繊維長さ方向の引張強度および衝撃強さは優れるものの、層間剪断強度などの接着強さを大きく低下させるという問題があった。

また、炭素繊維束の耐摩耗性や耐擦過性を高めるため、ゴムラテックスをサイジング剤として使用する方法が提案されている（特許文献２および特許文献３参照。）。しかしながら、これらの提案では、炭素繊維束の取り扱い性は優れているものの、いずれも繊維長さ方向の引張強度および衝撃強さなど繊維強化複合材料特性を満足する炭素繊維強化複合材料が得られていない。

また、ゴムマトリックス用途のサイジング剤として、各種のゴムラテックス類を使用する方法が提案されている（特許文献４参照。）ものの、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂と組み合わせたプリプレグでは提案されておらず、特にエポキシマトリックス樹脂との親和性が高く、衝撃強さに優れるサイジング剤の開発が望まれている。
特開昭５９−１３０３７５号公報 特公昭６２−０４７９８８号公報 特公昭６２−０１１１１２号公報 特開２００３−３０６８７１号公報

本発明の目的は、繊維長さ方向の引張強度と衝撃強さに優れ、かつ接着強さに優れた炭素繊維強化複合材料を与える炭素繊維束および平滑性に優れたプリプレグを提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の炭素繊維束は、エポキシ基を有するゴムラテックス２０〜８０重量％とエポキシ樹脂８０〜２０重量％を必須成分として含有するエポキシ樹脂サイジング剤が、０．３〜５重量％付着されてなる炭素繊維束である。

本発明の炭素繊維束の好ましい態様によれば、前記のエポキシ基を有するゴムラテックスのエポキシ当量は２００〜２０００の範囲内である。

本発明の炭素繊維束の好ましい態様によれば、前記の炭素繊維束は扁平度が２０〜２００の範囲内のものである。

本発明の炭素繊維束の好ましい態様によれば、前記のエポキシ樹脂の少なくとも１種として脂肪族系エポキシ樹脂を用いることである。

また、本発明のプリプレグは、前記した本発明の炭素繊維束とエポキシ樹脂マトリックスからなるプリプレグである。

本発明によれば、繊維長さ方向の引張強度と衝撃強さに優れ、かつ接着強さに優れた繊維強化複合材料物性を有する炭素繊維束および平滑性に優れたプリプレグが得られ、航空機、車両および船舶などの構造材料に用いられるプリプレグ用途に好適である。

本発明者らは、鋭意検討した結果、エポキシ基を有するゴムラテックス２０〜８０重量％とエポキシ樹脂８０〜２０重量％を必須成分として含有するエポキシ樹脂サイジング剤が、０．３〜５重量％付着されてなる炭素繊維束およびそれを用いたプリプレグによって、上記の課題を一挙に解決することを究明したものである。

本発明において、サイジング剤にエポキシ基を有するゴムラテックスとエポキシ樹脂を特定の比率で含ませることによる作用は明確ではないが、下記のように考えられる。すなわち、通常のゴムマトリックスでは塑性変形による衝撃吸収能力があるものの、炭素繊維およびエポキシ樹脂マトリックスとの親和性が共に低くく、かつエポキシ樹脂マトリックスとの反応が困難なため、炭素繊維強化複合材料の接着特性が低い。エポキシ当量が特定範囲のゴムラテックス成分と、炭素繊維およびエポキシ樹脂マトリックスとの親和性の高いエポキシ樹脂成分を特定量で混合付着させ、かつ炭素繊維束を扁平にすることにより炭素繊維束内部にゴムラテックス成分が十分に付着され、サイジング剤組成間の反応が進み接着強さが確保できて、平滑なプリプレグを得ることができ、本来の衝撃強さと接着強さが同時に高い炭素繊維強化複合材料を得られたものと考えられる。

本発明のサイジング剤に用いることができるエポキシ基を有するゴムラテックスは、１分子中に１個以上のエポキシ基を有するゴムラテックスでる。

分子内にエポキシ基を１個以上有するゴムラテックスとしては、ブタジエンゴムラテックス、イソプレンゴムラテックス、ウレタンゴムラテックス、天然ゴムラテックス、スチレン−ブタジエンゴムラテックス、アクリロニトリル−ブタジエンゴムラテックス、クロロプレンゴムラテックスおよびビニルピリジン−スチレン−ブタジエンゴムラテックスなどの末端にエポキシ基を有するものが挙げられる。中でも、耐衝撃性の向上に特に効果的であるという観点から、アクリロニトリル−ブタジエンゴムラテックスやブタジエン−ニトリルゴムラテックスにエポキシ基を有するものが好ましく用いられる。これらは単独でも使用できるし、混合して使用することもできる。

また、本発明で用いられるエポキシ基を有するゴムラテックスは、エポキシ当量が好ましくは２００〜２０００であり、より好ましくは２３０〜１０００である。エポキシ当量が２００未満では、サイジング剤の別成分であるエポキシ樹脂との親和性が高く反応が進みすぎ、結果的に衝撃特性が低くなる傾向がある。また、エポキシ当量が２０００を超えると、サイジング剤の別成分であるエポキシ樹脂との親和性が低くなり、結果的に接着強さが不十分になることがある。このエポキシ当量は、ＪＩＳ−Ｋ−７２３６（１９８６）に準拠して測定される。

このようなエポキシ基を有するゴムラテックスとしては、具体的には、大日本インキ化学工業（株）製の“エピクロン”（登録商標）ＴＳＲ−６０１、ＴＳＲ−９６０や、（株）ＡＤＥＫＡ製の“アデカレジン”（登録商標）ＥＰＲ−１３０９、ＥＰＲ−４０２３などが挙げられる。

さらに、本発明のサイジング剤に用いることができるエポキシ樹脂としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有する化合物が用いられる。

分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物としては、例えば、分子内に水酸基を有する化合物から得られるグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、分子内にアミノ基を有する化合物から得られるグリシジルアミン型エポキシ樹脂、分子内にカルボキシル基を有する化合物から得られるグリシジルエステル型エポキシ樹脂、分子内に不飽和結合を有する化合物から得られる環式脂肪族エポキシ樹脂、およびトリグリシジルイソシアネートなどの複素環式エポキシ樹脂等が挙げられ、あるいはこれらから選ばれる２種類以上の官能基が分子内に混在するエポキシ樹脂などを用いることができる。

上記のグリシジルエーテル型エポキシ樹脂の具体例としては、ビスフェノールＡとエピクロロヒドリンのようなハロゲン含有エポキシド類との反応により得られるビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦと前記ハロゲン含有エポキシド類との反応により得られるビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビフェニルと前記ハロゲン含有エポキシド類との反応により得られるビフェニル型エポキシ樹脂、レゾルシノールと前記ハロゲン含有エポキシド類との反応により得られるレゾルシノール型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳと前記ハロゲン含有エポキシド類との反応により得られるビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、多価アルコール類と前記ハロゲン含有エポキシド類との反応生成物であるポリエチレングリコール型エポキシ樹脂、ポリプロピレングリコール型エポキシ樹脂、ビス−（３，４−エポキシ−６−メチル−ジシクロヘキシルメチル）アジペート、３，４−エポキシシクロヘキセンエポキシドなどの不飽和結合部分を酸化して得られるエポキシ樹脂、その他ナフタレン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、およびこれらのハロゲンあるいはアルキル置換体などが挙げられる。

中でも、炭素繊維束に柔軟性を付与するという観点から、環状構造を有しない脂肪族系エポキシ樹脂が好ましく、具体的には例えば、グリセロールポリグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテル、ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテルおよびポリプロピレングリコールジグリシジルエーテルなど多価アルコール類とエピクロロヒドリンとの反応物が好ましく用いることができる。

とりわけ、層間剪断強度の向上に特に効果的であるという観点から、グリセロールポリグリシジルエーテルとソルビトールポリグリシジルエーテルが好ましく用いられる。具体的には、ナガセケムテックス（株）製の“デナコール”（登録商標）ＥＸ−６１４、ＥＭ−４１１や、阪本薬品工業（株）製のＳＲ−４ＧＬ、ＳＲ−ＳＥＰなどが挙げられる。

本発明で用いられるサイジング剤は、エポキシ基を有するゴムラテックス２０〜８０重量％とエポキシ樹脂８０〜２０重量％を必須成分として含有するものである。すなわち、本発明で用いられるサイジング剤に含まれるエポキシ基を有するゴムラテックスとエポキシ樹脂との乾燥重量比は８０／２０〜２０／８０であり、好ましくは７０／３０〜４０／６０である。乾燥重量比が８０／２０未満では、炭素繊維束とエポキシ樹脂マトリックスとの接着性が不十分になることがある。また、乾燥重量比が２０／８０以上になると、衝撃に対する変形能が乏しく耐衝撃強さが小さくなり、結果として優れた炭素繊維強化複合材料の特性が得られない場合がある。エポキシ基を有するゴムラテックスとエポキシ樹脂の乾燥重量比は、ゴムラテックスの固形分重量（ゴムラテックス由来のゴム成分）、およびエポキシ樹脂の重量計算値から処理液を調合することにより調整することができる。

サイジング剤を構成することができる他の成分としては、炭素繊維の取扱い性、耐擦過性および耐毛羽性を高め、マトリックス樹脂の含浸性を向上させるため、必要に応じ、ポリエーテル樹脂、ポリエステル樹脂およびポリウレタン樹脂等や、分散剤および界面活性剤等の補助成分を添加することができる。

本発明で用いられる界面活性剤は特に限定されず、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤等のイオン型界面活性剤や、非イオン界面活性剤等を用いることができる。中でも、サイジング液の安定性と接着性の観点から、非イオン界面活性剤が好ましく用いられる。イオン型界面活性剤を用いると、ゴムラテックスのエマルジョン安定性が破壊され、処理液の安定性が乏しくなったり、接着性の有効成分であるエポキシ基と反応し、反応活性のあるエポキシ基が不足してしまうため、接着性が乏しくなることがある。

本発明においては、サイジング剤を、炭素繊維束の単位重量当たり０．３〜５重量％の範囲内で炭素繊維束に付着させることが重要である。サイジング剤の付着量は好ましくは０．４〜２．５重量％の範囲内である。炭素繊維束の単位重量当たりのサイジング剤の付着量が少ないと、ゴムラテックス組成による衝撃に対する変形能が乏しく、耐衝撃強さが小さくなり、結果として優れた炭素繊維強化複合材料の特性が得られず、かつ炭素繊維束の集束不足により、製織およびプリプレグ化する際に、通過する金属ガイドなどによる摩擦に耐えられず毛羽発生し易くなる。一方、サイジング剤の付着量が５重量％を超えると、炭素繊維強化複合材料において塑性変形が起こり、層間剪断強度などの高い接着強さが得られず、かつプリプレグ化工程で、マトリックス樹脂が炭素繊維束内部に含浸せず、得られる複合材料においてボイド生成し易く、複合材料の品位低下と同時に機械物性が低くなる。

本発明において、サイジング剤が付与される炭素繊維束は、炭素繊維束として提供される。本発明で好適に用いられる炭素繊維束としては、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、レーヨン系あるいはピッチ系などの公知の炭素繊維フィラメントが数千から数万本束になったもので、特に、補強効果を得る上で、高強度の炭素繊維束が得られやすいＰＡＮ系炭素繊維束を使用することが好ましい。

炭素繊維束の扁平度は、好ましくは２０〜２００の範囲内であり、より好ましくは３０〜１５０の範囲内である。扁平度が２０未満では、炭素繊維束の内部にゴムラテックス成分が十分に付着せず、衝撃特性がばらつくと同時に、プリプレグ加工時に単繊維間にマトリックス樹脂が均一に含浸できずプリプレグ化工程における開繊・拡幅性を不均一なものとなり、プリプレグ表面の平滑性が悪化する場合がある。また、扁平度が２００を超えると、炭素繊維束を巻き取ったボビンの端部で繊維束折れや撚りが発生したり、繊維束幅が狭められたりして、結果的にプリプレグ化工程における開繊・拡幅性を不均一なものとなり、プリプレグ表面の平滑性が悪化する場合がある。

また、本発明で用いられる炭素繊維束の総繊度は、好ましくは４００〜３０００テックスであり、さらに好ましくは５００〜２０００テックスである。また総フィラメント数は、好ましくは１０００〜１０００００本であり、さらに好ましくは３０００〜５００００本である。また、炭素繊維束としてのストランド引張強度は、好ましくは１〜１０ＧＰａであり、さらに好ましくは５〜８ＧＰａである。また、炭素繊維束としてのストランド引張弾性率は、好ましくは１００〜１０００ＧＰａであり、さらに好ましく２００〜６００ＧＰａである。上記のストランド強度はＪＩＳ−Ｒ−７６０１（１９８６）に準拠して測定される。

次に、ＰＡＮ系炭素繊維束を用いる場合を例にとって、本発明の炭素繊維束を製造する方法を詳細に説明する。

炭素繊維束を製造するための前駆体繊維を得るための紡糸方法としては、湿式、乾式あるいは乾湿式などの紡糸方法を採用することができるが、高強度の繊維が得られやすい湿式あるいは乾湿式紡糸が好ましく、特に乾湿式紡糸が好ましく用いられる。紡糸原液には、ポリアクリロニトリルのホモポリマーあるいは共重合体の溶液あるいは懸濁液などを用いることができる。

この紡糸原液を口金に通して紡糸し、凝固、水洗および延伸して前駆体繊維とし、この前駆体繊維を耐炎化処理、炭化処理、必要によっては更に黒鉛化処理をすることによって炭素繊維束とする。得られた炭素繊維束は、複合材料化される際に組み合わされるマトリックス樹脂との接着性を良好なものとするため、必要に応じて電解表面処理などの表面酸化処理がなされる。

このような実質的に撚りのない炭素繊維束に、サイジング剤を付着させる。炭素繊維束にサイジング剤を付着させるためには、サイジング剤が溶媒に溶解または分散したサイジング液を用い、炭素繊維束に、そのサイジング液を付与した後、溶媒を乾燥、除去する方法が簡便である。

また、炭素繊維束にサイジング剤付与後の乾燥工程においては、ローラー間で、適度に張力を付与せしめた状態で炭素繊維束を空中乾燥する方法をとることができる。ローラー上に炭素繊維束を押し当てた状態で乾燥すると、炭素繊維束が拡げられた状態で固定され、扁平度が２００よりも大きくなってしまう可能性があるが、炭素繊維束に張力をかけ、絞られた状態（すなわち、無張力に比べ繊維束幅が小さくなった状態）で空中乾燥することにより、扁平度を２００以下に保った状態で固定することができるのである。このとき、５００〜３０００ｇの範囲内の張力を付与することが好ましい。５００ｇ未満の張力では、繊維束の弛みが発生し、繊維束の幅斑が発生する可能性がある。また、３０００ｇを超える張力を掛けると糸痛みや毛羽が発生する可能性がある。

サイジング液は、取り扱い性および安全性の面から、界面活性剤で乳化させた水分散液とすることが最適である。サイジング液におけるサイジング剤の濃度は、サイジング液の付与方法および付与した後に余剰のサイジング液を絞り取る絞り量の調整等によって適宜調節する必要があるが、通常は０．２重量％〜２０重量％の範囲内とすることができる。

本発明において、サイジング液を炭素繊維束に付与する手段としては、ローラーサイジング法、ローラー浸漬法およびスプレー法などを用いることができる。中でも、一束あたりの単繊維数が多い炭素繊維束についても、サイジング剤を均一に付与しうるため、ローラー浸漬法が好ましく用いられる。

サイジング液の液温は、溶媒蒸発によるサイジング剤の濃度変動を抑えるため、１０〜５０℃の範囲内であることが好ましい。また、サイジング液を付与した後に余剰のサイジング液を絞り取る絞り量を調整することにより、サイジング剤を炭素繊維束内に均一に付与することができる。溶媒を乾燥除去する際の処理は、１２０〜３００℃の温度で１０秒〜１０分間の処理が好適であり、より好適には１５０〜２５０℃の温度で３０秒〜４分間の処理である。

本発明の炭素繊維束は、１０本（束）以上を一方向に引き揃えシート状物とし、これにマトリックス樹脂を含浸させてプリプレグとすることができる。

本発明で用いられるマトリックス樹脂としてはエポキシ樹脂が用いられる。エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、およびウレタン変性エポキシ樹脂等を使用することができる。これらのエポキシ樹脂は、単独または２種類以上を併用して使用することができ、さらにはエポキシ樹脂としては液状のものから固状のものまで使用することができる。通常これらのエポキシ樹脂は、必要に応じて硬化促進剤等を添加して用いられることが多い。

炭素繊維束にマトリックス樹脂を含浸させる方法には種々の方式がある。例えば、溶剤で希釈した樹脂液中に炭素繊維束を入れ含浸させる、いわゆるディップ方式や、離型シートに樹脂をコーティングしたフィルムを予め用意しておき、これを炭素繊維束に重ね合わせた後、熱をかけて加圧することにより含浸させる、いわゆるホットメルト方式等があるが、本発明では特に制限されるものではない。

上記マトリックス樹脂をロールコータを用いて離型紙上に塗布し、樹脂フィルムを作成した後、一方向へ引き揃えた炭素繊維束と樹脂フィルムを重ねて、加熱加圧によりマトリックス樹脂を含浸させ、好ましくは加工速度７〜１０ｍ／分でプリプレグを作成する。その際、加熱ニップ含浸ロール部温度は好ましくは１００〜１２０℃であり、また圧力は３〜５ｋｇ／ｃｍ²であることが好ましい。

本発明のプリプレグは、航空機用構造材料や、ゴルフシャフト、釣り竿およびテニスラケットのフレーム等のスポーツ用途の中間素材として、また自動車や建築物の補修あるいは補強用などの一般産業用途にも好適に使用するこことができる。

以下、実施例により本発明についてさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。本実施例において用いた各物性の測定法と評価方法は、下記に示すとおりである。

＜サイジング剤付着量＞
約２ｇの炭素繊維束を秤量（Ｗ１）した後、５０リットル／分の窒素気流中、温度４５０℃に設定した電気炉（容量１２０ｃｍ^３）に１５分間放置し、サイジング剤を完全に熱分解させる。そして、２０リットル／分の乾燥窒素気流中の容器に移し、１５分間冷却した後の炭素繊維束を秤量（Ｗ２）して、次式によりサイジング剤付着量を求める。
・サイジング付着量（％）＝［Ｗ１（ｇ）−Ｗ２（ｇ）］／［Ｗ１（ｇ）］×１００
＜扁平度＞
扁平度は、ボビン上に巻かれ、パッケージとした状態における炭素繊維束の繊維束厚みＴに対する繊維束幅Ｗの比、すなわち、Ｗ／Ｔとして表したものである。ここで、繊維束厚みＴは、炭素繊維束をその形態がくずれないようにパッケージから解舒し、オムロン（株）製の高精度レーザー光変位計Ｚ３００を使用し、炭素繊維束のほぼ中央の厚みを測定し、ｎ数１０の平均値として求めた。また、繊維束幅Ｗは、パッケージの表面に位置する炭素繊維束にスケールをあてて測定し、ｎ数１０の平均値として求めた。

＜プリプレグの平滑性＞
また、プリプレグの平滑性の指標としては、プリプレグ表面の変位曲線から求められる、単位長さあたりの山の数を用いた。すなわち、表面平滑測定装置を用いて、プリプレグ表面において、強化繊維に対して９０°方向の変位曲線を３００ｍｍにわたって測定し、高低差（谷と山の差）が５μｍ以上の凸部分の数を求めた。その凸部分の数を測定長で割り返し、単位長さ（１００ｍｍ）あたりの数に換算したものを山数とした。２０未満を良とした。

＜コンポジット物性＞
［コンポジット試験片の作製］
先ず、円周約２．７ｍの鋼製ドラムに、炭素繊維束と組み合わせる後述組成のエポキシ樹脂マトリックスを、シリコーン塗布ペーパー上にコーティングした樹脂フィルムを巻き、次にクリールから引き出した炭素繊維束をトラバースを介して前記樹脂フィルム上に巻き取り、配列して、更にその炭素繊維束の上から前記樹脂フィルムを再度かぶせて後、加圧ロールで回転加圧して樹脂を炭素繊維束内に含浸せしめ、幅３００ｍｍ、長さ２．７ｍの一方向プリプレグを作製する。

このとき、炭素繊維束間への樹脂含浸を良くするために、ドラムは５０〜６０℃の温度に加熱する。ドラムの回転数とトラバースの送り速度とを調整することによって、繊維目付２００±５ｇ／ｍ² 、樹脂量約３５重量％のプリプレグを作製する。このようにして作製したプリプレグを裁断し、積層し、オートクレーブを用いて加熱硬化（温度２００℃、圧力０．６ＭＰａ、２時間）させ、硬化板を作製する。

［０゜引張強度の測定］
上記プリプレグを一方向積層して、１ｍｍ厚の硬化板を作成した。０°引張強度の測定は、ＪＩＳ−Ｋ−７０７３（１９８８）に従い、０°引張強度を測定した。硬化板から、長さ２３０±０．４ｍｍ、幅１２．５±０．２ｍｍ、厚さ１±０．２ｍｍの一方向０゜引張試験片（I形）を作成した。ゲージ長は１２５±０．２ｍｍとし、試験片引張試験機のクロスヘッドスピードを１５ｍｍ／分とし、ｎ＝５で行った。

［層間剪断強度の測定］
上記プリプレグを一方向積層して、２ｍｍ厚の硬化板を作成した。層間剪断強度の測定は、ＪＩＳ−Ｋ−７０７８（１９９１）に従い、３点曲げ試験で層間剪断強度を測定した。硬化板から、長さ１４±０．４ｍｍ、幅１０±０．２ｍｍ、厚さ２±０．４ｍｍの９０゜方向材試験片を作成し、スパン（ｌ）と試験片厚み（ｄ）の比はｌ／ｄ＝５±０．２とし、曲げ試験機のクロスヘッドスピードを１ｍｍ／分とし、ｎ＝５で行った。

［衝撃強さの測定］
上記プリプレグを一方向積層して、４ｍｍ厚の硬化板を作成した。シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ−Ｋ−７１１１（１９８４）（試験片の種類；２号Ｅ・Ｄ）に従い、衝撃値を測定した。硬化板から、長さ５０±２ｍｍ、幅６±０．２ｍｍ、厚さ４±０．１ｍｍの０゜方向材試験片を作成し、試験片支持台間の距離を４０ｍｍとし、ｎ＝５で行った。

（実施例１）
アルリロニトリル９９モル％、イタコン酸１モル％からなる共重合体を紡糸し、焼成し、電解表面処理を行い、総フィラメント数２４、０００本でサイジング剤を付与していない炭素繊維束を得た。この炭素繊維束の特性は、総繊度８００テックス、比重 １．８、ストランド引張強度 ６．２ＧＰａ、ストランド引張弾性率３００ＧＰａであった。サイジング剤は、下記配合比のものを使用した。サイジング液には、サイジング剤をノニオン系界面活性剤２０部で乳化した水エマルジョン（サイジング剤濃度３重量％）液を用いた。
・ブタジエン・ニトリルゴム変性エポキシ：６０重量部
“エピクロン”（登録商標）ＴＳＲ−６０１（大日本インキ化学工業（株）製）エポキシ当量４５０〜５００
・ソルビトールポリグリシジルエーテル：４０重量部
“デナコール”（登録商標）ＥＸ−６１４（ナガセケムテックス（株）製）、エポキシ当量１６７
このサイジング液をディップ法により前記の炭素繊維束に含浸させた後、ローラー間で７００ｇの張力を付与し熱風乾燥機で２００℃の温度で２分間乾燥することによりサイジング付着量１．５重量％、扁平度が５０の炭素繊維束を得た。この炭素繊維束を、上記［コンポジット試験片の作製］方法に従い、あらかじめ用意した下記組成の樹脂をコーティングしたフィルム上の一方向に引き揃えてプリプレグを得た。プリプレグ平滑性は１０であった。

［エポキシ樹脂マトリックスの組成］
・ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製“ｊＥＲ”（登録商標）８２５）：５０重量部
・テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン（住友化学（株）製ＥＬＭ４３４）：５０重量部
・ポリエーテルスルホン樹脂：１５重量部
・４，４’−ジアミノジフェニルスルホン：４６重量部
各種評価試験を行った結果を、表１に示す。表１に示す評価結果から判るように、本発明による炭素繊維束は平滑性の高いプリプレグが得られ、同時に引張強度、衝撃強さと接着強さの高い機械物性を得た。

（実施例２〜７、比較例１〜３）
サイジング剤を下記成分を表１に示す配合比のものでノニオン系界面活性剤２０部で乳化した水エマルジョン（サイジング剤濃度３重量％）を用いたこと以外は、実施例１の方法でサイジング剤の異なる炭素繊維束を得た。

［ゴムラテックス］
・ブタジエン・ニトリルゴム変性エポキシ：“エピクロン”（登録商標）ＴＳＲ−６０１（大日本インキ化学工業（株）製）エポキシ当量４５０〜５００
・ニトリル・ブタジエンゴム変性エポキシ：“アデカレジン”（登録商標）ＥＰＲ−１０３９（（株）ＡＤＥＫＡ製）エポキシ当量３００
・ゴム変性エポキシ：“アデカレジン”（登録商標）ＥＰＲ−２１（（株）ＡＤＥＫＡ製）エポキシ当量２１０
・ブタジエンゴムラテックス：“ニッポール”（登録商標）ＬＸ１１１Ｋ（日本ゼオン(株)製））。

［エポキシ樹脂］
・ソルビトールポリグリシジルエーテル：“デナコール”（登録商標）ＥＸ−６１４（ナガセケムテックス（株）製）、エポキシ当量１６７
・ビスフェノールＡジグリシジルエーテル：“ｊＥＲ”（登録商標）８２８（ジャパンエポキシレジン（株）製）、エポキシ当量１８４〜１９４。

表１に示す評価結果から判るように、実施例１〜７は、平滑性の高いプリプレグが得られたと同時に、何れも０°引張強度２．８ＧＰａ、層間剪断強度８０ＭＰａ、衝撃強さ９０ｋＪ／ｍｍ^２以上と高いことがわかる。しかしながら、比較例１と２は、コンポジット引張強度が高かったものの、層間剪断強度が低い結果であった。また、比較例３は、コンポジット引張強度、衝撃強さとも低い結果であった。

（実施例８〜１１）
サイジング剤濃度を０．５重量％、７重量％に変更したこと以外は、実施例１の方法でサイジング付着量の異なる炭素繊維束を、サイジング液を含浸させた後、表面温度１５０℃のホットローラの使用したこと、およびローラー間の張力を２０００ｇにしたこと以外は、実施例１の方法で扁平度の異なる炭素繊維束を得た。各種評価試験を行った結果を、表２に示す。表２に示す評価結果から判るように、実施例８〜１１は、何れも０°引張強度２．８ＧＰａ、層間剪断強度８０ＭＰａ、衝撃強さ９０ｋＪ／ｍｍ^２以上と高いことがわかる。

本発明の炭素繊維束およびプリプレグは、繊維長さ方向の引張強度と衝撃強さに優れ、かつ接着強さに優れた炭素繊維強化複合材料を与え、航空機用構造材料、ゴルフシャフトや釣り竿等のスポーツ用途、およびその他一般産業用途に好適である。

Claims (5)

1. エポキシ基を有するゴムラテックス２０〜８０重量％とエポキシ樹脂８０〜２０重量％を必須成分として含有するエポキシ樹脂サイジング剤が、０．３〜５重量％付着されてなる炭素繊維束。
2. エポキシ基を有するゴムラテックスのエポキシ当量が２００〜２０００の範囲内である請求項１記載の炭素繊維束。
3. 炭素繊維束の扁平度が２０〜２００の範囲内である請求項１または２記載の炭素繊維束。
4. エポキシ樹脂の少なくとも１種が脂肪族系エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の炭素繊維束。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の炭素繊維束とエポキシ樹脂マトリックスからなるプリプレグ。