JP2008274520A - Sizing agent for carbon fiber and carbon fiber bundle - Google Patents

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正信 小林
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sizing agent for carbon fibers, a carbon fiber bundle, and carbon short fibers which provide a carbon-fiber reinforced composite material having excellent high-order processability such as handleability or resin impregnating properties in FW (filament winding), PT (pultrusion), and molding of an SMC (sheet molding compound), and excellent adhesive strength to a matrix resin. <P>SOLUTION: The sizing agent for the carbon fibers includes a urethane-modified epoxy resin (A) represented by formula (1) and a polyether being a bisphenol compound (B) in which 10-50 mol of an alkylene oxide is added in a mass ratio (A)/(B) within the range of 2-10. In the carbon fiber bundle, the sizing agent is applied in an amount of 0.2-4 mass% based on the unit mass of the carbon fiber bundle, 10,000-150,000 filaments composes the carbon fiber bundle, and the cross-section of the fiber bundle has a flatness (width/thickness) of 20 to 200. In the carbon short fibers, the sizing agent is applied in an amount of 1-10 mass% based on the unit mass of the carbon fibers, the fiber length is 2 to 60 mm. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、複合材料などのフィラメントワインディングおよびプルトルージョン成形において、ハンドリング性、樹脂含浸性などの高次加工性に優れ、かつ繊維強化複合材料特性に優れた炭素繊維用サイジング剤および該サイジング剤が付着した炭素繊維束、およびシートモールディング(SMC)成形において、分散性、樹脂含浸性などに優れ、かつ短繊維強化複合材料特性に優れた炭素短繊維に関するものである。   The present invention relates to a sizing agent for carbon fibers excellent in high-order processability such as handling property and resin impregnation property and filament reinforced composite material properties in filament winding and pultrusion molding of composite materials, and the sizing agent. The present invention relates to a carbon short fiber having excellent dispersibility, resin impregnation property, and the like, and excellent short fiber reinforced composite material properties in adhering carbon fiber bundle and sheet molding (SMC) molding.

炭素繊維は機械的特性、特に比強度、比弾性率が高いという特徴を有しているため、航空宇宙用途、レジャー用途、一般産業用途などに広く使用されている。   Since carbon fibers have the characteristics of high mechanical properties, particularly specific strength and specific elastic modulus, they are widely used in aerospace applications, leisure applications, general industrial applications, and the like.

その成形方法もプリプレグ・レイアップ成形、ハンドレイアップ成形、フィラメントワインディング成形、プルトルージョン成形、プルワインド成形、ファイバープレースメント成形、レジントランスファーモールディング(RTM)成形、シートモールディングコンパウンド成形等様々なものが用いられている。この中でもフィラメントワインディング(以下、FWと略す)成形法、プルトルージョン(以下、PTと略す)成形法、シートモールディングコンパウンド(以下、SMCと略す)成形法は、元来ガラス繊維に適用されてきた方法であるが、その優れた生産性、成形コスト、さらには短繊維使いでは設計自由度が高く、かつ得られる複合材料の高い機械的特性などの利点を活かして炭素繊維にも広く適用されるようになってきている。   Various molding methods such as prepreg / layup molding, hand layup molding, filament winding molding, pultrusion molding, pullwinding molding, fiber placement molding, resin transfer molding (RTM) molding, sheet molding compound molding, etc. are used. ing. Among these, the filament winding (hereinafter abbreviated as FW) molding method, the pultrusion (hereinafter abbreviated as PT) molding method, and the sheet molding compound (hereinafter abbreviated as SMC) molding method are methods that have been originally applied to glass fibers. However, it can be widely applied to carbon fibers by taking advantage of its excellent productivity, molding cost, high design flexibility when using short fibers, and high mechanical properties of the resulting composite materials. It is becoming.

これらの成形法に適用される現状の炭素繊維は、生産性のメリットからフィラメント数が10,000本以上の太物の炭素繊維束が使用されているが、同条件で成形した場合には、太物の炭素繊維束を使用した形成体は、表面凹凸、ボイド生成などの成形品の品位の面で、フィラメント数が数千本程度の細物の炭素繊維束を使用した形成体に対して劣位にあるため、成形速度をやや遅くする等して対応されてきた。さらには、これらの成形法は、ボビンから高速で炭素繊維束を引き出し、多数のローラーを介して取り回してハンドリングするため、太物の炭素繊維束を使用する場合には、このボビンからの引き出し、ローラーでの擦過、毛羽巻き付きが起こりやすく、成形速度をやや遅くする等して対応されてきた。つまり、太物の炭素繊維束を使用した成形においては、太物の炭素繊維束の拡がり性、樹脂含浸性等を向上することで表面凹凸、ボイド生成等を抑制でき、ハンドリング性を高めることができれば、さらなる生産性の向上が可能である。また太物の炭素繊維束を切断した炭素短繊維の場合には、カット工程に入る前の取扱いにおける太物の炭素繊維束としての集束性と、カット工程でのカット時に適度な割れが生じることによる炭素短繊維としての分散性や樹脂含浸性を向上することで、表面凹凸、ボイド生成等を抑制でき、優れた短繊維強化複合材料特性が得ることが期待できる。   The current carbon fiber applied to these molding methods is a thick carbon fiber bundle having a filament number of 10,000 or more from the merit of productivity, but when molded under the same conditions, Formed products using thick carbon fiber bundles are compared to formed products using thin carbon fiber bundles with a fine number of filaments of about several thousand in terms of the quality of molded products such as surface irregularities and void formation. Since it is inferior, it has been dealt with by slightly reducing the molding speed. Furthermore, these molding methods draw a carbon fiber bundle from a bobbin at a high speed, and handle and handle it through a large number of rollers. Friction with a roller and fluffing are likely to occur, and it has been dealt with by slightly reducing the molding speed. In other words, in molding using a thick carbon fiber bundle, surface unevenness, void formation, etc. can be suppressed by improving the spreadability of the thick carbon fiber bundle, resin impregnation, etc., and handling properties can be improved. If possible, further improvement in productivity is possible. In addition, in the case of short carbon fibers cut from a thick carbon fiber bundle, convergence as a thick carbon fiber bundle in handling before entering the cutting process, and appropriate cracking occurs during cutting in the cutting process By improving the dispersibility and resin impregnation property as short carbon fibers by the surface, surface irregularities, void formation, etc. can be suppressed, and excellent short fiber reinforced composite material properties can be expected.

天然ガス自動車に用いられるような高性能な燃料用ボンベ等を生産性良く製造する必要が、日増し増してきており、これに伴いFWあるいはPT成形に適したハンドリング性および樹脂含浸性等の優れた太物化された炭素繊維束の要求が高まっており、さらには生産性が高く、設計自由度が高いことなどの理由により、SMC成形などに適した樹脂含浸性、成形時の流動性等の優れた炭素短繊維の要求も高まっている。   The need to produce high-performance fuel cylinders such as those used in natural gas vehicles with high productivity is increasing day by day. With this increase in handling properties and resin impregnation properties suitable for FW or PT molding. The demand for thickened carbon fiber bundles is increasing, and the productivity is high and the degree of freedom in design is high. For example, resin impregnation properties suitable for SMC molding, fluidity during molding, etc. The demand for excellent carbon short fibers is also increasing.

ハンドリング性を改善する方法としては、炭素繊維束に耐擦過性の優れたサイジング剤を付与する方法などが提案されている(特許文献1および特許文献2参照。)。また、FW成形用のサイジング剤が提案されている(特許文献3参照。)。また、特許文献4には、合糸された糸割れ率が40%以下である実質的に無撚の太物の炭素繊維束が提案されている。また、特許文献5および特許文献6には、繊維束の扁平率、固形エポキシ基樹脂粘度を規定した炭素繊維束が開示されている。   As a method for improving the handleability, a method of applying a sizing agent having excellent scratch resistance to a carbon fiber bundle has been proposed (see Patent Document 1 and Patent Document 2). Further, a sizing agent for FW molding has been proposed (see Patent Document 3). Patent Document 4 proposes a substantially untwisted thick carbon fiber bundle having a combined yarn cracking rate of 40% or less. Patent Documents 5 and 6 disclose carbon fiber bundles that define the flatness of the fiber bundle and the solid epoxy-based resin viscosity.

しかしながら、何れもFW成形においてハンドリング性、樹脂含浸性等の加工性に優れているものの、多様なマトリックス樹脂で優れた複合材料物性を発現できるFW成形法に適した炭素繊維用サイジング剤および炭素繊維束は得られていないのが現状である。   However, sizing agents for carbon fibers and carbon fibers suitable for FW molding methods that can exhibit excellent composite material properties with various matrix resins, although all have excellent processability such as handling properties and resin impregnation properties in FW molding. At present, no bundle has been obtained.

一方、一般的に、SMCにおいては、強化繊維は、数〜数十mmにカットして用いられることから、同じく強化繊維がカットして用いられる熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化熱可塑性樹脂複合材料(以下、FRTPと略す)におけるチョップドストランドと同じように扱われる場合がある。炭素繊維チョップドストランドの例として、サイジング剤としてウレタン樹脂を用いることが開示されている(特許文献7,8参照)。しかしながら、SMCとFRTPでは、用いられるマトリックス樹脂の特性が異なることに加え、その成形方法も全く異なることから、おのずと炭素繊維束に求められる特性も異なり、SMCとFRTPのそれぞれに適した炭素繊維を設計する必要がある。また、特許文献9には、SMC用にサイジング剤として反応性ウレタン樹脂を用いることが開示されている。しかしながら、カット工程での炭素短繊維の分散性や、SMC成形工程での樹脂含浸性、SMC成形物の機械特性を満足する炭素短繊維は得られていないのが現状である。
特公平01−046636号公報 特開平01−314785号公報 特開昭58−013781号公報 特開平08−158163号公報 特開2002−294568号公報 特開2002−317383号公報 特開平10−001877号公報 特開平10−077350号公報 特開2006−144168号公報
On the other hand, in general, in SMC, a reinforcing fiber is cut into several to several tens of millimeters. Therefore, a fiber-reinforced thermoplastic resin having a matrix resin as a thermoplastic resin that is also used by cutting the reinforcing fiber. The composite material (hereinafter abbreviated as FRTP) may be treated in the same manner as the chopped strand. As an example of the carbon fiber chopped strand, use of a urethane resin as a sizing agent is disclosed (see Patent Documents 7 and 8). However, in SMC and FRTP, in addition to the different characteristics of the matrix resin used, the molding method is also completely different, so the characteristics required for the carbon fiber bundle are naturally different, and carbon fibers suitable for SMC and FRTP are used. Need to design. Patent Document 9 discloses the use of a reactive urethane resin as a sizing agent for SMC. However, at present, carbon short fibers satisfying the dispersibility of the short carbon fibers in the cutting process, the resin impregnation property in the SMC molding process, and the mechanical properties of the SMC molded product have not been obtained.
Japanese Patent Publication No. 01-046636 Japanese Unexamined Patent Publication No. 01-314785 JP 58-013781 A Japanese Patent Laid-Open No. 08-158163 JP 2002-294568 A JP 2002-317383 A JP-A-10-001877 Japanese Patent Laid-Open No. 10-073350 JP 2006-144168 A

本発明の目的は、FWあるいはPT成形などの高次加工に優れ、かつマトリックス樹脂との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用サイジング剤および炭素繊維束、およびSMC成形などの成形性に優れ、かつ高い短繊維強化複合材料特性を与える炭素短繊維を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a carbon fiber sizing agent and a carbon fiber bundle that are excellent in high-order processing such as FW or PT molding and have excellent adhesion strength with a matrix resin, and SMC molding. Another object of the present invention is to provide a short carbon fiber that is excellent in moldability and gives high short fiber reinforced composite material properties.

本発明者らは、かかる現状に鑑み、FW、PTおよびSMC成形法に適した炭素繊維用サイジング剤、炭素繊維束および炭素短繊維について鋭意検討した結果、本発明に至ったものである。   In view of the current situation, the present inventors have intensively studied sizing agents for carbon fibers, carbon fiber bundles and carbon short fibers suitable for FW, PT, and SMC molding methods, and have reached the present invention.

本発明は、前記課題を解決するために、以下の構成を採用するものである。すなわち、下記式(1)で表される構造を有するウレタン変性エポキシ樹脂(A)と下記式(2)で表されるビスフェノール化合物のアルキレンオキサイド10〜50モル付加物であるポリエーテル(B)を、質量比(A)/(B)が2〜10の範囲内の割合で含むことを特徴とする炭素繊維用サイジング剤である。   The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems. Specifically, a urethane-modified epoxy resin (A) having a structure represented by the following formula (1) and a polyether (B) that is an adduct of 10 to 50 mol of alkylene oxide of a bisphenol compound represented by the following formula (2): The sizing agent for carbon fiber, wherein the mass ratio (A) / (B) is contained at a ratio in the range of 2 to 10.

Figure 2008274520
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[式中、R1は、炭素数1〜18の飽和脂肪族炭化水素基または不飽和脂肪族炭化水素基を、Xは、芳香族、脂環族、または脂肪族の2価の結合基を表す。mは1または2、nは5〜20である。] [Wherein, R 1 represents a saturated aliphatic hydrocarbon group or unsaturated aliphatic hydrocarbon group having 1 to 18 carbon atoms, and X represents an aromatic, alicyclic, or aliphatic divalent linking group. . m is 1 or 2, and n is 5-20. ]

Figure 2008274520
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[式中、R2およびR3は各々独立に水素原子または炭素数1〜4の飽和脂肪族炭化水素基を表す。]
また、本発明の炭素繊維束は、前記した本発明のサイジング剤を炭素繊維束の単位質量当たり0.5〜4質量%付着され、炭素繊維束を構成するフィラメント数が10,000〜150,000本、かつ繊維束断面の偏平率(幅/厚さ)が20〜200である炭素繊維束である。
[Wherein, R 2 and R 3 each independently represents a hydrogen atom or a saturated aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms. ]
Moreover, the carbon fiber bundle of the present invention has the sizing agent of the present invention attached to 0.5 to 4% by mass per unit mass of the carbon fiber bundle, and the number of filaments constituting the carbon fiber bundle is 10,000 to 150, It is a carbon fiber bundle having a flatness ratio (width / thickness) of 20 to 200 and 000 fibers.

また、本発明の炭素短繊維は、前記した本発明のサイジング剤が炭素繊維の単位質量当たり、1〜10質量%付着され、繊維長が2〜60mmである炭素短繊維である。

なお、本発明において、炭素繊維、または、炭素繊維束とは、サイジング剤が付与された炭素繊維、または、炭素繊維束を指すものとし、サイジングを付与する前の炭素繊維、または、炭素繊維束は、これと区別するために、被サイジング処理炭素繊維または、被サイジング処理炭素繊維束と記すこととする。
Moreover, the carbon short fiber of the present invention is a carbon short fiber in which the sizing agent of the present invention is attached in an amount of 1 to 10% by mass per unit mass of the carbon fiber and the fiber length is 2 to 60 mm.

In the present invention, the carbon fiber or carbon fiber bundle refers to a carbon fiber or carbon fiber bundle provided with a sizing agent, and the carbon fiber or carbon fiber bundle before sizing is applied. In order to distinguish from this, it is referred to as a sizing-treated carbon fiber or a sizing-treated carbon fiber bundle.

本発明によれば、ハンドリング性、樹脂含浸性、成形性に優れ、かつマトリックス樹脂との接着強さに優れた繊維強化複合材料物性を発現できる炭素繊維用サイジング剤、該サイジング剤が付着した炭素繊維束および炭素短繊維が得られ、ボンベ等を製造するFW成形あるいはPT成形や、設計自由度の高いSMC成形などに好適に使用できる。   According to the present invention, a sizing agent for carbon fiber that is excellent in handling property, resin impregnation property, moldability, and can exhibit physical properties of a fiber reinforced composite material excellent in adhesive strength with a matrix resin, and carbon to which the sizing agent is attached. Fiber bundles and short carbon fibers can be obtained, and can be suitably used for FW molding or PT molding for producing cylinders and the like, and SMC molding with a high degree of design freedom.

本発明者らは、鋭意検討した結果、下記式(1)で表される構造を有するウレタン変性エポキシ樹脂(A)と下記式(2)で表されるビスフェノール化合物のアルキレンオキサイド10〜50モル付加物であるポリエーテル(B)を含み、その質量比(A)/(B)が2〜10の範囲内にある炭素繊維用サイジング剤、該サイジング剤を炭素繊維束の単位質量当たり0.5〜4質量%付着され、炭素繊維束を構成するフィラメント数が10,000〜150,000本、かつ繊維束断面の偏平率(幅/厚さ)が20〜200である炭素繊維束、および、該サイジング剤を炭素繊維の単位質量当たり1〜10質量%付着され、繊維長が2〜60mmである炭素短繊維によって、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。   As a result of intensive studies, the present inventors have added 10 to 50 mol of alkylene oxide of a urethane-modified epoxy resin (A) having a structure represented by the following formula (1) and a bisphenol compound represented by the following formula (2). A sizing agent for carbon fiber containing a polyether (B) as a product and having a mass ratio (A) / (B) in the range of 2 to 10, and 0.5% of the sizing agent per unit mass of the carbon fiber bundle. A carbon fiber bundle that is attached to ˜4 mass%, has a number of filaments constituting the carbon fiber bundle of 10,000 to 150,000, and a flatness (width / thickness) of the fiber bundle cross section is 20 to 200, and The present inventors have investigated that the above problems can be solved at once by using carbon short fibers having 1 to 10% by mass of the sizing agent per unit mass of carbon fiber and having a fiber length of 2 to 60 mm.

Figure 2008274520
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[式中、R1は、炭素数1〜18の飽和脂肪族炭化水素基または不飽和脂肪族炭化水素基を、Xは、芳香族、脂環族、または脂肪族の2価の結合基を表す。mは1または2、nは5〜20である。] [Wherein, R 1 represents a saturated aliphatic hydrocarbon group or unsaturated aliphatic hydrocarbon group having 1 to 18 carbon atoms, and X represents an aromatic, alicyclic, or aliphatic divalent linking group. . m is 1 or 2, and n is 5-20. ]

Figure 2008274520
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[式中、R2およびR3は各々独立に水素原子または炭素数1〜4の飽和脂肪族炭化水素基を表す。]
本発明において、サイジング剤に式(1)で表される構造を有するウレタン変性エポキシ樹脂(A)と式(2)で表されるポリエーテル(B)を特定の比率で含む炭素繊維用サイジング剤の高次加工性およびマトリックス樹脂との接着強さの両立に関する作用機構は明らかではいないが、下記のように考えられる。
[Wherein, R 2 and R 3 each independently represents a hydrogen atom or a saturated aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms. ]
In this invention, the sizing agent for carbon fibers which contains the urethane modified epoxy resin (A) which has a structure represented by Formula (1), and the polyether (B) represented by Formula (2) in a specific ratio in a sizing agent Although the mechanism of action relating to the compatibility of the high-order processability and the adhesive strength with the matrix resin is not clear, it is considered as follows.

FW成形、PT成形およびSMC成形で通常マトリックス樹脂として使用されるエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂および不飽和ポリエステル樹脂など、さまざまなマトリックス樹脂と炭素繊維の界面の高い接着強さを得るには、サイジング剤成分にエポキシ基やウレタン骨格が必要である。一方、FW成形、PT成形およびSMC成形で使用される低粘度樹脂を太物の炭素繊維束内に樹脂含浸させ、かつ各々の成形方法で高次加工性を高めるにはサイジング剤成分にアルキレンオキサイド鎖や脂肪族炭化水素基の導入が有効であるが、サイジング剤成分へのかかる骨格の導入は同時にマトリックス樹脂と炭素繊維の界面(すなわち、炭素繊維の表面とマトリックス樹脂)の接着強さを低下させる。   To obtain high adhesive strength at the interface between various matrix resins and carbon fibers, such as epoxy resins, vinyl ester resins and unsaturated polyester resins, which are usually used as matrix resins in FW molding, PT molding and SMC molding, a sizing agent Ingredients need an epoxy group or urethane skeleton. On the other hand, a low-viscosity resin used in FW molding, PT molding, and SMC molding is impregnated into a thick carbon fiber bundle, and in order to improve high-order workability by each molding method, an alkylene oxide is used as a sizing agent component. The introduction of chains and aliphatic hydrocarbon groups is effective, but the introduction of such a skeleton into the sizing agent component simultaneously reduces the bond strength between the matrix resin and the carbon fiber interface (ie, the surface of the carbon fiber and the matrix resin). Let

そこで本発明では、サイジング剤の組成として、ウレタン変性エポキシに末端脂肪族炭化水素基を有する比較的低分子量のエチレンオキサイド鎖を導入してマトリックス樹脂との接着強さ低下を抑えて樹脂含浸性および高次加工性を向上させ、さらに比較的低分子量のポリエーテル(B)を同時に別成分として少量添加することで、炭素繊維の表面とウレタン変性エポキシ樹脂(A)との親和性が相乗的に高められたことにより、炭素繊維の表面とマトリックス樹脂との接着強さを低下させることなく、樹脂含浸性および高次加工性が優れたサイジング剤が得られたものと考えられる。   Therefore, in the present invention, as the composition of the sizing agent, the resin-impregnated property and the resin-impregnated property are obtained by introducing a relatively low molecular weight ethylene oxide chain having a terminal aliphatic hydrocarbon group into the urethane-modified epoxy to suppress a decrease in adhesive strength with the matrix resin. By improving the high-order processability and adding a small amount of a relatively low molecular weight polyether (B) as a separate component simultaneously, the affinity between the surface of the carbon fiber and the urethane-modified epoxy resin (A) is synergistic. It is considered that a sizing agent excellent in resin impregnation property and high-order processability was obtained without lowering the adhesive strength between the carbon fiber surface and the matrix resin.

また、フィラメント数が10,000本を超える太物の炭素繊維束においては、前記サイジング剤を特定量で付着させ、かつ繊維束断面を特定の扁平率にすることにより炭素繊維束内部にマトリックス樹脂が十分に付着され、ボイド無く、本来の機械強さとマトリックス樹脂との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。   Further, in a thick carbon fiber bundle having more than 10,000 filaments, the sizing agent is attached in a specific amount, and the cross section of the fiber bundle is made to have a specific flattening rate so that the matrix resin is contained inside the carbon fiber bundle. It is considered that a carbon fiber reinforced composite material with a sufficient adhesion, no voids, and high mechanical strength at the same time as the adhesive strength with the matrix resin was obtained.

また、前記サイジング剤付着量を特定量で付着させることで、太物の炭素繊維束のカット工程に入る前の取扱いに必要な炭素繊維束の集束性と、カット工程でのカット時の衝撃により太物の炭素繊維束に適度な割れが起こることにより、分散性が優れた分割した炭素短繊維が得られたものと考えられる。   Moreover, by attaching the sizing agent adhering amount in a specific amount, due to the convergence of the carbon fiber bundle necessary for handling before entering the cutting process of the thick carbon fiber bundle and the impact at the time of cutting in the cutting process It is considered that a split carbon short fiber having excellent dispersibility was obtained by causing an appropriate crack in the thick carbon fiber bundle.

本発明のサイジング剤に用いることができるウレタン変性エポキシ樹脂(A)は、前記式(1)で示される構造を有し、次のようにして得ることができる。まず、ポリエチレンオキサイドモノアルキルエーテルの末端水酸基に、その水酸基量に対する反応当量の多価イソシアネートを反応させ、次いで得られた反応生成物のイソシアネート残基に多価エポキシ樹脂内の水酸基と反応させることによって得ることができる。   The urethane-modified epoxy resin (A) that can be used in the sizing agent of the present invention has a structure represented by the above formula (1) and can be obtained as follows. First, the terminal hydroxyl group of polyethylene oxide monoalkyl ether is reacted with a polyvalent isocyanate having a reaction equivalent to the amount of the hydroxyl group, and then the isocyanate residue of the obtained reaction product is reacted with the hydroxyl group in the polyvalent epoxy resin. Obtainable.

ここで、用いられる多価イソシアネートとしては、2,4−トリレンジイソシアネート、メタフェニレンジイソシアネート、パラフェニレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ノルボルナンジイソシアネート、トリフェニルメタントリイソシアネート、ビフェニル−2,4,4’−トリイソシアネートなどが挙げられる。   Here, as the polyvalent isocyanate used, 2,4-tolylene diisocyanate, metaphenylene diisocyanate, paraphenylene diisocyanate, diphenylmethane diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, isophorone diisocyanate, norbornane diisocyanate, triphenylmethane triisocyanate, biphenyl-2, Examples include 4,4′-triisocyanate.

ポリエチレンオキサイドモノアルキルエーテルは、耐擦過性の観点からアルキル基およびポリエチレンオキサイド構造が長鎖であることが好ましいが、FW成形法、PT成形法およびSMC成形に使用されるマトリックス樹脂との接着強さとの観点から、アルキル基については、R1が炭素数1〜18の飽和脂肪族炭化水素または不飽和脂肪族炭化水素基であることが必要であり、ポリエチレンオキサイド構造はnが5〜20の範囲であることが必要である。アルキル基としては、具体的にはメチル基、エチル基、ブチル基、ラウリル基、ステアリル基、オレイル基などが挙げられるが、マトリックス樹脂との接着強さの観点から、メチル基、エチル基、ブチル基であればさらに好ましい。また、ポリエチレンオキサイド構造はnが5〜15の範囲であれば、マトリックス樹脂との接着強さと耐擦過性のバランスから好ましい。   The polyethylene oxide monoalkyl ether preferably has a long chain alkyl group and polyethylene oxide structure from the viewpoint of scratch resistance. However, the bond strength with the matrix resin used in the FW molding method, PT molding method and SMC molding In view of the above, for the alkyl group, R1 must be a saturated aliphatic hydrocarbon or unsaturated aliphatic hydrocarbon group having 1 to 18 carbon atoms, and the polyethylene oxide structure has n in the range of 5 to 20. It is necessary to be. Specific examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a butyl group, a lauryl group, a stearyl group, and an oleyl group. From the viewpoint of adhesive strength with a matrix resin, a methyl group, an ethyl group, and a butyl group are exemplified. More preferably, it is a group. The polyethylene oxide structure is preferably n in the range of 5 to 15 from the balance of adhesion strength with the matrix resin and scratch resistance.

さらに上記多価イソシアネートとポリエチレンオキサイドモノエーテルとの反応生成物のイソシアネート残基と反応させる、多価エポキシ樹脂としては水酸基およびエポキシ基を複数有する多価エポキシ樹脂であることが必要である。具体的には、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、レゾルシノール型エポキシ樹脂、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などである。中でも炭素繊維の表面との親和性、集束性を付与するという観点から、芳香族系エポキシ樹脂が好ましく、具体的にはビスフェノールAジグリシジルエーテル、ビスフェノールFジグリシジルエーテルなどが好ましく使用される。   Further, the polyvalent epoxy resin to be reacted with the isocyanate residue of the reaction product of the polyvalent isocyanate and polyethylene oxide monoether needs to be a polyvalent epoxy resin having a plurality of hydroxyl groups and epoxy groups. Specifically, it is a reaction product of bisphenol A type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, biphenyl type epoxy resin, resorcinol type epoxy resin, bisphenol S type epoxy resin, polyhydric alcohols and the above halogen-containing epoxides. Examples thereof include a polyethylene glycol type epoxy resin and a polypropylene glycol type epoxy resin. Of these, aromatic epoxy resins are preferred from the viewpoint of imparting affinity to the surface of the carbon fiber and converging properties. Specifically, bisphenol A diglycidyl ether, bisphenol F diglycidyl ether, and the like are preferably used.

また本発明のウレタン変性エポキシ樹脂は、マトリックス樹脂との高い接着強さを得る観点からエポキシ当量が500〜2000であることが好ましく、600〜1500であれば、より好ましい。エポキシ当量が500未満では、マトリックス樹脂との接着強さは得られるもののサイジング剤自体の粘着性が高まるため、FW成形プロセスの際に単繊維が金属ローラーに巻き付き易くなり、FW成形におけるプロセス性が悪くなる。また、エポキシ当量が2000を超えると、炭素繊維の表面とサイジング剤との親和性が低くなり、マトリックス樹脂との接着強さが不十分になる。このエポキシ当量は、JIS−K−7236(1986)に従って測定される。   The urethane-modified epoxy resin of the present invention preferably has an epoxy equivalent of 500 to 2000 and more preferably 600 to 1500 from the viewpoint of obtaining high adhesive strength with the matrix resin. When the epoxy equivalent is less than 500, the adhesive strength with the matrix resin can be obtained, but the sizing agent itself becomes more sticky, so that the single fiber is easily wound around the metal roller during the FW molding process, and the processability in the FW molding is improved. Deteriorate. On the other hand, when the epoxy equivalent exceeds 2000, the affinity between the surface of the carbon fiber and the sizing agent becomes low, and the adhesive strength with the matrix resin becomes insufficient. This epoxy equivalent is measured according to JIS-K-7236 (1986).

本発明のサイジング剤に用いることができるポリエーテル(B)は、前記式(2)で表されるビスフェノール化合物のアルキレンオキサイド10〜50モル付加物である。アルキレンオキサイド付加モル数が10モル未満の場合、耐擦過性および前記ウレタン変性エポキシ樹脂(A)との親和性不足により樹脂含浸性が低下する場合があり、付加モル数が50モルを超えるとマトリックス樹脂との接着強さが低下することからかかる範囲であることが必要であり、10〜40モル付加物であれば、好ましい。ポリエーテル(B)は、具体的には例えば下記式(3)で示されるビスフェノールAのアルキレンオキサイド付加物が挙げられ、アルキレンオキサイドは特に限定しないが、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、エチレンオキサイド/プロピレンオキサイドのブロックポリマーなどが挙げられる。   The polyether (B) that can be used in the sizing agent of the present invention is an alkylene oxide 10 to 50 mol adduct of the bisphenol compound represented by the formula (2). When the added number of moles of alkylene oxide is less than 10 moles, the resin impregnation property may be deteriorated due to scratch resistance and insufficient affinity with the urethane-modified epoxy resin (A). When the added mole number exceeds 50 moles, the matrix Since the adhesive strength with the resin is lowered, it is necessary to be in such a range, and a 10 to 40 mol adduct is preferable. The polyether (B) specifically includes, for example, an alkylene oxide adduct of bisphenol A represented by the following formula (3), and the alkylene oxide is not particularly limited, but ethylene oxide, propylene oxide, ethylene oxide / propylene oxide. The block polymer of these is mentioned.

Figure 2008274520
Figure 2008274520

本発明のサイジング剤は、必須成分としてウレタン変性エポキシ樹脂(A)および、ポリエーテル(B)を、質量比(A)/(B)が2〜10の範囲内の割合で含有するものである。すなわち、本発明で用いられるウレタン変性エポキシ樹脂(A)とポリエーテル(B)との乾燥状態での質量比は2〜10であり、好ましくは3〜8である。乾燥状態での質量比が2未満では、炭素繊維束の集束不足および耐擦過性不足により、FW成形、PT成形およびSMC成形する際に、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り、金属ガイド等に単糸が巻き付きトラブルの原因となると同時に、炭素繊維束とエポキシ樹脂マトリックスとの接着強さが不十分になることがある。一方、乾燥質量比が10を超えると、炭素繊維の表面とサイジング剤との親和性が低下し、かつ炭素繊維束の集束過剰となるためマトリックス樹脂が、FW成形、PT成形、SMC成形工程で、炭素繊維束内部にマトリックス樹脂が含浸せず、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。また、ウレタン変性エポキシ樹脂(A)とポリエーテル(B)の乾燥状態での質量比は、ウレタン変性エポキシ樹脂(A)の固形分質量とポリエーテル(B)の質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、炭素繊維束または炭素短繊維の取扱い性、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を添加することができる。界面活性剤は特に限定されないが、イオン型界面活性剤を用いると、FW成形、PT成形、SMC成形工程においてマトリックス樹脂としてエポキシ樹脂を用いた場合、炭素繊維の表面でエポキシ樹脂と界面活性剤との反応が進み、炭素繊維束が硬くなり、エポキシ樹脂が炭素繊維束内まで含浸せずに、ボイド生成の原因になる場合があるため、ノニオン型界面活性剤が好ましい。
The sizing agent of the present invention contains the urethane-modified epoxy resin (A) and the polyether (B) as essential components in a ratio in which the mass ratio (A) / (B) is in the range of 2 to 10. . That is, the mass ratio in the dry state of the urethane-modified epoxy resin (A) and the polyether (B) used in the present invention is 2 to 10, preferably 3 to 8. When the mass ratio in the dry state is less than 2, fluffing occurs due to insufficient focusing of the carbon fiber bundle and insufficient abrasion resistance, and cannot withstand friction caused by a metal guide passing through when forming FW, PT, and SMC. It becomes easy and a single yarn is wound around a metal guide or the like, and at the same time, the adhesive strength between the carbon fiber bundle and the epoxy resin matrix may be insufficient. On the other hand, when the dry mass ratio exceeds 10, the affinity between the surface of the carbon fiber and the sizing agent is reduced, and the carbon fiber bundle is excessively focused, so that the matrix resin is used in the FW molding, PT molding and SMC molding processes. In addition, the matrix resin is not impregnated inside the carbon fiber bundle, and voids are easily generated in the resulting composite material. The mass ratio of the urethane-modified epoxy resin (A) and the polyether (B) in the dry state is determined by preparing the treatment liquid from the solid content mass of the urethane-modified epoxy resin (A) and the mass calculated value of the polyether (B). Other components that can make up the sizing agent can be adjusted by improving the handleability, scratch resistance and fluff resistance of the carbon fiber bundles or short carbon fibers, and improving the impregnation of the matrix resin. Therefore, if necessary, a polyether resin, a polyester resin, a polyurethane resin, etc., a dispersant, a surfactant, and the like can be added. The surfactant is not particularly limited. However, when an ionic surfactant is used, when an epoxy resin is used as a matrix resin in the FW molding, PT molding, and SMC molding processes, the epoxy resin and the surfactant on the surface of the carbon fiber. The nonionic surfactant is preferred because the carbon fiber bundle becomes hard and the epoxy resin does not impregnate the carbon fiber bundle and may cause void formation.

本発明の炭素繊維束は、炭素繊維束を構成するフィラメント数が、10,000〜150,000本であり、前記サイジング剤が炭素繊維束の単位質量当たり0.5〜4質量%の範囲内で被サイジング処理炭素繊維束に付着させた、繊維束断面の扁平率(幅/厚さ)が20〜200である炭素繊維束である。   In the carbon fiber bundle of the present invention, the number of filaments constituting the carbon fiber bundle is 10,000 to 150,000, and the sizing agent is within a range of 0.5 to 4% by mass per unit mass of the carbon fiber bundle. The carbon fiber bundle having a flatness (width / thickness) of the fiber bundle cross section of 20 to 200 attached to the sizing treated carbon fiber bundle.

本発明において、炭素繊維束を構成するフィラメント数は、10,000〜150,000本であり、好ましくは20,000〜100,000本である。10,000本未満なら従来技術の範囲でも良好な樹脂含浸性が得られるものの成形品の生産性を向上するのに限界があり、150,000本を超えるとFW成形品およびPT成形品では表面平滑性が得られない場合がある。また、前記サイジング剤の付着量は単位質量当たり0.5〜4質量%であり、0.4〜2.5質量%の範囲内であればより好ましい。サイジング剤の付着量が0.5質量%より少ないと、炭素繊維束の集束不足および耐擦過性不足により、FW成形、PT成形する際に、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り、金属ガイド等に単糸が巻き付きトラブルとなる。一方、サイジング剤の付着量が4質量%を超えると、炭素繊維束の集束過剰となり、マトリックス樹脂が、FW成形、PT成形工程で、炭素繊維束内部にマトリックス樹脂が含浸せず、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。   In the present invention, the number of filaments constituting the carbon fiber bundle is 10,000 to 150,000, preferably 20,000 to 100,000. If it is less than 10,000, good resin impregnation can be obtained even within the range of the prior art, but there is a limit to improving the productivity of the molded product. If it exceeds 150,000, the surface of FW molded product and PT molded product Smoothness may not be obtained. Moreover, the adhesion amount of the said sizing agent is 0.5-4 mass% per unit mass, and if it exists in the range of 0.4-2.5 mass%, it is more preferable. If the amount of sizing agent attached is less than 0.5% by mass, the carbon fiber bundles will not be able to withstand the friction caused by metal guides passing through when forming FW or PT due to insufficient focusing and abrasion resistance. It becomes easy to do so, and a single yarn is wound around a metal guide or the like. On the other hand, when the adhesion amount of the sizing agent exceeds 4% by mass, the carbon fiber bundles are excessively focused, and the matrix resin is not impregnated with the matrix resin inside the carbon fiber bundles in the FW molding and PT molding processes, and thus obtained composite Voids are easily generated in the material, and the mechanical properties are lowered at the same time as the quality of the composite material is lowered.

また、本発明の炭素繊維束は、繊維束断面の扁平率(幅/厚さ)が特定の範囲にあることが必要である。本発明における繊維束断面の扁平率とは、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と繊維束幅をベースとしたしたものである。本発明において、繊維束断面の扁平率は20〜200の範囲内であることが必要であり、30〜150の範囲内であればより好ましい。繊維束断面の扁平率が20未満では、フィラメント数が10,000本を超える炭素繊維束では、高速でフィラメントワインディングする際に炭素繊維束内部にマトリックス樹脂が十分に含浸できず、得られる複合材料においてボイド生成し、複合材料の品位低下と同時に機械物性が低くなる場合がある。また、繊維束断面の扁平率が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、繊維束幅が狭められたることにより、結果的にFW成形工程における開繊・拡幅性を不均一なものとなり、マトリックス樹脂の含浸性や、工程中の毛羽発生の原因となる場合だけでなく、FW成形品表面に凹凸ができ平滑性が低下する場合がある。   Further, the carbon fiber bundle of the present invention requires that the flatness (width / thickness) of the cross section of the fiber bundle is in a specific range. The flatness of the cross section of the fiber bundle in the present invention is based on the fiber bundle thickness and the fiber bundle width of the carbon fiber bundle wound on a bobbin and used as a package. In the present invention, the flatness of the cross section of the fiber bundle needs to be in the range of 20 to 200, and more preferably in the range of 30 to 150. When the flatness of the cross section of the fiber bundle is less than 20, a carbon fiber bundle having more than 10,000 filaments cannot sufficiently impregnate the matrix resin inside the carbon fiber bundle when filament winding at high speed, and the resulting composite material In some cases, voids are generated at the same time, and the mechanical properties are lowered simultaneously with the deterioration of the quality of the composite material. Also, when the flatness of the fiber bundle cross section exceeds 200, the end of the bobbin around which the carbon fiber bundle is wound is broken or twisted, and the width of the fiber bundle is narrowed. In addition to the unevenness of the spread and widening properties of the resin, which may cause the impregnation of the matrix resin and the generation of fluff during the process, the surface of the FW molded product may be uneven and the smoothness may be reduced. .

本発明の炭素短繊維は、前記サイジング剤が炭素短繊維の単位質量当たり1〜10質量%の範囲内で被サイジング処理炭素繊維に付着させた、繊維長が2〜60mmである炭素短繊維である。   The short carbon fiber of the present invention is a short carbon fiber having a fiber length of 2 to 60 mm, wherein the sizing agent is attached to the sizing-treated carbon fiber within a range of 1 to 10% by mass per unit mass of the short carbon fiber. is there.

本発明において、前記サイジング剤の付着量は単位質量当たり1〜10質量%であり、1〜5質量%の範囲内であればより好ましい。サイジング剤の付着量が1質量%より少ないと、カット前の炭素繊維束の集束不足、耐擦過性不足により、カット工程の際に毛羽発生し易く、かつカット後に炭素短繊維が細かく分割し過ぎて毛羽玉となり、SMC成形工程での分散性、流動性が低くなり、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。一方、サイジング剤の付着量が10質量%を超えると、カット前の炭素繊維束の集束過剰となり、カット後の炭素短繊維の分割れが起こりにくく、SMC成形工程での流動性が低くなり、炭素短繊維の束内にマトリックス樹脂が含浸せず、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。   In this invention, the adhesion amount of the said sizing agent is 1-10 mass% per unit mass, and if it exists in the range of 1-5 mass%, it is more preferable. If the amount of sizing agent attached is less than 1% by mass, the carbon fiber bundles before cutting will be insufficiently focused and the scuff resistance will be insufficient, and fluff will be generated during the cutting process, and the carbon short fibers will be too finely divided after cutting. As a result, the dispersibility and fluidity in the SMC molding process are lowered, voids are easily generated in the obtained composite material, and the mechanical properties are lowered at the same time as the quality of the composite material is lowered. On the other hand, when the adhesion amount of the sizing agent exceeds 10% by mass, the carbon fiber bundle before cutting is excessively focused, and the short carbon fibers after cutting are less likely to be split, resulting in low fluidity in the SMC molding process. The bundle of short carbon fibers is not impregnated with the matrix resin, and voids are easily generated in the resulting composite material.

また、本発明の炭素短繊維は、繊維長が2〜60mmであり、4〜40mmの範囲内であればより好ましい。繊維長が2mm未満では補強効果が低下する傾向にあり、一方60mmより長いと成形時の炭素短繊維の流動性が低くなり賦形性が悪くなる場合がある。カットの手段としては、ギロチンカッターや、ロービングカッター等のロータリー式カッターなど公知の方法によりカットすることができる。   Moreover, the short carbon fiber of the present invention has a fiber length of 2 to 60 mm and is more preferably within a range of 4 to 40 mm. When the fiber length is less than 2 mm, the reinforcing effect tends to be reduced. On the other hand, when the fiber length is longer than 60 mm, the flowability of the short carbon fibers at the time of molding is lowered and the formability may be deteriorated. As a cutting means, it can be cut by a known method such as a guillotine cutter or a rotary cutter such as a roving cutter.

本発明の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系炭素繊維束が好ましい。   As the carbon fiber bundle of the present invention, for example, a known carbon fiber filament such as polyacrylonitrile (PAN), rayon, or pitch is bundled from several thousand to several tens of thousands, and particularly, a reinforcing effect is obtained. Above all, a PAN-based carbon fiber bundle from which a high-strength carbon fiber bundle can be easily obtained is preferable.

また、本発明の炭素繊維束のストランド引張強度は、成形体の用途により適宜選択され、特に制限されないが、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。ここで、ストランド引張強度・引張弾性率とは次のようにして測定したものである。ユニオン・カーバイド(株)製“ベークライト(登録商標)”ERL4221/三フッ化ホウ素モノエチルアミン(BF3 ・MEA)/アセトン=100/3/4部からなる樹脂を炭素繊維束に含浸し、得られた樹脂含浸ストランドを130℃で30分間加熱して硬化させた後、JIS−R−7601(1986)に準拠して測定される。 In addition, the strand tensile strength of the carbon fiber bundle of the present invention is appropriately selected depending on the use of the molded body and is not particularly limited, but is preferably 1 to 10 GPa, more preferably 5 to 8 GPa. The strand tensile elastic modulus of the carbon fiber bundle is preferably 100 to 1000 GPa, more preferably 200 to 600 GPa. Here, the strand tensile strength / tensile modulus is measured as follows. Obtained by impregnating a carbon fiber bundle with a resin consisting of “Bakelite (registered trademark)” ERL 4221 / boron trifluoride monoethylamine (BF 3 .MEA) / acetone = 100/3/4 parts manufactured by Union Carbide Corp. After the resin-impregnated strand was cured by heating at 130 ° C. for 30 minutes, it was measured according to JIS-R-7601 (1986).

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。   Next, taking the case of using a PAN-based carbon fiber bundle as an example, the method for producing the carbon fiber bundle of the present invention will be described in detail.

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。   As a spinning method for obtaining a precursor fiber for producing a carbon fiber bundle, a spinning method such as a wet type, a dry type or a dry type can be adopted, but a wet type or a dry type wet type in which high-strength fibers are easily obtained. Spinning is preferred, and dry and wet spinning is particularly preferred. As the spinning dope, a polyacrylonitrile homopolymer or copolymer solution or suspension can be used.

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被サイジング処理炭素繊維束とする。得られた該繊維束は、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強さ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。   The spinning solution is spun through a base, solidified, washed with water, and drawn into a precursor fiber. The precursor fiber is subjected to flameproofing treatment, carbonization treatment, and, if necessary, graphitization treatment to obtain a sizing-treated carbon. Use fiber bundles. The obtained fiber bundle is subjected to surface oxidation treatment such as electrolytic surface treatment as necessary in order to improve the adhesive strength with the matrix resin to be combined when it is made into a composite material.

このような被サイジング処理炭素繊維束に、サイジング剤を付着させる。被サイジング処理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、該繊維束に、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。   A sizing agent is attached to such a sizing-treated carbon fiber bundle. In order to attach a sizing agent to a sizing-treated carbon fiber bundle, a method of using a sizing solution in which a sizing agent is dissolved or dispersed in a solvent, applying the sizing solution to the fiber bundle, and drying and removing the solvent Is simple.

また、サイジング剤付与後の炭素繊維束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、繊維束断面の扁平率が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、繊維束断面の扁平率を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。   Moreover, in the drying process of the carbon fiber bundle after sizing agent provision, the method of air-drying a carbon fiber bundle in the state which provided the tension | tensile_strength moderately between rollers can be taken. If the carbon fiber bundle is dried in a state of pressing the carbon fiber bundle on the roller, the carbon fiber bundle is fixed in an expanded state, and the flatness of the cross section of the fiber bundle may become larger than 200. The air bundle is dried in the air in a squeezed state (that is, in a state where the fiber bundle width is smaller than that in the case of no tension), so that the flatness of the cross section of the fiber bundle is maintained at 200 or less. It can be done. At this time, it is preferable to apply a tension within a range of 500 to 3000 g. When the tension is less than 500 g, the fiber bundle may be loosened and the fiber bundle may be uneven. Moreover, if tension exceeding 3000 g is applied, thread pain and fluff may occur.

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0.5質量%〜5質量%の範囲内とすることができる。   The concentration of the sizing agent needs to be adjusted as appropriate by adjusting the sizing liquid application method and adjusting the amount of squeezing out the excess sizing liquid after the application, but is usually within the range of 0.5% by mass to 5% by mass. It can be.

本発明において、サイジング液を被サイジング処理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、一束あたりのフィラメント数が多い被サイジング処理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、さらに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。   In the present invention, a roller sizing method, a roller dipping method, a spray method, and the like can be used as means for applying the sizing liquid to the sizing-treated carbon fiber bundle. Among them, the sizing treatment carbon fiber bundle having a large number of filaments per bundle can be uniformly applied with a sizing agent, so that the roller dipping method is preferably used, and after applying the sizing liquid, the excess sizing liquid is squeezed. By adjusting the drawing amount to be taken, the sizing agent can be uniformly applied in the carbon fiber bundle. The treatment for drying and removing the solvent is preferably a treatment at a temperature of 120 to 300 ° C. for 10 seconds to 10 minutes, and more preferably a treatment at a temperature of 150 to 250 ° C. for 30 seconds to 4 minutes.

本発明の炭素繊維束を適用した成形に用いられるマトリックス樹脂としては、特に限定されるものではないが、通常、FW成形、PT成形およびSMC成形に使用されるエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂が高い接着強さが得られ好適に用いられる。   Although it does not specifically limit as matrix resin used for shaping | molding which applied the carbon fiber bundle of this invention, Usually, the epoxy resin used for FW shaping | molding, PT shaping | molding, and SMC shaping | molding, vinyl ester resin, unsaturated A polyester resin can be suitably used because of its high adhesive strength.

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。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. The measuring method and evaluation method of each physical property used in this example are as shown below.

<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)で15分間加熱し、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で、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
<繊維束断面の扁平率>
繊維束断面の扁平率は、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。
<Sizing agent adhesion amount>
About 2 g of carbon fiber bundles are weighed (W1) and then heated in an electric furnace (capacity 120 cm 3 ) set at a temperature of 450 ° C. in a nitrogen stream of 50 liters / minute for 15 minutes to completely thermally decompose the sizing agent. . And the carbon fiber bundle after cooling for 15 minutes in a dry nitrogen stream at 20 liters / minute is weighed (W2), and the sizing agent adhesion amount is obtained by the following formula.
Sizing adhesion amount (%) = [W1 (g) −W2 (g)] / [W1 (g)] × 100
<Flatness of fiber bundle cross section>
The flatness of the cross section of the fiber bundle is expressed as a ratio of the fiber bundle width W to the fiber bundle thickness T of the carbon fiber bundle wound on the bobbin and in a packaged state, that is, W / T. Here, the fiber bundle thickness T is determined by unwinding the carbon fiber bundle from the package so that its form does not collapse, and using a high-precision laser light displacement meter Z300 manufactured by OMRON Co., Ltd. The thickness was measured and determined as an average value of n number 10. Further, the fiber bundle width W was measured by applying a scale to the carbon fiber bundle located on the surface of the package, and obtained as an average value of n number 10.

<層間剪断強度>
(1)ビニルエステル(VE)樹脂
炭素繊維束を一方向に巻き付けた長さ350mm、幅50mmの金枠を凹溝6mm幅、長さ200mmの金型にセットし、ビニルエステル樹脂(昭和高分子(株)製“リポキシ(登録商標)”R806)100部、ナフテン酸コバルト0.5部、メチルエチルケトンパーオキサイド(日本油脂(株)製“パーメック(登録商標)”N)1.0部を金型に注入し、真空脱泡後、プレス成形(室温×24時間)した。引き続き120℃、2時間で後硬化して試験片を得た。2.5mm厚×6mm幅×16mm長さの一方向CFRP試験片を、通常の3点曲げ試験治具(圧子10mmφ、支点4mmφ)を用いて支持スパンを14mmに設定し、歪速度2.0mm/minで破壊荷重を測定し、JIS−K−7078(1991)に従って層間剪断強度を算出し、マトリックス樹脂との接着強さの指標とした。
<Interlaminar shear strength>
(1) A vinyl ester (VE) resin carbon fiber bundle wound in one direction, a 350 mm long and 50 mm wide metal frame is set in a 6 mm wide groove and 200 mm long mold, and vinyl ester resin (Showa Polymer) 100 parts of "Lipoxy (registered trademark)" R806) manufactured by Co., Ltd., 0.5 parts of cobalt naphthenate, 1.0 part of methyl ethyl ketone peroxide ("Permec (registered trademark) N" manufactured by NOF Corporation) as a mold And press-molded (room temperature × 24 hours). Subsequently, it was post-cured at 120 ° C. for 2 hours to obtain a test piece. A unidirectional CFRP test piece of 2.5 mm thickness × 6 mm width × 16 mm length is set to a support span of 14 mm using a normal three-point bending test jig (indenter 10 mmφ, fulcrum 4 mmφ), and strain rate is 2.0 mm. The fracture load was measured at / min, and the interlaminar shear strength was calculated according to JIS-K-7078 (1991), which was used as an index of the adhesive strength with the matrix resin.

(2)エポキシ(EP)樹脂
炭素繊維を一方向に巻き付けた長さ350mm、幅50mmの金枠を凹溝6mm幅、長さ200mmの金型にセットし、エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン(株)製“jER(登録商標)”828)100部/三フッ化ホウ素モノエチルアミン3部の混練物を金型に注入し、真空脱泡後、プレス成形(170℃×1時間)した。引き続き170℃、2時間で後硬化して試験片を得た。2.5mm厚×6mm幅×16mm長さの一方向CFRP試験片を、通常の3点曲げ試験治具(圧子10mmφ、支点4mmφ)を用いて支持スパンを14mmに設定し、歪速度2.0mm/minで破壊荷重を測定し、JIS−K−7078(1991)に従って層間剪断強度を算出し、マトリックス樹脂との接着強さの指標とした。
(2) An epoxy (EP) resin carbon fiber is wound in one direction, a 350 mm long and 50 mm wide metal frame is set in a 6 mm wide groove and 200 mm long mold, and epoxy resin (Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) “JER (registered trademark)” 828) 100 parts / boron trifluoride monoethylamine 3 parts kneaded material was poured into a mold, vacuum degassed, and press-molded (170 ° C. × 1 hour). Subsequently, it was post-cured at 170 ° C. for 2 hours to obtain a test piece. A unidirectional CFRP test piece of 2.5 mm thickness × 6 mm width × 16 mm length is set to a support span of 14 mm using a normal three-point bending test jig (indenter 10 mmφ, fulcrum 4 mmφ), and strain rate is 2.0 mm. The fracture load was measured at / min, and the interlaminar shear strength was calculated according to JIS-K-7078 (1991), which was used as an index of the adhesive strength with the matrix resin.

<高次加工性>
炭素繊維束が巻き取られたボビンをクリールに仕掛け、クリールから繊維束を引き出してエポキシ樹脂に含浸させた後、タンク型の金属製マンドレル(直径92mm、両端部半球状、容量2000リットル)に、FW法にて糸速30m/分、張力2kgで巻き上げた。繊維の配向角は±10/±45/90の組合せとした。この成形の間に、発生した糸切れ回数、さらに樹脂含浸槽内および糸道ガイド類に溜った毛羽を採取して秤量した。なお、樹脂含浸槽内の毛羽は、残存樹脂を温度450℃で焼き飛ばし、毛羽のみとして秤量した。得られた糸切れ回数、毛羽量、および成形品外観を高次加工性の指標とした。(成形品外観は、次の3段階で評価した。A:良好、B:わずかに凹凸あり、C:凹凸あり)。
<High-order workability>
A bobbin around which a carbon fiber bundle is wound is placed on a creel, and after pulling the fiber bundle from the creel and impregnating with an epoxy resin, a tank-shaped metal mandrel (92 mm in diameter, hemispherical at both ends, capacity 2000 liters) The yarn was wound at a yarn speed of 30 m / min and a tension of 2 kg by the FW method. The orientation angle of the fibers was a combination of ± 10 / ± 45/90. During this molding, the number of yarn breaks that occurred and the fluff accumulated in the resin impregnation tank and the yarn path guides were collected and weighed. The fluff in the resin impregnation tank was weighed as fluff only by burning off the remaining resin at a temperature of 450 ° C. The number of yarn breaks obtained, the amount of fluff, and the appearance of the molded product were used as indicators of high-order workability. (The appearance of the molded product was evaluated in the following three stages: A: good, B: slightly uneven, C: uneven).

<樹脂含浸性>
上記高次加工性評価で作製したFW成形品成形品の断面をサンドペーパーおよびアルミナ粉で研磨した後、25倍率で光学顕微鏡で写真撮影を行い、1mmΦ以上の空隙の存在する面積比率を算出してボイド形成状況を樹脂含浸性の指標とした。(A:1%未満、B:1〜5%、C:5%以上)。
<Resin impregnation>
After polishing the cross section of the FW molded product produced by the above high-order workability evaluation with sandpaper and alumina powder, take a picture with an optical microscope at 25 magnification, and calculate the area ratio where a void of 1 mmΦ or more exists. The void formation status was used as an index for resin impregnation. (A: less than 1%, B: 1 to 5%, C: 5% or more).

<SMC成形>
マトリックス樹脂としてビニルエステル樹脂(アシュランド・スペシャリティ・ケミカル(株)製、“デラケーン(登録商標)”790)を100重量部、硬化剤としてtert−ブチルパーオキシベンゾエート(日本油脂(株)製、“パーブチル(登録商標)”Z)を1重量部、内部離型剤としてステアリン酸亜鉛(堺化学工業(株)製、SZ−2000)を2重量部、増粘剤として酸化マグネシウム(協和化学工業(株)製、MgO#40)を4重量部用いて、それらを十分に混合撹拌し、樹脂ペーストを得た。樹脂ペーストをドクターブレードを用いて、ポリプロピレン製の離型フィルム上に、単位面積あたりの重量が400g/mになるように塗布した。その上から、長さ25mmにカットされた炭素繊維束を均一に落下、散布した。さらに、樹脂ペーストを単位面積あたりの重量が400g/mになるように塗布したもう一方のポリプロピレンフィルムとで樹脂ペースト側を内にして挟んだ。炭素繊維のSMCシートに対する含有量は50重量%とした。得られたシートを40℃にて24時間静置することにより、樹脂ペーストを十分に増粘させて、炭素繊維強化SMCシートを得た。次に、得られたSMCシートを、チャージ率(金型を上から見たときの金型面積に対するSMCシートの面積の割合)を50%となるように金型にチャージし、加熱型プレス成型機により、588.4kPaの加圧下、150℃×5分間の条件により硬化せしめ、30cm×30cm×3mmの平板状の炭素繊維強化複合材料を得た。また、成形品外観は、次の3段階で評価した。A:良好、B:わずかに凹凸あり、C:凹凸あり。
<SMC molding>
100 parts by weight of vinyl ester resin (manufactured by Ashland Specialty Chemical Co., Ltd., “Delakane (registered trademark)” 790) as a matrix resin, and tert-butyl peroxybenzoate (manufactured by Nippon Oil & Fats Co., Ltd., “ 1 part by weight of perbutyl (registered trademark) “Z”, 2 parts by weight of zinc stearate (manufactured by Sakai Chemical Industry Co., Ltd., SZ-2000) as an internal mold release agent, and magnesium oxide (Kyowa Chemical Industry ( Using 4 parts by weight of MgO # 40), they were sufficiently mixed and stirred to obtain a resin paste. The resin paste was applied on a polypropylene release film using a doctor blade so that the weight per unit area was 400 g / m 2 . From there, the carbon fiber bundle cut to a length of 25 mm was uniformly dropped and dispersed. Further, the resin paste was sandwiched with the other polypropylene film coated with the resin paste so that the weight per unit area was 400 g / m 2 . The content of carbon fiber in the SMC sheet was 50% by weight. The obtained sheet was allowed to stand at 40 ° C. for 24 hours, thereby sufficiently thickening the resin paste to obtain a carbon fiber reinforced SMC sheet. Next, the obtained SMC sheet is charged into the mold so that the charging rate (the ratio of the area of the SMC sheet to the mold area when the mold is viewed from above) is 50%, and the heating mold press molding is performed. A flat carbon fiber reinforced composite material of 30 cm × 30 cm × 3 mm was obtained by curing with a machine under conditions of 150 ° C. × 5 minutes under a pressure of 588.4 kPa. The appearance of the molded product was evaluated in the following three stages. A: Good, B: Slightly uneven, C: Uneven.

<分散性>
上記方法で得た、長さ25mmにカットされた炭素繊維束を均一に落下、散布したSMCシートを観察することにより、炭素短繊維の毛羽および割れの状態を観察し、炭素短繊維の分散性の指標とした。分散性は次の3段階で評価した。A:毛羽が殆どなく、炭素短繊維が細く割れた状態、B:毛羽があり、炭素短繊維が僅かに塊状である状態、C:毛羽が多く、塊状の炭素短繊維が観察された状態。
<Dispersibility>
By observing the SMC sheet obtained by uniformly dropping and spreading the carbon fiber bundle cut to a length of 25 mm obtained by the above method, the state of fluff and cracking of the carbon short fibers was observed, and the dispersibility of the carbon short fibers was observed. It was used as an index. Dispersibility was evaluated in the following three stages. A: Almost no fluff and short carbon fibers are finely cracked, B: Fluff is present, carbon short fibers are slightly agglomerated, and C: A lot of fluff is present and massive carbon short fibers are observed.

<SMC成形品評価>
(1)曲げ強度
上記で得られた平板状のSMC成型板より、長さ130±1mm、幅25±0.2mmの曲げ強度試験片を切り出した。ASTM D−790に規定する試験方法に従い、3点曲げ試験冶具(圧子径10mm、支点径10mm)を用いて支持スパンを100mmに設定し、クロスヘッド速度5.3mm/分で曲げ強度を測定した。なお、本実施例においては、試験機として“インストロン(登録商標)”万能試験機4201型を用いた。測定した試験片の数はn=5とし、平均値を曲げ強度とした。
<SMC molded product evaluation>
(1) Bending strength A bending strength test piece having a length of 130 ± 1 mm and a width of 25 ± 0.2 mm was cut out from the flat SMC molded plate obtained above. According to the test method specified in ASTM D-790, the support span was set to 100 mm using a three-point bending test jig (indenter diameter 10 mm, fulcrum diameter 10 mm), and the bending strength was measured at a crosshead speed of 5.3 mm / min. . In this example, “Instron (registered trademark)” universal testing machine 4201 type was used as a testing machine. The number of test pieces measured was n = 5, and the average value was the bending strength.

(2)樹脂含浸性
曲げ強度試験片の断面を光学顕微鏡で観察することにより、炭素繊維束内および束間への樹脂含浸状態の観察し、樹脂含浸性の指標とした。樹脂含浸性は次の3段階で評価した。A:炭素繊維束内および束間それぞれ、未含浸部が全く観察されない状態、B:僅かな未含浸部が観察された状態、C:未含浸部が観察された状態。
(2) Resin impregnation property By observing the cross section of the bending strength test piece with an optical microscope, the resin impregnation state in the carbon fiber bundle and between the bundles was observed and used as an index of the resin impregnation property. The resin impregnation property was evaluated in the following three stages. A: A state in which no unimpregnated part is observed in the carbon fiber bundle and between the bundles, B: a state in which a slight unimpregnated part is observed, and C: a state in which an unimpregnated part is observed.

(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被サイジング処理炭素繊維束を得た。
Example 1
A sizing-treated carbon fiber comprising 99 mol% allylonitrile and 1 mol% itaconic acid spun, calcined, subjected to electrolytic surface treatment, 24,000 total filaments and no sizing agent added. Got a bunch.

ポリエチレングリコール(エチレンオキサイド付加モル数:10)モノメチルエーテル60部に、2,4−トリレンジイソシアネート(TDI)160部を加え、密閉容器中で窒素雰囲気の下で攪拌しながら、90℃で1時間反応させた。次いで、エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン(株)製“jER(登録商標)”1001)800部を加え、更に反応を進めた。この反応物の赤外線吸収スペクトルを測定し、イソシアネート基が認められなくなった時、反応を停止した。このようにして得たウレタン変性エポキシ樹脂(A)のエポキシ当量は950であった。   160 parts of 2,4-tolylene diisocyanate (TDI) is added to 60 parts of polyethylene glycol (ethylene oxide addition moles: 10) monomethyl ether, and stirred at 90 ° C. for 1 hour in a sealed container under a nitrogen atmosphere. Reacted. Next, 800 parts of an epoxy resin (“jER (registered trademark)” 1001 manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) was added, and the reaction was further advanced. The infrared absorption spectrum of this reaction product was measured, and the reaction was stopped when no isocyanate group was observed. The epoxy equivalent of the urethane-modified epoxy resin (A) thus obtained was 950.

ウレタン変性エポキシ樹脂(A)75質量%とポリエーテル(B)としてビスフェノールAエチレンオキサイド(16モル)付加物を25質量%をジメチルホルムアミドに溶解して、質量比(A)/(B)=3である濃度3質量%のサイジング液を得た。このサイジング液をディップ法により前記の被サイジング処理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質量%、繊維束断面の扁平率が40の炭素繊維束を得た。この炭素繊維束の特性は、総繊度1600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。   75% by mass of urethane-modified epoxy resin (A) and 25% by mass of bisphenol A ethylene oxide (16 mol) adduct as polyether (B) are dissolved in dimethylformamide, and mass ratio (A) / (B) = 3 A sizing solution having a concentration of 3% by mass was obtained. This sizing solution is impregnated into the above-mentioned sizing-treated carbon fiber bundle by the dipping method, and then a tension of 700 g is applied between the rollers, and the sizing solution is dried for 2 minutes at a temperature of 200 ° C. with a hot air dryer. A carbon fiber bundle having a mass ratio of 5% by mass and a fiber bundle cross-sectional area of 40 was obtained. The properties of this carbon fiber bundle were a total fineness of 1600 tex, a specific gravity of 1.8, a strand tensile strength of 6.2 GPa, and a strand tensile modulus of 300 GPa.

この炭素繊維束を用い上記方法でエポキシ樹脂およびビニルエステル樹脂との接着強さを測定し、さらに上記方法でFW成形品を作成し、得られた炭素繊維束の特性およびFW成形時の糸割れ回数、糸切れ回数、毛羽量、FW成形品外観など各種評価結果を表1に示す。   Using this carbon fiber bundle, the adhesion strength between the epoxy resin and the vinyl ester resin is measured by the above method, and a FW molded product is prepared by the above method. The characteristics of the obtained carbon fiber bundle and the yarn cracking at the time of FW molding Table 1 shows various evaluation results such as the number of times, the number of yarn breaks, the amount of fluff, and the appearance of the FW molded product.

(実施例2)
質量比(A)/(B)を9とした以外は実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。マトリックス樹脂との接着強さと炭素繊維束の特性等各種評価結果を表1に示す。
(Example 2)
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mass ratio (A) / (B) was set to 9. Table 1 shows various evaluation results such as adhesive strength with the matrix resin and characteristics of the carbon fiber bundle.

(比較例1)
質量比(A)/(B)を1.5とした以外は実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。マトリックス樹脂との接着強さと炭素繊維束の特性等各種評価結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mass ratio (A) / (B) was 1.5. Table 1 shows various evaluation results such as adhesive strength with the matrix resin and characteristics of the carbon fiber bundle.

(実施例3)
実施例1と同様に、ウレタン変性エポキシ樹脂(A):70質量%、ポリエーテル(B):20質量%およびビスフェノール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)”828)10質量%混合し、質量比(A)/(B)=3.5のサイジング剤を得た。マトリックス樹脂との接着強さと炭素繊維束の特性等各種評価結果を表1に示す。
(Example 3)
In the same manner as in Example 1, urethane-modified epoxy resin (A): 70% by mass, polyether (B): 20% by mass, and bisphenol A type epoxy resin (“JER (registered trademark)” 828 manufactured by Japan Epoxy Resins Co., Ltd. ) 10% by mass was mixed to obtain a sizing agent having a mass ratio (A) / (B) = 3.5. Table 1 shows various evaluation results such as adhesive strength with the matrix resin and characteristics of the carbon fiber bundle.

表1の各種評価結果から、(A)/(B)比が特定範囲内であればビニルエステル樹脂およびエポキシ樹脂とも何れも高い接着強度を得られることが分かる。   From the various evaluation results in Table 1, it can be seen that both the vinyl ester resin and the epoxy resin can obtain high adhesive strength if the ratio (A) / (B) is within a specific range.

(実施例4)
ポリエチレングリコール(エチレンオキサイド付加モル数:20)モノブチルエーテル60部、2,4−トリレンジイソシアネート(TDI)98部、エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン社製“jER(登録商標)”1001)500部を用い、実施例1と同様にしてウレタン変性エポキシ樹脂(A)を得た。マトリックス樹脂との接着強さと炭素繊維束の特性等各種評価結果を表2に示す。
Example 4
Using 60 parts of polyethylene glycol (ethylene oxide addition mole number: 20) monobutyl ether, 98 parts of 2,4-tolylene diisocyanate (TDI), and 500 parts of an epoxy resin (“jER (registered trademark)” 1001 manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) In the same manner as in Example 1, a urethane-modified epoxy resin (A) was obtained. Table 2 shows various evaluation results such as adhesive strength with the matrix resin and characteristics of the carbon fiber bundle.

(実勢例5)
ポリエチレングリコール(エチレンオキサイド付加モル数:10)モノブチルエーテル60部、ヘキサメチレンジイソシアネート(HMDI)110部、エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン(株)製“jER(登録商標)”1001)500部を用い、実施例1と同様にしてウレタン変性エポキシ樹脂(A)を得た。マトリックス樹脂との接着強さと炭素繊維束の特性等各種評価結果を表2に示す。
(Practical example 5)
Implementation using 60 parts of polyethylene glycol (ethylene oxide addition moles: 10) monobutyl ether, 110 parts of hexamethylene diisocyanate (HMDI), 500 parts of epoxy resin (“jER (registered trademark)” 1001 manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) In the same manner as in Example 1, a urethane-modified epoxy resin (A) was obtained. Table 2 shows various evaluation results such as adhesive strength with the matrix resin and characteristics of the carbon fiber bundle.

(実施例6)
ポリエチレングリコール(エチレンオキサイド付加モル数:20)モノブチルエーテル60部、2,4−トリレンジイソシアネート(TDI)98部、ソルビトールポリグリシジルエーテル(ナガセケムテックス(株)製“デナコール(登録商標)”EX−614;エポキシ当量167)500部を用い、実施例1と同様にしてウレタン変性エポキシ樹脂(A)を得た。マトリックス樹脂との接着強さと炭素繊維束の特性等各種評価結果を表2に示す。
(Example 6)
Polyethylene glycol (added moles of ethylene oxide: 20) monobutyl ether 60 parts, 2,4-tolylene diisocyanate (TDI) 98 parts, sorbitol polyglycidyl ether ("Denacol (registered trademark)" EX- manufactured by Nagase ChemteX Corporation) 614; epoxy equivalent 167) 500 parts of epoxy equivalent was used to obtain a urethane-modified epoxy resin (A) in the same manner as in Example 1. Table 2 shows various evaluation results such as adhesive strength with the matrix resin and characteristics of the carbon fiber bundle.

(実施例7)
下記式(3)において、エチレンオキサイド付加モル数(p+s):30、プロピレンオキサイド付加モル数(q+r):12であるポリエーテル(B)を使用した以外は、実施例2と同様にして炭素繊維を得た。マトリックス樹脂との接着強さと炭素繊維束の特性等各種評価結果を表2に示す。
(Example 7)
Carbon fiber in the same manner as in Example 2 except that in the following formula (3), a polyether (B) having an ethylene oxide addition mole number (p + s): 30 and a propylene oxide addition mole number (q + r): 12 was used. Got. Table 2 shows various evaluation results such as adhesive strength with the matrix resin and characteristics of the carbon fiber bundle.

Figure 2008274520
Figure 2008274520

(比較例2)
エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン(株)製“jER(登録商標)”1001)75質量部、および前記式(3)においてエチレンオキサイド付加モル数(p+s):90、プロピレンオキサイド付加モル数(q+r):0であるポリエーテル(B)25質量部を使用した以外は、実施例1と同様にして炭素繊維を得た。マトリックス樹脂との接着強さと炭素繊維束の特性等各種評価結果を表2に示す。
(Comparative Example 2)
75 parts by mass of an epoxy resin (“jER (registered trademark)” 1001 manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) and the number of moles of ethylene oxide added (p + s) in the above formula (3): 90, the number of moles of propylene oxide added (q + r): Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that 25 parts by mass of polyether (B) which was 0 was used. Table 2 shows various evaluation results such as adhesive strength with the matrix resin and characteristics of the carbon fiber bundle.

(比較例3)
実施例1と同様に、ポリエチレングリコール(エチレンオキサイド付加モル数:80)を使用した他は実施例1と同様にしてウレタン変性エポキシ樹脂(A)を得た。マトリックス樹脂との接着強さと炭素繊維束の特性等各種評価結果を表2に示す。
(Comparative Example 3)
Similarly to Example 1, a urethane-modified epoxy resin (A) was obtained in the same manner as Example 1 except that polyethylene glycol (number of moles of ethylene oxide added: 80) was used. Table 2 shows various evaluation results such as adhesive strength with the matrix resin and characteristics of the carbon fiber bundle.

表2の各種評価結果から、前記式(1)で表される構造を有するウレタン変性エポキシ樹脂(A)とポリエーテル(B)を必須とすることで、ビニルエステル樹脂およびエポキシ樹脂とも何れも高いマトリックス樹脂との接着強度を得られると同時に、FW成形法において耐擦過性、含浸性が優れることが分かる。   From the various evaluation results in Table 2, both the vinyl ester resin and the epoxy resin are high by making the urethane-modified epoxy resin (A) and the polyether (B) having the structure represented by the formula (1) essential. It can be seen that the adhesive strength with the matrix resin can be obtained, and at the same time, the scratch resistance and impregnation properties are excellent in the FW molding method.

(実施例8,9、参考例1,2)
サイジング液濃度を0.5質量%〜9質量%の範囲で変更し、かつサイジング液を含浸させた後の炭素繊維束の処理方法を、表面温度150℃の加熱ローラーの接触時間、通過するローラー数、およびローラー間の張力変更することで、実施例1と同様にサイジング剤付着量および繊維束断面の扁平率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3に示す。
(Examples 8 and 9, Reference Examples 1 and 2)
Roller that passes through the processing method of the carbon fiber bundle after the sizing liquid concentration is changed in the range of 0.5 mass% to 9 mass% and impregnated with the sizing liquid, the contact time of the heating roller having a surface temperature of 150 ° C. By changing the number and tension between the rollers, carbon fiber bundles having different sizing agent adhesion amounts and flatness ratios of fiber bundle cross sections were obtained in the same manner as in Example 1. Table 3 shows the results of various evaluation tests.

表3の各種評価結果から、サイジング剤付着量および繊維束断面の扁平率が特定範囲内であればFW成形法において耐擦過性、含浸性が優れることが分かる。   From the various evaluation results in Table 3, it can be seen that if the sizing agent adhesion amount and the flatness of the fiber bundle cross section are within a specific range, the FW molding method has excellent scratch resistance and impregnation properties.

(実施例10)
実施例1と同様にして得た炭素繊維束を、ロービングカッターで25mm長にカットして炭素短繊維を得た。サイジング剤の付着量は1.5質量%であった。カット時の毛羽および毛羽玉はほとんど観察されなかった。
(Example 10)
A carbon fiber bundle obtained in the same manner as in Example 1 was cut to a length of 25 mm with a roving cutter to obtain carbon short fibers. The adhesion amount of the sizing agent was 1.5% by mass. Fuzz and fluff balls at the time of cutting were hardly observed.

この炭素短繊維を用い上記方法でSMC成形品を得た、得られたSMC成形品評価など各種評価結果を表4に示す。   Table 4 shows various evaluation results such as evaluation of the obtained SMC molded product obtained by using the short carbon fibers and obtaining the SMC molded product by the above method.

(実施例11)
実施例9と同様にして得た炭素繊維束を、ロービングカッターで25mm長にカットして炭素短繊維を得た。カット時の毛羽および毛羽玉はほとんど観察されなかった。SMC成形品評価など各種評価結果を表4に示す。
(Example 11)
A carbon fiber bundle obtained in the same manner as in Example 9 was cut into a length of 25 mm with a roving cutter to obtain carbon short fibers. Fuzz and fluff balls at the time of cutting were hardly observed. Table 4 shows the results of various evaluations such as SMC molded product evaluation.

(参考例5)
実施例8と同様にして得た炭素繊維束を、ロービングカッターで25mm長にカットして炭素短繊維を得た。カット時に毛羽が多く発生し、一部毛羽玉が観察された。SMC成形品評価など各種評価結果を表4に示す。
(Reference Example 5)
A carbon fiber bundle obtained in the same manner as in Example 8 was cut into a length of 25 mm with a roving cutter to obtain carbon short fibers. A lot of fluff was generated at the time of cutting, and some fluff balls were observed. Table 4 shows the results of various evaluations such as SMC molded product evaluation.

Figure 2008274520
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本発明の炭素繊維束は、フィラメントワインディングおよびプルトルージョン成形において、ハンドリング性、樹脂含浸性などの高次加工性に優れ、またシートモールディング成形において、分散性、樹脂含浸性などの成形性に優れ、かつマトリックス樹脂との接着強さに優れた炭素繊維強化複合材料を与え、タンクなど一般産業用途、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他に好適である。   The carbon fiber bundle of the present invention is excellent in high-order processability such as handling and resin impregnation in filament winding and pultrusion molding, and excellent in moldability such as dispersibility and resin impregnation in sheet molding. Moreover, it provides a carbon fiber reinforced composite material excellent in adhesive strength with a matrix resin, and is suitable for general industrial uses such as tanks, structural materials for aircraft, sports uses such as golf shafts and fishing rods, and the like.

Claims (3)

下記式(1)で表される構造を有するウレタン変性エポキシ樹脂(A)と下記式(2)で表されるビスフェノール化合物のアルキレンオキサイド10〜50モル付加物であるポリエーテル(B)を、質量比(A)/(B)が2〜10の範囲内の割合で含むことを特徴とする炭素繊維用サイジング剤。
Figure 2008274520
[式中、R1は、炭素数1〜18の飽和脂肪族炭化水素基または不飽和脂肪族炭化水素基を、Xは、芳香族、脂環族、または脂肪族の2価の結合基を表す。mは1または2、nは5〜20である。]
Figure 2008274520
[式中、R2およびR3は各々独立に水素原子または炭素数1〜4の飽和脂肪族炭化水素基を表す。]
A polyether (B) which is an adduct of 10 to 50 mol of alkylene oxide of a bisphenol compound represented by the following formula (2) and a urethane-modified epoxy resin (A) having a structure represented by the following formula (1) A sizing agent for carbon fiber, wherein the ratio (A) / (B) is contained at a ratio in the range of 2 to 10.
Figure 2008274520
[Wherein, R 1 represents a saturated aliphatic hydrocarbon group or unsaturated aliphatic hydrocarbon group having 1 to 18 carbon atoms, and X represents an aromatic, alicyclic, or aliphatic divalent linking group. . m is 1 or 2, and n is 5-20. ]
Figure 2008274520
[Wherein, R 2 and R 3 each independently represents a hydrogen atom or a saturated aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms. ]
請求項1に記載のサイジング剤が0.5〜4質量%付着した、フィラメント数が10,000〜150,000本、繊維束断面の偏平率(幅/厚さ)が20〜200である炭素繊維束。   Carbon in which 0.5 to 4% by mass of the sizing agent according to claim 1 is adhered, the number of filaments is 10,000 to 150,000, and the flatness (width / thickness) of the fiber bundle cross section is 20 to 200. Fiber bundle. 請求項1に記載のサイジング剤が1〜10質量%付着した、繊維長が2〜60mmである炭素短繊維。   A carbon short fiber having a fiber length of 2 to 60 mm, to which 1 to 10% by mass of the sizing agent according to claim 1 is attached.
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