JP2014047133A - 炭素複合材料 - Google Patents

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Abstract

【課題】リヨセル系炭素繊維を用いた炭素複合材料により、既存の炭素繊維を用いて製造された炭素複合材料よりも、熱伝導率が低く、界面接着力などに優れ、製造費用が割安で、環境に優しい炭素複合材料を提供する。
【解決手段】リヨセル系炭素繊維は、リヨセル繊維を炭化させて製造した炭素繊維であって、前記リヨセル系炭素繊維をバインダー樹脂と結合させて繊維棒形態で製造したものが好ましい。繊維棒形態のリヨセル系炭素繊維を含む炭素複合材料は、炭素複合材料にかかる機械的荷重をリヨセル系炭素繊維が直に支持できるため、炭素複合材料にかかる機械的荷重がリヨセル系炭素繊維に非常に効果的に伝達され、炭素複合材料の強度とモジュラス（ｍｏｄｕｌｕｓ）が炭素繊維織物または炭素繊維をそのまま用いた場合より顕著に向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リヨセル系炭素繊維を含む炭素複合材料に関する。
炭素複合材料は、炭素繊維からなる補強材と炭素からなる基地材（ｍａｔｒｉｘ）で構成された複合材料であって、卓越した耐熱性と機械的物性を同時に有する優れた素材である。
炭素複合材料の製造に必要な炭素繊維補強材は、多様な方法で製作する。炭素繊維補強材の繊維配列形態に応じて、短い炭素繊維が無秩序に分散した無配向繊維補強材、すべての炭素繊維が並んで同じ方向に配列された一次元繊維補強材、織物のような平面構造で配向された二次元繊維補強材、立体的な三方向に炭素繊維をすべて補強した三次元繊維補強材に分類する。
前記炭素複合材料の製造に使用される炭素繊維は、主に、ポリアクリロニトリル繊維を高温で炭化させて製造するが、レーヨン繊維やピッチを用いて製造する場合もある。
従来の炭素繊維を用いた炭素複合材料の場合、耐熱性、耐火性などに優れ、多様な分野で幅広く活用可能であるが、ポリアクリロニトリル系炭素繊維の場合、熱伝導率が高く、レーヨン系炭素繊維の場合、製造工程中に猛毒性の二硫化炭素溶剤を用いて環境汚染を引き起こし得る問題があった。
大韓民国特許登録第１０−１１３８２９１号
本発明は、リヨセル系炭素繊維を用いた炭素複合材料により、既存の炭素繊維を用いて製造された炭素複合材料よりも、熱伝導率が低く、界面接着力などに優れ、製造費用が割安で、環境に優しい炭素複合材料を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は、リヨセル系炭素繊維および炭素基地材を含む炭素複合材料を提供する。
本発明のリヨセル系炭素繊維を含む炭素複合材料は、リヨセル系炭素繊維を用いることにより、従来のポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維などで製造した炭素複合材料に比べて、熱伝導率が低く、界面接着力に優れ、強度などの素材特性に優れる。
また、本発明の炭素複合材料は、人体と環境に無害で、リサイクリングを通じて再活用が可能なＮ−メチルモルホリン−Ｎ−オキシド（以下、ＮＭＭＯ）溶剤を適用するリヨセル繊維を用いることにより、猛毒性の二硫化炭素溶剤を使用する既存のレーヨン系炭素繊維で製造した炭素複合材料に比べて、環境に優しく、製造費用を節減することができる。
炭素繊維で製作された繊維棒の模式図である。 炭素繊維織物の断面を示す模式図である。 炭素繊維棒を用いた多様な配列方法を示すものである。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、リヨセル系炭素繊維および炭素基地材を含む炭素複合材料を提供する。
前記リヨセル系炭素繊維は、前記炭素基地材によって取り囲まれていることが好ましい。具体的には、前記リヨセル系炭素繊維は、前記炭素複合材料において補強材の役割を果たし、前記炭素基地材は、前記リヨセル系炭素繊維を取り囲む基地材（ｍａｔｒｉｘ）の役割を果たすことにより、炭素複合材料の物性を向上させることができる。
前記リヨセル系炭素繊維は、炭化したリヨセル繊維を含むことが好ましく、具体的には、前記リヨセル系炭素繊維は、前処理工程、安定化工程、炭化工程および黒鉛化工程を含む炭素繊維の製造工程により製造されることが好ましい。リヨセル繊維は、環境公害および人体に有害な成分がない新たな工程を開発して製造されたものであって、セルロースが主成分の天然パルプとパルプを溶解させる溶剤のＮＭＭＯを主原料として製造された乾湿式紡糸繊維である。リヨセル繊維の原料は、木材パルプから抽出されたセルロースであって、１００％生分解性高分子であり、再生が可能で環境に優しい特徴を有する。また、既存のレーヨン繊維が抱える大きな問題点である公害物質を排出しない工法が適用される。
前記リヨセル系炭素繊維は、リヨセル繊維を１００〜２８００℃の温度範囲で熱処理させて製造することが好ましい。具体的には、前記安定化工程は、２つのステップによって行われ、第一のステップは、１００〜２５０℃の温度範囲で１０〜３０時間、第二のステップは、３００〜５００℃の温度範囲で１０〜１００時間熱処理することによって行われることが好ましく、安定化工程において温度範囲が前記範囲を満足する場合、繊維の熱分解なく安定化効果に優れる。
前記炭化工程は、９００〜１７００℃の温度範囲で１０〜３０時間熱処理することによって行われることが好ましく、炭化工程において温度範囲が前記範囲を満足する場合、炭化効率に優れる。
前記黒鉛化工程は、２０００〜２８００℃の黒鉛化温度まで昇温させてから、２０００〜２８００℃の温度で滞留時間を１０時間以下として行われることが好ましく、黒鉛化工程において温度範囲が前記範囲を満足する場合、黒鉛化度を高めることができる。
前記リヨセル系炭素繊維は、炭素の含有量が５０％以上であることが好ましく、より好ましくは、８０％以上であることが良い。前記炭素の含有量が前記範囲を満足する場合、炭素複合材料の重量が軽く、強度に優れる。
前記リヨセル系炭素繊維は、フィラメント糸で構成された長繊維構造または短繊維を縒り合わせた紡績糸構造であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
前記リヨセル系炭素繊維は、織布（ｗｏｖｅｎ ｆａｂｒｉｃ）、不織布（ｎｏｎｗｏｖｅｎ ｆａｂｒｉｃ）、編織布（ｋｎｉｔｔｅｄ ｆａｂｒｉｃ）、多軸縦編み布（ｍｕｌｔｉａｘｉａｌ ｗａｒｐ ｋｎｉｔｔｅｄ ｆａｂｒｉｃ）、一方向配列布（ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｎｏａｌ ｆａｂｒｉｃ）、ウェブ（ｗｅｂ）またはチョップトファイバー（ｃｈｏｐｐｅｄ ｆｉｂｅｒ）形態を有することが好ましいが、これに限定されるものではない。
前記リヨセル系炭素繊維は、リヨセル繊維を炭化させて製造した炭素繊維であって、前記リヨセル系炭素繊維をバインダー樹脂と結合させて繊維棒形態で製造したものが好ましい。繊維棒形態のリヨセル系炭素繊維を含む炭素複合材料は、炭素複合材料にかかる機械的荷重をリヨセル系炭素繊維が直に支持できるため、炭素複合材料にかかる機械的荷重がリヨセル系炭素繊維に非常に効果的に伝達され、炭素複合材料の強度とモジュラス（ｍｏｄｕｌｕｓ）が炭素繊維織物または炭素繊維をそのまま用いた場合より顕著に向上できる。
図１は、炭素繊維で製作された繊維棒の模式図であり、図２は、炭素繊維織物の断面を示す模式図である。
図１から分かるように、繊維棒形態の炭素繊維の直進性は非常に優れているが、図２の炭素繊維は、経糸と緯糸との間の交差によって多くのシワが発生するため、直進性が劣化する。
その結果、直進性の良い繊維棒形態の炭素繊維は、荷重を変形なく直に支持するため、これを含む複合材料の強度とモジュラスが高いのに対し、直進性の劣化する炭素繊維は、荷重のかかる方向に繊維がぴんと張られるまで、すなわち、シワが完全に伸ばされるまでは強度をきちんと発現せず、シワが完全に伸ばされるまでは材料の変形も容易であるため、モジュラスも低いという欠点がある。このような炭素繊維棒を用いて、図３のように、様々な方向に配列して多様な構造の炭素複合材料を製造することができ、この方法で製造された炭素複合材料は、繊維棒が配列された方向に非常に高い強度とモジュラスを示すことができる。
本発明の炭素複合材料は、バインダー樹脂を含む繊維棒形態のリヨセル系炭素繊維を含むことにより、非常に高い強度とモジュラスを示すことができる。
前記バインダー樹脂は、ポリビニルアルコール樹脂、エポキシ樹脂またはフェノール樹脂であることが好ましいが、これに限定されるものではない。
前記炭素複合材料は、樹脂含浸炭化法、化学気相浸透法またはピッチ含浸炭化法により、前記リヨセル系炭素繊維および炭素基地材を結合させて製造することが好ましい。具体的には、前記リヨセル系炭素繊維に炭素成分の基地材である炭素基地材を充填させる方法としては、高分子樹脂を含浸させた後、高温に炭化する樹脂含浸炭化法（ｒｅｓｉｎ ｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ）、炭化水素気体を熱分解して炭素成分を蒸着させる化学気相浸透法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）、石炭や石油で発生したピッチ（ｐｉｔｃｈ）を溶融させて含浸するピッチ含浸炭化法（ｐｉｔｃｈ ｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ）などがあるが、これに限定されるものではない。
前記樹脂含浸炭化法は、フェノール樹脂、フラン樹脂またはポリアリールアセチレン樹脂を用いて炭素複合材料を製造することが好ましいが、これに限定されるものではない。前記フェノール樹脂、フラン樹脂またはポリアリールアセチレン樹脂を用いる場合、高温に炭化させた後に炭素残留量が高く、炭素基地材を効果的に充填させることができるという利点がある。
前記化学気相浸透法は、１分子内に炭素数が１〜７の炭化水素を用いて炭素複合材料を製造することが好ましいが、これに限定されるものではない。前記炭化水素の炭素数が前記範囲を満足する場合、炭化水素を加熱して気相に浸透させることが容易であるが、炭素数が８以上の場合には、気化した炭化水素の浸透性が優れていない。
前記ピッチ含浸炭化法は、石炭系ピッチまたは石油系ピッチを用いて炭素複合材料を製造することが好ましいが、これに限定されるものではない。前記石炭系ピッチまたは石油系ピッチを用いる場合、高温に炭化させた後に炭素残留量が高く、炭素基地材を効果的に充填させることができ、また、石炭系ピッチまたは石油系ピッチの価格が割安で、経済的な利点がある。
以下、本発明の構成を下記の実施例を通じて詳細に説明するが、本発明は、必ずしも下記の実施例によってのみ限定されるものではない。
＜実施例１＞
リヨセル繊維をレピア織機を用いて綾織物構造に製織した後、純度９９．８％のアセトンに約２時間浸漬させて洗浄した。洗浄された織物を、２５℃でパークロロエチレンに溶解したシリコーン系高分子であるＲＴＶシリコーン５重量％の溶液に約３０分間浸漬した後、難燃性塩の塩化アンモニウム１５重量％の水溶液に約３０分間浸漬し、次いで、８０℃の温度で乾燥させた。
前記前処理されたリヨセル織物を、熱処理炉で、３０℃／時間の昇温速度で２００℃まで温度を上げた後、２℃／時間の低い昇温速度で３００℃まで温度を上げることにより安定化処理した。その後、５０℃／時間の昇温速度で１７００℃まで温度を上げた後、１０時間炭化処理をし、しかる後、１００℃／時間の昇温速度で２０００℃まで温度を上げ、１時間維持して黒鉛化処理を行い、炭素の含有量が９０％以上の長繊維からなる面密度３５０ｇ／ｍ２のリヨセル系炭素繊維織物を製造した。
フェノール樹脂は、メタノール溶剤にフェノール樹脂を７０重量％含有した樹脂溶液を用いる。前記フェノール樹脂溶液に浸漬させたリヨセル系炭素繊維織物を積層し、オートクレーブで１５０℃の温度に加熱および２００ｐｓｉで３時間加圧し、平板型複合材料を製造した。その後、前記平板型複合材料を１５００℃で炭化した。
前記炭化した平板型複合材料を再びフェノール樹脂に浸漬させた後、オートクレーブで１５０℃の温度に加熱および２００ｐｓｉで３時間加圧する工程と１５００℃で炭化する工程を３回さらに繰り返し、炭素複合材料を製造した。
＜比較例１＞
前記実施例１において、前記リヨセル系炭素繊維の代わりにポリアクリロニトリル系炭素繊維を用いたことを除いては、実施例１と同様の方法で炭素複合材料を製造した。
＜比較例２＞
前記実施例１において、前記リヨセル系炭素繊維の代わりに炭化させていないリヨセル繊維を用いたことを除いては、実施例１と同様の方法で炭素複合材料を製造した。
＜実験例１＞
前記実施例１の炭素複合材料および前記比較例１の炭素複合材料の物性をテストし、その結果を下記表１に示した。
Figure 2014047133
前記表１に示すように、本発明にかかる実施例１の炭素複合材料は、従来のポリアクリロニトリル系炭素繊維を適用した比較例１の炭素複合材料より、熱伝導率は低くせん断強度は高く、優れた物性を示すことが分かる。
＜実験例２＞
前記実施例１の炭素複合材料および前記比較例２の炭素複合材料の物性をテストし、その結果を下記表２に示した。
Figure 2014047133
前記表２に示すように、本発明にかかる実施例１の炭素複合材料は、炭化させていないリヨセル繊維を適用した比較例２の炭素複合材料より、耐熱温度が高く、優れた物性を示すことが分かる。

Claims (12)

  1. リヨセル系炭素繊維および炭素基地材を含むことを特徴とする炭素複合材料。
  2. 前記リヨセル系炭素繊維は、炭化したリヨセル繊維を含むことを特徴とする請求項１に記載の炭素複合材料。
  3. 前記リヨセル系炭素繊維は、前記炭素基地材によって取り囲まれていることを特徴とする請求項１に記載の炭素複合材料。
  4. 前記リヨセル系炭素繊維は、リヨセル繊維を１００〜２８００℃の温度範囲で熱処理して製造されたことを特徴とする請求項１に記載の炭素複合材料。
  5. 前記リヨセル系炭素繊維は、フィラメント糸で構成された長繊維構造または短繊維を縒り合わせた紡績糸構造であることを特徴とする請求項１に記載の炭素複合材料。
  6. 前記リヨセル系炭素繊維は、織布、不織布、編織布、多軸縦編み布、一方向配列布、ウェブまたはチョップトファイバー形態を有することを特徴とする請求項１に記載の炭素複合材料。
  7. 前記リヨセル系炭素繊維は、バインダー樹脂を含む繊維棒形態であることを特徴とする請求項１に記載の炭素複合材料。
  8. 前記バインダー樹脂は、ポリビニルアルコール樹脂、エポキシ樹脂またはフェノール樹脂であることを特徴とする請求項７に記載の炭素複合材料。
  9. 前記炭素複合材料は、樹脂含浸炭化法、化学気相浸透法またはピッチ含浸炭化法により、前記リヨセル系炭素繊維および前記炭素基地材を結合して製造することを特徴とする請求項１に記載の炭素複合材料。
  10. 前記樹脂含浸炭化法は、フェノール樹脂、フラン樹脂またはポリアリールアセチレン樹脂を用いたことを特徴とする請求項９に記載の炭素複合材料。
  11. 前記化学気相浸透法は、１分子内に炭素数が１〜７の炭化水素を用いたことを特徴とする請求項９に記載の炭素複合材料。
  12. 前記ピッチ含浸炭化法は、石炭系ピッチまたは石油系ピッチを用いたことを特徴とする請求項９に記載の炭素複合材料。
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