JP2015007300A - Sizing agent-coated carbon fibers, method for producing the same, and carbon fiber-reinforced composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、サイジング剤塗布炭素繊維および該サイジング剤塗布炭素繊維の製造方法、炭素繊維強化複合材料に関するものである。より詳しくは、特に経時安定性に優れたサイジング剤塗布炭素繊維で、特に不飽和マトリックス樹脂との接着性に優れたサイジング剤塗布炭素繊維、および炭素繊維強化複合材料に関する。 The present invention relates to a sizing agent-coated carbon fiber, a method for producing the sizing agent-coated carbon fiber, and a carbon fiber reinforced composite material. More specifically, the present invention relates to a sizing agent-coated carbon fiber excellent in stability over time, and particularly to a sizing agent-coated carbon fiber excellent in adhesiveness to an unsaturated matrix resin, and a carbon fiber reinforced composite material.
炭素繊維は、軽量でありながら、強度および弾性率に優れるため、種々のマトリックス樹脂と組み合わせた複合材料は、航空機部材、宇宙機部材、自動車部材、船舶部材、土木建築材およびスポーツ用品等の多くの分野に用いられている。炭素繊維を用いた複合材料において、炭素繊維の優れた特性を活かすには、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性が優れることが重要である。 Since carbon fiber is lightweight and has excellent strength and elastic modulus, many composite materials combined with various matrix resins are used for aircraft members, spacecraft members, automobile members, ship members, civil engineering and building materials, and sporting goods. Used in the field. In a composite material using carbon fibers, in order to make use of the excellent characteristics of carbon fibers, it is important that the adhesion between the carbon fibers and the matrix resin is excellent.
また、炭素繊維とマトリックス樹脂の複合材料は、炭素繊維を織物や複数本平行に引き揃えたシート状にして、樹脂を含浸させて製造される。この炭素繊維として剛直で開繊性の悪い炭素繊維を用いて機械的に開繊を行うと、繊維束中の炭素繊維が切れて毛羽が生じたり、繊維束が破断し、工程通過性が低下するという問題があった。その炭素繊維を用いて織物やシートを作成した場合、幅方向に繊維が広がらないために炭素繊維束間に隙間が残った品位の悪く、得られた炭素繊維強化複合材料の物性も低下するという問題もあった。 A composite material of carbon fibers and a matrix resin is manufactured by impregnating a resin by making carbon fibers into a woven fabric or a sheet in which a plurality of them are arranged in parallel. If the carbon fiber is mechanically opened using a carbon fiber that is rigid and has poor openability as this carbon fiber, the carbon fiber in the fiber bundle is cut and fluff is formed, or the fiber bundle is broken and the process passability is reduced. There was a problem to do. When fabrics and sheets are created using the carbon fibers, the fibers do not spread in the width direction, so that gaps remain between the carbon fiber bundles, and the physical properties of the obtained carbon fiber reinforced composite material are also reduced. There was also a problem.
そこで、サイジング剤により炭素繊維と樹脂の接着性、炭素繊維の拡がり性、集束性が付与されている。 Therefore, the sizing agent imparts adhesion between the carbon fiber and the resin, spreadability of the carbon fiber, and convergence.
例えば、特定のサイジング剤を付与し、炭素繊維の硬さの指標であるドレープ値を規定したものがある(特許文献1)。 For example, there is one that provides a specific sizing agent and defines a drape value that is an index of the hardness of the carbon fiber (Patent Document 1).
また、サイジング剤として、脂肪族タイプの複数のエポキシ基を有する化合物が提案されている(特許文献2、3、4参照)。また、サイジング剤としてポリアルキレングリコールのエポキシ付加物を炭素繊維に塗布する方法が提案されている(特許文献5、6および7参照)。
Moreover, the compound which has several aliphatic type epoxy groups as a sizing agent is proposed (refer patent document 2, 3, 4). In addition, a method of applying an epoxy adduct of polyalkylene glycol as a sizing agent to carbon fibers has been proposed (see
また、芳香族系のサイジング剤としてビスフェノールAのジグリシジルエーテルを炭素繊維に塗布する方法が提案されている(特許文献8および9参照)。また、サイジング剤としてビスフェノールAのポリアルキレンオキサイド付加物を炭素繊維に塗布する方法が提案されている(特許文献10および11参照)。また、サイジング剤としてビスフェノールAのポリアルキレンオキサイド付加物にエポキシ基を付加させたものを炭素繊維に塗布する方法が提案されている(特許文献12および13参照)。 In addition, a method of applying diglycidyl ether of bisphenol A to carbon fibers as an aromatic sizing agent has been proposed (see Patent Documents 8 and 9). In addition, a method of applying a polyalkylene oxide adduct of bisphenol A as a sizing agent to carbon fibers has been proposed (see Patent Documents 10 and 11). In addition, a method of applying a bisphenol A polyalkylene oxide adduct having an epoxy group added thereto to a carbon fiber as a sizing agent has been proposed (see Patent Documents 12 and 13).
上記したサイジング剤により、炭素繊維に接着性や拡がり性などの取り扱い性を付与することができるものの、両者の両立の観点からは十分とは言えなかった。 Although the above-described sizing agent can impart handling properties such as adhesion and spreadability to the carbon fiber, it cannot be said that it is sufficient from the viewpoint of both compatibility.
また、炭素繊維強化複合材料のマトリックス樹脂は、エポキシ樹脂に加えて、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル等の熱硬化性樹脂の需要も高くなっている。特に、小型船舶、ボート、ヨット、漁船、浄化槽、各種タンク等に用いられ、成形サイクルが短く、成形コストの低い、不飽和ポリエステル樹脂やビニルエステル樹脂との炭素繊維強化複合材料が重要となっている。このようなマトリックズ樹脂の場合には、上述したエポキシ樹脂系のサイジング剤では、炭素繊維と不飽和ポリエステルまたはビニルエステルとのなじみがエポキシ樹脂に比較して低く、接着特性が低いという問題があった。 In addition to epoxy resins, the demand for thermosetting resins such as unsaturated polyester resins, phenol resins, and vinyl esters is increasing for matrix resins of carbon fiber reinforced composite materials. In particular, carbon fiber reinforced composite materials with unsaturated polyester resins and vinyl ester resins, which are used in small vessels, boats, yachts, fishing boats, septic tanks, various tanks, etc., have a short molding cycle and low molding costs, are important. Yes. In the case of such a matrix resin, the epoxy resin-based sizing agent described above has a problem that the familiarity between the carbon fiber and the unsaturated polyester or vinyl ester is lower than that of the epoxy resin, and the adhesive property is low. .
そこで、炭素繊維と不飽和ポリエステル樹脂とのなじみを良くし、接着性を向上させる技術が開示されている。例えば、末端不飽和基を有するエステル化合物(特許文献14)が提案され、サイジング剤にマトリックス樹脂とのカップリング剤の役割を持たせることによって、炭素繊維と不飽和ポリエステル樹脂との接着性が向上することが記載されている。末端不飽和基に加えて、さらに一分子内に極性基を共に有する化合物(特許文献15)を持たせることで、炭素繊維との相互作用を高めることが記載されているが、炭素繊維の開繊性等の取り扱い性向上のための炭素繊維の硬さ制御に関する言及はない。 Therefore, a technique for improving the adhesion between the carbon fiber and the unsaturated polyester resin and improving the adhesion is disclosed. For example, an ester compound having a terminal unsaturated group (Patent Document 14) has been proposed, and the adhesion between carbon fiber and unsaturated polyester resin is improved by providing the sizing agent as a coupling agent with a matrix resin. It is described to do. In addition to terminal unsaturated groups, it is described that a compound having a polar group in one molecule (Patent Document 15) is provided to enhance the interaction with carbon fibers. There is no mention of controlling the hardness of carbon fibers for improving handling properties such as fineness.
また、2種以上の化合物の組み合わせによる接着性と開繊性などの取り扱い性の向上が提案されている。分子内に複数個のエポキシ基を有するエポキシ化合物と不飽和一塩基酸とのエステルで分子内に少なくとも1つのエポキシ基を有する化合物と、2官能タイプのウレタンアクリレートオリゴマー、ポリウレタンを併用したものが開示されている(特許文献16)。 Further, improvement in handling properties such as adhesion and spreadability by combining two or more compounds has been proposed. Disclosed is an ester of an epoxy compound having a plurality of epoxy groups in the molecule and an unsaturated monobasic acid, a compound having at least one epoxy group in the molecule, a bifunctional urethane acrylate oligomer, and polyurethane. (Patent Document 16).
しかしながら、不飽和結合を持つマトリックス樹脂との高い接着性と開繊性などの取り扱い性の点では、前述の2種類以上を混合したサイジング剤においても十分ではないというのが実情だった。その理由は、高い接着性と高い取り扱い性を同時に満たすには、以下の3つの要件を満たすため、サイジング層の傾斜構造を持たせることが必要と考えられるが、従来の組み合わせではそれらの要件を満たしていなかったからであるといえる。前記3つの要件の一つ目は、サイジング層内側(炭素繊維側)に接着性の高いエポキシ成分が存在し、炭素繊維とサイジング剤中のエポキシ化合物が強固に相互作用を行うこと、二つ目が、マトリックス樹脂との接着性を向上させるため、サイジング層表層(マトリックス樹脂側)には、マトリックス樹脂と強い相互作用が可能な化学組成になっていること、そして三つ目が、サイジング剤の硬化を抑制しかつマトリックス樹脂への拡散を抑制するため、サイジング剤表層(マトリックス樹脂側)に接着性の高いエポキシ成分とマトリックス樹脂と強い相互作用が可能な成分が特定の割合で存在することが必要である。 However, in terms of handling properties such as high adhesiveness with a matrix resin having an unsaturated bond and openability, the actual situation is that a sizing agent in which two or more kinds are mixed is not sufficient. The reason is that in order to satisfy both high adhesiveness and high handling properties at the same time, it is considered necessary to have a sizing layer gradient structure in order to satisfy the following three requirements. It can be said that it was not satisfied. The first of the three requirements is that there is an epoxy component with high adhesiveness inside the sizing layer (carbon fiber side), and the carbon fiber and the epoxy compound in the sizing agent interact strongly. However, in order to improve the adhesion to the matrix resin, the sizing layer surface layer (matrix resin side) has a chemical composition capable of strong interaction with the matrix resin, and the third is the sizing agent In order to suppress curing and to suppress diffusion to the matrix resin, there may be a specific ratio of an epoxy component with high adhesion and a component capable of strong interaction with the matrix resin on the sizing agent surface layer (matrix resin side). is necessary.
例えば、特許文献17には、炭素繊維とサイジング剤との接着性を高めるため、サイジング剤に傾斜構造を持たせることは開示されているが、不飽和結合を持つマトリックス樹脂との高い接着性と高い開繊性などの取り扱い性を同時に満たす思想は皆無であり、化合物の組み合わせも異なる。 For example, Patent Document 17 discloses that the sizing agent has an inclined structure in order to enhance the adhesion between the carbon fiber and the sizing agent, but the high adhesion with the matrix resin having an unsaturated bond is disclosed. There is no idea to satisfy the handling properties such as high fiber opening at the same time, and the combination of compounds is also different.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、サイジング剤塗布炭素繊維の取り扱い性に優れ、特にラジカル重合系樹脂を用いて複合化した時の接着性に優れるサイジング剤塗布炭素繊維を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and provides a sizing agent-coated carbon fiber that is excellent in handleability of sizing agent-coated carbon fibers, and particularly excellent in adhesion when combined with a radical polymerization resin. The purpose is to do.
本発明者らは、複数の特定の化合物を特定の割合で組み合わせたサイジング剤を使用したサイジング剤塗布炭素繊維において、上述した目的を達成することができることを見出した。すなわち、本発明において、個々のサイジング剤自体は、既知のサイジング剤を用いることができるが、特定の化合物を特定の割合で組み合わせることがサイジング手法として重要なものであって、かつ新規なものであるといえる。 The present inventors have found that the above-described object can be achieved in a sizing agent-coated carbon fiber using a sizing agent in which a plurality of specific compounds are combined at a specific ratio. That is, in the present invention, a known sizing agent can be used as each sizing agent itself, but combining a specific compound at a specific ratio is an important sizing method, and is a novel one. It can be said that there is.
本発明者らは、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)および一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)を特定の割合で含むサイジング剤を炭素繊維に塗布する工程、サイジング剤を塗布した炭素繊維によって、炭素繊維とマトリックス樹脂の接着性が良好かつ、サイジング剤塗布炭素繊維が硬くなりにくく取り扱い性に優れることを見出し、本発明に想到した。 The inventors have an epoxy equivalent of 360 g / eq. A step of applying to a carbon fiber a sizing agent containing a specific proportion of the following aliphatic epoxy compound (A) and a compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule, and carbon fiber coated with the sizing agent Thus, the present inventors have found that the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is good and that the sizing agent-coated carbon fiber is hard to be hard and has excellent handleability, and thus has come to the present invention.
本発明は、少なくとも、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)と一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)を含むサイジング剤を(A)/(B)の質量比30/70〜70/30の割合で炭素繊維に塗布したサイジング剤塗布炭素繊維であることを特徴とする。 In the present invention, at least the epoxy equivalent is 360 g / eq. A sizing agent containing the following aliphatic epoxy compound (A) and a compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule has a mass ratio of (A) / (B) of 30/70 to 70/30. It is characterized by being a sizing agent-coated carbon fiber coated on carbon fiber at a ratio.
また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、上記発明において、前記化合物(A)がグリセロール、ジグリセロール、ポリグリセロール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、およびアラビトールから選択される1種と、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物であることを特徴とする。 In the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention, in the above invention, the compound (A) is one selected from glycerol, diglycerol, polyglycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol, and arabitol; It is a glycidyl ether type epoxy compound obtained by a reaction with chlorohydrin.
また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、上記発明において、前記末端不飽和基が、ビニル基、アクリレート基、およびメタクリレート基から選ばれたものであることを特徴とする。 The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the terminal unsaturated group is selected from a vinyl group, an acrylate group, and a methacrylate group.
また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、上記発明において、前記極性基が、アミド結合、イミド結合、ウレタン結合、ウレア結合、イソシアネート基、およびスルホ基から選ばれたものであることを特徴とする。 The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is characterized in that, in the above invention, the polar group is selected from an amide bond, an imide bond, a urethane bond, a urea bond, an isocyanate group, and a sulfo group. To do.
また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、上記発明において、前記化合物(B)が1分子内に4つの末端不飽和基を持つことを特徴とする。 The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is characterized in that, in the above invention, the compound (B) has four terminal unsaturated groups in one molecule.
また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、上記発明において、前記炭素繊維のX線光電子分光法により測定される繊維表面の酸素(O)と炭素(C)の原子数の比である表面酸素濃度(O/C)が0.10以上であることを特徴とする。 Further, the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is the surface oxygen which is the ratio of the number of atoms of oxygen (O) and carbon (C) on the fiber surface measured by X-ray photoelectron spectroscopy of the carbon fiber in the above invention. The concentration (O / C) is 0.10 or more.
また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法は、上記発明において、炭素繊維に、少なくともエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)と一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)を含むサイジング剤水溶液を塗布した後、160〜260℃の温度範囲で30〜600秒熱処理する工程を含むことを特徴とする。 Moreover, the manufacturing method of the sizing agent application | coating carbon fiber of this invention is the said invention. WHEREIN: At least epoxy equivalent is 360 g / eq. After applying the following aliphatic epoxy compound (A) and a sizing agent aqueous solution containing a compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule, heat treatment is performed at a temperature range of 160 to 260 ° C. for 30 to 600 seconds. Including the step of:
また、本発明の炭素繊維強化複合材料は、上記のいずれか一つに記載のサイジング剤塗布炭素繊維、上記のいずれか一つに記載のサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法により製造されたサイジング剤塗布炭素繊維と、ビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂を主成分とする樹脂からなることを特徴とする。 Moreover, the carbon fiber reinforced composite material of the present invention is a sizing agent produced by the method for producing a sizing agent-coated carbon fiber according to any one of the above, and a sizing agent-coated carbon fiber according to any one of the above. It consists of coated carbon fiber and a resin mainly composed of vinyl ester resin or unsaturated polyester resin.
また、本発明の炭素繊維強化複合材料は、上記発明において、前記サイジング剤塗布炭素繊維を織物または一方向に引き揃えたシート状物の形態で用いることを特徴とする。 The carbon fiber reinforced composite material of the present invention is characterized in that, in the above invention, the sizing agent-coated carbon fiber is used in the form of a woven fabric or a sheet-like material aligned in one direction.
本発明によれば、サイジング剤塗布炭素繊維の取り扱い性に優れ、マトリックス樹脂、特にラジカル重合系樹脂との接着性に優れたサイジング剤塗布炭素繊維を得ることができる。また、このサイジング剤塗布炭素繊維を用いた炭素繊維強化複合材料の物性も良好になる。 According to the present invention, it is possible to obtain a sizing agent-coated carbon fiber that is excellent in handling of the sizing agent-coated carbon fiber and excellent in adhesion to a matrix resin, particularly a radical polymerization resin. Moreover, the physical properties of the carbon fiber reinforced composite material using the sizing agent-coated carbon fiber are also improved.
以下、更に詳しく、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維について説明をする。 Hereinafter, the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention will be described in more detail.
本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、少なくとも、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)と一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)を含むサイジング剤を(A)/(B)の質量比30/70〜70/30の割合で炭素繊維に塗布することを特徴とする。 The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention has at least an epoxy equivalent of 360 g / eq. A sizing agent containing the following aliphatic epoxy compound (A) and a compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule has a mass ratio of (A) / (B) of 30/70 to 70/30. It is characterized by being applied to the carbon fiber at a ratio.
まず、本発明で使用するサイジング剤は、少なくとも、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)と一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)を含むサイジング剤を含む。 First, the sizing agent used in the present invention has at least an epoxy equivalent of 360 g / eq. A sizing agent containing the following aliphatic epoxy compound (A) and a compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule is included.
本発明において、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)と一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)を併用した場合、より極性の高いエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)が炭素繊維側に多く偏在し、炭素繊維と逆側のサイジング層の最外層に極性の低い一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)が偏在しやすいという現象が見られる。このサイジング層の傾斜構造の結果として、本発明にかかるサイジング剤塗布炭素繊維は、サイジング層内側(炭素繊維側)にエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)が多く存在し、サイジング層表層(マトリックス樹脂側)には一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)を多く存在する。サイジング層内側に多く存在するエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)は炭素繊維と強固に相互作用を行い、接着性を高める。本発明のサイジング剤塗布炭素繊維を炭素繊維強化複合材料に用いた場合には、サイジング層表層に多く存在する一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)がマトリックス樹脂とも強い相互作用を持つことが可能となる。 In the present invention, the epoxy equivalent is 360 g / eq. When the following aliphatic epoxy compound (A) and the compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule are used in combination, a more polar epoxy equivalent is 360 g / eq. The following aliphatic epoxy compound (A) is unevenly distributed on the carbon fiber side, and the compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule having low polarity in the outermost layer of the sizing layer opposite to the carbon fiber There is a phenomenon that is ubiquitous. As a result of the gradient structure of the sizing layer, the sizing agent-coated carbon fiber according to the present invention has an epoxy equivalent of 360 g / eq. On the inner side (carbon fiber side) of the sizing layer. Many of the following aliphatic epoxy compounds (A) are present, and many compounds (B) having terminal unsaturated groups and polar groups are present in one molecule on the sizing layer surface layer (matrix resin side). The epoxy equivalent which exists abundantly inside the sizing layer is 360 g / eq. The following aliphatic epoxy compounds (A) interact strongly with carbon fibers and enhance adhesion. When the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is used for a carbon fiber reinforced composite material, the compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule that is present in a large amount in the surface layer of the sizing layer is also strong with the matrix resin. It becomes possible to have an interaction.
サイジング剤が、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)のみからなり、一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)を含まない場合、該サイジング剤を塗布した炭素繊維は、サイジング剤と炭素繊維の相互作用が高いことが確認されている。そのメカニズムは確かではないが、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)は炭素繊維表面のカルボキシル基および水酸基との官能基と相互作用の高いエポキシ基を十分に持ち、柔軟な骨格および自由度が高い構造に由来して、炭素繊維表面の官能基とエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)が強い相互作用を形成することが可能であると考えられる。本発明のサイジング剤は、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)のみからなる場合に比べて、マトリックス樹脂にビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などのラジカル重合系樹脂が使用される場合には、サイジング剤のエポキシ化合物がマトリックス樹脂と強い相互作用を形成でき、接着性が向上する。 The sizing agent has an epoxy equivalent of 360 g / eq. The carbon fiber coated with the sizing agent is composed of the following aliphatic epoxy compound (A) only and does not contain the compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule. It has been confirmed that the interaction is high. The mechanism is not certain, but the epoxy equivalent is 360 g / eq. The following aliphatic epoxy compound (A) has a sufficient interaction with a functional group with a carboxyl group and a hydroxyl group on the surface of the carbon fiber, and is derived from a flexible skeleton and a structure having a high degree of freedom. Surface functional group and epoxy equivalent were 360 g / eq. It is considered that the following aliphatic epoxy compound (A) can form a strong interaction. The sizing agent of the present invention has an epoxy equivalent of 360 g / eq. Compared to the case where only the following aliphatic epoxy compound (A) is used, when a radical polymerization resin such as vinyl ester resin or unsaturated polyester resin is used for the matrix resin, the epoxy compound of the sizing agent is used as the matrix resin. Can form strong interaction and improve adhesion.
サイジング剤が、一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)からなり、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)を含まない場合、該サイジング剤を塗布した炭素繊維は、炭素繊維官能基とサイジング剤の極性基の親和性によって炭素繊維とサイジング剤の相互作用し、末端不飽和基がマトリックス樹脂中の不飽和基と共有結合等を形成できるため接着性が高くなる。しかしながら、この化合物(B)はコンポジット成形時の拡散を抑制するため、炭素繊維表面に皮膜化する必要があり、サイジング剤を炭素繊維表面に付与した後に、熱処理により高分子量化する必要がある。一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)の皮膜化に比べて、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)と炭素繊維の相互作用が形成する温度が低いため、本発明のサイジング時は、低温から高い接着性を維持することができる。その結果、サイジング剤塗布炭素繊維が硬くなりにくいことから、取り扱い性が良好になる。 The sizing agent comprises a compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule, and an epoxy equivalent is 360 g / eq. When the following aliphatic epoxy compound (A) is not included, the carbon fiber coated with the sizing agent interacts with the carbon fiber and the sizing agent due to the affinity of the carbon fiber functional group and the polar group of the sizing agent. Since the saturated group can form a covalent bond or the like with the unsaturated group in the matrix resin, the adhesiveness is increased. However, since this compound (B) suppresses diffusion at the time of molding the composite, it is necessary to form a film on the carbon fiber surface, and after applying a sizing agent to the carbon fiber surface, it is necessary to increase the molecular weight by heat treatment. Compared to film formation of the compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule, the epoxy equivalent is 360 g / eq. Since the temperature at which the following interaction between the aliphatic epoxy compound (A) and the carbon fiber is formed is low, high adhesiveness can be maintained from a low temperature during sizing of the present invention. As a result, the sizing agent-coated carbon fiber is difficult to be hardened, so that the handleability is improved.
なお、サイジング層表層には、一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)単独ではなく、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)が所定の割合で存在することで、サイジング剤表層の不飽和基の密度を減らすことができ、一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)がマトリックス樹脂中に拡散するのを抑制することができることから、熱処理温度が低い温度から高い接着性が得られる。その結果、サイジング剤塗布炭素繊維が硬くなるのを抑制することができる。また、サイジング剤塗布炭素繊維を長期間保管したときにも、一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)に含まれる末端不飽和基の反応を抑制でき、サイジング剤塗布炭素繊維が硬くなるのを抑制できる。また、サイジング層の組成が、サイジング層内部から表層にかけて傾斜的に変化することで、炭素繊維とマトリックス樹脂の間の相互作用を高めることができる。 Note that the surface layer of the sizing layer is not a compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule, but an epoxy equivalent of 360 g / eq. The presence of the following aliphatic epoxy compound (A) in a predetermined ratio can reduce the density of unsaturated groups on the surface of the sizing agent, and a compound having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule (B ) Can be suppressed from diffusing into the matrix resin, and high adhesiveness can be obtained from a low heat treatment temperature. As a result, it is possible to suppress the sizing agent-coated carbon fiber from becoming hard. Further, even when the sizing agent-coated carbon fiber is stored for a long period of time, the reaction of the terminal unsaturated group contained in the compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule can be suppressed, and the sizing agent-coated carbon It can suppress that a fiber becomes hard. Moreover, the interaction between the carbon fiber and the matrix resin can be enhanced by changing the composition of the sizing layer in an inclined manner from the inside of the sizing layer to the surface layer.
本発明におけるサイジング剤には、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)と一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)の質量比(A)/(B)は、30/70〜70/30である。(A)/(B)を30/70以上とすることで、炭素繊維表面に十分なエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)が存在し、炭素繊維とサイジング剤との相互作用が高くなる。その結果、得られた炭素繊維強化複合材料の引張強度などのコンポジット物性が高くなる。また、(A)/(B)を70/30以下とすることにより、サイジング剤表層にマトリックス樹脂との相互作用可能な末端不飽和基が多くなり、樹脂との接着性が向上する。(A)/(B)の質量比は40/60以上が好ましく、45/55以上がより好ましい。また、(A)/(B)の質量比は65/35以下が好ましく、60/30以下がより好ましい。 The sizing agent in the present invention has an epoxy equivalent of 360 g / eq. The mass ratio (A) / (B) of the following aliphatic epoxy compound (A) and the compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule is 30/70 to 70/30. By setting (A) / (B) to 30/70 or more, the epoxy equivalent sufficient for the carbon fiber surface is 360 g / eq. The following aliphatic epoxy compound (A) exists and the interaction between the carbon fiber and the sizing agent is increased. As a result, composite properties such as tensile strength of the obtained carbon fiber reinforced composite material are enhanced. Further, by setting (A) / (B) to 70/30 or less, the terminal unsaturated groups capable of interacting with the matrix resin increase in the surface layer of the sizing agent, and the adhesiveness to the resin is improved. The mass ratio of (A) / (B) is preferably 40/60 or more, and more preferably 45/55 or more. The mass ratio of (A) / (B) is preferably 65/35 or less, and more preferably 60/30 or less.
本発明に係るサイジング剤は、溶媒を除いたサイジング剤全量に対して、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)を15質量%以上含むことが好ましく、40質量%以上含むことが好ましい。 The sizing agent according to the present invention has an epoxy equivalent of 360 g / eq. With respect to the total amount of the sizing agent excluding the solvent. It is preferable that 15 mass% or more of the following aliphatic epoxy compounds (A) are included, and it is preferable that 40 mass% or more is included.
本発明において使用するエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)は、芳香環を含まないエポキシ化合物である。自由度の高い柔軟な骨格を有していることから、炭素繊維と強い相互作用を有することが可能である。その結果、サイジング剤を塗布した炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性が向上する。また、一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)に比べても極性が高く炭素繊維側に多く偏在することができる。 The epoxy equivalent used in the present invention is 360 g / eq. The following aliphatic epoxy compounds (A) are epoxy compounds that do not contain an aromatic ring. Since it has a flexible skeleton with a high degree of freedom, it can have a strong interaction with carbon fibers. As a result, the adhesion between the carbon fiber coated with the sizing agent and the matrix resin is improved. Moreover, even if it is compared with the compound (B) which has a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule, it has high polarity and can be unevenly distributed on the carbon fiber side.
本発明において、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)は分子内に1個以上のエポキシ基を有する。そのことにより、炭素繊維とサイジング剤中のエポキシ基の強固な結合を形成することができる。分子内のエポキシ基は、2個以上であることが好ましく、3個以上であることがより好ましい。エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)が、分子内に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物であると、1個のエポキシ基が炭素繊維表面の酸素含有官能基と共有結合を形成した場合でも、残りのエポキシ基がマトリックス樹脂と共有結合または水素結合を形成することができ、接着性をさらに向上することができる。エポキシ基の数の上限は特にないが、接着性の観点からは10個で十分である。 In the present invention, the epoxy equivalent is 360 g / eq. The following aliphatic epoxy compounds (A) have one or more epoxy groups in the molecule. As a result, a strong bond between the carbon fiber and the epoxy group in the sizing agent can be formed. The number of epoxy groups in the molecule is preferably 2 or more, and more preferably 3 or more. Epoxy equivalent is 360 g / eq. When the following aliphatic epoxy compound (A) is an epoxy compound having two or more epoxy groups in the molecule, even when one epoxy group forms a covalent bond with an oxygen-containing functional group on the surface of the carbon fiber The remaining epoxy groups can form a covalent bond or a hydrogen bond with the matrix resin, and the adhesion can be further improved. There is no particular upper limit on the number of epoxy groups, but 10 is sufficient from the viewpoint of adhesion.
本発明において、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)は、2種以上の官能基を3個以上有するエポキシ化合物であることが好ましく、2種以上の官能基を4個以上有するエポキシ化合物であることがより好ましい。エポキシ化合物が有する官能基は、エポキシ基以外に、水酸基、アミド基、イミド基、ウレタン基、ウレア基、スルホニル基、またはスルホ基から選択されるものが好ましい。エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)が、分子内に3個以上のエポキシ基または他の官能基を有するエポキシ化合物であると、1個のエポキシ基が炭素繊維表面の酸素含有官能基と共有結合を形成した場合でも、残りの2個以上のエポキシ基または他の官能基がマトリックス樹脂と共有結合または水素結合を形成することができ、接着性がさらに向上する。エポキシ基を含む官能基の数の上限は特にないが、接着性の観点から10個で十分である。 In the present invention, the epoxy equivalent is 360 g / eq. The following aliphatic epoxy compound (A) is preferably an epoxy compound having 3 or more of 2 or more types of functional groups, and more preferably an epoxy compound having 4 or more of 2 or more types of functional groups. The functional group possessed by the epoxy compound is preferably selected from a hydroxyl group, an amide group, an imide group, a urethane group, a urea group, a sulfonyl group, or a sulfo group in addition to the epoxy group. Epoxy equivalent is 360 g / eq. When the following aliphatic epoxy compound (A) is an epoxy compound having three or more epoxy groups or other functional groups in the molecule, one epoxy group is covalently bonded to an oxygen-containing functional group on the surface of the carbon fiber. Even in the case of forming, the remaining two or more epoxy groups or other functional groups can form a covalent bond or a hydrogen bond with the matrix resin, and the adhesion is further improved. There is no particular upper limit on the number of functional groups containing an epoxy group, but 10 is sufficient from the viewpoint of adhesiveness.
本発明において使用する脂肪族エポキシ化合物(A)のエポキシ当量は、360g/eq.以下である。より好ましくは270g/eq.以下であり、さらに好ましくは180g/eq.以下である。高密度で炭素繊維との相互作用が形成され、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性がさらに向上すること、極性を高めることで一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)に比べて炭素繊維側に多く偏在することができるため、脂肪族エポキシ化合物(A)のエポキシ当量は360g/eq.以下であることが必要である。エポキシ当量の下限は特にないが、90g/eq.以上であれば接着性の観点から十分である。 The epoxy equivalent of the aliphatic epoxy compound (A) used in the present invention is 360 g / eq. It is as follows. More preferably, 270 g / eq. Or less, more preferably 180 g / eq. It is as follows. Compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule because the interaction with carbon fiber is formed at high density, the adhesion between carbon fiber and matrix resin is further improved, and the polarity is increased Compared to the carbon fiber side, the epoxy equivalent of the aliphatic epoxy compound (A) is 360 g / eq. It is necessary that: There is no particular lower limit of epoxy equivalent, but 90 g / eq. The above is sufficient from the viewpoint of adhesiveness.
本発明において、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)の具体例としては、例えば、ポリオールから誘導されるグリシジルエーテル型エポキシ化合物、複数活性水素を有するアミンから誘導されるグリシジルアミン型エポキシ化合物、ポリカルボン酸から誘導されるグリシジルエステル型エポキシ化合物、および分子内に複数の二重結合を有する化合物を酸化して得られるエポキシ化合物が挙げられる。 In the present invention, the epoxy equivalent is 360 g / eq. Specific examples of the following aliphatic epoxy compounds (A) include, for example, glycidyl ether type epoxy compounds derived from polyols, glycidyl amine type epoxy compounds derived from amines having multiple active hydrogens, and polycarboxylic acids. And an epoxy compound obtained by oxidizing a compound having a plurality of double bonds in the molecule.
グリシジルエーテル型エポキシ化合物としては、ポリオールとエピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物が挙げられる。たとえば、グリシジルエーテル型エポキシ化合物として、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、ポリブチレングリコール、1,5−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、水添ビスフェノールA、水添ビスフェノールF、グリセロール、ジグリセロール、ポリグリセロール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、およびアラビトールから選択される1種と、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物である。また、このグリシジルエーテル型エポキシ化合物として、ジシクロペンタジエン骨格を有するグリシジルエーテル型エポキシ化合物も例示される。 Examples of the glycidyl ether type epoxy compound include a glycidyl ether type epoxy compound obtained by a reaction between a polyol and epichlorohydrin. For example, as a glycidyl ether type epoxy compound, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, tetrapropylene glycol, polypropylene glycol, trimethylene glycol, 1, 2 -Butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 2,3-butanediol, polybutylene glycol, 1,5-pentanediol, neopentyl glycol, 1,6-hexanediol, 1,4 -Cyclohexanedimethanol, hydrogenated bisphenol A, hydrogenated bisphenol F, glycerol, diglycerol, polyglycerol, trimethylolpropane, Pentaerythritol, sorbitol and one and selected from arabitol, glycidyl ether type epoxy compound obtained by reaction with epichlorohydrin. Examples of the glycidyl ether type epoxy compound include a glycidyl ether type epoxy compound having a dicyclopentadiene skeleton.
グリシジルアミン型エポキシ化合物としては、例えば、1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンが挙げられる。 Examples of the glycidylamine type epoxy compound include 1,3-bis (aminomethyl) cyclohexane.
グリシジルエステル型エポキシ化合物としては、例えば、ダイマー酸を、エピクロロヒドリンと反応させて得られるグリシジルエステル型エポキシ化合物が挙げられる。 Examples of the glycidyl ester type epoxy compound include a glycidyl ester type epoxy compound obtained by reacting dimer acid with epichlorohydrin.
分子内に複数の二重結合を有する化合物を酸化させて得られるエポキシ化合物としては、例えば、分子内にエポキシシクロヘキサン環を有するエポキシ化合物が挙げられる。さらに、このエポキシ化合物としては、エポキシ化大豆油が挙げられる。 Examples of the epoxy compound obtained by oxidizing a compound having a plurality of double bonds in the molecule include an epoxy compound having an epoxycyclohexane ring in the molecule. Furthermore, the epoxy compound includes epoxidized soybean oil.
本発明に使用するエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)として、これらのエポキシ化合物以外にも、トリグリシジルイソシアヌレートのようなエポキシ化合物が挙げられる。 The epoxy equivalent used in the present invention is 360 g / eq. In addition to these epoxy compounds, the following aliphatic epoxy compounds (A) include epoxy compounds such as triglycidyl isocyanurate.
本発明にかかるエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)は、1個以上のエポキシ基と、水酸基、アミド基、イミド基、ウレタン基、ウレア基、スルホニル基、カルボキシル基、エステル基およびスルホ基から選ばれる、少なくとも1個以上の官能基とを有することが好ましい。エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)が有する官能基の具体例として、例えば、エポキシ基と水酸基を有する化合物、エポキシ基とアミド基を有する化合物、エポキシ基とイミド基を有する化合物、エポキシ基とウレタン基を有する化合物、エポキシ基とウレア基を有する化合物、エポキシ基とスルホニル基を有する化合物、エポキシ基とスルホ基を有する化合物が挙げられる。 The epoxy equivalent according to the present invention is 360 g / eq. The following aliphatic epoxy compound (A) is at least one selected from one or more epoxy groups and a hydroxyl group, an amide group, an imide group, a urethane group, a urea group, a sulfonyl group, a carboxyl group, an ester group, and a sulfo group. It preferably has at least one functional group. Epoxy equivalent is 360 g / eq. Specific examples of the functional group possessed by the following aliphatic epoxy compound (A) include, for example, a compound having an epoxy group and a hydroxyl group, a compound having an epoxy group and an amide group, a compound having an epoxy group and an imide group, and an epoxy group and a urethane. A compound having a group, a compound having an epoxy group and a urea group, a compound having an epoxy group and a sulfonyl group, and a compound having an epoxy group and a sulfo group.
エポキシ基に加えて水酸基を有するエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)としては、例えば、ソルビトール型ポリグリシジルエーテルおよびグリセロール型ポリグリシジルエーテル等が挙げられ、具体的には“デナコール(登録商標)”EX−611、EX−612、EX−614、EX−614B、EX−622、EX−512、EX−521、EX−421、EX−313、EX−314およびEX−321(ナガセケムテックス株式会社製)等が挙げられる。 The epoxy equivalent having a hydroxyl group in addition to the epoxy group is 360 g / eq. Examples of the aliphatic epoxy compound (A) include sorbitol-type polyglycidyl ether and glycerol-type polyglycidyl ether. Specifically, “Denacol (registered trademark)” EX-611, EX-612, EX -614, EX-614B, EX-622, EX-512, EX-521, EX-421, EX-313, EX-314, and EX-321 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation).
エポキシ基に加えてアミド基を有するエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)としては、例えば、アミド変性エポキシ化合物等が挙げられる。アミド変性エポキシは脂肪族ジカルボン酸アミドのカルボキシル基に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物のエポキシ基を反応させることによって得ることができる。 Epoxy equivalent having an amide group in addition to the epoxy group is 360 g / eq. Examples of the following aliphatic epoxy compound (A) include amide-modified epoxy compounds. The amide-modified epoxy can be obtained by reacting an epoxy group of an epoxy compound having two or more epoxy groups with a carboxyl group of an aliphatic dicarboxylic acid amide.
本発明で用いるエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)は、上述した中でも高い接着性の観点から、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、ポリブチレングリコール、1,5−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、グリセロール、ジグリセロール、ポリグリセロール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、およびアラビトールから選択される1種と、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物が好ましい。 Epoxy equivalent used in the present invention is 360 g / eq. The following aliphatic epoxy compounds (A) are ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, tetrapropylene from the viewpoint of high adhesiveness as described above. Glycol, polypropylene glycol, trimethylene glycol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 2,3-butanediol, polybutylene glycol, 1,5-pentanediol, neopentyl Selected from glycol, 1,6-hexanediol, glycerol, diglycerol, polyglycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol, and arabitol One and is, glycidyl ether type epoxy compound obtained by the reaction of epichlorohydrin are preferred.
本発明において、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)は、グリセロール、ジグリセロール、ポリグリセロール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、およびアラビトールから選択される1種と、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物であることがさらに好ましく、ポリグリセロールポリグリシジルエーテルがさらに好ましい。 In the present invention, the epoxy equivalent is 360 g / eq. The following aliphatic epoxy compound (A) is a glycidyl ether obtained by reacting one kind selected from glycerol, diglycerol, polyglycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol, and arabitol with epichlorohydrin It is more preferable that it is a type epoxy compound, and polyglycerol polyglycidyl ether is more preferable.
本発明に用いる化合物(B)は一分子内に末端不飽和基と極性基を有する。 The compound (B) used in the present invention has a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule.
末端不飽和基とは、ビニル基、アクリレート基、およびメタクリレート基から選ばれたものであることが好ましい。また、極性基とは、アミド結合、イミド結合、ウレタン結合、ウレア結合、イソシアネート基、およびスルホ基から選ばれたものであることが好ましい。 The terminal unsaturated group is preferably selected from a vinyl group, an acrylate group, and a methacrylate group. The polar group is preferably selected from an amide bond, an imide bond, a urethane bond, a urea bond, an isocyanate group, and a sulfo group.
一分子当たりの末端不飽和基の数は、2個以上が好ましい。2個以上であることで、サイジング剤塗布後の乾燥、熱処理工程において、末端不飽和基が縮合して高分子量化したときに、残った末端不飽和基が、マトリックス樹脂と反応することで接着性が高くなる。一分子当たりの末端不飽和基の数は3個以上が好ましく、4個以上がさらに好ましい。なお、8個以下でサイジング剤塗布炭素繊維を長期間保管した場合にも、硬化を抑制することができて好ましい。 The number of terminal unsaturated groups per molecule is preferably 2 or more. By being two or more, when the terminal unsaturated groups condense in the drying and heat treatment process after application of the sizing agent to increase the molecular weight, the remaining terminal unsaturated groups react with the matrix resin to adhere. Increases nature. The number of terminal unsaturated groups per molecule is preferably 3 or more, more preferably 4 or more. In addition, even when the sizing agent-coated carbon fibers are stored for a long period of time with 8 or less, it is preferable because curing can be suppressed.
極性基は、炭素繊維表面上に皮膜化されたときに特定量の炭素繊維表面官能基との相互作用を確保するため、分子量当たりの極性基の数は1×10−3以上とすることが好ましく、3×10−3以上とするのがさらに好ましい。 The number of polar groups per molecular weight should be 1 × 10 −3 or more in order to ensure the interaction of the polar groups with a specific amount of carbon fiber surface functional groups when filmed on the carbon fiber surface. Preferably, it is 3 × 10 −3 or more.
また、本発明における極性基と末端不飽和基を有する化合物としては、不飽和アルコール、不飽和カルボン酸とイソシアネート化合物を反応せしめた化合物が挙げられ、不飽和アルコールとしては、例えばアリルアルコール、不飽和カルボン酸としてはアクリル酸、メタクリル酸等、イソシアネート化合物としてはヘキサメチレンジシソシアネート、イソホロンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、ジトリ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等の公知の不飽和ポリウレタン化合物が挙げられる。 In addition, the compound having a polar group and a terminal unsaturated group in the present invention includes a compound obtained by reacting an unsaturated alcohol, an unsaturated carboxylic acid and an isocyanate compound. Examples of the unsaturated alcohol include allyl alcohol and unsaturated compounds. Examples of the carboxylic acid include acrylic acid and methacrylic acid, and examples of the isocyanate compound include known unsaturated polyurethane compounds such as hexamethylene disisocyanate, isophorone diisocyanate, tolylene diisocyanate, ditolylene diisocyanate, and diphenylmethane diisocyanate.
特に、不飽和ポリウレタン化合物の末端不飽和基がアクリレート基およびメタクリレート基である化合物が好ましく、フェニルグリシジルエーテルアクリレートヘキサメチレンジイソシアネート化合物、フェニルグリシジルエーテルアクリレートトリレンジイソシアネート化合物、ペンタエリスリトールアクリレートヘキサメチレンジイソシアネート化合物、フェニルグリシジルエーテルトリアクリレートイソホロンジイソシアネート化合物、グリセリンジメタクリレートトリレンジイソシアネート化合物、グリセリンジメタクリレートイソホロンジイソシアネート化合物、ペンタエリスリトールトリアクリレートトリレンジイソシアネート化合物、ペンタエリスリトールトリアクリレートイソホロンジイソシアネート、トリアリルイソシアヌレート化合物から選ばれる少なくとも1種の化合物が好ましい。 In particular, a compound in which the unsaturated terminal group of the unsaturated polyurethane compound is an acrylate group and a methacrylate group is preferable. Phenyl glycidyl ether acrylate hexamethylene diisocyanate compound, phenyl glycidyl ether acrylate tolylene diisocyanate compound, pentaerythritol acrylate hexamethylene diisocyanate compound, phenyl Glycidyl ether triacrylate isophorone diisocyanate compound, glycerin dimethacrylate tolylene diisocyanate compound, glycerin dimethacrylate isophorone diisocyanate compound, pentaerythritol triacrylate tolylene diisocyanate compound, pentaerythritol triacrylate isophorone diisocyanate, triallyl isocyanate At least one compound selected from the rate compound.
アミド結合と末端不飽和基を有する化合物としては、N,N−ジメチルアクリルアミド、N,N−ジメチルアミノエチルアクリレート、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド、アクリロイルモルホリン、N−イソプロピルアクリルアミド、N,N−ジエチルアクリルアミド等が挙げられる。スルホ基と末端不飽和基を有する化合物としてはビスフェノールS型ジグリシジルジアクリレート、ビスフェノールS型ジグリシジルジメタクリレート等が挙げられる。 Examples of the compound having an amide bond and a terminal unsaturated group include N, N-dimethylacrylamide, N, N-dimethylaminoethyl acrylate, N, N-dimethylaminopropylacrylamide, acryloylmorpholine, N-isopropylacrylamide, N, N- Examples include diethyl acrylamide. Examples of the compound having a sulfo group and a terminal unsaturated group include bisphenol S-type diglycidyl diacrylate and bisphenol S-type diglycidyl dimethacrylate.
好ましいサイジング剤の構造としては、分子鎖が直線状で柔軟性を有する脂肪族化合物、特に末端不飽和基と極性基を有する脂肪族ポリイソシアネート化合物、すなわちポリエチレングリコール骨格およびポリアルキレン骨格であるポリイソシアネート化合物が好ましい。 A preferred sizing agent has a structure in which a molecular chain is linear and flexible, particularly an aliphatic polyisocyanate compound having a terminal unsaturated group and a polar group, that is, a polyisocyanate having a polyethylene glycol skeleton and a polyalkylene skeleton. Compounds are preferred.
また、かかる化合物の分子量は、樹脂粘度が高くなって集束剤としての取り扱い性が悪化するのを防ぐ観点から、300以上2000以下が好ましく、500以上1000以下がより好ましい。 The molecular weight of the compound is preferably 300 or more and 2000 or less, and more preferably 500 or more and 1000 or less, from the viewpoint of preventing the resin viscosity from increasing and handling properties as a sizing agent from being deteriorated.
さらに、本発明で用いられるサイジング剤には、エポキシ当量が360g/eq.以上の脂肪族エポキシ化合物(A)と一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)以外の成分を1種類以上含んでも良い。サイジング剤塗布炭素繊維に収束性あるいは柔軟性を付与する材料を配合することで取扱い性をさらに高め、耐擦過性および耐毛羽性を高めることができて好ましい。 Furthermore, the sizing agent used in the present invention has an epoxy equivalent of 360 g / eq. One or more components other than the above aliphatic epoxy compound (A) and the compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule may be contained. It is preferable to add a material that imparts convergence or flexibility to the sizing agent-coated carbon fiber because handling properties can be further improved, and scratch resistance and fluff resistance can be increased.
本発明において、エポキシ当量が360g/eq.以上の脂肪族エポキシ化合物(A)以外のエポキシ化合物として、エポキシ当量が360g/eq.未満の脂肪族エポキシ化合物、芳香族エポキシ化合物を用いることができる。 In the present invention, the epoxy equivalent is 360 g / eq. As an epoxy compound other than the aliphatic epoxy compound (A), the epoxy equivalent is 360 g / eq. Less than aliphatic epoxy compounds and aromatic epoxy compounds can be used.
芳香族エポキシ化合物は分子内に1つ以上のエポキシ基と芳香環を含む。芳香環とは、炭素のみからなる芳香環炭化水素でも良いし、窒素あるいは酸素などのヘテロ原子を含むフラン、チオフェン、ピロール、イミダゾールなどの複素芳香環でも構わない。また、芳香環はナフタレン、アントラセンなどの多環式芳香環でも構わない。芳香環の疎水性により、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)に比べて炭素繊維との相互作用が弱くなるため、炭素繊維との相互作用が低く、サイジング層外層に芳香族化合物が多く存在する結果となる。芳香族化合物を用いることで耐擦過性が良好になるため好ましい。 Aromatic epoxy compounds contain one or more epoxy groups and aromatic rings in the molecule. The aromatic ring may be an aromatic ring hydrocarbon consisting only of carbon, or a heteroaromatic ring such as furan, thiophene, pyrrole or imidazole containing a heteroatom such as nitrogen or oxygen. The aromatic ring may be a polycyclic aromatic ring such as naphthalene or anthracene. Due to the hydrophobicity of the aromatic ring, the epoxy equivalent is 360 g / eq. Since the interaction with the carbon fiber is weaker than the following aliphatic epoxy compound (A), the interaction with the carbon fiber is low, resulting in the presence of many aromatic compounds in the outer layer of the sizing layer. It is preferable to use an aromatic compound because scratch resistance is improved.
本発明において、芳香族エポキシ化合物の具体例としては、例えば、芳香族ポリオールから誘導されるグリシジルエーテル型エポキシ化合物、複数活性水素を有する芳香族アミンから誘導されるグリシジルアミン型エポキシ化合物、芳香族ポリカルボン酸から誘導されるグリシジルエステル型エポキシ化合物、および分子内に複数の二重結合を有する芳香族化合物を酸化して得られるエポキシ化合物が挙げられる。 In the present invention, specific examples of the aromatic epoxy compound include, for example, a glycidyl ether type epoxy compound derived from an aromatic polyol, a glycidyl amine type epoxy compound derived from an aromatic amine having a plurality of active hydrogens, and an aromatic poly Examples thereof include glycidyl ester type epoxy compounds derived from carboxylic acids and epoxy compounds obtained by oxidizing aromatic compounds having a plurality of double bonds in the molecule.
グリシジルエーテル型エポキシ化合物としては、例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールAD、ビスフェノールS、テトラブロモビスフェノールA、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ヒドロキノン、レゾルシノール、4,4’−ジヒドロキシ−3,3’,5,5’−テトラメチルビフェニル、1,6−ジヒドロキシナフタレン、9,9−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、トリス(p−ヒドロキシフェニル)メタン、およびテトラキス(p−ヒドロキシフェニル)エタンから選択される1種と、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物が挙げられる。また、グリシジルエーテル型エポキシ化合物として、ビフェニルアラルキル骨格を有するグリシジルエーテル型エポキシ化合物も例示される。 Examples of the glycidyl ether type epoxy compound include bisphenol A, bisphenol F, bisphenol AD, bisphenol S, tetrabromobisphenol A, phenol novolac, cresol novolac, hydroquinone, resorcinol, 4,4′-dihydroxy-3,3 ′, 5. , 5′-tetramethylbiphenyl, 1,6-dihydroxynaphthalene, 9,9-bis (4-hydroxyphenyl) fluorene, tris (p-hydroxyphenyl) methane, and tetrakis (p-hydroxyphenyl) ethane The glycidyl ether type epoxy compound obtained by reaction with 1 type and epichlorohydrin is mentioned. Examples of the glycidyl ether type epoxy compound include a glycidyl ether type epoxy compound having a biphenylaralkyl skeleton.
グリシジルアミン型エポキシ化合物としては、例えば、N,N−ジグリシジルアニリン、N,N−ジグリシジル−o−トルイジンのほか、m−キシリレンジアミン、m−フェニレンジアミン、4,4’−ジアミノジフェニルメタンおよび9,9−ビス(4−アミノフェニル)フルオレンから選択される1種と、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物が挙げられる。 Examples of the glycidylamine type epoxy compound include N, N-diglycidylaniline, N, N-diglycidyl-o-toluidine, m-xylylenediamine, m-phenylenediamine, 4,4′-diaminodiphenylmethane and 9 , 9-bis (4-aminophenyl) fluorene, and a glycidyl ether type epoxy compound obtained by reaction with epichlorohydrin.
さらに、例えば、グリシジルアミン型エポキシ化合物として、m−アミノフェノール、p−アミノフェノール、および4−アミノ−3−メチルフェノールのアミノフェノール類の水酸基とアミノ基の両方を、エピクロロヒドリンと反応させて得られるエポキシ化合物が挙げられる。 Further, for example, as a glycidylamine type epoxy compound, both the hydroxyl group and amino group of aminophenols of m-aminophenol, p-aminophenol, and 4-amino-3-methylphenol are reacted with epichlorohydrin. And an epoxy compound obtained.
グリシジルエステル型エポキシ化合物としては、例えば、フタル酸、テレフタル酸、ヘキサヒドロフタル酸を、エピクロロヒドリンと反応させて得られるグリシジルエステル型エポキシ化合物が挙げられる。 Examples of the glycidyl ester type epoxy compound include glycidyl ester type epoxy compounds obtained by reacting phthalic acid, terephthalic acid, and hexahydrophthalic acid with epichlorohydrin.
本発明に使用する芳香族エポキシ化合物として、これらのエポキシ化合物以外にも、上に挙げたエポキシ化合物を原料として合成されるエポキシ化合物、例えば、ビスフェノールAジグリシジルエーテルとトリレンジイソシアネートからオキサゾリドン環生成反応により合成されるエポキシ化合物が挙げられる。 As an aromatic epoxy compound used in the present invention, in addition to these epoxy compounds, epoxy compounds synthesized from the above-mentioned epoxy compounds, for example, oxazolidone ring formation reaction from bisphenol A diglycidyl ether and tolylene diisocyanate An epoxy compound synthesized by the method can be given.
本発明において、芳香族エポキシ化合物は、1個以上のエポキシ基以外に、水酸基、アミド基、イミド基、ウレタン基、ウレア基、スルホニル基、カルボキシル基、エステル基およびスルホ基から選ばれる、少なくとも1個以上の官能基が好ましく用いられる。例えば、エポキシ基と水酸基を有する化合物、エポキシ基とアミド基を有する化合物、エポキシ基とイミド基を有する化合物、エポキシ基とウレタン基を有する化合物、エポキシ基とウレア基を有する化合物、エポキシ基とスルホニル基を有する化合物、エポキシ基とスルホ基を有する化合物が挙げられる。 In the present invention, the aromatic epoxy compound is selected from a hydroxyl group, an amide group, an imide group, a urethane group, a urea group, a sulfonyl group, a carboxyl group, an ester group and a sulfo group, in addition to one or more epoxy groups. One or more functional groups are preferably used. For example, compounds having epoxy group and hydroxyl group, compounds having epoxy group and amide group, compounds having epoxy group and imide group, compounds having epoxy group and urethane group, compounds having epoxy group and urea group, epoxy group and sulfonyl Examples thereof include compounds having a group and compounds having an epoxy group and a sulfo group.
エポキシ基に加えてアミド基を有する芳香族エポキシ化合物としては、例えば、グリシジルベンズアミド、アミド変性エポキシ化合物等が挙げられる。アミド変性エポキシは芳香環を含有するジカルボン酸アミドのカルボキシル基に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物のエポキシ基を反応させることによって得ることができる。 Examples of the aromatic epoxy compound having an amide group in addition to the epoxy group include glycidylbenzamide and amide-modified epoxy compounds. The amide-modified epoxy can be obtained by reacting an epoxy group of an epoxy compound having two or more epoxy groups with a carboxyl group of a dicarboxylic acid amide containing an aromatic ring.
エポキシ基に加えてイミド基を有する芳香族エポキシ化合物としては、例えば、グリシジルフタルイミド等が挙げられる。具体的には“デナコール(登録商標)”EX−731(ナガセケムテックス株式会社製)等が挙げられる。 Examples of the aromatic epoxy compound having an imide group in addition to the epoxy group include glycidyl phthalimide. Specific examples include “Denacol (registered trademark)” EX-731 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation).
エポキシ基に加えてウレタン基を有する芳香族エポキシ化合物としては、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芳香環を含有する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化合物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。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、トリフェニルメタントリイソシアネートおよびビフェニル−2,4,4’−トリイソシアネートなどが挙げられる。 As an aromatic epoxy compound having a urethane group in addition to an epoxy group, the terminal hydroxyl group of the polyethylene oxide monoalkyl ether is reacted with a polyvalent isocyanate containing an aromatic ring having a reaction equivalent to the amount of the hydroxyl group, and then the reaction obtained It can be obtained by reacting the isocyanate residue of the product with a hydroxyl group in the polyvalent epoxy compound. Here, examples of the polyvalent isocyanate used include 2,4-tolylene diisocyanate, metaphenylene diisocyanate, paraphenylene diisocyanate, diphenylmethane diisocyanate, triphenylmethane triisocyanate, and biphenyl-2,4,4′-triisocyanate. It is done.
エポキシ基に加えてウレア基を有する芳香族エポキシ化合物としては、例えば、ウレア変性エポキシ化合物等が挙げられる。ウレア変性エポキシはジカルボン酸ウレアのカルボキシル基に2個以上のエポキシ基を有する芳香環を含有するエポキシ化合物のエポキシ基を反応させることによって得ることができる。 Examples of the aromatic epoxy compound having a urea group in addition to the epoxy group include a urea-modified epoxy compound. The urea-modified epoxy can be obtained by reacting the epoxy group of an epoxy compound containing an aromatic ring having two or more epoxy groups with the carboxyl group of the dicarboxylic acid urea.
エポキシ基に加えてスルホニル基を有する芳香族エポキシ化合物としては、例えば、ビスフェノールS型エポキシ等が挙げられる。 Examples of the aromatic epoxy compound having a sulfonyl group in addition to the epoxy group include bisphenol S-type epoxy.
エポキシ基に加えてスルホ基を有する芳香族エポキシ化合物としては、例えば、p−トルエンスルホン酸グリシジルおよび3−ニトロベンゼンスルホン酸グリシジル等が挙げられる。 Examples of the aromatic epoxy compound having a sulfo group in addition to the epoxy group include glycidyl p-toluenesulfonate and glycidyl 3-nitrobenzenesulfonate.
本発明において、芳香族エポキシ化合物は、フェノールノボラック型エポキシ化合物、クレゾールノボラック型エポキシ化合物、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、ビスフェノールA型エポキシ化合物あるいはビスフェノールF型エポキシ化合物であることが、接着性及び耐擦過性の観点から好ましく、ビスフェノールA型エポキシ化合物あるいはビスフェノールF型エポキシ化合物であることがより好ましい。 In the present invention, the aromatic epoxy compound is a phenol novolac type epoxy compound, a cresol novolac type epoxy compound, tetraglycidyl diaminodiphenylmethane, a bisphenol A type epoxy compound or a bisphenol F type epoxy compound. From the viewpoint, it is preferably a bisphenol A type epoxy compound or a bisphenol F type epoxy compound.
上記以外にも、エステル化合物、ウレタン化合物が好ましく用いられる。 In addition to the above, ester compounds and urethane compounds are preferably used.
エステル化合物は、芳香環を持たない脂肪族エステル化合物でも良いし、芳香環を分子内に1個以上有する芳香族エステル化合物でも良い。エステル化合物として芳香族エステル化合物を用いると、サイジング剤塗布炭素繊維の耐擦過性が向上するため好ましい。特に、芳香族エステル化合物は、炭素繊維との相互作用が弱いため、マトリックス樹脂の外層に存在することとなり、接着性の低下を抑制しながら、耐擦過性を高めることができる。また、芳香族エステル化合物は、エステル基以外にも、エポキシ基以外の官能基、たとえば、水酸基、アミド基、イミド基、ウレタン基、ウレア基、スルホニル基、カルボキシル基、およびスルホ基を有していてもよい。芳香族エステル化合物として、具体的にはビスフェノール類のアルキレンオキシド付加物と不飽和二塩基酸との縮合物からなるエステル化合物を用いるのが好ましい。不飽和二塩基酸としては、酸無水物低級アルキルエステルを含み、フマル酸、マレイン酸、シトラコン酸、イタコン酸などが好ましく使用される。ビスフェノール類のアルキレンオキシド付加物としてはビスフェノールのエチレンオキシド付加物、プロピレンオキシド付加物、ブチレンオキシド付加物などが好ましく使用される。上記縮合物のうち、好ましくはフマル酸またはマレイン酸とビスフェノールAのエチレンオキシドまたは/およびプロピレンオキシド付加物との縮合物が使用される。 The ester compound may be an aliphatic ester compound having no aromatic ring, or may be an aromatic ester compound having one or more aromatic rings in the molecule. It is preferable to use an aromatic ester compound as the ester compound because the rub resistance of the sizing agent-coated carbon fiber is improved. In particular, since the aromatic ester compound has a weak interaction with the carbon fiber, it exists in the outer layer of the matrix resin, and it is possible to improve the scratch resistance while suppressing a decrease in adhesiveness. In addition to the ester group, the aromatic ester compound has a functional group other than an epoxy group, such as a hydroxyl group, an amide group, an imide group, a urethane group, a urea group, a sulfonyl group, a carboxyl group, and a sulfo group. May be. Specifically, it is preferable to use an ester compound composed of a condensate of an alkylene oxide adduct of bisphenols and an unsaturated dibasic acid as the aromatic ester compound. The unsaturated dibasic acid includes an acid anhydride lower alkyl ester, and fumaric acid, maleic acid, citraconic acid, itaconic acid and the like are preferably used. As the alkylene oxide adducts of bisphenols, ethylene oxide adducts, propylene oxide adducts, butylene oxide adducts of bisphenol are preferably used. Among the condensates, a condensate of fumaric acid or maleic acid and bisphenol A ethylene oxide or / and propylene oxide adduct is preferably used.
ビスフェノール類へのアルキレンオキシドの付加方法は限定されず、公知の方法を用いることができる。上記の不飽和二塩基酸には、必要により、その一部に飽和二塩基酸や少量の一塩基酸を接着性等の特性が損なわれない範囲で加えることができる。また、ビスフェノール類のアルキレンオキシド付加物には、通常のグリコール、ポリエーテルグリコールおよび少量の多価アルコール、一価アルコールなどを、接着性等の特性が損なわれない範囲で加えることもできる。ビスフェノール類のアルキレンオキシド付加物と不飽和二塩基酸との縮合法は、公知の方法を用いることができる。 The method for adding alkylene oxide to bisphenols is not limited, and known methods can be used. If necessary, a saturated dibasic acid or a small amount of a monobasic acid can be added to the unsaturated dibasic acid as long as the properties such as adhesiveness are not impaired. Further, ordinary glycols, polyether glycols and small amounts of polyhydric alcohols and monohydric alcohols can be added to the alkylene oxide adducts of bisphenols as long as the properties such as adhesiveness are not impaired. A known method can be used as the condensation method of the alkylene oxide adduct of bisphenol and the unsaturated dibasic acid.
ウレタン化合物は、芳香環を持たない脂肪族ウレタン化合物でも良いし、芳香環を分子内に1個以上有する芳香族ウレタン化合物でも良い。ウレタン化合物として芳香族ウレタン化合物を用いると、サイジング剤塗布炭素繊維の耐擦過性が向上するため好ましい。特に、芳香族ウレタン化合物は、炭素繊維との相互作用が弱いため、マトリックス樹脂の外層に存在することとなり、高い接着性を維持しながら、耐擦過性を高めることができる。 The urethane compound may be an aliphatic urethane compound having no aromatic ring, or may be an aromatic urethane compound having one or more aromatic rings in the molecule. It is preferable to use an aromatic urethane compound as the urethane compound because the scratch resistance of the sizing agent-coated carbon fiber is improved. In particular, since the aromatic urethane compound has a weak interaction with the carbon fiber, it exists in the outer layer of the matrix resin, and it is possible to improve the scratch resistance while maintaining high adhesiveness.
上記以外にも、界面活性剤などの添加剤として例えば、ポリエチレンオキサイドやポリプロピレンオキサイド等のポリアルキレンオキサイド、高級アルコール、多価アルコール、アルキルフェノール、およびスチレン化フェノール等にポリエチレンオキサイドやポリプロピレンオキサイド等のポリアルキレンオキサイドが付加した化合物、およびエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとのブロック共重合体等のノニオン系界面活性剤が好ましく用いられる。界面活性剤として、フェノール類のアルキレンオキシド付加物を用いることがより好ましい。 In addition to the above, examples of additives such as surfactants include polyalkylene oxides such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, higher alcohols, polyhydric alcohols, alkylphenols, and polyalkylenes such as polyethylene oxide and polypropylene oxide in styrenated phenols. Nonionic surfactants such as compounds added with oxides and block copolymers of ethylene oxide and propylene oxide are preferably used. More preferably, an alkylene oxide adduct of phenols is used as the surfactant.
フェノールとしては、芳香環を1個有する単環フェノール、芳香環を2個以上有する多環フェノールを用いる。単環フェノールの具体例としては、フェノール、多環フェノールとしては、フェニルフェノール、クミルフェノール、ベンジルフェノール、ハイドロキノンモノフェニルエーテル、ナフトール、ビスフェノール、単環フェノールまたは多環フェノールのなどとスチレン類(スチレン、α−メチルスチレンなど)との反応生成物(スチレン化フェノール類という)から選ばれるフェノール類のアルキレンオキシド(例えば、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、ブチレンオキサイド)付加物(2種以上のアルキレンオキシド付加物の場合はブロックまたはランダム付加物)などが使用される。これらのうちスチレン化フェノール類、ビスフェノールAのエチレンオキサイド付加物またはプロピレンオキサイド付加物が好ましく使用される。かかるフェノール類へのアルキレンオキシドの付加方法は、通常の方法でよく、また、付加数としては、好ましくは1〜120、さらに好ましくは10〜90、特に好ましくは30〜80の付加物が好ましく使用される。 As the phenol, monocyclic phenol having one aromatic ring and polycyclic phenol having two or more aromatic rings are used. Specific examples of monocyclic phenols include phenol, polycyclic phenols such as phenylphenol, cumylphenol, benzylphenol, hydroquinone monophenyl ether, naphthol, bisphenol, monocyclic phenol or polycyclic phenol, and styrenes (styrene , Α-methylstyrene, etc.) reaction products (referred to as styrenated phenols) of phenols selected from alkylene oxides (for example, ethylene oxide, propylene oxide, butylene oxide) adducts (two or more alkylene oxide adducts) In the case of block or random adduct). Of these, styrenated phenols, ethylene oxide adducts or propylene oxide adducts of bisphenol A are preferably used. The addition method of alkylene oxide to such phenols may be a normal method, and the addition number is preferably 1 to 120, more preferably 10 to 90, particularly preferably 30 to 80. Is done.
次に、本発明で使用する炭素繊維について説明する。本発明で使用する炭素繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)系、レーヨン系およびピッチ系の炭素繊維が挙げられる。なかでも、強度と弾性率のバランスに優れたPAN系炭素繊維が好ましく用いられる。 Next, the carbon fiber used in the present invention will be described. Examples of the carbon fiber used in the present invention include polyacrylonitrile (PAN) -based, rayon-based, and pitch-based carbon fibers. Of these, PAN-based carbon fibers having an excellent balance between strength and elastic modulus are preferably used.
本発明にかかる炭素繊維は、得られた炭素繊維束のストランド強度が、3.5GPa以上であることが好ましく、より好ましくは4GPa以上であり、さらに好ましくは5GPa以上である。また、得られた炭素繊維束のストランド弾性率が、220GPa以上であることが好ましく、より好ましくは240GPa以上であり、さらに好ましくは280GPa以上である。 In the carbon fiber according to the present invention, the strand strength of the obtained carbon fiber bundle is preferably 3.5 GPa or more, more preferably 4 GPa or more, and further preferably 5 GPa or more. Moreover, it is preferable that the strand elastic modulus of the obtained carbon fiber bundle is 220 GPa or more, More preferably, it is 240 GPa or more, More preferably, it is 280 GPa or more.
また、本発明において、上記の炭素繊維束のストランド引張強度と弾性率は、JIS−R−7608(2004)の樹脂含浸ストランド試験法に準拠し、次の手順に従い求めることができる。樹脂処方としては、“セロキサイド(登録商標)”2021P(ダイセル化学工業社製)/三フッ化ホウ素モノエチルアミン(東京化成工業(株)製)/アセトン=100/3/4(質量部)を用い、硬化条件としては、常圧、130℃、30分を用いる。炭素繊維束のストランド10本を測定し、その平均値をストランド引張強度およびストランド弾性率とした。 Moreover, in this invention, the strand tensile strength and elastic modulus of said carbon fiber bundle can be calculated | required according to the following procedure based on the resin impregnation strand test method of JIS-R-7608 (2004). As the resin formulation, “Celoxide (registered trademark)” 2021P (manufactured by Daicel Chemical Industries) / boron trifluoride monoethylamine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) / Acetone = 100/3/4 (parts by mass) is used. As curing conditions, normal pressure, 130 ° C., and 30 minutes are used. Ten strands of the carbon fiber bundle were measured, and the average value was defined as the strand tensile strength and the strand elastic modulus.
本発明において用いられる炭素繊維は、表面粗さ(Ra)が6.0〜100nmであることが好ましい。より好ましくは15〜80nmであり、30〜60nmが好適である。表面粗さ(Ra)が6.0〜60nmである炭素繊維は、表面に高活性なエッジ部分を有するため、前述したサイジング剤のエポキシ基等との反応性が向上し、界面接着性を向上することができ好ましい。また、表面粗さ(Ra)が6.0〜100nmである炭素繊維は、表面に凹凸を有しているため、サイジング剤のアンカー効果によって界面接着性を向上することができ好ましい。 The carbon fiber used in the present invention preferably has a surface roughness (Ra) of 6.0 to 100 nm. More preferably, it is 15-80 nm, and 30-60 nm is suitable. Carbon fiber with a surface roughness (Ra) of 6.0 to 60 nm has a highly active edge portion on the surface, so the reactivity with the epoxy group of the sizing agent described above is improved and the interfacial adhesion is improved. This is preferable. Moreover, since the carbon fiber whose surface roughness (Ra) is 6.0-100 nm has an unevenness | corrugation on the surface, it can improve interface adhesiveness by the anchor effect of a sizing agent, and is preferable.
炭素繊維表面の平均粗さ(Ra)は、原子間力顕微鏡(AFM)を用いることにより測定することができる。例えば、炭素繊維を長さ数mm程度にカットしたものを用意し、銀ペーストを用いて基板(シリコンウエハ)上に固定し、原子間力顕微鏡(AFM)によって各単繊維の中央部において、3次元表面形状の像を観測すればよい。原子間力顕微鏡としてはDigital Instuments社製 NanoScope IIIaにおいてDimension 3000ステージシステムなどが使用可能であり、以下の観測条件で観測することができる。
・走査モード:タッピングモード
・探針:シリコンカンチレバー
・走査範囲:0.6μm×0.6μm
・走査速度:0.3Hz
・ピクセル数:512×512
・測定環境:室温、大気中
また、各試料について、単繊維1本から1箇所ずつ観察して得られた像について、繊維断面の丸みを3次曲面で近似し、得られた像全体を対象として、平均粗さ(Ra)を算出し、単繊維5本について、平均粗さ(Ra)を求め、平均値を評価することが好ましい。
The average roughness (Ra) of the carbon fiber surface can be measured by using an atomic force microscope (AFM). For example, a carbon fiber cut to several millimeters in length is prepared, fixed on a substrate (silicon wafer) using a silver paste, and 3 atomic fibers at the center of each single fiber by an atomic force microscope (AFM). What is necessary is to observe the image of a three-dimensional surface shape. As an atomic force microscope, a Dimension 3000 stage system or the like can be used in NanoScope IIIa manufactured by Digital Instruments and can be observed under the following observation conditions.
・ Scanning mode: Tapping mode ・ Probe: Silicon cantilever ・ Scanning range: 0.6μm × 0.6μm
・ Scanning speed: 0.3Hz
-Number of pixels: 512 × 512
・ Measurement environment: Room temperature, in the atmosphere For each sample, the image obtained by observing one single fiber at a time, approximating the roundness of the fiber cross section with a cubic surface, and the entire image obtained It is preferable to calculate the average roughness (Ra), obtain the average roughness (Ra) for five single fibers, and evaluate the average value.
本発明において炭素繊維の総繊度は、400〜3000テックスであることが好ましい。また、炭素繊維のフィラメント数は好ましくは1000〜100000本である。特に24000本以上が好ましい。フィラメント数が多い場合には、サイジング剤塗布炭素繊維束の柔軟性が失われると拡がり性が低下し、樹脂含浸性が低下する場合がある。本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、柔軟性を保つことができるためフィラメント数が多い場合により好ましく適用される。さらに好ましくは36000本以上である。 In the present invention, the total fineness of the carbon fibers is preferably 400 to 3000 tex. The number of carbon fiber filaments is preferably 1000 to 100,000. In particular, 24,000 or more are preferable. When the number of filaments is large, if the sizing agent-coated carbon fiber bundle loses its flexibility, the spreadability is lowered and the resin impregnation property may be lowered. The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is more preferably applied when the number of filaments is large because flexibility can be maintained. More preferably, it is 36000 or more.
本発明において、炭素繊維の単繊維径は4.5〜7.5μmが好ましい。7.5μm以下であることで、強度と弾性率の高い炭素繊維を得られるため、好ましく用いられる。6μm以下であることがより好ましく、さらには5.5μm以下であることが好ましい。4.5μm以上で工程における単繊維切断が起きにくくなり生産性が低下しにくく好ましい。 In the present invention, the single fiber diameter of the carbon fiber is preferably 4.5 to 7.5 μm. Since it is 7.5 micrometers or less, since a carbon fiber with high intensity | strength and elastic modulus can be obtained, it is used preferably. More preferably, it is 6 μm or less, and further preferably 5.5 μm or less. When the thickness is 4.5 μm or more, it is difficult to cause single fiber cutting in the process, and productivity is hardly lowered.
本発明において、X線源としてAlKα1,2を用いたX線光電子分光法によって光電子脱出角度45°で測定されるその繊維表面の酸素(O)と炭素(C)の原子数の比である表面酸素濃度(O/C)が、0.10以上の炭素繊維を用いることが重要である。より好ましくは0.18以上であり、さらに好ましくは0.2以上である。表面酸素濃度(O/C)が0.10以上であることで、炭素繊維の極性が高まり、炭素繊維表面とエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)の相互作用が高まる。その結果、サイジング層内側(炭素繊維側)にエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)が多く存在させることができ、サイジング層が偏在化した構造を形成できる。炭素繊維表面とエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)の相互作用が高まることで、接着性を高く維持することが可能となる。また、表面酸素濃度(O/C)が0.50以下であることにより、酸化による炭素繊維自体の強度の低下を抑えることができ、好ましい。0.30以下がより好ましい。 In the present invention, it is the ratio of the number of atoms of oxygen (O) and carbon (C) on the fiber surface measured at a photoelectron escape angle of 45 ° by X-ray photoelectron spectroscopy using AlKα 1,2 as the X-ray source. It is important to use carbon fibers having a surface oxygen concentration (O / C) of 0.10 or more. More preferably, it is 0.18 or more, More preferably, it is 0.2 or more. When the surface oxygen concentration (O / C) is 0.10 or more, the polarity of the carbon fiber is increased, and the carbon fiber surface and the epoxy equivalent are 360 g / eq. The interaction of the following aliphatic epoxy compounds (A) increases. As a result, the epoxy equivalent was 360 g / eq. On the inside of the sizing layer (carbon fiber side). A large amount of the following aliphatic epoxy compound (A) can be present, and a structure in which the sizing layer is unevenly distributed can be formed. Carbon fiber surface and epoxy equivalent of 360 g / eq. By increasing the interaction of the following aliphatic epoxy compound (A), it becomes possible to maintain high adhesiveness. Further, it is preferable that the surface oxygen concentration (O / C) is 0.50 or less because a decrease in strength of the carbon fiber itself due to oxidation can be suppressed. 0.30 or less is more preferable.
炭素繊維の表面酸素濃度は、X線光電子分光法により、次の手順に従って求めたものである。まず、溶剤で炭素繊維表面に付着している汚れなどを除去した炭素繊維を20mmにカットして、銅製の試料支持台に拡げて並べた後、X線源としてAlKα1,2を用い、試料チャンバー中を1×10−8Torrに保ち測定した。光電子脱出角度45°で測定した。測定時の帯電に伴うピークの補正値としてC1sのメインピーク(ピークトップ)の結合エネルギー値を284.6eVに合わせる。C1sピーク面積は、282〜296eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求め、O1sピーク面積は、528〜540eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求められる。表面酸素濃度(O/C)は、上記O1sピーク面積の比を装置固有の感度補正値で割ることにより算出した原子数比で表す。X線光電子分光法装置として、アルバック・ファイ(株)製ESCA−1600を用いる場合、上記装置固有の感度補正値は2.33である。 The surface oxygen concentration of the carbon fiber is determined by X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure. First, carbon fibers from which dirt and the like adhering to the carbon fiber surface were removed with a solvent were cut to 20 mm, spread and arranged on a copper sample support base, and then AlKα 1 and 2 were used as an X-ray source. The inside of the chamber was measured at 1 × 10 −8 Torr. Measurement was performed at a photoelectron escape angle of 45 °. As a correction value for the peak accompanying charging during measurement, the binding energy value of the C 1s main peak (peak top) is adjusted to 284.6 eV. The C 1s peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 282 to 296 eV, and the O 1s peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 528 to 540 eV. The surface oxygen concentration (O / C) is represented by an atomic ratio calculated by dividing the ratio of the O 1s peak area by the sensitivity correction value unique to the apparatus. When ESCA-1600 manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. is used as the X-ray photoelectron spectroscopy apparatus, the sensitivity correction value unique to the apparatus is 2.33.
本発明において、サイジング剤の炭素繊維への付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して、0.1〜10.0質量%の範囲であることが好ましい。サイジング剤の付着量が0.1質量%以上であると、サイジング剤塗布炭素繊維をボビンから取り出す時に、通過する金属ガイド等による摩擦に耐えることができ、毛羽発生が抑えられ、得られた炭素繊維強化複合材料の品位、物性が良好になる。一方、サイジング剤の付着量が10.0質量%以下であると、サイジング剤塗布炭素繊維の周囲のサイジング剤膜に阻害されることなくマトリックス樹脂が炭素繊維内部に含浸され、得られる複合材料においてボイド生成が抑えられ、複合材料の品位が優れ、同時に機械物性が優れる。より好ましくは0.4〜3.0質量%の範囲である。0.8〜2.0質量%であることが好ましい。 In this invention, it is preferable that the adhesion amount to the carbon fiber of a sizing agent is the range of 0.1-10.0 mass% with respect to sizing agent application | coating carbon fiber. When the sizing agent adhesion amount is 0.1% by mass or more, when the sizing agent-coated carbon fiber is taken out of the bobbin, it can withstand friction caused by a metal guide that passes through, and generation of fuzz can be suppressed. The quality and physical properties of the fiber reinforced composite material are improved. On the other hand, when the adhesion amount of the sizing agent is 10.0% by mass or less, the matrix resin is impregnated inside the carbon fiber without being hindered by the sizing agent film around the sizing agent-coated carbon fiber, and in the obtained composite material The generation of voids is suppressed, the quality of the composite material is excellent, and at the same time the mechanical properties are excellent. More preferably, it is the range of 0.4-3.0 mass%. It is preferable that it is 0.8-2.0 mass%.
サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維を約2±0.5g採取し、窒素雰囲気中450℃にて加熱処理を15分間行ったときの該加熱処理前後の質量の変化を測定し、質量変化量を加熱処理前の質量で除した値(質量%)とする。 The amount of sizing agent attached was measured by measuring the change in mass before and after the heat treatment when about 2 ± 0.5 g of sizing agent-coated carbon fiber was sampled and heat-treated at 450 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. The mass change is divided by the mass before heat treatment (mass%).
本発明において、炭素繊維に塗布され乾燥されたサイジング剤層の厚さは、2.0〜20nmの範囲内で、かつ、厚さの最大値が最小値の2倍を超えないことが好ましい。このような厚さの均一なサイジング剤層により、安定して大きな接着性向上効果が得られ、さらには、安定した高次加工性が得られる
本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、フィラメント数24,000本、炭素繊維束の糸幅が75mmの時のドレープ値が3.0〜10.0cmであることが好ましい。
ドレープ値とは炭素繊維束の硬さを表す値であり、次の方法で測定する。具体的には図1(a)に示すように、ボビンからテンションをかけずに引き出したサイジング剤塗布炭素繊維束1を40cmの長さにカットし、一端を止めテープ2で固定し、もう一端に100gの重り3を吊り下げ、撚りおよび曲がりを矯正した後、測定温度の雰囲気中に30分間放置する。その後、重りを取り外し、図1(b)に示すように、角が90°の水平な長方形の台4からサイジング剤塗布炭素繊維束5が水平部分から25cmはみ出るように置き、40cmの炭素繊維束が折れないように支えながら台上の炭素繊維部分を止めテープ6で固定した後、台からはみ出た部分の支えを取り除いて垂れ下がらせ、2秒後に始点からの水平距離Lの長さを測定し、n数3回の平均をドレープ値とした。ドレープ値が大きいほど硬い特性を示す。
In the present invention, the thickness of the sizing agent layer applied to the carbon fiber and dried is preferably within a range of 2.0 to 20 nm, and the maximum value of the thickness does not exceed twice the minimum value. By such a uniform sizing agent layer, a large effect of improving adhesiveness can be obtained stably, and further, stable high-order workability can be obtained. The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention has 24 filaments. It is preferable that the drape value when the yarn width of the carbon fiber bundle is 75 mm is 3.0 to 10.0 cm.
The drape value is a value representing the hardness of the carbon fiber bundle, and is measured by the following method. Specifically, as shown in FIG. 1 (a), a sizing agent-coated carbon fiber bundle 1 pulled out from a bobbin without applying tension is cut into a length of 40 cm, one end is fixed with a stop tape 2, and the other end is fixed. A 100 g weight 3 is suspended to correct twisting and bending, and then left in an atmosphere at a measurement temperature for 30 minutes. Thereafter, the weight is removed and, as shown in FIG. 1 (b), the sizing agent-coated
ドレープ値が3.0cm以上では、ボビンから引き出した糸条を引き揃えることを目的としたコーム等のガイドで折れ曲がったり撚りが入るのを抑制することができる。折れ曲がりや撚りが入ったりするとその部分は開繊され難くなり、開繊ムラが生じやすくなるが抑制できて好ましい。またドレープ値が10.0cm以下で繊維束の硬くないことを示し、開繊しやすく好ましい。より好ましくは4.0cm以上、8.0cm以下である。さらに好ましくは、7.0cm以下である。 When the drape value is 3.0 cm or more, bending or twisting can be suppressed by a guide such as a comb for the purpose of aligning the yarn drawn from the bobbin. If bending or twisting occurs, it is difficult to open the portion, and unevenness in opening is likely to occur, but it is preferable because it can be suppressed. A drape value of 10.0 cm or less indicates that the fiber bundle is not hard, which is preferable because it is easy to open. More preferably, it is 4.0 cm or more and 8.0 cm or less. More preferably, it is 7.0 cm or less.
また、サイジング剤塗布炭素繊維束をボビンに巻いた状態で1年間室温保管した後のサイジング剤塗布炭素繊維のドレープ値が3.0cm〜12.0cmであることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the draping value of the sizing agent-coated carbon fiber after being stored at room temperature for one year in a state where the sizing agent-coated carbon fiber bundle is wound around a bobbin is 3.0 cm to 12.0 cm.
本発明におけるサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法について説明する。 The manufacturing method of the sizing agent application | coating carbon fiber in this invention is demonstrated.
炭素繊維の前駆体繊維を得るための紡糸方法としては、湿式、乾式および乾湿式等の紡糸方法を用いることができる。高強度の炭素繊維が得られやすいという観点から、湿式あるいは乾湿式紡糸方法を用いることが好ましい。特に乾湿式紡糸方法を用いることで、強度の高い炭素繊維を得ることができることから、より好ましい。 As a spinning method for obtaining a carbon fiber precursor fiber, spinning methods such as wet, dry, and dry-wet can be used. From the viewpoint of easily obtaining high-strength carbon fibers, it is preferable to use a wet or dry wet spinning method. In particular, the use of a dry and wet spinning method is more preferable because carbon fibers having high strength can be obtained.
炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性をさらに向上するために、表面粗さ(Ra)が6.0〜100nmの炭素繊維が好ましく、該表面粗さの炭素繊維を得るためには、湿式紡糸方法により前駆体繊維を紡糸することが好ましい。 In order to further improve the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin, a carbon fiber having a surface roughness (Ra) of 6.0 to 100 nm is preferable. In order to obtain a carbon fiber having the surface roughness, a wet spinning method is used. Preferably, the precursor fiber is spun by.
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を溶剤に溶解した溶液を用いることができる。溶剤としてはジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどの有機溶剤や、硝酸、ロダン酸ソーダ、塩化亜鉛、チオシアン酸ナトリウムなどの無機化合物の水溶液を使用する。ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミドが溶剤として好適である。 As the spinning dope, a solution obtained by dissolving a homopolymer or copolymer of polyacrylonitrile in a solvent can be used. As the solvent, an organic solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, or dimethylacetamide, or an aqueous solution of an inorganic compound such as nitric acid, sodium rhodanate, zinc chloride, or sodium thiocyanate is used. Dimethyl sulfoxide and dimethylacetamide are suitable as the solvent.
上記の紡糸原液を口金に通して紡糸し、紡糸浴中、あるいは空気中に吐出した後、紡糸浴中で凝固させる。紡糸浴としては、紡糸原液の溶剤として使用した溶剤の水溶液を用いることができる。紡糸原液の溶剤と同じ溶剤を含む紡糸液とすることが好ましく、ジメチルスルホキシド水溶液、ジメチルアセトアミド水溶液が好適である。紡糸浴中で凝固した繊維を、水洗、延伸して前駆体繊維とする。得られた前駆体繊維を耐炎化処理ならびに炭化処理し、必要によってはさらに黒鉛化処理をすることにより炭素繊維を得る。炭化処理と黒鉛化処理の条件としては、最高熱処理温度が1100℃以上であることが好ましく、より好ましくは1400〜3000℃である。 The above spinning solution is spun through a die, discharged in a spinning bath or in the air, and then coagulated in the spinning bath. As the spinning bath, an aqueous solution of a solvent used as a solvent for the spinning dope can be used. It is preferable to use a spinning solution containing the same solvent as the spinning solution, and a dimethyl sulfoxide aqueous solution and a dimethylacetamide aqueous solution are preferable. The fiber solidified in the spinning bath is washed with water and drawn to obtain a precursor fiber. The obtained precursor fiber is subjected to flameproofing treatment and carbonization treatment, and if necessary, further subjected to graphitization treatment to obtain carbon fiber. As conditions for carbonization treatment and graphitization treatment, the maximum heat treatment temperature is preferably 1100 ° C. or higher, more preferably 1400 to 3000 ° C.
得られた炭素繊維は、マトリックス樹脂との接着性を向上させるために、通常、酸化処理が施され、これにより、酸素含有官能基が導入される。酸化処理方法としては、気相酸化、液相酸化および液相電解酸化が用いられるが、生産性が高く、均一処理ができるという観点から、液相電解酸化が好ましく用いられる。 The obtained carbon fiber is usually subjected to an oxidation treatment in order to improve the adhesiveness with the matrix resin, whereby oxygen-containing functional groups are introduced. As the oxidation treatment method, vapor phase oxidation, liquid phase oxidation, and liquid phase electrolytic oxidation are used. From the viewpoint of high productivity and uniform treatment, liquid phase electrolytic oxidation is preferably used.
本発明において、液相電解酸化で用いられる電解液としては、酸性電解液およびアルカリ性電解液が挙げられるが、接着性の観点からアルカリ性電解液中で液相電解酸化した後、サイジング剤を塗布することがより好ましい。 In the present invention, examples of the electrolytic solution used in the liquid phase electrolytic oxidation include an acidic electrolytic solution and an alkaline electrolytic solution. From the viewpoint of adhesion, a liquid phase electrolytic oxidation is performed in an alkaline electrolytic solution, and then a sizing agent is applied. It is more preferable.
酸性電解液としては、例えば、硫酸、硝酸、塩酸、燐酸、ホウ酸、および炭酸等の無機酸、酢酸、酪酸、シュウ酸、アクリル酸、およびマレイン酸等の有機酸、または硫酸アンモニウムや硫酸水素アンモニウム等の塩が挙げられる。なかでも、強酸性を示す硫酸と硝酸が好ましく用いられる。 Examples of the acidic electrolyte include inorganic acids such as sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, boric acid, and carbonic acid, organic acids such as acetic acid, butyric acid, oxalic acid, acrylic acid, and maleic acid, or ammonium sulfate and ammonium hydrogen sulfate. And the like. Of these, sulfuric acid and nitric acid exhibiting strong acidity are preferably used.
アルカリ性電解液としては、具体的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムおよび水酸化バリウム等の水酸化物の水溶液、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウムおよび炭酸アンモニウム等の炭酸塩の水溶液、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素マグネシウム、炭酸水素カルシウム、炭酸水素バリウムおよび炭酸水素アンモニウム等の炭酸水素塩の水溶液、アンモニア、水酸化テトラアルキルアンモニウムおよびヒドラジンの水溶液等が挙げられる。なかでも、マトリックス樹脂の硬化阻害を引き起こすアルカリ金属を含まないという観点から、炭酸アンモニウムおよび炭酸水素アンモニウムの水溶液、あるいは、強アルカリ性を示す水酸化テトラアルキルアンモニウムの水溶液が好ましく用いられる。 Specific examples of the alkaline electrolyte include aqueous solutions of hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide and barium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, magnesium carbonate, calcium carbonate, Aqueous solutions of carbonates such as barium carbonate and ammonium carbonate, aqueous solutions of bicarbonates such as sodium bicarbonate, potassium bicarbonate, magnesium bicarbonate, calcium bicarbonate, barium bicarbonate and ammonium bicarbonate, ammonia, tetraalkylammonium hydroxide And an aqueous solution of hydrazine. Among these, from the viewpoint of not containing an alkali metal that causes curing inhibition of the matrix resin, an aqueous solution of ammonium carbonate and ammonium hydrogen carbonate or an aqueous solution of tetraalkylammonium hydroxide exhibiting strong alkalinity is preferably used.
異なる電解液中で複数回の異なる電解液を用いて電解処理しても構わない。例えば、酸電解液中で電解処理を行った後に、アルカリ性電解液中で電解処理を行うことができるし、アルカリ性電解液中で電解処理後に、酸性電解液中で電解処理を行うこともできる。 The electrolytic treatment may be performed using different electrolytic solutions a plurality of times in different electrolytic solutions. For example, after performing the electrolytic treatment in the acid electrolytic solution, the electrolytic treatment can be performed in the alkaline electrolytic solution, or after the electrolytic treatment in the alkaline electrolytic solution, the electrolytic treatment can be performed in the acidic electrolytic solution.
本発明において用いられる電解液の濃度は、0.01〜5mol/Lの範囲内であることが好ましく、より好ましくは0.1〜1mol/Lの範囲内である。電解液の濃度が0.01mol/L以上であると、電解処理電圧が下げられ、運転コスト的に有利になる。一方、電解液の濃度が5mol/L以下であると、安全性の観点から有利になる。 The concentration of the electrolytic solution used in the present invention is preferably in the range of 0.01 to 5 mol / L, more preferably in the range of 0.1 to 1 mol / L. When the concentration of the electrolytic solution is 0.01 mol / L or more, the electrolytic treatment voltage is lowered, which is advantageous in terms of operating cost. On the other hand, when the concentration of the electrolytic solution is 5 mol / L or less, it is advantageous from the viewpoint of safety.
本発明において用いられる電解液の温度は、10〜100℃の範囲内であることが好ましく、より好ましくは10〜40℃の範囲内である。電解液の温度が10℃以上であると、電解処理の効率が向上し、運転コスト的に有利になる。一方、電解液の温度が100℃未満であると、安全性の観点から有利になる。 The temperature of the electrolytic solution used in the present invention is preferably in the range of 10 to 100 ° C, more preferably in the range of 10 to 40 ° C. When the temperature of the electrolytic solution is 10 ° C. or higher, the efficiency of the electrolytic treatment is improved, which is advantageous in terms of operating cost. On the other hand, when the temperature of the electrolytic solution is less than 100 ° C., it is advantageous from the viewpoint of safety.
本発明において、液相電解酸化における電気量は、炭素繊維の炭化度に合わせて最適化することが好ましく、高弾性率の炭素繊維に処理を施す場合、より大きな電気量が必要である。 In the present invention, the amount of electricity in the liquid phase electrolytic oxidation is preferably optimized in accordance with the carbonization degree of the carbon fiber, and a larger amount of electricity is required when processing the carbon fiber having a high elastic modulus.
本発明において、液相電解酸化における電流密度は、電解処理液中の炭素繊維の表面積1m2当たり1.5〜1000アンペア/m2の範囲内であることが好ましく、より好ましくは3〜500アンペア/m2の範囲内である。電流密度が1.5アンペア/m2以上であると、電解処理の効率が向上し、運転コスト的に有利になる。一方、電流密度が1000アンペア/m2以下であると、安全性の観点から有利になる。 In the present invention, the current density in the liquid phase electrolytic oxidation is preferably in the range of 1.5 to 1000 amperes / m 2 per 1 m 2 of the surface area of the carbon fiber in the electrolytic treatment solution, more preferably 3 to 500 amperes. / M 2 in the range. When the current density is 1.5 amperes / m 2 or more, the efficiency of the electrolytic treatment is improved, which is advantageous in terms of operating cost. On the other hand, when the current density is 1000 amperes / m 2 or less, it is advantageous from the viewpoint of safety.
本発明において、電解処理の後、炭素繊維を水洗および乾燥することが好ましい。洗浄する方法としては、例えば、ディップ法またはスプレー法を用いることができる。なかでも、洗浄が容易であるという観点から、ディップ法を用いることが好ましく、さらには、炭素繊維を超音波で加振させながらディップ法を用いることが好ましい態様である。また、乾燥温度が高すぎると炭素繊維の最表面に存在する官能基は熱分解により消失し易いため、できる限り低い温度で乾燥することが望ましく、具体的には乾燥温度が好ましくは250℃以下、さらに好ましくは210℃以下で乾燥することが好ましい。一方、乾燥の効率を考慮すれば、乾燥温度は、110℃以上であることが好ましく、140℃以上であることがより好ましい。 In the present invention, it is preferable to wash and dry the carbon fiber after the electrolytic treatment. As a cleaning method, for example, a dip method or a spray method can be used. Especially, it is preferable to use a dip method from a viewpoint that washing | cleaning is easy, Furthermore, it is a preferable aspect to use a dip method, vibrating a carbon fiber with an ultrasonic wave. Also, if the drying temperature is too high, the functional groups present on the outermost surface of the carbon fiber are likely to disappear due to thermal decomposition, so it is desirable to dry at the lowest possible temperature. Specifically, the drying temperature is preferably 250 ° C. or lower. More preferably, drying is performed at 210 ° C. or lower. On the other hand, considering the efficiency of drying, the drying temperature is preferably 110 ° C. or higher, and more preferably 140 ° C. or higher.
次に、上述した方法で製造した炭素繊維にサイジング剤を塗布する方法について説明する。本発明のサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法では、少なくともエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)および一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)を含むサイジング剤を塗布し、さらに160〜260℃の温度範囲で30〜600秒熱処理する。 Next, a method for applying a sizing agent to the carbon fiber produced by the above-described method will be described. In the method for producing a sizing agent-coated carbon fiber of the present invention, at least an epoxy equivalent is 360 g / eq. A sizing agent containing the following aliphatic epoxy compound (A) and a compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule is applied, and further heat-treated at a temperature range of 160 to 260 ° C. for 30 to 600 seconds. .
本発明において、炭素繊維へのサイジング剤の塗布方法としては、溶媒に、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)および一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)、ならびにその他の成分を同時に溶解または分散したサイジング剤含有液を用いて、1回で塗布する方法や、各化合物(A)、(B)やその他の成分を任意に選択し個別に溶媒に溶解または分散したサイジング剤含有液を用い、複数回において炭素繊維に塗布する方法が好ましく用いられる。本発明においては、サイジング剤の構成成分をすべて含むサイジング剤含有液を、炭素繊維に1回で塗布する1段付与を採用することが効果および処理のしやすさからより好ましく用いられる。 In the present invention, as a method for applying the sizing agent to the carbon fiber, an epoxy equivalent of 360 g / eq. The following aliphatic epoxy compound (A), the compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule, and a sizing agent-containing solution in which other components are simultaneously dissolved or dispersed are applied at one time. And a method in which each compound (A), (B) and other components are arbitrarily selected and a sizing agent-containing solution that is individually dissolved or dispersed in a solvent and applied to carbon fibers in a plurality of times is preferably used. . In the present invention, it is more preferable to adopt a one-step application in which a sizing agent-containing liquid containing all components of the sizing agent is applied to carbon fibers at a time from the standpoint of effect and ease of processing.
本発明にかかるサイジング剤は、サイジング剤成分を溶媒で希釈したサイジング剤含有液として用いることができる。このような溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、およびジメチルアセトアミドが挙げられるが、なかでも、取扱いが容易であり、安全性の観点から有利であることから、界面活性剤で乳化させた水分散液あるいは水溶液が好ましく用いられる。 The sizing agent according to the present invention can be used as a sizing agent-containing liquid obtained by diluting a sizing agent component with a solvent. Examples of such a solvent include water, methanol, ethanol, 2-propanol, acetone, methyl ethyl ketone, dimethylformamide, and dimethylacetamide. Among them, handling is easy and advantageous from the viewpoint of safety. For this reason, an aqueous dispersion or aqueous solution emulsified with a surfactant is preferably used.
サイジング剤含有液は、一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)を少なくとも含む成分を界面活性剤で乳化させることで水エマルジョン液を作成し、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)を少なくとも含む溶液を混合して調整することが好ましい。この時に、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)が水溶性の場合には、あらかじめ水に溶解して水溶液にしておき、一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)を少なくとも含む水エマルジョン液と混合する方法が、乳化安定性の点から好ましく用いられる。また、エポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)と一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)およびその他の成分を界面活性剤で乳化させた水分散剤を用いることが、サイジング剤の長期安定性の点から好ましく用いることができる。 The sizing agent-containing liquid is prepared by emulsifying, with a surfactant, a component containing at least a compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule, and an epoxy equivalent of 360 g / eq. It is preferable to prepare by mixing a solution containing at least the following aliphatic epoxy compound (A). At this time, the epoxy equivalent was 360 g / eq. When the following aliphatic epoxy compound (A) is water-soluble, it is previously dissolved in water to form an aqueous solution, and an aqueous emulsion containing at least the compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule A method of mixing with a liquid is preferably used from the viewpoint of emulsion stability. The epoxy equivalent was 360 g / eq. It is possible to use the following aliphatic epoxy compound (A), a compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule, and an aqueous dispersion in which other components are emulsified with a surfactant as a long-term sizing agent. It can be preferably used from the viewpoint of stability.
サイジング剤含有液におけるサイジング剤の濃度は、通常は0.2質量%〜20質量%の範囲が好ましい。 The concentration of the sizing agent in the sizing agent-containing liquid is usually preferably in the range of 0.2% by mass to 20% by mass.
サイジング剤の炭素繊維への付与(塗布)手段としては、例えば、ローラを介してサイジング剤含有液に炭素繊維を浸漬する方法、サイジング剤含有液の付着したローラに炭素繊維を接する方法、サイジング剤含有液を霧状にして炭素繊維に吹き付ける方法などがある。また、サイジング剤の付与手段は、バッチ式と連続式いずれでもよいが、生産性がよくバラツキが小さくできる連続式が好ましく用いられる。この際、炭素繊維に対するサイジング剤有効成分の付着量が適正範囲内で均一に付着するように、サイジング剤含有液濃度、温度および糸条張力などをコントロールすることが好ましい。また、サイジング剤付与時に、炭素繊維を超音波で加振させることも好ましい態様である。 Examples of the means for applying (coating) the sizing agent to the carbon fiber include a method of immersing the carbon fiber in a sizing agent-containing liquid through a roller, a method of contacting the carbon fiber with a roller to which the sizing agent-containing liquid is attached, and a sizing agent. There is a method of spraying the liquid on the carbon fiber in the form of a mist. Further, the sizing agent applying means may be either a batch type or a continuous type, but a continuous type capable of improving productivity and reducing variation is preferably used. At this time, it is preferable to control the concentration of the sizing agent-containing liquid, the temperature, the yarn tension, and the like so that the amount of the sizing agent active component attached to the carbon fiber is uniformly attached within an appropriate range. Moreover, it is also a preferable aspect that the carbon fiber is vibrated with ultrasonic waves when the sizing agent is applied.
サイジング液を炭素繊維に塗布する際のサイジング剤含有液の液温は、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℃の範囲であることが好ましい。また、サイジング剤含有液を付与した後に、余剰のサイジング剤含有液を絞り取る絞り量を調整することにより、サイジング剤の付着量の調整および炭素繊維内への均一付与ができる。 The liquid temperature of the sizing agent-containing liquid when the sizing liquid is applied to the carbon fiber is preferably in the range of 10 to 50 ° C. in order to suppress fluctuations in the concentration of the sizing agent due to solvent evaporation. In addition, after applying the sizing agent-containing liquid, the amount of sizing agent adhered can be adjusted and uniformly applied to the carbon fiber by adjusting the amount of squeezing out the excess sizing agent-containing liquid.
炭素繊維にサイジング剤を塗布した後、160〜260℃の温度範囲で30〜600秒間熱処理することが好ましい。熱処理条件は、好ましくは170〜250℃の温度範囲で30〜500秒間であり、より好ましくは180〜240℃の温度範囲で30〜300秒間である。熱処理条件が、160℃未満および/または30秒未満であると、サイジング剤として用いているエポキシ当量が360g/eq.以下の脂肪族エポキシ化合物(A)と炭素繊維表面の酸素含有官能基との間の相互作用が促進されず、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性が不十分となったり、溶媒を十分に乾燥除去できない場合がある。一方、熱処理条件が、260℃を超えるおよび/または600秒を超える場合、サイジング剤が硬化することで、サイジング剤塗布炭素繊維が固くなる場合がある。 After applying the sizing agent to the carbon fiber, it is preferable to heat-treat in the temperature range of 160 to 260 ° C. for 30 to 600 seconds. The heat treatment conditions are preferably in a temperature range of 170 to 250 ° C. for 30 to 500 seconds, and more preferably in a temperature range of 180 to 240 ° C. for 30 to 300 seconds. When the heat treatment condition is less than 160 ° C. and / or less than 30 seconds, the epoxy equivalent used as the sizing agent is 360 g / eq. The interaction between the following aliphatic epoxy compound (A) and the oxygen-containing functional group on the carbon fiber surface is not promoted, the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is insufficient, or the solvent is sufficiently dried. It may not be removed. On the other hand, when the heat treatment condition exceeds 260 ° C. and / or exceeds 600 seconds, the sizing agent-coated carbon fiber may become hard due to curing.
また、前記熱処理は、マイクロ波照射および/または赤外線照射で行うことも可能である。マイクロ波照射および/または赤外線照射によりサイジング剤塗布炭素繊維を加熱処理した場合、マイクロ波が炭素繊維内部に侵入し、吸収されることにより、短時間に被加熱物である炭素繊維を所望の温度に加熱できる。また、マイクロ波照射および/または赤外線照射により、炭素繊維内部の加熱も速やかに行うことができるため、炭素繊維束の内側と外側の温度差を小さくすることができ、サイジング剤の接着ムラを小さくすることが可能となる。 The heat treatment can also be performed by microwave irradiation and / or infrared irradiation. When the sizing agent-coated carbon fiber is heat-treated by microwave irradiation and / or infrared irradiation, the microwave penetrates into the carbon fiber and is absorbed, so that the carbon fiber which is the object to be heated can be heated to a desired temperature in a short time. Can be heated. In addition, since the inside of the carbon fiber can be quickly heated by microwave irradiation and / or infrared irradiation, the temperature difference between the inside and outside of the carbon fiber bundle can be reduced, and the adhesion unevenness of the sizing agent can be reduced. It becomes possible to do.
本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、一方向に引きそろえたシート状物、織物、編物、組み紐、ウェブ、マットおよびチョップド、単繊維あるいは束状で実質的に2次元配向等の形体で好適に用いられる。特に、一方向に引きそろえたシート状物、織物が好ましい。特に製織においては、通常、炭素繊維は擦過により毛羽立ちやすいが、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、硬化が抑制されており、毛羽立ちを抑えることが可能となっている。 The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is suitable for a sheet-like material, woven fabric, knitted fabric, braid, web, mat and chopped, monofilament or bundle-like shape that is substantially two-dimensionally oriented in one direction. Used. In particular, sheet-like materials and woven fabrics arranged in one direction are preferable. Particularly in weaving, carbon fibers are usually prone to fluff due to scrubbing, but the sizing agent-coated carbon fibers of the present invention are suppressed in curing and can suppress fuzz.
本発明のサイジング剤塗布炭素繊維を一方向に引き揃えられたものとして、一方向にサイジング剤塗布炭素繊維を一定間隔で引き揃えたものが挙げられる。一方向にサイジング剤塗布炭素繊維を弾き揃え、その幅方向にさらに熱融着性繊維を緯糸として用いて固定した後に、熱融着させることが好ましい。また、サイジング剤塗布炭素繊維を弾き揃えたシート状物の片面に熱融着性のウェブ、ネットを配置し融着してもよい。 Examples of the sizing agent-coated carbon fibers of the present invention that are aligned in one direction include those in which the sizing agent-coated carbon fibers are aligned in one direction at regular intervals. It is preferable that the sizing agent-coated carbon fibers are repelled in one direction and further fixed in the width direction using heat-fusible fibers as wefts, and then heat-sealed. Further, a heat-fusible web or net may be disposed and fused on one side of a sheet-like material in which sizing agent-coated carbon fibers are repelled.
本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、織物としても好ましく用いられる。織り組織は平織り、綾織り、朱子織りの他、これら原組織を変化させたものが良いが限定されない。また、縦糸、経糸ともに、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維を用いても良いが、サイジング剤の異なる炭素繊維または炭素繊維以外の繊維と混繊しても良い。炭素繊維以外の繊維としては、無機繊維、有機繊維のいずれでもよく、無機繊維としてはガラス繊維、有機繊維としてはアラミド、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリアミド、アクリル、ポリイミド、ビニロンが挙げられる。 The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is preferably used as a woven fabric. The weaving structure is not limited to plain weaving, twill weaving, satin weaving, or any other modification of these original structures. Further, the sizing agent-coated carbon fibers of the present invention may be used for both the warp and warp, but may be mixed with carbon fibers having different sizing agents or fibers other than carbon fibers. The fiber other than carbon fiber may be either an inorganic fiber or an organic fiber. Examples of the inorganic fiber include glass fiber, and examples of the organic fiber include aramid, polyester, polypropylene, polyamide, acrylic, polyimide, and vinylon.
本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、マトリックス樹脂と複合化され、一方向プリプレグ、クロスプリプレグ、トウプレグ、短繊維強化樹脂含浸シート、短繊維マット強化樹脂含浸シートなどの形態で、炭素繊維強化複合材料として用いられる。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、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、シアネートエステル樹脂およびビスマレイミド樹脂等が挙げられる。なかでも、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等のラジカル重合系樹脂が好適に使用される
例えば、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、シアネートエステル樹脂およびビスマレイミド樹脂等が挙げられる。なかでも、不飽和ポリエステル樹脂等のラジカル重合系樹脂が好適に使用される。
The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is composited with a matrix resin, and is in the form of a unidirectional prepreg, cross prepreg, tow prepreg, short fiber reinforced resin impregnated sheet, short fiber mat reinforced resin impregnated sheet, etc. Used as The matrix resin is not particularly limited, and examples thereof include unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, epoxy resins, phenol resins, melamine resins, urea resins, cyanate ester resins, and bismaleimide resins. Among them, radical polymerization resins such as vinyl ester resins and unsaturated polyester resins are preferably used. For example, unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, epoxy resins, phenol resins, melamine resins, urea resins, cyanate ester resins and Examples thereof include bismaleimide resins. Among these, radical polymerization resins such as unsaturated polyester resins are preferably used.
不飽和ポリエステル樹脂は不飽和多塩基酸又は場合により飽和多塩基酸を含む不飽和多塩基酸と多価アルコールから得ることができる。不飽和多塩基酸としては、例えば、マレイン酸、無水マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、無水イタコン酸、メサコン酸、シトラコン酸、無水シトラコン酸、クロロマレイン酸、ピロメリト酸等あるいはこれらの(ジ)アルキルエステルなどを挙げることができる。これらの不飽和多塩基酸は1種を単独で用いることができ、あるいは2種以上を組み合わせて用いることもできる。又、不飽和多塩基酸の一部を置き換える飽和多塩基酸としては、例えば、フタル酸、無水フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、アゼライン酸、アジピン酸、セバシン酸、ヘット酸等を挙げることができる。これらの飽和多塩基酸は1種を単独で用いることができ、あるいは2種以上を組み合わせて用いることもできる。 Unsaturated polyester resins can be obtained from unsaturated polybasic acids or optionally unsaturated polybasic acids including saturated polybasic acids and polyhydric alcohols. Examples of the unsaturated polybasic acid include maleic acid, maleic anhydride, fumaric acid, itaconic acid, itaconic anhydride, mesaconic acid, citraconic acid, citraconic anhydride, chloromaleic acid, pyromellitic acid and the like (di) Examples include alkyl esters. These unsaturated polybasic acids can be used individually by 1 type, or can also be used in combination of 2 or more type. Examples of the saturated polybasic acid that replaces part of the unsaturated polybasic acid include phthalic acid, phthalic anhydride, isophthalic acid, terephthalic acid, hexahydrophthalic anhydride, azelaic acid, adipic acid, sebacic acid, and het acid Etc. These saturated polybasic acids can be used individually by 1 type, or can also be used in combination of 2 or more type.
多価アルコールとしては、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、1,2−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、シクロヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール、グリセリンモノアリルエール、ビスフェノールA、水素化ビスフェノールA、ビスフェノールAのプロピレンオキサイド付加物、ビスフェノールAのエチレンオキサイド付加物、グリシジル化ビスフェノールA、グリシジル化ビスフェノールF、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、エピクロルヒドリン等を挙げることができる。これらの多価アルコールは、1種を単独で用いても、あるいは2種以上組み合わせても良い。 Examples of the polyhydric alcohol include ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, trimethylene glycol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, and 1,2-pentane. Propylene oxide addition of diol, 1,6-hexanediol, cyclohexanediol, neopentyl glycol, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol, glycerin monoallyl ale, bisphenol A, hydrogenated bisphenol A, bisphenol A , Bisphenol A ethylene oxide adduct, glycidylated bisphenol A, glycidylated bisphenol F, glycerin, trimethylolpropane, pentaerythritol, ethylene oxide, pro Ren'okishido, can be mentioned epichlorohydrin. These polyhydric alcohols may be used alone or in combination of two or more.
ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂が、サイジング層外層(マトリックス樹脂)に多く存在する一分子内に末端不飽和基と極性基を有する化合物(B)との相互作用が大きく、接着性が高くなり、コンポジット物性が良好になるため好ましい。 Vinyl ester resin, unsaturated polyester resin, and phenol resin have a large interaction with the compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule, which is abundant in the outer layer (matrix resin) of the sizing layer, and adhesiveness Is preferable, because the composite physical properties are improved.
本発明の炭素繊維強化複合材料は、航空機部材、宇宙機部材、自動車部材、船舶部材、土木建築材およびスポーツ用品等に好適に用いられる。特に、橋梁、橋脚、建造物の柱等の補強用シート材、小型船舶、ボート、ヨット、漁船、浄化槽、各種タンク等に用いられる。 The carbon fiber reinforced composite material of the present invention is suitably used for aircraft members, spacecraft members, automobile members, ship members, civil engineering and building materials, sports equipment, and the like. In particular, it is used for reinforcing sheets such as bridges, piers, and pillars of buildings, small ships, boats, yachts, fishing boats, septic tanks, various tanks, and the like.
次に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。
(1)炭素繊維束のストランド引張強度と弾性率
炭素繊維束のストランド引張強度とストランド弾性率は、JIS−R−7608(2004)の樹脂含浸ストランド試験法に準拠し、次の手順に従い求めた。樹脂処方としては、“セロキサイド(登録商標)”2021P(ダイセル化学工業社製)/三フッ化ホウ素モノエチルアミン(東京化成工業(株)製)/アセトン=100/3/4(質量部)を用い、硬化条件としては、常圧、温度125℃、時間30分を用いた。炭素繊維束のストランド10本を測定し、その平均値をストランド引張強度およびストランド弾性率とした。
(2)炭素繊維の表面酸素濃度(O/C)
炭素繊維の表面酸素濃度(O/C)は、次の手順に従いX線光電子分光法により求めた。まず、溶媒で表面に付着している汚れを除去した炭素繊維を、約20mmにカットし、銅製の試料支持台に拡げる。次に、試料支持台を試料チャンバー内にセットし、試料チャンバー中を1×10−8Torrに保った。続いて、X線源としてAlKα1,2 を用い、光電子脱出角度を45°として測定を行った。なお、測定時の帯電に伴うピークの補正値としてC1sのメインピーク(ピークトップ)の結合エネルギー値を284.6eVに合わせた。C1sピーク面積は282〜296eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求めた。また、O1sピーク面積は528〜540eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求めた。ここで、表面酸素濃度とは、上記のO1sピーク面積とC1sピーク面積の比から装置固有の感度補正値を用いて原子数比として算出したものである。X線光電子分光法装置として、アルバック・ファイ(株)製ESCA−1600を用い、上記装置固有の感度補正値は2.33であった。
(3)サイジング付着量の測定方法
約2gのサイジング付着炭素繊維束を秤量(W1)(少数点第4位まで読み取り)した後、50ミリリットル/分の窒素気流中、450℃の温度に設定した電気炉(容量120cm3)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)(少数点第4位まで読み取り)して、W1−W2によりサイジング付着量を求める。このサイジング付着量を炭素繊維束100質量部に対する量に換算した値(小数点第3位を四捨五入)を、付着したサイジング剤の質量部とした。測定は2回行い、その平均値をサイジング剤の質量部とした。
(4)界面剪断強度(IFSS)の測定
界面剪断強度(IFSS)の測定は、次の(イ)〜(ニ)の手順で行った。
(イ)樹脂の調整
主剤としてリポキシR6540(昭和電工(株)製)100部、硬化剤として328E(化薬アクゾ(株)製)0.8部、促進剤としてコバルトN(昭和電工(株)製)0.3部を容器に入れて、室温で攪拌混合を行った後、室温で約10分間真空脱法を行った。
(ロ)炭素繊維単糸を専用モールドに固定
炭素繊維束から単繊維を抜き取り、ダンベル型モールドの長手方向に単繊維に一定張力を与えた状態で両端を接着剤で固定した。その後、炭素繊維およびモールドに付着した水分を除去するため、80℃の温度で30分間以上真空乾燥を行った。ダンベル型モールドはシリコーンゴム製で、注型部分の形状は、中央部分巾5mm、長さ25mm、両端部分巾10mm、全体長さ150mmだった。
(ハ)樹脂注型から硬化まで
上記(ロ)の手順の真空乾燥後のモールド内に、上記(イ)の手順で調整した樹脂を流し込み、30℃のオーブンで24時間保持後、60℃のオーブンで6時間熱処理を行った後、脱型して試験片を得た。なお、測定は試験片を24時間以上室温で保管した後実施した。
(ニ)界面剪断強度(IFSS)の測定
上記(ハ)の手順で得られた試験片に繊維軸方向(長手方向)に引張力を与え、歪みを12%生じさせた後、偏光顕微鏡により試験片中心部22mmの範囲における繊維破断数N(個)を測定した。次に、平均破断繊維長laを、la(μm)=22×1000(μm)/N(個)の式により計算した。次に、平均破断繊維長laから臨界繊維長lcを、lc(μm)=(4/3)×la(μm)の式により計算した。ストランド引張強度σと炭素繊維単糸の直径dを測定し、炭素繊維と樹脂界面の接着強度の指標である界面剪断強度IFSSを、次式で算出した。実施例では、測定数n=5の平均を試験結果とした。
・界面剪断強度IFSS(MPa)=σ(MPa)×d(μm)/(2×lc)(μm)
IFSSの値が20MPa以上を○、10MPa以上20MPa未満を△、10MPa未満を×とした。○が本発明において好ましい範囲である。
(5)ドレープ値
図1(a)に示すように、ボビンからテンションをかけずに引き出したサイジング剤塗布炭素繊維束1を40cmの長さにカットし、一端を止めテープ2で固定し、もう一端に12gの重り3を吊るし、撚りおよび曲がりを矯正した後、測定温度の雰囲気中に30分間放置する。次に、重りを取り外し、図1(b)に示すように、角が90°の水平な長方形の台4からサイジング剤塗布炭素繊維束5が25cmはみ出るように置き、40cmの炭素繊維束が折れないように支えながら台上の炭素繊維部分を止めテープ6で固定した後、台からはみ出た部分の支えを取り除いて垂れ下がらせ、2秒後に始点からの水平距離Lの長さを測定し、n数3回の平均をドレープ値とした。
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not restrict | limited by these Examples.
(1) Strand tensile strength and elastic modulus of carbon fiber bundles Strand tensile strength and strand elastic modulus of carbon fiber bundles were determined according to the following procedure in accordance with the resin-impregnated strand test method of JIS-R-7608 (2004). . As the resin formulation, “Celoxide (registered trademark)” 2021P (manufactured by Daicel Chemical Industries) / boron trifluoride monoethylamine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) / Acetone = 100/3/4 (parts by mass) is used. As curing conditions, normal pressure, temperature of 125 ° C., and time of 30 minutes were used. Ten strands of the carbon fiber bundle were measured, and the average value was defined as the strand tensile strength and the strand elastic modulus.
(2) Surface oxygen concentration (O / C) of carbon fiber
The surface oxygen concentration (O / C) of the carbon fiber was determined by X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure. First, the carbon fiber from which the dirt adhering to the surface with a solvent is removed is cut to about 20 mm and spread on a copper sample support. Next, the sample support was set in the sample chamber, and the inside of the sample chamber was kept at 1 × 10 −8 Torr. Subsequently, AlKα 1 and 2 were used as an X-ray source, and the photoelectron escape angle was set to 45 °. In addition, the binding energy value of the C 1s main peak (peak top) was adjusted to 284.6 eV as a correction value for the peak accompanying charging during measurement. The C 1s peak area was determined by drawing a straight base line in the range of 282 to 296 eV. The O 1s peak area was determined by drawing a straight base line in the range of 528 to 540 eV. Here, the surface oxygen concentration is calculated as an atomic ratio by using a sensitivity correction value unique to the apparatus from the ratio of the O 1s peak area to the C 1s peak area. As the X-ray photoelectron spectroscopy apparatus, ESCA-1600 manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. was used, and the sensitivity correction value unique to the apparatus was 2.33.
(3) Measuring method of sizing adhesion amount Weighing about 2 g of sizing adhesion carbon fiber bundle (W1) (reading up to the fourth decimal place), and then setting the temperature at 450 ° C. in a nitrogen stream of 50 ml / min. Leave in an electric furnace (capacity 120 cm 3 ) for 15 minutes to completely pyrolyze the sizing agent. Then, the carbon fiber bundle after being transferred to a container in a dry nitrogen stream at 20 liters / minute and cooled for 15 minutes is weighed (W2) (reading up to the fourth decimal point), and the sizing adhesion amount is measured by W1-W2. Ask. A value obtained by converting this sizing adhesion amount into an amount with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber bundle (rounded off to the third decimal place) was defined as a mass part of the adhering sizing agent. The measurement was performed twice, and the average value was defined as the mass part of the sizing agent.
(4) Measurement of interfacial shear strength (IFSS) The measurement of interfacial shear strength (IFSS) was performed by the following procedures (a) to (d).
(A) Resin adjustment 100 parts of lipoxy R 6540 (manufactured by Showa Denko KK) as the main agent, 0.8 part of 328E (manufactured by Kayaku Akzo Co., Ltd.) as the curing agent, and cobalt N (Showa Denko KK) as the accelerator (Product made) 0.3 part was put into a container, stirred and mixed at room temperature, and then subjected to vacuum evacuation at room temperature for about 10 minutes.
(B) Fixing the carbon fiber single yarn to the dedicated mold The single fiber was extracted from the carbon fiber bundle, and both ends were fixed with an adhesive in a state where a constant tension was applied to the single fiber in the longitudinal direction of the dumbbell mold. Then, in order to remove the water | moisture content adhering to carbon fiber and a mold, it vacuum-dried for 30 minutes or more at the temperature of 80 degreeC. The dumbbell mold was made of silicone rubber, and the shape of the cast part was a central part width of 5 mm, a length of 25 mm, both end part widths of 10 mm, and an overall length of 150 mm.
(C) From resin casting to curing The resin prepared in the above procedure (b) is poured into the mold after vacuum drying in the above step (b), and kept in an oven at 30 ° C. for 24 hours. After heat treatment in an oven for 6 hours, the mold was removed to obtain a test piece. The measurement was carried out after storing the test piece for 24 hours or more at room temperature.
(D) Measurement of interfacial shear strength (IFSS) A tensile force was applied to the test piece obtained in the above procedure (c) in the fiber axis direction (longitudinal direction) to cause a strain of 12%, and then tested with a polarizing microscope. The fiber breakage number N (pieces) in the range of 22 mm at the center of each piece was measured. Next, the average broken fiber length la was calculated by the formula: la (μm) = 22 × 1000 (μm) / N (pieces). Next, the critical fiber length lc was calculated from the average breaking fiber length la by the formula of lc (μm) = (4/3) × la (μm). The strand tensile strength σ and the diameter d of the carbon fiber single yarn were measured, and the interfacial shear strength IFSS, which is an index of the bond strength between the carbon fiber and the resin interface, was calculated by the following equation. In the examples, the average of the number of measurements n = 5 was used as the test result.
Interfacial shear strength IFSS (MPa) = σ (MPa) × d (μm) / (2 × lc) (μm)
When the value of IFSS is 20 MPa or more, ◯, 10 MPa or more and less than 20 MPa is Δ, and less than 10 MPa is x. ○ is a preferred range in the present invention.
(5) Drape value As shown in FIG. 1 (a), the sizing agent-coated carbon fiber bundle 1 pulled out from the bobbin without applying tension is cut into a length of 40 cm, and one end is fixed with a stop tape 2, A 12 g weight 3 is suspended at one end to correct twisting and bending, and then left in an atmosphere at a measurement temperature for 30 minutes. Next, the weight is removed, and as shown in FIG. 1B, the sizing agent-coated
ドレープ値が8cm以下を○、10cm以下を△、10cmより大きい場合を×とした。○が本発明において好ましい範囲である。 A drape value of 8 cm or less was evaluated as ◯, 10 cm or less as Δ, and a case where it was larger than 10 cm as x. ○ is a preferred range in the present invention.
各実施例および各比較例で用いた材料と成分は下記の通りである。
・(A)成分:A−1〜A−3
A−1:“デナコール(登録商標)”EX−521(ナガセケムテックス(株)製)
ポリグリセリンポリグリシジルエーテル
エポキシ当量:183g/eq.、エポキシ基数:3以上、
A−2:“デナコール(登録商標)”EX−611(ナガセケムテックス(株)製)
ソルビトールポリグリシジルエーテル
エポキシ当量:167g/eq.、エポキシ基数:4
A−3:A−1の加水分解物。
The materials and components used in each example and each comparative example are as follows.
-(A) component: A-1 to A-3
A-1: “Denacol (registered trademark)” EX-521 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation)
Polyglycerin polyglycidyl ether Epoxy equivalent: 183 g / eq. , Epoxy group number: 3 or more,
A-2: “Denacol (registered trademark)” EX-611 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation)
Sorbitol polyglycidyl ether Epoxy equivalent: 167 g / eq. Epoxy group number: 4
A-3: Hydrolyzate of A-1.
ポリグリセリンポリグリシジルエーテル
エポキシ当量:300g/eq.
・(A‘)成分:A−4、A−5
A−4:“デナコール(登録商標)”EX−841(ナガセケムテックス(株)製)
ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル
エポキシ当量:372g/eq.、エポキシ基数:2
A−5:“jER(登録商標)”1001(三菱化学(株)製)
ビスフェノールAのジグリシジルエーテル
エポキシ当量:475g/eq.、エポキシ基数:2、
・(B)成分:B−1〜B−2
B−1:UA101H(共栄社化学製)
グリセリンジメタクリレートヘキサメチレンジイソシアネート
末端不飽和基数:4個
極性基密度:3.2×10-3
B−2:AII500(共栄社化学製)
フェニルグリシジルエーテルアクリレートヘキサメチレンジイソシアネート化合物
末端不飽和基数:2個
極性基密度:3.4×10-3
・(B‘)成分:B−3
B−3:A−TMPT(新中村化学工業製)
トリメチロールプロパントリアクリレート
末端不飽和基数:3個
極性基密度:なし
(参考例1)
原料となる炭素繊維は以下の通りに製造した。
Polyglycerin polyglycidyl ether Epoxy equivalent: 300 g / eq.
-(A ') component: A-4, A-5
A-4: “Denacol (registered trademark)” EX-841 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation)
Polyethylene glycol diglycidyl ether Epoxy equivalent: 372 g / eq. Epoxy group number: 2
A-5: “jER (registered trademark)” 1001 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
Diglycidyl ether of bisphenol A Epoxy equivalent: 475 g / eq. , Epoxy group number: 2,
-(B) component: B-1 to B-2
B-1: UA101H (manufactured by Kyoeisha Chemical)
Glycerin dimethacrylate hexamethylene diisocyanate Number of terminal unsaturated groups: 4 Polar group density: 3.2 × 10 −3
B-2: AII500 (manufactured by Kyoeisha Chemical)
Phenyl glycidyl ether acrylate hexamethylene diisocyanate compound Number of terminal unsaturated groups: 2 Polar group density: 3.4 × 10 −3
-(B ') component: B-3
B-3: A-TMPT (manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.)
Trimethylolpropane triacrylate Number of terminal unsaturated groups: 3 Polar group density: None (Reference Example 1)
The carbon fiber used as a raw material was manufactured as follows.
アクリロニトリル99モル%とイタコン酸1モル%からなる共重合体を乾湿式紡糸し、焼成し、総フィラメント数24,000本、総繊度980テックス、比重1.8、ストランド引張強度6.3GPa、ストランド引張弾性率330GPaの炭素繊維を得た。次いで、その炭素繊維を、濃度0.1モル/lの炭酸水素アンモニウム水溶液を電解液として、電気量を炭素繊維1g当たり80クーロンで電解表面処理した。この電解表面処理を施された炭素繊維を続いて水洗し、150℃の温度の加熱空気中で乾燥し、原料となる炭素繊維を得た。このときの表面酸素濃度O/Cは、0.20であった。このときの炭素繊維の表面粗さ(Ra)は3.0nmだった。これを炭素繊維Aとした。 A copolymer composed of 99 mol% of acrylonitrile and 1 mol% of itaconic acid is dried and wet-spun, fired, total number of filaments 24,000, total fineness 980 tex, specific gravity 1.8, strand tensile strength 6.3 GPa, strand A carbon fiber having a tensile modulus of 330 GPa was obtained. Next, the carbon fiber was subjected to electrolytic surface treatment with an aqueous solution of ammonium hydrogen carbonate having a concentration of 0.1 mol / l as an electrolytic solution at an electric quantity of 80 coulomb per gram of carbon fiber. The carbon fiber subjected to the electrolytic surface treatment was subsequently washed with water and dried in heated air at a temperature of 150 ° C. to obtain a carbon fiber as a raw material. At this time, the surface oxygen concentration O / C was 0.20. The surface roughness (Ra) of the carbon fiber at this time was 3.0 nm. This was designated as carbon fiber A.
(参考例2)
電解液として濃度0.05モル/lの硫酸水溶液を用い、電気量を炭素繊維1g当たり20クーロンで電解表面処理したこと以外は、参考例1と同様とした。このときの表面酸素濃度O/Cは、0.13であった。このときの炭素繊維の表面粗さ(Ra)は2.9nmだった。これを炭素繊維Bとした。
(Reference Example 2)
A sulfuric acid aqueous solution having a concentration of 0.05 mol / l was used as the electrolytic solution, and the same procedure as in Reference Example 1 was carried out except that the amount of electricity was subjected to electrolytic surface treatment at 20 coulomb per g of carbon fiber. At this time, the surface oxygen concentration O / C was 0.13. The surface roughness (Ra) of the carbon fiber at this time was 2.9 nm. This was designated as carbon fiber B.
(実施例1)
(B)成分として(B−1)を45質量部、乳化剤5質量部からなる水分散エマルジョンを調整した後、(A)成分として(A−1)を50質量部混合してサイジング液を調整した。なお、乳化剤として、ポリオキシエチレン(70モル)スチレン化(5モル)クミルフェノール(重量比90:10)を用いた。
Example 1
(B) After adjusting the water-dispersed emulsion which consists of 45 parts by weight of (B-1) as component and 5 parts by weight of emulsifier, 50 parts by weight of (A-1) is mixed as component (A) to adjust the sizing liquid. did. As an emulsifier, polyoxyethylene (70 mol) styrenated (5 mol) cumylphenol (weight ratio 90:10) was used.
このサイジング剤を浸漬法により表面処理された炭素繊維Aに塗布した後、200℃の温度で90秒間熱処理をして、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して0.6質量%となるように調整した。また、炭素繊維束の糸幅は75mmだった。続いて、サイジング剤塗布炭素繊維の界面剪断強度(IFSS)およびドレープ値を測定した。結果を表1にまとめた。この結果、IFSSで測定した接着性も十分に高く、ドレープ値で示される炭素繊維の取り扱い性も良好だった。 After this sizing agent was applied to the carbon fiber A surface-treated by the dipping method, heat treatment was performed at a temperature of 200 ° C. for 90 seconds to obtain a sizing agent-coated carbon fiber bundle. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted to 0.6% by mass with respect to the sizing agent-coated carbon fiber. The yarn width of the carbon fiber bundle was 75 mm. Subsequently, the interfacial shear strength (IFSS) and drape value of the sizing agent-coated carbon fiber were measured. The results are summarized in Table 1. As a result, the adhesion measured by IFSS was sufficiently high, and the handling of the carbon fiber indicated by the drape value was also good.
(実施例2)
(A)成分として(A−2)を用いた以外は実施例1の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。表1に示した通り、接着性、炭素繊維の取り扱い性ともに良好だった。
(Example 2)
A sizing agent-coated carbon fiber was obtained by the method of Example 1 except that (A-2) was used as the component (A), and physical properties were measured. As shown in Table 1, both adhesion and carbon fiber handling were good.
(実施例3)
(A)成分として(A−3)を用いた以外は実施例1の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。なお、(A−3)は(A−1)の水溶液を加熱攪拌することで、所定のエポキシ当量の化合物を得た。表1に示した通り、接着性、炭素繊維の取り扱い性ともに良好だった。
Example 3
A sizing agent-coated carbon fiber was obtained by the method of Example 1 except that (A-3) was used as the component (A), and physical properties were measured. In addition, (A-3) obtained the compound of the predetermined | prescribed epoxy equivalent by heating and stirring the aqueous solution of (A-1). As shown in Table 1, both adhesion and carbon fiber handling were good.
(比較例1)
(A)成分を用いず、エポキシ当量が大きい脂肪族エポキシ化合物である(A−4)を用いた以外は実施例1の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。表1に示した通り、炭素繊維の取り扱い性は良好だったが、接着性が低かった。
(Comparative Example 1)
The sizing agent-coated carbon fibers were obtained by the method of Example 1 except that the component (A) was not used and (A-4), which is an aliphatic epoxy compound having a large epoxy equivalent, was used, and physical properties were measured. As shown in Table 1, the handleability of the carbon fiber was good, but the adhesion was low.
(比較例2)
(A)成分を用いず、芳香族エポキシ化合物(A−5)を用いた以外は実施例1の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。表1に示した通り、接着性が低く、ドレープ値も高く取り扱い性が劣る結果となった。
(Comparative Example 2)
The sizing agent-coated carbon fiber was obtained by the method of Example 1 except that the aromatic epoxy compound (A-5) was used without using the component (A), and the physical properties were measured. As shown in Table 1, the adhesiveness was low, the drape value was high, and the handleability was poor.
(実施例4)
(B)成分として(B−2)を用いた以外は実施例1の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。表1に示した通り、接着性、炭素繊維の取り扱い性ともに良好だった。
Example 4
(B) Sizing agent application | coating carbon fiber was obtained by the method of Example 1 except having used (B-2) as a component, and measured the physical property. As shown in Table 1, both adhesion and carbon fiber handling were good.
(比較例3)
一分子内に末端不飽和基と極性基を持つ化合物(B)を用いず、末端不飽和基のみ持つ(B−3)を用いた以外は実施例1の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。表1に示した通り、炭素繊維の取り扱い性は良好だったが、接着性が低い結果だった。
(Comparative Example 3)
A sizing agent-coated carbon fiber was obtained by the method of Example 1 except that the compound (B) having only a terminal unsaturated group was used without using the compound (B) having a terminal unsaturated group and a polar group in one molecule. The physical properties were measured. As shown in Table 1, the handleability of the carbon fiber was good, but the adhesion was low.
(比較例4)
(A)成分を用いなかった点以外は、実施例1の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。表2に示した通り、炭素繊維の取り扱い性ともに良好だったが、接着性が低かった。
(Comparative Example 4)
(A) Except the point which did not use a component, the sizing agent application | coating carbon fiber was obtained by the method of Example 1, and the physical-property measurement was performed. As shown in Table 2, the handleability of the carbon fiber was good, but the adhesion was low.
(比較例5)
熱処理温度を200℃から240℃に変更した以外は、比較例4の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。表2に示した通り、接着性は高まるが、サイジング剤塗布炭素繊維が硬くなりドレープ値が大きくなった。
(Comparative Example 5)
Sizing agent-coated carbon fibers were obtained by the method of Comparative Example 4 except that the heat treatment temperature was changed from 200 ° C. to 240 ° C., and the physical properties were measured. As shown in Table 2, the adhesion was improved, but the sizing agent-coated carbon fiber was hardened and the drape value was increased.
(比較例6)
(B)成分を用いず、(A)成分として(A−1)のみ用いた以外は、実施例1の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。表2に示した通り、炭素繊維の取り扱い性は良好だったが、接着性が低かった。
(Comparative Example 6)
A sizing agent-coated carbon fiber was obtained by the method of Example 1 except that only the component (A) was used as the component (A) without using the component (B), and physical properties were measured. As shown in Table 2, the handleability of the carbon fiber was good, but the adhesion was low.
(比較例7)
熱処理温度を200℃から240℃に変更した以外は、比較例6の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。表2に示した通り、炭素繊維の取り扱い性は良好だったが、接着性が低かった。
(Comparative Example 7)
Sizing agent-coated carbon fibers were obtained by the method of Comparative Example 6 except that the heat treatment temperature was changed from 200 ° C. to 240 ° C., and the physical properties were measured. As shown in Table 2, the handleability of the carbon fiber was good, but the adhesion was low.
(実施例5、6、比較例8、9)
(A)成分の(A−1)、(B)成分の(B−1)の比率を変更した以外は、実施例1の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。結果を表3に示す。
(Examples 5 and 6, Comparative Examples 8 and 9)
A sizing agent-coated carbon fiber was obtained by the method of Example 1 except that the ratio of (A) component (A-1) and (B) component (B-1) was changed, and physical properties were measured. The results are shown in Table 3.
(実施例7)
サイジング剤付着量を1.2質量%にした以外は、実施例1の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。表4に示す通り、接着性、炭素繊維の取り扱い性ともに良好だった。
(Example 7)
A sizing agent-coated carbon fiber was obtained by the method of Example 1 except that the sizing agent adhesion amount was 1.2% by mass, and physical properties were measured. As shown in Table 4, both adhesiveness and carbon fiber handling were good.
(実施例8)
炭素繊維として炭素繊維Bを用いた以外は、実施例1の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。表4に示す通り、接着性、炭素繊維の取り扱い性ともに良好だった。
(Example 8)
Sizing agent application | coating carbon fiber was obtained by the method of Example 1 except having used carbon fiber B as carbon fiber, and the physical-property measurement was performed. As shown in Table 4, both adhesiveness and carbon fiber handling were good.
(実施例9)
(B)成分として、(B−1)を45質量部、芳香族ポリエステル10質量部および乳化剤5質量部からなる水分散エマルジョンを調合した後、(A)成分として(A−1)を45質量部混合してサイジング液を調合した。なお、ポリエステルはビスフェノールAのEO2モル付加物2モルとマレイン酸1.5モル、セバチン酸0.5モルの縮合物、乳化剤は実施例1の化合物を用いた。サイジング剤の組成以外は実施例1の方法でサイジング剤塗布炭素繊維を得て、物性測定を行った。表4に示す通り、接着性、炭素繊維の取り扱い性ともに良好だった。
Example 9
(B) As component (B-1), 45 parts by mass, 10 parts by mass of aromatic polyester and 5 parts by mass of an emulsifier were prepared, and then (A) 45 (A-1) was added as component (A). Partially mixed to prepare a sizing solution. The polyester used was the condensate of 2 mol of EO 2 mol adduct of bisphenol A, 1.5 mol of maleic acid and 0.5 mol of sebacic acid, and the emulsifier was the compound of Example 1. Except for the composition of the sizing agent, sizing agent-coated carbon fibers were obtained by the method of Example 1, and the physical properties were measured. As shown in Table 4, both adhesiveness and carbon fiber handling were good.
1:サイジング剤塗布炭素繊維束
2:止めテープ
3:重り
4:水平な長方形の台
5:サイジング剤塗布炭素繊維束
6:止めテープ
L:始点からの水平距離
1: Carbon fiber bundle with sizing agent applied 2: Stopping tape 3: Weight 4: Horizontal rectangular base 5: Carbon fiber bundle with sizing agent applied 6: Stopping tape L: Horizontal distance from start point
本発明のサイジング剤塗布炭素繊維およびサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法は、優れた接着性と取り扱い性が高く、炭素繊維強化複合材料に用いた時に、プロセス性および高い物性の両立を可能とする。特に、ビニルエステルなどの不飽和マトリックス樹脂との接着性が高く、炭素繊維強化複合材料は、軽量でありながら物性が優れるため、航空機部材、宇宙機部材、自動車部材、船舶部材、土木建築材およびスポーツ用品等の多くの分野に好適に用いることができる。 The sizing agent-coated carbon fiber and the method for producing the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention have excellent adhesion and handleability, and when used in a carbon fiber reinforced composite material, both processability and high physical properties can be achieved. . In particular, the carbon fiber reinforced composite material has high adhesiveness with unsaturated matrix resins such as vinyl esters, and is excellent in physical properties while being lightweight. Therefore, aircraft members, spacecraft members, automobile members, ship members, civil engineering and building materials and It can be suitably used in many fields such as sports equipment.
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