JP2015010290A - Carbon fiber bundle and production method thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon fiber bundle excellent in excellent tensile elastic modulus and compression strength and its production method.SOLUTION: A carbon fiber bundle has a single fiber compression strength of 4.8 GPa or higher, measured by the compression fragmentation method of a single-fiber composite, a number of fiber fractures under the single fiber apparent stress of 15.3 GPa of 2.0 fractures/mm or greater, measured by the tensile fragmentation method of a single fiber composite, and preferably a crystallite size of 2.2-4.0 nm.

Description

本発明は、航空機部材、宇宙機部材、自動車部材および船舶部材をはじめとして、ゴルフシャフトや釣竿等のスポーツ用途およびその他一般産業用途に好適に用いられる、優れた圧縮強度かつ引張弾性率を有する炭素繊維束とその製造方法に関するものである。   The present invention is a carbon having excellent compressive strength and tensile elastic modulus which is suitably used for aircraft members, spacecraft members, automobile members and ship members, as well as sports applications such as golf shafts and fishing rods and other general industrial applications. The present invention relates to a fiber bundle and a manufacturing method thereof.

炭素繊維は、その高い比強度・比弾性率から繊維強化複合材料の強化繊維として航空機用途に用いられることで航空機の軽量化に貢献してきており、近年、適用部材の拡大と大型部材への適用の流れが加速されつつある。航空機の軽量化には、炭素繊維強化複合材料の剛性を支配する炭素繊維の引張弾性率を向上させることが最も効果的であるが、樹脂含浸ストランド(以下、単にストランドという)弾性率を中心とした、炭素繊維のさらなる機械的特性の向上、さらには、炭素繊維強化複合材料としての引張・圧縮強度や有孔板引張・圧縮強度の向上など、幅広い物性バランスに優れることが求められている。なかでも、一方向の炭素繊維強化複合材料の圧縮強度や有孔板圧縮強度を高めることは極めて困難であった。炭素繊維強化複合材料の圧縮強度は、主に炭素繊維の単繊維圧縮強度と樹脂の剪断弾性率に支配されている。コンポジット圧縮強度を高めるために、炭素繊維表面特性(特許文献1と2)や表面形態(特許文献3)を制御する技術が提案されているものの、炭素繊維の単繊維圧縮強度を改善できるものではなかった。   Carbon fiber has contributed to weight reduction of aircraft by being used for aircraft applications as a reinforcing fiber of fiber reinforced composite material due to its high specific strength and specific modulus. The flow of is being accelerated. For reducing the weight of aircraft, it is most effective to improve the tensile modulus of carbon fiber that governs the rigidity of the carbon fiber reinforced composite material. Therefore, it is required to have a wide balance of physical properties such as further improvement of mechanical properties of carbon fiber, and further improvement of tensile / compressive strength and perforated plate tensile / compressive strength as a carbon fiber reinforced composite material. In particular, it was extremely difficult to increase the compressive strength and perforated plate compressive strength of the unidirectional carbon fiber reinforced composite material. The compressive strength of the carbon fiber reinforced composite material is mainly governed by the single fiber compressive strength of the carbon fiber and the shear modulus of the resin. Although techniques for controlling the carbon fiber surface characteristics (Patent Documents 1 and 2) and surface morphology (Patent Document 3) have been proposed in order to increase the composite compressive strength, the single fiber compressive strength of carbon fibers cannot be improved. There wasn't.

炭素繊維の単繊維圧縮強度を測定する手法はループ法(非特許文献1)、リコイル法(非特許文献2)、直接圧縮法(非特許文献3)、単繊維コンポジットの圧縮フラグメンテーション法(非特許文献4、5)など様々に開発されており、測定手法間差を考慮する必要がある。ここで、ループ法による見掛け圧縮強度を他の手法と比較すると、非特許文献1で用いられているT800H、T300、M40、M46のループ法による単繊維圧縮強度はそれぞれ、7.7、4.5、3.0、1.8GPaであるが、非特許文献3ではT800HとT300の単繊維圧縮強度はそれぞれ、2.3、1.8GPaであり、非特許文献2ではM40とM46の単繊維圧縮強度はそれぞれ、1.2、1.2GPaであり、ループ法による見掛け圧縮強度は相対値として比較する必要がある。非特許文献5には多くの炭素繊維の単繊維圧縮強度が記載されているが、その値は結晶子サイズを低下させても最大で3.5GPa程度であった。これらの手法を用いて炭素繊維の単繊維圧縮強度評価を行うことで、従来、炭素繊維そのものの単繊維圧縮強度を高める数多くの努力が払われてきた。一般的に炭素化処理温度を下げて、結晶子サイズを小さく制御することで炭素繊維そのものの単繊維圧縮強度を高めることができることが知られている。そのため、耐炎化工程、予備炭素化工程、炭素化工程(これらを総称して焼成工程と記載する)の延伸比を高めて引張弾性率を向上する技術が提案されている(例えば、特許文献4)。特許文献4では延伸によって炭素繊維の結晶配向度を高めることで、低温で炭素化処理をしても高温で炭素化処理した炭素繊維と同等の引張弾性率が得られ、炭素化処理温度を引き下げることによる単繊維圧縮強度向上効果を享受している。特許文献4では、ポリアクリロニトリルの分子量分布を精密に制御することで焼成工程での延伸性を高める技術を適用している。炭素化処理温度低下も圧縮強度を高める効果を得られるものの、従来得られている炭素繊維の単繊維圧縮強度レベルを超えるものではなかった。特許文献5では、焼成工程の延伸比を高めて、単繊維圧縮強度(MPa)/引張弾性率(GPa)≧5.5に制御する技術が提案されているが、炭素繊維圧縮強度は2GPa未満と満足するレベルに到達しなかった。また、特許文献6では非円形断面形状の炭素繊維を用いることで、炭素繊維強化複合材料の高温吸湿下の有孔板圧縮強度と衝撃後圧縮強度を改善する努力が払われているが、十分な炭素繊維強化複合材料特性は得られていなかった。   Methods for measuring the single fiber compressive strength of carbon fibers are the loop method (Non-patent document 1), the recoil method (Non-patent document 2), the direct compression method (Non-patent document 3), and the single fiber composite compression fragmentation method (Non-patent document 1). References 4 and 5) have been developed in various ways, and it is necessary to consider differences between measurement methods. Here, when the apparent compressive strength by the loop method is compared with other methods, the single fiber compressive strength by the loop method of T800H, T300, M40, and M46 used in Non-Patent Document 1 is 7.7, 4,. Although it is 5, 3.0, and 1.8 GPa, the non-patent document 3 has T800H and T300 single fiber compressive strengths of 2.3 and 1.8 GPa, respectively, and non-patent document 2 has M40 and M46 single fibers. The compressive strength is 1.2 and 1.2 GPa, respectively, and the apparent compressive strength by the loop method needs to be compared as a relative value. Non-Patent Document 5 describes the single fiber compressive strength of many carbon fibers, but the value was about 3.5 GPa at maximum even when the crystallite size was reduced. Many efforts have been made to increase the single fiber compressive strength of the carbon fiber itself by evaluating the single fiber compressive strength of the carbon fiber using these methods. It is generally known that the single fiber compressive strength of the carbon fiber itself can be increased by lowering the carbonization temperature and controlling the crystallite size to be small. Therefore, a technique for improving the tensile elastic modulus by increasing the stretch ratio of the flameproofing process, the preliminary carbonization process, and the carbonization process (these are collectively referred to as a firing process) has been proposed (for example, Patent Document 4). ). In Patent Document 4, by increasing the crystal orientation degree of the carbon fiber by stretching, even if the carbonization treatment is performed at a low temperature, a tensile elastic modulus equivalent to that of the carbon fiber treated at a high temperature is obtained, and the carbonization treatment temperature is lowered. The single fiber compressive strength improvement effect by this is enjoyed. In patent document 4, the technique which improves the drawability in a baking process is applied by controlling the molecular weight distribution of polyacrylonitrile precisely. Although the carbonization treatment temperature reduction can obtain the effect of increasing the compressive strength, it did not exceed the conventionally obtained single fiber compressive strength level. Patent Document 5 proposes a technique of increasing the stretch ratio in the firing step and controlling the single fiber compressive strength (MPa) / tensile elastic modulus (GPa) ≧ 5.5, but the carbon fiber compressive strength is less than 2 GPa. And did not reach a satisfactory level. In Patent Document 6, efforts are made to improve the perforated plate compressive strength under high-temperature moisture absorption and the post-impact compressive strength of the carbon fiber reinforced composite material by using carbon fibers having a non-circular cross-sectional shape. No good carbon fiber reinforced composite material properties were obtained.

また、炭素繊維の単繊維圧縮強度を高めるために、ポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維(以下、前駆体繊維という)の耐炎化条件を検討したものがあった。特許文献7では、耐炎化繊維を溶媒で洗浄した後に炭素化処理する方法が示されているが、得られる炭素繊維は、ループ法による見掛け圧縮強度が8.6GPaと、炭素繊維の単繊維圧縮強度を満足するレベルではなかった。特許文献8には、耐炎化工程の所要時間の合計を70分以上120分未満とすることにより、炭素繊維の単繊維圧縮強度を高める目的でねじり弾性率を17GPa以上に制御する技術が提案されている。特許文献9には、単繊維表層部にホウ素等のC,H,N,O以外の異種元素を有し、かつ、結晶性の低く制御することで、ねじり弾性率およびループ法による見掛け圧縮強度を向上させる技術が提案されている。これらの中では、最大でループ法による見掛け圧縮強度が10.8GPaという値を達成しているが、それでもなお炭素繊維の単繊維圧縮強度は満足するレベルではなかった。   In addition, in order to increase the single fiber compressive strength of carbon fibers, there has been a study of flame resistance conditions for polyacrylonitrile-based carbon fiber precursor fibers (hereinafter referred to as precursor fibers). Patent Document 7 discloses a method of carbonization treatment after washing the flame resistant fiber with a solvent. The obtained carbon fiber has an apparent compression strength of 8.6 GPa by the loop method, and is a single fiber compression of carbon fiber. The level was not satisfactory. Patent Document 8 proposes a technique for controlling the torsional elastic modulus to 17 GPa or more for the purpose of increasing the single fiber compressive strength of the carbon fiber by setting the total time required for the flameproofing process to 70 minutes or more and less than 120 minutes. ing. In Patent Document 9, the surface of the single fiber has a different element other than C, H, N, and O such as boron, and is controlled to have low crystallinity so that the torsional elastic modulus and the apparent compressive strength by the loop method are disclosed. Techniques for improving the quality have been proposed. Among these, the apparent compressive strength by the loop method achieved a value of 10.8 GPa at the maximum, but the single fiber compressive strength of the carbon fiber was still not at a satisfactory level.

特開2010−229572号公報JP 2010-229572 A 特開2009−242971号公報JP 2009-242971 A 特開2009−046770号公報JP 2009-046770 A 特開2011−213774号公報JP 2011-213774 A 特開2010−111972号公報JP 2010-111972 A 国際公開第96/21695号International Publication No. 96/21695 特開2007−186802号公報JP 2007-186802 A 特開2002−194626号公報JP 2002-194626 A 特開平09−170170号公報JP 09-170170 A

Proceedings of the Fourth Japan-U. S. Conference on Composite Materials. 1988. p. 548-557.Proceedings of the Fourth Japan-U. S. Conference on Composite Materials. 1988. p. 548-557. “ジャーナル・オブ・マテリアルス・サイエンス(Journal of Materials Science)”(スイス)、1993年、28、p.1611.“Journal of Materials Science” (Switzerland), 1993, 28, p. 1611. “カーボン(Carbon)”、2011年、39、p.635-645.“Carbon”, 2011, 39, p. 635-645. “ジャーナル・オブ・マテリアルス・サイエンス(Journal of Materials Science)”(スイス)、1994年、29、p.786-799.“Journal of Materials Science” (Switzerland), 1994, 29, p. 786-799. “ジャーナル・オブ・マテリアルス・サイエンス(Journal of Materials Science)”(スイス)、2013年、48、p.2104-2110.“Journal of Materials Science” (Switzerland), 2013, 48, p. 2104-2110.

本発明は、圧縮強度、有孔板圧縮強度のいずれにも優れた炭素繊維強化複合材料を得るのに好適な炭素繊維束とその製造方法を提供することを目的する。   An object of the present invention is to provide a carbon fiber bundle suitable for obtaining a carbon fiber reinforced composite material excellent in both compressive strength and perforated plate compressive strength, and a method for producing the same.

本発明は、上記目的を達成するために次のいずれかの構成を有するものである。   In order to achieve the above object, the present invention has any one of the following configurations.

[1]単繊維コンポジットの圧縮フラグメンテーション法による、単繊維圧縮強度が4.8GPa以上であり、かつ、単繊維コンポジットの引張フラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が15.3GPaのときに繊維破断数が2.0個/mm以上である炭素繊維束。   [1] The number of fiber breaks when the single fiber compressive strength is 4.8 GPa or more according to the compression fragmentation method of the single fiber composite and the single fiber apparent stress is 15.3 GPa according to the tensile fragmentation method of the single fiber composite. Carbon fiber bundles of 2.0 pieces / mm or more.

[2]単繊維コンポジットの圧縮フラグメンテーション法による、圧縮応力負荷時における単繊維破断数が0.1個/10mmを超える単繊維圧縮応力(GPa)が単繊維圧縮強度の90%以上である[1]に記載の炭素繊維束。   [2] The single fiber compressive stress (GPa) in which the number of single fiber breakage at the time of compressive stress loading exceeds 0.1 / 10 mm by the compression fragmentation method of the single fiber composite is 90% or more of the single fiber compressive strength [1 ] The carbon fiber bundle as described in.

[3]平均引き裂き可能距離が550〜850mmである、[1]または[2]に記載の炭素繊維束。   [3] The carbon fiber bundle according to [1] or [2], wherein the average tearable distance is 550 to 850 mm.

[4]単繊維コンポジットの引張フラグメンテーション法による単繊維見掛け応力が6.8GPaのときに繊維破断数が0.3個/mm以下である[1]〜[3]のいずれかに記載の炭素繊維束。   [4] The carbon fiber according to any one of [1] to [3], wherein the single fiber composite has a single fiber apparent stress of 6.8 GPa when the single fiber apparent stress is 6.8 GPa. bundle.

[5]結晶子サイズが2.2〜4.0nmである、[1]〜[4]のいずれかに記載の炭素繊維束。   [5] The carbon fiber bundle according to any one of [1] to [4], wherein the crystallite size is 2.2 to 4.0 nm.

[6]剪断弾性率gが19GPa以上であり、初期引張弾性率Eが305GPa以上であり、剪断弾性率と初期引張弾性率の関係が下式の範囲である、[1]〜[5]のいずれかに記載の炭素繊維束。 [6] The shear modulus g is 19 GPa or more, the initial tensile modulus E 0 is 305 GPa or more, and the relationship between the shear modulus and the initial tensile modulus is in the range of the following equation: [1] to [5] A carbon fiber bundle according to any one of the above.

Figure 2015010290
Figure 2015010290

[7]ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を、赤外スペクトルの1370cm−1ピーク強度に対する1453cm−1ピークの強度比が0.72〜0.85、1370cm−1ピーク強度に対する1254cm−1ピークの強度比が0.50〜0.65となるように耐炎化し、その耐炎化繊維束が予備炭素化されてなる予備炭素化繊維束を炭素化し、脂肪族エポキシ化合物(A)および芳香族エポキシ化合物(B)を含むサイジング剤を塗布する炭素繊維束の製造方法。 [7] The polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle has an intensity ratio of 1453 cm −1 peak to 1370 cm −1 peak intensity in the infrared spectrum of 0.72 to 0.85, and an intensity of 1254 cm −1 peak to 1370 cm −1 peak intensity. Flame proofing is performed so that the ratio is 0.50 to 0.65, and the pre-carbonized fiber bundle obtained by pre-carbonizing the flame-resistant fiber bundle is carbonized, and the aliphatic epoxy compound (A) and the aromatic epoxy compound ( The manufacturing method of the carbon fiber bundle which apply | coats the sizing agent containing B).

[8]予備炭素化繊維束を、不活性雰囲気中1200〜2000℃の温度範囲、予備炭素化繊維束の平均引き裂き可能距離が450〜700mm、炭素化張力が式(2)を満たす範囲で炭素化する[7]に記載の炭素繊維束の製造方法。
4.9≦炭素化張力(mN/dtex)≦−0.0225×(平均引き裂き可能距離(mm))+23.5・・・(2)
[8] The pre-carbonized fiber bundle is carbon in a temperature range of 1200 to 2000 ° C. in an inert atmosphere, the average tearable distance of the pre-carbonized fiber bundle is 450 to 700 mm, and the carbonization tension satisfies the formula (2). The method for producing a carbon fiber bundle according to [7].
4.9 ≦ carbonization tension (mN / dtex) ≦ −0.0225 × (average tearable distance (mm)) + 23.5 (2)

本発明によれば、優れた圧縮強度と有孔板圧縮強度を発現する一方向の炭素繊維強化複合材料を作製するために用いられる炭素繊維束が得られる。本発明の炭素繊維束を用いて得られる炭素繊維強化複合材料は、航空機の軽量化に大きく貢献し、航空機の燃料消費率を改善することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the carbon fiber bundle used in order to produce the unidirectional carbon fiber reinforced composite material which expresses the outstanding compressive strength and perforated board compressive strength is obtained. The carbon fiber reinforced composite material obtained by using the carbon fiber bundle of the present invention greatly contributes to weight reduction of the aircraft and can improve the fuel consumption rate of the aircraft.

本発明の炭素繊維束は、単繊維コンポジットの圧縮フラグメンテーション法による、単繊維圧縮強度が4.8GPa以上であり、好ましくは5.0GPa以上であり、より好ましくは5.3GPa以上である。単繊維圧縮強度が4.8GPa以上あれば炭素繊維強化複合材料の圧縮強度と有効板圧縮強度を大きく改善することができ、単繊維圧縮強度は高いほど好ましい。単繊維コンポジットの圧縮フラグメンテーション法とは、炭素繊維束の単繊維を樹脂に埋め込んだコンポジット(単繊維コンポジット)に圧縮歪みをステップワイズに与えながら各圧縮歪みでの繊維破断数を数えることで、炭素繊維の単繊維圧縮強度を調べることができるものである。繊維破断したときの単繊維コンポジット圧縮歪みから単繊維圧縮強度に変換するためには、単繊維コンポジット圧縮歪みと繊維圧縮歪みの差と、各繊維圧縮歪みでの弾性率非線形性を考慮する必要がある。そのため、単繊維圧縮応力は、樹脂含浸ストランドを引張試験して得た応力−歪み曲線を2次関数でフィッティングし、そのフィッティングラインを圧縮歪み側に延長したものを用いて求める。単繊維圧縮強度は、破断数が1個/10mmを超えた時点の単繊維圧縮応力とする。   The carbon fiber bundle of the present invention has a single fiber compressive strength of 4.8 GPa or more, preferably 5.0 GPa or more, more preferably 5.3 GPa or more, according to the compression fragmentation method of a single fiber composite. If the single fiber compressive strength is 4.8 GPa or more, the compressive strength and effective plate compressive strength of the carbon fiber reinforced composite material can be greatly improved. The higher the single fiber compressive strength, the better. The compression fragmentation method for single fiber composites is a method of counting the number of fiber breaks at each compression strain while applying compression strain stepwise to a composite in which single fibers of a carbon fiber bundle are embedded in a resin (single fiber composite). The single fiber compressive strength of the fiber can be examined. In order to convert single fiber composite compressive strain when fiber breaks into single fiber compressive strength, it is necessary to consider the difference between single fiber composite compressive strain and fiber compressive strain, and the elastic modulus nonlinearity at each fiber compressive strain. is there. Therefore, the single fiber compressive stress is obtained by fitting a stress-strain curve obtained by tensile testing the resin-impregnated strand with a quadratic function and extending the fitting line to the compressive strain side. The single fiber compressive strength is defined as a single fiber compressive stress when the number of breaks exceeds 1/10 mm.

本発明の炭素繊維束は、単繊維コンポジットの圧縮フラグメンテーション法による、圧縮応力負荷時における単繊維破断数が0.1個/10mmを超える単繊維圧縮応力が単繊維圧縮強度の90%以上であることが好ましい。炭素繊維強化複合材料の擬似等方積層材料の有孔板において、円孔周辺の炭素繊維が圧縮破壊し始める領域での炭素繊維が負荷されている圧縮応力と、単繊維破断数が0.1個/10mmを超える単繊維圧縮応力は良い一致を示す。かかる炭素繊維の圧縮破壊が有孔板圧縮強度を大きく支配するため、炭素繊維強化複合材料の有孔板圧縮強度を高める観点において、単繊維破断数が0.1個/10mmを超える単繊維圧縮応力という指標は有効である。   The carbon fiber bundle of the present invention has a single fiber compressive stress of 90% or more of the single fiber compressive strength by a single fiber composite compression fragmentation method in which the number of single fiber breaks when a compressive stress is applied exceeds 0.1 / 10 mm. It is preferable. In the perforated plate of the quasi-isotropic laminated material of the carbon fiber reinforced composite material, the compressive stress in which the carbon fiber is loaded in the region where the carbon fiber around the circular hole starts to be compressed and the single fiber breakage number is 0.1. Single fiber compressive stresses over 10/10 mm show good agreement. Since the compression failure of the carbon fiber largely governs the perforated plate compressive strength, the single fiber compression number of the single fiber breakage exceeds 0.1 / 10 mm from the viewpoint of increasing the perforated plate compressive strength of the carbon fiber reinforced composite material. The index of stress is effective.

本発明の炭素繊維束は、単繊維コンポジットの引張フラグメンテーション法による単繊維見掛け応力が15.3GPaのときに繊維破断数が2.0個/mm以上であり、好ましくは3.0個/mm以上である。擬似等方積層材料の有孔板における圧縮破壊過程では、円孔周辺の応力集中部で最初にキンクバンドが形成され、その後徐々にキンクバンドが進展していく。かかる繊維破断数が2.0個/mmを下回る場合、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面接着の低下により、繊維破断数が増加したときに炭素繊維が圧縮応力を負担できずにキンクバンドが進展しやすくなって有孔板圧縮強度が低下する。応力負担が0の破断点から樹脂との界面剪断で破断点間の炭素繊維に応力が伝達されていくが、特にこのように破断数が増えた場合には繊維応力は増加しにくいので繊維破断数が飽和してくる。そのため、実繊維応力は、単繊維見掛け応力よりも低いということをここで言及しておく。単繊維見掛け応力を15.3GPaまで負荷する前に単繊維コンポジットが壊れることがあるが、繊維破断数が飽和している場合はその破断数で代用することができる。ここで、飽和とは単繊維コンポジットの歪み変化をΔ1%としたときに繊維破断数がΔ0.2個/mmとなったときのことをいう。   The carbon fiber bundle of the present invention has a fiber breakage number of 2.0 pieces / mm or more, preferably 3.0 pieces / mm or more when the single fiber apparent stress by the tensile fragmentation method of the single fiber composite is 15.3 GPa. It is. In the process of compressive fracture in a perforated plate of quasi-isotropic laminated material, a kink band is first formed at a stress concentration portion around the circular hole, and then the kink band gradually develops. When the number of fiber breaks is less than 2.0 pieces / mm, the kink band develops without the carbon fibers being able to bear the compressive stress when the number of fiber breaks increases due to a decrease in the interfacial adhesion between the carbon fibers and the matrix resin. It becomes easy to do and perforated board compressive strength falls. Stress is transferred to the carbon fiber between the break points from the break point where the stress burden is 0 by interfacial shear with the resin, but especially when the number of breaks increases in this way, the fiber stress is difficult to increase, so the fiber breaks Numbers are saturated. Therefore, it should be mentioned here that the actual fiber stress is lower than the single fiber apparent stress. The single fiber composite may be broken before the single fiber apparent stress is applied up to 15.3 GPa. If the number of fiber breaks is saturated, the number of breaks can be substituted. Here, saturation means when the number of fiber breaks is Δ0.2 / mm when the change in strain of the single fiber composite is Δ1%.

本発明の炭素繊維束は、単繊維コンポジットの引張フラグメンテーション法による単繊維見掛け応力が6.8GPaのときに繊維破断数が0.3個/mm以下であることが好ましく、より好ましくは0.2個/mm以下であり、さらに好ましくは0.1個/mm以下である。かかる繊維破断数が0.3個/mm付近となる繊維応力が低すぎると圧縮強度と引張強度のバランスが悪くなって、有孔板圧縮強度が低下しやすくなる。   The carbon fiber bundle of the present invention preferably has a fiber breakage number of 0.3 pieces / mm or less, more preferably 0.2 or less when the single fiber apparent stress by the tensile fragmentation method of the single fiber composite is 6.8 GPa. Pieces / mm or less, more preferably 0.1 pieces / mm or less. If the fiber stress at which the number of fiber breaks is around 0.3 pieces / mm is too low, the balance between the compressive strength and the tensile strength is deteriorated, and the perforated plate compressive strength is likely to be lowered.

本発明の炭素繊維束は、結晶子サイズが好ましくは2.2〜4.0nmであり、より好ましくは2.4〜4.0nmである。炭素繊維束は、炭素化処理温度が高まるに従って結晶子サイズが増大し、それに伴う結晶配向度の増加を主要因として引張弾性率が向上するために、結晶子サイズは引張弾性率の発現しやすさを評価する良い指標となる。結晶子サイズは2.2nm以上あれば、引張弾性率を発現しやすくなるため好ましく、結晶子サイズは4.0nm以下に制御することが炭素繊維の剪断弾性率を高く維持し、炭素繊維強化複合材料の優れた物性バランスを発現させる観点で好ましい。通常結晶子サイズが2.0nm付近で、炭素繊維の単繊維圧縮強度は最大を示すことが多いが、本発明では結晶子サイズが大きいにもかかわらず非常に高い単繊維圧縮強度を示すものである。炭素繊維束の結晶子サイズは、主に炭素化処理温度により制御できる。   The carbon fiber bundle of the present invention preferably has a crystallite size of 2.2 to 4.0 nm, and more preferably 2.4 to 4.0 nm. In the carbon fiber bundle, the crystallite size increases as the carbonization temperature rises, and the tensile elastic modulus improves mainly due to the accompanying increase in crystal orientation. Therefore, the crystallite size easily develops the tensile elastic modulus. It is a good index to evaluate If the crystallite size is 2.2 nm or more, it is preferable because the tensile elastic modulus is easily developed. Controlling the crystallite size to 4.0 nm or less maintains the shear elastic modulus of the carbon fiber high, and the carbon fiber reinforced composite. This is preferable from the viewpoint of developing an excellent balance of physical properties of the material. Usually, the single fiber compressive strength of the carbon fiber often shows the maximum when the crystallite size is around 2.0 nm, but the present invention shows a very high single fiber compressive strength despite the large crystallite size. is there. The crystallite size of the carbon fiber bundle can be controlled mainly by the carbonization temperature.

本発明の炭素繊維束は、剪断弾性率が好ましくは19GPa以上であり、より好ましくは20GPa以上であり、さらに好ましくは21GPa以上である。本発明で述べる剪断弾性率は繊維軸方向を1方向とし、繊維軸に垂直方向を2方向・3方向としたときの12方向の剪断弾性率のことを述べており、ねじり弾性率は23方向の剪断弾性率であるために本発明で述べる剪断弾性率とは比例関係にはない。炭素繊維の剪断弾性率の評価手法は、種々あるが本発明では樹脂含浸ストランドを引張試験して得た応力−歪み曲線から計算する手法を用いる。すなわち、かかる応力s(GPa)−歪みe(-) 曲線を応力0〜3GPaの範囲で式(3)にフィッティングするように係数を求め、そして、配向関数<cos2j>を用いて剪断弾性率gと初期引張弾性率E0を算出する。 The carbon fiber bundle of the present invention has a shear modulus of preferably 19 GPa or more, more preferably 20 GPa or more, and further preferably 21 GPa or more. The shear elastic modulus described in the present invention refers to the shear elastic modulus in 12 directions when the fiber axis direction is one direction and the direction perpendicular to the fiber axis is two or three directions, and the torsion elastic modulus is 23 directions. Therefore, it is not proportional to the shear modulus described in the present invention. There are various methods for evaluating the shear modulus of carbon fiber, but in the present invention, a method of calculating from a stress-strain curve obtained by tensile testing a resin-impregnated strand is used. That is, a coefficient is obtained so that the stress s (GPa) -strain e (-) curve is fitted to the equation (3) in the range of stress 0 to 3 GPa, and shear elasticity is obtained using the orientation function <cos 2 j>. The modulus g and the initial tensile modulus E 0 are calculated.

Figure 2015010290
Figure 2015010290

この式は、Carbon, 1991, 29, 1267-79の式(5)とCarbon, 1994, 32, 615-619の式(9)から本発明者らが導出したものである。非特許文献5でも述べられているように、炭素繊維の剪断弾性率は高いほど炭素繊維の単繊維圧縮強度が高い傾向にあり、炭素繊維の剪断弾性率を高めることが好ましい。なお、評価手法が非特許文献5に記載の剪断弾性率とは異なるために絶対値の比較はできない。この式からも分かるように、引張応力がかかるほど引張歪みの変化が鈍く(引張弾性率が増加し)、圧縮応力がかかるほど圧縮歪みの変化が大きくなる(圧縮弾性率が減少する)傾向にあり、剪断弾性率との関係で言えば、剪断弾性率が大きいほど引張応力に対する引張弾性率増加が弱くなる。言い換えれば、種々の製造条件で得られた炭素繊維束について、引張側の応力−歪み曲線を詳細に調べることで、炭素繊維束の単繊維圧縮強度に寄与する製造条件が明らかになるのである。炭素繊維の剪断弾性率および単繊維圧縮強度を制御する炭素繊維束の製造方法については後述する。 This equation is derived by the present inventors from Equation (5) of Carbon, 1991, 29, 1267-79 and Equation (9) of Carbon, 1994, 32, 615-619. As described in Non-Patent Document 5, the higher the shear elastic modulus of the carbon fiber, the higher the single fiber compressive strength of the carbon fiber, and it is preferable to increase the shear elastic modulus of the carbon fiber. In addition, since the evaluation method differs from the shear elastic modulus described in Non-Patent Document 5, absolute values cannot be compared. As can be seen from this equation, the tensile strain changes more slowly as the tensile stress is applied (the tensile elastic modulus increases), and the compressive strain changes larger (the compressive elastic modulus decreases) as the compressive stress is applied. In terms of the relationship with the shear modulus, the greater the shear modulus, the weaker the increase in tensile modulus against tensile stress. In other words, the production conditions that contribute to the single fiber compressive strength of the carbon fiber bundle are clarified by examining the stress-strain curve on the tensile side in detail for the carbon fiber bundle obtained under various production conditions. A method for producing a carbon fiber bundle for controlling the shear elastic modulus and single fiber compressive strength of the carbon fiber will be described later.

本発明の炭素繊維束は、初期引張弾性率が好ましくは305GPa以上であり、より好ましくは330GPa以上であり、さらに好ましくは350GPa以上である。通常、引張弾性率が高まるほど単繊維圧縮強度が低下することが知られており、かかる初期引張弾性率が305GPa以上であれば、引張弾性率と単繊維圧縮強度のバランスに優れるために好ましい。初期引張弾性率は、上述したように樹脂含浸ストランドを引張試験して得た応力−歪み曲線から計算する。炭素繊維束の初期引張弾性率は、主に炭素化処理温度と炭素化処理時の炭化張力により制御できる。   The carbon fiber bundle of the present invention preferably has an initial tensile elastic modulus of 305 GPa or more, more preferably 330 GPa or more, and further preferably 350 GPa or more. In general, it is known that the single fiber compressive strength decreases as the tensile elastic modulus increases. If the initial tensile elastic modulus is 305 GPa or more, it is preferable because the balance between the tensile elastic modulus and the single fiber compressive strength is excellent. The initial tensile elastic modulus is calculated from the stress-strain curve obtained by tensile testing the resin-impregnated strand as described above. The initial tensile elastic modulus of the carbon fiber bundle can be controlled mainly by the carbonization temperature and the carbonization tension during the carbonization.

本発明の炭素繊維束は剪断弾性率gと初期引張弾性率E0の関係が好ましくは下式(1)の範囲である。 In the carbon fiber bundle of the present invention, the relationship between the shear elastic modulus g and the initial tensile elastic modulus E 0 is preferably in the range of the following formula (1).

Figure 2015010290
Figure 2015010290

一般に、炭素化処理温度を高めるにつれて炭素繊維の結晶化度が高まる傾向にあるが、結晶化度が高まるにつれて、炭素繊維の剪断弾性率は低下し、かつ初期引張弾性率が増加する。この式はその関係を表しており、炭素化処理温度や、炭化張力などの焼成工程張力が一定であっても、高い剪断弾性率を発現することが単繊維圧縮強度を高める点では好ましい。炭素繊維の剪断弾性率制御は上述したように行うことができるが、具体例として、後述する本発明の炭素繊維束の製造方法に従うことで式(1)の範囲に制御することができる。 In general, as the carbonization temperature is increased, the crystallinity of the carbon fiber tends to increase. However, as the crystallinity increases, the shear elastic modulus of the carbon fiber decreases and the initial tensile elastic modulus increases. This equation expresses the relationship, and it is preferable in terms of increasing the single fiber compressive strength to express a high shear modulus even when the carbonization temperature and the firing process tension such as carbonization tension are constant. The shear modulus control of the carbon fiber can be performed as described above. As a specific example, the carbon fiber bundle can be controlled within the range of the formula (1) by following the carbon fiber bundle manufacturing method of the present invention described later.

また、本発明の炭素繊維束は、炭素繊維束の平均引き裂き可能距離が550〜850mmであることが好ましい。該距離が550mm未満の場合は、マトリックス樹脂が単繊維間に含浸しにくくなり、炭素繊維強化複合材料の圧縮強度を低下させることがあり、該距離が850mmを超える場合は、プリプレグ加工において拡幅時の糸割れを誘起し、低目付けの薄いプリプレグを製造するのに適さない場合がある。   The carbon fiber bundle of the present invention preferably has an average tearable distance of 550 to 850 mm. When the distance is less than 550 mm, the matrix resin is less likely to be impregnated between the single fibers, which may reduce the compressive strength of the carbon fiber reinforced composite material. When the distance exceeds 850 mm, the width is widened in the prepreg processing. May be unsuitable for producing a thin prepreg with a low basis weight.

本発明の炭素繊維束は、炭素繊維単繊維が束ねられて繊維束となっており、その単繊維の本数は、3000〜60000本が好ましい。また、本発明において、炭素繊維束は、実質的に無撚りであることが好ましい。ここでいう実質的に無撚りとは、無撚り、もしくは、たとえ撚りがあっても、炭素繊維束1mあたり0.5ターン以下であることを意味する。炭素繊維が無撚りの場合は、炭素繊維強化複合材料用の強化繊維として用いる場合に炭素繊維束の拡がり性に優れ、炭素繊維強化複合材料の物性に優れることが多い。   The carbon fiber bundle of the present invention is formed by bundling carbon fiber single fibers, and the number of single fibers is preferably 3000 to 60000. In the present invention, the carbon fiber bundle is preferably substantially untwisted. As used herein, “substantially untwisted” means that there is no twist or no more than 0.5 turns per 1 m of carbon fiber bundle, even if there is a twist. When the carbon fiber is untwisted, when used as a reinforcing fiber for a carbon fiber reinforced composite material, the carbon fiber bundle is excellent in spreading property and the carbon fiber reinforced composite material is often excellent in physical properties.

次に、本発明の炭素繊維束の製造方法を説明する。   Next, the manufacturing method of the carbon fiber bundle of this invention is demonstrated.

本発明の炭素繊維束を製造する方法において、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を耐炎化、予備炭素化、炭素化して、炭素繊維束を得る。その際にポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を、赤外スペクトルの1370cm−1ピーク強度に対する1453cm−1ピークの強度比が0.72〜0.85、1370cm−1ピーク強度に対する1254cm−1ピークの強度比が0.50〜0.65となるように耐炎化する。かかる1453cm−1ピークはアルケン由来であり、耐炎化の進行とともに減少していき、1370cm−1ピークと1254cm−1のピークは耐炎化構造(それぞれナフチリジン環・水素化ナフチリジン環構造と考えている)に由来して耐炎化の進行とともに増加していく。すなわち、1370cm−1ピーク強度に対する1453cm−1ピークの強度比において、比重1.35の耐炎化繊維束の場合に0.63〜0.69程度であり、ポリアクリロニトリルに由来するピークをなるべく減少させて炭化収率を高めるようにすることが一般的であるが、本発明ではあえて多くのアルケンを残す条件を設定する。そのような構造は予備炭化工程で分解して炭素繊維の剪断弾性率を高める効果があると考えている。さらに、重要なことは、1370cm−1ピーク強度に対する1254cm−1ピークの強度比が0.50〜0.65となるように両立する耐炎化条件を設定することである。1254cm−1のピークは耐炎化が不十分な部分で多く見られ、この構造が炭素繊維となる際に剪断弾性率を低下させる効果があると考えている。かかるピーク強度比は耐炎化の進行とともに減少していき、特に初期の減少が大きいが、耐炎化条件次第では、時間を増やしてもかかるピーク強度比が0.65以下とならないこともある。この2つのピーク強度比を目的の範囲内に両立するためには、基本的には、ポリアクリロニトリル系重合体に含まれる共重合成分の量が少ないこと、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束の結晶配向度が高いこと、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束の繊度を小さくすること、耐炎化温度を低くすることに主に注目して条件設定すれば良い。なお、ここで述べるピーク強度とは、耐炎化繊維を少量サンプリングして赤外スペクトルを測定して得られたスペクトルをベースライン補正した後の各波長の吸光度のことであり、特にピーク分割などは行わない。また、試料の濃度は0.67質量%となるようにKBrで希釈して測定する。このように、耐炎化条件設定を変更するたびに赤外スペクトルを測定して、後述の好適な製造方法にしたがって試行錯誤的に条件検討すればよい。耐炎化繊維の赤外スペクトルピーク強度比を適切に制御することで、炭素繊維の単繊維圧縮強度を高めることができる。 In the method for producing a carbon fiber bundle of the present invention, the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle is flame-resistant, pre-carbonized, and carbonized to obtain a carbon fiber bundle. At that time, the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle has an intensity ratio of 1453 cm −1 peak to 1370 cm −1 peak intensity in the infrared spectrum of 0.72 to 0.85, and an intensity of 1254 cm −1 peak to 1370 cm −1 peak intensity. Flame resistance is achieved so that the ratio is 0.50 to 0.65. The 1453 cm −1 peak is derived from an alkene and decreases with the progress of flame resistance, and the 1370 cm −1 peak and the 1254 cm −1 peak are considered to be flame resistant structures (respectively considered to be naphthyridine ring and hydrogenated naphthyridine ring structure). It increases with the progress of flame resistance. That is, in 1453Cm -1 peak intensity ratio of the relative 1370 cm -1 peak intensity is about 0.63 to 0.69 in the case of oxidized fiber bundle having a specific gravity of 1.35, as possible to reduce the peak derived from polyacrylonitrile In general, the carbonization yield is increased, but in the present invention, conditions for leaving many alkenes are set. Such a structure is considered to be effective in increasing the shear elastic modulus of the carbon fiber by being decomposed in the preliminary carbonization step. Furthermore, what is important is to set the oxidization conditions 1254Cm -1 peak intensity ratio of the relative 1370 cm -1 peak intensity are compatible such that from 0.50 to 0.65. A peak of 1254 cm −1 is often observed in a portion where flame resistance is insufficient, and it is considered that when this structure becomes a carbon fiber, there is an effect of reducing the shear modulus. The peak intensity ratio decreases with the progress of flame resistance, and the initial decrease is particularly large. However, depending on the flame resistance conditions, the peak intensity ratio may not be 0.65 or less even if the time is increased. In order to satisfy these two peak intensity ratios within the intended range, basically, the amount of the copolymer component contained in the polyacrylonitrile polymer is small, and the crystal orientation of the polyacrylonitrile precursor fiber bundle. The conditions may be set mainly focusing on the fact that the degree is high, the fineness of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle is reduced, and the flameproofing temperature is lowered. The peak intensity described here is the absorbance at each wavelength after baseline correction of the spectrum obtained by sampling a small amount of flame-resistant fiber and measuring the infrared spectrum. Not performed. Further, the sample concentration is measured by diluting with KBr so as to be 0.67% by mass. In this way, each time the flameproofing condition setting is changed, the infrared spectrum is measured, and the conditions may be examined by trial and error according to a suitable manufacturing method described later. By appropriately controlling the infrared spectrum peak intensity ratio of the flameproof fiber, the single fiber compressive strength of the carbon fiber can be increased.

本発明において、耐炎化の処理時間は、好ましくは10〜100分の範囲で適宜選択することができるが、得られる炭素繊維束の剪断弾性率および単繊維圧縮強度を向上させる目的から、得られる耐炎化繊維の比重が好ましくは1.22〜1.28、より好ましくは1.22〜1.24の範囲となるように耐炎化の処理時間を設定する。より好ましい耐炎化の処理時間は耐炎化温度に依存する。耐炎化繊維の比重は1.22以上なければ炭素繊維束の引張弾性率等の物性が低下することがあり、比重は1.28以下であれば単繊維圧縮強度を高めることができる。耐炎化繊維の比重は耐炎化の処理時間と耐炎化温度により制御する。本発明において、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の耐炎化は、赤外スペクトルのピーク強度比が上記範囲内に入るように耐炎化温度を制御することが好ましく、具体的には200〜300℃の空気中において行うことが好ましく、210〜240℃の空気中において行うことがより好ましい。これらの耐炎化の処理時間や耐炎化温度の好ましい範囲はポリアクリロニトリル系前駆体繊維束の特性やポリアクリロニトリル系重合体の共重合組成によって変化する。   In the present invention, the flameproofing treatment time can be suitably selected within a range of preferably 10 to 100 minutes, but is obtained for the purpose of improving the shear modulus and single fiber compressive strength of the obtained carbon fiber bundle. The flameproofing treatment time is set so that the specific gravity of the flameproofing fiber is preferably in the range of 1.22 to 1.28, more preferably 1.22 to 1.24. More preferable flameproofing treatment time depends on the flameproofing temperature. If the specific gravity of the flameproof fiber is not 1.22 or more, the physical properties such as the tensile elastic modulus of the carbon fiber bundle may be lowered. If the specific gravity is 1.28 or less, the single fiber compressive strength can be increased. The specific gravity of the flameproof fiber is controlled by the flameproofing treatment time and the flameproofing temperature. In the present invention, the flame resistance of the polyacrylonitrile-based precursor fiber is preferably controlled such that the peak intensity ratio of the infrared spectrum falls within the above range, specifically air at 200 to 300 ° C. It is preferably carried out in the air, and more preferably in the air at 210 to 240 ° C. The preferable range of the flameproofing treatment time and flameproofing temperature varies depending on the characteristics of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle and the copolymer composition of the polyacrylonitrile-based polymer.

本発明で、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束の製造に用いられるポリアクリロニトリル系重合体は、耐炎化処理を効率よく行う観点等から、共重合成分を含む。一般に、共重合成分の量が多いほど耐炎化反応が進みやすくなり、単繊維内で局所的な耐炎化反応を誘起しやすくなることで単繊維内に均一に耐炎化しにくくなるため、共重合成分の量は少ない方が好ましい。好ましい共重合成分の量としては、0.05〜1.0質量%である。共重合成分としては、前記観点からカルボキシル基またはアミド基を一つ以上有するものが好ましく例示される。具体的には、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸およびメサコン酸が好ましく、イタコン酸、マレイン酸およびメサコン酸がより好ましく、中でも、イタコン酸が最も好ましい。なお、本発明においてポリアクリロニトリル系重合体とは、少なくともアクリロニトリルが重合体骨格の主構成成分となっているものをいい、主構成成分とは、通常、重合体骨格の94〜100質量%を占めることを言う。   In the present invention, the polyacrylonitrile-based polymer used for the production of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle includes a copolymer component from the viewpoint of efficiently performing the flameproofing treatment. In general, the greater the amount of copolymerization component, the easier the flameproofing reaction will proceed, and it becomes easier to induce a local flameproofing reaction within the single fiber, making it difficult to uniformly flameproof within the single fiber. The amount of is preferably smaller. A preferable amount of the copolymerization component is 0.05 to 1.0% by mass. Preferred examples of the copolymer component include those having one or more carboxyl groups or amide groups from the above viewpoint. Specifically, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid and mesaconic acid are preferred, itaconic acid, maleic acid and mesaconic acid are more preferred, and itaconic acid is most preferred. . In the present invention, the polyacrylonitrile-based polymer means that at least acrylonitrile is the main constituent of the polymer skeleton, and the main constituent usually occupies 94 to 100% by mass of the polymer skeleton. Say that.

本発明で好ましく用いられるポリアクリロニトリル系重合体を製造する重合方法としては、公知の重合方法を選択することができる。本発明の炭素繊維束の製造で好ましく用いられる紡糸溶液は、前記したポリアクリロニトリル系重合体を、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどのポリアクリロニトリル系重合体が可溶な溶媒に溶解したものである。本発明に用いるポリアクリロニトリル系重合体は濃度を15〜23質量%の紡糸溶液とすることが好ましい。   As a polymerization method for producing a polyacrylonitrile-based polymer preferably used in the present invention, a known polymerization method can be selected. The spinning solution preferably used in the production of the carbon fiber bundle of the present invention is obtained by dissolving the polyacrylonitrile polymer in a solvent in which a polyacrylonitrile polymer such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide is soluble. is there. The polyacrylonitrile polymer used in the present invention is preferably a spinning solution having a concentration of 15 to 23% by mass.

本発明の炭素繊維束の製造で好ましく用いられるポリアクリロニトリル系前駆体繊維束の製造方法は、乾湿式紡糸法により紡糸口金から吐出させ紡糸する紡糸工程と、該紡糸工程で得られた繊維を水浴中で洗浄する水洗工程と、該水洗工程で得られた繊維を水浴中で延伸する水浴延伸工程と、該水浴延伸工程で得られた繊維を乾燥熱処理する乾燥熱処理工程からなり、必要に応じて、該乾燥熱処理工程で得られた繊維をスチーム延伸するスチーム延伸工程からなる。   The method for producing a polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle preferably used in the production of the carbon fiber bundle of the present invention includes a spinning process in which spinning is performed by discharging from a spinneret by a dry and wet spinning method, and a fiber obtained in the spinning process is bathed in water. A water washing step for washing in, a water bath drawing step for drawing the fibers obtained in the water washing step in a water bath, and a drying heat treatment step for drying and heat treating the fibers obtained in the water bath drawing step. And a steam stretching step of steam stretching the fiber obtained in the drying heat treatment step.

本発明において、前記凝固浴には、紡糸溶液の溶媒として用いたジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどの溶媒と、いわゆる凝固促進成分を含ませることが好ましい。凝固促進成分としては、前記ポリアクリロニトリル系重合体を溶解せず、かつ紡糸溶液に用いる溶媒と相溶性があるものを使用することができる。具体的には、凝固促進成分として水を使用することが好ましい。凝固浴の条件により、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束の単繊維断面形状を制御することができ、耐炎化反応を均一に進行させる観点から円形に近い断面形状になるように制御することが好ましい。   In the present invention, the coagulation bath preferably contains a solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide used as a solvent for the spinning solution and a so-called coagulation promoting component. As the coagulation accelerating component, a component that does not dissolve the polyacrylonitrile polymer and is compatible with the solvent used in the spinning solution can be used. Specifically, it is preferable to use water as a coagulation promoting component. The cross-sectional shape of the single fiber of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle can be controlled according to the conditions of the coagulation bath, and it is preferable to control the cross-sectional shape to be close to a circle from the viewpoint of making the flameproofing reaction proceed uniformly.

水洗工程における水浴温度は20〜100℃の複数段からなる水洗浴を用い水洗することが好ましい。また、水浴延伸工程における延伸倍率は、1〜5倍であることが好ましく、より好ましくは2〜4倍である。水浴延伸工程の後、単繊維同士の接着を防止する目的から、糸条にシリコーン等からなる油剤を付与することが好ましい。かかるシリコーン油剤は、変性されたシリコーンを用いることが好ましく、耐熱性の高いアミノ変性シリコーンを含有するものを用いることが好ましい。   The water bath temperature in the water washing step is preferably 20 ° C. to 100 ° C. using a water bath having a plurality of stages. Moreover, it is preferable that the draw ratio in a water bath extending process is 1-5 times, More preferably, it is 2-4 times. After the water bath stretching step, it is preferable to apply an oil agent made of silicone or the like to the yarn for the purpose of preventing adhesion between single fibers. As such a silicone oil agent, it is preferable to use a modified silicone, and it is preferable to use one containing an amino-modified silicone having high heat resistance.

前記した水洗工程、水浴延伸工程、油剤付与工程、公知の方法で行われた乾燥熱処理工程の後、必要に応じ、スチーム延伸を行うことにより、炭素繊維束の製造で好ましく用いられるポリアクリロニトリル系前駆体繊維束が得られる。本発明において、スチーム延伸は、加圧スチーム中において、少なくとも3倍以上延伸するのがよい。   A polyacrylonitrile-based precursor that is preferably used in the production of a carbon fiber bundle by performing steam stretching as necessary after the water washing step, water bath stretching step, oil agent application step, and drying heat treatment step performed by a known method. A body fiber bundle is obtained. In the present invention, the steam stretching is preferably performed at least three times or more in the pressurized steam.

本発明において、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の結晶配向度は、好ましくは92〜96%であり、より好ましくは93〜96%である。かかる結晶配向度は高いほど、耐炎化反応が進行しにくくなるため耐炎化繊維束の赤外スペクトルピーク強度比を本発明の範囲に制御しやすくなり好ましく、かかる結晶配向度は92%以上あれば、この観点からは十分である。水浴延伸工程の延伸倍率とスチーム延伸工程の延伸倍率の積を10倍以上にすることで、かかる結晶配向度は制御することができる。   In the present invention, the degree of crystal orientation of the polyacrylonitrile-based precursor fiber is preferably 92 to 96%, more preferably 93 to 96%. The higher the degree of crystal orientation, the more difficult the flameproofing reaction proceeds. Therefore, the infrared spectrum peak intensity ratio of the flameproofed fiber bundle is preferably controlled within the range of the present invention, and the degree of crystal orientation is preferably 92% or more. This is sufficient from this point of view. The degree of crystal orientation can be controlled by setting the product of the draw ratio in the water bath drawing process and the draw ratio in the steam drawing process to 10 times or more.

本発明において、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束は、繊度が0.80dtex以下になるように調整するのが好ましく、より好ましくは0.60dtex以下であり、さらに好ましくは0.45dtex以下である。かかる繊度は0.80dtex以下であれば単繊維内における耐炎化反応不均一性が減少しやすくなり、耐炎化繊維束の赤外スペクトルピーク強度比を本発明の範囲に制御しやすくなる。かかる繊度は、前記紡糸溶液の吐出量と紡糸速度を調整することで制御することができる。   In the present invention, the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle is preferably adjusted so that the fineness is 0.80 dtex or less, more preferably 0.60 dtex or less, and still more preferably 0.45 dtex or less. When the fineness is 0.80 dtex or less, the non-uniformity of the flameproofing reaction in the single fiber is likely to be reduced, and the infrared spectrum peak intensity ratio of the flameproofed fiber bundle is easily controlled within the range of the present invention. Such fineness can be controlled by adjusting the discharge amount of the spinning solution and the spinning speed.

前記耐炎化に引き続いて、予備炭素化を行う。予備炭素化工程においては、得られた耐炎化繊維束を、不活性雰囲気中、最高温度500〜1200℃において、比重1.5〜1.8になるまで熱処理することが好ましい。   Subsequent to the flame resistance, preliminary carbonization is performed. In the preliminary carbonization step, the obtained flame-resistant fiber bundle is preferably heat-treated in an inert atmosphere at a maximum temperature of 500 to 1200 ° C. until the specific gravity is 1.5 to 1.8.

前記予備炭素化に引き続いて、炭素化を行う。本発明では、炭素化工程において、得られた予備炭化繊維束を不活性雰囲気中、最高温度1200〜2000℃において、炭素化張力が式(2)を満たす範囲で炭素化する炭素繊維束の製造方法であって、予備炭素化繊維束の平均引き裂き可能距離が450〜700mmである炭素繊維束の製造方法であることが好ましい。
4.9≦炭素化張力(mN/dtex)≦−0.0225×(平均引き裂き可能距離(mm))+23.5・・・(2)。
Subsequent to the preliminary carbonization, carbonization is performed. In the present invention, in the carbonization step, the obtained pre-carbonized fiber bundle is carbonized in an inert atmosphere at a maximum temperature of 1200 to 2000 ° C. so that the carbonization tension satisfies the formula (2). It is a method, Comprising: It is preferable that it is a manufacturing method of the carbon fiber bundle whose average tearable distance of a pre-carbonized fiber bundle is 450-700 mm.
4.9 ≦ carbonization tension (mN / dtex) ≦ −0.0225 × (average tearable distance (mm)) + 23.5 (2).

炭素化工程の温度は、得られる炭素繊維のストランド弾性率を高める観点からは、高い方が好ましいが、高すぎると単繊維圧縮強度が低下する場合があり、両者を勘案して設定するのが良い。より好ましい温度範囲は1350〜1900℃であり、さらに好ましい温度範囲は、1600〜1900℃である。   The temperature of the carbonization step is preferably higher from the viewpoint of increasing the strand elastic modulus of the carbon fiber to be obtained, but if it is too high, the single fiber compressive strength may decrease, and it is necessary to set the temperature in consideration of both. good. A more preferred temperature range is 1350-1900 ° C, and a more preferred temperature range is 1600-1900 ° C.

炭素化工程の張力(炭素化張力)は、炭素化炉出側で測定した張力(mN)をポリアクリロニトリル系前駆体繊維の絶乾時の繊度(dtex)で割った値で示すものとする。該張力を4.9mN/dtexよりも低くすると炭素繊維の結晶子配向を高めることができず、高いストランド弾性率を発現しない。また、該張力は、得られる炭素繊維のストランド弾性率を高める観点からは、高い方が好ましいが、高すぎると工程通過性や、品位が低下する場合があり、式(2)を満たす範囲で設定することが好ましい。式(2)の右辺の一次係数−0.0225の示す意味は、平均引き裂き可能距離の増加に伴う設定可能な該張力の低下勾配であり、定数項23.5は平均引き裂き可能距離を極限まで短くした場合に設定可能な該張力である。   The tension (carbonization tension) in the carbonization step is represented by a value obtained by dividing the tension (mN) measured on the outlet side of the carbonization furnace by the fineness (dtex) of the polyacrylonitrile-based precursor fiber when it is completely dried. When the tension is lower than 4.9 mN / dtex, the crystallite orientation of the carbon fiber cannot be increased, and a high strand elastic modulus is not exhibited. Further, the tension is preferably higher from the viewpoint of increasing the strand elastic modulus of the carbon fiber to be obtained, but if it is too high, the process passability and the quality may be lowered, and in a range satisfying the formula (2). It is preferable to set. The meaning of the first-order coefficient −0.0225 on the right-hand side of Equation (2) is a tension gradient that can be set with an increase in the average tearable distance, and the constant term 23.5 is used to reduce the average tearable distance to the limit. This tension can be set when the length is shortened.

炭素化工程における予備炭素化繊維束の引き裂き可能距離は、繊維束の交絡状態を表す指標であり、以下のようにして求める。まず、繊維束を1160mmの長さにカットし、その一端を水平な台上に粘着テープで動かないように固定する(この点を固定点Aと呼ぶ)。該繊維束の固定していない方の一端を指で2分割し、その一方を緊張させた状態で台上に粘着テープで動かないように固定する(この点を固定点Bと呼ぶ)。2分割した他方を、固定点Aが支点となり弛みが出ないよう台上に沿って動かし、固定点Bからの直線距離が500mmの位置で静止させ、台上に粘着テープで動かないように固定する(この点を固定点Cと呼ぶ)。固定点A、B、Cで囲まれた領域を目視で観察し、固定点Aから最も遠い交絡点を見つけ、固定点Aと固定点Bで結ばれる直線上に投影した距離を最低目盛りが1mmの定規で読み取り、引き裂き可能距離とする。前記操作の繰り返し30回の測定の算術平均値を平均引き裂き可能距離とする。引き裂き可能距離の測定方法を図1に示す。本測定方法において、固定点Aから最も遠い交絡点とは、固定点Aからの直線距離が最も遠く、かつ弛みのない3本以上の単繊維が交絡している点のことである。   The tearable distance of the pre-carbonized fiber bundle in the carbonization step is an index that represents the entangled state of the fiber bundle, and is determined as follows. First, the fiber bundle is cut to a length of 1160 mm, and one end thereof is fixed on a horizontal base so as not to move with an adhesive tape (this point is referred to as a fixing point A). One end of the fiber bundle that is not fixed is divided into two with fingers, and one of the ends is tensioned and fixed on the table so as not to move with an adhesive tape (this point is referred to as a fixing point B). Move the other of the two halves along the table so that the fixed point A becomes a fulcrum and does not come loose, rest at a position where the linear distance from the fixed point B is 500 mm, and fix it on the table so that it does not move with adhesive tape. (This point is called a fixed point C). The area surrounded by the fixed points A, B, and C is visually observed, the entanglement point farthest from the fixed point A is found, and the distance projected on the straight line connecting the fixed point A and the fixed point B is 1 mm at the minimum scale. Read with the ruler of, and make the tearable distance. The arithmetic average value of 30 measurements of the above operation is defined as the average tearable distance. A method of measuring the tearable distance is shown in FIG. In this measurement method, the entanglement point farthest from the fixed point A is the point where the linear distance from the fixed point A is the longest and three or more single fibers having no slack are entangled.

従来、交絡状態の評価手法として、フックドロップ法が一般的に用いられてきた。フックドロップ法による繊維束の交絡度は、JIS L1013(2010年)に規定されているように、測定に供する繊維束を垂下装置の上部に固定し、繊維束下端に錘をぶらさげ、試料を垂直にたらし、試料上部固定端から1cm下に、繊維束を2分割するように、直径0.6mmの表面を滑らかに仕上げた重さ10gのフックを挿入し、その降下距離測定するものである。   Conventionally, the hook drop method has been generally used as a method for evaluating the entangled state. As defined in JIS L1013 (2010), the degree of entanglement of the fiber bundle by the hook drop method is fixed to the upper part of the drooping device, the weight is suspended at the lower end of the fiber bundle, and the sample is placed vertically. After that, a hook with a weight of 10 g with a smooth surface of 0.6 mm in diameter is inserted so as to divide the fiber bundle into two parts 1 cm below the upper fixed end of the sample, and the descent distance is measured. .

本発明において、炭素化工程における予備炭素化繊維束の交絡度として、従来のフックドロップ法ではなく、平均引き裂き可能距離を特定の範囲にすることで、炭素繊維高強度領域の強度低下を避けつつ、炭素化工程における高い延伸張力を発現できる。炭素化工程において高い延伸張力をかけるためには、単繊維間の応力伝達能力が高い繊維束状態をつくる必要があり、そのためには単繊維同士の細かい交絡ネットワークを形成することが重要である。従来のフックドロップ法は、フックを用いた「点」での評価であるのに対し、引き裂き可能距離は、束全体を見る「面」での評価であり、この相違点により、炭素化工程における高い延伸張力を発現するための状態を適切に規定できるものと考える。   In the present invention, as the degree of entanglement of the pre-carbonized fiber bundle in the carbonization process, not by the conventional hook drop method, but by making the average tearable distance within a specific range, while avoiding the strength reduction of the carbon fiber high strength region High stretch tension in the carbonization process can be expressed. In order to apply a high drawing tension in the carbonization process, it is necessary to create a fiber bundle state in which the stress transmission ability between single fibers is high. For that purpose, it is important to form a fine entanglement network between single fibers. The conventional hook drop method is an evaluation at a “point” using a hook, whereas the tearable distance is an evaluation at a “surface” that looks at the entire bundle. Due to this difference, in the carbonization process, It is considered that a state for expressing a high stretching tension can be appropriately defined.

本発明において、炭素化工程における予備炭素化繊維束の引き裂き可能距離は、短いほど交絡度が高く、単繊維間の応力伝達能力が高まり、炭素化工程における延伸張力を高めることができるが、該距離が450mm未満の場合は炭素繊維の単繊維圧縮強度低下が起こりやすく、該距離が500mm以上あれば単繊維圧縮強度のばらつき(本発明で述べるところの、炭素繊維単繊維コンポジットの圧縮フラグメンテーション法による、圧縮応力負荷時における単繊維破断数が0.1個/10mmを超える単繊維圧縮応力と単繊維圧縮強度の差)を抑制しやすい。引き裂き可能距離が750mmを超える交絡処理を施していない、あるいは弱いものは、炭素化工程である一定確率で破断する単繊維分の応力を破断していない他の単繊維が負担することになり、単繊維間の構造バラツキを誘起しやすい。前記した予備炭素化繊維の平均引き裂き可能距離を達成する手段は、前記した数値範囲が達成できれば、どのような方法も採用することができるが、本発明において、平均引き裂き可能距離を制御する方法としては、繊維束への流体による交絡処理が好ましく用いられる。中でも、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の製造工程および耐炎化工程のいずれかにおいて、すなわち繊維伸度が5%以上の繊維束をプロセスしている場所で流体交絡処理を行うことが好ましい。流体交絡処理に用いる流体としては、気体、液体とも用いることができるが、空気又は窒素が安価な為好ましい。流体交絡処理において、流体はノズルを用いて繊維束に吹き付けることが好ましく、流体を吹き付けるノズル形状は特に限定されないが、2〜8箇所の噴出孔を有するものを用いることが好ましい。噴出口の配置は特に限定されないが、繊維束長手方向と流体の吹き付け方向の成す角が88°〜90°の範囲となるよう繊維束を取り囲むように偶数個の噴出孔を配置し、各々の噴出孔が2孔で1組となるよう対向する位置に配置することが好ましい。それ以外の流体交絡処理時の繊維束張力、流体の吐出圧等の条件は、引き裂き可能距離を適宜調整するように条件検討すればよい。なお、本発明において、予備炭素化繊維は、実質的に無撚りであることが好ましい。ここでいう実質的に無撚りとは、無撚り、もしくは、たとえ撚りがあっても、炭素繊維束1mあたり0.5ターン以下であることを意味する。   In the present invention, the shorter the tearable distance of the pre-carbonized fiber bundle in the carbonization process, the higher the degree of entanglement, the higher the stress transmission ability between single fibers, and the higher the stretching tension in the carbonization process. If the distance is less than 450 mm, the single fiber compressive strength of the carbon fiber is likely to decrease. If the distance is 500 mm or more, the single fiber compressive strength varies (according to the compression fragmentation method of the carbon fiber single fiber composite described in the present invention). The difference between the single fiber compressive stress and the single fiber compressive strength in which the number of single fiber breaks when a compressive stress is applied exceeds 0.1 / 10 mm. If the entanglement treatment with a tearable distance exceeding 750 mm is not performed or weak, the other single fiber not ruptured bears the stress of the single fiber that breaks with a certain probability that is a carbonization process, It is easy to induce structural variations between single fibers. As the means for achieving the average tearable distance of the preliminary carbonized fiber, any method can be adopted as long as the numerical range described above can be achieved. In the present invention, as a method for controlling the average tearable distance, The entanglement process by the fluid to the fiber bundle is preferably used. Among them, it is preferable to perform the fluid entanglement process in any of the manufacturing process and the flameproofing process of the polyacrylonitrile-based precursor fiber, that is, in a place where a fiber bundle having a fiber elongation of 5% or more is processed. As the fluid used for the fluid entanglement treatment, both gas and liquid can be used, but air or nitrogen is preferable because it is inexpensive. In the fluid entanglement process, the fluid is preferably sprayed onto the fiber bundle using a nozzle, and the shape of the nozzle that sprays the fluid is not particularly limited, but it is preferable to use one having 2 to 8 ejection holes. The arrangement of the ejection ports is not particularly limited, but an even number of ejection holes are arranged so as to surround the fiber bundle so that the angle formed by the fiber bundle longitudinal direction and the fluid blowing direction is in the range of 88 ° to 90 °. It is preferable to arrange the jet holes at positions facing each other so as to form a pair of two holes. Other conditions such as fiber bundle tension and fluid discharge pressure during the fluid entanglement process may be examined so as to adjust the tearable distance appropriately. In the present invention, the pre-carbonized fiber is preferably substantially untwisted. As used herein, “substantially untwisted” means that there is no twist or no more than 0.5 turns per 1 m of carbon fiber bundle, even if there is a twist.

得られた炭素繊維束をさらに2000℃以上の温度で延伸しながら熱処理して、結晶子サイズが4.0nmまでの範囲となるように制御することもできる。   The obtained carbon fiber bundle can be further heat-treated while being stretched at a temperature of 2000 ° C. or higher to control the crystallite size to be in the range of 4.0 nm.

得られた炭素繊維束は、マトリックス樹脂との接着性を向上して、単繊維コンポジットの引張フラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が15.3GPaのときの繊維破断数を2.0個/mm以上に制御するために、通常、酸化処理が施され、酸素含有官能基が導入されるとともにサイジング剤を塗布する。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 bundle has improved adhesiveness with the matrix resin, and the number of fiber breaks when the single fiber apparent stress is 15.3 GPa by the tensile fragmentation method of the single fiber composite is 2.0 pieces / mm or more. In general, an oxidation treatment is performed to introduce an oxygen-containing functional group and a sizing agent is applied. 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. 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.

本発明において用いられる電解液の濃度は、0.01〜5モル/リットルの範囲内であることが好ましく、より好ましくは0.1〜1モル/リットルの範囲内である。電解液の濃度が0.01モル/リットル以上であると、電解処理電圧が下げられ、運転コストに有利になる。一方、電解液の濃度が5モル/リットル以下であると、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 / liter, more preferably in the range of 0.1 to 1 mol / liter. When the concentration of the electrolytic solution is 0.01 mol / liter or more, the electrolytic treatment voltage is lowered, which is advantageous for the operating cost. On the other hand, when the concentration of the electrolytic solution is 5 mol / liter 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、運転コストに有利になる。一方、電解液の温度が100℃以下であると、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 for the operating cost. On the other hand, when the temperature of the electrolytic solution is 100 ° C. or lower, 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1m当たり1.5〜1000アンペア/m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/mの範囲内である。電流密度が1.5アンペア/m以上であると、電解処理の効率が向上し、運転コストに有利になる。一方、電流密度が1000アンペア/m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 for the 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.

また、本発明において、電解処理で採用する電解電気量の総量は、炭素繊維1g当たり3〜300クーロン/gであることが好ましい。電解電気量の総量が3クーロン/g未満では、炭素繊維表面に十分に官能基を付与できない場合があり、単繊維コンポジットのフラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が15.3GPaのときに繊維破断数が2.0個/mm未満となることがある。一方、電解電気量の総量が300クーロン/gを超えると炭素繊維単繊維表面の欠陥を拡大させ、炭素繊維の引張強度を低下させることがある。   In the present invention, the total amount of electrolytic electricity employed in the electrolytic treatment is preferably 3 to 300 coulomb / g per gram of carbon fiber. If the total amount of electrolytic electricity is less than 3 coulombs / g, functional groups may not be sufficiently imparted to the carbon fiber surface, and the number of fiber breaks when the single fiber apparent stress by the fragmentation method of the single fiber composite is 15.3 GPa. May be less than 2.0 pieces / mm. On the other hand, if the total amount of electrolytic electricity exceeds 300 coulombs / g, defects on the surface of the carbon fiber single fiber may be enlarged, and the tensile strength of the carbon fiber may be reduced.

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、ディップ法と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。   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 and 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.

本発明は、脂肪族エポキシ化合物(A)および芳香族エポキシ化合物(B)を少なくとも含むサイジング剤を塗布された炭素繊維束であるサイジング剤塗布炭素繊維束である。これらを併用することで、炭素繊維とマトリックス樹脂の界面接着性に優れる。そのため、かかるサイジング剤を用いることで、本発明の炭素繊維束は、単繊維コンポジットの引張フラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が15.3GPaのときに繊維破断数が2.0個/mm以上に制御することができる。   The present invention is a sizing agent-coated carbon fiber bundle which is a carbon fiber bundle coated with a sizing agent containing at least an aliphatic epoxy compound (A) and an aromatic epoxy compound (B). By using these in combination, the interfacial adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is excellent. Therefore, by using such a sizing agent, the carbon fiber bundle of the present invention has a fiber breakage number of 2.0 pieces / mm or more when the single fiber apparent stress is 15.3 GPa according to the tensile fragmentation method of the single fiber composite. Can be controlled.

本発明において、炭素繊維束に塗布されたサイジング剤のエポキシ当量は350〜550g/molであることが好ましい。かかる範囲に制御することで、サイジング剤を塗布した炭素繊維とマトリックス樹脂の接着性が向上するため好ましい。本発明におけるサイジング剤を塗布した炭素繊維束のエポキシ当量とは、炭素繊維束をN,N−ジメチルホルムアミドに代表される溶媒中に浸漬し、超音波洗浄を行うことで炭素繊維束からサイジング剤を溶出させたのち、塩酸でエポキシ基を開環させ、酸塩基滴定で求めることができる。エポキシ当量は360g/mol以上が好ましく、380g/mol以上がより好ましい。また、530g/mol以下が好ましく、500g/mol以下がより好ましい。なお、炭素繊維束に塗布されたサイジング剤のエポキシ当量は、塗布に用いるサイジング剤のエポキシ当量および塗布後の乾燥での熱履歴などにより、制御することができる。   In the present invention, the epoxy equivalent of the sizing agent applied to the carbon fiber bundle is preferably 350 to 550 g / mol. Controlling within this range is preferable because the adhesion between the carbon fiber coated with the sizing agent and the matrix resin is improved. The epoxy equivalent of the carbon fiber bundle to which the sizing agent is applied in the present invention is the sizing agent from the carbon fiber bundle by immersing the carbon fiber bundle in a solvent typified by N, N-dimethylformamide and performing ultrasonic cleaning. After elution, the epoxy group is opened with hydrochloric acid, and it can be determined by acid-base titration. Epoxy equivalent is preferably 360 g / mol or more, and more preferably 380 g / mol or more. Moreover, 530 g / mol or less is preferable and 500 g / mol or less is more preferable. In addition, the epoxy equivalent of the sizing agent applied to the carbon fiber bundle can be controlled by the epoxy equivalent of the sizing agent used for application and the heat history in drying after application.

本発明において、サイジング剤塗布繊維から溶出される脂肪族エポキシ化合物(A)が炭素繊維束100質量部に対して0.3質量部以下であることが好ましい。かかる溶出量を0.3質量部以下とすることで、炭素繊維束を長期保管した場合にも得られた炭素繊維強化複合材料の物性が良好になるため好ましい。0.1質量部以下がより好ましく、0.05質量部以下がさらに好ましい。本発明において、炭素繊維束から溶出される脂肪族エポキシ化合物(A)の溶出量は、以下の手順で求められる。炭素繊維束0.1gをアセトニトリルとクロロホルムを体積比9対1で混合した溶液10mlに浸漬し、超音波洗浄を20分間行うことで炭素繊維束からサイジング剤を溶出させた後、試料溶液を5ml採取し窒素中で溶媒を留去、さらに0.2mlになるまで上述のアセトニトリルとクロロホルムの混合溶液を加えて定容し、25倍の濃縮液を調製する。その溶液を水とアセトニトリルの混合液を移動相とした液体クロマトグラフィーを用いて脂肪族エポキシ化合物(A)のピークをそれ以外のピークと分離し、蒸発光散乱検出器(ELSD)にて検出する。そして、予め濃度の分かっている脂肪族エポキシ化合物(A)の溶液のピーク面積を用いて検量線を作成し、それを基準にして脂肪族エポキシ化合物(A)の濃度を定量化することにより、炭素繊維束100質量部に対する脂肪族エポキシ化合物(A)の溶出量を求める。   In this invention, it is preferable that the aliphatic epoxy compound (A) eluted from a sizing agent application | coating fiber is 0.3 mass part or less with respect to 100 mass parts of carbon fiber bundles. It is preferable that the elution amount be 0.3 parts by mass or less because the physical properties of the obtained carbon fiber reinforced composite material are improved even when the carbon fiber bundle is stored for a long time. 0.1 mass part or less is more preferable, and 0.05 mass part or less is still more preferable. In this invention, the elution amount of the aliphatic epoxy compound (A) eluted from a carbon fiber bundle is calculated | required in the following procedures. After immersing 0.1 g of the carbon fiber bundle in 10 ml of a solution in which acetonitrile and chloroform are mixed at a volume ratio of 9: 1, the sizing agent is eluted from the carbon fiber bundle by performing ultrasonic cleaning for 20 minutes, and then 5 ml of the sample solution. The sample is collected, the solvent is distilled off in nitrogen, and the above-mentioned mixed solution of acetonitrile and chloroform is added to a constant volume until the volume becomes 0.2 ml to prepare a 25-fold concentrated solution. The solution is separated from the other peaks of the aliphatic epoxy compound (A) by liquid chromatography using a mixture of water and acetonitrile as a mobile phase and detected by an evaporative light scattering detector (ELSD). . Then, by creating a calibration curve using the peak area of the solution of the aliphatic epoxy compound (A) whose concentration is known in advance, and quantifying the concentration of the aliphatic epoxy compound (A) based on that, The elution amount of the aliphatic epoxy compound (A) with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber bundle is determined.

本発明において、脂肪族エポキシ化合物(A)は塗布されたサイジング剤全量に対して35〜65質量%含まれることが好ましい。35質量%以上塗布されていることで、接着性が向上する。また、65質量%以下であることで、サイジング剤として脂肪族エポキシ以外の成分を用いることができる。芳香族エポキシ化合物(B)はサイジング剤全量に対して35〜60質量%含まれることが好ましい。芳香族エポキシ化合物(B)を35質量%以上含むことで、サイジング剤外層中の芳香族化合物の組成を高く維持することができるため、長期保管安定性に優れることが多い。60質量%以下であることで、接着性を高めることができることから好ましい。   In this invention, it is preferable that 35-65 mass% of aliphatic epoxy compounds (A) are contained with respect to the apply | coated sizing agent whole quantity. Adhesiveness improves by being applied 35 mass% or more. Moreover, components other than aliphatic epoxy can be used as a sizing agent by being 65 mass% or less. It is preferable that 35-60 mass% of aromatic epoxy compounds (B) are contained with respect to the sizing agent whole quantity. By containing 35% by mass or more of the aromatic epoxy compound (B), the composition of the aromatic compound in the outer layer of the sizing agent can be kept high, so that it is often excellent in long-term storage stability. It is preferable because the adhesiveness can be increased by being 60% by mass or less.

本発明におけるサイジング剤中のエポキシ成分として、脂肪族エポキシ化合物(A)と芳香族エポキシ化合物(B)が含まれる。脂肪族エポキシ化合物(A)と芳香族エポキシ化合物(B)の質量比(A)/(B)は52/48〜80/20であることが好ましい。(A)/(B)が52/48以上で、炭素繊維表面に存在する脂肪族エポキシ化合物(A)の比率が大きくなり、炭素繊維とマトリックス樹脂の接着性が向上する。その結果、得られた炭素繊維強化樹脂の引張強度などのコンポジット物性が高くなるため好ましい。また、80/20以下において、反応性の高い脂肪族エポキシ化合物が炭素繊維表面に存在する量が少なくなり、マトリックス樹脂との反応性が抑制できるため好ましい。(A)/(B)の質量比は55/45以上がより好ましく、60/40以上がさらに好ましい。また、75/35以下がより好ましく、73/37以下がさらに好ましい。   As an epoxy component in the sizing agent in the present invention, an aliphatic epoxy compound (A) and an aromatic epoxy compound (B) are included. The mass ratio (A) / (B) of the aliphatic epoxy compound (A) and the aromatic epoxy compound (B) is preferably 52/48 to 80/20. When (A) / (B) is 52/48 or more, the ratio of the aliphatic epoxy compound (A) present on the carbon fiber surface is increased, and the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is improved. As a result, the composite properties such as tensile strength of the obtained carbon fiber reinforced resin are preferably increased. Moreover, 80/20 or less is preferable because the amount of the highly reactive aliphatic epoxy compound present on the surface of the carbon fiber is reduced and the reactivity with the matrix resin can be suppressed. The mass ratio of (A) / (B) is more preferably 55/45 or more, and further preferably 60/40 or more. Moreover, 75/35 or less is more preferable, and 73/37 or less is further more preferable.

本発明において、サイジング剤の付着量は、炭素繊維束100質量部に対して、0.1〜3.0質量部の範囲であることが好ましく、より好ましくは0.2〜3.0質量部の範囲である。サイジング剤の付着量がかかる範囲であると、高い有孔板圧縮強度を発現させることができる。サイジング剤の付着量の測定方法は、サイジング剤が塗布された炭素繊維束を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変化量を加熱処理前の質量で除した値の質量%である。   In this invention, it is preferable that the adhesion amount of a sizing agent is the range of 0.1-3.0 mass parts with respect to 100 mass parts of carbon fiber bundles, More preferably, 0.2-3.0 mass parts Range. When the amount of the sizing agent is within such a range, high perforated plate compressive strength can be exhibited. The amount of sizing agent adhering is measured by collecting 2 ± 0.5 g of carbon fiber bundles coated with the sizing agent, and performing the heat treatment at 450 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere before and after the heat treatment. It is the mass% of the value which remove | divided the variation | change_quantity by the mass before heat processing.

本発明における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、サイジング剤塗布炭素繊維の接着性が向上することから好ましい。   The aliphatic epoxy compound (A) in the present invention is an epoxy compound containing no 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 adhesiveness of the sizing agent-coated carbon fiber is improved, which is preferable.

また本発明において、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。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、接着性がさらに向上するため好ましい。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 aliphatic epoxy compound (A) has 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. In the case of an epoxy compound having two or more epoxy groups in the molecule, even if one epoxy group forms a covalent bond with the oxygen-containing functional group on the surface of the carbon fiber, the remaining epoxy group is covalently bonded to the matrix resin. Alternatively, it is preferable because a hydrogen bond can be formed and 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、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。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 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. In the case of an epoxy compound having three or more epoxy groups or other functional groups in the molecule, even if one epoxy group forms a covalent bond with an oxygen-containing functional group on the carbon fiber surface, the remaining two or more The epoxy group or other functional group 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、脂肪族エポキシ化合物(A)のエポキシ当量は、360g/mol未満であることが好ましく、より好ましくは270g/mol未満であり、さらに好ましくは180g/mol未満である。エポキシ当量が360g/mol未満であると、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。エポキシ当量の下限は特にないが、90g/mol以上であれば接着性の観点から十分である。   In this invention, it is preferable that the epoxy equivalent of an aliphatic epoxy compound (A) is less than 360 g / mol, More preferably, it is less than 270 g / mol, More preferably, it is less than 180 g / mol. When the epoxy equivalent is less than 360 g / mol, an interaction with the carbon fiber is formed at a high density, and the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is further improved. There is no particular lower limit of the epoxy equivalent, but 90 g / mol or more is sufficient from the viewpoint of adhesiveness.

本発明において、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2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, specific examples of the aliphatic epoxy compound (A) include, for example, a glycidyl ether type epoxy compound derived from a polyol, a glycidyl amine type epoxy compound derived from an amine having a plurality of active hydrogens, and a polycarboxylic acid. Examples thereof include an induced glycidyl ester type epoxy compound 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、例えば、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、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も例示される。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 with epichlorohydrin. Further, as glycidyl ether type epoxy compounds, 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, pen Erythritol, sorbitol, and the arabitol, glycidyl ether type epoxy compound obtained by reaction of epichlorohydrin are also exemplified. 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2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。   Examples of the aliphatic epoxy compound (A) used in the present invention include epoxy compounds such as triglycidyl isocyanurate in addition to these epoxy compounds.

本発明において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個以上の官能基を有することが好ましい。エポキシ化合物の具体例として、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。   In the present invention, the aliphatic epoxy compound (A) is at least one selected from one or more epoxy groups and a hydroxyl group, amide group, imide group, urethane group, urea group, sulfonyl group, carboxyl group, ester group and sulfo group. It is preferable to have one or more functional groups. Specific examples of the epoxy compound 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, a compound having an epoxy group and a urethane group, and an epoxy group and a urea group. Compounds having an epoxy group and a sulfonyl group, and compounds having an epoxy group and a sulfo group.

エポキシ基に加えて水酸基を有する化合物としては、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。   Examples of the compound having a hydroxyl group in addition to an epoxy group 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化合物としては、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。   Examples of the compound having an amide group in addition to the epoxy group include an amide-modified epoxy compound. 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.

エポキシ基に加えてウレタン基を有する化合物としては、例えば、ウレタン変性エポキシ化合物が挙げられ、具体的には”アデカレジン(登録商標)”EPU−78−13S、EPU−6、EPU−11、EPU−15、EPU−16A、EPU−16N、EPU−17T−6、EPU−1348およびEPU−1395(株式会社ADEKA製)等が挙げられる。または、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、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ノルボルナンジイソシアネートなどが挙げられる。   Examples of the compound having a urethane group in addition to the epoxy group include a urethane-modified epoxy compound. Specifically, “ADEKA RESIN (registered trademark)” EPU-78-13S, EPU-6, EPU-11, EPU- 15, EPU-16A, EPU-16N, EPU-17T-6, EPU-1348, EPU-1395 (manufactured by ADEKA Corporation) and the like. Alternatively, by reacting the terminal hydroxyl group of the polyethylene oxide monoalkyl ether with a polyvalent isocyanate equivalent to the amount of the hydroxyl group, and then reacting the isocyanate residue of the obtained reaction product with the hydroxyl group in the polyvalent epoxy compound. Can be obtained. Here, examples of the polyvalent isocyanate used include hexamethylene diisocyanate, isophorone diisocyanate, and norbornane diisocyanate.

エポキシ基に加えてウレア基を有する化合物としては、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脂肪族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 compound having a urea group in addition to the epoxy group include a urea-modified epoxy compound. A urea-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 urea.

本発明で用いる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より好ましい。   The aliphatic epoxy compound (A) used in the present invention is ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, tetra from the viewpoint of high adhesiveness. Propylene glycol, polypropylene glycol, trimethylene glycol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 2,3-butanediol, polybutylene glycol, 1,5-pentanediol, neo Pentyl glycol, 1,6-hexanediol, glycerol, diglycerol, polyglycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol, and arabitol , Glycidyl ether type epoxy compound obtained by reaction of epichlorohydrin is more preferable.

上記の中でも本発明における脂肪族エポキシ化合物(A)は、高い接着性の観点から、分子内にエポキシ基を2以上有するポリエーテル型ポリエポキシ化合物および/またはポリオール型ポリエポキシ化合物が好ましい。   Among the above, the aliphatic epoxy compound (A) in the present invention is preferably a polyether type polyepoxy compound and / or a polyol type polyepoxy compound having two or more epoxy groups in the molecule from the viewpoint of high adhesiveness.

また、脂肪族エポキシ化合物(A)が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、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より好ましい。   In addition, the aliphatic epoxy compound (A) is 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, glycerol, diglycerol, polyglycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol, and arabitol, and epi More preferably glycidyl ether type epoxy compound obtained by reaction with Rorohidorin.

本発明において、脂肪族エポキシ化合物は、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 aliphatic epoxy compound is more preferably polyglycerol polyglycidyl ether.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(B)は、分子内に芳香環を1個以上有する。芳香環とは、炭素から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。サイジング剤塗布炭素繊維とマトリックス樹脂とからなる繊維強化複合材料において、炭素繊維近傍のいわゆる界面層は、炭素繊維あるいはサイジング剤の影響を受け、マトリックス樹脂とは異なる特性を有する場合がある。エポキシ化合物が芳香環を1個以上有すると、剛直な界面層が形成され、炭素繊維とマトリックス樹脂との間の応力伝達能力が向上し、有孔板圧縮強度等の力学特性が向上する。芳香環の数の上限は特にないが、10個あれば力学特性およびマトリックス樹脂との反応の抑制の観点から十分である。   In the present invention, the aromatic epoxy compound (B) has one or more aromatic rings in the molecule. The aromatic ring may be an aromatic ring hydrocarbon composed 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. In a fiber-reinforced composite material composed of sizing agent-coated carbon fibers and a matrix resin, a so-called interface layer in the vicinity of the carbon fibers may be affected by the carbon fibers or the sizing agent and have different characteristics from the matrix resin. When the epoxy compound has one or more aromatic rings, a rigid interface layer is formed, the stress transmission ability between the carbon fiber and the matrix resin is improved, and the mechanical properties such as the perforated plate compressive strength are improved. There is no particular upper limit on the number of aromatic rings, but 10 is sufficient from the viewpoint of suppressing the reaction with the mechanical properties and the matrix resin.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(B)は分子内に少なくとも1種が分子内に1個以上のエポキシ基と1個以上の芳香環を有する。エポキシ基以外の官能基は水酸基、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、エステル基またはスルホ基から選択されるものが好ましく、1分子内に2種以上含んでいても良い。芳香族エポキシ化合物(B)以外には、化合物の安定性、高次加工性を良好にすることから、芳香族エステル化合物、芳香族ウレタン化合物が好ましく用いられる。   In the present invention, the aromatic epoxy compound (B) has at least one kind in the molecule having one or more epoxy groups and one or more aromatic rings in the molecule. The functional group other than the epoxy group is preferably 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 or a sulfo group, and two or more types are included in one molecule. Also good. In addition to the aromatic epoxy compound (B), an aromatic ester compound and an aromatic urethane compound are preferably used in order to improve the stability and high-order processability of the compound.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(B)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。また、10個以下であることが好ましい。   In the present invention, the number of epoxy groups of the aromatic epoxy compound (B) is preferably 2 or more, and more preferably 3 or more. Moreover, it is preferable that it is 10 or less.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(B)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。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 aromatic epoxy compound (B) is preferably an epoxy compound having 3 or more functional groups of 2 or more, more preferably an epoxy compound having 4 or more of 2 or more 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. In the case of an epoxy compound having three or more epoxy groups or other functional groups in the molecule, even if one epoxy group forms a covalent bond with an oxygen-containing functional group on the carbon fiber surface, the remaining two or more The epoxy group or other functional group 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、芳香族エポキシ化合物(B)のエポキシ当量は、360g/mol未満であることが好ましく、より好ましくは270g/mol未満であり、さらに好ましくは180g/mol未満である。エポキシ当量が360g/mol未満であると、高密度で共有結合が形成され、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。エポキシ当量の下限は特にないが、90g/mol以上であれば接着性の観点から十分である。   In this invention, it is preferable that the epoxy equivalent of an aromatic epoxy compound (B) is less than 360 g / mol, More preferably, it is less than 270 g / mol, More preferably, it is less than 180 g / mol. When the epoxy equivalent is less than 360 g / mol, covalent bonds are formed at a high density, and the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is further improved. There is no particular lower limit of the epoxy equivalent, but 90 g / mol or more is sufficient from the viewpoint of adhesiveness.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(B)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2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, specific examples of the aromatic epoxy compound (B) include, for example, a glycidyl ether type epoxy compound derived from a polyol, a glycidyl amine type epoxy compound derived from an amine having multiple active hydrogens, and a polycarboxylic acid. Examples thereof include an induced glycidyl ester type epoxy compound 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、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)エタンが挙げられる。また、グリシジルエーテル型エポキシとして化合物、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. Examples of the glycidyl ether type epoxy include a compound and a glycidyl ether type epoxy compound having a biphenyl aralkyl 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、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.

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(B)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 the aromatic epoxy compound (B) used in the present invention, besides these epoxy compounds, epoxy compounds synthesized from the above-mentioned epoxy compounds, for example, oxazolidone from bisphenol A diglycidyl ether and tolylene diisocyanate An epoxy compound synthesized by a ring formation reaction is exemplified.

本発明において、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個以上の官能基を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, in addition to one or more epoxy groups, at least one functional group 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. 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 compound having an amide group in addition to the epoxy group include glycidyl benzamide and an amide-modified epoxy compound. 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 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 a compound having a urethane group in addition to an epoxy group, the terminal hydroxyl group of 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 product obtained It can be obtained by reacting an isocyanate residue with a hydroxyl group in a 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 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 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 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(B)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、またはテトラグリシジルジアミノジフェニルメタンのいずれかであることが好ましい。これらのエポキシ化合物は、エポキシ基数が多く、エポキシ当量が小さく、かつ、2個以上の芳香環を有しており、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性を向上させることに加え、繊維強化複合材料の0°引張強度等の力学特性を向上させる。より好ましくは、フェノールノボラック型エポキシ化合物およびクレゾールノボラック型エポキシ化合物である。   In the present invention, the aromatic epoxy compound (B) is preferably either a phenol novolac epoxy compound, a cresol novolac epoxy compound, or tetraglycidyl diaminodiphenylmethane. These epoxy compounds have a large number of epoxy groups, a small epoxy equivalent, and have two or more aromatic rings. In addition to improving the adhesion between carbon fiber and matrix resin, fiber reinforced composite materials Improve mechanical properties such as 0 ° tensile strength. More preferred are phenol novolac epoxy compounds and cresol novolac epoxy compounds.

本発明において、芳香族エポキシ化合物(B)が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プリプレグを長期保管した場合の安定性、接着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, when the prepreg is stored for a long time, the aromatic epoxy compound (B) is a phenol novolak type epoxy compound, a cresol novolak type epoxy compound, a tetraglycidyl diaminodiphenylmethane, a bisphenol A type epoxy compound or a bisphenol F type epoxy compound. From the viewpoint of stability and adhesiveness, it is preferably a bisphenol A type epoxy compound or a bisphenol F type epoxy compound.

さらに、本発明で用いられるサイジング剤には、脂肪族エポキシ化合物(A)と芳香族エポキシ化合物(B)以外の成分を1種類以上含んでも良い。炭素繊維とサイジング剤との接着性を高める促進剤、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ことで取扱い性、耐擦過性および耐毛羽性を高め、マトリックス樹脂の含浸性を向上させることが目的として挙げられるが、本発明における、プリプレグでの長期安定性を向上させる目的で(A)および(B)以外の化合物を含有することができる。また、サイジング剤の安定性を目的として、分散剤および界面活性剤等の補助成分を添加しても良い。   Furthermore, the sizing agent used in the present invention may contain one or more components other than the aliphatic epoxy compound (A) and the aromatic epoxy compound (B). Accelerator that enhances adhesion between carbon fiber and sizing agent. Convergence or flexibility is imparted to carbon fiber coated with sizing agent to improve handling, scratch resistance and fluff resistance, and improve matrix resin impregnation. In order to improve the long-term stability of the prepreg in the present invention, compounds other than (A) and (B) can be contained. For the purpose of stabilizing the sizing agent, auxiliary components such as a dispersant and a surfactant may be added.

本発明において、炭素繊維としては、X線光電子分光法により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、0.05〜0.50の範囲内であるものが好ましく、より好ましくは0.06〜0.30の範囲内のものであり、さらに好ましくは0.07〜0.25の範囲内ものである。表面酸素濃度(O/C)が0.05以上であることにより、炭素繊維表面の酸素含有官能基を確保し、マトリックス樹脂との強固な接着を得ることができる。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単繊維強度の低下を抑えることができる。   In the present invention, the carbon fiber has a surface oxygen concentration (O / C), which is a ratio of the number of atoms of oxygen (O) and carbon (C) on the fiber surface measured by X-ray photoelectron spectroscopy. The thing within the range of 05-0.50 is preferable, More preferably, it is a thing within the range of 0.06-0.30, More preferably, it is a thing within the range of 0.07-0.25. When the surface oxygen concentration (O / C) is 0.05 or more, an oxygen-containing functional group on the surface of the carbon fiber can be secured and strong adhesion with the matrix resin can be obtained. Moreover, when the surface oxygen concentration (O / C) is 0.50 or less, it is possible to suppress a decrease in the single fiber strength of the carbon fiber itself due to oxidation.

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。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 into 20 mm, spread and arranged on a copper sample support base, and then AlKα 1 and 2 were used as X-ray sources. The inside of the chamber was measured at 1 × 10 −8 Torr. 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.

本発明の炭素繊維束は、上記好適な製造方法のポイントに注意して、当業者らの慣用の手段に従って、引張フラグメンテーションの破断挙動が本発明の範囲に合うように試行錯誤することで得ることができ、その結果として、優れた単繊維圧縮強度を発現する炭素繊維束が高いコンポジット圧縮強度を発現させることができる。   The carbon fiber bundle of the present invention can be obtained by trial and error by paying attention to the points of the above preferred production method and according to the conventional means of those skilled in the art so that the fracture behavior of tensile fragmentation matches the scope of the present invention. As a result, the carbon fiber bundle that exhibits excellent single fiber compressive strength can exhibit high composite compressive strength.

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。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not restrict | limited by these Examples.

<炭素繊維束のストランド引張強度と初期引張弾性率、剪断弾性率>
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)/3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。炭素繊維束の樹脂含浸ストランド10本を測定し、その平均値をストランド引張強度とした。歪みは伸び計を用いて評価した。得られた応力s −歪みe 曲線を応力0〜3GPaの範囲で式(3)にフィッティングするように係数を求め、そして、配向関数<cos2j>を用いて剪断弾性率gと初期引張弾性率E0を算出する。
<Strand tensile strength, initial tensile elastic modulus and shear elastic modulus of carbon fiber bundle>
The strand tensile strength and strand elastic modulus of the carbon fiber bundle 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) / 3 boron trifluoride monoethylamine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) / Acetone = 100/3/4 (part by mass) is used. As curing conditions, normal pressure, temperature of 125 ° C., and time of 30 minutes were used. Ten resin-impregnated strands of carbon fiber bundles were measured, and the average value was defined as the strand tensile strength. The strain was evaluated using an extensometer. The coefficient is obtained by fitting the obtained stress s-strain e curve to the equation (3) in the range of stress 0 to 3 GPa, and the shear modulus g and initial tensile elasticity are obtained using the orientation function <cos 2 j>. The rate E 0 is calculated.

Figure 2015010290
Figure 2015010290

配向関数の測定は以下に述べる。 The measurement of the orientation function is described below.

<炭素繊維束の結晶子サイズ、配向関数>
測定に供する炭素繊維束を引き揃え、コロジオン・アルコール溶液を用いて固めることにより、長さ4cm、1辺の長さが1mmの四角柱の測定試料を用意する。用意された測定試料について、広角X線回折装置を用いて、次の条件により測定を行った。
<Crystal size of carbon fiber bundle, orientation function>
By aligning the carbon fiber bundles used for measurement and solidifying them with a collodion / alcohol solution, a square column measurement sample having a length of 4 cm and a side length of 1 mm is prepared. About the prepared measurement sample, it measured on the following conditions using the wide angle X-ray-diffraction apparatus.

・X線源:CuKα線(管電圧40kV、管電流30mA)
・検出器:ゴニオメーター+モノクロメーター+シンチレーションカウンター
・走査範囲:2θ=10〜40°
・走査モード:ステップスキャン、ステップ単位0.02°、計数時間2秒。
-X-ray source: CuKα ray (tube voltage 40 kV, tube current 30 mA)
-Detector: Goniometer + Monochromator + Scintillation counter-Scanning range: 2θ = 10-40 °
Scan mode: Step scan, step unit 0.02 °, counting time 2 seconds.

得られた回折パターンにおいて、2θ=25〜26°付近に現れるピークについて、半値幅を求め、この値から、次のシェラー(Scherrer)の式により結晶子サイズを算出した。   In the obtained diffraction pattern, the full width at half maximum was obtained for the peak appearing in the vicinity of 2θ = 25 to 26 °, and the crystallite size was calculated from this value by the following Scherrer equation.

結晶子サイズ(nm)=Kλ/βcosθ
但し、
K:1.0、λ:0.15418nm(X線の波長)
β:(β −β 1/2
β:見かけの半値幅(測定値)rad、β:1.046×10−2rad
θ:Braggの回析角。
Crystallite size (nm) = Kλ / β 0 cos θ B
However,
K: 1.0, λ: 0.15418 nm (X-ray wavelength)
β 0 : (β E 21 2 ) 1/2
β E : Apparent half width (measured value) rad, β 1 : 1.046 × 10 −2 rad
θ B : Bragg diffraction angle.

配向関数<cos2j>の測定については以下のとおり行った。上述した2θ=25〜26°付近に現れるピークを円周方向にスキャンして得られる回折強度分布をガウス分布でフィッティングし、フィッティング後の回折強度分布r(j)から次式を用いて計算して求めた。 The orientation function <cos 2 j> was measured as follows. The diffraction intensity distribution obtained by scanning the peak appearing in the vicinity of 2θ = 25 to 26 ° in the circumferential direction is fitted with a Gaussian distribution, and calculated from the diffraction intensity distribution r (j) after the fitting using the following equation. Asked.

Figure 2015010290
Figure 2015010290

なお、上記広角X線回折装置として、島津製作所製XRD-6100を用いた。 In addition, Shimadzu Corporation XRD-6100 was used as said wide angle X-ray diffraction apparatus.

<炭素繊維の単繊維圧縮強度>
単繊維コンポジットの圧縮フラグメンテーション法による単繊維圧縮強度の測定は、次の(イ)〜(ホ)の手順で行った。
<Single fiber compressive strength of carbon fiber>
The measurement of the single fiber compressive strength by the compression fragmentation method of the single fiber composite was performed by the following procedures (a) to (e).

(イ)樹脂の調整
ビスフェノールA型エポキシ樹脂化合物“エポトート(登録商標)”YD−128(新日鐵化学(株)製)190質量部とジエチレントリアミン(和光純薬工業(株)製)20.7質量部を容器に入れてスパチュラでかき混ぜ、自動真空脱泡装置を用いて脱泡した。
(A) Preparation of resin 190 parts by mass of bisphenol A type epoxy resin compound “Epototo (registered trademark)” YD-128 (manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.) and diethylenetriamine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 20.7 The mass part was put in a container, stirred with a spatula, and deaerated using an automatic vacuum deaerator.

(ロ)炭素繊維単繊維のサンプリングとモールドへの固定
20cm程度の長さの炭素繊維束をほぼ4等分し、4つの束から順番に単繊維をサンプリングした。このとき、束全体からできるだけまんべんなくサンプリングした。次に、穴あき台紙の両端に両面テープを貼り、サンプリングした単繊維に一定張力を与えた状態で穴あき台紙に単繊維を固定した。次に、ポリエステルフィルム“ルミラー(登録商標)”(東レ(株)製)を貼り付けたガラス板を用意して、試験片の厚さを調整するための2mm厚のスペーサーをフィルム上に固定した。そのスペーサー上に単繊維を固定した穴あき台紙を置き、さらにその上に、同様にフィルムを貼り付けたガラス板をフィルムが貼り付いた面を下向きにセットした。このときに繊維の埋め込み深さを制御するために、厚み70μm程度のテープをフィルムの両端に貼り付けた。
(B) Sampling of carbon fiber single fiber and fixing to mold A carbon fiber bundle having a length of about 20 cm was divided into approximately four equal parts, and single fibers were sampled in order from the four bundles. At this time, the entire bundle was sampled as evenly as possible. Next, double-sided tape was applied to both ends of the perforated mount, and the single fibers were fixed to the perforated mount in a state where a constant tension was applied to the sampled single fibers. Next, a glass plate on which a polyester film “Lumirror (registered trademark)” (manufactured by Toray Industries, Inc.) was attached was prepared, and a 2 mm-thick spacer for adjusting the thickness of the test piece was fixed on the film. . A perforated mount with single fibers fixed thereon was placed on the spacer, and a glass plate on which a film was similarly attached was further set on the spacer with the surface on which the film was attached facing downward. At this time, in order to control the fiber embedding depth, a tape having a thickness of about 70 μm was attached to both ends of the film.

(ハ)樹脂の注型から硬化まで
上記(ロ)の手順のモールド内(スペーサーとフィルムに囲まれた空間)に上記(イ)の手順で調整した樹脂を流し込んだ。樹脂を流し込んだモールドを、あらかじめ50℃に昇温させたオーブンを用いて5時間加熱後、降温速度2.5℃/分で30℃の温度まで降温した。その後、脱型、カットをして2cm×7.5cm×0.2cmの試験片を得た。このとき、試験片幅の中央0.5cm幅内に単繊維が位置するように試験片をカットした。
(C) From resin casting to curing The resin prepared in the procedure (a) was poured into the mold (the space surrounded by the spacer and the film) in the procedure (b). The mold into which the resin was poured was heated for 5 hours using an oven preliminarily heated to 50 ° C., and then cooled to a temperature of 30 ° C. at a temperature lowering rate of 2.5 ° C./min. Thereafter, the mold was removed and cut to obtain a test piece of 2 cm × 7.5 cm × 0.2 cm. At this time, the test piece was cut so that the single fiber was located within the center 0.5 cm width of the test piece width.

(ニ)繊維埋め込み深さ測定
上記(ハ)の手順で得られた試験片に対して、レーザーラマン分光光度計(日本分光 NRS−3200)のレーザーと532nmノッチフィルターを用いて繊維の埋め込み深さ測定を行った。まず、単繊維表面にレーザーを当て、レーザーのビーム径が最も小さくなるようにステージ高さを調整し、そのときの高さをA(μm)とする。次に試験片表面にレーザーを当て、レーザーのビーム径が最も小さくなるようにステージ高さを調整し、そのときの高さをB(μm)とする。繊維の埋め込み深さd(μm)は上記レーザーを使用して測定した樹脂の屈折率1.732を用いて、以下の式で計算した。
(D) Fiber Embedding Depth Measurement Fiber embedding depth for the test piece obtained in the procedure (c) above using a laser Raman spectrophotometer (JASCO NRS-3200) laser and a 532 nm notch filter. Measurements were made. First, a laser is applied to the surface of the single fiber, the stage height is adjusted so that the beam diameter of the laser becomes the smallest, and the height at that time is defined as A (μm). Next, a laser is applied to the surface of the test piece, the stage height is adjusted so that the beam diameter of the laser becomes the smallest, and the height at that time is defined as B (μm). The fiber embedding depth d (μm) was calculated by the following formula using the refractive index of the resin 1.732 measured using the above laser.

Figure 2015010290
Figure 2015010290

(ホ)4点曲げ試験
上記(ハ)の手順で得られた試験片に対して、外側圧子50mm間隔、内側圧子20mm間隔の治具を用いて4点曲げで圧縮歪みを負荷した。ステップワイズに0.1%毎に歪みを与え、偏光顕微鏡により試験片を観察し、試験片長手方向の中心部5mmの破断数を測定した。測定した破断数の2倍値を繊維破断数(個/10mm)とし、試験数30の平均繊維破断数が1個/10mmを超えた圧縮歪みから計算した圧縮応力を単繊維圧縮強度とした。また、試験片の中心から幅方向に約5mm離れた位置に貼り付けた歪みゲージを用いて単繊維コンポジット歪みε(%)を測定した。最終的な炭素繊維単繊維の圧縮歪みεcは、歪みゲージのゲージファクターκ、上記(ニ)の手順で測定した繊維埋め込み深さd(μm)、残留歪み0.14(%)を考慮して以下の式で計算した。
(E) Four-point bending test A compressive strain was applied to the test piece obtained in the above procedure (c) by four-point bending using a jig having an outer indenter interval of 50 mm and an inner indenter interval of 20 mm. The stepwise strain was applied every 0.1%, the specimen was observed with a polarizing microscope, and the number of breaks at the central part 5 mm in the longitudinal direction of the specimen was measured. The double value of the measured number of breaks was taken as the number of fiber breaks (pieces / 10 mm), and the compression stress calculated from the compressive strain with an average number of fiber breaks of 30 tests exceeding 1/10 mm was taken as the single fiber compressive strength. Further, the single fiber composite strain ε (%) was measured using a strain gauge attached at a position about 5 mm away from the center of the test piece in the width direction. The final compressive strain ε c of the carbon fiber monofilament takes into account the gauge factor κ of the strain gauge, the fiber embedding depth d (μm) measured by the above procedure (d), and the residual strain 0.14 (%). The following formula was used.

Figure 2015010290
Figure 2015010290

<ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束の結晶配向度>
ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束の結晶配向度は、次のように測定した。繊維束を40mm長に切断して、20mgを精秤して採取し、試料繊維軸が正確に平行になるようにそろえた後、試料調整用治具を用いて幅1mmの厚さが均一な試料繊維束に整えた。薄いコロジオン液を含浸させて形態が崩れないように固定した後、広角X線回折測定試料台に固定した。X線源として、Niフィルターで単色化されたCuのKα線を用い、2θ=17°付近に観察される回折の最高強度を含む子午線方向のプロフィールの広がりの半価幅(H゜)から、次式を用いて結晶配向度(%)を求めた。
結晶配向度(%)=[(180−H)/180]×100
なお、上記広角X線回折装置として、島津製作所製XRD-6100を用いた。
<Crystal orientation of polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle>
The crystal orientation degree of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle was measured as follows. The fiber bundle is cut to a length of 40 mm, and 20 mg is precisely weighed and sampled so that the sample fiber axes are exactly parallel, and then a thickness of 1 mm is uniform using a sample adjusting jig. Sample fiber bundles were arranged. After impregnating with a thin collodion solution and fixing it so as not to lose its shape, it was fixed to a sample table for wide-angle X-ray diffraction measurement. From the half width (H °) of the spread of the profile in the meridian direction including the highest intensity of diffraction observed near 2θ = 17 °, using Cu Kα ray monochromated with a Ni filter as the X-ray source. The degree of crystal orientation (%) was determined using the following formula.
Crystal orientation degree (%) = [(180−H) / 180] × 100
In addition, Shimadzu Corporation XRD-6100 was used as said wide angle X-ray diffraction apparatus.

<赤外スペクトルの強度比>
測定に供する耐炎化繊維は、凍結粉砕後に2mgを精秤して採取し、それをKBr300mgと良く混合して、成型用治具に入れてプレス機を用いて40MPaで2分間加圧することで測定用錠剤を作製した。この錠剤をフーリエ変換赤外分光光度計にセットし、1000〜2000cm−1の範囲でスペクトルを測定した。なお、バックグラウンド補正は、1700〜2000cm−1の範囲における最小値が0になるようにその最小値を各強度から差し引くことで行った。なお、上記フーリエ変換赤外分光光度計として、パーキンエルマー製Paragon1000を用いた。
<Infrared spectrum intensity ratio>
Flame-resistant fiber used for measurement is measured by precisely weighing 2 mg after freeze-grinding, mixing it well with KBr 300 mg, placing it in a molding jig, and pressurizing at 40 MPa for 2 minutes using a press. A tablet was prepared. This tablet was set in a Fourier transform infrared spectrophotometer, and the spectrum was measured in the range of 1000 to 2000 cm −1 . The background correction was performed by subtracting the minimum value from each intensity so that the minimum value in the range of 1700 to 2000 cm −1 would be zero. As the Fourier transform infrared spectrophotometer, Paragon 1000 manufactured by PerkinElmer was used.

<有孔板圧縮強度>
ASTM D6484(Open-hole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite Laminates)に準拠して行った。
<Perforated plate compressive strength>
This was performed according to ASTM D6484 (Open-hole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite Laminates).

a.テストコンディション
・室温条件(RTD): 69°F(20.6℃) ±5°F
b.積層構成
16ply(45/90/−45/0)2s
c.成形コンディション
・プリプレグを所定の大きさにカットし、上述bの構成となるように積層した後、真空バッグを行い、オートクレーブを用いて昇温速度1.5℃/minで180℃まで昇温して圧力6気圧で2時間かけて硬化させ擬似等方積層材料(炭素繊維強化複合材料)を得た。
Test condition and room temperature (RTD): 69 ° F (20.6 ° C) ± 5 ° F
b. Laminated structure 16ply (45/90 / -45 / 0) 2s
c. After cutting the molding condition prepreg to a predetermined size and laminating it so as to have the configuration of b described above, a vacuum bag is formed, and the temperature is raised to 180 ° C. at a heating rate of 1.5 ° C./min using an autoclave. Then, it was cured at a pressure of 6 atm for 2 hours to obtain a pseudo isotropic laminated material (carbon fiber reinforced composite material).

d.プリプレグの作製
混練装置で、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン“スミエポキシ(登録商標)”ELM434(住友化学(株)製)を35質量部とビスフェノールAのジグリシジルエーテル“jER(登録商標)”828(三菱化学(株)製)を35質量部とN−ジグリシジルアニリン“GAN(登録商標)”(日本化薬(株)製)を30質量部に、14質量部の“スミカエクセル(登録商標)”5003Pを配合して溶解した後、4,4’−ジアミノジフェニルスルホンを40質量部混練して、炭素繊維強化複合材料用のエポキシ樹脂組成物を作製した。
d. Preparation of prepreg 35 parts by mass of tetraglycidyldiaminodiphenylmethane “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) and bisphenol A diglycidyl ether “jER (registered trademark)” 828 (Mitsubishi) 35 parts by mass of Chemical Co., Ltd.) and 30 parts by mass of N-diglycidylaniline “GAN (registered trademark)” (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.) and 14 parts by mass of “Sumika Excel (registered trademark)” After mixing and dissolving 5003P, 40 parts by mass of 4,4′-diaminodiphenylsulfone was kneaded to prepare an epoxy resin composition for a carbon fiber reinforced composite material.

得られたエポキシ樹脂組成物を、ナイフコーターを用いて樹脂目付52g/mで離型紙上にコーティングし、樹脂フィルムを作製した。この樹脂フィルムを、一方向に引き揃えたサイジング剤塗布炭素繊維(目付190g/m)の両側に重ね合せてヒートロールを用い、温度100℃、気圧1気圧で加熱加圧しながらエポキシ樹脂組成物を炭素繊維束に含浸させプリプレグを得た。 The obtained epoxy resin composition was coated on a release paper with a resin basis weight of 52 g / m 2 using a knife coater to prepare a resin film. This resin film is superposed on both sides of a sizing agent-coated carbon fiber (weight per unit area 190 g / m 2 ) aligned in one direction, and a heat roll is used to heat and press at 100 ° C. and 1 atm. Was impregnated into a carbon fiber bundle to obtain a prepreg.

(参考例1〜15)
アクリロニトリル99.0質量%とイタコン酸1.0質量%からなる共重合体を、ジメチルスルホキシドを溶媒とし、2,2’−アゾビスイソブチロニトリルを開始剤として溶液重合法により重合させ、極限粘度2.0のポリアクリロニトリル系共重合体を製造した。製造されたポリアクリロニトリル系重合体に、アンモニアガスをpH8.5になるまで吹き込み、重合体濃度が20質量%になるように調製して、紡糸溶液を得た。得られた紡糸溶液を、40℃で、直径0.15mm、孔数6,000の紡糸口金を用い、一旦空気中に吐出し、約4mmの空間を通過させた後、3℃にコントロールした35%ジメチルスルホキシドの水溶液からなる凝固浴に導入する乾湿式紡糸法により凝固糸条とした。この凝固糸条を、常法により水洗した後、2槽の温水浴中で、3.5倍の延伸を行った。続いて、この水浴延伸後の繊維束に対して、アミノ変性シリコーン系シリコーン油剤を付与し、160℃の加熱ローラーを用いて、乾燥緻密化処理を行い、2糸条を合糸し、単繊維本数12000本としてから、加圧スチーム中で3.7倍延伸することにより、製糸全延伸倍率を13倍とし、その後交絡処理を行って、結晶配向度93%、単繊維本数12000本のポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を得た。ここで、交絡処理とは、繊維束長手方向と流体の吹き付け方向の成す角が90°で、かつ繊維束を取り囲むように8個の噴出孔を配置し、各々の噴出孔が2孔で1組となるよう対向する位置に配置した流体吹きつけノズルを用い、繊維束の張力が3mN/dtexの状態に調節し、かつ、流体の吐出圧力を0.35MPaに設定して行った。ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束の単繊維繊度が表1に示す0.4〜1.3dtexとなるように、紡糸溶液の口金からの吐出量を調整した。次に、表1に示す耐炎化温度・耐炎化時間の条件を用いて、空気雰囲気のオーブン中でポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を延伸比1で延伸しながらで耐炎化処理し、表1に示す比重の耐炎化繊維束を得た。
(Reference Examples 1-15)
A copolymer composed of 99.0% by mass of acrylonitrile and 1.0% by mass of itaconic acid was polymerized by a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide as a solvent and 2,2′-azobisisobutyronitrile as an initiator, A polyacrylonitrile copolymer having a viscosity of 2.0 was produced. Ammonia gas was blown into the manufactured polyacrylonitrile-based polymer until the pH reached 8.5, and the polymer concentration was adjusted to 20% by mass to obtain a spinning solution. The obtained spinning solution was discharged into the air once at 40 ° C. using a spinneret having a diameter of 0.15 mm and a hole number of 6,000, passed through a space of about 4 mm, and then controlled at 3 ° C. 35 A coagulated yarn was obtained by a dry and wet spinning method introduced into a coagulation bath comprising an aqueous solution of% dimethyl sulfoxide. The coagulated yarn was washed with water by a conventional method, and then stretched 3.5 times in two warm water baths. Subsequently, an amino-modified silicone-based silicone oil agent is applied to the fiber bundle after stretching in the water bath, a drying densification treatment is performed using a heating roller at 160 ° C., two yarns are combined, and a single fiber After the number of yarns is 12,000, the yarn is stretched by 3.7 times in pressurized steam to increase the total draw ratio of yarn production to 13 times, and then entangled to obtain polyacrylonitrile having a crystal orientation of 93% and a single fiber number of 12,000. A system precursor fiber bundle was obtained. Here, the entanglement treatment means that the angle formed by the fiber bundle longitudinal direction and the fluid blowing direction is 90 °, and eight ejection holes are arranged so as to surround the fiber bundle, and each ejection hole is composed of two holes. Using fluid spray nozzles arranged at opposing positions so as to form a set, the tension of the fiber bundle was adjusted to 3 mN / dtex, and the fluid discharge pressure was set to 0.35 MPa. The discharge amount of the spinning solution from the die was adjusted so that the single fiber fineness of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle was 0.4 to 1.3 dtex shown in Table 1. Next, using the conditions of flameproofing temperature and flameproofing time shown in Table 1, the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle was flameproofed while being stretched at a stretch ratio of 1 in an oven in an air atmosphere. A flameproof fiber bundle having the specific gravity shown was obtained.

Figure 2015010290
Figure 2015010290

(参考例16)
交絡処理に用いた流体の吐出圧力を0.05MPaと設定した以外は参考例7と同様にして耐炎化繊維束を得た。
(Reference Example 16)
A flame-resistant fiber bundle was obtained in the same manner as in Reference Example 7 except that the discharge pressure of the fluid used for the entanglement treatment was set to 0.05 MPa.

(参考例17)
交絡処理を行わない以外は参考例7と同様にして耐炎化繊維束を得た。
(Reference Example 17)
A flame-resistant fiber bundle was obtained in the same manner as in Reference Example 7 except that the entanglement treatment was not performed.

(実施例1〜5、比較例1〜9)
参考例で得られた耐炎化繊維束を、温度300〜800℃の窒素雰囲気中において、延伸比1.15で延伸しながら予備炭素化処理を行い、予備炭素化繊維束を得た。得られた予備炭素化繊維束を、窒素雰囲気中において、表2の最高温度、張力で炭素化処理を行った。得た炭素繊維束に、表2のとおり、以下の表面処理AまたはB、さらにサイジング剤塗布処理A〜Cのいずれかを行った。
(Examples 1-5, Comparative Examples 1-9)
The pre-carbonized fiber bundle was obtained by subjecting the flame-resistant fiber bundle obtained in the Reference Example to a pre-carbonization treatment while stretching at a stretch ratio of 1.15 in a nitrogen atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. The obtained pre-carbonized fiber bundle was carbonized at the maximum temperature and tension shown in Table 2 in a nitrogen atmosphere. As shown in Table 2, the obtained carbon fiber bundle was subjected to any one of the following surface treatments A or B and further sizing agent coating treatments A to C.

Figure 2015010290
Figure 2015010290

表面処理A: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、電気量を炭素繊維束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束を続いて水洗し、150℃の温度の加熱空気中で乾燥した。   Surface treatment A: An electrolytic surface treatment was performed using an aqueous ammonium hydrogen carbonate solution having a concentration of 0.1 mol / l as an electrolytic solution at an electric quantity of 80 coulomb per 1 g of carbon fiber bundle. The carbon fiber bundle subjected to the electrolytic surface treatment was subsequently washed with water and dried in heated air at a temperature of 150 ° C.

表面処理B:得た炭素繊維束を表面処理しなかったとき、便宜上、表面処理Bと呼ぶ。   Surface treatment B: When the obtained carbon fiber bundle is not surface-treated, it is called surface treatment B for convenience.

サイジング剤塗布処理A:ビスフェノールAのジグリシジルエーテルである“jER(登録商標)”825(ジャパンエポキシレジン(株)製)とポリグリセリンポリグリシジルエーテルである“デナコール(登録商標)”EX−521(ナガセケムテックス(株)製)を質量比で20:50に混合したものをアセトンに混合し、均一に溶解した約1質量%のアセトン溶液を得、このアセトン溶液を用いて浸漬法により、表面処理された炭素繊維束に塗布した後、210℃の温度で180秒間熱処理をして炭素繊維束を得た。サイジング剤の付着量は、表面処理された炭素繊維束100質量部に対して0.5質量部となるように調整した。   Sizing agent coating treatment A: “jER (registered trademark)” 825 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), a diglycidyl ether of bisphenol A, and “Denacol (registered trademark)” EX-521 (polyglycerin polyglycidyl ether) Nagase ChemteX Co., Ltd.) mixed at a mass ratio of 20:50 was mixed with acetone to obtain an approximately 1% by mass acetone solution which was uniformly dissolved, and the surface was obtained by dipping using this acetone solution. After apply | coating to the processed carbon fiber bundle, it heat-processed for 180 second at the temperature of 210 degreeC, and obtained the carbon fiber bundle. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted to 0.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the surface-treated carbon fiber bundle.

サイジング剤塗布処理B:サイジング剤を塗布しなかったものを、便宜上、サイジング剤塗布処理Bと呼ぶ。   Sizing agent coating process B: A process in which no sizing agent is applied is referred to as a sizing agent coating process B for convenience.

サイジング剤塗布処理C:“デナコール(登録商標)”EX−521(ナガセケムテックス(株)製)を用いない以外はサイジング剤塗布処理Aと同様に行った。   Sizing agent coating treatment C: The same as sizing agent coating treatment A except that “Denacol (registered trademark)” EX-521 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation) was not used.

得られた炭素繊維束は各種評価を行った。その結果を表2に示す。   The obtained carbon fiber bundle was subjected to various evaluations. The results are shown in Table 2.

本発明の優れた単繊維圧縮強度を有する炭素繊維束を用いると、それを用いて得られた炭素繊維強化複合材料の引張弾性率や圧縮強度・有孔板圧縮強度という物性がバランス良く高い。そのため、航空機の軽量化に大きく貢献し、航空機の燃料消費率を改善することができる。   When a carbon fiber bundle having excellent single fiber compressive strength according to the present invention is used, the properties such as tensile elastic modulus, compressive strength, and perforated plate compressive strength of the carbon fiber reinforced composite material obtained by using the carbon fiber bundle are high in a balanced manner. Therefore, it can greatly contribute to the weight reduction of the aircraft and improve the fuel consumption rate of the aircraft.

Claims (8)

単繊維コンポジットの圧縮フラグメンテーション法による、単繊維圧縮強度が4.8GPa以上であり、かつ、単繊維コンポジットの引張フラグメンテーション法による、単繊維見掛け応力が15.3GPaのときに繊維破断数が2.0個/mm以上である炭素繊維束。 When the single fiber compressive strength is 4.8 GPa or more according to the compression fragmentation method of the single fiber composite and the single fiber apparent stress is 15.3 GPa according to the tensile fragmentation method of the single fiber composite, the number of fiber breaks is 2.0. Carbon fiber bundle that is at least pieces / mm. 単繊維コンポジットの圧縮フラグメンテーション法による、圧縮応力負荷時における単繊維破断数が0.1個/10mmを超える単繊維圧縮応力(GPa)が単繊維圧縮強度の90%以上である請求項1に記載の炭素繊維束。 The single fiber compressive stress (GPa) in which the number of single fiber breaks when a compressive stress is applied exceeds 0.1 / 10 mm according to the compression fragmentation method of the single fiber composite is 90% or more of the single fiber compressive strength. Carbon fiber bundles. 平均引き裂き可能距離が550〜850mmである、請求項1または2に記載の炭素繊維束。 The carbon fiber bundle according to claim 1 or 2, wherein an average tearable distance is 550 to 850 mm. 単繊維コンポジットの引張フラグメンテーション法による単繊維見掛け応力が6.8GPaのときに繊維破断数が0.3個/mm以下である請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊維束。 The carbon fiber bundle according to any one of claims 1 to 3, wherein the single fiber composite has a fiber breakage number of 0.3 pieces / mm or less when a single fiber apparent stress by a tensile fragmentation method is 6.8 GPa. 結晶子サイズが2.2〜4.0nmである、請求項1〜4のいずれかに記載の炭素繊維束。 The carbon fiber bundle according to any one of claims 1 to 4, wherein the crystallite size is 2.2 to 4.0 nm. 剪断弾性率gが19GPa以上であり、初期引張弾性率Eが305GPa以上であり、剪断弾性率と初期引張弾性率の関係が下式の範囲である、請求項1〜5のいずれかに記載の炭素繊維束。
Figure 2015010290
The shear modulus g is 19 GPa or more, the initial tensile modulus E 0 is 305 GPa or more, and the relationship between the shear modulus and the initial tensile modulus is in the range of the following formula. Carbon fiber bundles.
Figure 2015010290
ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を、赤外スペクトルの1370cm−1ピーク強度に対する1453cm−1ピークの強度比が0.72〜0.85、1370cm−1ピーク強度に対する1254cm−1ピークの強度比が0.50〜0.65となるように耐炎化し、その耐炎化繊維束が予備炭素化されてなる予備炭素化繊維束を炭素化し、脂肪族エポキシ化合物(A)および芳香族エポキシ化合物(B)を含むサイジング剤を塗布する炭素繊維束の製造方法。 In the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle, the intensity ratio of 1453 cm −1 peak to 1370 cm −1 peak intensity in the infrared spectrum is 0.72 to 0.85, and the intensity ratio of 1254 cm −1 peak to 1370 cm −1 peak intensity is 0. The flame-resistant fiber bundle is pre-carbonized, and the pre-carbonized fiber bundle is carbonized, and the aliphatic epoxy compound (A) and the aromatic epoxy compound (B) are The manufacturing method of the carbon fiber bundle which apply | coats the sizing agent containing. 予備炭素化繊維束を、不活性雰囲気中1200〜2000℃の温度範囲、予備炭素化繊維束の平均引き裂き可能距離が450〜700mm、炭素化張力が式(2)を満たす範囲で炭素化する請求項7に記載の炭素繊維束の製造方法。
4.9≦炭素化張力(mN/dtex)≦−0.0225×(平均引き裂き可能距離(mm))+23.5・・・(2)
The carbonization fiber bundle is carbonized in a temperature range of 1200 to 2000 ° C. in an inert atmosphere, an average tearable distance of the precarbonized fiber bundle is 450 to 700 mm, and a carbonization tension satisfies the formula (2). Item 8. A method for producing a carbon fiber bundle according to Item 7.
4.9 ≦ carbonization tension (mN / dtex) ≦ −0.0225 × (average tearable distance (mm)) + 23.5 (2)
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