JP2018009274A - Carbon fiber bundle - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon fiber bundle hardly providing effect on tensile strength even with increasing defects due to external factors and stable in quality by controlling the amount of defects in a carbon fiber in advance.SOLUTION: There is provided a carbon fiber bundle having a ratio between loop strength σand 2.5 times of strand strength σ, σ/σof 0.150 or more, and strand strength σof 5.5 GPa or more. The loop strength σindicates the product of a ratio between average single fiber diameter d and loop width just before breakage W evaluated by a single fiber loop method, d/W and strand elasticity evaluated in a resin tensile test, E×d/W, and strand strength σindicates tensile strength evaluated by the resin impregnation strand tensile test.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、高性能な炭素繊維束に関するものである。さらに詳しくは、外的因子によって欠陥が増加しても引張強度への影響が出にくい、品質の安定した炭素繊維束に関するものである。   The present invention relates to a high-performance carbon fiber bundle. More specifically, the present invention relates to a carbon fiber bundle having a stable quality, which does not easily affect the tensile strength even if defects increase due to external factors.

炭素繊維は極めて高い比強度および比弾性率を有するため、複合材料の強化繊維として様々な産業分野で近年盛んに利用されている。特に軽量化が重視されている分野において、従来の金属材料から炭素繊維複合材料への置き換えが加速している。具体的には、従来の主流であるスポーツ用途や航空・宇宙用途に加え、自動車や土木・建築、圧力容器および風車ブレードなどの一般産業用途にも幅広く展開されており、更なる高性能化と低コスト化両立の要請が強い。また、炭素繊維の市場規模は今後年率10%以上の成長が続くとみられており、供給能力の向上も重要である。すなわち、高性能かつ低コストな炭素繊維を安定的に供給していくことが炭素繊維メーカー共通の課題であるといえる。   Since carbon fibers have extremely high specific strength and specific elastic modulus, they have been actively used in recent years in various industrial fields as reinforcing fibers for composite materials. In fields where weight reduction is particularly important, replacement of conventional metal materials with carbon fiber composite materials is accelerating. Specifically, in addition to conventional mainstream sports and aerospace applications, it is widely deployed in general industrial applications such as automobiles, civil engineering / architecture, pressure vessels, and windmill blades. There is a strong demand for both cost reduction. In addition, the carbon fiber market is expected to continue to grow at an annual rate of 10% or more, and improvement of supply capacity is also important. That is, it can be said that a stable supply of high-performance and low-cost carbon fibers is a common issue for carbon fiber manufacturers.

炭素繊維は脆性材料であるため、わずかな欠陥があると、これを起点として破壊が起こる。そのため炭素繊維が開発されて以降、欠陥の低減には多くの力が割かれてきており、主流であるポリアクリロニトリル系炭素繊維に関して述べると、初めて工業生産が開始した1971年には3GPa程度であった引張強度が、主に欠陥抑制によって現在では7GPa程度という高いレベルに引き上げられている。しかしながら、欠陥の生成要因は完全に明確になっているわけではないため、何らかの外的因子によって引張強度が変動した場合、その要因把握と対策に膨大な時間と労力が必要となることが多い。   Since carbon fiber is a brittle material, if there is a slight defect, breakage occurs starting from this. For this reason, since the development of carbon fiber, much effort has been devoted to reducing defects. The mainstream polyacrylonitrile carbon fiber is about 3 GPa in 1971 when industrial production started for the first time. The tensile strength has been raised to a high level of about 7 GPa mainly by suppressing defects. However, since the cause of the defect is not completely clear, when the tensile strength fluctuates due to some external factor, enormous time and labor are often required to understand the factor and take countermeasures.

炭素繊維の欠陥を抑制する試みとして、特許文献1ではポリアクリロニトリル系重合体の高分子量化、油剤の2段付与、前駆体繊維の緻密化、製造プロセスのクリーン化ならびに細繊度化を組み合わせること、特許文献2ではクリーン化、緻密化ならびに電解処理を組み合わせることが提案されている。   As an attempt to suppress the defects of carbon fibers, Patent Document 1 combines high molecular weight of polyacrylonitrile-based polymer, two-stage application of oil agent, densification of precursor fibers, cleaning of the manufacturing process, and refinement of fineness, Patent Document 2 proposes a combination of cleansing, densification, and electrolytic treatment.

また、特許文献3では炭素繊維の欠陥によらない強度向上手段として、特定の焼成条件をとることにより破壊靱性を向上させることが提案されている。   Patent Document 3 proposes improving the fracture toughness by taking specific firing conditions as a means for improving the strength independent of the defects of the carbon fiber.

特開平11−241230号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-241230 特公平8−6210号公報Japanese Patent Publication No. 8-6210 特許第5907321号Patent No. 5907321

特許文献1ならびに2によると欠陥が非常に少ない炭素繊維が得られるため、ベースとなる引張強度は向上するものの、何らかの外的因子によって欠陥が増加した場合、元から存在する欠陥が非常に少ないことから、引張強度が変動しやすいという問題があった。また、特許文献3によると破壊靱性の向上により高強度な炭素繊維となるが、外的因子により欠陥が増加した場合の引張強度の変動しやすさが改善するものではない。   According to Patent Documents 1 and 2, a carbon fiber with very few defects can be obtained, so that the tensile strength as a base is improved, but when defects increase due to some external factor, there are very few defects originally present. Therefore, there is a problem that the tensile strength is likely to fluctuate. Further, according to Patent Document 3, the carbon fiber becomes high strength by improving the fracture toughness, but the ease of fluctuation of the tensile strength when the defect is increased by an external factor is not improved.

そこで本発明の課題は、炭素繊維に一定量の欠陥をあらかじめ含ませておくことで、外的因子によって欠陥が増加しても引張強度への影響が出にくい、品質の安定した炭素繊維束を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a carbon fiber bundle having a stable quality, in which a certain amount of defects are included in the carbon fiber in advance, and even if defects increase due to external factors, the tensile strength is hardly affected. Is to provide.

上記の課題を解決するために、本発明の炭素繊維束は、ループ強度σとストランド強度σの2.5乗の比σ/σ 2.5が0.150以上であって、ストランド強度σが5.5GPa以上である炭素繊維束である。ここで、本発明のループ強度σとは、平均単繊維直径dと単繊維ループ法で評価される破断直前のループ幅Wの比d/Wと樹脂含浸ストランド引張試験により評価されるストランド弾性率Eとの積E×d/Wのことを指し、本発明のストランド強度σとは、樹脂含浸ストランド引張試験により評価される引張強度のことを指す(本発明で断りなく引張強度という場合には、ストランド強度のことを指す)。 In order to solve the above problem, the carbon fiber bundle of the present invention has a ratio σ L / σ S 2.5 of the 2.5th power of the loop strength σ L and the strand strength σ S of 0.150 or more, A carbon fiber bundle having a strand strength σ S of 5.5 GPa or more. Here, the loop strength σ L of the present invention means the average single fiber diameter d and the ratio d / W of the loop width W just before break evaluated by the single fiber loop method and the strand elasticity evaluated by the resin impregnated strand tensile test. This refers to the product E × d / W of the rate E, and the strand strength σ S of the present invention refers to the tensile strength evaluated by the resin-impregnated strand tensile test (in the present invention, unless otherwise specified, tensile strength) Refers to the strand strength).

本発明の炭素繊維束は、制御された一定量の欠陥をあらかじめ含むことで、外的因子によって欠陥が増加しても引張強度への影響が出にくく、その結果、品質の安定した炭素繊維束となる。   The carbon fiber bundle of the present invention includes a controlled fixed amount of defects in advance, so that even if the defects increase due to external factors, the tensile strength is hardly affected, and as a result, the quality of the carbon fiber bundle is stable. It becomes.

本発明の炭素繊維束は、ループ強度σとストランド強度σの2.5乗の比σ/σ 2.5が0.150以上であって、ストランド強度が5.5GPa以上である炭素繊維束である。ここで、ループ強度σは、平均単繊維直径dと単繊維ループ法で評価される破断直前のループ幅Wの比d/Wと樹脂含浸ストランド引張試験により評価されるストランド弾性率Eとの積E×d/Wのことを指し、ストランド強度σは、樹脂含浸ストランド引張試験により評価される引張強度のことを指す。上記単繊維ループ法とは、単繊維をループ状に変形させることで単繊維に与えた歪みと単繊維破断や座屈などの破壊挙動との関係を調べる手法である。単繊維をループ状に変形させると、単繊維の内側には圧縮歪み、外側には引張歪みが与えられる。引張破壊の前に圧縮座屈が起こることから、単繊維ループ法は、従来は炭素繊維の単繊維圧縮強度の試験方法として用いられることが多かったが、圧縮座屈が起こっても試験を継続すると、最終的に引張破壊することが分かった。このとき引張破壊はループの頂点近傍で起こるため、単繊維ループ法による引張破壊は極めて短い試長の引張試験と同様の意味をもつ。引張試験の試長が極めて短い場合、当該試長に欠陥が含まれる確率が低下するため、欠陥の影響を受けにくくなり、炭素繊維の基質そのものの強度、すなわちある種の到達可能引張強度を評価することができる。d/Wは引張歪みに比例する値であり、この値とストランド弾性率Eとの積は、引張強度に相当する値であると言える。一方、ストランド強度は炭素繊維の基質そのものにも影響を受けるが、同時に欠陥の影響も強く受けることが知られている。そのため、炭素繊維が含む欠陥が増加すると、ループ強度σはほとんど影響を受けないのに対してストランド強度σは低下する。そこで本発明者らが試行錯誤的に欠陥の量を表現するのに最も適したパラメーターを探索したところ、比σ/σ 2.5が最適であると分かった。かかる比σ/σ 2.5は炭素繊維が含む欠陥が少ないと小さくなり、欠陥が多いと大きくなるという挙動を示す。かかる比σ/σ 2.5が0.150以上であると、炭素繊維が含む欠陥の量が多く、外的因子によって欠陥が増加しても、引張強度への影響が小さい、品質の安定した炭素繊維束となる。かかる比σ/σ 2.5は0.160以上であることが好ましく、0.165以上であることがより好ましい。欠陥量を表現する指標としてかかる比σ/σ 2.5が適切な理由について、完全に明らかになったわけではないが、次のように考えている。すなわち、炭素繊維の単繊維引張強度は式(1)に示すグリフィスの式に従うことが広く知られている。 In the carbon fiber bundle of the present invention, the ratio σ L / σ S 2.5 of the 2.5th power of the loop strength σ L and the strand strength σ S is 0.150 or more, and the strand strength is 5.5 GPa or more. It is a carbon fiber bundle. Here, the loop strength σ L is the ratio of the average single fiber diameter d to the ratio d / W of the loop width W just before break evaluated by the single fiber loop method and the strand elastic modulus E evaluated by the resin impregnated strand tensile test. It refers to the product E × d / W, and the strand strength σ S refers to the tensile strength evaluated by the resin-impregnated strand tensile test. The single fiber loop method is a technique for examining the relationship between strain applied to a single fiber by deforming the single fiber into a loop shape and fracture behavior such as single fiber breakage or buckling. When a single fiber is deformed in a loop shape, compressive strain is applied to the inside of the single fiber, and tensile strain is applied to the outside. Since compression buckling occurs before tensile failure, the single fiber loop method has been traditionally used as a test method for carbon fiber single fiber compressive strength, but testing continues even when compression buckling occurs. As a result, it was finally found that tensile fracture occurred. At this time, since the tensile failure occurs near the top of the loop, the tensile failure by the single fiber loop method has the same meaning as the tensile test of an extremely short sample length. When the length of a tensile test is extremely short, the probability that a defect is included in the length is reduced, making it less susceptible to defects and evaluating the strength of the carbon fiber substrate itself, that is, a certain reachable tensile strength. can do. d / W is a value proportional to the tensile strain, and it can be said that the product of this value and the strand elastic modulus E is a value corresponding to the tensile strength. On the other hand, it is known that the strand strength is influenced by the substrate of the carbon fiber itself, but at the same time, it is strongly influenced by defects. For this reason, when the number of defects contained in the carbon fiber increases, the loop strength σ L is hardly affected, whereas the strand strength σ S decreases. Therefore, the inventors searched for the most suitable parameter for expressing the amount of defects by trial and error, and found that the ratio σ L / σ S 2.5 was optimal. Such a ratio σ L / σ S 2.5 shows a behavior that the carbon fiber contains a small number of defects and becomes small, and the number of defects becomes large. When the ratio σ L / σ S 2.5 is 0.150 or more, the amount of defects contained in the carbon fiber is large, and even if the number of defects increases due to external factors, the influence on the tensile strength is small. It becomes a stable carbon fiber bundle. The ratio σ L / σ S 2.5 is preferably 0.160 or more, and more preferably 0.165 or more. The reason why the ratio σ L / σ S 2.5 is appropriate as an index for expressing the amount of defects is not completely clarified, but is considered as follows. That is, it is widely known that the single fiber tensile strength of carbon fiber follows the Griffith equation shown in equation (1).

単繊維引張強度=破壊靱性値/形状係数/(π×欠陥サイズ)0.5 ・・・(1)
ストランド強度は単繊維引張強度とほぼ比例関係があることを考慮すると、式(1)からストランド強度σは欠陥サイズの−0.5乗に比例すると考えることができる。一方、ループ強度σは欠陥の影響を受けないため、前記比σ/σ 2.5は、σ/σ 2.5∝1/(欠陥サイズ−0.52.5=欠陥サイズ1.25のような欠陥サイズ依存性を示すと考えられる。単位長さ当たりの欠陥の数と破壊を引き起こす欠陥サイズの間には正の相関が存在する。つまり、単位長さ当たりの欠陥の数が増加すると、破壊を引き起こす欠陥サイズは大きくなる。正確な関係が明確にはなっていないが、両者の関係が欠陥サイズ1.25∝欠陥量のような関係にあることで、最終的に前記比σ/σ 2.5がσ/σ 2.5∝欠陥量、という比例関係になっているものと考えている。つまり、前記比σ/σ 2.5は欠陥量の尺度と考えられ、かかる比が0.150以上であるということは、炭素繊維に含まれる欠陥の量が、通常の炭素繊維製造プロセスにおいて想定される外的因子による欠陥の変動量に対して相対的に大きく、トータルでの欠陥の量の変化率が小さくなるため、引張強度が変動しにくい品質の安定した炭素繊維束になると考えられる。
Single fiber tensile strength = fracture toughness value / shape factor / (π × defect size) 0.5 (1)
Considering that the strand strength is approximately proportional to the single fiber tensile strength, it can be considered from equation (1) that the strand strength σ S is proportional to the −0.5th power of the defect size. On the other hand, since the loop strength σ L is not affected by defects, the ratio σ L / σ S 2.5 is σ L / σ S 2.5 ∝1 / (defect size− 0.5 ) 2.5 = It is considered that the defect size dependency such as the defect size 1.25 is exhibited. There is a positive correlation between the number of defects per unit length and the defect size that causes the failure. That is, as the number of defects per unit length increases, the defect size that causes destruction increases. Although the exact relationship is not in a clear, that their relationship is a relationship such as defect size 1.25 alpha defects amount, eventually the ratio σ L / σ S 2.5 is sigma L / σ S 2.5比例 Defect amount is considered to be proportional. That is, the ratio σ L / σ S 2.5 is considered as a measure of the amount of defects, and the ratio is 0.150 or more means that the amount of defects contained in the carbon fiber is a normal carbon fiber manufacturing process. Is relatively large with respect to the amount of flaw variation due to external factors assumed in the above, and the rate of change in the total amount of flaws is small. It is done.

次に、炭素繊維中に欠陥を導入する方法について説明する。材料の表面に傷を導入する手法としては、サンドブラストなどの手法が一般的である。しかしながら、直径数μmと極めて細い炭素繊維の単繊維一本一本の表面に丁度良い大きさの欠陥を導入することは非常に困難であり、繊維自身の破壊という結果に終わる。炭素繊維という極めて微細な対象物に制御しつつ欠陥を導入する手法は一般には知られていない。そこで本発明者らが検討した結果、紡糸溶液を低温で長時間保管してから紡糸に供することで、最終的に得られる炭素繊維の欠陥が増加傾向を示すことが分かった。この理由は明確ではないが、紡糸溶液を上記のような環境におくことで、ポリアクリロニトリル系重合体の分子鎖同士のからみあいの緩和時間が長くなり、からみあいがほどけにくくなることで、紡糸溶液中に不均質な領域が生成し、かかる不均質領域がその後の構造形成過程において周囲とは異なる変形挙動をとることで、最終的に炭素繊維の欠陥になっているものと考えている。前記低温での保管の具体的な方法としては、不活性ガス雰囲気下において25〜35℃の温度で24時間以上保管することである。このとき、全体の温度を均一にするために回転数5rpmまでの低速で攪拌したり、熱交換器を有する配管中を循環させたりすることもできるが、単純に静置しても十分な効果が得られる。かかる保管温度および時間は、ポリアクリロニトリル系重合体の組成や分子量、使用する溶媒、紡糸溶液の濃度などによって変化するが、ループ強度σとストランド強度σの2.5乗の比σ/σ 2.5が本発明の範囲になるように試行錯誤によって適宜調整すればよい。 Next, a method for introducing defects into the carbon fiber will be described. As a technique for introducing scratches on the surface of the material, a technique such as sandblasting is generally used. However, it is very difficult to introduce defects of just the right size on the surface of each single fiber of carbon fiber having a diameter of several μm, which results in the destruction of the fiber itself. There is generally no known method for introducing defects while controlling a very fine object called carbon fiber. Thus, as a result of investigations by the present inventors, it was found that the defects of the carbon fiber finally obtained show an increasing tendency when the spinning solution is stored at a low temperature for a long time and then subjected to spinning. The reason for this is not clear, but by placing the spinning solution in the environment as described above, the relaxation time of the entanglement between the molecular chains of the polyacrylonitrile polymer becomes longer, and the entanglement becomes difficult to unravel. It is considered that a heterogeneous region is formed, and such a heterogeneous region takes a deformation behavior different from that of the surrounding region in the subsequent process of forming the structure, thereby finally becoming a defect of the carbon fiber. A specific method of storing at the low temperature is to store at a temperature of 25 to 35 ° C. for 24 hours or more in an inert gas atmosphere. At this time, in order to make the whole temperature uniform, it is possible to stir at a low speed up to 5 rpm, or to circulate in a pipe having a heat exchanger. Is obtained. The storage temperature and time vary depending on the composition and molecular weight of the polyacrylonitrile polymer, the solvent used, the concentration of the spinning solution, etc., but the ratio of the loop strength σ L to the 2.5th power of the strand strength σ S σ L / sigma S 2.5 may be appropriately adjusted by trial and error so that the scope of the present invention.

本発明の炭素繊維束は、ループ強度σとストランド強度σの比σ/σが2.3以上であることが好ましく、2.4以上であることがより好ましく、2.5以上であることがさらに好ましい。ループ強度σが欠陥の影響を受けないのに対して、前記の式(1)から、ストランド強度σは欠陥サイズの−0.5乗に比例するため、前記比σ/σはσ/σ∝1/(欠陥サイズ−0.5)=欠陥サイズ0.5のように、欠陥サイズを反映するものと考えられる。既に述べたとおり、単位長さ当たりの欠陥の数と破壊を引き起こす欠陥サイズの間には正の相関が存在することから、単位長さ当たりの欠陥の数が増加すると、破壊を引き起こす欠陥サイズは大きくなる。そのため、前記比σ/σ 2.5に加え、σ/σも欠陥量を示す尺度であると捉えることができる。比σ/σ 2.5と比σ/σの関係性は不明確であるものの、欠陥サイズやその破壊強度が分布を有することを考慮すると、両者は欠陥分布の異なる位置をそれぞれ重点的に反映する指標であると考えられる。かかる比σ/σが2.3以上であれば、炭素繊維に含まれる欠陥の量が、通常の炭素繊維製造プロセスにおいて想定される外的因子による欠陥の変動量に対して相対的に大きく、外的因子による欠陥量の変化率が小さくなるため、引張強度が変動しにくい品質の安定した炭素繊維束になると考えられる。かかる比σ/σは、先述した比σ/σ 2.5の制御方法と同様にして調整することができる。 In the carbon fiber bundle of the present invention, the ratio σ L / σ S of the loop strength σ L and the strand strength σ S is preferably 2.3 or more, more preferably 2.4 or more, and 2.5 or more. More preferably. While the loop strength σ L is not affected by the defect, from the above equation (1), the strand strength σ S is proportional to the −0.5 power of the defect size, so the ratio σ L / σ S is It is considered that the defect size is reflected such that σ L / σ S欠 陥 1 / (defect size− 0.5 ) = defect size 0.5 . As already mentioned, there is a positive correlation between the number of defects per unit length and the defect size that causes destruction, so when the number of defects per unit length increases, the defect size that causes destruction becomes growing. Therefore, in addition to the ratio σ L / σ S 2.5 , σ L / σ S can also be regarded as a scale indicating the amount of defects. Although the relationship between the ratio σ L / σ S 2.5 and the ratio σ L / σ S is unclear, considering that the defect size and its fracture strength have distributions, both have different positions in the defect distribution, respectively. It is considered to be an index that reflects in a focused manner. If the ratio σ L / σ S is 2.3 or more, the amount of defects contained in the carbon fiber is relatively relative to the amount of defect variation due to external factors assumed in a normal carbon fiber manufacturing process. Since the rate of change in the amount of defects due to large external factors is small, it is considered that the carbon fiber bundle has a stable quality in which the tensile strength is not easily changed. The ratio σ L / σ S can be adjusted in the same manner as the control method for the ratio σ L / σ S 2.5 described above.

本発明の炭素繊維束は、平均単繊維直径が4.4〜6.0μmであることが好ましい。平均単繊維直径の下限は5.0μmであることがより好ましい。また、平均単繊維直径の上限は5.5μmであることがより好ましい。炭素繊維束の単繊維直径を小さくするために、その元となる炭素繊維前駆体繊維束の単繊維直径を小さくすると、紡糸工程における毛羽発生量が増加しやすくなり、炭素繊維前駆体からなる繊維束の品位が低下する傾向にある。単繊維直径が4.4μm以上であれば、紡糸工程における毛羽発生量の増加は顕著でなく、品位の低下が抑制できる。単繊維直径が5.0μm以上であれば、紡糸工程における毛羽発生量の増加を効果的に抑制できるうえ、生産性も高めやすい。単繊維直径が6.0μm以下であれば均一性の高い炭素繊維束が得られる。また、単繊維直径が5.5μm以下であれば、品位と物性のバランスの良い炭素繊維束となりやすい。炭素繊維束の単繊維直径dは、口金からの原液吐出量や延伸比など、公知の方法により制御できる。   The carbon fiber bundle of the present invention preferably has an average single fiber diameter of 4.4 to 6.0 μm. The lower limit of the average single fiber diameter is more preferably 5.0 μm. The upper limit of the average single fiber diameter is more preferably 5.5 μm. In order to reduce the single fiber diameter of the carbon fiber bundle, if the single fiber diameter of the carbon fiber precursor fiber bundle that is the source of the carbon fiber bundle is reduced, the amount of fluff generation in the spinning process is likely to increase, and the fiber made of the carbon fiber precursor There is a tendency for the quality of the bundle to decline. If the single fiber diameter is 4.4 μm or more, the increase in the amount of fluff generated in the spinning process is not significant, and the deterioration in quality can be suppressed. If the single fiber diameter is 5.0 μm or more, an increase in the amount of fluff generation in the spinning process can be effectively suppressed, and productivity can be easily increased. If the single fiber diameter is 6.0 μm or less, a highly uniform carbon fiber bundle can be obtained. If the single fiber diameter is 5.5 μm or less, a carbon fiber bundle having a good balance between quality and physical properties is likely to be obtained. The single fiber diameter d of the carbon fiber bundle can be controlled by a known method such as the stock solution discharge amount from the die and the stretch ratio.

本発明の炭素繊維束は、ループ強度σが14.6GPa以上であることが好ましく、15.0GPa以上であることがより好ましく、15.2GPa以上であることがさらに好ましい。先述したとおりループ強度は炭素繊維の基質そのものの強度に対応することから、かかるループ強度が高いということは、炭素繊維の基質が強く、ある一定量の欠陥が存在するときの引張強度が向上することを意味する。それ故、欠陥量が一定の場合、ループ強度が高まるとストランド強度も高まる傾向にある。かかるループ強度が14.6GPa以上であるとストランド強度を効果的に高めることができる。かかるループ強度の上限に特に制約はないが、19.0GPaを上限とすれば十分である。なお、かかるループ強度は、この後で例示する炭素繊維束の製造方法および公知の情報(例えば、特許第5907321号)に基づいて制御することができる。 The carbon fiber bundle of the present invention preferably has a loop strength σ L of 14.6 GPa or more, more preferably 15.0 GPa or more, and even more preferably 15.2 GPa or more. Since the loop strength corresponds to the strength of the carbon fiber substrate itself as described above, the high loop strength means that the carbon fiber substrate is strong and the tensile strength when a certain amount of defects are present is improved. Means that. Therefore, when the defect amount is constant, the strand strength tends to increase as the loop strength increases. When the loop strength is 14.6 GPa or more, the strand strength can be effectively increased. The upper limit of the loop strength is not particularly limited, but it is sufficient that the upper limit is 19.0 GPa. The loop strength can be controlled based on the carbon fiber bundle manufacturing method and known information (for example, Japanese Patent No. 5907321) exemplified later.

本発明の炭素繊維束は、ストランド強度σが5.5GPa以上であって、6.0GPa以上であることが好ましい。外的因子による引張強度への影響の小さい、品質の安定した炭素繊維束であっても、元の引張強度が低ければ工業的な利用価値は損なわれるが、ストランド強度が5.5GPa以上であれば、工業的な利用価値が高いものとなる。 The carbon fiber bundle of the present invention has a strand strength σ S of 5.5 GPa or more and preferably 6.0 GPa or more. Even if the carbon fiber bundle has a stable quality and has a small effect on the tensile strength due to external factors, the industrial utility value is impaired if the original tensile strength is low, but the strand strength should be 5.5 GPa or more. For example, the industrial utility value is high.

次に、本発明の炭素繊維束を得るための製造方法の一例について説明する。   Next, an example of the manufacturing method for obtaining the carbon fiber bundle of this invention is demonstrated.

炭素繊維前駆体繊維束は、ポリアクリロニトリル系重合体が溶媒に溶解されてなる紡糸溶液を紡糸して得ることができる。ポリアクリロニトリル系重合体としては、アクリロニトリルのみから得られる単独重合体だけではなく、主成分であるアクリロニトリルに加えて他の単量体を用いたポリアクリロニトリル系共重合体を用いても良い。具体的にポリアクリロニトリル系重合体は、アクリロニトリルを90〜100質量%で、共重合可能な単量体を10質量%未満、含有することが好ましい。   The carbon fiber precursor fiber bundle can be obtained by spinning a spinning solution in which a polyacrylonitrile-based polymer is dissolved in a solvent. As the polyacrylonitrile-based polymer, not only a homopolymer obtained only from acrylonitrile but also a polyacrylonitrile-based copolymer using other monomers in addition to acrylonitrile as a main component may be used. Specifically, the polyacrylonitrile-based polymer preferably contains 90 to 100% by mass of acrylonitrile and less than 10% by mass of a copolymerizable monomer.

アクリロニトリルと共重合可能な単量体としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸およびそれらアルカリ金属塩、アンモニウム塩および低級アルキルエステル類、アクリルアミドおよびその誘導体、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸およびそれらの塩類またはアルキルエステル類などを用いることができる。前記したループ強度σとストランド強度σの2.5乗の比σ/σ 2.5が本発明の範囲になる処理条件(温度、時間)は用いる単量体によって変化するが、かかる比が0.150以上となるように処理条件を適宜調整することができる。 Examples of monomers copolymerizable with acrylonitrile include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid and their alkali metal salts, ammonium salts and lower alkyl esters, acrylamide and its derivatives, allyl sulfonic acid, methallyl sulfonic acid and Those salts or alkyl esters can be used. The processing conditions (temperature, time) within which the ratio of the above-mentioned loop strength σ L and strand strength σ S to the power of 2.5 σ L / σ S 2.5 is within the scope of the present invention vary depending on the monomer used. The processing conditions can be adjusted as appropriate so that the ratio is 0.150 or more.

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、ジメチルアセトアミド、硝酸、塩化亜鉛水溶液、ロダンソーダ水溶液などポリアクリロニトリル系重合体が可溶な溶媒に溶解し、紡糸溶液とする。ポリアクリロニトリル系重合体の製造に溶液重合を用いる場合、重合に用いられる溶媒と紡糸溶媒を同じものにしておくと、得られたポリアクリロニトリル系重合体を分離し、紡糸溶媒に再溶解する工程が不要となり、好ましい。前記したループ強度σとストランド強度σの2.5乗の比σ/σ 2.5が本発明の範囲になる処理条件(温度、時間)は用いる溶媒によって変化するが、かかる比が0.150以上となるように処理条件を適宜調整することができる。 The above polyacrylonitrile polymer is dissolved in a solvent in which the polyacrylonitrile polymer such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, nitric acid, zinc chloride aqueous solution, and rhodium soda aqueous solution is soluble to obtain a spinning solution. When solution polymerization is used in the production of a polyacrylonitrile-based polymer, if the solvent used for the polymerization and the spinning solvent are the same, the step of separating the obtained polyacrylonitrile-based polymer and re-dissolving in the spinning solvent is performed. It is unnecessary and preferable. The processing conditions (temperature, time) within which the ratio σ L / σ S 2.5 of the above-described loop strength σ L and strand strength σ S is within the scope of the present invention vary depending on the solvent used. The processing conditions can be adjusted as appropriate so that is 0.150 or more.

紡糸溶液は、適宜フィルターを通してろ過してもよい。用いるフィルターおよびろ過条件は、公知の範囲で実施すればよい。   The spinning solution may be filtered through a filter as appropriate. What is necessary is just to implement the filter and filtration conditions to be used in a well-known range.

紡糸溶液を凝固浴中に導入して凝固させ、得られた凝固糸を、水洗工程、浴中延伸工程、油剤付与工程および乾燥工程を通過させることにより、炭素繊維前駆体繊維束が得られる。紡糸方法としては湿式または乾湿式紡糸法など公知の方法を用いればよい。なかでも特に、乾湿式紡糸法は、得られる炭素繊維束の機械特性を高めやすく好ましい。凝固糸は、水洗工程を省略して直接浴中延伸を行っても良いし、溶媒を水洗工程により除去した後に浴中延伸を行っても良い。浴中延伸は、通常、30〜98℃の温度に温調された単一または複数の延伸浴中で行うことが好ましい。また、上記の工程に乾熱延伸工程や蒸気延伸工程を加えても良い。   The carbon fiber precursor fiber bundle is obtained by introducing the spinning solution into a coagulation bath and coagulating it, and passing the obtained coagulated yarn through a washing step, an in-bath drawing step, an oil agent application step and a drying step. As the spinning method, a known method such as a wet or dry wet spinning method may be used. In particular, the dry and wet spinning method is preferable because the mechanical properties of the obtained carbon fiber bundle can be easily improved. The coagulated yarn may be directly stretched in the bath without the water washing step, or may be stretched in the bath after the solvent is removed by the water washing step. Usually, the stretching in the bath is preferably performed in a single or a plurality of stretching baths adjusted to a temperature of 30 to 98 ° C. Moreover, you may add a dry heat extending process and a steam extending process to said process.

このようにして得られた炭素繊維前駆体繊維束が含む単繊維の平均繊度は、0.5〜1.5dtexであることが好ましく、0.5〜1.1dtexであることがより好ましく、0.5〜0.8dtexであることがさらに好ましい。単繊維繊度を0.5dtex以上とすることで、ローラーやガイドとの接触による糸切れ発生を抑え、製糸工程および炭素繊維束の焼成工程のプロセス安定性を維持することが出来る。また、単繊維繊度を1.5dtex以下とすることで、耐炎化後の各単繊維における内外構造差を小さくし、続く炭素化工程でのプロセス性や得られる炭素繊維束の引張強度および引張弾性率を向上させることが出来る。単繊維繊度が1.1dtex以下であれば、耐炎化処理速度をそれほど低下させなくても内外構造差が抑制しやすく、0.8dtex以下とすれば十分である。   The average fineness of the single fiber contained in the carbon fiber precursor fiber bundle thus obtained is preferably 0.5 to 1.5 dtex, more preferably 0.5 to 1.1 dtex, 0 More preferably, it is 5-0.8 dtex. By setting the single fiber fineness to 0.5 dtex or more, occurrence of yarn breakage due to contact with a roller or a guide can be suppressed, and the process stability of the yarn making process and the carbon fiber bundle firing process can be maintained. In addition, by setting the single fiber fineness to 1.5 dtex or less, the difference between the inner and outer structures of each single fiber after flame resistance is reduced, the processability in the subsequent carbonization step, and the tensile strength and tensile elasticity of the resulting carbon fiber bundle The rate can be improved. If the single fiber fineness is 1.1 dtex or less, the difference between the inner and outer structures can be easily suppressed without reducing the flameproofing treatment rate so much, and 0.8 dtex or less is sufficient.

得られる炭素繊維前駆体繊維束は、通常、連続繊維の形状である。また、その1糸条あたりのフィラメント数は、好ましくは1,000〜36,000本である。   The resulting carbon fiber precursor fiber bundle is usually in the form of continuous fibers. Further, the number of filaments per yarn is preferably 1,000 to 36,000.

上記のようにして得た炭素繊維前駆体繊維束は、耐炎化工程に供される。本発明において、耐炎化工程とは、炭素繊維前駆体繊維束を200〜300℃の温度の酸素含有雰囲気下において熱処理することをいう。耐炎化工程で得られた繊維束を予備炭素化する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500〜1000℃において、比重が1.5〜1.8になるまで熱処理することが好ましい。予備炭素化工程の延伸倍率は繊維束のたるみが発生したり品位が低下したりしない範囲で適宜設定すればよい。   The carbon fiber precursor fiber bundle obtained as described above is subjected to a flameproofing step. In this invention, a flameproofing process means heat-processing a carbon fiber precursor fiber bundle in the oxygen containing atmosphere of the temperature of 200-300 degreeC. In the pre-carbonization step of pre-carbonizing the fiber bundle obtained in the flame-proofing step, the specific weight of the obtained flame-resistant fiber bundle is 1.5 to 1 at a maximum temperature of 500 to 1000 ° C. in an inert atmosphere. It is preferable to heat-treat until .8. What is necessary is just to set suitably the draw ratio of a preliminary | backup carbonization process in the range which the slack of a fiber bundle does not generate | occur | produce or a quality does not fall.

予備炭素化された繊維束を不活性雰囲気中、最高温度1000〜3000℃において炭素化することが好ましい。炭素化工程の最高温度は、得られる炭素繊維束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、高すぎると高強度領域の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よい。より好ましい最高温度は1200〜2000℃であり、さらに好ましくは、1200〜1600℃である。   It is preferable to carbonize the pre-carbonized fiber bundle in an inert atmosphere at a maximum temperature of 1000 to 3000 ° C. The maximum temperature of the carbonization step is preferably high from the viewpoint of increasing the strand elastic modulus of the obtained carbon fiber bundle, but if it is too high, the strength of the high strength region may be lowered, and is set in consideration of both. It is good to do. A more preferable maximum temperature is 1200 to 2000 ° C, and more preferably 1200 to 1600 ° C.

以上のようにして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させるために、表面処理が施され、酸素原子を含む官能基が導入される。表面処理方法としては、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。本発明において、液相電解酸化の方法については特に制約はなく、公知の方法で行えばよい。   The carbon fiber bundle obtained as described above is subjected to a surface treatment in order to improve adhesion to the matrix resin, and a functional group containing oxygen atoms is introduced. As the surface 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. In the present invention, the liquid phase electrolytic oxidation method is not particularly limited, and may be performed by a known method.

かかる表面処理の後、得られた炭素繊維束に集束性を付与するため、サイジング処理をすることもできる。サイジング剤には、複合材料に使用されるマトリックス樹脂の種類に応じて、マトリックス樹脂との相溶性の良いサイジング剤を適宜選択することができる。   After such a surface treatment, a sizing treatment can also be performed to impart convergence to the obtained carbon fiber bundle. As the sizing agent, a sizing agent having good compatibility with the matrix resin can be appropriately selected according to the type of the matrix resin used in the composite material.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。本実施例で用いた測定方法を次に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The measurement method used in this example will be described next.

<炭素繊維束の比重測定>
測定する炭素繊維束について、1mサンプリングし、比重液をo−ジクロロエチレンとしてアルキメデス法で測定した。3回測定を行い、平均値を用いた。
<Specific gravity measurement of carbon fiber bundle>
The carbon fiber bundle to be measured was sampled by 1 m and measured by Archimedes method using a specific gravity liquid as o-dichloroethylene. Three measurements were taken and the average value was used.

<平均単繊維直径d> JIS R7607(2000年)に準じて実施した。具体的には、測定する多数本の炭素フィラメントからなる炭素繊維束について、単位長さ当たりの質量A(g/m)および比重B(−)を求めた。求めたAおよびBの値ならびに測定する炭素繊維束のフィラメント数Cから、炭素繊維束の平均単繊維直径d(μm)を、下記式で算出した。 <Average single fiber diameter d> It was carried out according to JIS R7607 (2000). Specifically, mass A f (g / m) and specific gravity B f (−) per unit length were determined for a carbon fiber bundle composed of a large number of carbon filaments to be measured. A filament number C f of the carbon fiber bundle to the value and the measurement of the obtained A f and B f, the average carbon fiber bundle single fiber diameter d (μm), was calculated by the following equation.

平均単繊維直径(μm)=((A/B/C)/π)(1/2)×2×10Average single fiber diameter (μm) = ((A f / B f / C f ) / π) (1/2) × 2 × 10 3 .

<単繊維ループ法>
長さ約10cmの単繊維をスライドガラス上に置き、中央部にグリセリンを1〜2滴たらして単繊維両端部を繊維周方向に軽くねじることで単繊維中央部にループを作り、その上にカバーガラスを置いた。これを顕微鏡のステージに設置し、トータル倍率が100倍、フレームレートが15フレーム/秒の条件で動画撮影を行った。ループが視野から外れないようにステージを都度調節しながら、ループさせた繊維の両端を指でスライドガラス方向に押しつけつつ逆方向に一定速度で引っ張ることで、単繊維が破断するまで歪をかけた。コマ送りにより破断直前のフレームを特定し、画像解析により破断直前のループの横幅W(μm)を測定した。平均単繊維直径d(μm)をWで除してd/Wを算出した。試験は20回行い、d/Wの平均値を求め、その値にストランド弾性率(GPa)を乗ずることによりE×d/Wを求め、かかる値をループ強度σ(GPa)とした。
<Single fiber loop method>
Place a single fiber of about 10 cm in length on a glass slide, add 1 to 2 drops of glycerin to the center, and lightly twist both ends of the single fiber in the fiber circumferential direction to create a loop at the center of the single fiber. A cover glass was placed on. This was placed on a microscope stage, and moving images were taken under the conditions of a total magnification of 100 times and a frame rate of 15 frames / second. While adjusting the stage each time so that the loop does not deviate from the field of view, both ends of the looped fiber were pressed in the direction of the slide glass with fingers, and pulled at a constant speed in the opposite direction, and strain was applied until the single fiber broke. . The frame immediately before the break was specified by frame advance, and the horizontal width W (μm) of the loop immediately before the break was measured by image analysis. The average single fiber diameter d (μm) was divided by W to calculate d / W. The test was performed 20 times, an average value of d / W was obtained, and E × d / W was obtained by multiplying the value by the strand elastic modulus (GPa), and this value was taken as the loop strength σ L (GPa).

<ストランド引張試験>
炭素繊維樹脂含浸ストランドの引張弾性率(ストランド弾性率)および引張強度(ストランド強度σ)は、JIS R7608(2008)「樹脂含浸ストランド試験法」に従って求めた。ストランド弾性率Eは歪み範囲0.1〜0.6%の範囲で測定した。なお、試験片は、次の樹脂組成物を炭素繊維束に含浸し、130℃の温度で35分間熱処理の硬化条件により作製した。
<Strand tensile test>
The tensile elastic modulus (strand elastic modulus) and tensile strength (strand strength σ S ) of the carbon fiber resin-impregnated strand were determined in accordance with JIS R7608 (2008) “Resin-impregnated strand test method”. The strand elastic modulus E was measured in the strain range of 0.1 to 0.6%. The test piece was prepared by impregnating a carbon fiber bundle with the following resin composition and curing conditions of heat treatment at a temperature of 130 ° C. for 35 minutes.

[樹脂組成]
・3、4−エポキシシクロヘキシルメチル−3、4−エポキシ−シクロヘキサン−カルボキシレート(100質量部)
・3フッ化ホウ素モノエチルアミン(3質量部)
・アセトン(4質量部)。
[Resin composition]
・ 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexane-carboxylate (100 parts by mass)
・ Boron trifluoride monoethylamine (3 parts by mass)
-Acetone (4 parts by mass).

また、引張試験の測定本数は6本とし、各測定結果の算術平均値をその炭素繊維束のストランド弾性率およびストランド強度とした。なお、後述の実施例および比較例においては、上記の3、4−エポキシシクロヘキシルメチル−3、4−エポキシ−シクロヘキサン−カルボキシレートとして、ユニオンカーバイド(株)製、“BAKELITE(登録商標)”ERL−4221(あるいは同等品の“セロキサイド(登録商標)”2021P(株式会社ダイセル製))を用いた。ひずみは伸び計を用いて測定した。   The number of measurements in the tensile test was 6, and the arithmetic average value of each measurement result was taken as the strand elastic modulus and strand strength of the carbon fiber bundle. In the examples and comparative examples described later, as the above 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexane-carboxylate, “BAKELITE (registered trademark)” ERL- manufactured by Union Carbide Co., Ltd. 4221 (or equivalent “Celoxide (registered trademark)” 2021P (manufactured by Daicel Corporation)) was used. The strain was measured using an extensometer.

[実施例1]
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て溶液重合法により重合させ、ポリアクリロニトリル系共重合体を含む紡糸溶液を得た。得られた紡糸溶液を窒素雰囲気下、30℃の一定温度にて168時間静置したあと、フィルター濾過を行わずに紡糸口金から一旦空気中に吐出し、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を得た。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った。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本の炭素繊維前駆体繊維束を得た。炭素繊維前駆体繊維束の単繊維繊度は0.7dtexであった。
[Example 1]
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 to obtain a spinning solution containing a polyacrylonitrile-based copolymer. The obtained spinning solution was allowed to stand at a constant temperature of 30 ° C. for 168 hours under a nitrogen atmosphere, and then temporarily discharged from the spinning nozzle into the air without filtering, and introduced into a coagulation bath composed of an aqueous solution of dimethyl sulfoxide. A coagulated yarn was obtained by the dry and wet spinning method. 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 was applied to the fiber bundle after stretching in the water bath, and a dry densification treatment was performed using a 160 ° C. heating roller. After the number of single fibers is 12,000, the yarn is stretched 3.7 times in pressurized steam, so that the total draw ratio of the yarn is 13 times, and then the entanglement treatment is performed to obtain a crystal orientation degree of 93% and a single fiber number of 12,000. A carbon fiber precursor fiber bundle was obtained. The single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber bundle was 0.7 dtex.

次に、第1耐炎化工程を耐炎化温度250℃、耐炎化時間11分の条件を用いて、第2耐炎化工程を耐炎化温度280℃、耐炎化時間6分の条件を用いて、空気雰囲気のオーブン中で炭素繊維前駆体繊維束を延伸比1で延伸しながら耐炎化処理し、耐炎化繊維束を得た。ここで、特許第5907321号の記載を参考にして、第1耐炎化工程終了時の繊維束において赤外スペクトルで評価される1370cm−1のピーク強度に対する1453cm−1のピーク強度の比は1.04、第2耐炎化工程終了時の繊維束において赤外スペクトルで評価される1370cm−1のピーク強度に対する1453cm−1のピーク強度の比は0.70、かつ、赤外スペクトルにおける1370cm−1のピーク強度に対する1254cm−1ピーク強度の比は0.61となるように条件を微調整した。 Next, the first flameproofing process is performed using the conditions of a flameproofing temperature of 250 ° C. and a flameproofing time of 11 minutes, and the second flameproofing process is performed using the conditions of a flameproofing temperature of 280 ° C. and a flameproofing time of 6 minutes. While the carbon fiber precursor fiber bundle was stretched at a stretch ratio of 1 in an atmosphere oven, the flame resistant fiber bundle was obtained. Here, with the description of Japanese Patent No. 5907321 as a reference, the ratio of the peak intensity of 1453cm -1 to the peak intensity of 1370 cm -1 which is evaluated in the infrared spectrum in the fiber bundles during the first oxidation step ends 1. 04, the ratio of the peak intensity of 1453cm -1 to the peak intensity of 1370 cm -1 which is evaluated in the infrared spectrum in the fiber bundles during the second oxidation step ends 0.70, and the 1370 cm -1 in the infrared spectrum The conditions were finely adjusted so that the ratio of 1254 cm −1 peak intensity to peak intensity was 0.61.

得られた耐炎化繊維束を、最高温度800℃の窒素雰囲気中において、延伸比1.17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、最高温度1500℃、延伸比0.98で延伸しながら炭素化処理を行った。得られた炭素繊維束の評価結果を表1に示す。また、重合を除く一連の実験操作(すなわち、30℃における保管〜炭素化処理、のことを指す)を5バッチ行った際のストランド強度のCV値とその判定結果も表1に示す。なお判定基準は、CV値が3.5%以下のとき◎、3.5より大きく5以下のとき○、5より大きいとき△、と定めた。   The obtained flame-resistant fiber bundle was subjected to a pre-carbonization treatment while being drawn at a draw ratio of 1.17 in a nitrogen atmosphere at a maximum temperature of 800 ° C. to obtain a pre-carbonized fiber bundle. The obtained pre-carbonized fiber bundle was carbonized while being stretched at a maximum temperature of 1500 ° C. and a stretch ratio of 0.98 in a nitrogen atmosphere. The evaluation results of the obtained carbon fiber bundle are shown in Table 1. Table 1 also shows the CV value of the strand strength and the determination result when five batches of a series of experimental operations (that is, storage at 30 ° C. to carbonization treatment) excluding polymerization are performed. The determination criteria were defined as ◎ when the CV value was 3.5% or less, ◯ when it was greater than 3.5 and less than 5, and Δ when greater than 5.

[実施例2]
30℃における保管時間を72時間とした以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。評価結果を表1に示す。また、重合を除く一連の実験操作(すなわち、30℃における保管〜炭素化処理、のことを指す)を5バッチ行った際のストランド強度のCV値も表1に示す。
[Example 2]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the storage time at 30 ° C. was 72 hours. The evaluation results are shown in Table 1. Table 1 also shows the CV value of the strand strength when five batches of a series of experimental operations excluding polymerization (that is, storage at 30 ° C. to carbonization treatment) were performed.

[実施例3]
30℃における保管時間を310時間とした以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。評価結果を表1に示す。また、重合を除く一連の実験操作(すなわち、30℃における保管〜炭素化処理、のことを指す)を5バッチ行った際のストランド強度のCV値も表1に示す。
[Example 3]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the storage time at 30 ° C. was 310 hours. The evaluation results are shown in Table 1. Table 1 also shows the CV value of the strand strength when five batches of a series of experimental operations excluding polymerization (that is, storage at 30 ° C. to carbonization treatment) were performed.

[比較例1]
紡糸溶液を30℃における保管を行うことなく、紡糸に先立ち紡糸溶液を濾過精度が1μmのフィルター濾材を通過させて濾過を行った後すみやかに紡糸に供し、予備炭素化処理における延伸比を0.90にした以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。評価結果を表1に示す。また、重合を除く一連の実験操作(すなわち、30℃における保管〜炭素化処理、のことを指す)を5バッチ行った際のストランド強度のCV値も表1に示す。
[Comparative Example 1]
Without storing the spinning solution at 30 ° C., the spinning solution is filtered through a filter medium having a filtration accuracy of 1 μm prior to spinning, and then immediately subjected to spinning, and the draw ratio in the preliminary carbonization treatment is set to 0. A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was 90. The evaluation results are shown in Table 1. Table 1 also shows the CV value of the strand strength when five batches of a series of experimental operations excluding polymerization (that is, storage at 30 ° C. to carbonization treatment) were performed.

[比較例2]
予備炭素化処理における延伸比を1.17にした以外は、比較例1と同様にして炭素繊維束を得た。評価結果を表1に示す。また、重合を除く一連の実験操作(すなわち、30℃における保管〜炭素化処理、のことを指す)を5バッチ行った際のストランド強度のCV値も表1に示す。
[Comparative Example 2]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the draw ratio in the preliminary carbonization treatment was changed to 1.17. The evaluation results are shown in Table 1. Table 1 also shows the CV value of the strand strength when five batches of a series of experimental operations excluding polymerization (that is, storage at 30 ° C. to carbonization treatment) were performed.

[実施例4]
予備炭素化処理における延伸比を0.90にした以外は、実施例1と同様にして前駆体繊維束を得た。つづいて、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。評価結果を表1に示す。また、重合を除く一連の実験操作(すなわち、30℃における保管〜炭素化処理、のことを指す)を5バッチ行った際のストランド強度のCV値も表1に示す。
[Example 4]
A precursor fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the draw ratio in the preliminary carbonization treatment was 0.90. Subsequently, a carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1. The evaluation results are shown in Table 1. Table 1 also shows the CV value of the strand strength when five batches of a series of experimental operations excluding polymerization (that is, storage at 30 ° C. to carbonization treatment) were performed.

[参考例1〜3]
市販品である“トレカ(登録商標)”T800S(東レ(株)製)および“トレカ(登録商標)”T1100G(東レ(株)製)、“トレカ(登録商標)”T700S(東レ(株)製)の物性を表1に示した。
[Reference Examples 1-3]
Commercially available “Torayca (registered trademark)” T800S (manufactured by Toray Industries, Inc.) and “Torayca (registered trademark)” T1100G (manufactured by Toray Industries, Inc.), “Torayca (registered trademark)” T700S (manufactured by Toray Industries, Inc.) The physical properties of) are shown in Table 1.

実施例1と比較例1を比較すると、ストランド強度は6.2GPaで同一であるが、ループ強度σとストランド強度σの2.5乗の比σ/σ 2.5がそれぞれ0.164と0.129と大きく異なり、実施例1の方が欠陥を多量に含むことを示している。その結果、紡糸工程以降を同じ条件で5回繰り返し、5バッチ分の炭素繊維を束を作製したとき、N=5でのストランド強度のバラツキのCV値がそれぞれ3.3%、5.0%と、前記比が0.150以上の実施例1ではCV値が小さくなることが見て取れる。また、実施例2〜4および比較例2からも同様の結果が読み取れる。すなわち、前記比を0.150以上とすることで、外部因子による強度バラツキの小さい、品質の安定した炭素繊維束が得られることが分かった。さらに、参考例から分かる通り、現在市販されている代表的な高強度炭素繊維は、本発明の上記比の範囲から外れており、本発明の炭素繊維束が従来にない特徴を有する炭素繊維束であることを示している。 Comparing Example 1 and Comparative Example 1, the strand strength is the same at 6.2 GPa, but the ratio σ L / σ S 2.5 of the 2.5th power of the loop strength σ L and the strand strength σ S is 0. .164 and 0.129 are significantly different, indicating that Example 1 contains a larger amount of defects. As a result, after the spinning process was repeated 5 times under the same conditions, when 5 batches of carbon fiber were produced, the CV values of the strand strength variation at N = 5 were 3.3% and 5.0%, respectively. It can be seen that in Example 1 in which the ratio is 0.150 or more, the CV value is small. Similar results can be read from Examples 2 to 4 and Comparative Example 2. That is, it was found that by setting the ratio to 0.150 or more, it is possible to obtain a carbon fiber bundle having a stable quality with small variations in strength due to external factors. Furthermore, as can be seen from the reference examples, typical high-strength carbon fibers currently on the market are out of the above-mentioned ratio range of the present invention, and the carbon fiber bundles of the present invention have characteristics that are not found in the prior art. It is shown that.

Figure 2018009274
Figure 2018009274

Claims (5)

ループ強度σとストランド強度σの2.5乗の比σ/σ 2.5が0.150以上であって、ストランド強度σが5.5GPa以上である炭素繊維束。 A carbon fiber bundle in which the ratio σ L / σ S 2.5 of the 2.5th power of the loop strength σ L and the strand strength σ S is 0.150 or more and the strand strength σ S is 5.5 GPa or more. ループ強度σとストランド強度σの比σ/σが2.3以上である、請求項1に記載の炭素繊維束。 The carbon fiber bundle according to claim 1, wherein a ratio σ L / σ S of the loop strength σ L and the strand strength σ S is 2.3 or more. 平均単繊維直径が4.4〜6.0μm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 single fiber diameter is 4.4 to 6.0 µm. ループ強度σが14.6GPa以上である請求項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 loop strength σ L is 14.6 GPa or more. ストランド強度σが6.0GPa以上である請求項1〜4のいずれかに記載の炭素繊維束。 Strand strength (sigma) S is 6.0 GPa or more, The carbon fiber bundle in any one of Claims 1-4.
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