JP2019151956A - 炭素繊維束および炭素繊維ならびに炭素繊維束の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
結晶子サイズLcおよび結晶配向度π002とは、炭素繊維中に存在する結晶子のc軸方向の厚みおよび結晶子の繊維軸を基準とした配向角を表す指標であり、広角X線回折により評価される。詳しい評価手法は後述する。一般的に、結晶子サイズLcが大きいほど炭素繊維とマトリックスとの接着強度が低下する傾向にあるため、結晶子サイズLcに対して結晶配向度π002を相対的に高めるほど、接着強度の低下を抑制しつつ、ストランド弾性率を効果的に高めることができる。炭素化工程において張力を付与しなければ、繊維束が収縮することにより、局所的に撚り癖に類似した形状を有する炭素繊維束が得られる場合があるものの、このようにして得られた炭素繊維束は結晶子サイズLcに対して結晶配向度π002が低くなりやすく、工業的に有用であるとはいえない。式(1)を満たす炭素繊維束は、炭素繊維強化複合材料の剛性を高めやすく、今後成長が期待される産業用途などにおけるニーズに応えることができる。本発明の炭素繊維束において、式(1)における定数項は73.8であることがより好ましく、74.4であることがさらに好ましい。式(1)を満たす炭素繊維束は、後述する本発明の炭素繊維束の好ましい製造方法により得られる。
水平面から60cmの高さの位置にガイドバーを設置し、炭素繊維束の任意の位置をガイドバーにテープで貼り付けることによって固定端とした後、固定端から50cm離れた箇所で炭素繊維束を切断し、自由端を形成する。自由端はテープに挟み込むように封入して、単繊維単位にほどけないように処理する。回数を数えながら自由端を回転させてゆき、完全に解撚されるまでに回転させた回数n(ターン)を記録する。以下の式により、残存する撚り数を算出する。上記測定を3回実施した平均を、本発明における残存する撚り数とする。 残存する撚り数(ターン/m)=n(ターン)/0.5(m)。
炭素繊維束のストランド強度およびストランド弾性率は、JIS R7608(2004年)の樹脂含浸ストランド試験法に準拠し、次の手順に従い求める。ただし、炭素繊維束が撚りを有する場合、撚り数と同数の逆回転の撚りを付与することにより解撚してから評価する。樹脂処方としては、“セロキサイド(登録商標)”2021P(ダイセル化学工業社製)/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分を用いる。炭素繊維束のストランド10本を測定し、その平均値をストランド強度およびストランド弾性率とする。なお、ストランド弾性率を算出する際の歪み範囲は0.1〜0.6%とする。
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う。
・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。
但し、
K:1.0、λ:0.15418nm(X線の波長)
β0:(βE 2−β1 2)1/2
βE:見かけの半値幅(測定値)rad、β1:1.046×10−2rad
θB:Braggの回析角。
上述した結晶ピークを円周方向にスキャンして得られる強度分布の半値幅から次式を用いて計算して求める。
π002=(180−H)/180
但し、
H:見かけの半値幅(deg)
上記測定を3回行い、その算術平均を、その炭素繊維の結晶子サイズ及び結晶配向度とする。
炭素繊維束の単位長さ当たりの質量(g/m)を密度(g/m3)で除して、さらにフィラメント数で除して求める。
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する。試料数は3で試験を行う。
評価しようとする炭素繊維の単繊維を、長さ5〜20cmの任意の長さに切断して、コピー用紙上に静置する。静電気の影響により単繊維がコピー用紙に張り付く場合は、一般的な手法で除電してから行う。単繊維がほぼ直進するように、ピンセットや針を用いて修正する。単繊維の進行方向に直交し、かつ紙面に平行な方向から目視観察し、単繊維が紙面に平行な方向から見ても、紙面の鉛直方向から見ても正弦波の軌跡を描いている場合、かかる単繊維はらせん形状をとっているものと判断する。次いで、紙面から高さ500μm以上に存在する極大点と次の極大点との間の距離(極大点間距離)を定規などで計測する。単繊維が複数の極大点間距離を有する場合、全て記録する。10個の極大点間距離が記録されるまで上記操作を繰り返し、極大点間距離の平均値を求める。続いて、以下の式により、らせんのピッチを求める。
炭素繊維の単繊維弾性率は、JIS R7606(2000年)を参考とし、以下の通りにして求める。まず、長さ20cm程度の炭素繊維の束をほぼ4等分し、4つの束から順番に単繊維をサンプリングして束全体からできるだけまんべんなくサンプリングする。サンプリングした単繊維を、10、25、50mmの穴あき台紙に固定する。固定にはニチバン株式会社製のエポキシ系接着剤“アラルダイト速硬化タイプ”を用い、塗布後、室温で24時間静置して硬化させる。単繊維を固定した台紙を株式会社エー・アンド・デイ製の引張試験機“テンシロンRTF−1210”に取り付け、10、25、50mmの各ゲージ長にて、歪速度40%/分、試料数15で引張試験をおこなう。各単繊維の応力(MPa)−歪み(%)曲線において、歪み0.3〜0.7%の範囲の傾き(MPa/%)から、次の式により、見かけの単繊維弾性率を算出する。
次いで、ゲージ長10、25、50mmのそれぞれについて、見かけの単繊維弾性率の平均値Eapp(GPa)を計算し、その逆数1/Eapp(GPa−1)を縦軸(Y軸)、ゲージ長L0(mm)の逆数1/L0(mm−1)を横軸(X軸)としてプロットする。かかるプロットにおけるY切片を読み取り、その逆数をとったものがコンプライアンス補正後の単繊維弾性率であり、本発明における単繊維弾性率は、この値を採用する。
評価対象の炭素繊維束の繊維軸方向に30cm離れた位置を右手と左手で別々に把持する。右手と左手の把持部が接触するまで近づけてゆき、繊維束の一部がロープのように高次の撚りを形成する場合は、取り扱い性が不良(×)とし、評価を打ち切る。前記操作において取り扱い性が不良とならなかった場合、続けて、右手と左手の間隔を20cmの距離に近づけた後、繊維束の様子を目視観察しながら、両手を鉛直方向に複数回上下させる。右手と左手の把持部の鉛直方向の高さを常に同じに保つため、両手の鉛直方向への移動は同じタイミングで行う。上下させる距離は10cmとし、1秒に1往復させる速度で20回繰り返す。このとき、繊維束が単繊維単位に拡がる場合を収束性不足のため取り扱い性が不良(×)とし、評価を打ち切る。官能評価であるため厳密な線引きは難しいが、繊維束のどこか一部でも繊維軸に垂直方向に5cm以上拡がった場合は、単繊維単位に拡がったとみなす。繊維軸に垂直方向に5cm以上拡がらなくても、繊維束のどこか一部でも、より小さな繊維束に分割された場合は、取り扱い性がやや不良(△)とし、評価を打ち切る。ここまでの操作で取り扱い性が不良あるいはやや不良とならなかった場合、取り扱い性は良好(○)とする。ただし、一定以上の単繊維直径である場合、単繊維の屈曲に対する抵抗、いわゆるコシ、が強い傾向にあり、上記実験操作の際に、繊維束全体に適度なコシがあり、取り扱いがしやすい傾向にあった。そこで、官能的ではあるものの、実際の実験操作において適度なコシがあり、取り扱いがしやすい場合を、特に良好(◎)とする。評価対象の炭素繊維束がサイジング処理されている場合、オーブン中でサイジング剤を焼き飛ばすか、溶媒中で洗浄することによって除去してから評価する。評価は極力風の少ない室内で行い、繊維束の中央部は重力で懸垂させることとする。
アクリロニトリル99質量%およびイタコン酸1質量%からなるモノマー組成物を、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重合体を含む紡糸溶液を得た。得られた紡糸溶液を濾過したのち、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。また、その凝固糸条を水洗した後、90℃の温水中で3倍の浴中延伸倍率で延伸し、さらにシリコーン油剤を付与し、160℃の温度に加熱したローラーを用いて乾燥を行い、4倍の延伸倍率で加圧水蒸気延伸を行い、単繊維繊度1.1dtexの炭素繊維前駆体繊維束を得た。次に、得られた前駆体繊維束を4本合糸し、単繊維本数12,000本とし、空気雰囲気230〜280℃のオーブン中で延伸比を1として熱処理し、耐炎化繊維束に転換した。
包括的実施例記載の方法で耐炎化繊維束を得たのち、得られた耐炎化繊維束に加撚処理を行い、100ターン/mの撚りを付与し、温度300〜800℃の窒素雰囲気中において、延伸比0.97として予備炭素化処理を行い、予備炭素化繊維束を得た。次いで、かかる予備炭素化繊維束に、表1に示す条件で炭素化処理を施した後、付着量が1.0質量%となるようにサイジング剤を付与し、炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
撚り数を75ターン/mとした以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
撚り数を50ターン/mとした以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
炭素化処理における最高温度を1900℃とした以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
撚り数を75ターン/mとした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
撚り数を50ターン/mとした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
炭素化処理における張力を8.0mN/dtexとした以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
炭素化処理における張力を8.2mN/dtexとした以外は、実施例2と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
炭素化処理における張力を7.8mN/dtexとした以外は、実施例3と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
炭素化処理における張力を5.4mN/dtexとした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
炭素化処理における張力を6.1mN/dtexとした以外は、実施例5と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
炭素化処理における張力を5.2mN/dtexとした以外は、実施例6と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
加撚処理を行う対象を予備炭素化繊維束に変更し、炭素化処理における張力を10.2mN/dtexとした以外は、実施例12と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
包括的実施例において前駆体繊維束の合糸本数を8本とし、単繊維本数を24,000本とした以外は、実施例5と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
包括的実施例において前駆体繊維束の単繊維繊度を0.8dtexとした以外は、実施例6と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
撚り数を75ターン/mとし、炭素化処理における張力を7.1mN/dtexとした以外は、実施例15と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
撚り数を15ターン/mとした以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
撚り数を30ターン/mとした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
撚り数を20ターン/mとし、炭素化処理における張力を10.3mN/dtexとした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程においてローラーへの毛羽の巻き付きが発生し、得られた炭素繊維束の品位は悪かった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
撚り数を0ターン/mとし、炭素化処理における張力を7.5mN/dtexとした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程においてローラーへの毛羽の巻き付きが発生し、得られた炭素繊維束の品位は悪かった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
撚り数を0ターン/mとし、炭素化処理における張力を5.4mN/dtexとした以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程においてローラーへの毛羽の巻き付きが発生し、得られた炭素繊維束の品位は悪かった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
包括的実施例において前駆体繊維束の単繊維繊度を0.8dtexとし、撚り数を45ターン/mとし、炭素化処理における張力を10.3mN/dtexとした以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。炭素化工程においてローラーへの毛羽の巻き付きが発生し、得られた炭素繊維束の品位は悪かった。得られた炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。
東レ株式会社製“トレカ(登録商標)”T700Sの炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。なお、繊維束の取り扱い性、片端を自由端としたときの撚り数、らせんのピッチについては、評価前に炭素繊維束を室温のトルエンに1時間浸漬したのち、室温のアセトンに1時間浸漬する操作を2回繰り返し、風の少ない冷暗所で24時間以上自然乾燥させたものを用いた。
東レ株式会社製“トレカ(登録商標)”M35Jの炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。なお、繊維束の取り扱い性、片端を自由端としたときの撚り数、らせんのピッチについては、評価前に炭素繊維束を室温のトルエンに1時間浸漬したのち、室温のアセトンに1時間浸漬する操作を2回繰り返し、風の少ない冷暗所で24時間以上自然乾燥させたものを用いた。
東レ株式会社製“トレカ(登録商標)”M40Jの炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。なお、繊維束の取り扱い性、片端を自由端としたときの撚り数、らせんのピッチについては、評価前に炭素繊維束を室温のトルエンに1時間浸漬したのち、室温のアセトンに1時間浸漬する操作を2回繰り返し、風の少ない冷暗所で24時間以上自然乾燥させたものを用いた。
東レ株式会社製“トレカ(登録商標)”M46Jの炭素繊維束ならびに無作為に取り出した単繊維の評価結果を表1に記載する。なお、繊維束の取り扱い性、片端を自由端としたときの撚り数、らせんのピッチについては、評価前に炭素繊維束を室温のトルエンに1時間浸漬したのち、室温のアセトンに1時間浸漬する操作を2回繰り返し、風の少ない冷暗所で24時間以上自然乾燥させたものを用いた。
Claims (7)
- 片端を固定端、もう一方を自由端としたとき、46ターン/m以上の撚りが残存し、かつ、ストランド弾性率が200GPa以上の炭素繊維束。
- フィラメント数が10,000本以上である、請求項1に記載の炭素繊維束。
- 繊維束全体のバルク測定により評価される結晶子サイズLcと結晶配向度π002が式(1)を満たす、請求項1または2に記載の炭素繊維束。
π002>4.0×Lc+73.2 ・・・式(1) - 単繊維直径が6.1μm以上である、請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊維束。
- 繊維軸がらせん形状を描いており、該らせんのピッチが22mm/周以下であり、かつ、単繊維弾性率が200GPa以上の炭素繊維を含んでなる炭素繊維束。
- 繊維軸がらせん形状を描いており、該らせんのピッチが22mm/周以下であり、かつ、単繊維弾性率が200GPa以上の炭素繊維。
- ポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維束を耐炎化処理した後、予備炭素化処理、炭素化処理を順に行う炭素繊維束の製造方法であって、炭素化処理中の繊維束の撚り数を46ターン/m以上とする炭素繊維束の製造方法。
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