JP2020070517A - Sizing agent composition, method for producing carbon fiber, and carbon fiber with sizing agent adhered thereto - Google Patents

Sizing agent composition, method for producing carbon fiber, and carbon fiber with sizing agent adhered thereto Download PDF

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Takuya Murakami
拓哉 村上
畳開 真之
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真之 畳開
裕貴 鈴木
Yuki Suzuki
裕貴 鈴木
内藤 猛
Takeshi Naito
猛 内藤
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Abstract

To provide a sizing agent composition providing a carbon fiber allowing for formation of a carbon fiber-reinforced composite material which is excellent in adhesion property between a matrix resin and a carbon fiber and is excellent in mechanical strength.SOLUTION: The sizing agent composition is provided that includes an oxazoline compound (A) and an aliphatic compound (B) having a hydrocarbon group in its side chain. The sizing agent composition further preferably includes an epoxy compound (C). In the present invention, a mixing ratio (mass ratio) of the oxazoline compound (A) is preferably 5-95 wt.%. In addition, the oxazoline compound (A) is preferably water-soluble.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、炭素繊維に用いるサイジング剤組成物、かかるサイジング剤組成物を用いた炭素繊維の製造方法及びサイジング剤付着炭素繊維に関する。   The present invention relates to a sizing agent composition used for carbon fibers, a method for producing carbon fibers using the sizing agent composition, and sizing agent-attached carbon fibers.

炭素繊維は、軽量で比強度および比弾性率に優れ、しかも耐熱性や耐薬品性にも優れていることから、種々のマトリクス樹脂と組み合わせた繊維強化複合材料として、航空機部材、宇宙機部材、自動車部材、船舶部材、土木建築材およびスポーツ用品等の多くの分野に用いられている。このように用途が多岐に広がるにつれ、炭素繊維の高性能化の要望はますます高まってきており、特にスポーツ用や航空機用の炭素繊維には、より高い強度、より高い弾性率が求められている。   Carbon fiber is lightweight, has excellent specific strength and specific elastic modulus, and is also excellent in heat resistance and chemical resistance. Therefore, as a fiber reinforced composite material combined with various matrix resins, aircraft members, spacecraft members, It is used in many fields such as automobile parts, ship parts, civil engineering and construction materials, and sports equipment. With such a wide range of applications, there is an increasing demand for higher performance of carbon fibers. Particularly, carbon fibers for sports and aircraft are required to have higher strength and higher elastic modulus. There is.

炭素繊維を用いた複合材料において、炭素繊維の優れた特性を活かすには、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性が優れることが重要である。しかし、炭素繊維は、マトリクス樹脂との接着性が必ずしも十分ではなく、その表面を活性化させるため、薬剤酸化処理、気相酸化処理、電解酸化処理等の表面酸化処理が施されている。しかし、炭素繊維の弾性率が高くなるに伴って、このような表面酸化処理による炭素繊維表面の活性化反応は起こりにくくなる傾向があり、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性の改善が求められている。また、炭素繊維は伸度が小さくかつ脆い性質を有するために、炭素繊維長繊維の集合体である炭素繊維束は、機械的摩擦等によって毛羽が発生しやすい。   In the composite material using carbon fibers, it is important that the adhesiveness between the carbon fibers and the matrix resin is excellent in order to utilize the excellent properties of the carbon fibers. However, the carbon fiber does not necessarily have sufficient adhesiveness with the matrix resin, and in order to activate the surface thereof, surface oxidation treatment such as chemical oxidation treatment, gas phase oxidation treatment and electrolytic oxidation treatment is performed. However, as the elastic modulus of the carbon fiber increases, the activation reaction of the surface of the carbon fiber due to such surface oxidation treatment tends to occur less easily, and improvement of the adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin is required. ing. Further, since carbon fibers have a small elongation and a brittle property, carbon fiber bundles, which are aggregates of long carbon fibers, tend to cause fuzz due to mechanical friction or the like.

そのため、このような毛羽の発生の抑制等と、炭素繊維とマトリクス樹脂との接着性を高めることを目的として、炭素繊維強化複合材料の製造工程において、炭素繊維にサイジング剤を付与するサイジング処理の検討が行なわれている。   Therefore, in order to suppress the occurrence of such fluff and to improve the adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin, in the manufacturing process of the carbon fiber reinforced composite material, a sizing treatment for imparting a sizing agent to the carbon fiber is performed. A study is underway.

炭素繊維とマトリクス樹脂の接着性を向上させるために、例えば特許文献1には、サイジング剤として末端不飽和基と極性基を共に有する化合物を用いることが、特許文献2ではエポキシ基とビニル基を一分子内に有する化合物をもちいることが、それぞれ提案されている。しかし、これらの化合物を用いても炭素繊維とマトリクス樹脂の接着性は十分満足できるものではない。また、特許文献3にはオキサゾリン化合物を用いたサイジング剤が提案されているが、毛羽の発生の抑制効果が不十分であり、また、接着性も満足できるものではなかった。そのため、炭素繊維とマトリクス樹脂の接着性を向上させると同時に毛羽の発生も抑制できるサイジング剤が求められている。   In order to improve the adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin, for example, Patent Document 1 uses a compound having both a terminal unsaturated group and a polar group as a sizing agent, and Patent Document 2 uses an epoxy group and a vinyl group. It has been proposed to use a compound contained in one molecule. However, even if these compounds are used, the adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin is not sufficiently satisfactory. Further, Patent Document 3 proposes a sizing agent using an oxazoline compound, but the effect of suppressing the generation of fluff is insufficient, and the adhesiveness is not satisfactory. Therefore, there is a demand for a sizing agent that can improve the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin and at the same time suppress the generation of fluff.

特開2004−300267号公報JP, 2004-300267, A 特開2000−355884号公報JP, 2000-355884, A 特開2017−203236号公報JP, 2017-203236, A

本発明の目的はかかる従来技術の欠点を改良し、マトリクス樹脂と炭素繊維の接着性に優れ、機械的強度の優れた炭素繊維強化複合材料を形成しうる炭素繊維を与えるサイジング剤組成物を提供する事にある。   The object of the present invention is to improve the above-mentioned drawbacks of the prior art and to provide a sizing agent composition which provides a carbon fiber capable of forming a carbon fiber reinforced composite material having excellent adhesion between a matrix resin and carbon fiber and excellent mechanical strength There is something to do.

本発明のサイジング剤組成物は、(A)オキサゾリン化合物と(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物を含むサイジング剤組成物である。本発明のサイジング剤組成物は、さらに(C)エポキシ化合物を含むことが好ましい。本発明において、(A)オキサゾリン化合物の混合比率(質量比)は、5〜95wt%であることが好ましい。また、本発明において(A)オキサゾリン化合物は、水溶性であることが好ましい。   The sizing agent composition of the present invention is a sizing agent composition containing (A) an oxazoline compound and (B) an aliphatic compound having a hydrocarbon group in a side chain. The sizing agent composition of the present invention preferably further contains (C) an epoxy compound. In the present invention, the mixing ratio (mass ratio) of the (A) oxazoline compound is preferably 5 to 95 wt%. Further, in the present invention, the (A) oxazoline compound is preferably water-soluble.

本発明には、前記本発明のサイジング剤を炭素繊維に塗布する炭素繊維の製造方法および、それにより得られる炭素繊維、かかる炭素繊維とマトリクス樹脂からなる炭素繊維複合材料を包含する。   The present invention includes a method for producing carbon fibers by applying the sizing agent of the present invention to carbon fibers, carbon fibers obtained thereby, and a carbon fiber composite material comprising such carbon fibers and a matrix resin.

本発明のサイジング剤組成物を用いると、繊維とマトリクス樹脂との接着性が向上し、機械的強度に優れた繊維強化複合材料を得ることができる。   When the sizing agent composition of the present invention is used, the adhesion between the fiber and the matrix resin is improved, and a fiber-reinforced composite material having excellent mechanical strength can be obtained.

本発明のサイジング剤組成物は、少なくとも(A)オキサゾリン化合物と(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物を含むサイジング剤組成物である。   The sizing agent composition of the present invention is a sizing agent composition containing at least (A) an oxazoline compound and (B) an aliphatic compound having a hydrocarbon group in a side chain.

本発明においてオキサゾリン化合物とは、オキサゾリン基を含有している化合物である。オキサゾリン基は、水やアルコール性水酸基とは反応しない一方で、カルボキシル基やフェノール性水酸基、芳香族チオールなどと反応し共有結合を形成することができる。そのため、オキサゾリン化合物は、サイジング剤組成物として十分な保存安定性を有する一方、繊維の表面やマトリクス樹脂中に含まれる官能基、特にフェノール性水酸基やカルボン酸とオキサゾリン基が反応することで、繊維とマトリクス樹脂との接着性を向上させることができる。そのため、本発明のサイジング剤を付与した繊維を複合材料に用いると、機械的強度に優れた繊維強化複合材料を得ることが出来る。   In the present invention, the oxazoline compound is a compound containing an oxazoline group. The oxazoline group does not react with water or an alcoholic hydroxyl group, but can react with a carboxyl group, a phenolic hydroxyl group, an aromatic thiol or the like to form a covalent bond. Therefore, the oxazoline compound has sufficient storage stability as a sizing agent composition, while the functional group contained in the surface of the fiber or the matrix resin, particularly the phenolic hydroxyl group or the carboxylic acid reacts with the oxazoline group to give the fiber. The adhesiveness between the matrix resin and the matrix resin can be improved. Therefore, when the fiber provided with the sizing agent of the present invention is used in a composite material, a fiber reinforced composite material having excellent mechanical strength can be obtained.

さらに、本発明のサイジング剤組成物は、(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物を含んでいる。(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物を含むことで、繊維束の擦過耐性を向上させることができ、毛羽の発生を抑制することができる。そのため、本発明のサイジング剤を付与することで、マトリクス樹脂との接着性に優れるとともに、毛羽の発生が少ない繊維束を得ることができる。このような繊維束を複合材料に用いると、機械的強度に優れた繊維強化複合材料を得ることが出来る。   Furthermore, the sizing agent composition of the present invention contains (B) an aliphatic compound having a hydrocarbon group in the side chain. By including (B) the aliphatic compound having a hydrocarbon group in the side chain, it is possible to improve the scratch resistance of the fiber bundle and suppress the generation of fluff. Therefore, by providing the sizing agent of the present invention, it is possible to obtain a fiber bundle that is excellent in adhesiveness with the matrix resin and has less fuzz. When such a fiber bundle is used in a composite material, a fiber reinforced composite material having excellent mechanical strength can be obtained.

本発明で用いる(A)オキサゾリン化合物は、オキサゾリン基を含有している化合物であれば特に制限はないが、オキサゾリン基を2つ以上有する化合物であることが好ましい。更に、好ましくは側鎖にオキサゾリン基を有するポリマーである。多くのオキサゾリン基を有することで、繊維とマトリクス樹脂との接着性をより向上させることができる。繊維とマトリクス樹脂との接着性の観点から、(A)オキサゾリン化合物が有するオキサゾリン基の量は、0.01〜13mmol/gであることが好ましく、0.1〜10mmol/gであることがより好ましい。   The oxazoline compound (A) used in the present invention is not particularly limited as long as it is a compound containing an oxazoline group, but is preferably a compound having two or more oxazoline groups. Further, it is preferably a polymer having an oxazoline group in its side chain. By having many oxazoline groups, the adhesiveness between the fiber and the matrix resin can be further improved. From the viewpoint of the adhesiveness between the fiber and the matrix resin, the amount of the oxazoline group contained in the (A) oxazoline compound is preferably 0.01 to 13 mmol / g, and more preferably 0.1 to 10 mmol / g. preferable.

側鎖にオキサゾリン環を有するポリマーを用いる場合、その数平均分子量は500以上であることが好ましく、800〜100000であることがより好ましく、1000〜50000であることがさらに好ましく、5000〜30000であることが特に好ましい。また、その主骨格は、特に制限はないが、オレフィン系重合体、アクリル系重合体、スチレン系重合体などのビニル系重合体が好ましく、中でも、オレフィン系重合体、アクリル系重合体などの脂肪族ビニル系重合体であることが、毛羽の発生が少ない繊維束を得やすいため好ましい。   When a polymer having an oxazoline ring in its side chain is used, its number average molecular weight is preferably 500 or more, more preferably 800 to 100,000, further preferably 1,000 to 50,000, and more preferably 5,000 to 30,000. Is particularly preferable. The main skeleton is not particularly limited, but is preferably a vinyl polymer such as an olefin polymer, an acrylic polymer, or a styrene polymer, and above all, a fat such as an olefin polymer or an acrylic polymer. A vinyl group-based polymer is preferable because it is easy to obtain a fiber bundle with less fuzz.

本発明において、(A)オキサゾリン化合物の混合比率(質量比)は、サイジング剤組成物に含まれる不揮発性成分の全量に対して、1〜95wt%であることが好ましく、5〜30wt%であることがより好ましい。   In the present invention, the mixing ratio (mass ratio) of the (A) oxazoline compound is preferably 1 to 95 wt%, and preferably 5 to 30 wt% with respect to the total amount of the nonvolatile components contained in the sizing agent composition. Is more preferable.

本発明において(A)オキサゾリン化合物は、水溶性であることが好ましい。水溶性の化合物を用いると、サイジング剤溶液をより均一に繊維に付着させることができ、オキサゾリン化合物が、繊維表面のカルボキシル基やフェノール性水酸基とより均一に反応できるため、繊維とサイジング剤の接着性が向上し、その結果、繊維とマトリクス樹脂の接着性も向上するため好ましい。また、(A)オキサゾリン化合物のガラス転移温度(T)、ガラス転移温度(T)を持たない場合はその溶融温度は、200℃以下であることが好ましい。200℃以下であれば、サイジング剤を繊維に付与した後の、繊維束の乾燥時にかかる熱で液化し、より均一に繊維に付着させることができるため好ましい。 In the present invention, the (A) oxazoline compound is preferably water-soluble. When a water-soluble compound is used, the sizing agent solution can be more uniformly adhered to the fiber, and the oxazoline compound can react more uniformly with the carboxyl groups and phenolic hydroxyl groups on the fiber surface, so the adhesion of the fiber and the sizing agent Is improved, and as a result, the adhesiveness between the fiber and the matrix resin is also improved, which is preferable. Further, when the glass transition temperature (T g ) of the oxazoline compound (A) does not have a glass transition temperature (T g ), its melting temperature is preferably 200 ° C. or lower. It is preferable that the temperature is 200 ° C. or lower, because after the sizing agent is applied to the fibers, it can be liquefied by the heat applied during the drying of the fiber bundle and more uniformly adhered to the fibers.

本発明で用いる(A)オキサゾリン化合物は、特に制限はないが、より具体的には、株式会社日本触媒社製の水溶性オキサゾリン系反応ポリマーであるエポクロスのWSシリーズ、WS−300、WS−500、WS−700等が挙げられる。   The (A) oxazoline compound used in the present invention is not particularly limited, but more specifically, it is a water-soluble oxazoline-based reactive polymer Epocros WS series, WS-300, WS-500 manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd. , WS-700 and the like.

本発明において、(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物は、特に制限はないが、例えば、側鎖に炭化水素を有するポリオキシアルキレン系化合物、脂肪族ポリエステル系化合物、ポリオレフィン系化合物などがあげられる。これらの中でも、側鎖に炭化水素を有するポリオキシアルキレン系化合物が好ましい。側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物として、特に分子量の制限はないが、重合体を用いることが好ましい。側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物として重合体を用いる場合、側鎖に炭化水素基を有する単量体の単独重合体であってもよく、側鎖に炭化水素基を有する単量体と、炭化水素基を有さない単量体の共重合体であってもよい。側鎖に炭化水素基を有する単量体と、炭化水素基を有さない単量体の共重合体であることがより好ましい。共重合体を用いる場合、共重合体としてはランダム共重合体、ブロック共重合体のいずれも用いることができる。   In the present invention, the aliphatic compound having a hydrocarbon group in the side chain (B) is not particularly limited, but for example, a polyoxyalkylene compound having a hydrocarbon in the side chain, an aliphatic polyester compound, a polyolefin compound Etc. Among these, polyoxyalkylene compounds having a hydrocarbon in the side chain are preferable. The aliphatic compound having a hydrocarbon group on its side chain is not particularly limited in molecular weight, but a polymer is preferably used. When a polymer is used as the aliphatic compound having a hydrocarbon group in the side chain, it may be a homopolymer of a monomer having a hydrocarbon group in the side chain, or a monomer having a hydrocarbon group in the side chain. And a copolymer of monomers having no hydrocarbon group. A copolymer of a monomer having a hydrocarbon group in the side chain and a monomer having no hydrocarbon group is more preferable. When using a copolymer, either a random copolymer or a block copolymer can be used as the copolymer.

本発明で用いる(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物としては、特に制限されるものではないが、具体的には、第一工業製薬株式会社製エパン410、エパン420、エパン450、エパン485、エパン680、エパン710、エパン720、エパン740、エパン750、エパン785、エパンU−103、エパンU−105、エパンU−108、日油株式会社製プロノン#102、プロノン#104、プロノン#201、プロノン#202B、プロノン#204、プロノン#208、ユニルーブ70DP−600B、ユニルーブ70DP−950B、三洋化成工業社性ニューポールPE−61、ニューポールPE−62、ニューポールPE−64、ニューポールPE−68、ニューポールPE−71、ニューポールPE−74、ニューポールPE−75、ニューポールPE−78、ニューポールPE−108、松本油脂株式会社製ウーポールU、トメノリンF等が挙げられる。   The aliphatic compound having a hydrocarbon group in the side chain (B) used in the present invention is not particularly limited, but specifically, Daipan Kogyo Seiyaku Co., Ltd., Epan 410, Epan 420, Epan 450. , Epan 485, Epan 680, Epan 710, Epan 720, Epan 740, Epan 750, Epan 785, Epan U-103, Epan U-105, Epan U-108, Pronon # 102, Pronon # 104 manufactured by NOF CORPORATION, Pronon # 201, Pronon # 202B, Pronon # 204, Pronon # 208, Unilube 70DP-600B, Unilube 70DP-950B, Sanyo Kasei Kogyo New Pole PE-61, New Pole PE-62, New Pole PE-64, New Pole PE-68, New Pole PE-71, New Pole PE-74 New Pole PE-75, New Pole PE-78, New Pole PE-108, by Matsumoto Yushi Co., Ltd. Uporu U, Tomenorin F, and the like.

本発明において(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物の混合比率(質量比)は、サイジング剤組成物に含まれる不揮発性成分の全量に対して、1〜99wt%であることが好ましく、5〜95wt%であることがより好ましい。   In the present invention, the mixing ratio (mass ratio) of the aliphatic compound (B) having a hydrocarbon group in the side chain is 1 to 99 wt% with respect to the total amount of the nonvolatile components contained in the sizing agent composition. It is more preferably from 5 to 95 wt%.

本発明のサイジング剤組成物は、さらに(C)エポキシ化合物を含むことが好ましい。エポキシ化合物は、繊維表面および(A)オキサゾリン化合物と親和性が高く、サイジング剤組成物の繊維束への含侵性を高めることができる。そのため、サイジング剤溶液をより均一に繊維に付着させることができ、繊維とサイジング剤の接着性が向上し、その結果、繊維とマトリクス樹脂の接着性も向上するため好ましい。さらにエポキシ基を含有する事で炭素繊維上の官能基やマトリクス樹脂に含まれる官能基等との反応により、炭素繊維と樹脂の接着性が向上する。本発明において、(C)エポキシ化合物の混合比率(質量比)は、サイジング剤組成物に含まれる不揮発性成分の全量に対して、95wt%以下であることが好ましく、20〜90wt%であることがより好ましい。   The sizing agent composition of the present invention preferably further contains (C) an epoxy compound. The epoxy compound has a high affinity with the fiber surface and the (A) oxazoline compound, and can enhance the impregnation of the sizing agent composition into the fiber bundle. Therefore, the sizing agent solution can be more uniformly adhered to the fibers, the adhesion between the fibers and the sizing agent is improved, and as a result, the adhesion between the fibers and the matrix resin is also improved, which is preferable. Further, by containing an epoxy group, the adhesiveness between the carbon fiber and the resin is improved by the reaction with the functional group on the carbon fiber or the functional group contained in the matrix resin. In the present invention, the mixing ratio (mass ratio) of the (C) epoxy compound is preferably 95 wt% or less, and preferably 20 to 90 wt% with respect to the total amount of the nonvolatile components contained in the sizing agent composition. Is more preferable.

本発明に用いる(C)エポキシ化合物は、液状のエポキシ化合物を用いることが好ましい。液状の化合物を用いると、繊維束にサイジング剤を均一に付与しやすい。また、(C)エポキシ化合物は脂肪族骨格を有する事が好ましい。脂肪族骨格を有するエポキシ化合物を用いることで、より摩擦を低減することができ、繊維束の耐擦過性を向上させることができる。(C)エポキシ化合物としては、特に制限されるものではないが、例えば、ナガセケムテクス株式会社製デナコール EX−611、EX−612、EX−614、EX−614B、EX−622、EX−512、EX−521、EX−411、EX−421、EX−313、EX−314、EX−321、EX−811、EX−851、EX−821、EX−832、EX−841、EX−861、EX−911、EX−941、EX−920、EX−931等が具体的に挙げられる。   It is preferable to use a liquid epoxy compound as the (C) epoxy compound used in the present invention. When a liquid compound is used, it is easy to uniformly apply the sizing agent to the fiber bundle. Further, the epoxy compound (C) preferably has an aliphatic skeleton. By using the epoxy compound having an aliphatic skeleton, the friction can be further reduced and the abrasion resistance of the fiber bundle can be improved. The (C) epoxy compound is not particularly limited, but for example, Denacol EX-611, EX-612, EX-614, EX-614B, EX-622, EX-512, manufactured by Nagase Chemtex Co., Ltd., EX-521, EX-411, EX-421, EX-313, EX-314, EX-321, EX-811, EX-851, EX-821, EX-832, EX-841, EX-861, EX-. Specific examples thereof include 911, EX-941, EX-920, and EX-931.

(C)エポキシ化合物としては、官能基としてエポキシ基のみを含有する化合物だけでなく、ウレタン変性エポキシ化合物のような変性物を用いてもよい。エポキシ化合物として変性物を用いる場合、中でもウレタン変性エポキシ化合物を用いることが好ましい。エポキシ化合物として、ウレタン変性エポキシ化合物を用いた場合、ウレタンの柔軟性により、糸にかかる応力を緩和し、同様に擦過耐性を付与する事が出来る。ウレタン変性エポキシ化合物は、エポキシ基と水酸基を有する化合物とイソシアネート化合物を反応させる事によって得られる化合物であり、例えば、株式会社ADEKA社製EPU−6、EPU−7N、EPU−11F、EPU−15F、EPU−1395、EPU−1527、EPU−1753、EPU−73B、EPU−17、EPU−17T−6、EPU−80、DIC株式会社製HYDRAN N320等が具体的に挙げられる。   As the epoxy compound (C), not only a compound containing only an epoxy group as a functional group but also a modified product such as a urethane-modified epoxy compound may be used. When the modified product is used as the epoxy compound, it is preferable to use the urethane-modified epoxy compound. When a urethane-modified epoxy compound is used as the epoxy compound, the flexibility of the urethane can relieve the stress applied to the yarn and similarly impart rubbing resistance. The urethane-modified epoxy compound is a compound obtained by reacting a compound having an epoxy group and a hydroxyl group with an isocyanate compound, and for example, EPU-6, EPU-7N, EPU-11F, EPU-15F manufactured by ADEKA CORPORATION. Specific examples thereof include EPU-1395, EPU-1527, EPU-1753, EPU-73B, EPU-17, EPU-17T-6, EPU-80, and HYDRAN N320 manufactured by DIC Corporation.

本発明において、サイジング剤組成物は、炭素繊維の取扱性や、耐擦過性、耐毛羽性、含浸性を向上させるため、分散剤、界面活性剤等の補助成分を添加しても良い。   In the present invention, the sizing agent composition may contain auxiliary components such as a dispersant and a surfactant in order to improve the handling property of the carbon fiber, scratch resistance, fluff resistance and impregnation property.

上記のような本発明のサイジング剤組成物を用いると、繊維とマトリクス樹脂との接着性が向上し、機械的強度に優れた繊維強化複合材料を得ることができる。   When the sizing agent composition of the present invention as described above is used, the adhesiveness between the fiber and the matrix resin is improved, and a fiber-reinforced composite material having excellent mechanical strength can be obtained.

本発明のサイジング剤組成物を付着させる強化繊維は、特に制限されるものではないが、複数のフィラメント(単糸)が集合した繊維束として使用される場合に、特に顕著な効果が得られる。繊維束を構成するフィラメントの構成本数としては、本発明では、10本以上であれば繊維束状態と定義されるが、100本以上であることが好ましく、さらには1,000〜100,000本であることが好ましい。サイジング剤付着繊維が炭素繊維である場合には、生産性の観点などから3,000〜80,000本であることが好ましく、さらには6,000本〜50,000本の範囲であることが好ましい。繊維束を構成するフィラメントの本数が少ないと、繊維束の柔軟性が増してハンドリング性が向上する傾向がある一方、強化繊維の生産性が低下する傾向にある。一方、本数が多い場合には繊維束の生産が困難になる場合があり、また、サイジング剤が十分に処理されにくい傾向にある。   The reinforcing fiber to which the sizing agent composition of the present invention is attached is not particularly limited, but a particularly remarkable effect is obtained when used as a fiber bundle in which a plurality of filaments (single yarns) are aggregated. In the present invention, the number of filaments constituting the fiber bundle is defined as a fiber bundle state if it is 10 or more, but it is preferably 100 or more, and more preferably 1,000 to 100,000. Is preferred. When the sizing agent-attached fibers are carbon fibers, from the viewpoint of productivity, the number is preferably 3,000 to 80,000, and more preferably 6,000 to 50,000. preferable. When the number of filaments constituting the fiber bundle is small, the flexibility of the fiber bundle tends to increase and the handling property tends to improve, while the productivity of the reinforcing fiber tends to decrease. On the other hand, when the number of fibers is large, it may be difficult to produce fiber bundles, and the sizing agent tends to be insufficiently treated.

繊維束の全体形状としては扁平繊維束であることが好ましい。繊維束が扁平繊維束であると、繊維束の内部にまで塗布したサイジング剤、及びその後の複合材料とした時に用いるマトリクス樹脂が、より拡散しやすくなる。繊維束の扁平率(繊維束の幅/厚み)としては10倍以上、特には50〜400倍の範囲にあることが好ましい。   The overall shape of the fiber bundle is preferably a flat fiber bundle. When the fiber bundle is a flat fiber bundle, the sizing agent applied even to the inside of the fiber bundle and the matrix resin used in the subsequent composite material are more likely to diffuse. The flatness of the fiber bundle (width / thickness of the fiber bundle) is preferably 10 times or more, particularly preferably 50 to 400 times.

このような繊維束の幅としては5mm以上であることが好ましく、10〜100mmの範囲であることが特に好ましい。また繊維束の長さには特に限定はなく、連続繊維であっても、不連続繊維であってもよい。不連続繊維として用いる場合、その繊維長としては1〜100mmの範囲であることが好ましい。さらには5〜50mmの範囲であることがより好ましい。   The width of such a fiber bundle is preferably 5 mm or more, and particularly preferably in the range of 10 to 100 mm. The length of the fiber bundle is not particularly limited, and may be continuous fibers or discontinuous fibers. When used as a discontinuous fiber, its fiber length is preferably in the range of 1 to 100 mm. More preferably, it is in the range of 5 to 50 mm.

本発明で用いる繊維(単糸)の平均直径としては、0.001〜100μmの範囲が好ましく、3〜20μmの範囲がより好ましい。さらに好ましい平均直径の範囲としては4〜15μm、特に好ましい範囲は、5〜10μmである。繊維径が小さすぎると、繊維成分が嵩高くなり、繊維の体積分率を高くしにくくなる傾向がある。一方、繊維径が大きすぎると、高い強度を有する繊維を得にくくなる傾向がある。繊維径が上記の範囲であると、機械強度に優れた複合材料を得ることができる。   The average diameter of the fibers (single yarn) used in the present invention is preferably in the range of 0.001 to 100 μm, more preferably in the range of 3 to 20 μm. A more preferable average diameter range is 4 to 15 μm, and a particularly preferable range is 5 to 10 μm. If the fiber diameter is too small, the fiber component becomes bulky, and it tends to be difficult to increase the volume fraction of the fiber. On the other hand, if the fiber diameter is too large, it tends to be difficult to obtain fibers having high strength. When the fiber diameter is in the above range, a composite material having excellent mechanical strength can be obtained.

本発明のサイジング剤組成物を強化繊維に付着させる方法としては、特に制限はないが、サイジング剤溶液を調整し、サイジング剤溶液を繊維に付着させる方法(サイジング処理)が好ましい。サイジング剤組成物を希釈する溶媒としては、特に制限はないが、水であることが好ましい。また、界面活性剤を用いて乳化させ、サイジング剤水分散液(エマルジョン溶液)を調整し、サイジングする方法も好ましい。   The method of attaching the sizing agent composition of the present invention to the reinforcing fibers is not particularly limited, but a method of preparing a sizing agent solution and attaching the sizing agent solution to the fibers (sizing treatment) is preferable. The solvent for diluting the sizing agent composition is not particularly limited, but water is preferable. A method of emulsifying with a surfactant to prepare an aqueous dispersion of sizing agent (emulsion solution) and sizing is also preferable.

サイジング剤水分散液を調整する場合、界面活性剤は、特に制限されるものではなく、アニオン系、カチオン系、ノニオン系界面活性剤等を用いることができる。中でもノニオン系界面活性剤が、乳化性能および分散液の安定性の観点から好ましい。   When preparing the aqueous dispersion of the sizing agent, the surfactant is not particularly limited, and anionic, cationic, nonionic surfactants and the like can be used. Of these, nonionic surfactants are preferable from the viewpoint of emulsification performance and stability of the dispersion liquid.

ノニオン系界面活性剤としては、ポリエチレングリコール型(高級アルコールエチレンオキサイド付加物、アルキルフェノールエチレンオキサイド付加物、脂肪酸エチレンオキサイド付加物、ポリプロピレングリコールエチレンオキサイド付加物等)、多価アルコール型(グリセリンの脂肪酸エステル、ソルビトール脂肪酸エステル、脂肪酸アルカノールアミド等)等の界面活性剤が挙げられる。   As the nonionic surfactant, polyethylene glycol type (higher alcohol ethylene oxide adduct, alkylphenol ethylene oxide adduct, fatty acid ethylene oxide adduct, polypropylene glycol ethylene oxide adduct, etc.), polyhydric alcohol type (fatty acid ester of glycerin, Surfactants such as sorbitol fatty acid ester and fatty acid alkanolamide).

乳化方法としては、撹拌翼を具備したバッチを用いる方法、ボールミルを用いる方法、振とう器を用いる方法、ガウリンホモジナイザ等の高せん断乳化機を用いる方法等が挙げられる。   Examples of the emulsification method include a method using a batch equipped with a stirring blade, a method using a ball mill, a method using a shaker, and a method using a high shear emulsifier such as a Gaulin homogenizer.

また、界面活性剤の添加量は、サイジング剤組成物を乳化できれば特に制限はなく、通常0.1〜30質量%程度添加すればよい。   The amount of the surfactant added is not particularly limited as long as it can emulsify the sizing agent composition, and it is usually about 0.1 to 30% by mass.

サイジング処理する方法の例としては、サイジング剤液に繊維を接触させる方法が挙げられる。具体的には、サイジング剤液中にロールの一部を浸漬させ表面転写した後、このロールに繊維を接触させてサイジング剤水溶液を付着させるタッチロール式、繊維を直接サイジング剤液に浸漬させ、その後必要に応じてニップロールを通過させてサイジング剤液の付着量を制御する浸漬方式等が挙げられる。   As an example of the method of sizing treatment, a method of bringing fibers into contact with a sizing agent liquid can be mentioned. Specifically, after a part of the roll is immersed in the sizing agent liquid and surface-transferred, a touch roll type in which fibers are brought into contact with the roll to adhere the sizing agent aqueous solution, and the fibers are directly immersed in the sizing agent liquid, Then, a dipping method in which the amount of the sizing agent liquid deposited is controlled by passing it through a nip roll as needed is mentioned.

また、繊維から溶媒を除去する方法に限定はなく、熱処理、風乾、遠心分離等の様々な手段を併用しても良い。コストの観点から熱処理が好ましく、熱処理の加熱手段としては、例えば、熱風、熱板、ローラー、赤外線ヒーター等を使用することが出来る。   Further, the method of removing the solvent from the fiber is not limited, and various means such as heat treatment, air drying, and centrifugation may be used in combination. From the viewpoint of cost, heat treatment is preferable, and as the heating means for heat treatment, for example, hot air, hot plate, roller, infrared heater or the like can be used.

本発明のサイジング剤組成物を付着させる繊維としては、マトリクス樹脂を補強することができる各種の強化繊維を挙げることができる。具体的には、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、炭化ケイ素繊維などの各種無機繊維、芳香族ポリアミド繊維(アラミド繊維)、ポリエチレン繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、ポリブチレンテレフタレート繊維、ポリエチレンナフタレート繊維、ポリアリレート繊維、ポリアセタール繊維、ポリベンゾオキサゾール繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリケトン繊維、ポリベンゾイミダゾール繊維等の各種有機遷移を好ましく挙げることができる。中でも本発明のサイジング剤組成物は、炭素繊維、ガラス繊維、芳香族ポリアミド繊維に好ましく用いることができ、炭素繊維に用いた場合、特に優れた効果を示す。   Examples of fibers to which the sizing agent composition of the present invention is attached include various reinforcing fibers capable of reinforcing the matrix resin. Specifically, various inorganic fibers such as carbon fiber, glass fiber, ceramic fiber, silicon carbide fiber, aromatic polyamide fiber (aramid fiber), polyethylene fiber, polyethylene terephthalate fiber, polybutylene terephthalate fiber, polyethylene naphthalate fiber, poly Various organic transitions such as arylate fibers, polyacetal fibers, polybenzoxazole fibers, polyphenylene sulfide fibers, polyketone fibers, and polybenzimidazole fibers can be preferably mentioned. Among them, the sizing agent composition of the present invention can be preferably used for carbon fibers, glass fibers and aromatic polyamide fibers, and when used for carbon fibers, it exhibits a particularly excellent effect.

本発明のもう一つの態様である炭素繊維の製造方法は、上記サイジング剤組成物を炭素繊維に付与する炭素繊維の製造方法であり、本発明のさらなる態様であるサイジング剤付着炭素繊維は、上記本発明のサイジング剤組成物が付着した炭素繊維である。本発明の炭素繊維を構成する炭素繊維は特に制限が無く、ピッチ系、レーヨン系、ポリアクリロニトリル(PAN)系等何れの炭素繊維も使用できるが、操作性、工程通過性、及び機械強度等を鑑みるとPAN系が好ましい。炭素繊維の繊度、強度等の特性も特に制限が無く、公知の何れの炭素繊維も制限無く使用できる。PAN系の炭素繊維は、例えば、以下の方法により製造することができる。   A method for producing a carbon fiber according to another aspect of the present invention is a method for producing a carbon fiber by applying the sizing agent composition to a carbon fiber, and the sizing agent-attached carbon fiber according to a further aspect of the present invention is It is a carbon fiber to which the sizing agent composition of the present invention is attached. The carbon fiber constituting the carbon fiber of the present invention is not particularly limited, and any carbon fiber such as pitch-based, rayon-based, polyacrylonitrile (PAN) -based can be used, but operability, process passability, mechanical strength, etc. In view of this, the PAN system is preferable. The characteristics such as fineness and strength of the carbon fiber are not particularly limited, and any known carbon fiber can be used without limitation. The PAN-based carbon fiber can be produced, for example, by the following method.

<前駆体繊維>
本発明の炭素繊維の製造方法に用いる前駆体繊維は、アクリロニトリルを90質量%以上、好ましくは95質量%以上含有し、その他の単量体を10質量%以下含有する単量体を単独又は共重合した紡糸溶液を紡糸して製造する、アクリル系前駆体繊維が好ましい。その他の単量体としてはイタコン酸、(メタ)アクリル酸エステル等が例示される。紡糸後の原料繊維を、水洗、乾燥、延伸、オイリング処理することにより、前駆体繊維が得られる。このとき、トータル延伸倍率が5〜15倍になるようスチーム延伸する。前駆体繊維のフィラメント数は、製造効率の面では1000フィラメント以上が好ましく、6000フィラメント以上がより好ましい。
<Precursor fiber>
The precursor fiber used in the method for producing a carbon fiber of the present invention contains acrylonitrile in an amount of 90% by mass or more, preferably 95% by mass or more, and a monomer containing 10% by mass or less of other monomers alone or in combination. Acrylic precursor fibers produced by spinning a polymerized spinning solution are preferred. Examples of the other monomer include itaconic acid and (meth) acrylic acid ester. The precursor fiber is obtained by washing the raw material fiber after spinning with water, drying, stretching and oiling. At this time, steam drawing is performed so that the total draw ratio becomes 5 to 15 times. From the viewpoint of production efficiency, the number of filaments of the precursor fiber is preferably 1000 filaments or more, more preferably 6000 filaments or more.

<耐炎化処理>
得られた前駆体繊維は、200〜260℃、延伸比0.90〜1.00で耐炎化前に予備熱処理され、引き続き加熱空気中200〜260℃で10〜100分間耐炎化処理される。この時の処理は、一般的に、延伸倍率0.85〜1.15の範囲で処理されるが、高強度・高弾性率の炭素繊維を得るためには、0.95以上がより好ましい。この耐炎化処理は、前駆体繊維を酸化された繊維とするものであり、耐炎化時の張力(延伸配分)は特に限定されるものでは無い。耐炎化処理工程では、前駆体繊維の繊維密度が1.34〜1.38g/cmとなるまで耐炎化処理を行うことが好ましい。
<Flame resistance treatment>
The obtained precursor fiber is preheated at 200 to 260 ° C and a draw ratio of 0.90 to 1.00 before flameproofing, and subsequently subjected to flameproofing treatment in heated air at 200 to 260 ° C for 10 to 100 minutes. The treatment at this time is generally performed at a draw ratio in the range of 0.85 to 1.15, but 0.95 or more is more preferable in order to obtain a carbon fiber having high strength and high elastic modulus. In this flameproofing treatment, the precursor fiber is an oxidized fiber, and the tension (stretch distribution) at the time of flameproofing is not particularly limited. In the flameproofing process, it is preferable to carry out the flameproofing process until the fiber density of the precursor fiber becomes 1.34 to 1.38 g / cm 3 .

<第一炭素化処理>
上記耐炎化繊維は、従来の公知の方法を採用して炭素化することができる。例えば、窒素雰囲気下300〜800℃で第一炭素化炉で徐々に温度を高めると共に、耐炎化繊維の張力を制御して緊張下で1段目の第一炭素化をする。
<First carbonization treatment>
The flame resistant fiber can be carbonized by adopting a conventionally known method. For example, the temperature is gradually increased in a first carbonization furnace at 300 to 800 ° C. under a nitrogen atmosphere, and the tension of the flameproof fiber is controlled to perform the first carbonization in the first stage under tension.

<第二炭素化処理>
より炭素化を進め且つグラファイト化(炭素の高結晶化)を進める為に、窒素等の不活性ガス雰囲気下800〜1600℃で第二炭素化炉で徐々に温度を高めると共に、第一炭素化繊維の張力を制御して焼成する。
<Second carbonization treatment>
In order to further promote carbonization and graphitization (higher crystallization of carbon), the temperature is gradually increased in a second carbonization furnace at 800 to 1600 ° C. in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen, and the first carbonization is performed. Firing is performed by controlling the tension of the fiber.

なお、各炭素化炉において、炉の入り口付近からに急激な温度変化、例えば最高温度に急激に繊維を導入することは、表面欠陥、内部欠陥を多く発生させるため好ましくない。また、炉内の高温部で必要以上に滞留時間が長くなると、グラファイト化が進み過ぎ、脆性化した炭素繊維が得られることになるので好ましくない。上記第一炭素化処理〜第二炭素化工程は、張力をコントロールすると共に、必要に応じて、複数の炉で所定の物性となるように処理を行っても良い。より高い弾性率が求められる場合は、さらに2000〜3000℃の高温で黒鉛化処理を行ってもよい。   In each carbonization furnace, it is not preferable to drastically change the temperature near the entrance of the furnace, for example, to rapidly introduce the fiber to the maximum temperature because many surface defects and internal defects are generated. Further, if the residence time becomes longer than necessary in the high temperature portion of the furnace, graphitization will proceed excessively and brittle carbon fibers will be obtained, which is not preferable. In the first carbonization process to the second carbonization process, the tension may be controlled and, if necessary, a process may be performed in a plurality of furnaces so that the physical properties are predetermined. When a higher elastic modulus is required, the graphitization treatment may be further performed at a high temperature of 2000 to 3000 ° C.

<表面酸化処理>
上記炭素繊維は、電解液中で表面酸化処理を施すことが好ましい。表面処理を行うことで、炭素繊維の表面に官能基を導入することができ、サイジング剤およびマトリクス樹脂との接着性を高めることができる。
<Surface oxidation treatment>
The carbon fiber is preferably subjected to surface oxidation treatment in an electrolytic solution. By performing the surface treatment, a functional group can be introduced on the surface of the carbon fiber, and the adhesiveness with the sizing agent and the matrix resin can be enhanced.

表面処理で炭素繊維にかかる電気量は、目的の表面官能基量になるよう適時調節すればよいが、炭素繊維1gに対して10〜500クーロンになる範囲とすることが好ましい。炭素繊維1gにかかる電気量をこの範囲で調節すると、繊維としての力学的特性に優れ、かつ、樹脂との接着性の向上した炭素繊維を得やすい。一方、炭素繊維1gにかかる電気量が10クーロン未満では、樹脂との接着性が低下しやすい傾向にあり、500クーロンを越えると、過剰な処理により、繊維強度が低下しやすい傾向にある。   The amount of electricity applied to the carbon fibers by the surface treatment may be adjusted appropriately so as to obtain the desired amount of surface functional groups, but it is preferably in the range of 10 to 500 coulombs per 1 g of the carbon fibers. When the amount of electricity applied to 1 g of carbon fiber is adjusted within this range, it is easy to obtain carbon fiber having excellent mechanical properties as a fiber and having improved adhesiveness with resin. On the other hand, when the amount of electricity applied to 1 g of carbon fiber is less than 10 coulombs, the adhesiveness to the resin tends to be lowered, and when it exceeds 500 coulombs, the fiber strength tends to be lowered due to excessive treatment.

電解液としては、無機酸または無機塩基及び無機塩類の水溶液を用いることが好ましい。電解質として、例えば、硫酸、硝酸などの強酸を用いると表面処理の効率がよく好ましい。また、電解質として、例えば、硫酸アンモニウムや炭酸水素ナトリウムなどの無機塩類を用いると、無機酸や無機塩基を用いる場合と比較して、電解液の危険性が低いため好ましい。   As the electrolytic solution, it is preferable to use an aqueous solution of an inorganic acid or an inorganic base and inorganic salts. It is preferable to use a strong acid such as sulfuric acid or nitric acid as the electrolyte because the surface treatment is efficient. Further, it is preferable to use, for example, an inorganic salt such as ammonium sulfate or sodium hydrogencarbonate as the electrolyte because the risk of the electrolytic solution is lower than that when an inorganic acid or an inorganic base is used.

電解液の電解質濃度は0.1規定以上が好ましく、0.1〜1規定がより好ましい。電解質濃度が0.1未満であると、電気伝導度が低いために、電解に適さない傾向があり、一方で、電解質濃度が高すぎる場合は、電解質が析出し、濃度の安定性が低くなる傾向がある。   The electrolyte concentration of the electrolytic solution is preferably 0.1 N or higher, more preferably 0.1 to 1 N. If the electrolyte concentration is less than 0.1, it tends to be unsuitable for electrolysis due to its low electrical conductivity, while if the electrolyte concentration is too high, the electrolyte will precipitate and the stability of the concentration will become low. Tend.

電解液の温度は、高いほど電気伝導性を向上させるため、処理を促進させることができる。一方で、電解液の温度が40℃を超えると、水分の蒸発による濃度の変動等により、時間変動なく均一な条件を提供するのが難しくなるため、15〜40℃の間が好ましい。   The higher the temperature of the electrolytic solution is, the higher the electric conductivity is, so that the treatment can be accelerated. On the other hand, when the temperature of the electrolytic solution exceeds 40 ° C., it is difficult to provide uniform conditions without time fluctuations due to fluctuations in concentration due to evaporation of water and the like.

<サイジング処理>
表面処理された炭素繊維は、サイジング液に通され、上記のサイジング剤組成物が付与される。サイジング液におけるサイジング剤の濃度は、10〜25質量%が好ましく、サイジング剤の付着量は、0.1〜10質量%が好ましく、より好ましくは、0.2〜5質量%、さらに好ましくは、0.5〜2質量%である。サイジング剤付与処理は、サイジング剤を溶剤に溶解したサイジング溶液、乳化剤等を用いて得られる水系エマルジョン溶液などのサイジング溶液を炭素繊維に付与することが好ましい。サイジング溶液の溶媒は、特に制限はないが、水であることが好ましい。付与方法としては特に制限がなく、炭素繊維をサイジング溶液に浸漬する浸漬法や、スプレーで吹き付けるスプレー法、キスタッチローラーなどを用いる接触法などが用いられる。中でも、炭素繊維をサイジング溶液に浸漬する浸漬法を用いることが好ましい。また、炭素繊維の取扱性や、耐擦過性、耐毛羽性、含浸性を向上させるため、分散剤、界面活性剤等の補助成分をサイジング剤に添加しても良い。
<Sizing process>
The surface-treated carbon fiber is passed through a sizing liquid, and the above sizing agent composition is applied thereto. The concentration of the sizing agent in the sizing liquid is preferably 10 to 25% by mass, and the amount of the sizing agent deposited is preferably 0.1 to 10% by mass, more preferably 0.2 to 5% by mass, and further preferably It is 0.5 to 2 mass%. In the sizing agent application treatment, it is preferable to apply the sizing solution such as a sizing solution in which a sizing agent is dissolved in a solvent or an aqueous emulsion solution obtained by using an emulsifier to carbon fibers. The solvent of the sizing solution is not particularly limited, but water is preferable. The application method is not particularly limited, and an immersion method in which carbon fibers are immersed in a sizing solution, a spray method in which a carbon fiber is sprayed, a contact method using a kiss touch roller, or the like is used. Above all, it is preferable to use the dipping method in which the carbon fiber is dipped in the sizing solution. In addition, auxiliary components such as a dispersant and a surfactant may be added to the sizing agent in order to improve the handleability, abrasion resistance, fluff resistance and impregnation of the carbon fiber.

<乾燥処理>
サイジング処理後の炭素繊維は、サイジング処理時の溶媒や分散媒であった水等を蒸散させるため乾燥処理が施され、サイジング剤が付与された炭素繊維が得られる。乾燥にはエアドライヤーを用いることが好ましい。乾燥温度は特に限定されるものではないが、汎用的な水系エマルジョンの場合は通常100〜180℃に設定される。かかる乾燥処理は、分散媒除去後の熱処理を兼ねていてもよく、また、本発明においては、乾燥工程の後、熱処理工程を経ることも可能である。乾燥(分散媒除去)後の熱処理を行うことで、化合物(A)のオキサゾリン基と、繊維表面の官能基とを反応させ架橋構造を生成させることができ、繊維の表面とサイジング剤をより強く接着させることができる。乾燥(分散媒除去)後の熱処理の温度は、(A)オキサゾリン化合物のガラス転移温度(T)、ガラス転移温度(T)を持たない場合はその溶融温度(T)以上の温度であることが好ましく、より好ましくは、TまたはT+10℃〜TまたはT+300℃の範囲、特に好ましくは、TまたはT+20℃〜TまたはT+200℃の範囲である。
<Drying process>
The carbon fiber after the sizing treatment is subjected to a drying treatment in order to evaporate water, which was a solvent or a dispersion medium at the time of the sizing treatment, to obtain a carbon fiber to which a sizing agent is added. It is preferable to use an air dryer for drying. The drying temperature is not particularly limited, but it is usually set to 100 to 180 ° C. in the case of a general-purpose aqueous emulsion. Such a drying treatment may also serve as a heat treatment after removing the dispersion medium, and in the present invention, a heat treatment step may be performed after the drying step. By performing a heat treatment after drying (dispersion medium removal), it is possible to react the oxazoline group of the compound (A) with the functional group on the fiber surface to form a crosslinked structure, and to strengthen the fiber surface and the sizing agent more strongly. Can be glued. Drying temperature of the heat treatment after (dispersion medium removed) is a glass transition temperature (T g), glass transition temperature (T g) of the case not having its melting temperature (T m) or more temperatures (A) oxazoline compound It is preferable that it is in the range of T g or T m + 10 ° C. to T g or T m + 300 ° C., particularly preferably in the range of T g or T m + 20 ° C. to T g or T m + 200 ° C. ..

このようにして得られた炭素繊維を用い、マトリックス樹脂と組み合わせ、例えば、オートクレーブ成形、プレス成形、樹脂トランスファー成形、フィラメントワインディング成形など、公知の手段・方法により複合材料が得られる。   The carbon fiber thus obtained is used in combination with a matrix resin to obtain a composite material by known means / methods such as autoclave molding, press molding, resin transfer molding, and filament winding molding.

本発明のさらなる態様である炭素繊維複合材料は、上記の炭素繊維とマトリクス樹脂からなる炭素繊維複合材料である。   A carbon fiber composite material which is a further embodiment of the present invention is a carbon fiber composite material comprising the above-mentioned carbon fibers and a matrix resin.

本発明の炭素繊維複合材料に用いる炭素繊維は、シート状の強化繊維材料として用いることが好ましい。シート状の材料とは、繊維材料を一方向にシート状に引き揃えたもの、繊維材料を織編物や不織布等の布帛に成形したもの、多軸織物等が挙げられる。不織布として用いる場合、連続繊維からなる不織布であってもよく、不連続繊維からなる不織布であってもよい。シート状強化繊維材料として用いる場合、その目付としては25〜10000g/mとすることが好ましい。 The carbon fiber used in the carbon fiber composite material of the present invention is preferably used as a sheet-shaped reinforcing fiber material. Examples of the sheet-shaped material include a material obtained by aligning a fiber material in a sheet shape in one direction, a material obtained by molding the fiber material into a fabric such as a woven or knitted fabric or a non-woven fabric, and a multiaxial woven fabric. When used as a non-woven fabric, it may be a non-woven fabric composed of continuous fibers or a non-continuous fiber. When used as a sheet-shaped reinforcing fiber material, the basis weight is preferably 25 to 10,000 g / m 2 .

マトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂が用いられる。熱硬化性マトリックス樹脂の具体例として、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、マレイミド樹脂とシアン酸エステル樹脂の予備重合樹脂、ビスマレイミド樹脂、アセチレン末端を有するポリイミド樹脂及びポリイソイミド樹脂、ナジック酸末端を有するポリイミド樹脂等を挙げることができる。これらは1種又は2種以上の混合物として用いることもできる。中でも、耐熱性、弾性率、耐薬品性に優れたエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂が、特に好ましい。これらの熱硬化性樹脂には、硬化剤、硬化促進剤以外に、通常用いられる着色剤や各種添加剤等が含まれていてもよい。   A thermosetting resin or a thermoplastic resin is used as the matrix resin. Specific examples of the thermosetting matrix resin include epoxy resin, unsaturated polyester resin, phenol resin, vinyl ester resin, cyanate ester resin, urethane acrylate resin, phenoxy resin, alkyd resin, urethane resin, maleimide resin and cyanate ester resin. Examples of the prepolymerized resin, bismaleimide resin, acetylene-terminated polyimide resin and polyisoimide resin, and nadic acid-terminated polyimide resin. These may be used alone or as a mixture of two or more. Of these, epoxy resins and vinyl ester resins having excellent heat resistance, elastic modulus, and chemical resistance are particularly preferable. In addition to the curing agent and the curing accelerator, these thermosetting resins may contain a commonly used coloring agent, various additives, and the like.

熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリアミド、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンオキシド、熱可塑性ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリアクリロニトリル、ポリアラミド、ポリベンズイミダゾール等が挙げられる。   Examples of the thermoplastic resin include polypropylene, polysulfone, polyether sulfone, polyether ketone, polyether ether ketone, aromatic polyamide, aromatic polyester, aromatic polycarbonate, polyetherimide, polyarylene oxide, thermoplastic polyimide, polyamide. , Polyamideimide, polyacetal, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyacrylonitrile, polyaramid, polybenzimidazole and the like.

本発明のサイジング剤組成物は、特に、不飽和ポリエステルやビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂をマトリクス樹脂として組み合わせた場合、炭素繊維とマトリクス樹脂の接着性をより向上させることができ、機械的強度により優れた炭素繊維複合材料を得ることが出来る。   The sizing agent composition of the present invention can further improve the adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin, particularly when a thermosetting resin such as unsaturated polyester, vinyl ester resin, or epoxy resin is combined as the matrix resin. It is possible to obtain a carbon fiber composite material excellent in mechanical strength.

複合材料中に占める樹脂組成物の含有率は、10〜90重量%、好ましくは20〜60重量%、更に好ましくは25〜45重量%である。   The content of the resin composition in the composite material is 10 to 90% by weight, preferably 20 to 60% by weight, and more preferably 25 to 45% by weight.

このようにして得られる本発明の炭素繊維強化複合材料は、繊維とマトリクス樹脂との接着性に優れ、機械的強度に優れた繊維強化複合材料である。   The carbon fiber-reinforced composite material of the present invention thus obtained is a fiber-reinforced composite material having excellent adhesiveness between fibers and matrix resin and excellent mechanical strength.

以下に実施例を示して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限定されるものではない。なお、各炭素繊維の諸物性は以下の方法にて測定した。   The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. The physical properties of each carbon fiber were measured by the following methods.

(1)サイジング剤付着量の評価
サイジング剤の付着量は、処理を行った1.0mのサイジング剤付着繊維束を2本採取し、これらを窒素雰囲気下10℃/分で550℃に昇温後、同温度で10分間焼成し、重量減少した分をサイジング剤の付着量として次式で算出した。
サイジング剤の付着量=(a−b)/b×100 [%]
a:焼成処理前の繊維重量 [g]
b:焼成処理後の繊維重量 [g]
(1) Evaluation of sizing agent adhesion amount The sizing agent adhesion amount was obtained by collecting two treated 1.0 m sizing agent adhesion fiber bundles and heating them to 550 ° C. at 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere. After that, it was baked at the same temperature for 10 minutes, and the weight reduction amount was calculated as the amount of the sizing agent attached by the following formula.
Adhesion amount of sizing agent = (ab) / b × 100 [%]
a: fiber weight before firing [g]
b: Fiber weight after firing [g]

(2)MPFの評価
サイジング剤付着炭素繊維束を200gの張力をかけながら、5本のピンガイドの間を50フィート/分の速度で2分間走行させた後、125gの重りを乗せたウレタンシートの間を通し、ウレタンシートに留まった炭素繊維量を測定し、次式にて算出した。MPFの値は、60以下であることが好ましく、30以下であることがより好ましい。
MPF値(μg/ft)=補足毛羽量(μg)/評価繊維束長(ft)
(2) Evaluation of MPF
The sizing agent-attached carbon fiber bundle was run at a speed of 50 ft / min for 2 minutes between the five pin guides while applying a tension of 200 g, and then passed through a urethane sheet carrying a weight of 125 g to carry out urethane. The amount of carbon fibers retained in the sheet was measured and calculated by the following formula. The MPF value is preferably 60 or less, more preferably 30 or less.
MPF value (μg / ft) = supplementary fluff amount (μg) / evaluated fiber bundle length (ft)

(3)界面せん断強度(マイクロドロップレット法)
ビニルエステル樹脂として昭和電工株式会社製ビニルエステル樹脂 リポキシH−600(製品名)を100重量部、過酸化物硬化剤1重量部、触媒としてナフテン酸コバルト0.5部に調製されたマトリクス用樹脂を使用して、マイクロドロップレット法により界面せん断強度を測定した。
(3) Interfacial shear strength (microdroplet method)
As a vinyl ester resin, 100 parts by weight of a vinyl ester resin Lipoxy H-600 (product name) manufactured by Showa Denko KK, 1 part by weight of a peroxide curing agent, and 0.5 parts of cobalt naphthenate as a catalyst are prepared as matrix resins. Was used to measure the interfacial shear strength by the microdroplet method.

[サイジング剤組成物]
サイジング剤組成物は、以下の化合物を下記のように適宜混合して作成した。
化合物(A)オキサゾリン化合物
・エポクロス:株式会社日本触媒社製 エポクロス WS−700(製品名)、アクリル主鎖骨格のオキサゾリン環含有ポリマー、オキサゾリン基量:4.5mmol/g、T:50℃、数平均分子量(M) 20000
化合物(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物
・ウーポールU:松本油脂製薬株式会社製 ウーポールU(製品名)、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコールランダムポリマー
・トメノリンF:松本油脂製薬株式会社製 トメノリンF(製品名)、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコールブロックポリマー
・エパンU−103:第一工業製薬株式会社製 エパンU−103(製品名)、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレングリコール
化合物(C)エポキシ化合物
・N320:DIC株式会社製 HYDRAN N320(製品名)、ウレタン変性エポキシ化合物
・EX−931:ナガセケムテックス株式会社製 デナコール EX―931(製品名)、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル
・EX−321:ナガセケムテックス株式会社製 デナコール EX−321(製品名)、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテル
[Sizing agent composition]
The sizing agent composition was prepared by appropriately mixing the following compounds as described below.
Compound (A) Oxazoline compound-Epocros: Epocros WS-700 (product name) manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd., oxazoline ring-containing polymer having an acrylic main chain skeleton, oxazoline group amount: 4.5 mmol / g, T g : 50 ° C., Number average molecular weight (M n ) 20000
Compound (B) Aliphatic compound having a hydrocarbon group in the side chain-Woopol U: Matsumoto Yushi-Seiyaku Co., Ltd. Wopol U (product name), polyoxyethylene polyoxypropylene glycol random polymer-Tomenoline F: Matsumoto Yushi-Seiyaku Co., Ltd. Tomenorin F (product name), polyoxyethylene polyoxypropylene glycol block polymer-Epan U-103: Daipan Kogyo Co., Ltd. Epan U-103 (product name), polyoxyethylene polyoxypropylene glycol compound (C) Epoxy compound-N320: HYDRAN N320 (product name) manufactured by DIC Corporation, urethane-modified epoxy compound-EX-931: Denacol EX-931 (product name) manufactured by Nagase Chemtex Corporation, polypropylene glycol diglycidyl ether-EX -321: Denacol EX-321 (product name) manufactured by Nagase Chemtex Co., Ltd., trimethylolpropane polyglycidyl ether

[実施例1]
(A)オキサゾリン化合物としてエポクロス WS−700、(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物としてウーポールU、(C)エポキシ化合物としてウレタン変性エポキシ化合物であるN320を有効成分比(質量比)10/10/80で混合してサイジング溶液とした。
[Example 1]
(A) Epocros WS-700 as the oxazoline compound, (B) Wopol U as the aliphatic compound having a hydrocarbon group in the side chain, and (C) the urethane-modified epoxy compound N320 as the epoxy compound are effective component ratios (mass ratio). Mixed at 10/10/80 to obtain a sizing solution.

ポリアクリロニトリル繊維を、空気中250℃で耐炎化処理を行った後、窒素ガス雰囲気下、最高温度650℃で低温炭素化させた。その後、窒素雰囲気下1300℃で高温炭素化させて製造した炭素繊維を、10wt%の硫酸アンモニウム水溶液を用い電解酸化により表面処理を行い、未サイジング処理炭素繊維束(引張強度:4300MPa、引張弾性率:240GPa、フィラメント数:24000本)を得た。得られた未サイジングの炭素繊維を、上記サイジング剤を水で希釈したサイジング浴に連続的に浸漬させ、サイジング剤の付着量が1wt%となるようにサイジング剤を付与した。その後雰囲気温度160℃の熱風乾燥機で水を除去するとともに熱処理を行い、サイジング剤付着炭素繊維を得た。サイジング剤の付着量は1.14%であった。得られた炭素繊維は、毛羽がとても少なく取扱性に優れた炭素繊維であった。また樹脂との接着性もとても高く、大変優れた特性の複合材料が得られた。   The polyacrylonitrile fiber was subjected to flameproofing treatment at 250 ° C. in air and then carbonized at a maximum temperature of 650 ° C. in a nitrogen gas atmosphere. Then, the carbon fiber produced by high-temperature carbonization at 1300 ° C. in a nitrogen atmosphere is subjected to surface treatment by electrolytic oxidation using a 10 wt% ammonium sulfate aqueous solution, and an unsized carbon fiber bundle (tensile strength: 4300 MPa, tensile elastic modulus: 240 GPa, number of filaments: 24000) was obtained. The obtained unsized carbon fiber was continuously immersed in a sizing bath prepared by diluting the above sizing agent with water, and the sizing agent was applied so that the amount of the sizing agent deposited was 1 wt%. After that, water was removed and heat treatment was performed with a hot air dryer having an ambient temperature of 160 ° C. to obtain a sizing agent-attached carbon fiber. The attached amount of the sizing agent was 1.14%. The obtained carbon fiber had very little fluff and was excellent in handleability. In addition, the adhesiveness with resin was also very high, and a composite material with very excellent properties was obtained.

[実施例2]
(A)オキサゾリン化合物としてエポクロス WS−700、(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物としてウーポールU、(C)エポキシ化合物としてN320を有効成分比(質量比)5/10/85で混合してサイジング溶液とした以外は実施例1と同様にしてサイジング処理を行った。サイジング剤の付着量は1.05%であった。(A)オキサゾリン化合物の比率が5%である実施例2では、毛羽が少なく取扱い性に優れた炭素繊維であった。また樹脂との接着性が高く、優れた特性の複合材料が得られた。
[Example 2]
(A) Epocros WS-700 as an oxazoline compound, (B) Woopol U as an aliphatic compound having a hydrocarbon group in a side chain, and (C) N320 as an epoxy compound at an effective component ratio (mass ratio) of 5/10/85. A sizing treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that the sizing solution was mixed. The amount of the sizing agent attached was 1.05%. In Example 2 in which the ratio of the (A) oxazoline compound was 5%, the carbon fiber had few fluffs and was excellent in handleability. Further, a composite material having high adhesiveness with a resin and excellent characteristics was obtained.

[実施例3]
(A)オキサゾリン化合物としてエポクロス WS−700、(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物としてトメノリンFを有効成分比(質量比)90/10で混合してサイジング溶液とした以外は実施例1と同様にサイジング処理を行った。サイジング剤の付着量は1.22%であった。得られた炭素繊維は、毛羽が少なく取扱性に優れた炭素繊維であった。また樹脂との接着性も高く、優れた特性の複合材料が得られた。
[Example 3]
(A) Epocros WS-700 is used as the oxazoline compound, and (B) Tomenolin F is used as the aliphatic compound having a hydrocarbon group in the side chain at an active ingredient ratio (mass ratio) of 90/10 to prepare a sizing solution. Sizing treatment was performed in the same manner as in Example 1. The attached amount of the sizing agent was 1.22%. The obtained carbon fiber had few fluff and was excellent in handleability. Moreover, the adhesiveness with resin was also high, and a composite material having excellent characteristics was obtained.

[実施例4]
(A)オキサゾリン化合物としてエポクロス WS−700、(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物としてエパンU−103、(C)エポキシ化合物としてEX−931を有効成分比(質量比)18.75/25/56.25で混合してサイジング溶液とした以外は実施例1と同様にしてサイジング処理を行った。サイジング剤の付着量は0.7%であった。(A)オキサゾリン化合物の比率が18.75%である実施例4では、毛羽が若干多かったものの樹脂との接着性が高く、優れた特性の複合材料が得られた。
[Example 4]
(A) Epocros WS-700 as an oxazoline compound, (B) Epan U-103 as an aliphatic compound having a hydrocarbon group in the side chain, and (C) an EX-931 as an epoxy compound in an effective component ratio (mass ratio). The sizing treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that the sizing solution was mixed at 75/25 / 56.25. The amount of the sizing agent attached was 0.7%. In Example 4 in which the proportion of the oxazoline compound (A) was 18.75%, a composite material having a high amount of fluff but high adhesiveness with the resin and excellent characteristics was obtained.

[実施例5]
(A)オキサゾリン化合物としてエポクロス WS−700、(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物としてエパンU−103、(C)エポキシ化合物としてEX−931、EX−321を有効成分比(質量比)18.75/25/37.5/18.75で混合してサイジング溶液とした以外は実施例1と同様にサイジング処理を行った。サイジング剤の付着量は0.76%であった。(A)オキサゾリン化合物の比率が18.75%である実施例5では、毛羽が若干多かったものの接着性が高く、優れた特性の複合材料が得られた。
[Example 5]
(A) Epocros WS-700 as an oxazoline compound, (B) Epan U-103 as an aliphatic compound having a hydrocarbon group in the side chain, (C) EX-931, EX-321 as an epoxy compound are effective component ratios (mass). The sizing treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that the sizing solution was prepared by mixing the components at a ratio of 18.75 / 25 / 37.5 / 3.75. The amount of the sizing agent attached was 0.76%. In Example 5 in which the ratio of the (A) oxazoline compound was 18.75%, a composite material having a high amount of fluff but high adhesiveness and excellent properties was obtained.

Figure 2020070517
Figure 2020070517

[比較例1]
サイジング剤として(A)オキサゾリン化合物を用いず、(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物としてウーポールU、(C)エポキシ化合物としてウレタン変性エポキシ化合物のN320を有効成分比(質量比)90/10の割合で混合してサイジング溶液とした。サイジング剤として、(A)オキサゾリン化合物を用いていない比較例1で得られた炭素繊維は、マイクロドロップレットの値が46MPaと実施例1に比べ低く、樹脂との接着性が不十分であり、複合材料の特性が劣っていた。
[Comparative Example 1]
(A) Oxazoline compound is not used as the sizing agent, and (B) Upol U is used as the aliphatic compound having a hydrocarbon group in the side chain, and (C) The epoxy compound N320 of the urethane-modified epoxy compound is used as an effective component ratio (mass ratio). The mixture was mixed at a ratio of 90/10 to obtain a sizing solution. The carbon fiber obtained in Comparative Example 1 which did not use the (A) oxazoline compound as a sizing agent had a microdroplet value of 46 MPa, which was lower than that in Example 1, and had insufficient adhesiveness with a resin. The composite material had inferior properties.

[比較例2]
サイジング剤として(A)オキサゾリン化合物を用いず、(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物としてエパンU−103、(C)エポキシ化合物としてEX−931、EX−321を有効成分比(質量比)25/45/30の割合で混合してサイジング溶液とした。サイジング剤として、(A)オキサゾリン化合物を用いていない比較例2では、収束性が悪く取扱い性に劣ると共に、マイクロドロップレットの値が49MPaと実施例1に比べ低く、樹脂との接着性が不十分だった。
[Comparative example 2]
Without using the (A) oxazoline compound as the sizing agent, (B) Epan U-103 as the aliphatic compound having a hydrocarbon group in the side chain, (C) the epoxy compound EX-931, EX-321 as the active ingredient ratio ( (Mass ratio) 25/45/30 were mixed to obtain a sizing solution. In Comparative Example 2 in which the (A) oxazoline compound was not used as the sizing agent, the convergence was poor and the handleability was poor, and the value of the microdroplet was 49 MPa, which was lower than that in Example 1, and the adhesiveness to the resin was poor. It was enough.

[比較例3]
(A)オキサゾリン化合物であるエポクロス WS−700のみをサイジング溶液とした。サイジング剤として、(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物を含まず、(A)オキサゾリン化合物のみを使用した比較例3では、実施例に比べ接着性が低く、さらに糸が硬く取扱い性が劣ると共にMPFの値が200μg/ftととても高く毛羽の多い品位の悪い炭素繊維であった。
[Comparative Example 3]
(A) Only Epocros WS-700, which is an oxazoline compound, was used as a sizing solution. In Comparative Example 3 in which the (B) aliphatic compound having a hydrocarbon group in the side chain was not used as the sizing agent and only the (A) oxazoline compound was used, the adhesiveness was lower than in the Examples, and the yarn was hard and handled. The carbon fiber was inferior in properties and had a very high MPF value of 200 μg / ft and was fluffy and poor in quality.

Figure 2020070517
Figure 2020070517

本発明のサイジング剤を付与された炭素繊維を用いて作製した炭素繊維強化複合材料マトリクス樹脂との接着性に優れるため、機械物性に優れた炭素繊維強化複合材料を得る事が可能である。   Since the carbon fiber-reinforced composite material produced by using the carbon fiber to which the sizing agent of the present invention is applied has excellent adhesiveness with the matrix resin, it is possible to obtain a carbon fiber-reinforced composite material having excellent mechanical properties.

Claims (8)

少なくとも(A)オキサゾリン化合物と(B)側鎖に炭化水素基を有する脂肪族化合物を含むことを特徴とするサイジング剤組成物。   A sizing agent composition comprising at least (A) an oxazoline compound and (B) an aliphatic compound having a hydrocarbon group in a side chain. 更に(C)エポキシ化合物を含む請求項1に記載のサイジング剤組成物。   The sizing agent composition according to claim 1, further comprising (C) an epoxy compound. 前記(A)オキサゾリン化合物の比率が5〜95wt%である請求項1または2に記載のサイジング剤組成物。   The sizing agent composition according to claim 1 or 2, wherein the ratio of the (A) oxazoline compound is 5 to 95 wt%. 前記(A)オキサゾリン化合物が、水溶性である請求項1〜3のいずれか1項に記載のサイジング剤組成物。   The sizing agent composition according to claim 1, wherein the (A) oxazoline compound is water-soluble. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のサイジング剤を炭素繊維に塗布する炭素繊維の製造方法。   A method for producing carbon fibers, which comprises applying the sizing agent according to any one of claims 1 to 4 to carbon fibers. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のサイジング剤が付着した炭素繊維。   A carbon fiber to which the sizing agent according to any one of claims 1 to 4 is attached. サイジング剤の付着量が炭素繊維に対して0.1〜10質量%である請求項6に記載の炭素繊維。   The carbon fiber according to claim 6, wherein the amount of the sizing agent attached is 0.1 to 10 mass% with respect to the carbon fiber. 請求項6または7のいずれかに記載の炭素繊維とマトリクス樹脂からなる炭素繊維複合材料。   A carbon fiber composite material comprising the carbon fiber according to claim 6 and a matrix resin.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2020189465A1 (en) * 2019-03-20 2020-09-24 帝人株式会社 Carbon fiber bundle with sizing agent

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