JP2022022787A - Sizing agent composition - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭素繊維に用いるサイジング剤組成物に関する。 The present invention relates to a sizing agent composition used for 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。 Since carbon fiber is lightweight, has excellent specific strength and specific elastic modulus, and is also excellent in heat resistance and chemical resistance, carbon fiber can be used as a fiber-reinforced composite material combined with various matrix resins, such as aircraft members and spacecraft members. It is used in many fields such as automobile parts, ship parts, civil engineering and building materials, and sporting goods. With such a wide range of applications, the demand for higher performance of carbon fiber is increasing, and carbon fiber for sports and aircraft in particular is 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ためには、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。もともと炭素繊維は、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に薬剤酸化処理、気相酸化処理、電解酸化処理といった表面酸化処理が施されている。 In a 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. Originally, carbon fibers do not necessarily have sufficient adhesiveness to the matrix resin, and are subjected to surface oxidation treatments such as chemical oxidation treatment, vapor phase oxidation treatment, and electrolytic oxidation treatment in order to activate the surface thereof.
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。 As the elastic modulus of the carbon fiber increases, the activation reaction of the carbon fiber surface by such surface oxidation treatment tends to be less likely to occur, and improvement of the adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin is required. ..
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。このため、毛羽の発生の抑制等を目的として、炭素繊維強化複合材料の製造工程において、炭素繊維束にサイジング剤を付与するサイジング処理が施されている。このサイジング処理によって炭素繊維束に集束性を付与することができ、毛羽の発生を抑えることができる。 Since carbon fibers have low elongation and brittle properties, the carbon fiber bundle, which is an aggregate of long carbon fiber fibers, tends to generate fluff due to mechanical friction or the like. Therefore, for the purpose of suppressing the generation of fluff, a sizing treatment for applying a sizing agent to the carbon fiber bundle is performed in the manufacturing process of the carbon fiber reinforced composite material. By this sizing treatment, the carbon fiber bundle can be imparted with a focusing property, and the generation of fluff can be suppressed.
このような毛羽の発生の抑制を目的に施されていたサイジング処理に対して、近年は、炭素繊維とマトリクス樹脂との接着性を高める効果を付与する検討が行なわれている。炭素繊維とマトリクス樹脂との接着性を向上させるために、これまでに、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(特許文献1)、エポキシ基とビニル基を一分子内に有する化合物を用いること(特許文献2)、が提案されている。 In recent years, studies have been conducted to impart the effect of enhancing the adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin to the sizing treatment, which has been performed for the purpose of suppressing the generation of fluff. In order to improve the adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin, a compound having both a terminal unsaturated group and a polar group has been used as a sizing agent (Patent Document 1), and one molecule of an epoxy group and a vinyl group has been used. It has been proposed to use the compound contained therein (Patent Document 2).
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との接着性は十分に満足できるものではない。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サイジング剤が求められている。 However, even if these compounds are used, the adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin is not sufficiently satisfactory. Therefore, there is a demand for a sizing agent that improves the adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin.
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得る炭素繊維束を与えるサイジング剤組成物を提供することにあり、特に、不飽和ポリエステルやビニルエステル樹脂等のラジカル重合性の熱硬化性樹脂をマトリクス樹脂とする複合材料においてマトリクス
樹脂と炭素繊維との接着性に優れた炭素繊維強化複合材料を形成し得る炭素繊維束を与えるサイジング剤組成物を提供することにある。
An object of the present invention is a sizing agent composition which improves the drawbacks of the prior art and provides a carbon fiber bundle capable of forming a carbon fiber reinforced composite material having excellent adhesion between a matrix resin and carbon fibers and excellent mechanical strength. In particular, in a composite material using a radically polymerizable thermosetting resin such as unsaturated polyester or vinyl ester resin as a matrix resin, a carbon fiber reinforced composite having excellent adhesion between the matrix resin and carbon fibers is provided. It is an object of the present invention to provide a sizing agent composition which provides a carbon fiber bundle capable of forming a material.
本発明は、(A)ブロックイソシアネート化合物と(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を含有する化合物とを含むサイジング剤組成物であって、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を含有する化合物のDTA測定における発熱量が100μJ/mg以上であることを特徴とする、サイジング剤組成物である。 The present invention is a sizing agent composition containing (A) a blocked isocyanate compound and (B) a compound containing at least two unsaturated groups at the terminal in one molecule, wherein (B) the terminal in one molecule. It is a sizing agent composition characterized by having a calorific value of 100 μJ / mg or more in the DTA measurement of a compound containing at least two unsaturated groups.
本発明によれば、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得る炭素繊維束を与えるサイジング剤組成物を提供することができ、特に、不飽和ポリエステルやビニルエステル樹脂等のラジカル重合性の熱硬化性樹脂をマトリクス樹脂とする複合材料においてマトリクス樹脂と炭素繊維との接着性に優れた炭素繊維強化複合材料を形成し得る炭素繊維束を与えるサイジング剤組成物を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a sizing agent composition that provides a carbon fiber bundle capable of forming a carbon fiber reinforced composite material having excellent adhesion between a matrix resin and carbon fibers and having excellent mechanical strength, and in particular, A carbon fiber bundle capable of forming a carbon fiber reinforced composite material having excellent adhesion between the matrix resin and carbon fiber in a composite material using a radically polymerizable thermosetting resin such as unsaturated polyester or vinyl ester resin as a matrix resin. A sizing agent composition to be given can be provided.
以下、本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.
〔(A)ブロックイソシアネート化合物〕
本発明のサイジング剤組成物のブロックイソシアネート化合物は、イソシアネート基がブロック剤により保護された化合物であり、加熱によりイソシアネート基を保護していたブロック剤が乖離し、活性なイソシアネートを発生する化合物である。本発明においては、(A)ブロックイソシアネートは、イソシアネート基を2つ以上有するイソシアネートからなるブロックイソシアネート化合物であることが好ましい。
[(A) Blocked isocyanate compound]
The blocked isocyanate compound of the sizing agent composition of the present invention is a compound in which the isocyanate group is protected by the blocking agent, and the blocking agent that protects the isocyanate group is separated by heating to generate active isocyanate. .. In the present invention, the (A) blocked isocyanate is preferably a blocked isocyanate compound composed of an isocyanate having two or more isocyanate groups.
この(A)ブロックイソシアネート化合物は、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を含有する化合物とともに用いても、サイジング剤組成物として十分な保存安定性を得ることができる。さらに、サイジング剤組成物を炭素繊維に付与した後、特定の温度以上に加熱することにより、意図したタイミングで(A)ブロックイソシアネート化合物のイソシアネート基と、繊維表面の官能基とを反応させ共有結合(架橋構造)を生成させることができ、炭素繊維の表面を、不飽和基を有する反応生成物で被覆することができる。これにより、炭素繊維とマトリクス樹脂との接着性、特に不飽和ポリエステルやビニルエステル樹脂などのラジカル反応性の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出来る。 Even when this (A) blocked isocyanate compound is used together with (B) a compound containing at least two unsaturated groups at the terminal in one molecule, sufficient storage stability can be obtained as a sizing agent composition. Further, by applying the sizing agent composition to the carbon fiber and then heating it to a specific temperature or higher, the isocyanate group of the (A) blocked isocyanate compound reacts with the functional group on the fiber surface at the intended timing to form a covalent bond. A (bridged structure) can be generated and the surface of the carbon fiber can be coated with a reaction product having an unsaturated group. As a result, the adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin, particularly the adhesiveness with the radically reactive matrix resin such as unsaturated polyester and vinyl ester resin, is improved, and a fiber-reinforced composite material having excellent mechanical strength can be obtained. Can be done.
本発明において(A)ブロックイソシアネート化合物は、脂肪族骨格を有する化合物であることが好ましい。この(A)ブロックイソシアネート化合物の前駆体となるイソシアネート化合物として、例えばアルキレンジイソシアネート、ジメチルジフェニルジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、メタフェニレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、ポリメチレンポリフェニルイソシアネート、トリフェニルメタントリイソシアネートといったポリイソシアネート化合物、これらポリイソシアネート化合物と活性水素原子を2個以上有する化合物、例えばトリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール等とをイソシアネート基(-NCO)とヒドロキシル基(-OH)の比が1を超えるモル比で反応させて得られる末端イソシアネート基含有のポリオールアダクトポリイソシアネート化合物を挙げることができる。中でも、アルキレンジイソシアネートなどの脂肪族骨格を有する化合物であることが、架橋反応後の分子鎖の自由度が高く、炭素繊維の単繊維の間に適度な拘束力を与え、炭素繊維の取扱い性とマトリクス樹脂との接着性を両立させやすいため好ましい。 In the present invention, the (A) blocked isocyanate compound is preferably a compound having an aliphatic skeleton. Examples of the isocyanate compound as a precursor of the (A) blocked isocyanate compound include polyisocyanate compounds such as alkylene diisocyanate, dimethyldiphenyldiisocyanate, tolylene diisocyanate, metaphenylenedi isocyanate, diphenylmethane diisocyanate, polymethylene polyphenyl isocyanate and triphenylmethane triisocyanate. , These polyisocyanate compounds and compounds having two or more active hydrogen atoms, such as trimethylolpropane, pentaerythritol, etc., are reacted at a molar ratio in which the ratio of isocyanate group (-NCO) to hydroxyl group (-OH) exceeds 1. Examples thereof include a polyol adduct polyisocyanate compound containing a terminal isocyanate group. Among them, a compound having an aliphatic skeleton such as alkylene diisocyanate has a high degree of freedom of the molecular chain after the cross-linking reaction, imparts an appropriate binding force between the single fibers of the carbon fibers, and has the handleability of the carbon fibers. It is preferable because it is easy to achieve both adhesion with the matrix resin.
本発明において、(A)ブロックイソシアネート化合物のイソシアネート基を保護するブロック剤の乖離温度は、好ましくは50~250℃、さらに好ましくは100~200℃、特に好ましくは120~180℃である。このような温度で乖離するブロック剤としては、例えば、メチルエチルケトオキシム、アセトキシム、シクロヘキサンオキシム等のオキシム類、アセチルアセトン、ε-カプロラクタムなどのラクタム類、フェノール類、メルカプタンを例示することができる。なかでも比較的簡便な条件で外すことができため、ブロック剤として、メチルエチルケトンオキシム、アセトキシム、シクロヘキサンオキシムといったオキシム類が特に好ましい。 In the present invention, the dissociation temperature of the blocking agent that protects the isocyanate group of the (A) blocked isocyanate compound is preferably 50 to 250 ° C, more preferably 100 to 200 ° C, and particularly preferably 120 to 180 ° C. Examples of the blocking agent that deviates at such a temperature include oximes such as methylethylketooxime, acetone oxime, and cyclohexanone oxime, lactams such as acetylacetone and ε-caprolactam, phenols, and mercaptan. Of these, oximes such as methylethylketone oxime, acetone oxime, and cyclohexane oxime are particularly preferable as the blocking agent because they can be removed under relatively simple conditions.
〔(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を含有する化合物〕
本発明において、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を含有する化合物として、DTA測定における発熱量が100μJ/mg以上である化合物を用いる。発熱量が100μJ/mg以上である化合物を用いることで、自己重合が十分に進行し、炭素繊維束とマトリクス樹脂との接着性、特に不飽和ポリエステルやビニルエステル樹脂などのラジカル反応性の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炭素繊維強化複合材料を得ることができとともに、この生成物により炭素繊維を保護することで耐擦過性に優れた炭素繊維束を得ることができる。
[(B) A compound containing at least two unsaturated groups at the end of one molecule]
In the present invention, (B) as a compound containing at least two unsaturated groups at the end in one molecule, a compound having a calorific value of 100 μJ / mg or more in DTA measurement is used. By using a compound having a calorific value of 100 μJ / mg or more, self-polymerization proceeds sufficiently, and the adhesion between the carbon fiber bundle and the matrix resin, particularly the radically reactive matrix resin such as unsaturated polyester or vinyl ester resin. It is possible to obtain a carbon fiber reinforced composite material with improved adhesiveness to and with excellent mechanical strength, and by protecting the carbon fiber with this product, it is possible to obtain a carbon fiber bundle having excellent scratch resistance. can.
この化合物のDTA測定における発熱量は、100μJ/mg以上、好ましくは300μJ/mg以上である。発熱量が100μJ/mg未満であると、炭素繊維とマトリクス樹脂との強固な接着性を得ることができない。 The calorific value of this compound in the DTA measurement is 100 μJ / mg or more, preferably 300 μJ / mg or more. If the calorific value is less than 100 μJ / mg, strong adhesion between the carbon fiber and the matrix resin cannot be obtained.
この(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を含有する化合物は、不飽和基の含有量が3つ以上であることが好ましい。一分子内の末端に有する不飽和基の数が3つ以上であると、DTA測定における発熱量が多きくなり、自己重合が十分に進行し、炭素繊維とマトリクス樹脂との接着性、特に不飽和ポリエステルやビニルエステル樹脂などのラジカル反応性の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炭素繊維強化複合材料を得ることができ、この生成物により炭素繊維を保護することができ、耐擦過性に優れた炭素繊維束を得ることができる。 The compound (B) containing at least two unsaturated groups at the end in one molecule preferably has an unsaturated group content of three or more. When the number of unsaturated groups at the end of one molecule is 3 or more, the calorific value in the DTA measurement increases, self-polymerization proceeds sufficiently, and the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is particularly poor. Adhesion to radically reactive matrix resins such as saturated polyester and vinyl ester resin is improved, and carbon fiber reinforced composite materials with excellent mechanical strength can be obtained, and this product can protect carbon fibers. It is possible to obtain a carbon fiber bundle having excellent scratch resistance.
この(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を含有する化合物のDTA測定における発熱開始温度は、好ましくは150℃以上200℃以下である。この範囲に発熱開始温度を有する化合物を用いることで、サイジング後の熱処理により、自己重合することができ、炭素繊維の表面を、不飽和基を有する反応生成物で被覆することができる。これにより、炭素繊維とマトリクス樹脂との接着性、特に不飽和ポリエステルやビニルエステル樹脂などのラジカル反応性の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炭素繊維強化複合材料を得ることができ、この生成物により炭素繊維を保護することができ耐擦過性に優れた炭素繊維を得ることができる。 (B) The exothermic start temperature in the DTA measurement of the compound containing at least two unsaturated groups at the end in one molecule is preferably 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower. By using a compound having a heat generation start temperature in this range, self-polymerization can be performed by heat treatment after sizing, and the surface of the carbon fiber can be coated with a reaction product having an unsaturated group. As a result, the adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin, particularly the adhesiveness with the radically reactive matrix resin such as unsaturated polyester and vinyl ester resin is improved, and a carbon fiber reinforced composite material having excellent mechanical strength can be obtained. It is possible to protect the carbon fiber by this product, and it is possible to obtain the carbon fiber having excellent scratch resistance.
この(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を含有する化合物は、不飽和基当量(化合物分子量/不飽和基数)が500以下であることが好ましい。この条件を満足する化合物を用いることで、炭素繊維の表面に強固な被膜を形成することができ、耐擦過性に優れた炭素繊維束を得ることができる。 (B) The compound containing at least two unsaturated groups at the end in one molecule preferably has an unsaturated group equivalent (compound molecular weight / number of unsaturated groups) of 500 or less. By using a compound that satisfies this condition, a strong film can be formed on the surface of the carbon fiber, and a carbon fiber bundle having excellent scratch resistance can be obtained.
〔サイジング剤組成物〕
本発明のサイジング剤組成物は、上記の(A)ブロックイソシアネート化合物と、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を含有する化合物とを含むサイジング剤組成物である。
[Sizing agent composition]
The sizing agent composition of the present invention is a sizing agent composition containing the above-mentioned (A) blocked isocyanate compound and (B) a compound containing at least two unsaturated groups at the terminal in one molecule.
本発明において(A)ブロックイソシアネート化合物と、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を含有する化合物との質量比A/Bは、好ましくは95/5~5/95である。この質量比を満足することで、炭素繊維とマトリクス樹脂との接着性が特に向上し、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。
本発明のサイジング剤組成物には、炭素繊維束の取扱性や、耐擦過性、耐毛羽性、含浸性を向上させるため、分散剤、界面活性剤といった補助成分を添加してもよい。
In the present invention, the mass ratio A / B of (A) the blocked isocyanate compound and (B) the compound containing at least two unsaturated groups at the terminal in one molecule is preferably 95/5 to 5/95. .. By satisfying this mass ratio, the adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin is particularly improved, and a fiber-reinforced composite material having excellent mechanical strength can be obtained.
Auxiliary components such as a dispersant and a surfactant may be added to the sizing agent composition of the present invention in order to improve the handleability of the carbon fiber bundle, the scratch resistance, the fluff resistance, and the impregnation property.
〔炭素繊維〕
本発明に用いる炭素繊維束として、ピッチ系、レーヨン系、アクリロニトリル(PAN)系、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等の何れの炭素繊維の炭素繊維束でも使用できる。
操作性、工程通過性および機械的強度を鑑みると、アクリロニトリル(PAN)系炭素繊維の炭素繊維束が好ましい。炭素繊維束の炭素繊維の繊度および強度等の特性は任意である。
〔Carbon fiber〕
As the carbon fiber bundle used in the present invention, any carbon fiber bundle of carbon fiber such as pitch type, rayon type, acrylonitrile (PAN) type, single-walled carbon nanotube, multi-walled carbon nanotube, and carbon nanofiber can be used.
A carbon fiber bundle of acrylonitrile (PAN) -based carbon fiber is preferable in view of operability, process passability, and mechanical strength. Properties such as the fineness and strength of the carbon fibers of the carbon fiber bundle are arbitrary.
炭素繊維束は、炭素繊維のフィラメントの束であり、炭素繊維束を構成する炭素繊維フィラメントの本数は、例えば10本以上、好ましくは100本以上、特に好ましくは1,000~100,000本である。生産性の観点から、好ましくは3,000~80,000本、特に好ましくは6,000~50,000本である。本発明では、炭素繊維束であることで加工時の工程通過性に顕著な効果が得られる。 The carbon fiber bundle is a bundle of carbon fiber filaments, and the number of carbon fiber filaments constituting the carbon fiber bundle is, for example, 10 or more, preferably 100 or more, and particularly preferably 1,000 to 100,000. be. From the viewpoint of productivity, the number is preferably 3,000 to 80,000, particularly preferably 6,000 to 50,000. In the present invention, the carbon fiber bundle has a remarkable effect on the process passability during processing.
炭素繊維束を構成する炭素繊維フィラメントの本数が10本未満であると、炭素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ものの炭素繊維束の生産性が低下する傾向にあり好ましくない。他方、100,000本を超えると炭素繊維束の生産が困難になる場合があり、また、表面処理剤で十分に処理されにくい傾向になり好ましくない。 When the number of carbon fiber filaments constituting the carbon fiber bundle is less than 10, the flexibility of the carbon fiber bundle tends to increase and the handleability tends to be improved, but the productivity of the carbon fiber bundle tends to decrease, which is preferable. do not have. On the other hand, if the number exceeds 100,000, it may be difficult to produce carbon fiber bundles, and it tends to be difficult to sufficiently treat with a surface treatment agent, which is not preferable.
炭素繊維束の形状は、扁平な繊維束であることが好ましい。扁平な繊維束であると、繊維束の内部にまで塗布したサイジング剤およ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拡散しやすい。炭素繊維束の扁平率(炭素繊維束の幅/厚み)は、好ましくは10倍以上、特に好ましくは50~400倍である。 The shape of the carbon fiber bundle is preferably a flat fiber bundle. If the fiber bundle is flat, the sizing agent applied to the inside of the fiber bundle and the matrix resin used as a subsequent composite material are likely to diffuse. The flatness of the carbon fiber bundle (width / thickness of the carbon fiber bundle) is preferably 10 times or more, and particularly preferably 50 to 400 times.
炭素繊維束の幅は、プリプレグ等樹脂と複合化させる際の樹脂の含浸性の観点から好ましくは5mm以上、特に好ましくは10~100mmである。
不連続繊維として用いる場合、炭素繊維束の長さは、複合材料とした際の機械強度の観点から、好ましくは1~100mm、さらに好ましくは5~50mmである。
The width of the carbon fiber bundle is preferably 5 mm or more, particularly preferably 10 to 100 mm, from the viewpoint of the impregnation property of the resin when composited with a resin such as prepreg.
When used as a discontinuous fiber, the length of the carbon fiber bundle is preferably 1 to 100 mm, more preferably 5 to 50 mm from the viewpoint of mechanical strength when used as a composite material.
炭素繊維束を構成する炭素繊維フィラメント(単糸)の平均直径は、好ましくは0.001~100μm、さらに好ましくは3~20μm、さらに好ましくは4~15μm、特に好ましくは5~10μmである。繊維直径がこれより小さいと繊維成分が嵩高くなり、炭素繊維束の体積分率を高くしにくくなる傾向があり好ましくない。他方、繊維直径がこれより大きいと高い強度を得にくくなる傾向があり好ましくない。炭素繊維フィラメントの繊維直径が上記の範囲であることによって、機械的強度に優れた複合材料を得ることができる。 The average diameter of the carbon fiber filaments (single yarns) constituting the carbon fiber bundle is preferably 0.001 to 100 μm, more preferably 3 to 20 μm, still more preferably 4 to 15 μm, and particularly preferably 5 to 10 μm. If the fiber diameter is smaller than this, the fiber component becomes bulky and it tends to be difficult to increase the volume fraction of the carbon fiber bundle, which is not preferable. On the other hand, if the fiber diameter is larger than this, it tends to be difficult to obtain high strength, which is not preferable. When the fiber diameter of the carbon fiber filament is in the above range, a composite material having excellent mechanical strength can be obtained.
〔サイジング剤の付着〕
本発明のサイジング剤組成物を炭素繊維束に付着させる方法として、サイジング剤組成物含有液を調製し、サイジング剤組成物含有液を炭素繊維束に付着させる方法(サイジング処理)を用いることが好ましい。サイジング剤組成物含有液に用いる溶媒は、好ましくは水を用いる。すなわち、サイジング剤組成物含有液としてサイジング剤組成物の水分散
液を用いることが好ましい。
[Adhesion of sizing agent]
As a method for adhering the sizing agent composition of the present invention to the carbon fiber bundle, it is preferable to use a method of preparing a sizing agent composition-containing liquid and adhering the sizing agent composition-containing liquid to the carbon fiber bundle (sizing treatment). .. Water is preferably used as the solvent used in the sizing agent composition-containing liquid. That is, it is preferable to use an aqueous dispersion of the sizing agent composition as the sizing agent composition-containing liquid.
サイジング剤組成物の水分散液を調整するために界面活性剤を用いてもよい。この界面活性剤として、例えばアニオン系、カチオン系、ノニオン系界面活性剤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。 Surfactants may be used to prepare the aqueous dispersion of the sizing agent composition. As this surfactant, for example, an anionic, cationic or nonionic surfactant can be used. Of these, nonionic surfactants are preferable from the viewpoint of emulsification performance and stability of the dispersion.
ノニオン系界面活性剤として、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)といった界面活性剤を例示することができる。 As nonionic surfactants, 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 (glycerin fatty acid ester, sorbitol, etc.) Surfactants such as fatty acid esters, fatty acid alkanolamides, etc.) can be exemplified.
界面活性剤は、サイジング剤組成物を乳化できる分量で用い、具体的には、サイジング剤組成物100重量%あたり、例えば0.1~30重量%で用いる。
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を例示することができる。
The surfactant is used in an amount that can emulsify the sizing agent composition, and specifically, it is used in an amount of, for example, 0.1 to 30% by weight per 100% by weight of the sizing agent composition.
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.
炭素繊維束をサイジング処理する方法の例として、サイジング剤組成物含有液に炭素繊維束を接触させる方法を用いることができる。具体的には、サイジング剤組成物含有液中にロールの一部を浸漬させ表面転写した後、このロールに炭素繊維束を接触させてサイジング剤組成物含有液を付着させるタッチロール式、炭素繊維束を直接サイジング剤組成物含有液に浸漬させ、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組成物含有液の付着量を制御する浸漬方式を例示することができる。 As an example of the method for sizing the carbon fiber bundle, a method of contacting the carbon fiber bundle with the sizing agent composition-containing liquid can be used. Specifically, a touch roll type carbon fiber in which a part of the roll is immersed in the sizing agent composition-containing liquid and surface-transferred, and then the carbon fiber bundle is brought into contact with the roll to adhere the sizing agent composition-containing liquid. An example can be exemplified of a dipping method in which the bundle is directly immersed in the sizing agent composition-containing liquid and then passed through a nip roll as needed to control the adhesion amount of the sizing agent composition-containing liquid.
炭素繊維束からサイジング剤含有液の溶媒を除去する方法として、熱処理、風乾、遠心分離を例示することができ、これらを併用してもよい。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、例えば熱風、熱板、ローラー、赤外線ヒーターを使用することができる。 As a method for removing the solvent of the sizing agent-containing liquid from the carbon fiber bundle, heat treatment, air drying, and centrifugation can be exemplified, and these may be used in combination. Heat treatment is preferable from the viewpoint of cost, and for example, hot air, a hot plate, a roller, and an infrared heater can be used as the heating means for the heat treatment.
〔炭素繊維束への付着〕
本発明のサイジング剤組成物を付着させた炭素繊維束は、次のとおり定義されるMPF値が、好ましくは60以下、さらに好ましくは30以下である。
MPF値(μg/ft)=捕捉毛羽量(μg)/評価繊維束長(ft)
[Adhesion to carbon fiber bundle]
The carbon fiber bundle to which the sizing agent composition of the present invention is attached has an MPF value defined as follows, preferably 60 or less, more preferably 30 or less.
MPF value (μg / ft) = captured fluff amount (μg) / evaluation fiber bundle length (ft)
この測定では、サイジング剤組成物を付着させた炭素繊維束を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の重量を測定して「捕捉毛羽量」とした。 In this measurement, a carbon fiber bundle to which the sizing agent composition was attached was run between five pin guides at a speed of 50 feet / minute for 2 minutes while applying a tension of 200 g, and then a weight of 125 g was placed on the carbon fiber bundle. The weight of the carbon fiber staying on the urethane sheet was measured by passing through the urethane sheet and used as the "captured fluff amount".
以下、PAN系炭素繊維の炭素繊維束に本発明のサイジング剤組成物を付着させる方法を例として、本発明のサイジング剤組成物を炭素繊維束に付着させる方法を説明する。 Hereinafter, a method for adhering the sizing agent composition of the present invention to the carbon fiber bundle will be described by taking as an example a method of adhering the sizing agent composition of the present invention to the carbon fiber bundle of the PAN-based carbon fiber.
<前駆体繊維>
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 carbon fiber is a spinning material containing 90% by mass or more of acrylonitrile, preferably 95% by mass or more, and 10% by mass or less of other monomers alone or copolymerized. Acrylic precursor fibers produced by spinning the solution are preferred. Examples of other monomers include itaconic acid and (meth) acrylic acid ester. Precursor fibers are obtained by washing, drying, drawing and oiling the raw material fibers after spinning with water. At this time, steam stretching is performed so that the total stretching ratio is 5 to 15 times. The number of filaments of the precursor fiber is preferably 1000 filaments or more, more preferably 6000 filaments or more in terms of production efficiency.
<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、前駆体繊維を繊維密度1.34~1.38g/cm3の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。
<Flame resistant treatment>
The obtained precursor fiber is preheat-treated at 200 to 260 ° C. and a draw ratio of 0.90 to 1.00 before flame resistance, and then subjected to flame resistance treatment at 200 to 260 ° C. in heated air for 10 to 100 minutes. The treatment at this time is generally performed in the range of a draw ratio of 0.85 to 1.15, but in order to obtain carbon fibers having high strength and high elastic modulus, 0.95 or more is more preferable. In this flame resistance treatment, the precursor fiber is made into an oxidized fiber having a fiber density of 1.34 to 1.38 g / cm 3 , and the tension (stretch distribution) at the time of flame resistance is not particularly limited. ..
<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 raised in the first carbonization furnace at 300 to 800 ° C. under a nitrogen atmosphere, and the tension of the flame-resistant fiber is controlled to perform the first-stage carbonization 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 (high crystallization of carbon), the temperature is gradually raised in the second carbonization furnace at 800 to 1600 ° C in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen, and the first carbonization is carried out. The tension of the fiber is controlled for firing.
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 suddenly change the temperature from the vicinity of the inlet of the furnace, for example, to suddenly introduce the fiber to the maximum temperature because many surface defects and internal defects are generated. Further, if the residence time is longer than necessary in the high temperature portion in the furnace, graphitization proceeds too much and brittle carbon fibers are obtained, which is not preferable. In the first carbonization treatment to the second carbonization step, the tension may be controlled and, if necessary, treatment may be performed in a plurality of furnaces so as to have predetermined physical properties.
If a higher elastic modulus is required, graphitization treatment may be further performed at a high temperature of 2000 to 3000 ° C.
<表面酸化処理>
上記炭素繊維ストランドは、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 strands are preferably surface-oxidized 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50~500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50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 in the surface treatment may be adjusted in a timely manner so as to have the desired amount of surface functional groups, but it is preferably in the range of 50 to 500 coulombs per 1 g of 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 to a resin. On the other hand, when the amount of electricity applied to 1 g of carbon fiber is less than 50 coulombs, the adhesiveness with the resin tends to decrease, and when it exceeds 500 coulombs, the fiber strength tends to decrease 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 an inorganic salt. When a strong acid such as sulfuric acid or nitric acid is used as the electrolyte, the efficiency of surface treatment is good and preferable. Further, it is preferable to use an inorganic salt such as ammonium sulfate or sodium hydrogencarbonate as the electrolyte because the risk of the electrolytic solution is lower than that in the case of using an inorganic acid or an inorganic base.
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 or more, and more preferably 0.1 to 1. 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 precipitates and the concentration becomes less stable. 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, the better the electrical conductivity, 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 variation due to fluctuations in concentration due to evaporation of water and the like, so the temperature is preferably between 15 and 40 ° C.
<サイジング処理>
上記の表面処理を施された炭素繊維束を、本発明のサイジング剤組成物含有液に通すことで、炭素繊維束にサイジング剤組成物が付与される。サイジング剤組成物含有液におけるサイジング剤組成物の濃度は好ましくは10~25重量%である。サイジング剤組成物の炭素繊維束への付着量は、炭素繊維束の重量100重量%に対して、好ましくは0.1~10重量%、さらに好ましくは0.2~5重量%、特に好ましくは0.5~2重量%である。
<Sizing process>
By passing the carbon fiber bundle subjected to the above surface treatment through the sizing agent composition-containing liquid of the present invention, the sizing agent composition is imparted to the carbon fiber bundle. The concentration of the sizing agent composition in the sizing agent composition-containing liquid is preferably 10 to 25% by weight. The amount of the sizing agent composition attached to the carbon fiber bundle is preferably 0.1 to 10% by weight, more preferably 0.2 to 5% by weight, and particularly preferably 0.2 to 5% by weight, based on 100% by weight of the carbon fiber bundle. It is 0.5 to 2% by weight.
サイジング剤組成物の炭素繊維束への付与処理は、乳化剤等を用いて得られるサイジング組成物の水分散液(水系エマルジョン)中に炭素繊維束を浸漬するエマルジョン法で行うことが好ましい。炭素繊維束の取扱性や、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組成物に添加してもよい。 The treatment for applying the sizing agent composition to the carbon fiber bundle is preferably performed by an emulsion method in which the carbon fiber bundle is immersed in an aqueous dispersion (aqueous emulsion) of the sizing composition obtained by using an emulsifier or the like. Auxiliary components such as a dispersant and a surfactant may be added to the sizing agent composition in order to improve the handleability, scratch resistance, fluff resistance and impregnation property of the carbon fiber bundle.
<乾燥処理>
サイジング処理後の炭素繊維束は、サイジング処理時の分散媒に用いた水等を蒸散させるために乾燥処理が施され、サイジング剤組成物が付与された炭素繊維束が得られる。乾燥にはエアドライヤーを用いることが好ましい。乾燥温度は水分散液(水系エマルジョン)の場合、例えば100~200℃である。この乾燥処理(分散媒除去)は、分散媒除去後の熱処理を兼ねてもよい。乾燥処理の後に乾燥処理とは別に熱処理を行ってもよい。
<Drying process>
The carbon fiber bundle after the sizing treatment is subjected to a drying treatment in order to evaporate the water or the like used as the dispersion medium in the sizing treatment, and a carbon fiber bundle to which the sizing agent composition is applied can be obtained. It is preferable to use an air dryer for drying. In the case of an aqueous dispersion (aqueous emulsion), the drying temperature is, for example, 100 to 200 ° C. This drying treatment (removal of the dispersion medium) may also serve as a heat treatment after the removal of the dispersion medium. After the drying treatment, a heat treatment may be performed separately from the drying treatment.
乾燥処理後に熱処理を行う場合、熱処理の温度は、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を含有する化合物のDTA測定における発熱開始温度以上とすることが好ましい。この熱処理を行うことで、(A)ブロックイソシアネート化合物のイソシアネート基と、表面処理後の炭素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、炭素繊維束の炭素繊維の表面を、不飽和基を有する反応生成物で被覆することができるとともに、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を含有する化合物が自己重合することで、炭素繊維束の炭素繊維の表面を、不飽和基を有する反応生成物で被覆することができる。 When the heat treatment is performed after the drying treatment, the temperature of the heat treatment is preferably (B) equal to or higher than the heat generation start temperature in the DTA measurement of the compound containing at least two unsaturated groups at the end in one molecule. By performing this heat treatment, the isocyanate group of the (A) blocked isocyanate compound can be reacted with the functional group on the surface of the carbon fiber after the surface treatment to form a crosslinked structure, and the surface of the carbon fiber of the carbon fiber bundle can be formed. , A reaction product having an unsaturated group can be coated, and (B) a compound containing at least two unsaturated groups at the end in one molecule self-polymerizes to form a carbon fiber in a carbon fiber bundle. The surface can be coated with a reaction product having an unsaturated group.
本発明によれば、本発明のサイジング剤組成物を炭素繊維束に塗布してサイジング剤組成物付着炭素繊維束とする工程を含む、サイジング剤組成物付着炭素繊維束の製造方法が提供される。 According to the present invention, there is provided a method for producing a sizing agent composition-attached carbon fiber bundle, which comprises a step of applying the sizing agent composition of the present invention to a carbon fiber bundle to form a sizing agent composition-attached carbon fiber bundle. ..
本発明によれば、さらに、本発明のサイジング剤組成物を炭素繊維束に塗布してサイジング剤組成物付着炭素繊維束とする工程と、サイジング剤組成物に含まれる(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を含有する化合物のDTA測定における発熱開始温度以上の温度でサイジング剤組成物付着炭素繊維束を熱処理する工程と、をこの順で含むサイジング剤組成物付着炭素繊維束の製造方法が提供される。 According to the present invention, further, a step of applying the sizing agent composition of the present invention to a carbon fiber bundle to form a sizing agent composition-adhered carbon fiber bundle, and (B) within one molecule contained in the sizing agent composition. A step of heat-treating the sizing agent composition-attached carbon fiber bundle at a temperature equal to or higher than the exothermic start temperature in the DTA measurement of a compound containing at least two unsaturated groups at the terminal, and a step of heat-treating the sizing agent composition-attached carbon fiber bundle in this order. Manufacturing method is provided.
〔炭素繊維複合材料〕
このようにしてサイジング剤組成物を付与した炭素繊維束を用い、マトリックス樹脂と組み合わせて成形することで、炭素繊維複合材料を得ることができる。成型方法として、
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を用いることができる。
本発明によれば、上記のサイジング剤組成物付着炭素繊維とマトリクス樹脂からなる炭素繊維複合材料が提供される。
[Carbon fiber composite material]
A carbon fiber composite material can be obtained by molding the carbon fiber bundle to which the sizing agent composition is applied in combination with a matrix resin in this way. As a molding method
For example, autoclave molding, press molding, resin transfer molding, and filament winding molding can be used.
According to the present invention, there is provided a carbon fiber composite material composed of the above-mentioned sizing agent composition-adhered carbon fiber and a matrix resin.
炭素繊維複合材料を成形するために用いる炭素繊維束は、シート状に加工されていることが好ましい。このシート状の炭素繊維束として、炭素繊維束の個々の炭素繊維を一方向にシート状に引き揃えたもの、炭素繊維束を織編物や不織布等の布帛に成形したもの、多軸織物を例示することができる。不織布として用いる場合には、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。
炭素繊維束をシート状の材料として用いる場合、その目付は、好ましくは25~10000g/m2である。
The carbon fiber bundle used for molding the carbon fiber composite material is preferably processed into a sheet shape. Examples of the sheet-shaped carbon fiber bundles include those in which the individual carbon fibers of the carbon fiber bundles are arranged in a sheet shape in one direction, those in which the carbon fiber bundles are molded into a cloth such as a woven or knitted fabric or a non-woven fabric, and a multi-axis fabric. can do. When used as a non-woven fabric, it may be a non-woven fabric made of continuous fibers or a non-woven fabric made of discontinuous fibers.
When the carbon fiber bundle is used as a sheet-like material, the basis weight is preferably 25 to 10000 g / m 2 .
〔マトリクス樹脂〕
マトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を用いることができる。熱硬化性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およ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を例示することができる。これらは1種または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。
[Matrix resin]
As the matrix resin, a thermosetting resin or a thermoplastic resin can be used. Specific examples of the thermosetting 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 thereof include a prepolymer resin, a bismaleimide resin, a polyimide resin having an acetylene terminal, a polyisoimide resin, and a polyimide resin having a nadic acid terminal. These can also be used as one kind or a mixture of two or more kinds. 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 commonly used colorants, 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を例示することができる。 Examples of the thermoplastic resin include polypropylene, polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, polyetheretherketone, aromatic polyamide, aromatic polyester, aromatic polycarbonate, polyetherimide, polyarylene oxide, thermoplastic polyimide, and polyamide. , Polyamideimide, polyacetal, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyacrylonitrile, polyaramid, polybenzimidazole can be exemplified.
炭素繊維複合材料中に占めるマトリクス樹脂の含有率は、例えば10~90重量%、好ましくは20~60重量%、さらに好ましくは25~45重量%である。
このようにして得られる炭素繊維強化複合材料は、炭素繊維束とマトリクス樹脂との接着性に優れ、機械的強度に優れる。
The content of the matrix resin in the carbon fiber composite material is, for example, 10 to 90% by weight, preferably 20 to 60% by weight, and more preferably 25 to 45% by weight.
The carbon fiber reinforced composite material thus obtained has excellent adhesion between the carbon fiber bundle and the matrix resin, and has excellent mechanical strength.
以下、実施例を示して本発明を具体的に説明する。物性は以下の方法にて測定した。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. The physical properties were measured by the following method.
(1)サイジング剤付着量
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) Adhesion amount of sizing agent The adhesion amount of the sizing agent is determined by collecting two treated 1.0 m sizing agent-adhered fiber bundles, raising the temperature to 550 ° C. at 10 ° C./min under a nitrogen atmosphere, and then raising the temperature to 550 ° C. It was fired at the same temperature for 10 minutes, and the amount of weight loss was calculated by the following formula as the amount of the sizing agent adhered.
Adhesion amount of sizing agent = (ab) / b × 100 [%]
a: Fiber weight before firing [g]
b: Fiber weight after firing treatment [g]
(2)MPF
MPF値は下記式で定義される。
MPF値(μg/ft)=捕捉毛羽量(μg)/評価繊維束長(ft)
この測定では、サイジング剤組成物を付着させた炭素繊維束を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て「捕捉毛羽量」とした。
(2) MPF
The MPF value is defined by the following formula.
MPF value (μg / ft) = captured fluff amount (μg) / evaluation fiber bundle length (ft)
In this measurement, a carbon fiber bundle to which the sizing agent composition was attached was run between five pin guides at a speed of 50 feet / minute for 2 minutes while applying a tension of 200 g, and then a weight of 125 g was placed on the carbon fiber bundle. The amount of carbon fiber staying on the urethane sheet was measured by passing through the urethane sheet and used as the "captured fluff amount".
(3)界面せん断強度 IFSS (マイクロドロップレット法)
下記のビニルエステル樹脂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(IFSS)を測定した。
(3) Interfacial shear strength IFSS (microdroplet method)
Interface shear strength (IFSS) by microdroplet method using the following matrix resin prepared with 100 parts by weight of vinyl ester resin, 1 part by weight of peroxide curing agent, and 0.5 part of cobalt naphthenate as a catalyst. Was measured.
(4)DTA測定(発熱開始温度・発熱量)
Rigaku製熱重量・示差熱測定装置 Thermo plus EVO2を用いて、昇温速度10℃/min、空気流量100ml/minの条件にて、発熱開始温度および発熱量を測定した。
(4) DTA measurement (heat generation start temperature / heat generation amount)
Using Rigaku's thermogravimetric / differential thermal measuring device Thermo plus EVO2, the heat generation start temperature and heat generation amount were measured under the conditions of a temperature rise rate of 10 ° C./min and an air flow rate of 100 ml / min.
〔サイジング剤組成物〕
サイジング剤組成物の調製に用いた化合物を以下に示す。
[Sizing agent composition]
The compounds used to prepare the sizing agent composition are shown below.
<(A)ブロックイソシアネート化合物>
・NBP-873D:明成化学工業社製 NBP-873D(製品名)、メチルエチルケトオキシム基でブロックされた、ヘキサメチレンジイソシアネートトリマー(脂肪族ブロックイソシアネート)、イソシアネート基の含有量4、乖離温度=150℃
・NBP-211:明成化学工業社製 NBP-211(製品名)、メチルエチルケトオキシム基でブロックされた、ヘキサメチレンジイソシアネートトリマーとエチレングリコール骨格を有するポリオールアダクトポリイソシアネート化合物(脂肪族ブロックイソシアネート)、イソシアネート基の含有量4、乖離温度=150℃
<(A) Blocked isocyanate compound>
NBP-873D: NBP-873D (product name) manufactured by Meisei Kagaku Kogyo Co., Ltd., hexamethylene diisocyanate trimmer (aliphatic blocked isocyanate) blocked with methyl ethyl ketooxime group, isocyanate group content 4, deviation temperature = 150 ° C.
NBP-411: NBP-211 (product name) manufactured by Meisei Kagaku Kogyo Co., Ltd., a polyol adduct polyisocyanate compound (aliphatic blocked isocyanate) having a hexamethylene diisocyanate trimmer and an ethylene glycol skeleton blocked with a methylethylketooxime group, an isocyanate group. Content 4, deviation temperature = 150 ° C
<(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を有する化合物>
・ATM-35E:新中村化学工業株式会社製 ATM-35E(製品名)、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラアクリレート 一分子内の末端のアクリル基の含有数4、発熱開始温度175.7℃、発熱量381μJ/mg
・A-9300-1CL:新中村化学工業株式会社製 A-9300-1CL(製品名)、ε-カプロラクトン変性トリス-(2-アクリロキシエチル)イソシアヌレート 一分子内の末端のアクリル基の含有数3、発熱開始温度194.6℃、発熱量711μJ/mg
・BPE-500:新中村化学工業株式会社製 BPE-500(製品名)、エトキシ化ビスフェノールAジメタクリレート 一分子内の末端のメタクリル基の含有数2、発熱開始温度171.3℃、発熱量30μJ/mg
・CN 989NS:サートマー社製 CN 989NS(製品名)、脂肪族ウレタンアクリレート 一分子内の末端のアクリル基の含有数3、発熱開始温度208.5℃、発熱量194μJ/mg
<(B) A compound having at least two unsaturated groups at the end in one molecule>
-ATM-35E: ATM-35E (product name) manufactured by Shin Nakamura Chemical Industry Co., Ltd., ethoxylated pentaerythritol tetraacrylate, content of acrylic group at the end in one molecule 4, heat generation start temperature 175.7 ° C, calorific value 381 μJ / Mg
-A-9300-1CL: A-9300-1CL (product name) manufactured by Shin Nakamura Chemical Industry Co., Ltd., ε-caprolactone-modified tris- (2-acryloxyethyl) isocyanurate The content of the terminal acrylic group in one molecule 3. Heat generation start temperature 194.6 ° C., calorific value 711 μJ / mg
BPE-500: BPE-500 (product name) manufactured by Shin Nakamura Chemical Industry Co., Ltd., ethoxylated bisphenol A dimethacrylate, content of methacrylic group at the end in one molecule 2, heat generation start temperature 171.3 ° C, calorific value 30 μJ / Mg
CN 989NS: CN 989NS (product name) manufactured by Sartmer, aliphatic urethane acrylate, content of acrylic group at the end in one molecule 3, heat generation start temperature 208.5 ° C, calorific value 194 μJ / mg
〔実施例1〕
(A)ブロックイソシアネート化合物としてNBP-211、一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を有する化合物(B)としてATM-35Eを有効成分比(質量比)25/75で混合してサイジング剤組成物とした。
[Example 1]
(A) NBP-211 as a blocked isocyanate compound and ATM-35E as a compound (B) having at least two unsaturated groups at the end in one molecule are mixed at an active ingredient ratio (mass ratio) of 25/75 to form a sizing agent. It was made into a composition.
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束を、上記サイジング剤組成物を水で希釈したサイジング浴に連続的に浸漬させ、サイジング剤組成物の付着量が1重量%となるようにサイジング剤組成物を付与した。その後雰囲気温度200℃の熱風乾燥機で水を除去するとともに熱処理を行い、サイジング剤組成物付着炭素繊維束を得た。MPFおよびIFSSの評価結果を表1に示す。
The polyacrylonitrile fiber was flame-resistant in air at 250 ° C. and then carbonized at a maximum temperature of 650 ° C. under a nitrogen gas atmosphere. Then, the carbon fibers produced by high-temperature carbonization at 1300 ° C. under a nitrogen atmosphere were surface-treated by electrolytic oxidation using a 10 wt% ammonium sulfate aqueous solution, and the unsized carbon fiber bundle (tensile strength: 4300 MPa, tensile elastic modulus:). 240 GPa, number of filaments: 24,000) was obtained. The obtained unsized carbon fiber bundle is continuously immersed in a sizing bath in which the above sizing agent composition is diluted with water, and the sizing agent composition is prepared so that the adhered amount of the sizing agent composition is 1% by weight. Granted. Then, water was removed by a hot air dryer having an atmospheric temperature of 200 ° C. and heat treatment was performed to obtain a carbon fiber bundle adhering to the sizing agent composition. The evaluation results of MPF and IFSS are shown in Table 1.
〔実施例2〕
(A)ブロックイソシアネート化合物としてNBP-211、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を有する化合物としてA-9300-1CLを有効成分比(質量比)25/75で混合してサイジング剤組成物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い、サイジング剤組成物付着炭素繊維束を得た。MPFおよびIFSSの評価結果を表1に示す。
[Example 2]
(A) NBP-211 as a blocked isocyanate compound and (B) A-9300-1CL as a compound having at least two unsaturated groups at the terminal in one molecule are mixed at an active component ratio (mass ratio) of 25/75. A sizing treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the sizing agent composition was obtained, and a carbon fiber bundle adhering to the sizing agent composition was obtained. The evaluation results of MPF and IFSS are shown in Table 1.
〔実施例3〕
(A)ブロックイソシアネート化合物としてNBP-873D、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を有する化合物としてATM-35Eを有効成分比(質量比)25/75で混合してサイジング剤組成物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い、サイジング剤組成物付着炭素繊維束を得た。MPFおよびIFSSの評価結果を表1に示す。
[Example 3]
(A) NBP-873D as a blocked isocyanate compound and (B) ATM-35E as a compound having at least two unsaturated groups at the ends in one molecule are mixed at an active ingredient ratio (mass ratio) of 25/75 to form a sizing agent. A sizing treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the composition was prepared, to obtain a carbon fiber bundle adhering to the sizing agent composition. The evaluation results of MPF and IFSS are shown in Table 1.
〔実施例4〕
(A)ブロックイソシアネート化合物としてNBP-873D、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を有する化合物としてA-9300-1CLを有効成分比(質量比)25/75で混合してサイジング剤組成物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い、サイジング剤組成物付着炭素繊維束を得た。MPFおよびIFSSの評価結果を表1に示す。
[Example 4]
(A) NBP-873D as a blocked isocyanate compound and (B) A-9300-1CL as a compound having at least two unsaturated groups at the ends in one molecule are mixed at an active component ratio (mass ratio) of 25/75. A sizing treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the sizing agent composition was obtained, and a carbon fiber bundle adhering to the sizing agent composition was obtained. The evaluation results of MPF and IFSS are shown in Table 1.
〔実施例5〕
(A)ブロックイソシアネート化合物としてNBP-211、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を有する化合物としてATM-35Eを有効成分比(質量比)50/50で混合してサイジング剤組成物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い、サイジング剤組成物付着炭素繊維束を得た。MPFおよびIFSSの評価結果を表1に示す。
[Example 5]
(A) NBP-211 as a blocked isocyanate compound, (B) ATM-35E as a compound having at least two unsaturated groups at the ends in one molecule are mixed at an active ingredient ratio (mass ratio) of 50/50 to make a sizing agent. A sizing treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the composition was prepared, to obtain a carbon fiber bundle adhering to the sizing agent composition. The evaluation results of MPF and IFSS are shown in Table 1.
〔実施例6〕
(A)ブロックイソシアネート化合物としてNBP-873D、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を有する化合物としてA-9300-1CLを有効成分比(質量比)50/50で混合してサイジング剤組成物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い、サイジング剤組成物付着炭素繊維束を得た。MPFおよびIFSSの評価結果を表1に示す。
[Example 6]
(A) NBP-873D as a blocked isocyanate compound and (B) A-9300-1CL as a compound having at least two unsaturated groups at the ends in one molecule are mixed at an active component ratio (mass ratio) of 50/50. A sizing treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the sizing agent composition was obtained, and a carbon fiber bundle adhering to the sizing agent composition was obtained. The evaluation results of MPF and IFSS are shown in Table 1.
〔実施例7〕
(A)ブロックイソシアネート化合物としてNBP-211、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を有する化合物としてCN 989NSを有効成分比(質量比)25/75で混合してサイジング剤組成物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い、サイジング剤組成物付着炭素繊維束を得た。MPFおよびIFSSの評価結果を表1に示す。
[Example 7]
(A) NBP-211 as a blocked isocyanate compound, and (B) CN 989NS as a compound having at least two unsaturated groups at the ends in one molecule are mixed at an active ingredient ratio (mass ratio) of 25/75 to form a sizing agent. A sizing treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the sizing agent composition was obtained. The evaluation results of MPF and IFSS are shown in Table 1.
〔実施例8〕
(A)ブロックイソシアネート化合物としてNBP-211、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を有する化合物としてATM-35Eを有効成分比(質量比)10/90で混合してサイジング剤組成物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い、サイジング剤組成物付着炭素繊維束を得た。MPFおよびIFSSの評価結果を表1に示す。
[Example 8]
(A) NBP-211 as a blocked isocyanate compound, (B) ATM-35E as a compound having at least two unsaturated groups at the ends in one molecule are mixed at an active component ratio (mass ratio) of 10/90 to obtain a sizing agent. A sizing treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the composition was prepared, to obtain a carbon fiber bundle adhering to the sizing agent composition. The evaluation results of MPF and IFSS are shown in Table 1.
〔比較例1〕
(A)ブロックイソシアネート化合物としてNBP-211、(B)一分子内の末端に少なくとも2つの不飽和基を有する化合物としてBPE-500を有効成分比(質量比)25/75で混合してサイジング剤組成物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い、サイジング剤組成物付着炭素繊維束を得た。MPFおよびIFSSの評価結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
(A) NBP-211 as a blocked isocyanate compound and (B) BPE-500 as a compound having at least two unsaturated groups at the ends in one molecule are mixed at an active ingredient ratio (mass ratio) of 25/75 to form a sizing agent. A sizing treatment was carried out in the same manner as in Example 1 except that the composition was prepared, to obtain a carbon fiber bundle adhering to the sizing agent composition. The evaluation results of MPF and IFSS are shown in Table 1.
本発明のサイジング剤組成物は、炭素繊維束の製造に用いることができ、該炭素繊維束
は炭素繊維複合材料の構成要素として、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用途に用いることができる。
The sizing agent composition of the present invention can be used for producing a carbon fiber bundle, and the carbon fiber bundle can be used as a component of a carbon fiber composite material, such as an aircraft member, a spacecraft member, an automobile member, a ship member, and a civil engineering and building material. And can be used for sports equipment and the like.
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