JP2604866B2 - Acrylic carbon fiber and method for producing the same - Google Patents

Acrylic carbon fiber and method for producing the same

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JP2604866B2 JP1337800A JP33780089A JP2604866B2 JP 2604866 B2 JP2604866 B2 JP 2604866B2 JP 1337800 A JP1337800 A JP 1337800A JP 33780089 A JP33780089 A JP 33780089A JP 2604866 B2 JP2604866 B2 JP 2604866B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はアクリル系炭素繊維およびその製造方法,特
に圧縮強度に優れたアクリル系炭素繊維およびその製造
方法に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an acrylic carbon fiber and a method for producing the same, particularly an acrylic carbon fiber excellent in compressive strength and a method for producing the same.

[従来技術] 近年炭素繊維の用途展開が拡大するとともに、炭素繊
維に対する要求性能がますます高くなっている。従来は
引張特性に対する向上要求が中心であり、その要求に応
えて炭素繊維の引張強度は近年大幅に向上した。しか
し、圧縮強度は殆ど向上していないために、曲げ強度な
どの実用特性が圧縮強度のために頭打ちになるといった
問題が顕在化してきた。さらに、焼成温度の高い,すな
わち結晶サイズLcの大きい弾性率390GPa以上の黒鉛化糸
では単繊維圧縮強度レベルが弾性率245GPa前後の炭化糸
の約7GPaレベルに対比して、約3.5GPaと半分程度まで低
下してしまうために、航空機の一次構造材など曲げ強度
が要求される分野ではより大きな問題となっている。
[Prior art] In recent years, as the application development of carbon fiber has expanded, the required performance for carbon fiber has been increasingly higher. Conventionally, the demand for improvement in tensile properties has been the main focus, and the tensile strength of carbon fibers has been greatly improved in recent years in response to the demand. However, since the compressive strength has hardly improved, the problem that practical characteristics such as bending strength have reached a plateau due to the compressive strength has become apparent. Furthermore, the graphitized yarn having a high firing temperature, that is, a crystal size Lc and a modulus of elasticity of 390 GPa or more, has a single fiber compressive strength level of about 3.5 GPa, which is about 3.5 GPa, which is about half that of a carbonized yarn with a modulus of elasticity of about 245 GPa Therefore, in fields where bending strength is required, such as primary structural materials for aircraft, it has become a bigger problem.

従来引張特性の向上技術については数多くの提案がな
されているが、圧縮強度の向上技術については殆ど提案
されていないのが現状である。わずかに、製糸および焼
成条件を特定化することによって圧縮強度の高い弾性率
340GPa以上の黒鉛化繊維が提案されている(特開昭63−
211326号公報)が、さらに圧縮強度が高く、しかも弾性
率が340GPa未満の炭素繊維にも顕著な効果を有する技術
を鋭意検討して本発明に至った。
Conventionally, many proposals have been made on techniques for improving the tensile properties, but at present there are few proposals on techniques for improving the compressive strength. High compressive strength modulus by slightly specifying the spinning and firing conditions
Graphitized fibers of 340 GPa or more have been proposed (Japanese Patent Application Laid-Open
No. 211326), the inventors of the present invention have conducted intensive studies on a technique which has a remarkable effect even on a carbon fiber having a higher compressive strength and an elastic modulus of less than 340 GPa.

すなわち、炭素繊維強化複合材料の圧縮強度を支配す
る重要な因子である炭素繊維の単繊維圧縮強度を向上さ
せるための技術を鋭意検討し、表層部の結晶性を低下さ
せる,すなわち表層部をより等方質に近い構造にするこ
とにより単繊維圧縮強度が大幅に向上することを見い出
し、本発明に至ったのである。
In other words, we are diligently studying a technique for improving the compressive strength of carbon fiber, which is an important factor that controls the compressive strength of carbon fiber reinforced composite materials, and reduce the crystallinity of the surface layer. The inventors have found that by adopting a structure close to isotropic, the single fiber compressive strength is greatly improved, and the present invention has been achieved.

なお、本発明者らは先に単繊維表層部の結晶性を下げ
る技術として、硫酸,硝酸,燐酸などの加熱濃無機酸中
での化学的酸化処理する,あるいは硝酸イオンを含む電
解質水溶液中で電気化学的酸化処理した後、不活性化処
理をするなどの方法を提案した(特開昭58−214527号公
報,特開昭61−225330号公報)。しかし、これらはいず
れも引張強度向上には有効であっても、圧縮強度を向上
させるためには不十分であり、しかもこれらの処理では
炭素繊維の表層部に酸素含有官能基が過剰に生成するた
めに、該処理の後に官能基を除去するための不活性化処
理を行なう必要があり、コスト的にも不利であった。そ
こで、さらに顕著に結晶性を下げ、かつ不活性化処理の
不要な技術を鋭意検討して本発明に至ったのである。
As a technique for reducing the crystallinity of the surface layer of a single fiber, the present inventors previously conducted a chemical oxidation treatment in a heated concentrated inorganic acid such as sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, or an aqueous electrolyte solution containing nitrate ions. A method has been proposed in which an electrochemical oxidation treatment is performed followed by an inactivation treatment (Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 58-214527 and 61-225330). However, all of these are effective for improving the tensile strength, but are insufficient for improving the compressive strength, and in these treatments, the oxygen-containing functional groups are excessively generated in the surface layer portion of the carbon fiber. Therefore, it is necessary to perform an inactivation treatment for removing the functional group after the treatment, which is disadvantageous in cost. Therefore, the present inventors have further studied a technique which further remarkably lowers the crystallinity and does not require an inactivation treatment, and has arrived at the present invention.

また、材料の表面からイオン化した原子あるいは分子
を加速して注入する,いわゆるイオン注入法は半導体用
途を中心に各種材料の表層を改質する技術として検討さ
れている(特開昭58−87818号公報,特開昭58−87894号
公報)。本発明者らは先にそれを炭素材に適用すること
を提案したが(特開昭62−235280号公報)、さらにアク
リル系炭素繊維への効果的な注入法を鋭意検討して本発
明に至ったのである。
The so-called ion implantation method, in which ionized atoms or molecules are accelerated and implanted from the surface of a material, is being studied as a technique for modifying the surface layer of various materials mainly for semiconductor applications (Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-87818). JP, JP-A-58-87894). The present inventors have previously proposed applying it to a carbon material (Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-235280). It has been reached.

なお、炭素繊維へのイオン注入については、気相成長
炭素繊維についての報文(炭素,1984,No.104,p2)があ
るが、気相成長炭素繊維のような異方性の高い炭素繊維
では、たとえイオン注入を行なっても、アクリル系炭素
繊維の場合のように圧縮特性の顕著な向上は認められな
いのである。
Regarding ion implantation into carbon fiber, there is a report on vapor-grown carbon fiber (carbon, 1984, No. 104, p2), but highly anisotropic carbon fiber such as vapor-grown carbon fiber. Thus, even if ion implantation is performed, no remarkable improvement in compression characteristics is observed as in the case of acrylic carbon fibers.

[発明が解決しようとする課題] 本発明の課題は、結晶サイズLcの大きい炭素繊維、い
わゆる黒鉛化繊維の領域において、上記従来技術では達
成し得なかった圧縮強度の高い炭素繊維およびその製造
方法を提供することにある。
[Problem to be Solved by the Invention] An object of the present invention is to provide a carbon fiber having a large crystal size Lc, that is, a carbon fiber having a high compressive strength, which cannot be achieved by the above-described conventional technology, in a region of so-called graphitized fiber, and a method for producing the same Is to provide.

[課題を解決するための手段] 本発明の上記課題は、 (1)元素分析により求めた炭素含有量が98%以上であ
り、広角X線回折により求めた炭素網面の結晶サイズLc
が22〜65Å、繊維軸方向の配向度π002が85%以上であ
るアクリル系炭素繊維において、異種元素を実質的に含
有し、単繊維中心部には実質的に異種元素を含有せず、
単繊維表層部には異種元素の最大濃度部を有するととも
に、繊維中心部に対比して結晶性の低い領域を有し、か
つ、前記結晶性の低い領域のレーザーラマンスペクトル
の1320〜1380cm-1における散乱ピークの半価巾νaと単
繊維中心部のレーザーラマンスペクトルの1320〜1380cm
-1における散乱ピークの半価巾νbとの比νa/νbが1.
5以上であり、ループ法による単繊維圧縮強度σcf(GP
a)が(I)式を満たすことを特徴とするアクリル系炭
素繊維。
[Means for Solving the Problems] The problems of the present invention are as follows: (1) The carbon content determined by elemental analysis is 98% or more, and the crystal size Lc of the carbon network plane determined by wide-angle X-ray diffraction
Is 22 to 65 °, the degree of orientation in the fiber axis direction π 002 is 85% or more, in the acrylic carbon fiber, substantially contains a heterogeneous element, substantially no heterogeneous element in the central portion of the single fiber,
The single fiber surface layer has a maximum concentration portion of a different element, and has a region with low crystallinity compared to the central portion of the fiber, and a laser Raman spectrum of the low crystallinity region of 1320 to 1380 cm −1. Width of the scattering peak at νa and 1320-1380 cm of the laser Raman spectrum at the center of the single fiber
The ratio νa / νb of the scattering peak at −1 to the half width νb is 1.
5 or more, and the single fiber compression strength σcf (GP
Acrylic carbon fiber, wherein a) satisfies the formula (I).

σcf≧10.78−0.1176×Lc ……(I) または、 (2)ヨウ素吸着法による明度差ΔLが45以下であるア
クリル繊維を焼成して得られるアクリル系炭素繊維束
を、束の厚みが単繊維径の1〜5倍の範囲となるように
開繊し、常温で固体あるいは気体である原子あるいは分
子を真空下でイオン化し、電場によって加速して炭素繊
維表面に少なくとも2回、異なった方向からイオンをそ
れぞれ1015(ions)/cm2以上注入して、前記アクリル系
炭素繊維を得ることを特徴とするアクリル系炭素繊維の
製造方法、によって解決することができる。
σcf ≧ 10.78−0.1176 × Lc (I) or (2) an acrylic carbon fiber bundle obtained by firing an acrylic fiber having a brightness difference ΔL of 45 or less by an iodine adsorption method, and a bundle having a single fiber thickness The fiber is opened so as to have a diameter of 1 to 5 times the diameter, and atoms or molecules that are solid or gaseous at room temperature are ionized under vacuum, accelerated by an electric field, and applied to the carbon fiber surface at least twice from different directions. The above problem can be solved by a method for producing an acrylic carbon fiber, wherein ions are implanted in an amount of 10 15 (ions) / cm 2 or more to obtain the acrylic carbon fiber.

まず本発明のアクリル系炭素繊維について説明する。
すなわち、本発明のアクリル系炭素繊維において、繊維
中心部とは繊維中心より0.3μm以内の領域であり、表
層部とは表面から繊維半径の1/2以下,かつ2.0μm以下
の領域である。また表層部の結晶性が繊維中心部に対比
して低いとは、後述する単繊維断面のレーザーラマン分
光法により単繊維表層部の少なくとも一部の領域の1320
〜1380cm-1(以下、単に1350cm-1近傍という)における
散乱ピークの半価巾νaと単繊維中心部の1350cm-1近傍
ピークの半価巾νbとの比νa/νbが1.0を越えること
を意味する。
First, the acrylic carbon fiber of the present invention will be described.
That is, in the acrylic carbon fiber of the present invention, the fiber center portion is a region within 0.3 μm from the fiber center, and the surface layer portion is a region which is 半径 or less of the fiber radius from the surface and 2.0 μm or less. Further, the crystallinity of the surface layer portion is lower than that of the fiber center portion means that at least a part of the region of the single fiber surface layer portion is 1320 by laser Raman spectroscopy of a single fiber cross section described later.
The ratio νa / νb of the half width νa of the scattering peak at 〜1380 cm −1 (hereinafter simply referred to as 1350 cm −1 ) and the half width νb of the peak near 1350 cm −1 in the center of the single fiber exceeds 1.0. means.

ここで結晶性とは、炭素繊維を構成する結晶の寸法お
よび炭素網面配列の秩序性によって定まる特性であり、
結晶の寸法がより大きくかつ炭素網面配列の秩序性がよ
り大きい場合に、結晶性がより高いと言われるものであ
る。
Here, the crystallinity is a characteristic determined by the size of the crystal constituting the carbon fiber and the order of the carbon network plane arrangement,
It is said that the higher the crystal size and the greater the order of the carbon network arrangement, the higher the crystallinity.

このような高性能アクリル系炭素繊維により、従来技
術では到達し得なかった高い圧縮強度を有する高性能ア
クリル系炭素繊維が得られ、結晶サイズLcが大きい領
域,すなわち弾性率の高い黒鉛化糸の領域においても単
繊維圧縮強度レベルが約7GPaと弾性率245GPa前後の炭化
糸並みの圧縮強度が可能となり、弾性率および圧縮強度
のいずれもが高い炭素繊維が可能となった。
With such a high-performance acrylic carbon fiber, a high-performance acrylic carbon fiber having a high compressive strength, which cannot be achieved by the conventional technology, is obtained, and a region having a large crystal size Lc, that is, a graphitized yarn having a high elastic modulus is obtained. In the region, the compression strength level of the single fiber was about 7 GPa and the compression strength was about the same as that of carbonized yarn with an elastic modulus of about 245 GPa, and carbon fibers having both high elastic modulus and high compression strength were made possible.

このような圧縮強度の高い炭素繊維により、航空機の
一次構造材料などの曲げ強度が要求される用途への展開
を拡大することができる。
Such a carbon fiber having a high compressive strength can expand the application to applications requiring bending strength such as an aircraft primary structural material.

次に、上記本発明のアクリル系炭素繊維の製法例を説
明する。
Next, an example of a method for producing the acrylic carbon fiber of the present invention will be described.

すなわち、アクリル系炭素繊維の原料繊維であるアク
リル繊維(プリカーサー)を構成するアクリル系重合体
としては、少なくとも90モル%以上のアクリロニトリル
と10モル%以下の共重合可能なビニル系モノマ,たとえ
ばアクリル酸,メタクリル酸,イタコン酸およびそれら
のアルカリ金属塩,アンモニウム塩および低級アルキル
エステル類,アクリルアミドおよびその誘導体,アリル
スルホン酸,メタリルスルホン酸およびそれらの塩類ま
たはアルキルエステル類などとの共重合体を挙げること
ができる。
That is, the acrylic polymer constituting the acrylic fiber (precursor) as the raw material fiber of the acrylic carbon fiber includes at least 90 mol% or more of acrylonitrile and 10 mol% or less of a copolymerizable vinyl monomer such as acrylic acid. And copolymers with methacrylic acid, itaconic acid and their alkali metal salts, ammonium salts and lower alkyl esters, acrylamide and its derivatives, allylsulfonic acid, methallylsulfonic acid and their salts or alkyl esters be able to.

重合法については、従来公知の溶液重合,懸濁重合,
乳化重合などを適用することができるが、重合度として
は極限粘度([η])で好ましくは1.2以上,より好ま
しくは1.7以上である。なお、この[η]は5.0以下に止
めるのが紡糸安定性の見地から一般的である。
As for the polymerization method, conventionally known solution polymerization, suspension polymerization,
Emulsion polymerization and the like can be applied, but the degree of polymerization is preferably at least 1.2, more preferably at least 1.7 in terms of intrinsic viscosity ([η]). In addition, it is general that [η] is limited to 5.0 or less from the viewpoint of spinning stability.

紡糸方法には、湿式紡糸法,乾湿式紡糸法あるいは乾
式紡糸法などを採用できるが、就中緻密なプリカーサー
が得られる乾湿式紡糸法が好ましい。
As the spinning method, a wet spinning method, a dry-wet spinning method, a dry spinning method, or the like can be employed, but a dry-wet spinning method which can obtain a dense precursor is preferable.

圧縮特性の高い炭素繊維を得るためには、緻密性の高
いプリカーサーが有効である。緻密性としては、ヨウ素
吸着法による明度差ΔLの値が好ましくは45以下,より
好ましくは30以下,さらに好ましくは5〜10の緻密なプ
リカーサーがよい。ΔLの値が45以下の緻密なプリカー
サーを得るための手段としては、紡糸原液ポリマーの高
濃度化,紡糸原液および凝固浴液の低温化および凝固時
の低張力化により凝固糸の膨潤度を低く抑え、かつ浴延
伸時の延伸段数,延伸倍率および延伸温度の最適化によ
り浴延伸糸の膨潤度を低く抑えることが有効である。
In order to obtain carbon fibers having high compression properties, a precursor having high density is effective. As the denseness, a dense precursor having a value of a lightness difference ΔL by an iodine adsorption method of preferably 45 or less, more preferably 30 or less, and further preferably 5 to 10 is good. Means for obtaining a dense precursor having a value of ΔL of 45 or less include lowering the degree of swelling of the coagulated yarn by increasing the concentration of the spinning dope polymer, lowering the temperature of the spinning dope and the coagulation bath solution, and lowering the tension during coagulation. It is effective to suppress the swelling degree of the bath drawn yarn by suppressing the number of drawing steps, drawing ratio and drawing temperature during bath drawing.

プリカーサーの単繊維デニールとしては好ましくは2.
0d以下,より好ましくは1.5d以下,さらに好ましくは0.
1〜1.0dの細デニールである。
Preferably, the single fiber denier of the precursor is 2.
0d or less, more preferably 1.5d or less, still more preferably 0.
It is fine denier of 1-1.0d.

かかるプリカーサーを焼成する際の耐炎化条件として
は、240〜300℃の酸化性雰囲気中で緊張下あるいは延伸
条件下で密度が好ましくは1.25g/cm3以上,より好まし
くは1.30g/cm3以上に達するまで加熱するのがよい。な
お、この密度は1.60g/cm3以下に止めるのが一般的であ
り、これ以上にすると物性が低下することがあり好まし
くない。一般に雰囲気については、公知の空気,酸素,
二酸化窒素,塩化水素など酸化性雰囲気を採用できる
が、経済性の面から空気が好ましい。
As the flame-proofing conditions for firing such a precursor, the density is preferably 1.25 g / cm 3 or more, more preferably 1.30 g / cm 3 or more under tension or stretching conditions in an oxidizing atmosphere at 240 to 300 ° C. It is good to heat until reaching. It is to be noted that the density is generally limited to 1.60 g / cm 3 or less, and if it is more than this, physical properties may be deteriorated, which is not preferable. Generally, the atmosphere is known air, oxygen,
An oxidizing atmosphere such as nitrogen dioxide or hydrogen chloride can be employed, but air is preferred from the viewpoint of economy.

得られた耐炎化繊維を不活性雰囲気中、1000℃以上20
00℃未満の温度で炭化し、さらに必要に応じて2000℃以
上の温度で黒鉛化することができる。この際、350〜500
℃および1000〜1200℃の領域の昇温速度を好ましくは50
0℃/分以下,より好ましくは300℃/分以下,さらに好
ましくは150℃/分以下にすることが、ボイドなど内部
欠陥の少ない緻密な炭素繊維を得るために有効である。
なお、この昇温速度が10℃/分以下では生産性が低くな
りすぎる。また、350〜500℃あるいは2300℃以上の領域
で好ましくは1%以上,より好ましくは5%以上,さら
に好ましくは10%〜40%の範囲で延伸を行なうことも、
緻密性を向上させる上で有効である。なお、40%を超え
る延伸は毛羽が発生しやすくなり好ましくない。
The obtained oxidized fiber is placed in an inert atmosphere at 1000 ° C or higher for 20
It can be carbonized at a temperature of less than 00 ° C. and, if necessary, graphitized at a temperature of 2000 ° C. or more. At this time, 350 ~ 500
C. and the rate of temperature rise in the region of 1000-1200 ° C.
A temperature of 0 ° C./min or less, more preferably 300 ° C./min or less, and still more preferably 150 ° C./min or less is effective for obtaining a dense carbon fiber having few internal defects such as voids.
If the heating rate is 10 ° C./min or less, the productivity is too low. The stretching may be performed in the range of 350 to 500 ° C. or 2300 ° C. or more, preferably 1% or more, more preferably 5% or more, and still more preferably 10% to 40%.
It is effective in improving the denseness. Stretching exceeding 40% is not preferable because fluff is likely to occur.

焼成雰囲気については300〜1500℃の領域において、
塩化水素などの活性雰囲気との混合雰囲気中で焼成する
ことも可能である。
Regarding the firing atmosphere, in the region of 300 ~ 1500 ℃,
It is also possible to fire in a mixed atmosphere with an active atmosphere such as hydrogen chloride.

本発明のアクリル系炭素繊維は、上記のようにして得
られた炭素繊維の表面に、さらに高速の原子あるいは分
子を照射して注入することによって得ることができる。
The acrylic carbon fiber of the present invention can be obtained by irradiating the surface of the carbon fiber obtained as described above with higher-speed atoms or molecules and injecting it.

高速の原子あるいは分子をつくり、炭素繊維の表面か
ら注入する最も好ましい方法は、真空下で原子,分子を
イオン化し、これを電場によって加速する,いわゆるイ
オン注入法と呼ばれているものである。すなわち、この
方法では電場を大きくすることにより電場に比例したエ
ネルギーをもつ原子,分子を得ることができるため、目
的とする深さまで原子,分子を注入することができる。
高速の原子あるいは分子は、炭素繊維を形成する炭素原
子と衝突し、その運動エネルギーを炭素原子に与えるこ
とによって炭素繊維中に照射損傷をつくる。このような
照射損傷が蓄積する結果、炭素繊維表層部に結晶性の低
い層,すなわちより等方質に近い層が形成される。
The most preferable method of producing high-speed atoms or molecules and injecting them from the surface of the carbon fiber is the so-called ion implantation method in which atoms and molecules are ionized under vacuum and accelerated by an electric field. That is, in this method, atoms and molecules having energy proportional to the electric field can be obtained by increasing the electric field, so that the atoms and molecules can be implanted to a target depth.
The fast atoms or molecules collide with the carbon atoms forming the carbon fiber and create radiation damage in the carbon fiber by imparting its kinetic energy to the carbon atoms. As a result of accumulation of such irradiation damage, a layer having low crystallinity, that is, a layer closer to isotropic, is formed on the surface layer of the carbon fiber.

また、特に黒鉛化した炭素繊維にイオン注入処理を施
した場合には、単繊維表層部の黒鉛が変性し、ダイヤモ
ンド状炭素膜に近似した等方質に近い層が形成される。
In particular, when the graphitized carbon fiber is subjected to the ion implantation treatment, the graphite in the surface layer of the single fiber is modified, and a layer close to an isotropic material similar to a diamond-like carbon film is formed.

すなわち、本発明のアクリル系炭素繊維は、表層部が
等方質に近いことを特徴とするものであり、その手段と
しては、結晶性の高い表層部に損傷を与えて等方質にす
る方法および/または表層部をダイヤモンドに近い結晶
構造に変性して等方質にする等の方法がある。
That is, the acrylic carbon fiber of the present invention is characterized in that the surface layer portion is close to isotropic, and as a means, a method of damaging the highly crystalline surface layer portion to make it isotropic. And / or a method of modifying the surface layer into a crystal structure close to diamond to make it isotropic.

レーザーラマン分光法により従来の炭素繊維を観測す
ると、1550〜1610cm-1(以下、単に1580cm-1近傍とい
う)と、前述した1350cm-1近傍とに2つのピークが認め
られる。
When conventional carbon fibers are observed by laser Raman spectroscopy, two peaks are observed at 1550 to 1610 cm -1 (hereinafter, simply referred to as near 1580 cm -1 ) and at the above-mentioned vicinity of 1350 cm -1 .

1580cm-1近傍のピークは完全な黒鉛結晶に対応し、構
造が乱れた黒鉛の割合が多くなるにつれ、1350cm-1近傍
のピークの相対強度および半価巾が大きくなる傾向があ
る。したがって、単繊維表層部の少なくとも一部の領域
の1350cm-1近傍ピークの半価巾νaと単繊維中心部の13
50cm-1近傍ピークの半価巾νbとの比νa/νbが大きい
ほど表層部がより等方質に近いことを示しており、本発
明においては高圧縮強度を得るためにその比が1.5以
上,より好ましくは2.0以上であることが重要である。
The peak near 1580 cm -1 corresponds to perfect graphite crystals, and the relative intensity and half width of the peak near 1350 cm -1 tend to increase as the proportion of graphite having a disordered structure increases. Accordingly, the half-value width νa of the peak near 1350 cm −1 in at least a part of the surface layer portion of the single fiber and the 13
The larger the ratio νa / νb to the half-value width νb of the peak near 50 cm −1 indicates that the surface layer portion is closer to isotropic, and the ratio is 1.5 or more in order to obtain high compressive strength in the present invention. , More preferably, 2.0 or more.

弾性率が340GPa以上の黒鉛化繊維は、元素分析により
求められる炭素含有量が98%以上で、広角X線回折によ
り求められる炭素網面の結晶サイズLcが22〜65Å、繊維
軸方向の配向度が85%以上の構造に黒鉛化処理すること
によって得られる。
Graphitized fibers having an elastic modulus of 340 GPa or more have a carbon content of 98% or more determined by elemental analysis, a crystal size Lc of the carbon network plane determined by wide-angle X-ray diffraction of 22 to 65 °, and a degree of orientation in the fiber axis direction. Can be obtained by graphitizing a structure of 85% or more.

本発明者らは、上記した従来公知の黒鉛化繊維に、高
真空下でホウ素等のイオンを高加速電圧で注入すること
により、黒鉛化繊維の単繊維圧縮強度および単繊維引張
強度が大幅に向上できることを見い出した。さらに上記
イオン注入黒鉛化繊維をレーザーラマン分光法により分
析した結果、前記ダイヤモンド状炭素膜に近似のスペク
トルが観察されることを見い出した。
The present inventors, by implanting ions such as boron under high vacuum at a high accelerating voltage into the above-mentioned conventionally known graphitized fiber, the single fiber compressive strength and single fiber tensile strength of the graphitized fiber are significantly increased. I found something that could be improved. Furthermore, as a result of analyzing the ion-implanted graphitized fiber by laser Raman spectroscopy, it was found that a spectrum similar to that of the diamond-like carbon film was observed.

本発明者らは、ラマンスペクトルの変化と単繊維圧縮
強度および単繊維引張強度の向上巾の関係につき詳細検
討した結果、本発明に到達したのである。
The present inventors have conducted detailed studies on the relationship between the change in the Raman spectrum and the improvement in the single-fiber compressive strength and the single-fiber tensile strength, and as a result, have reached the present invention.

上記イオン注入前の黒鉛化繊維をレーザーラマン分光
法により分析すると、1580cm-1近傍と1350cm-1近傍に比
較的シャープな2つのピークが観測されるが(図2,
6)、イオンを注入することによりそのスペクトルが下
記のように変化する。すなわち、得られたラマンスペク
トルをガウス関数形を用いたカーブフィッテイングによ
りピーク分割すると、たとえば図4,5、すなわち図4は
ホウ素イオンを1016/cm2注入した変性黒鉛化繊維表面の
ラマンスペクトルをガウス関数形により分割したもの、
図5はホウ素イオンを1015/cm2注入した変性黒鉛化繊維
表面のラマンスペクトルを3つのガウス関数形により分
割したものが示すように、1580cm-1近傍のピークと1350
cm-1近傍のピークの他に、1400〜1500cm-1にピークが観
察され、この1400〜1500cm-1のピークの1580cm-1近傍の
ピークに対するピーク強度比が大きいほどダイヤモンド
状炭素膜に近似した構造の割合が多いと考えられる。本
発明においては、単繊維圧縮強度および単繊維引張強度
を向上させるために、上記ピーク強度比を0.3以上にす
ることが好ましく、0.5〜1.5がより好ましい。なお、一
般に上記ピーク強度比を1.5以上とするのは困難であ
る。
When the graphitized fiber before the ion implantation is analyzed by laser Raman spectroscopy, two relatively sharp peaks are observed around 1580 cm -1 and around 1350 cm -1 (Fig. 2,
6) The spectrum changes as follows by implanting ions. That is, when the obtained Raman spectrum is divided into peaks by curve fitting using a Gaussian function form, for example, FIGS. 4 and 5, that is, FIG. 4 shows the Raman spectrum of the surface of the modified graphitized fiber into which boron ions are implanted at 10 16 / cm 2. Divided by Gaussian function form,
Figure 5 As shown in those divided by three Gaussian functions form a Raman spectrum of the boron ions 10 15 / cm 2 injected modified graphitized fiber surface, the peak of 1580 cm -1 vicinity 1350
cm -1 in addition to the peak in the vicinity of the peak is observed in 1400~1500Cm -1, approximate to a diamond-like carbon film larger the peak intensity ratio with respect to the peak of 1580 cm -1 vicinity of the peak of this 1400~1500Cm -1 It is considered that the proportion of the structure is large. In the present invention, in order to improve the single fiber compression strength and the single fiber tensile strength, the peak strength ratio is preferably set to 0.3 or more, more preferably 0.5 to 1.5. It is generally difficult to make the peak intensity ratio 1.5 or more.

このピーク強度比が大きいほど単繊維引張強度および
単繊維圧縮強度の向上幅が大きく、ピーク強度比が好ま
しくは0.3以上の時に単繊維引張弾性率が340GPa以上
で、単繊維引張強度が3.9GPa以上,単繊維圧縮強度が4.
9GPa以上の高性能アクリル系炭素繊維が得られる。
The larger the peak strength ratio is, the larger the increase in single fiber tensile strength and single fiber compressive strength is, and when the peak strength ratio is preferably 0.3 or more, the single fiber tensile elastic modulus is 340 GPa or more, and the single fiber tensile strength is 3.9 GPa or more. , Single fiber compression strength is 4.
High performance acrylic carbon fiber of 9 GPa or more can be obtained.

なお、ダイヤモンド状炭素膜のレーザーラマンスペク
トルとは、一般的に1500〜1600cm-1を中心とし、1350〜
1450cm-1にショルダーを有する非対称なスペクトルとな
るものである。
Incidentally, the laser Raman spectrum of the diamond-like carbon film is generally centered at 1500 to 1600 cm -1 and 1350 to
This is an asymmetric spectrum having a shoulder at 1450 cm -1 .

イオン注入法による場合において、注入するイオン種
としては、たとえばベリリウム,ホウ素,炭素,ケイ
素,リン,チタニウム,クロミウム,鉄,ニッケル,コ
バルト,銅,亜鉛,ゲルマニウム,銀,スズ,モリブデ
ン,テルル,タンタル,タングステン,金,白金などの
常温で固体状の元素および水素,窒素,ネオン,アルゴ
ン,クリプトン,フッ素,塩素,酸素などの常温で気体
状の元素あるいはそれらが複合したフッ化ボロンなどの
分子イオンを適用できるが、経済性および注入による圧
縮特性向上効果から窒素,ホウ素,アルゴン,炭素,ケ
イ素,チタニウム,クロミウム,ニッケル,銅が好まし
く、さらに好ましくは窒素,ホウ素,炭素,チタニウ
ム,クロミウムがよい。また、二種類以上のイオン種を
同時に,あるいは連続的に注入することも処理効果向上
のために有効である。
In the case of the ion implantation method, examples of ion species to be implanted include beryllium, boron, carbon, silicon, phosphorus, titanium, chromium, iron, nickel, cobalt, copper, zinc, germanium, silver, tin, molybdenum, tellurium, and tantalum. Normal temperature solid elements such as, tungsten, gold, platinum, etc. and gaseous elements at normal temperature such as hydrogen, nitrogen, neon, argon, krypton, fluorine, chlorine, oxygen, etc. However, nitrogen, boron, argon, carbon, silicon, titanium, chromium, nickel, and copper are preferable, and nitrogen, boron, carbon, titanium, and chromium are more preferable from the viewpoint of economy and the effect of improving the compression characteristics by injection. Simultaneous or continuous implantation of two or more ion species is also effective for improving the processing effect.

注入条件は所望の構造を得るのに最も適したイオン
種,加速電圧,注入量という観点から、注入されるター
ゲットとしての炭素繊維との関係によって選ばれるべき
である。
The implantation conditions should be selected according to the relationship with the carbon fiber as the target to be implanted, from the viewpoint of the ion species, acceleration voltage, and implantation amount most suitable for obtaining a desired structure.

注入時の真空度は、10-3Torr以下とするものであり、
好ましくは10-4Torr以下,さらに好ましくは10-5Torr以
下であることがイオン注入を効果的に行なうために有効
である。
The degree of vacuum at the time of injection should be 10 −3 Torr or less,
Preferably, the pressure is 10 -4 Torr or less, more preferably 10 -5 Torr or less, for effective ion implantation.

イオンの加速電圧は好ましくは50kV以上,より好まし
くは100kV以上,さらに好ましくは150kV以上がよい。イ
オン種および加速電圧の組み合わせにより注入深さが決
まるので、所望の注入深さを得るために、その組み合わ
せを最適化することが好ましい。
The ion accelerating voltage is preferably 50 kV or more, more preferably 100 kV or more, and further preferably 150 kV or more. Since the implantation depth is determined by the combination of the ion species and the acceleration voltage, it is preferable to optimize the combination to obtain a desired implantation depth.

注入量としては1015(ions)/cm2以上、より好ましく
は1016/cm2以上,さらに好ましくは1017/cm2以上であ
り、イオン種および加速電圧との組み合わせにより注入
量を最適化するのがよい。
The implantation amount is 10 15 (ions) / cm 2 or more, more preferably 10 16 / cm 2 or more, and still more preferably 10 17 / cm 2 or more. The implantation amount is optimized by a combination of ion species and acceleration voltage. Good to do.

注入時間は注入量と注入装置のビーム強度によって決
まるが、1015/cm2以上の注入量を生産性よく注入するた
めには0.1μA/cm2以上,好ましくは1μA/cm2以上,さ
らに好ましくは5μA/cm2以上のビーム強度がよい。1
μA/cm2以上のビーム強度により10分以下,好ましくは
1分以下の処理時間で注入することが可能である。
Although the injection time is determined by the beam intensity of the injected volume and the injection device, 10 15 / cm 2 or more injection volume to produce good injection 0.1 .mu.A / cm 2 or more, preferably 1 .mu.A / cm 2 or more, more preferably Has a beam intensity of 5 μA / cm 2 or more. 1
The injection can be performed with a processing time of 10 minutes or less, preferably 1 minute or less, with a beam intensity of μA / cm 2 or more.

注入する際の炭素繊維束の供給方法としては、炭素繊
維束をイオン注入方向に対する厚みが単繊維径の1〜5
倍、より好ましくは1〜3倍,さら好ましくは1〜2倍
となるように単繊維が分散した状態に開繊する。
As a method of supplying the carbon fiber bundle at the time of implantation, the thickness of the carbon fiber bundle in the ion implantation direction is 1 to 5 of the single fiber diameter.
The fiber is opened in a state in which the single fibers are dispersed so as to be twice, more preferably one to three times, and still more preferably one to two times.

開繊方法としては、単繊維を切り取り、金属枠などに
固定してもよいが、好ましくは炭素繊維束を低周数ある
いは超音波振動などの機械的振動を加えた拡幅ガイドに
より開繊するのがよい。この際、平型および凸型ガイド
を組み合わせて用いることが好ましい。この方法によ
り、連続的に炭素繊維を供給することも可能となり、生
産性からも好ましい。
As an opening method, a single fiber may be cut out and fixed to a metal frame or the like, but it is preferable to open the carbon fiber bundle by a widening guide to which a low frequency or mechanical vibration such as ultrasonic vibration is applied. Is good. At this time, it is preferable to use a combination of the flat guide and the convex guide. This method also enables continuous supply of carbon fibers, which is preferable from the viewpoint of productivity.

さらに単繊維に分散した状態でも裏側への注入は難し
いため、表と裏といった少なくとも2回、異なった方向
から注入する。少なくとも2回、異なった方向から注入
する方法としては、同時に2方向から注入してもよい
し、1方向から注入した後、他の方向から再度注入して
もよい。また、その際にイオン種を変えることも可能で
ある。
Furthermore, since it is difficult to inject into the back side even in the state of being dispersed in a single fiber, it is injected at least twice from different directions such as front and back. As a method of injecting at least two times from different directions, the injection may be performed simultaneously from two directions, or may be performed from one direction and then performed again from another direction. At that time, the ion species can be changed.

イオン注入により得られた炭素繊維の結晶構造は、イ
オンが注入された表層部の結晶性が繊維中心部に対比し
て低くなるが、注入されていない中心部はイオン注入前
と変わらないために、明瞭な階段状の構造になる点に特
徴がある。
The crystal structure of the carbon fiber obtained by ion implantation shows that the crystallinity of the surface layer into which the ions are implanted is lower than that of the fiber center, but the central part not implanted is the same as before the ion implantation. It is characterized by a clear step-like structure.

常温で固体の原子あるいは分子を注入した場合には、
炭素繊維の表層部には注入された元素が原子あるいは分
子状に分布した構造を呈し、その分布状態は二次イオン
質量分析法(SIMS)により測定することができる。その
分布状態は、単繊維中心部には実質的に存在せず、表層
部に最大濃度部を有する。その分布は正規分布に近い分
布を示し、炭素繊維表面の元素濃度は表層部の最大濃度
に対して1/2以下,好ましくは1/5以下となるのが一般的
である。このように表面の異種元素濃度が低いことによ
り樹脂との接着を阻害することなく、表層部の構造を改
質できるというすぐれた特徴がある。なお、ここでいう
異種元素とは、炭素以外の元素のことであり、また異種
元素が単繊維中心部に実質的に存在しないとは、元素濃
度が原子数比で0.05%未満であることをいう。ただし窒
素などの炭素繊維の基質自体に含まれている元素につい
ては焼成温度によって決まる含有量が存在することにな
り、イオン注入処理前後で元素濃度が変化しないことを
いう。
When injecting solid atoms or molecules at room temperature,
The surface of the carbon fiber has a structure in which the injected elements are distributed in an atomic or molecular state, and the distribution state can be measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The distribution state does not substantially exist in the central portion of the single fiber, but has the maximum concentration portion in the surface layer portion. The distribution shows a distribution close to the normal distribution, and the element concentration on the surface of the carbon fiber is generally 1/2 or less, preferably 1 or less with respect to the maximum concentration of the surface layer. As described above, there is an excellent feature that the structure of the surface layer portion can be modified without inhibiting the adhesion to the resin due to the low concentration of the different elements on the surface. The term "heterogeneous element" used herein means an element other than carbon, and the phrase "heterogeneous element is not substantially present in the central portion of the single fiber" means that the element concentration is less than 0.05% in atomic ratio. Say. However, for elements such as nitrogen contained in the carbon fiber substrate itself, there is a content determined by the firing temperature, which means that the element concentration does not change before and after the ion implantation treatment.

なお、本発明におけるレーザーラマン分光法による結
晶性,単繊維引張強度,弾性率,単繊維圧縮強度,結晶
サイズ,配向度,ねじり弾性率,ΔL,SIMSによる元素分
布およびコンポジット0゜圧縮強度は、それぞれ以下に
記述する解析方法により求めた値である。
In the present invention, the crystallinity, single fiber tensile strength, elastic modulus, single fiber compressive strength, crystal size, orientation degree, torsional elasticity, ΔL, element distribution according to SIMS and composite 0 ° compressive strength by laser Raman spectroscopy are as follows: Each value is obtained by the analysis method described below.

レーザーラマン分光法による炭素繊維断面深さ方向の結
晶性分布 単繊維を無電解で銅メッキした後エポキシ樹脂に包埋
し、繊維軸に対して傾斜角が5゜前後になるように単繊
維の断面を研磨し、解析に供した。傾斜角が10゜以上と
なると単繊維断面の研磨面が小さくなり、1μmのビー
ム径での解析では半径方向の測定ポイント数が減少し、
精度が低下するので好ましくない。
Crystallinity distribution in the depth direction of carbon fiber cross section by laser Raman spectroscopy The single fiber is electrolessly plated with copper and then embedded in epoxy resin, and the angle of the single fiber is about 5 ° with respect to the fiber axis. The cross section was polished and provided for analysis. When the inclination angle is 10 ° or more, the polished surface of the single fiber cross section becomes smaller, and the number of measurement points in the radial direction decreases in the analysis with a beam diameter of 1 μm,
It is not preferable because accuracy is lowered.

評価機器として、仏Jobin−Yvon社製Ramanor U−1000
顕微ラマンシステムを用いた。励起波長5145Åのアルゴ
ンイオンレーザー(ビーム径:1μm)を用い、炭素繊維
表面から中心部へと約1μmおきにラマンスペクトルを
測定した。各ラマンスペクトルについて、ガウス関数形
を用いたカーブフィッテイングによりピーク分割を行な
い、1350cm-1近傍のピークの半価巾の変化を深さ方向に
求めた。なお、ガウス関数でピーク分割できないスペク
トルに対してはローレンツ関数形を用いてピーク分割し
た。
As an evaluation device, Ramanor U-1000 manufactured by Jobin-Yvon, France
A microscopic Raman system was used. Using an argon ion laser (beam diameter: 1 μm) with an excitation wavelength of 5145 °, a Raman spectrum was measured at intervals of about 1 μm from the carbon fiber surface to the center. For each Raman spectrum, peak division was performed by curve fitting using a Gaussian function form, and the change in half-value width of the peak near 1350 cm −1 was determined in the depth direction. Note that a peak that cannot be divided by the Gaussian function was divided into peaks using the Lorentz function form.

レーザーラマン分光法による炭素繊維表面の結晶性 試料繊維束から、単繊維1本を採取して解析に供し
た。評価機器として、仏Jobin−Yvon社製Ramanor U−10
00顕微ラマンシステムを用いた。励起波長5145Åのアル
ゴンイオンレーザー(ビーム径:1μm)を用い、炭素繊
維表面のラマンスペクトルを測定した。各ラマンスペク
トルについて、ガウス関数形を用いたカーブフィッテイ
ングにより、ピーク分割を行ない、1400〜1500cm−1の
範囲内に認められるピークの強度(ピーク高さ)と1580
cm−1近傍に認められるピークの強度(ピーク高さ)の
比を求めた。
Crystallineity of Carbon Fiber Surface by Laser Raman Spectroscopy One single fiber was collected from a sample fiber bundle and analyzed. As an evaluation device, Ramanor U-10 manufactured by Jobin-Yvon of France
A microscopic Raman system was used. Using an argon ion laser (beam diameter: 1 μm) with an excitation wavelength of 5145 °, the Raman spectrum of the carbon fiber surface was measured. For each Raman spectrum, peak division was performed by curve fitting using the Gaussian function form, and the peak intensity (peak height) observed in the range of 1400 to 1500 cm −1 and the peak
The ratio of the peak intensity (peak height) observed near cm-1 was determined.

単繊維引張強度,弾性率 JIS−R7601における単繊維試験方法に準じて行なっ
た。なお、単繊維の試長は25mmとし、1水準に試料につ
き各50本の測定を行なって、その平均値を求めた。単繊
維の断面積としては試料繊維束の繊維と密度と構成単繊
維本数から求めた平均単繊維断面積を用いた。
Single fiber tensile strength and elastic modulus The single fiber test was performed according to the single fiber test method in JIS-R7601. In addition, the test length of the single fiber was set to 25 mm, and 50 samples were measured for each sample at one level, and the average value was obtained. As the cross-sectional area of the single fiber, the average single-fiber cross-sectional area obtained from the fiber and density of the sample fiber bundle and the number of constituent single fibers was used.

単繊維圧縮強度σcf 約10cmの単繊維をスライドグラス上に置き、中央部に
グリセリンを1〜2滴たらして単繊維をひねりながらル
ープを作り、その上にプレパラートを置く。これを顕微
鏡下に置いて顕微鏡に接続したビデオカメラでモニタ
(CRT)上に映し、これを観察しながら常にループを視
野に捉えるようにしながらループの両端を指で押さえな
がら、一定速度で引張り、歪をかける。そして破断する
までの挙動をビデオに録画し、再生画面を停止させなが
ら図7に示すループの短径(D)と長径(φ)をCRT上
で測定する。単繊維径(d)とDから次式により図4の
A点における歪(ε)を計算し、εを横軸,長径と短径
との比(φ/D)を縦軸にしてグラフにプロットする(図
8)。
A single fiber having a compressive strength of single fiber σcf of about 10 cm is placed on a slide glass, and one or two drops of glycerin are dropped at the center to form a loop while twisting the single fiber, and a preparation is placed thereon. Put this under the microscope, project it on a monitor (CRT) with a video camera connected to the microscope, observe it, always hold the loop in the field of view, hold down both ends of the loop with your fingers, pull at a constant speed, Apply distortion. Then, the behavior until the break is recorded on a video, and the minor axis (D) and major axis (φ) of the loop shown in FIG. 7 are measured on the CRT while stopping the playback screen. The strain (ε) at point A in FIG. 4 is calculated from the single fiber diameter (d) and D according to the following equation, and ε is plotted on the horizontal axis, and the ratio of the major axis to the minor axis (φ / D) is plotted on the vertical axis. Plot (FIG. 8).

ε=1.07×d/D φ/Dは、圧縮座屈しない領域では一定値(約1.34)を
示すが、圧縮座屈すると急に大きくなる。したがって、
φ/Dが急に増大し始める歪を圧縮降伏歪(εcf)として
求める。これを約10本の単繊維につき測定し、その平均
値を求めた。得られた平均値に引張弾性率を掛けた値を
単繊維圧縮強度とした。
ε = 1.07 × d / D φ / D shows a constant value (approximately 1.34) in a region where compression buckling does not occur, but increases sharply when compression buckling occurs. Therefore,
The strain at which φ / D starts to increase suddenly is determined as the compression yield strain (εcf). This was measured for about 10 single fibers, and the average value was determined. The value obtained by multiplying the obtained average value by the tensile modulus was defined as the single fiber compressive strength.

なお引張弾性率は、炭素繊維束を“ベークライト"ERL
−4221/三フッ化ホウ素モノエチルアミン(BF3・MEA)
/アセトン=100/3/4部に含浸し、得られた樹脂含浸ス
トランドを130℃で30分間加熱して硬化させ、JIS−R−
7601に規定する樹脂含浸ストランド試験法に従って測定
した。
The tensile modulus of the carbon fiber bundle was measured using "Bakelite" ERL.
-4221 / boron trifluoride monoethylamine (BF 3 · MEA)
/ Acetone = 100/3/4 parts, and the obtained resin-impregnated strand is cured by heating at 130 ° C. for 30 minutes, JIS-R-
It was measured according to the resin impregnated strand test method specified in 7601.

元素分析 柳本製作所CHN Corder Model MT−3を用いて炭素含
有量を求め、試料重量に対する炭素含有率を算出した。
なお、試料中の水分率の測定を行ない、試料重量の補正
を行なった。
Elemental analysis The carbon content was determined using Yanagimoto Seisakusho CHN Corder Model MT-3, and the carbon content relative to the sample weight was calculated.
The moisture content of the sample was measured to correct the weight of the sample.

結晶サイズLc 繊維束を40mm長に切断して、20mgを精秤採取し、試料
繊維軸が正確に並行になるようにそろえた後、試料調整
用治具を用いて巾1mmの厚さが均一な試料繊維束に整え
た。薄いコロジオン液を含浸させて形態がくずれないよ
うに固定した後、広角X線回折測定試料台に固定した。
X線源としては、理学電機社製のX線発生装置を用い
て、35kV−15mAの出力のCuKα線(Niフィルター使用)
を用いた。理学電機社製のゴニオメーターを用い、透過
法によりグラファイトの面指数(002)に相当する2θ
=26゜近傍の回折ピークをシンチレーションカウンター
により検出した。
Crystal size Lc Cut the fiber bundle into 40 mm lengths, precisely weigh out 20 mg, align the sample fiber axes exactly parallel, and then use a sample adjustment jig to have a uniform thickness of 1 mm in width. The sample fiber bundle was prepared. After being impregnated with a thin collodion solution and fixed so as not to lose its shape, it was fixed to a sample table for wide-angle X-ray diffraction measurement.
As the X-ray source, using an X-ray generator manufactured by Rigaku Denki Co., Ltd., CuKα ray with 35kV-15mA output (using Ni filter)
Was used. Using a goniometer manufactured by Rigaku Denki KK, 2θ equivalent to the surface index (002) of graphite by a transmission method.
A diffraction peak near = 26 ° was detected by a scintillation counter.

上記、回折ピークにおける半価巾から下式を用いて、
結晶サイズLcを求めた。
Using the above formula from the half width at the diffraction peak,
The crystal size Lc was determined.

Lc=λ(β0 cosθ) ただし、λは用いたX線の波長(ここではCuKα線を
用いており、1.5418Å)であり、θはBraggの回折角で
ある。また、βは真の半価巾であり、次式により求め
た。
Lc = λ (β 0 cos θ) where λ is the wavelength of the used X-ray (here, CuKα ray is used, 1.5418 °), and θ is the Bragg diffraction angle. Β 0 is the true half-value width, and was determined by the following equation.

β0 2=βE 2−β1 2 (βは見掛けの半価巾,βは装置定数であり、ここ
では1.05×10-2rad) 繊維軸方向の配向度π002 結晶サイズLcの場合と同様に試料を調整し、同様の解
析方法により得られた(002)回折の最高強度を含む子
午線方向のプロフィルの拡がりの半価巾(H゜)から次
式を用いて結晶配向度π002(%)を求めた。
β 0 2 = β E 2 -β 1 2 (β E is the half-value width of the apparent, beta 1 is an apparatus constant, where 1.05 × 10 -2 rad is) in the fiber axis direction of orientation [pi 002 crystal size Lc The sample was prepared in the same manner as in the above case, and the degree of crystal orientation π was obtained from the half width (H ゜) of the profile expansion in the meridian direction including the highest intensity of the (002) diffraction obtained by the same analysis method using the following equation. 002 (%) was determined.

π002=[(180−H)/180]×100 ねじり弾性率Gf 長さ約10cmの単繊維の一端を約0.5gのガラス製重りの
中央に設けた細孔内に挿入して瞬間接着剤で接着し、他
端はクッション紙に瞬間接着剤で接着し、クリップで固
定して吊り下げる(図9)。おもりを約+10回転回して
繊維にねじりを与え、開放してから反対回転に約−10回
転回って停止し、また回転してねじりがもとの+10回転
に戻って停止するまでの時間を1周期T(sec)として
連続5周期求めてその平均を求める。これを約5本の単
繊維について測定しその平均を求め、次式によりねじり
弾性率Gf(GPa)を求めた。
π 002 = [(180−H) / 180] × 100 Torsional elastic modulus Gf An instant adhesive is obtained by inserting one end of a single fiber with a length of about 10 cm into the pore provided in the center of a glass weight of about 0.5 g. The other end is bonded to the cushion paper with an instant adhesive, fixed with clips and suspended (FIG. 9). Turn the weight about +10 turns to twist the fiber, release it and turn it counterclockwise about -10 turns to stop, and then turn it to return to the original +10 turns and stop for 1 time. Five consecutive periods are obtained as a period T (sec), and the average thereof is obtained. This was measured for about 5 single fibers, the average thereof was determined, and the torsional elastic modulus Gf (GPa) was determined by the following equation.

Gf=125πlI/(d4T2)×10-5 I=MD2/(8g) (l:繊維の長さ(mm),d:単糸径(mm),M:重りの重量
(g),D:おもりの直径(mm),g:重力加速度(m/se
c2),I:ねじりモーメント) ヨウ素吸着法によるΔL 繊維長5〜7cmの乾燥試料を約0.5g精秤し、200mlの共
栓付き三角フラスコに採り、これにヨウ素溶液(I2:51
g,2,4−ジクロロフェノール10g,酢酸90gおよびヨウ化カ
リウム100gを秤量し、1のメスフラスコに移して水で
溶かして定容とする)100mlを加えて、60℃で50分間振
盪しながら吸着処理を行なう。ヨウ素を吸着した試料を
流水中で30分間水洗した後、遠心脱水(2000rpm×1
分)してすばやく風乾する。この試料を開繊した後、ハ
ンター型色差計[カラーマシン(株)製,CM−25型]で
明度(L値)を測定する(L1)。
Gf = 125πlI / (d 4 T 2 ) × 10 -5 I = MD 2 / (8g) (l: fiber length (mm), d: single yarn diameter (mm), M: weight of weight (g) , D: Weight diameter (mm), g: Gravitational acceleration (m / se
c 2 ), I: torsional moment) ΔL by iodine adsorption method About 0.5 g of a dry sample having a fiber length of 5 to 7 cm was precisely weighed and placed in a 200 ml Erlenmeyer flask with a stopper, and the iodine solution (I 2 : 51) was added thereto.
g, 2,4-dichlorophenol 10 g, acetic acid 90 g and potassium iodide 100 g are weighed, transferred to a volumetric flask and dissolved in water to a constant volume), and 100 ml is added thereto. An adsorption process is performed. After washing the sample adsorbing iodine in running water for 30 minutes, centrifugal dehydration (2000 rpm x 1)
Minutes) and air-dry quickly. After the sample is opened, the lightness (L value) is measured with a Hunter-type color difference meter (CM-25, manufactured by Color Machine Co., Ltd.) (L 1 ).

一方、ヨウ素の吸着処理を行なわない対応の試料を開
繊し、同様に前記ハンター型色差計で明度(L0)を測定
し、L0−L1により明度差ΔLを求めた。
On the other hand, the corresponding sample not subjected to the iodine adsorption treatment was opened, the lightness (L 0 ) was measured in the same manner with the hunter type color difference meter, and the lightness difference ΔL was obtained from L 0 −L 1 .

SIMSによる元素分布 評価機器として、西独ATOMIKA社製A−DIDA 3000を用
いた。10-9Torrの高真空下、酸素イオン(O2 +)を加速
電圧12kV,イオン電流70μAで炭素繊維表面に当て、ス
パッタリングによって発生する2次イオンを質量分析し
た。試料は炭素繊維束を引き揃えて並べ、120μm×120
μmの分析領域で測定した。なお、深さについては、15
00℃焼成グラッシーカーボンを用いて、予めスパッタリ
ング時間と深さの関係を表面粗さ計により測定し、それ
によって求めたスパッタレートとスパッタリング時間か
ら求めた。
A-DIDA 3000 manufactured by ATOMIKA West Germany was used as an element distribution evaluation device by SIMS. Under a high vacuum of 10 -9 Torr, oxygen ions (O 2 + ) were applied to the carbon fiber surface at an acceleration voltage of 12 kV and an ion current of 70 μA, and secondary ions generated by sputtering were subjected to mass spectrometry. Specimens were arranged with carbon fiber bundles aligned and 120 μm × 120
It was measured in the analysis area of μm. The depth is 15
Using glassy carbon fired at 00 ° C., the relationship between the sputtering time and the depth was measured in advance by a surface roughness meter, and was determined from the sputtering rate and the sputtering time determined thereby.

コポジット0゜圧縮強度 炭素繊維を一方向に引き揃え、東レ(株)製#3620樹
脂で含浸したプリプレグを積層し、ASTM−D695に規定す
る試験片および試験方法に従って測定した。
Composit 0 ° Compressive strength Carbon fibers were aligned in one direction, prepregs impregnated with # 3620 resin manufactured by Toray Co., Ltd. were laminated, and measured in accordance with the test specimen and test method specified in ASTM-D695.

[実施例] 以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明す
る。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

実施例1,比較例1 アクリロニトリル(AN)99.4モル%とメタクリル酸0.
6モル%からなる共重合体を用いて、濃度が20重量%の
ジメチルスルホキシド(DMSO)溶液を作製した。この溶
液を温度35℃に調整し、孔径0.12mm,ホール数3000の紡
糸口金を通して一旦空気中に吐出して約4mmの空間を走
らせた後、温度5℃,濃度30%のDMSO水溶液中で凝固さ
せた。凝固糸条を水洗後、3段の延伸浴で3.5倍に延伸
しシリコーン系油剤を付与した後、130〜160℃に加熱さ
れたローラー表面に接触させて乾燥緻密化し、さらに3.
7kg/cm2の加圧スチーム中で3倍に延伸して単繊維繊度
0.8d,トータルデニール2400Dの繊維束を得た。該繊維束
のΔLは28であった。
Example 1, Comparative Example 1 99.4 mol% of acrylonitrile (AN) and methacrylic acid 0.
Using a copolymer consisting of 6 mol%, a dimethyl sulfoxide (DMSO) solution having a concentration of 20% by weight was prepared. This solution was adjusted to a temperature of 35 ° C, discharged into the air through a spinneret with a hole diameter of 0.12 mm and a number of holes of 3,000 and ran through a space of about 4 mm, and then coagulated in a DMSO aqueous solution at a temperature of 5 ° C and a concentration of 30%. I let it. After washing the coagulated yarn with water, drawing it 3.5 times in a three-stage drawing bath, applying a silicone oil agent, and then bringing it into contact with the roller surface heated to 130 to 160 ° C. to dry and densify it.
Single fiber fineness after drawing 3 times in 7kg / cm 2 pressurized steam
A fiber bundle with 0.8d and total denier of 2400D was obtained. The ΔL of the fiber bundle was 28.

得られた繊維束を240〜280℃の空気中で、延伸比1.05
で加熱し、密度1.38g/cm3の耐炎化繊維に転換した。つ
いで窒素雰囲気中350〜500℃の温度領域での昇温速度を
200℃/分とし、8%の延伸を行なった後、さらに1400
℃まで焼成した。得られた炭素繊維の結晶サイズLcは18
Åであった。
The obtained fiber bundle is drawn at a draw ratio of 1.05 in air at 240 to 280 ° C.
To convert the fiber into a flame-resistant fiber having a density of 1.38 g / cm 3 . Next, the heating rate in a temperature range of 350 to 500 ° C in a nitrogen atmosphere is
200 ° C./min., After 8% stretching, 1400
Fired to ° C. The crystal size Lc of the obtained carbon fiber is 18
Was Å.

得られた炭素繊維を、さらに2400℃まで黒鉛化して黒
鉛化繊維を得た。
The obtained carbon fiber was further graphitized to 2400 ° C. to obtain a graphitized fiber.

該黒鉛化繊維から単繊維約100本を分別して、10cm四
方のアルミ枠に単繊維が並列に並ぶように引き揃えて固
定し、真空度3×10-6・Torr、加速電圧150kVでホウ素
イオンを1×1016/cm2注入した。この処理を表と裏の両
面から行なった。ビーム強度は0.2μA/cm2であり、処理
時間は片面につき約20分であった。イオン注入前後の黒
鉛化繊維につき、単繊維圧縮強度,レーザーラマン分光
法による表層部の結晶性および単繊維引張特性を表1に
示す。
Approximately 100 single fibers are separated from the graphitized fibers, and the single fibers are aligned and fixed in a 10 cm square aluminum frame so as to be arranged in parallel. The degree of vacuum is 3 × 10 −6 Torr, the acceleration voltage is 150 kV, and the boron ion is Was injected at 1 × 10 16 / cm 2 . This treatment was performed from both the front and back sides. The beam intensity was 0.2 μA / cm 2 and the processing time was about 20 minutes per side. Table 1 shows the single-fiber compressive strength, the crystallinity of the surface layer by laser Raman spectroscopy, and the single-fiber tensile properties of the graphitized fibers before and after ion implantation.

表1からわかるように、黒鉛化繊維へのイオン注入に
より、νa/νbが1.0から4.8へと、表層部の結晶性が大
幅に低下した。単繊維圧縮強度σcfが3.53GPaから7.45G
Paへと約2倍に向上し、ねじり弾性率も14.7GPaから27.
4GPaへと2倍近く向上した。さらに引張強度も3.23GPa
から4.21GPaへと大幅に向上するなど顕著な効果が認め
られた。
As can be seen from Table 1, the ion implantation into the graphitized fibers drastically reduced the crystallinity of the surface layer from νa / νb from 1.0 to 4.8. Single fiber compression strength σcf is 3.53GPa to 7.45G
Pa to about 2 times and torsional elasticity from 14.7 GPa to 27.
It almost doubled to 4GPa. 3.23 GPa tensile strength
To 4.21 GPa, a remarkable effect was observed.

なお、レーザーラマン分光法による断面深さ方向の結
晶性分布解析から、上記イオン注入黒鉛化繊維は、表面
から深さ約0.8μmまで結晶性の低い層が形成されてお
り、上記νaは表面から深さ約0.8μmまでの領域にお
ける7点のラマンスペクトルデータを平均することによ
って求めた値である。この分布を図3に示す。またイオ
ン注入後の黒鉛化繊維につき、SIMSによりホウ素原子の
分布を解析したところ、表面から0.5μm附近で濃度が
最大となる分布を示した。この分布を図11に示す。
From the crystallinity distribution analysis in the cross-sectional depth direction by laser Raman spectroscopy, the ion-implanted graphitized fiber has a layer with low crystallinity formed from the surface to a depth of about 0.8 μm, and the νa is measured from the surface. This is a value obtained by averaging Raman spectrum data at seven points in a region up to a depth of about 0.8 μm. This distribution is shown in FIG. When the distribution of boron atoms in the graphitized fiber after ion implantation was analyzed by SIMS, it showed a distribution where the concentration became maximum near 0.5 μm from the surface. This distribution is shown in FIG.

さらに、該イオン注入前後の黒鉛化繊維につき、炭素
含有率,結晶サイズLc,配向度π002およびレーザーラマ
ン分光法によるピーク解析結晶を表3に併せて記した。
イオン注入により、1400〜1500cm-1のピークの1580cm-1
近傍のピークに対するピーク強度比が0.05から0.55へと
大幅に向上し、ダイヤモンド状炭素膜に近似した構造の
割合が増加していることがわかる。
Further, with respect to the graphitized fibers before and after the ion implantation, the carbon content, the crystal size Lc, the degree of orientation π 002 and the peak analysis crystals by laser Raman spectroscopy are also shown in Table 3.
By ion implantation, the peak of 1400~1500cm -1 1580cm -1
It can be seen that the peak intensity ratio with respect to the nearby peak was greatly improved from 0.05 to 0.55, and the ratio of the structure similar to the diamond-like carbon film was increased.

実施例2〜3 実施例1で用いたイオン注入前の黒鉛化繊維を用い
て、実施例1と同様にイオン注入を行なうに際して、イ
オンの種類,注入量を変更して変性黒鉛化繊維を試作し
た。得られた変性黒鉛化繊維の特性を評価し、結果を表
1に併せて記した。
Examples 2 to 3 When the ion implantation is performed in the same manner as in Example 1 by using the graphitized fiber before ion implantation used in Example 1, the kind of ion and the injection amount are changed to prototype a modified graphitized fiber. did. The properties of the resulting modified graphitized fibers were evaluated, and the results are shown in Table 1.

実施例4〜5 実施例1と同一の耐炎化繊維を用いて、窒素雰囲気中
350〜500℃の温度領域での昇温速度を200℃/分とし8
%の延伸を行なった後、さらに最高温度を1800℃および
2000℃でそれぞれ焼成し、2水準の炭素繊維ないしは黒
鉛化繊維を作製した。上記繊維に実施例1と同一の条件
でイオン注入を行なった。得られた炭素繊維ないしは黒
鉛化繊維の繊維特性を表2に示す。
Examples 4 and 5 Using the same oxidized fiber as in Example 1 in a nitrogen atmosphere
Set the heating rate in the temperature range of 350 to 500 ° C to 200 ° C / min.
%, And then the maximum temperature is raised to 1800 ° C and
Each was fired at 2000 ° C. to produce two levels of carbon fibers or graphitized fibers. The above fibers were subjected to ion implantation under the same conditions as in Example 1. Table 2 shows the fiber properties of the obtained carbon fibers or graphitized fibers.

実施例6〜9 実施例1において、イオン注入条件を表3のように変
える以外は実施例1の同様に処理して黒鉛化繊維を得
た。得られた黒鉛化繊維の特性を表3に示す。
Examples 6 to 9 The procedure of Example 1 was repeated, except that the ion implantation conditions were changed as shown in Table 3, to obtain graphitized fibers. Table 3 shows the properties of the obtained graphitized fibers.

実施例10,比較例2 実施例1で用いた1400℃焼成糸を、さらに2850℃まで
黒鉛化して、結晶サイズLcが57Åの黒鉛化繊維を得た。
Example 10, Comparative Example 2 The fired yarn at 1400 ° C. used in Example 1 was further graphitized to 2850 ° C. to obtain a graphitized fiber having a crystal size Lc of 57 °.

該黒鉛化繊維を用いて、注入量を5×1016/cm2とする
以外は実施例1と同様の方法でホウ素イオンを注入し
た。イオン注入後の黒鉛化繊維の結晶サイズLcは54Åで
あった。
Using the graphitized fiber, boron ions were implanted in the same manner as in Example 1 except that the injection amount was 5 × 10 16 / cm 2 . The crystal size Lc of the graphitized fiber after ion implantation was 54 °.

イオン注入前後の単繊維圧縮強度を測定した結果、3.
63GPaから5.78GPaへと大幅に向上する効果が認められ
た。
As a result of measuring the single fiber compressive strength before and after ion implantation, 3.
The effect of greatly improving from 63 GPa to 5.78 GPa was recognized.

実施例11,比較例3 実施例1で用いたイオン注入前の黒鉛化繊維束を凸型
および平型加振ガイドを用いて、低周波振動により、厚
みが単繊維径の3倍以下になるように開繊し、アルミホ
イルをリードペーパーとしてリードペーパーとともにボ
ビンに巻き取った。得られた巻き取りボビンを真空系内
にセットし、リードペーパーとともに炭素繊維束を引き
出し、速度1cm/分で別のボビンに巻き取った。この走行
炭素繊維束に走行方向に対して直角方向からホウ素イオ
ンを連続的に注入した。
Example 11 and Comparative Example 3 The thickness of the graphitized fiber bundle before ion implantation used in Example 1 becomes three times or less the diameter of a single fiber by low-frequency vibration using a convex and a flat vibration guide. And the aluminum foil was wound up on a bobbin together with the lead paper as lead paper. The obtained winding bobbin was set in a vacuum system, the carbon fiber bundle was pulled out together with the lead paper, and wound on another bobbin at a speed of 1 cm / min. Boron ions were continuously injected into the traveling carbon fiber bundle from a direction perpendicular to the traveling direction.

真空度は1×10-6Torr,加速電圧は150kV,注入量は片
面につき1×1016/cm2であった。一度巻き取った炭素繊
維を反対方向から解舒してもう一度処理することによ
り、裏と表の両面から注入した。
The degree of vacuum was 1 × 10 −6 Torr, the acceleration voltage was 150 kV, and the injection amount was 1 × 10 16 / cm 2 per side. Once wound, the carbon fiber was unwound from the opposite direction and processed again to inject from both the back and the front.

得られたイオン注入前後の黒鉛化繊維につきコンポジ
ット0゜圧縮強度を測定した結果、イオン注入後の黒鉛
化繊維(実施例11)は1.35GPaと、イオン注入前の黒鉛
化糸(比較例3)の1.05GPaに比べて大幅に向上した。
なお、イオン注入前後の黒鉛化繊維の結晶サイズLcはそ
れぞれ43Å(実施例11),41Å(比較例3)であった。
As a result of measuring the composite 0 ° compression strength of the obtained graphitized fiber before and after ion implantation, the graphitized fiber after ion implantation (Example 11) was 1.35 GPa, and the graphitized yarn before ion implantation (Comparative Example 3) It was greatly improved compared to 1.05GPa.
The crystal size Lc of the graphitized fiber before and after ion implantation was 43 ° (Example 11) and 41 ° (Comparative Example 3), respectively.

比較例4 実施例1で用いたイオン注入前の黒鉛化繊維束を、パ
イレックスガラスフレームに巻き、濃度60%,温度120
℃の熱濃硝酸中で45分間熱処理した後、約60分間水洗
し、120℃のオーブン中で乾燥した後、さらに700℃の窒
素雰囲気中で約1分間熱処理した。得られた黒鉛化繊維
の特性を表5に示す。
Comparative Example 4 The graphitized fiber bundle before ion implantation used in Example 1 was wound around a Pyrex glass frame, and had a concentration of 60% and a temperature of 120.
After heat treatment in hot concentrated nitric acid at 45 ° C. for 45 minutes, washing with water for about 60 minutes, drying in an oven at 120 ° C., and further heat treatment in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. for about 1 minute. Table 5 shows the properties of the obtained graphitized fibers.

該処理によって得られた黒鉛化繊維は、νa/νbが1.
0と未処理糸並みであり、前述したレーザーラマン分光
法による結晶性解析では未処理糸との差を見い出せず、
単繊維圧縮強度およびねじり弾性率も処理前後で殆ど変
化しなかった。
The graphitized fiber obtained by the treatment has νa / νb of 1.
0 and the same level as the untreated yarn, and the crystallinity analysis by the laser Raman spectroscopy described above did not find any difference from the untreated yarn.
The single fiber compressive strength and the torsional elasticity hardly changed before and after the treatment.

比較例7 実施例1で用いたイオン注入前の黒鉛化繊維束を、濃
度30%,温度50℃の硝酸を満たした槽中にセラミックス
製ガイドを介して導入し、糸速0.4m/分で連続的に走行
させ、槽の直前に設置した金属製ローラーによって該炭
素繊維に電流を流し、炭素繊維1g当たり200クーロンの
電気量を流した。得られた炭素繊維を水洗,乾燥した
後、さらに700℃の窒素雰囲気中で約1分間熱処理し
た。得られた黒鉛化繊維の特性を表7に示す。
Comparative Example 7 The graphitized fiber bundle before ion implantation used in Example 1 was introduced into a tank filled with nitric acid at a concentration of 30% and a temperature of 50 ° C. through a ceramic guide, and the yarn speed was 0.4 m / min. The carbon fiber was continuously run, and an electric current was applied to the carbon fiber by a metal roller provided immediately before the tank, and an electric quantity of 200 coulombs per 1 g of the carbon fiber was applied. After the obtained carbon fiber was washed with water and dried, it was further heat-treated in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. for about 1 minute. Table 7 shows the properties of the obtained graphitized fibers.

該処理によって得られた炭素繊維は、単繊維圧縮強度
およびねじり弾性率は処理前後で殆ど変化しなかった。
In the carbon fibers obtained by the treatment, the single fiber compressive strength and the torsional elasticity hardly changed before and after the treatment.

[発明の効果] 本発明により、従来技術では圧縮強度が低かった、結
晶サイズLcの大きい炭素繊維、いわゆる黒鉛化繊維の領
域において、高い圧縮強度、具体的には炭化糸並みの圧
縮強度を有するアクリル系炭素繊維を提供することがで
きる。また、本発明のアクリル系炭素繊維はねじり弾性
率および引張強度にも優れている。それにより、高圧縮
強度と高引張弾性率がともに求められる、航空機の一次
構造材分野などへの黒鉛化繊維の展開を拡大することが
できる。
[Effects of the Invention] According to the present invention, in the region of carbon fibers having a large crystal size Lc, which are low in compressive strength in the related art, so-called graphitized fibers, they have high compressive strength, specifically, compressive strength comparable to that of carbonized yarn. An acrylic carbon fiber can be provided. Further, the acrylic carbon fiber of the present invention is excellent in torsional elasticity and tensile strength. As a result, it is possible to expand the development of graphitized fibers in the field of primary structural materials for aircraft, where both high compressive strength and high tensile modulus are required.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

図1は本発明のイオン注入黒鉛化繊維断面の表層部のラ
マンスペクトルについて3つのガウス関数形により分割
したもの、図2は本発明のイオン注入黒鉛化繊維断面の
繊維中心部のラマンスペクトルについて4つのローレン
ツ関数形によりピーク分割したもの、図3は本発明にお
けるイオン注入黒鉛化繊維の1350cm-1近傍におけるピー
クの半価巾を表面からの深さに対してプロットしたもの
である。 図4および5はイオン注入黒鉛化繊維表面の結晶性をレ
ーザーラマン分光法により測定した結果を示したもの
(図4はホウ素イオンを1016/cm2注入したもの、図5は
ホウ素イオンを1015/cm2注入したもの)、図6はホウ素
イオン注入前の黒鉛化繊維表面のラマンスペクトルを4
つのガウス関数形により分割したものである。 図7および8はループ法による単繊維圧縮強度の測定法
の概略図(図7はループの短径(D)と長径(φ)の測
定法を示したもの、図8は歪εを横軸とし、長径と短径
との比(φ/D)を縦軸としてプロットしたもの)、図9
はねじり弾性率の測定方法の概略図、図10は実施例およ
び比較例の結晶サイズと単繊維圧縮強度の関係を示した
ものであり、参考データとして従来の市販炭素繊維の測
定結果を併せて示した。 図11は、実施例6において得られた炭素繊維について、
注入された元素の深さ方向の分布状態を二次イオン質量
分析法(SIMS)により測定した結果(横軸は炭素繊維表
面からの深さ、縦軸はホウ素イオンの二次イオン強度)
を示すものである。
FIG. 1 shows the Raman spectrum of the surface layer of the cross section of the ion-implanted graphitized fiber of the present invention divided by three Gaussian functions. FIG. 2 shows the Raman spectrum of the fiber center of the cross section of the ion-implanted graphitized fiber of the present invention. FIG. 3 is a graph in which the half-value width of the peak near 1350 cm −1 of the ion-implanted graphitized fiber of the present invention is plotted with respect to the depth from the surface. 4 and 5 show the results of measuring the crystallinity of the surface of the ion-implanted graphitized fiber by laser Raman spectroscopy (FIG. 4 shows the result of boron ion implantation at 10 16 / cm 2 , and FIG. 5 shows the result of boron ion implantation of 10 16 / cm 2) . 15 / cm 2 injected ones), 6 4 Raman spectrum of the graphite fibers surface before boron ions implantation
Divided by two Gaussian function forms. 7 and 8 are schematic diagrams of a method for measuring the single fiber compressive strength by the loop method (FIG. 7 shows a method for measuring the short diameter (D) and the long diameter (φ) of the loop, and FIG. And plotting the ratio of the major axis to the minor axis (φ / D) on the vertical axis), FIG.
Is a schematic diagram of the measurement method of the torsional modulus, FIG. 10 shows the relationship between the crystal size and single fiber compressive strength of Examples and Comparative Examples, together with the measurement results of conventional commercial carbon fibers as reference data Indicated. FIG. 11 shows the carbon fibers obtained in Example 6,
The distribution of implanted elements in the depth direction measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) (the horizontal axis is the depth from the carbon fiber surface, and the vertical axis is the secondary ion intensity of boron ions)
It shows.

フロントページの続き (72)発明者 吉田 和夫 滋賀県大津市園山1丁目1番1号 株式 会社東レリサーチセンター滋賀研究所内 合議体 審判長 宮本 晴視 審判官 河合 厚夫 審判官 船越 巧子 (56)参考文献 特開 昭63−120112(JP,A) 特開 昭63−211326(JP,A) 特開 平2−259118(JP,A) 特公 昭62−60476(JP,B2)Continuing from the front page (72) Inventor Kazuo Yoshida 1-1-1 Sonoyama, Otsu-shi, Shiga Prefecture Toray Research Center Shiga Research Institute Joint Panel Referee Chief Harumi Miyamoto Referee Atsushi Kawai Referee Takuko Funakoshi (56) Reference Document JP-A-63-120112 (JP, A) JP-A-63-211326 (JP, A) JP-A-2-259118 (JP, A) JP-B-62-60476 (JP, B2)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】元素分析により求めた炭素含有量が98%以
上であり、広角X線回折により求めた炭素網面の結晶サ
イズLcが22〜65Å、繊維軸方向の配向度π002が85%以
上であるアクリル系炭素繊維において、異種元素を実質
的に含有し、単繊維中心部には実質的に異種元素を含有
せず、単繊維表層部には異種元素の最大濃度部を有する
とともに、繊維中心部に対比して結晶性の低い領域を有
し、かつ、前記結晶性の低い領域のレーザーラマンスペ
クトルの1320〜1380cm-1における散乱ピークの半価巾ν
aと単繊維中心部のレーザーラマンスペクトルの1320〜
1380cm-1における散乱ピークの半価巾νbとの比νa/ν
bが1.5以上であり、ループ法による単繊維圧縮強度σc
f(GPa)が(I)式を満たすことを特徴とするアクリル
系炭素繊維。 σcf≧10.78−0.1176×Lc ……(I)
1. The carbon content determined by elemental analysis is 98% or more, the crystal size Lc of the carbon network plane determined by wide-angle X-ray diffraction is 22 to 65 °, and the degree of orientation π 002 in the fiber axis direction is 85%. In the above-mentioned acrylic carbon fiber, substantially containing a different element, the core portion of the single fiber does not substantially contain the different element, and the surface layer portion of the single fiber has a maximum concentration part of the different element, It has a region with low crystallinity as compared to the fiber center, and the half-value width ν of the scattering peak at 1320 to 1380 cm −1 of the laser Raman spectrum of the region with low crystallinity.
a and 1320 of the laser Raman spectrum at the center of the single fiber
The ratio of the scattering peak at 1380 cm -1 to the half-value width νb νa / ν
b is 1.5 or more, and the single fiber compression strength σc by the loop method
An acrylic carbon fiber, wherein f (GPa) satisfies the formula (I). σcf ≧ 10.78−0.1176 × Lc (I)
【請求項2】単繊維表面のレーザーラマンスペクトルの
1400〜1500cm-1の範囲内に変性黒鉛化ピークが観察さ
れ、そのピーク強度が1550〜1610cm-1に存在する黒鉛ピ
ーク強度の0.3倍以上であることを特徴とする特許請求
の範囲第(1)項記載のアクリル系炭素繊維。
2. The laser Raman spectrum of the surface of a single fiber
Modified graphitized peak is observed in the range of 1400~1500cm -1, Claims first (1, characterized in that the peak intensity is not less than 0.3 times the graphite peak intensity existing in 1550~1610Cm -1 Acrylic carbon fibers according to the above item.
【請求項3】単繊維引張弾性率が340GPa以上,単繊維引
張強度が3.9GPa以上,単繊維圧縮強度が4.9GPa以上であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第(1)項または第
(2)項記載のアクリル系炭素繊維。
3. The method according to claim 1, wherein the single fiber tensile modulus is 340 GPa or more, the single fiber tensile strength is 3.9 GPa or more, and the single fiber compressive strength is 4.9 GPa or more. Acrylic carbon fiber according to the above 2).
【請求項4】ヨウ素吸着法による明度差ΔLが45以下で
あるアクリル繊維を焼成して得られるアクリル系炭素繊
維束を、束の厚みが単繊維径の1〜5倍の範囲となるよ
うに開繊し、常温で固体あるいは気体である原子あるい
は分子を真空下でイオン化し、電場によって加速して炭
素繊維表面に少なくとも2回、異なった方向からイオン
をそれぞれ1015(ions)/cm2以上注入して、特許請求の
範囲第(1)〜(3)項のいずれかに記載のアクリル系
炭素繊維を得ることを特徴とするアクリル系炭素繊維の
製造方法。
4. An acrylic carbon fiber bundle obtained by firing an acrylic fiber having a lightness difference ΔL of 45 or less by an iodine adsorption method so that the thickness of the bundle is 1 to 5 times the diameter of a single fiber. Open the fiber, ionize atoms or molecules that are solid or gaseous at room temperature under vacuum, accelerate by an electric field and apply ions to the carbon fiber surface at least twice from different directions at least 10 15 (ions) / cm 2 A method for producing an acrylic carbon fiber, comprising injecting to obtain the acrylic carbon fiber according to any one of claims (1) to (3).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002069754A (en) * 2000-08-31 2002-03-08 Toho Tenax Co Ltd Carbon fiber having high strength and high elongation, and forming material of the same

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5162806B2 (en) * 2001-09-28 2013-03-13 東レ株式会社 Carbon fiber reinforced polycarbonate resin composition, molding material and molded article
JP4360233B2 (en) * 2004-03-11 2009-11-11 東レ株式会社 Golf shaft
US8137810B2 (en) 2005-12-13 2012-03-20 Toray Industries, Inc. Carbon fiber, process for production of polyacrylonitrile-base precursor fiber for carbon fiber production, and process for production of carbon fiber
BRPI0715985A2 (en) 2006-10-18 2013-08-06 Toray Industries polyacrylonitrile-based polymer, production method of polyacrylonitrile-based polymer, polyacrylonitrile-based polymer solution, production method of a precursor fiber of cabaret, method of production of cabaret fiber and cabaret fiber
PT2264232E (en) 2008-04-11 2013-05-10 Toray Industries Carbon-fiber precursor fiber, carbon fiber, and processes for producing these
KR20200142505A (en) 2018-04-16 2020-12-22 도레이 카부시키가이샤 Carbon fiber bundle and its manufacturing method, prepreg and carbon fiber reinforced composite material

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63120112A (en) * 1986-05-02 1988-05-24 Toa Nenryo Kogyo Kk Pitch type carbon yarn having high modulus of elasticity and production thereof
JPS63211326A (en) * 1987-02-20 1988-09-02 Toray Ind Inc Graphite fiber having high compression strength
JPH02259118A (en) * 1988-12-06 1990-10-19 Mitsubishi Rayon Co Ltd Graphite fiber having high tensile strength

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002069754A (en) * 2000-08-31 2002-03-08 Toho Tenax Co Ltd Carbon fiber having high strength and high elongation, and forming material of the same
JP4533518B2 (en) * 2000-08-31 2010-09-01 東邦テナックス株式会社 Fiber reinforced composite material using high strength and high elongation carbon fiber

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