JP2685221B2

JP2685221B2 - 高次加工性の優れた炭素繊維

Info

Publication number: JP2685221B2
Application number: JP63100619A
Authority: JP
Inventors: 晃白鳥; 則明高田; 徹平松
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1988-04-22
Publication date: 1997-12-03
Anticipated expiration: 2012-12-03
Also published as: JPH01272867A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は高次加工性の優れた炭素繊維に関するもので
ある。

［従来の技術］従来、炭素繊維はその優れた比強度、比弾性率等の力
学的性質により航空，宇宙用材料，釣竿，テニスラケッ
トおよびゴルフシャフトなど広い分野において複合材料
として用いられている。

しかし、この炭素繊維あるいは黒鉛繊維は本質的に剛
直で脆く、耐屈曲性や耐擦過性に乏しいために、その製
造工程乃至高次加工工程において毛羽を発生し易く、さ
らには糸切れを生ずることにもなりかねず、加えて、該
炭素繊維は一般にマトリックスに対する接着性が不十分
である。

そこで、通常の炭素繊維には各種のサイジング剤が付
与され、このサイジングによって該炭素繊維に集束性を
付与し、耐屈曲性や耐擦過性を改良すると共に、マトリ
ックスに対する接着性がある程度改良されてきた。

これら従来の炭素繊維用サイジング剤としては、炭素
繊維への均一な付着性，サイジング剤の溶液安定性並び
にマトリックス，特に各種マトリックス樹脂との相溶性
および接着性などの点から、有機溶剤系のエポキシ系あ
るいはポリエステル系サイジング剤が一般に用いられて
いるが、この有機溶剤系のサイジング剤は、サイジング
方法工程における作業性、特に環境衛生上並びに火災等
の防災上の見地からは好ましくない。このような観点か
ら、最近では有機系樹脂を乳化剤により水に分散させた
水分散型エマルジョンのサイジング剤の開発も進められ
ている（例えば、特開昭58−13781号公報，特開昭60−2
46872号公報）。

［発明が解決しようとする課題］しかし、かかる従来のサイジング剤はでは、一般に炭
素繊維と金属との摩擦係数を下げる効果が小さく、また
炭素繊維の集束性も決して十分とは言えなかった。この
ため、炭素繊維がプリプレグ化，ドラムワインド等の高
次加工において、ガイドバーやローラなどでしごかれた
際に，毛羽や糸切れが発生し、作業性や品質を著しく低
下させるという問題があった。特にサイジング処理前の
金属との摩擦係数の高い炭素繊維において、この傾向は
顕著であった。

本発明の課題はサイジング処理により摩擦係数を著し
く低下させ、高次加工においてガイドバーやローラにし
ごかれた際にも、毛羽や糸切れが発生し難い炭素繊維を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明の上記課題は、下式［Ｉ］、［II］および［II
I］から選ばれた少なくとも１種の化合物を主成分とす
るサイジング剤を0.1〜5.0重量％（wt％）付着されてな
り、かつ、層間剪断強度が8.3kg/mm²以上、擦過毛羽数
が４個以下である炭素繊維によって解決することができ
る。

上式中、R₁は、H,OH,または R₂はＨまたはOHであり、ｍ、ｎは１〜49、但しｍ＋ｎは10〜50である。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明の炭素繊維はアクリル糸，ピッチ糸，セルロー
ス糸などの各種繊維を前駆体として公知の方法を用いて
耐炎化処理を行い、次いで不活性ガス雰囲気中で焼成し
た，いわゆる炭化糸，黒鉛化糸のいずれも含まれるが、
特に表面が平滑で摩擦係数の高いアクリル糸の乾湿式紡
糸原糸を焼成して得られる炭素繊維あるいはピッチ系の
炭素繊維が好適である。

本発明における式［Ｉ］〜［III］で示される化合物
（以下、単にサイジング剤という）は、その中のポリエ
チレンオキシドまたは／およびポリプロピレンオキシド
部が炭素繊維に平滑性を与え、摩擦係数を低下させる効
果がある。一方、ビスフェノールＡ部はマトリックス樹
脂との相溶性を向上させる効果がある。

また、上記の各成分は共重合して用いることで、各々
単一成分を混合して用いる場合に比べて樹脂との相溶性
を維持し、摩擦係数を下げる効果を一層大きくすること
ができる。

更に上記サイジング剤において、上記式中,m＋ｎが10
未満の化合物では、本発明の目的である炭素繊維の摩擦
係数を下げる効果が小さく、擦過毛羽数を４個以下とす
ることができない。またｍ＋ｎが50を越えるとマトリッ
クス樹脂との相溶性が低下し、マトリックス樹脂と炭素
繊維との接着性が低下し、具体的には層間剪断強度を8.
3kg/mm²以上とすることができない。

サイジング剤の炭素繊維に対する付着割合は0.1〜5.0
wt％、好ましくは0.3〜3.0wt％の範囲内にするのがよ
い。付着量が5.0wt％を越えると糸が硬くなり、コンポ
ジットとして用いるとき，マトリックス樹脂との含浸性
や糸の拡がり性が低下するので好ましくない。また、0.
1wt％より低くなると，炭素繊維の集束性が不十分で本
発明の目的を達し得ず好ましくない。

次に、炭素繊維に対するサイジング剤の付与手段とし
ては特に限定されるものではないが、例えばローラを
介してサイジング液にディップする方法、サイジング
液の付着したローラに接する方法、サイジング液を霧
状にして吹きつける方法などがある。

この際、炭素繊維に対するサイジング剤の付着量が上
記規定範囲内で有効成分が均一に付着するように，サイ
ジング液濃度，温度，糸条張力などをコントロールする
ことが好ましい。

サイジング剤付与後の炭素繊維は引続き乾燥処理され
るが、通常は100〜250℃の範囲で乾燥するのがよい。乾
燥温度が250℃を越えるとサイジング剤の熱劣化が生じ
易くなるため好ましくない。またこの際の乾燥装置とし
ては乾燥効率が高く，低温で乾燥可能な熱風循環型が望
ましい。

［実施例］以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

なお、本例中の擦過毛羽数，摩擦係数および層間剪断
強度は次の測定方法を用いた。

（１）擦過毛羽数直径10mmのステンレス棒（クロムめっき、表面粗さ１
〜1.5^S）５本を50mm間隔で各々平行に、かつそれらの表
面を炭素繊維糸条が120°の接触角で接触しながら通過
し得るように棒をジグザクに配置した擦過装置を用い
た。この装置により炭素繊維糸条に１デニールあたり0.
09gの入り側張力下、3m/分の糸速で通過させ、側面から
繊維糸条に対し直角にレーザ光線を照射し、毛羽数を毛
羽検出装置で検出カウントし，個/mで表示する。

（２）摩擦係数上記の擦過毛羽測定において、糸条入側と出側の張力
の比から次式より求めた。

T₁：糸条入側張力 T₂：糸条出側張力（３）層間剪断強度（ILSS）マトリックスとして、油化シェル製エピコート828を
用い、ASTM D−2344に準じて測定した。

実施例１サイジング剤として［Ｉ］式において、R₁＝OH,R₂＝
H,m＝15,n＝15としたビスフェノールＡエチレンオキサ
イド付加物誘導体の1wt％濃度水分散エマルジョンを調
整した。このサイジングエマルジョンに単糸繊度0.36デ
ニール、フィラメント数12,000本からなる炭素繊維をデ
ィップローラを介して浸漬した後、熱風循環型乾燥機に
て150℃,1分間の乾燥を行った。

得られたサイジング付着糸について、サイジング付着
量，擦過毛羽数，摩擦係数およびILSSを調べ、その結果
を第１表に示した。

実施例２サイジング剤として［Ｉ］式において、ｎ＝15とした1wt％エマルジョンを用いる他は、使用す
る炭素繊維，サイジング付着方法などは実施例１と同様
にしてサイジング付着糸を得た。サイジング付着糸の評
価結果を第１表に示した。

実施例３サイジング剤として［II］式において、R₁＝H,R₂＝O
H,m＝10,n＝10とした1wt％エマルジョンを用いる他は、
使用する炭素繊維，サイジング付着方法などは実施例１
と同様にしてサイジング付着糸を得た。サイジング付着
糸の評価結果を第１表に示した。

実施例４サイジング剤として［III］式において、R₁＝OH,R₂＝
H,m＝15,n＝10とした1wt％エマルジョンを用いる他は、
使用する炭素繊維，サイジング付着方法などは実施例１
と同様にしてサイジング付着糸を得た。サイジング付着
糸の評価結果を第１表に示した。

比較例１ヒドロキシル価112のポリプロピレングリコール260g
に２・４−/2・６−トリレンジイソシアネートの80/20
異性体混合物87g、Ｎ−メチルジエタノールベンジンア
ンモニウムクロライド34.3gを加え窒素雰囲気中、40℃
で約２時間反応させイソシアネート基2.23wt％、第四級
窒素0.513wt％を含有するウレタン化合物を得た。これ
にグリセロールジグリシジルエーテル41.3g,DMF335.4g
を加え50℃で約３時間イソシアネート基がなくなるまで
反応させた。反応生成物はオキシラン酸素0.743wt％、
第四級窒素0.476wt％を含有する水分散性の良好なもの
であった。

得られた上記ポリウレタンにエポキシ当量が225〜28
0、平均分子量が約470、比重が約11のビスフェノールＡ
ジグリシジルエーテルタイプの液状エポキシ樹脂（シエ
ル化学社製“エピコード"843）の30wt％のジメチルホル
ムアミド溶液を４対１の割合で添加し、次いで水を添加
し、1wt％エマルジョンをサイジング剤として用いる他
は、使用する炭素繊維，サイジング付着方法などは実施
例１と同様にしてサイジング付着糸を得た。サイジング
付着糸の評価結果を第２表に示した。

比較例２サイジング剤として［Ｉ］式において、R₁＝OH,R₂＝
H,m＝15,n＝15とした0.1wt％エマルジョンを用いる他
は、使用する炭素繊維，サイジング付着方法などは実施
例１と同様にしてサイジング付着糸を得た。サイジング
付着糸の評価結果を第２表に示した。

比較例３サイジング剤として［Ｉ］式において、R₁＝OH,R₂＝
H,m＝15,n＝15とした10wt％エチルセロソルブ溶液を用
いる他は、使用する炭素繊維，サイジング付着方法など
は実施例１と同様にしてサイジング付着糸を得た。サイ
ジング付着糸の評価結果を第２表に示した。

比較例４サイジング剤として［Ｉ］式において、R₁＝OH,R₂＝
H,m＝1,n＝１とした1wt％エマルジョンを用いる他は、
使用する炭素繊維，サイジング付着方法などは実施例１
と同様にしてサイジング付着糸を得た。サイジング付着
糸の評価結果を第２表に示した。

比較例５サイジング剤として［Ｉ］式において、R₁＝OH,R₂＝
H,m＝30,n＝30とした1wt％エマルジョンを用いる他は、
使用する炭素繊維，サイジング付着方法などは実施例１
と同様にしてサイジング付着糸を得た。サイジング付着
糸の評価結果を第２表に示した。

［発明の効果］本発明の炭素繊維は、特定のサイジング剤を用いたこ
とにより、特に金属との摩擦係数が低く、集束性に優れ
ている。またマトリックス樹脂との相溶性もよい。

このため、プリプレグ化，ドラムワインド等の炭素繊
維の高次加工において、擦過毛羽の発生や糸切れが防止
できるなど、作業性，品質に優れた複合材料用炭素繊維
が提供できるという，顕著な効果を奏する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−28074（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−52796（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−299572（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】下式［Ｉ］、［II］および［III］から選
ばれた少なくとも１種の化合物を主成分とするサイジン
グ剤を0.1〜5.0重量％付着してなり、かつ、層間剪断強
度が8.3kg/mm²以上、擦過毛羽数が４個以下であること
を特徴とする高次加工性の優れた炭素繊維。上式中、R₁は、H,OH,または R₂はＨまたはOHであり、ｍ、ｎは１〜49、但しｍ＋ｎは10〜50である。