JP2946595B2 - 炭素繊維の表面改質方法 - Google Patents
炭素繊維の表面改質方法Info
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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、炭素繊維の表面改質方法に関する。
（従来の技術） 炭素繊維は、“実用的に炭素元素だけからなる繊維状
の炭素材料”であり、物質としての炭素と形態としての
繊維に由来する多様な特性をあわせもつ特異な材料であ
る。すなわち、耐熱性，化学安定性，導電性，熱伝導
性，摺動特性，生体親和性などの炭素材料に固有の特性
を持っている。また、繊維状に賦形することによって得
られる特性の第一は柔軟性であり繊維構造が賦与された
場合には高剛性，寸法安定性などの特性も発現される。
の炭素材料”であり、物質としての炭素と形態としての
繊維に由来する多様な特性をあわせもつ特異な材料であ
る。すなわち、耐熱性，化学安定性，導電性，熱伝導
性，摺動特性，生体親和性などの炭素材料に固有の特性
を持っている。また、繊維状に賦形することによって得
られる特性の第一は柔軟性であり繊維構造が賦与された
場合には高剛性，寸法安定性などの特性も発現される。
このような炭素繊維はその耐熱性、軽量、高剛性など
の多くの優れた特性を利用して傘などの日用品やラケッ
トなどのスポーツ用具から航空機や人工衛星の構造材料
までのほとんどの産業や民生の分野で巾広く使用されて
いる。また、合成繊維とは異なり、糸や、糸だけからな
る中間機材の形で使用されることは少なく、大半は複合
材料の形で使用されている。
の多くの優れた特性を利用して傘などの日用品やラケッ
トなどのスポーツ用具から航空機や人工衛星の構造材料
までのほとんどの産業や民生の分野で巾広く使用されて
いる。また、合成繊維とは異なり、糸や、糸だけからな
る中間機材の形で使用されることは少なく、大半は複合
材料の形で使用されている。
しかし、炭素化あるいは黒鉛化を経て得られる炭素繊
維は表面の濡れ性が悪くマトリクス樹脂と接着性が小さ
い。そこで、接着性改良のための繊維の濡れ性向上の方
法としては、繊維を化学的に処理して官能基を導入する
方法、表面に接着性のよい物質を固着させる方法などが
検討されている。
維は表面の濡れ性が悪くマトリクス樹脂と接着性が小さ
い。そこで、接着性改良のための繊維の濡れ性向上の方
法としては、繊維を化学的に処理して官能基を導入する
方法、表面に接着性のよい物質を固着させる方法などが
検討されている。
後者においては炭化ケイ素のウイスカを成長させるこ
とが試みられ改善効果があると報告されている。しかし
ながら、数千本の単繊維に均一にウイスカを成長させる
ことが難しいうえ処理に時間がかかるため、この方法は
実用されていない。
とが試みられ改善効果があると報告されている。しかし
ながら、数千本の単繊維に均一にウイスカを成長させる
ことが難しいうえ処理に時間がかかるため、この方法は
実用されていない。
また、前者においては酸化処理が通常用いられてお
り、表面に水酸基、カルボニル基、カルボキシル基が形
成される他に、表面の緻密層が除去される。表面積が大
きくなる、表面に凹凸が生じるなどの変化が濡れ性の向
上，接着性改良に効果を表わす。
り、表面に水酸基、カルボニル基、カルボキシル基が形
成される他に、表面の緻密層が除去される。表面積が大
きくなる、表面に凹凸が生じるなどの変化が濡れ性の向
上，接着性改良に効果を表わす。
また、そのほかの化学的手法の一つとしてフッ素ガス
を用いて炭素材とマトリクスとの親和性を増す方法が報
告されている（特開昭60−191011号公報）。
を用いて炭素材とマトリクスとの親和性を増す方法が報
告されている（特開昭60−191011号公報）。
（発明が解決しようとする課題） 上記酸化処理においては、表面処理の程度を強くして
も活性点の量は処理の程度に比例して増加するわけでな
く、また表面の粗化は欠陥の導入に他ならずより一層の
濡れ性の改善が求められている。
も活性点の量は処理の程度に比例して増加するわけでな
く、また表面の粗化は欠陥の導入に他ならずより一層の
濡れ性の改善が求められている。
（課題を解決するための手段） 本発明者らは炭素繊維とマトリクスとの親和力を向上
させる目的で、種々検討を行ない、炭素繊維に酸化処理
とフッ素ガスによるフッ素化処理を併用することによ
り、それぞれ単独で用いる場合と比較して著しく濡れ性
が構造することを見いだし、本発明を完成するに至っ
た。
させる目的で、種々検討を行ない、炭素繊維に酸化処理
とフッ素ガスによるフッ素化処理を併用することによ
り、それぞれ単独で用いる場合と比較して著しく濡れ性
が構造することを見いだし、本発明を完成するに至っ
た。
すなわち、本発明は、炭素繊維の表面を酸化処理及び
フッ素ガスによるフッ素化処理することを特徴とする炭
素繊維の表面改質方法を要旨とする。
フッ素ガスによるフッ素化処理することを特徴とする炭
素繊維の表面改質方法を要旨とする。
以下、本発明を詳細に説明する。まず、本発明におい
て用いられる炭素繊維は、公知の各種原料から製造しう
ることができ、たとえば、石炭タールピッチ，石油ピッ
チ，ポリアクリロニトリル，セルロース，ポリビニルア
ルコール等から製造され、炭素化処理された炭素繊維も
しくは黒鉛化処理された黒鉛化繊維、又は気相法による
ウィスカ等も用いることができる。
て用いられる炭素繊維は、公知の各種原料から製造しう
ることができ、たとえば、石炭タールピッチ，石油ピッ
チ，ポリアクリロニトリル，セルロース，ポリビニルア
ルコール等から製造され、炭素化処理された炭素繊維も
しくは黒鉛化処理された黒鉛化繊維、又は気相法による
ウィスカ等も用いることができる。
本発明における酸化処理及びフッ素化処理は、（ｉ）
まず酸化処理を行ない、繊維表面に酸素を導入した後
に、第二段階としてフッ素化処理するか、逆に（ii）ま
ずフッ素化処理した後に、酸化処理する方法のいずれで
もよいが、好適には（ｉ）の方法が採用される。
まず酸化処理を行ない、繊維表面に酸素を導入した後
に、第二段階としてフッ素化処理するか、逆に（ii）ま
ずフッ素化処理した後に、酸化処理する方法のいずれで
もよいが、好適には（ｉ）の方法が採用される。
酸化処理は、液相酸化，気相酸化のいずれでもよく、
表面に酸素含有官能基Ｃ−Ｏ−Ｃ結合のような酸化物を
導入するものであればよく、表面積の増加や凹凸を生成
を伴うものであってもよい。
表面に酸素含有官能基Ｃ−Ｏ−Ｃ結合のような酸化物を
導入するものであればよく、表面積の増加や凹凸を生成
を伴うものであってもよい。
液相酸化法としては、（ｉ）硝酸，過マンガン酸／硫
酸，クロム酸塩，次亜塩素酸塩等の薬液酸化、（ii）
酸，アルカリ，塩類等の各種電解質を用いた電解酸化が
挙げられる。
酸，クロム酸塩，次亜塩素酸塩等の薬液酸化、（ii）
酸，アルカリ，塩類等の各種電解質を用いた電解酸化が
挙げられる。
また、気相酸化法としては、空気，酸素，オゾン，窒
素酸化物，ハロゲンガス，プラズマ，触媒酸化等による
方法が挙げられる。
素酸化物，ハロゲンガス，プラズマ，触媒酸化等による
方法が挙げられる。
上記酸化において、たとえば濃硝酸を用いる場合に
は、薬液酸化であれば0.5〜48時間程度の煮沸が好適で
ある。電解酸化による場合には、処理する炭素繊維を陽
極として、電圧１〜50V,電流密度，炭素繊維長さ1cm当
り0.1〜10mA,通電量，炭素繊維1g当り0.05〜500クロー
ン，時間，数秒〜数分，温度，常温〜80℃程度が一般的
である。
は、薬液酸化であれば0.5〜48時間程度の煮沸が好適で
ある。電解酸化による場合には、処理する炭素繊維を陽
極として、電圧１〜50V,電流密度，炭素繊維長さ1cm当
り0.1〜10mA,通電量，炭素繊維1g当り0.05〜500クロー
ン，時間，数秒〜数分，温度，常温〜80℃程度が一般的
である。
さらに、気相酸化による場合には気相の種類にもよる
が400〜1100℃，数秒〜数分程度が一般的である。
が400〜1100℃，数秒〜数分程度が一般的である。
本発明におけるフッ素化処理は、フッ素ガスにより行
なわれる。その温度は90℃以下、望ましくは30℃以下の
Ｃ−Ｆの共有結合を十分形成しない温度意気が好適であ
る。また、フッ素化処理時間は炭素材料に均一にフッ素
が供給されれば短時間の処理でよく、時間が長くなって
もそれ相応の効果は期待できないため通常は１〜30分の
処理時間であり、より好ましくは10分以下である。フッ
素ガスのフッ素分圧は加圧〜減圧まで特に制限ないが、
好ましくは1mmHg〜50mmHgで処理するのがよい。
なわれる。その温度は90℃以下、望ましくは30℃以下の
Ｃ−Ｆの共有結合を十分形成しない温度意気が好適であ
る。また、フッ素化処理時間は炭素材料に均一にフッ素
が供給されれば短時間の処理でよく、時間が長くなって
もそれ相応の効果は期待できないため通常は１〜30分の
処理時間であり、より好ましくは10分以下である。フッ
素ガスのフッ素分圧は加圧〜減圧まで特に制限ないが、
好ましくは1mmHg〜50mmHgで処理するのがよい。
また、フッ素ガスとしてはそれ単独で用いても、窒
素、アルゴンなどの不活性ガスを混合しても用いること
ができる。更に、酸素等のガスを含んでいても用いるこ
とが出来る。
素、アルゴンなどの不活性ガスを混合しても用いること
ができる。更に、酸素等のガスを含んでいても用いるこ
とが出来る。
本発明により表面改質された炭素繊維は、エポキシ樹
脂，不飽和ポリエステル樹脂，ビスマレイミド樹脂，ポ
リイミド樹脂，ポリスルホン樹脂，ポリエーテルエーテ
ルケトン樹脂等の熱硬化及び熱可塑性樹脂との濡れ性が
向上し、複合材料用の繊維強化材として有用である。
脂，不飽和ポリエステル樹脂，ビスマレイミド樹脂，ポ
リイミド樹脂，ポリスルホン樹脂，ポリエーテルエーテ
ルケトン樹脂等の熱硬化及び熱可塑性樹脂との濡れ性が
向上し、複合材料用の繊維強化材として有用である。
（実施例） 以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、
本発明の範囲はその要旨を超えない限り実施例に限定さ
れるものではない。
本発明の範囲はその要旨を超えない限り実施例に限定さ
れるものではない。
実施例 １〜２ ピッチ系炭素繊維（1500℃焼成）約0.1gを、電解液と
して脱塩水CaCl2・2H2Oを添加してCaCl2濃度を2000ppm
に調整した水溶液を用い、電気伝導度3000μs/cm、通電
量1.8C/gの条件で炭素繊維に電解酸化（8V,15mA,30℃,6
0秒）を施した後乾燥し、フッ素化処理用反応容器内に
入れ、容器内を真空に保った後フッ素ガスを導入し、表
１に示すフッ素化条件で処理した。これら改質炭素繊維
の水に対する濡れ性の尺度としてウイルヘルミイ法によ
る前進接触角の測定を行った（測定装置：島津自動接触
角測定装置“ST−1S"）。測定は５回行い、その平均値
を表１に示す。
して脱塩水CaCl2・2H2Oを添加してCaCl2濃度を2000ppm
に調整した水溶液を用い、電気伝導度3000μs/cm、通電
量1.8C/gの条件で炭素繊維に電解酸化（8V,15mA,30℃,6
0秒）を施した後乾燥し、フッ素化処理用反応容器内に
入れ、容器内を真空に保った後フッ素ガスを導入し、表
１に示すフッ素化条件で処理した。これら改質炭素繊維
の水に対する濡れ性の尺度としてウイルヘルミイ法によ
る前進接触角の測定を行った（測定装置：島津自動接触
角測定装置“ST−1S"）。測定は５回行い、その平均値
を表１に示す。
比較例 １〜３ 実施例１〜２で用いた炭素繊維について酸化処理又は
フッ素化処理だけを行い、実施例１〜２と同法により前
進接触角を測定した結果を比較例１及び２に、また、酸
化処理もフッ素処理も施さないで前進接触角をそれぞれ
測定した結果を比較例３として表１に示す。表に示した
ように、酸化処理とフッ素化処理の併用によりフッ素処
理の効果は著しい。
フッ素化処理だけを行い、実施例１〜２と同法により前
進接触角を測定した結果を比較例１及び２に、また、酸
化処理もフッ素処理も施さないで前進接触角をそれぞれ
測定した結果を比較例３として表１に示す。表に示した
ように、酸化処理とフッ素化処理の併用によりフッ素処
理の効果は著しい。
参考例 １〜４ 実施例１で示したと同一の繊維について同一のフッ素
化処理を施し、エポキシ樹脂との界面せん断強度τ（単
繊維埋込樹脂試験片による界面せん断強度試験法によ
る）を測定した。
化処理を施し、エポキシ樹脂との界面せん断強度τ（単
繊維埋込樹脂試験片による界面せん断強度試験法によ
る）を測定した。
エポキシ樹脂として“エピコート828"（油化シェル
製）100部にメチルヘキサヒドロ無水フタル酸（新日本
理化製）80部を混ぜ、硬化促進剤としてベンジルジメチ
ルアミン1.8重量部を添加したものに処理繊維を埋め込
み、それを左右に延伸して繊維を破断させ、その臨海繊
維長より界面せん断強度を算出した。測定結果を表２に
示す。（参考例１） 比較例1,2及び３で示した炭素繊維を用いて表２に示
した処理を行い、その繊維について参考例１と同法によ
り界面せん断強度を測定した結果を表２に示す（参考例
2,3及び４）。
製）100部にメチルヘキサヒドロ無水フタル酸（新日本
理化製）80部を混ぜ、硬化促進剤としてベンジルジメチ
ルアミン1.8重量部を添加したものに処理繊維を埋め込
み、それを左右に延伸して繊維を破断させ、その臨海繊
維長より界面せん断強度を算出した。測定結果を表２に
示す。（参考例１） 比較例1,2及び３で示した炭素繊維を用いて表２に示
した処理を行い、その繊維について参考例１と同法によ
り界面せん断強度を測定した結果を表２に示す（参考例
2,3及び４）。
表２に示した用に酸化処理とフッ素化の併用により、
接着性が向上することがわかる。
接着性が向上することがわかる。
（発明の効果） 本発明によれば、表面の濡れ性が向上した炭素繊維を得
ることができる。
ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−252719（ＪＰ，Ａ) 特公 昭48−32993（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) D06M 11/00 - 11/84 D06M 10/00 - 10/10
Claims (3)
- 【請求項１】炭素繊維の表面を酸化処理及びフッ素ガス
によるフッ素化処理することを特徴とする炭素繊維の表
面改質方法。 - 【請求項２】酸化処理施したのち、フッ素化処理をする
請求項１記載の表面改質方法。 - 【請求項３】フッ素化処理を約90℃以下の温度で行う請
求項１又は２記載の表面改質方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2122090A JP2946595B2 (ja) | 1990-01-31 | 1990-01-31 | 炭素繊維の表面改質方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2122090A JP2946595B2 (ja) | 1990-01-31 | 1990-01-31 | 炭素繊維の表面改質方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03227325A JPH03227325A (ja) | 1991-10-08 |
| JP2946595B2 true JP2946595B2 (ja) | 1999-09-06 |
Family
ID=12048933
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2122090A Expired - Fee Related JP2946595B2 (ja) | 1990-01-31 | 1990-01-31 | 炭素繊維の表面改質方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2946595B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3040826B2 (ja) * | 1990-12-07 | 2000-05-15 | 大阪瓦斯株式会社 | 炭素繊維強化樹脂組成物 |
| KR100779124B1 (ko) | 2003-09-16 | 2007-11-28 | 쇼와 덴코 가부시키가이샤 | 기상성장 탄소섬유와 무기 미립자의 복합물 및 그 용도 |
| CN110607693A (zh) * | 2019-09-25 | 2019-12-24 | 安徽旭升新材料有限公司 | 碳纤维pa66热塑性复合材料中碳纤维的改性方法 |
| CN114474787B (zh) * | 2021-12-31 | 2023-05-02 | 福建优安纳伞业科技有限公司 | 一种碳素纤维基树脂复合材料制备伞骨的方法 |
-
1990
- 1990-01-31 JP JP2122090A patent/JP2946595B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03227325A (ja) | 1991-10-08 |
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