JP4101750B2 - 炭素繊維用サイズ剤、その水分散液、サイジング処理された炭素繊維、該炭素繊維を使用したシート状物、及び炭素繊維強化複合材料 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維用サイズ剤、その水分散液、サイジング処理された炭素繊維、該炭素繊維を使用したシート状物、及び炭素繊維強化複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維は伸度が小さくかつ脆い性質であるために機械的摩擦等によって毛羽が発生し易く、又マトリックス樹脂に対する濡れ性にも乏しいために、強化複合材料の強化材として使用したときに、該炭素繊維の強化材としての優れた性質を十分に発揮させることができない。
前記欠点を改良するために、従来から、炭素繊維に対してサイズ剤によるサイジング処理が施されており、各種の化合物によるサイズ剤の使用が試みられている。
例えば特開昭６１−２８０７４号公報には、ビスフェノール型ポリアルキレンエーテルエポキシ化合物類を少量の乳化剤を使用して水性エマルジョンにし、これを炭素繊維に付与することが開示されている。特開昭５０−５９５８９号公報には、ポリグリシジルエーテル類を含むサイズ剤の溶剤溶液を炭素繊維に付与することが説明されている。
前記したビスフェノール型ポリアルキレンエーテルエポキシ化合物類を含むサイズ剤は、水系のエマルジョンにして使用するものであるから、工業的な取り扱い性、及び安全性の面において非常に優れた性質を有しており、しかも分子中にポリアルキレンエーテル鎖を有する化合物であるために水との親和性が良好であり、さらにエポキシ基を有する化合物であるためにマトリックスとなる樹脂に対しての優れた接着性を発現する。
【０００３】
しかしながら、このビスフェノール型ポリアルキレンエーテルエポキシ化合物類を含むサイズ剤は、該化合物中にポリアルキレンエーテル鎖を有しているために、得られる炭素繊維強化複合材料の剪断特性の発現性が十分でない。又このサイズ剤は耐熱性が低く、例えばこのサイズ剤で処理された炭素繊維と１８０℃硬化タイプのマトリックス樹脂とを用いて複合化して得られる炭素繊維強化複合材料であっても、その耐熱性が低下することが分かっている。又、乳化剤としてノニオン界面活性剤を使用する場合においては、ノニオン界面活性剤はポリエチレンオキサイドを有するものが多く、これが炭素繊維強化複合材料の耐熱性を悪化させる原因にもなっている。
一方、後者のポリグリシジルエーテル類を含むサイズ剤は、これの溶剤溶液をサイジング液として使用するものであるために、サイジング工程での工業的な取扱い性や安全性などが、前者の水系のサイズ剤に比較して悪いという欠点を有している。特に、ビスフェノールＡ型グリシジルエーテルを含むサイズ剤は、乳化剤を全く含まない状態ではマトリックス樹脂との間の濡れ性が悪く、良好な炭素繊維強化複合材料が得られない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の従来技術における問題点を解決するものであり、炭素繊維に対して良好なマトリックス樹脂含浸性、及び該マトリックス樹脂との間の良好な接着性を付与し、安定した工程通過性、及び物性改善効果を備えた炭素繊維になし得る炭素繊維用サイズ剤、その水分散液、前記サイズ剤によってサイジング処理された炭素繊維、該炭素繊維を使用したシート状物、及びサイジング処理された炭素繊維を強化材とする炭素繊維強化複合材料を提供することである。
前記目的は、以下に記載する構成を持つ本発明の炭素繊維用サイズ剤、その水分散液、サイジング処理された炭素繊維、該炭素繊維を使用したシート状物、及び炭素繊維強化複合材料によって達成される。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明の炭素繊維用サイズ剤は、下記の成分（Ａ）１００質量部と成分（Ｂ）１０〜７５質量部とを含有しており、しかも成分（Ａ）と成分（Ｂ）との合計が全成分中の５０質量％以上であるところの炭素繊維用サイズ剤からなる：
成分（Ａ）：１２５℃における表面エネルギーが１７〜３４ｍＪ／ｍ^２の分子中に少なくとも１個のエポキシ基と、芳香族基を有する化合物；及び
成分（Ｂ）：１２５℃における表面エネルギーが３５ｍＪ／ｍ^２以上の分子中に少なくとも１個のエポキシ基を有する化合物。
前記成分（Ａ）を構成する化合物は、分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物からなる成分（Ａ’）であることが好ましい。
又もう一つの本発明の炭素繊維用サイズ剤は、下記の成分（Ａ’）と成分（Ｂ’）と成分（Ｄ）とを含有していて、成分（Ａ’）１００質量部に対して成分（Ｂ’）が１０〜７５質量部であり、しかも成分（Ａ’）と成分（Ｂ’）との合計が全成分中の５０質量％以上であって、かつ成分（Ｄ）が全成分中の８〜３０質量％であるところの炭素繊維用サイズ剤からなる；
成分（Ａ’）：１２５℃における表面エネルギーが１７〜３４ｍＪ／ｍ^２の分子中に少なくとも２個のエポキシ基と、芳香族基を有する化合物；
成分（Ｂ’）：１２５℃における表面エネルギーが３５ｍＪ／ｍ^２以上の分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物；及び
成分（Ｄ）：アンモニウムイオンを対イオンとし、かつアルキレンオキサイドの付加量が１０モル以下であるアリールオキシ基を疎水基とするアニオン界面活性剤。
【０００６】
本発明の水分散液は、炭素繊維サイジング用の水分散液であって、下記の成分（Ａ）１００質量部と成分（Ｂ）１０〜７５質量部とを含有しており、しかも成分（Ａ）と成分（Ｂ）との合計が全成分中の５０質量％以上である炭素繊維用サイズ剤を、界面活性剤を用いて水中に分散させてなる水分散液からなる。
成分（Ａ）：１２５℃における表面エネルギーが１７〜３４ｍＪ／ｍ^２の分子中に少なくとも１個のエポキシ基と、芳香族基を有する化合物
成分（Ｂ）：１２５℃における表面エネルギーが３５ｍＪ／ｍ^２以上の分子中に少なくとも１個のエポキシ基を有する化合物
又、もう一つの本発明の炭素繊維サイジング用の水分散液は、下記の成分（Ａ’）と成分（Ｂ’）と成分（Ｄ）とを含有していて、成分（Ａ’）１００質量部に対して成分（Ｂ’）が１０〜７５質量部であり、しかも成分（Ａ’）と成分（Ｂ’）との合計が全成分中の５０質量％以上であって、かつ成分（Ｄ）が全成分中の８〜３０質量％であるところの炭素繊維用サイズ剤を水中に分散させた水分散液からなる。
成分（Ａ’）：１２５℃における表面エネルギーが１７〜３４ｍＪ／ｍ^２の分子中に少なくとも２個のエポキシ基と、芳香族基を有する化合物。
成分（Ｂ’）：１２５℃における表面エネルギーが３５ｍＪ／ｍ^２以上の分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物。
成分（Ｄ）：アンモニウムイオンを対イオンとし、かつアルキレンオキサイドの付加量が１０モル以下であるアリールオキシ基を疎水基とするアニオン界面活性剤。
【０００７】
本発明のサイジング処理された炭素繊維は、炭素繊維の表面に、（１）下記の成分（Ａ）１００質量部と成分（Ｂ）１０〜７５質量部とを含有しており、しかも成分（Ａ）と成分（Ｂ）との合計が全成分中の５０質量％以上である炭素繊維用サイズ剤、或いは（２）下記の成分（Ａ’）と成分（Ｂ’）と成分（Ｄ）とを含有していて、成分（Ａ’）１００質量部に対して成分（Ｂ’）が１０〜７５質量部であり、しかも成分（Ａ’）と成分（Ｂ’）との合計が全成分中の５０質量％以上であって、かつ成分（Ｄ）が全成分中の８〜３０質量％であるところの炭素繊維用サイズ剤が付着している炭素繊維からなる。
成分（Ａ）：１２５℃における表面エネルギーが１７〜３４ｍＪ／ｍ^２の分子中に少なくとも１個のエポキシ基と、芳香族基を有する化合物。
成分（Ｂ）：１２５℃における表面エネルギーが３５ｍＪ／ｍ^２以上の分子中に少なくとも１個のエポキシ基を有する化合物。
成分（Ａ’）：１２５℃における表面エネルギーが１７〜３４ｍＪ／ｍ^２の分子中に少なくとも２個のエポキシ基と、芳香族基を有する化合物。
成分（Ｂ’）：１２５℃における表面エネルギーが３５ｍＪ／ｍ^２以上の分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物。
成分（Ｄ）：アンモニウムイオンを対イオンとし、かつアルキレンオキサイドの付加量が１０モル以下であるアリールオキシ基を疎水基とするアニオン界面活性剤。
前記サイジング処理された炭素繊維においては、炭素繊維の表面に付着している炭素繊維用サイズ剤の量が、炭素繊維の０．１〜５．０質量％であることが好ましい。
本発明の炭素繊維を使用したシート状物は、前記サイジング処理された炭素繊維を使用して構成されたシート状物からなる。
更に本発明の炭素繊維強化複合材料は、前記サイジング処理された炭素繊維を強化材として含む炭素繊維強化複合材料、又は該サイジング処理された炭素繊維を使用して構成されたシート状物を強化材として含む炭素繊維強化複合材料からなる。
前記本発明の炭素繊維強化複合材料は、ＲＴＭ（レジントランスファーモールディング）、ＶＡＲＴＭ（バキュームアシステドレジントランスファーモールディング）或いはＲＩ（レジンインフージョン）法によって形成された成形体であることが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の炭素繊維用サイズ剤は、
（１）１２５℃における表面エネルギーが１７〜３４ｍＪ／ｍ^２の分子中に少なくとも１個のエポキシ基と、芳香族基を有する化合物からなる成分（Ａ）１００質量部と、１２５℃における表面エネルギーが３５ｍＪ／ｍ^２以上の分子中に少なくとも１個のエポキシ基を有する化合物からなる成分（Ｂ）１０〜７５質量部とを含有しており、しかも成分（Ａ）と成分（Ｂ）との合計が全成分中の５０質量％以上にあるものであるか、或いは
（２）１２５℃における表面エネルギーが１７〜３４ｍＪ／ｍ^２の分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物からなる成分（Ａ’）１００質量部と、１２５℃における表面エネルギーが３５ｍＪ／ｍ^２以上の分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物からなる成分（Ｂ’）１０〜７５質量部と、アンモニウムイオンを対イオンとし、かつアルキレンオキサイドの付加量が１０モル以下であるアリールオキシ基を疎水基とするアニオン界面活性剤からなる成分（Ｄ）とを含有しており、しかも成分（Ａ’）と成分（Ｂ’）との合計が全成分中の５０質量％以上であって、かつ成分（Ｄ）が全成分中の８〜３０質量％であるものである。
【０００９】
本発明の炭素繊維用サイズ剤は、前記各成分を前記割合で含有していることにより、優れたマトリックス樹脂含浸性を有し；エポキシ化合物からなる成分（Ａ）又は（Ａ’）と、同じくエポキシ化合物からなる成分（Ｂ）又は（Ｂ’）との両者を含有していることにより、炭素繊維とマトリックス樹脂との間の界面接着性に優れたものとなる。
すなわち、通常の炭素繊維の表面エネルギーは４０〜５０ｍＪ／ｍ^２程度であり、かかる表面エネルギーを有する炭素繊維の表面を濡らす液体としては、表面エネルギーの小さいものが有利である。
これに対して、マトリックス樹脂として一般的に用いられるエポキシ樹脂の１２５℃における表面エネルギーは、ビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂が３９ｍＪ／ｍ^２程度、ビスフェノールＦ型やフェノールノボラック型のエポキシ樹脂が４０ｍＪ／ｍ^２程度、クレゾールノボラック型のエポキシ樹脂が３６ｍＪ／ｍ^２程度であり、さらに、炭素繊維の表面に付着したサイズ剤は、マトリックス樹脂の含浸過程において、界面近傍のマトリックス樹脂中に溶解して拡散していくことが分かっている。
かかる状況の下にあって、マトリックス樹脂との間の濡れ性に優れる炭素繊維用サイズ剤として、表面エネルギーの比較的小さい化合物からなる成分（Ａ）又は（Ａ）’と、通常のマトリックス樹脂と同等の表面エネルギーを有する化合物からなる成分（Ｂ）又は（Ｂ’）とを併用することによって、両成分による非常に効果的な機能を相乗させることができる。
つまり、上記のように表面エネルギーの比較的小さい化合物からなる成分（Ａ）又は（Ａ’）と、通常のマトリックス樹脂と同等の表面エネルギーを有する化合物からなる成分（Ｂ）又は（Ｂ’）とを含有するサイズ剤を付着させてある炭素繊維に、マトリックス樹脂を含浸させると、炭素繊維の表面に付着させてあるサイズ剤が含浸マトリックス樹脂中に溶解し、このマトリックス樹脂に溶解した表面エネルギーの低い化合物からなる成分（Ａ）又は（Ａ’）が拡張濡れ（Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ Ｗｅｔｔｉｎｇ）を促進させ、その結果、マトリックス樹脂が炭素繊維の表面を迅速に濡らすようになる。
一方、通常のマトリックス樹脂と同等の表面エネルギーを有する化合物からなる成分（Ｂ）又は（Ｂ’）は、マトリックス含浸樹脂との相溶性に優れているために、炭素繊維の表面に付着しているサイズ剤が含浸マトリックス樹脂に溶解するのを助長させる機能を果たす。
【００１０】
ここで、前記成分（Ａ）又は（Ａ’）１００質量部に対して成分（Ｂ）又は（Ｂ’）が１０質量部未満になると、炭素繊維の表面に付着したサイズ剤の含浸マトリックス樹脂への溶解性が十分でなくなり、又７５質量部を超えると、含浸マトリックス樹脂の拡張濡れを促進させる機能が十分ではなくなる。従って、成分（Ａ）又は（Ａ’）１００質量部に対して、成分（Ｂ）又は（Ｂ’）を１０〜７５質量部、好ましくは１５〜５０質量部、より好ましくは２０〜４０質量部の割合で含有させる。
前記成分（Ａ）又は（Ａ’）と成分（Ｂ）又は（Ｂ’）との合計量がサイズ剤の全成分（固形成分）中の５０質量％未満になると、十分な濡れ促進効果が得られなくなる。従って、１２５℃における表面エネルギーが１７〜３４ｍＪ／ｍ^２のエポキシ化合物からなる成分（Ａ）又は（Ａ’）と、１２５℃における表面エネルギーが３５ｍＪ／ｍ^２以上のエポキシ化合物からなる成分（Ｂ）又は（Ｂ’）とは、これらの合計量が全成分（固形成分）中の５０質量％以上の割合で存在していることが必要である。
【００１１】
前記成分（Ａ）又は（Ａ’）、及び成分（Ｂ）又は（Ｂ’）を構成するエポキシ化合物のエポキシ基は、例えばグリシジル基や、下記の化学式（１）〜（３）等によって示される環式脂肪族エポキシ基などである。
【００１２】
【化１】

【００１３】
成分（Ａ）又は（Ａ’）や成分（Ｂ）又は（Ｂ’）を構成する化合物としては、分子中に少なくとも１個又は少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物の一部のエポキシ基に、他の官能基を導入した変性エポキシ化合物を使用することも可能である。たとえば、メタクリル酸とのエステル化で変性したエポキシ化合物は、ビニルエステル樹脂や不飽和ポリエステル樹脂との間の界面接着性をより向上させる作用を果たす。
成分（Ａ）又は（Ａ’）としての、或いは成分（Ｂ）又は（Ｂ’）としてのエポキシ化合物は、１種のみの単独であっても、又は複数種の混合物であってもよい。
【００１４】
本発明の炭素繊維用サイズ剤において、その成分中に、アンモニウムイオンを対イオンとし、かつアルキレンオキサイドの付加量が１０モル以下であるアリールオキシ基を疎水基とするアニオン界面活性剤からなる成分（Ｄ）を含有するものであるときには、成分（Ａ）を構成するエポキシ基を有する化合物として、分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物（Ａ’）を使用し、又成分（Ｂ）を構成するエポキシ基を有する化合物としても、分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物（Ｂ’）を使用する。
これは、本発明の炭素繊維用サイズ剤の成分が、アンモニウムイオンを対イオンとし、かつアルキレンオキサイドの付加量が１０モル以下であるアリールオキシ基を疎水基とするアニオン界面活性剤からなる成分（Ｄ）を含有する場合には、該アニオン界面活性剤からなる成分（Ｄ）の特性、すなわち後記するように、得られる炭素繊維強化複合材料の耐熱性を低下させる要因を含むことのないように、アルキレンオキサイドの付加量を１０モル以下にしたアニオン界面活性剤からなる成分（Ｄ）の特性が生かされ、得られる炭素繊維強化複合材料に優れた耐熱性が保持される。
すなわち、エポキシ化合物として、分子中に２個以上のエポキシ基を有する化合物からなる成分（Ａ’）と、同じく分子中に２個以上のエポキシ基を有する化合物からなる成分（Ｂ’）とを使用することにより、マトリックス樹脂の含浸後にこれらの各化合物がマトリックス樹脂中に溶解、拡散した後、引き続いて生じるマトリックス樹脂の硬化反応の際に、前記成分（Ａ’）及び成分（Ｂ’）を構成する化合物は、分子中に２個以上のエポキシ基を有していることから、該化合物が架橋分子としてマトリックス樹脂中に取り込まれるために、得られる炭素繊維強化複合材料の耐熱性を低下させることが無い、というメカニズムを利用するものである。
【００１５】
本発明の炭素繊維用サイズ剤に用いられる成分（Ａ）及び（Ａ’）を構成する化合物の例としては、下記のものが挙げられる。
（１）分子中に１個のエポキシ基を有する化合物
シクロペンタジエン型エポキシ樹脂の片末端を変性した化合物、ビスフェノールＡエチレンオキサイド２モル付加ジグリシジルエーテルの片末端を変性した化合物、２−エチルヘキシルグリシジルエーテル等
（２）分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物
ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂（エピクロン ＨＰ−７２００シリーズ：大日本インキ化学工業株式会社）、トリスヒドロキシンフェニルメタン型エポキシ樹脂（エピコート１０３２Ｈ６０、１０３２Ｓ５０：ジャパンエポキシレジン株式会社）、ＤＰＰノボラック型エポキシ樹脂（エピコート１５７Ｓ６５、１５７Ｓ７０：ジャパンエポキシレジン株式会社）、水素化ビスフェノールＡジグリシジルエーテル（エポライト４０００：共栄社化学株式会社）、ビスフェノールＡプロピレンオキサイド２モル付加ジグリシジルエーテル（エポライト３００２：共栄社化学株式会社）等
なかでも、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、トリスヒドロキシンフェニルメタン型エポキシ樹脂、ＤＰＰノボラック型エポキシ樹脂やビスフェノールＡプロピレンオキサイド２モル付加ジグリシジルエーテルは、その骨格中に芳香族基を含んでいることにより、得られる炭素繊維強化複合材料の耐熱性を悪化させることがなく、好適である。又、成分（Ａ）としては、前記のように分子中に１個のエポキシ基を有する化合物を使用することもできるが、分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物からなる成分（Ａ’）を使用すると、マトリックス樹脂との間の界面接着性がより向上するので、分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物からなる成分（Ａ’）を使用することが好ましい。
【００１６】
一方の成分（Ｂ）及び（Ｂ’）を構成する化合物の例としては、下記のものが挙げられる。
（１）分子中に１個のエポキシ基を有する化合物
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（エピコート８２８：ジャパンエポキシレジン（株））の片末端をメタクリル酸エステル変性した化合物等
（２）分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂
成分（Ｂ）としては、前記のように分子中に１個のエポキシ基を有する化合物を使用することもできる。しかし、分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物からなる成分（Ｂ’）を使用すると、成分（Ａ’）の場合と同様に、マトリックス樹脂との間の界面接着性がより向上する。従って、分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物からなる成分（Ｂ’）を使用することが好ましい。
【００１７】
本発明の炭素繊維用サイズ剤に用いられる成分（Ｄ）は、アンモニウムイオンを対イオンとし、かつアルキレンオキサイドの付加量が１０モル以下であるアリールオキシ基を疎水基とするアニオン界面活性剤であり、かかるアニオン界面活性剤の添加により、マトリックス樹脂との間の界面接着性に優れ、かつ耐熱樹脂をマトリックス樹脂として使用したときの炭素繊維強化複合材料の耐熱性を低下させることのないものになし得る。
なお、成分（Ｄ）を含有する本発明の炭素繊維用サイズ剤において、成分（Ｄ）の含有量がサイズ剤の全成分（固形成分）中の８質量％未満になると、これを使用したサイジング用の水分散液の安定性が悪くなり、又３０質量％を超えるようになると、サイズ剤のサイズ効果が悪くなる。
従って、成分（Ｄ）を含有する本発明の炭素繊維用サイズ剤においては、該成分（Ｄ）を構成するアンモニウムイオンを対イオンとし、かつアルキレンオキサイドの付加量が１０モル以下であるアリールオキシ基を疎水基とするアニオン界面活性剤の含有量を、サイズ剤の全成分（固形成分）中の８〜３０質量％にすることが必要であり、１０〜２５．０質量％にするのがより好ましい。
マトリックス樹脂となるエポキシ樹脂を乳化させるときの一般的な乳化剤として従来から用いられているノニオン界面活性剤は、乳化安定性を得るために分子中に比較的長いエチレンオキサイド鎖を有しているものである。しかしながら、このノニオン界面活性剤の長いエチレンオキサイド鎖は、炭素繊維強化複合材料の耐熱性を低下させる主原因となっている。一方、エチレンオキサイド鎖の短いノニオン界面活性剤は、耐熱性を低下させる作用は小さいけれども、十分な乳化能力を有していない。
これに対して、イオン性を有するアニオン界面活性剤は、乳化作用をエチレンオキサイド鎖に頼るものではなく、しかも十分な乳化能を有している。
したがって、本発明の炭素繊維用サイズ剤における成分（Ｄ）としては、得られる炭素繊維強化複合材料の耐熱性を低下させる要因を含むことのないように、アルキレンオキサイドの付加量が１０モル以下のアニオン界面活性剤を使用する。
又、前記成分（Ｄ）を構成するアニオン界面活性剤は、アンモニウムイオンを対イオンとするものであることが必要である。何故ならば、対イオンがアルカリ金属やアルカリ土類金属イオンからなるアニオン界面活性剤は、これらのアルカリ金属やアルカリ土類金属イオンが、得られる炭素繊維強化複合材料に混入してその熱安定性を低下させる弊害を生じるからである。
さらに、上記成分（Ｄ）を構成するアニオン界面活性剤の疎水基はアリールオキシ基であることが必要である。すなわち、骨格中に芳香族環を有するエポキシ樹脂をマトリックス樹脂として使用することによって、耐熱性を備えた炭素繊維強化複合材料にする場合が多く、疎水基が脂肪族系基からなるアニオン界面活性剤に比較して疎水基がアリールオキシ基からなるアニオン界面活性剤の方が、この骨格中に芳香族環を有するエポキシ樹脂との相溶性が良好であり、これによって優れた機械特性や耐熱性を有する炭素繊維強化複合材料にすることができる。
【００１８】
上記成分（Ｄ）を構成するアニオン界面活性剤としては、カルボン酸塩、硫酸エステル塩、スルホン酸塩、リン酸エステル塩などを用いることができる。中でも、硫酸エステル塩、スルホン酸塩等による成分（Ｄ）を構成するアニオン界面活性剤は、エポキシ樹脂の乳化能力に優れており、より好適である。
成分（Ｄ）を構成するアニオン界面活性剤としての前記硫酸エステル塩は、例えばアルキルベンゼンポリエチレングリコールエーテル硫酸エステル塩や多環フェニルエーテルポリエチレングリコールエーテル硫酸エステル塩などであり、更に、アルキルベンゼンポリエチレングリコールエーテル硫酸エステル塩や多環フェニルエーテルポリエチレングリコールエーテル硫酸エステル塩におけるポリエチレンオキサイド鎖中の一部にプロピレンオキサイドユニットをランダム又はブロック状に具備させたもの等を用いることもできる。
成分（Ｄ）を構成するアニオン界面活性剤としての前記スルホン酸塩は、例えばアルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、多環フェニルエーテルスルホン酸塩などである。
【００１９】
本発明の炭素繊維用サイズ剤において、前記成分（Ａ）又は（Ａ’）、成分（Ｂ）又は（Ｂ’）、及び成分（Ｄ）以外の成分は、上記した本発明の炭素繊維用サイズ剤によって発現される機能が損なわれることのない範囲内で配合されるものであり、例えばエステル化合物、ウレタン化合物、ポリアミド化合物、ポリイミド化合物などである。
本発明の炭素繊維用サイズ剤には、ノニオン界面活性剤を更に含有させることもでき、例えば脂肪族ノニオン、フェノール系ノニオンなどの界面活性剤を利用することができる。脂肪族ノニオン界面活性剤としては、高級アルコ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、多価アルコール脂肪酸エステルエチレンオキサイド付加物、グリセロールの脂肪酸エステル、ソルビトールおよびソルビタンの脂肪酸エステル、ペンタエリスリトールの脂肪酸エステルなどが挙げられる。又、フェノール系ノニオン界面活性剤としては、アルキルフェノール系ノニオン、多環フェノール系ノニオンなどが挙げられる。
前記ノニオン界面活性剤としてのエチレンオキサイド付加物としては、ポリエチレンオキサイド鎖中の一部にプロピレンオキサイドユニットをランダムあるいはブロック状に具備させたタイプのものが好適である。脂肪酸エチレンオキサイド付加物や多価アルコール脂肪酸エステルエチレンオキサイド付加物としては、モノエステルタイプ、ジエステルタイプ、トリエステルタイプ、テトラエステルタイプなどのノニオン界面活性剤を使用し得る。
本発明の炭素繊維用サイズ剤による炭素繊維のサイジングは、その水分散液にして行なうことが好ましい。
【００２０】
本発明の炭素繊維用サイズ剤の水分散液は、炭素繊維のサイジングを行なうためのものであって、成分（Ａ）を構成するエポキシ化合物１００質量部と成分（Ｂ）を構成するエポキシ化合物１０〜７５質量部とを含有しており、しかも成分（Ａ）と成分（Ｂ）との合計が全成分中の５０質量％以上にある炭素繊維用サイズ剤を、界面活性剤を用いて水中に分散させた水分散液からなる。
好ましくは、本発明の炭素繊維用サイズ剤の水分散液は、成分（Ａ’）を構成するエポキシ化合物１００質量部と、成分（Ｂ’）を構成するエポキシ化合物１０〜７５質量部と、アンモニウムイオンを対イオンとし、かつアルキレンオキサイドの付加量が１０モル以下であるアリールオキシ基を疎水基とするアニオン界面活性剤からなる成分（Ｄ）とを含有しており、しかも成分（Ａ’）と成分（Ｂ’）との合計が全成分中の５０質量％以上であって、かつ成分（Ｄ）が全成分中の８〜３０質量％にある炭素繊維用サイズ剤を、水中に分散させた水分散液からなる。
特に、アンモニウムイオンを対イオンとし、かつアルキレンオキサイドの付加量が１０モル以下であるアリールオキシ基を疎水基とするアニオン界面活性剤からなる成分（Ｄ）を使用した水分散液においては、成分（Ａ’）を構成するエポキシ化合物と成分（Ｂ’）を構成するエポキシ化合物とを、安定して水中に分散させることができる、良好な液安定性を有しているために、取扱い性の良好な水分散液になる。
一般に、炭素繊維用サイズ剤は、これを炭素繊維に付与する際には、水、又はアセトンなどの有機溶剤に、分散又は溶解させたサイズ剤液として用いられるが、サイズ剤を水に分散させた水分散液にして用いる方が、有機溶剤に溶解又は分散させて用いる場合に比較して、工業的にも、又安全性の面にも、より優れたものになる。
【００２１】
本発明のサイジング処理された炭素繊維は、炭素繊維の表面に、前記した本発明の炭素繊維用サイズ剤が付着しているものであり、サイジング処理によって炭素繊維の収束性（Ｂｉｎｄａｂｉｌｉｔｙ）や耐擦過性が優れたものになると共に、マトリックス樹脂に対する濡れ性やマトリックス樹脂との間の界面接着力を十分に向上させて、得られる炭素繊維強化複合材料に良好な力学的特性が備えられるようにするために、炭素繊維の重量に対して０．１〜５．０質量％のサイズ剤を付着させてあることが好ましく、０．２〜３．０質量％のサイズ剤を付着させてあることが、より好ましい。
サイジング処理に付する炭素繊維は、ピッチ系、レーヨン系あるいはポリアクリロニトリル系などのいずれの原料物質から得られたものであってもよく、高強度タイプ（低弾性率炭素繊維）、中高弾性炭素繊維又は超高弾性炭素繊維のいずれでもよい。
本発明の炭素繊維用サイズ剤を使用する炭素繊維のサイジングは、該炭素繊維用サイズ剤、又は該炭素繊維用サイズ剤の分散液を、ローラー浸漬法、ローラー接触法等によって炭素繊維に付与し、これを乾燥することによって行なうことができる。なお、炭素繊維の表面へのサイズ剤の付着量の調節は、サイズ剤液の濃度調整や絞り量調整によって行なうことができる。又乾燥は、熱風、熱板、加熱ローラー、各種赤外線ヒーターなどを利用して行なうことができる。
本発明のサイジング処理された炭素繊維は、炭素繊維の表面に、前記した本発明の炭素繊維用サイズ剤が付着していることによって、機械的摩擦などによる毛羽の発生等が少なくなり、又マトリックス樹脂に対する濡れ性や接着性に優れたものになる。
本発明のサイジング処理された炭素繊維は、製織、切断等の工程通過性に優れており、例えば織布、一方向配列シート、不織布、マット等のシート状物に加工することが容易である。特に製織工程を経る場合には、通常は炭素繊維に擦過による毛羽立ちが発生し易いが、本発明のサイジング処理された炭素繊維は、炭素繊維の表面に付着しているサイズ剤によって、毛羽立ちが効果的に抑えられたものになる。
【００２２】
本発明のサイジング処理された炭素繊維を使用したシート状物は、例えば織布、一方向配列シート、不織布、マット等からなるものである。織布としてはその織り組織が特に限定されるものではなく、平織り、綾織り、朱子織り、或いはこれらの組織を変化させたものであってもよく、また、緯糸と経糸との両糸が共にサイジング処理された炭素繊維からなっていても、或いは他の炭素繊維や炭素繊維以外の繊維との混織であってもよい。なお、炭素繊維以外の繊維としては、硝子繊維、チラノ繊維、ＳｉＣ繊維などの無機繊維や、アラミド、ポリエステル、ＰＰ、ナイロン、ポリイミド、ビニロンなどの有機繊維が好適である。
【００２３】
本発明の炭素繊維強化複合材料は、本発明の炭素繊維用サイズ剤がその表面に付着しているサイジング処理された炭素繊維を強化材として使用して形成されたものであって、マトリックス樹脂で含浸した強化材による一方向プリプレグ、クロスプリプレグ、トウプレグ、短繊維強化樹脂含浸シート、短繊維マット強化樹脂含浸シート等を硬化成形して得られる。
強化材に含浸させるためのマトリックス樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、ラジカル重合系樹脂であるアクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、熱可塑性アクリル樹脂、さらにはフェノール樹脂等が好適である。
前記炭素繊維強化複合材料を得るための硬化成形に供されるマトリックス樹脂で含浸した強化材は、通常の方法、例えばホットメルト法、溶剤法、シラップ法、又はシートモールドコンパウンド（ＳＭＣ）に用いられる増粘樹脂法などの方法によって得られる。
【００２４】
本発明の炭素繊維強化複合材料は、強化材として使用されている前記のサイズ剤でサイジング処理された炭素繊維と、マトリックス樹脂としてのエポキシ樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などのラジカル重合系樹脂、或いはフェノール樹脂等とを用いて形成される。これら炭素繊維とマトリックス樹脂は、含浸性に優れており、炭素繊維とマトリックス樹脂との間に強い界面接着力を現し、これによって本発明炭素繊維強化複合材料は良好な力学的特性を有するものになる。
更に、本発明の炭素繊維強化複合材料は、該炭素繊維強化複合材料に使用してあるサイジング処理された炭素繊維が、前記の通り、マトリックス樹脂含浸性に優れており、しかも炭素繊維強化複合材料に対する耐熱発現性をも具備するものであるために、例えば土建分野や航空宇宙分野での大型の成形体を構成する炭素繊維強化複合材料として好適であり、ＲＴＭ（レジントランスファーモールディング）、ＶＡＲＴＭ（バキュームアシステドレジントランスファーモールディング）或いはＲＩ（レジンインフージョン）法による硬化成形への適応性が高く、優れた機械的物性を有する硬化成形体を高生産性の下に成形することが可能である。
【００２５】
実施例
以下、本発明の炭素繊維用サイズ剤、その水分散液、サイジング処理された炭素繊維、該炭素繊維を使用したシート状物、及び炭素繊維強化複合材料のそれぞれの具体的な構成を、実施例に基づいて説明する。
なお、エポキシ化合物の１２５℃における表面エネルギーの測定、界面活性剤とエポキシ樹脂との相溶性の評価、及び界面活性剤を添加したエポキシ樹脂成形体の耐熱性の評価は、下記の通りにして行なった。
【００２６】
（１）エポキシ化合物の１２５℃における表面エネルギーの測定
自動表面張力計（ＣＢＶＰ−Ａ３型、協和界面科学製）にＨ型恒温槽（協和界面科学製）を取り付けて、白金製プレートにて、ウイルヘルミー法によってエポキシ化合物の表面エネルギーを３回測定し、その平均値で表示する。結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
（２）界面活性剤とエポキシ樹脂との相溶性の評価、及び界面活性剤を添加したエポキシ樹脂成形体の耐熱性の評価
１８０℃硬化タイプのエポキシ樹脂＃４１０（三菱レイヨン（株））に、該エポキシ樹脂に対して、該エポキシ樹脂の量の１．６質量％の界面活性剤を添加した樹脂組成物を得た後、これを硬化成形した硬化樹脂板の透明性の有，無を、その外観によって判断すると共に、該硬化樹脂板の室温での曲げ弾性率（３点曲げ試験）保持率を測定することによって、界面活性剤とエポキシ樹脂との相溶性を評価した。その結果を、表２に示す。表２において、相溶性の評価において、良好なものを「○」で表し、不良なものを「×」で表す。
【００２９】
【表２】

【００３０】
又、前記硬化樹脂板から切り出した試験片の昇温剪断弾性率を、粘弾性スペクトロメーターＲＤＡ−７００（レオメトリック社製）にて測定し、得られたチャートから読みとったＧ’−Ｔｇ（貯蔵弾性率Ｇ‘の温度依存性より得られる曲線より得られるガラス転移温度）と１８０℃におけるＧ’の値とにより、界面活性剤を添加したエポキシ樹脂成形体の耐熱性を評価した。その結果を表３に示す。
【００３１】
【表３】

【００３２】
（実施例１〜実施例４、比較例１〜比較例４、参考例１，２）
表４に示す化合物を利用して、表５〜表７に記載した各成分を配合（質量部）し、本発明の実施例品としての炭素繊維用サイズ剤、及び比較のためのサイズ剤をそれぞれ調製した。
（実施例７〜１２、比較例５〜８）
前記実施例１〜４、比較例１〜４、参考例１，２にて調製した各サイズ剤の水分散液を、サイズ剤の転相乳化によって調製した。各サイズ剤の水分散液のサイズ剤濃度（質量％）を、表５〜表７に併記する。
（実施例１３〜実施例１８、比較例９〜比較例１２）
サイズ剤を付与してない炭素繊維束パイロフィルＴＲ５０ＳＸ（三菱レイヨン（株）：フィラメント数１２０００本、ストランド強度５，０００ＭＰａ、ストランド弾性率２４２ＧＰａ）を、前記実施例７〜実施例１２及び比較例５〜比較例８にて調製した各サイズ剤の水分散液を満たしてあるフリーローラーを有する浸漬槽内に浸漬した後、熱風乾燥してからボビンに巻き取ることにより、ボビン巻きしてあるサイジング処理された炭素繊維を得た。
サイジング処理された炭素繊維の表面に付着しているサイズ剤の付着量と、前記のサイジング工程でのサイズ剤の水分散液の性状とを、表５〜表７に併記する。なお、サイジング工程でのサイズ剤の水分散液の性状の評価は、浸漬ローラー表面への樹脂の付着がなく、乳化安定性が良好：○、浸漬ローラー表面への樹脂の付着が若干あり、乳化安定性もよくない：×、によって表示した。
【００３３】
（実施例１９〜２４、比較例１３〜１６）
Ｂステージ化した２種類のエポキシ樹脂（三菱レイヨン（株）：＃３５０；１３０℃硬化タイプ、＃４１０；１８０℃硬化タイプ）からなるマトリックス樹脂を塗布してある離型紙の前記エポキシ樹脂の塗布面に、前記実施例１３〜実施例１８、比較例９〜比較例１２で得られたボビンから巻き出した炭素繊維束１５６本を引き揃えて配置した後、加熱圧着ローラに通して炭素繊維束にエポキシ樹脂を含浸し、更にその上に保護フィルムを積層することにより、樹脂含有量約３３質量％、炭素繊維目付２５０ｇ／ｍ^２、幅５００ｍｍの一方向引揃え（ＵＤ）プリプレグを作製した。
前記ＵＤプリプレグの製造工程中におけるボビンからの炭素繊維束の解舒、巻き出しの性状を、使用したマトリックス樹脂の種類と共に、表５〜表７に併記する。なお、ボビンからの炭素繊維束の解舒、巻き出しの性状の評価は、ボビンからの解舒性が良好であり、毛羽の発生が無く、開繊性が良好であって、擦過バーへの樹脂の付着が無い：○、ボビンからの解除時の糸切れがあり、毛羽が発生し、開繊性斑があり、擦過バーへの樹脂付着がある：×、によって示した。
更に、前記ＵＤプリプレグの概観、及び該ＵＤプリプレグから保護フィルムを剥がしたときの樹脂の吸い込み方（＝樹脂含浸性のよしあし）を、前記表５〜表７に、未含浸部に起因する色斑がなく、平滑性が良好であり、樹脂吸い込み方が良好である：○、未含浸部に起因する色斑がなく、平滑性が良好であるが、樹脂吸い込み方が緩慢である：×、によって示した。
続いて、前記ＵＤプリプレグから調製した厚さ２ｍｍのＵＤ積層板を硬化成形することにより、炭素繊維強化複合材料としての積層板を得た。
得られた炭素繊維強化複合材料としての積層板の炭素繊維とマトリックス樹脂との界面接着性を、該積層板の９０°曲げ強度（ＡＳＴＭ−Ｄ−７９０に準拠）によって評価した。結果を表５〜表７に併記する。
更に、実施例３及び比較例２にて調製したサイズ剤を利用した前記積層板から、該積層板の０°方向ＵＤ材として切り出した試験片の昇温剪断弾性率を、粘弾性スペクトロメーターＲＤＡ−７００（レオメトリック社製）にて測定し、得られたチャートより読み取ったＧ’−Ｔｇによって前記積層板の耐熱性を評価した。その結果を表５〜表７に併記する。
【００３４】
【表４】

【００３５】
【表５】

【００３６】
【表６】

【００３７】
【表７】

【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の炭素繊維用サイズ剤は、このサイズ剤によってサイジング処理された炭素繊維を強化材とする炭素繊維強化複合材料に優れた機械特性を発現させる要因になるエポキシ基を有する化合物を含有するものであり、しかも該エポキシ基を有する化合物として、炭素繊維表面への含浸マトリックス樹脂の拡張濡れを促進させるところの低表面エネルギー成分と、含浸マトリックス樹脂へのサイズ剤成分の溶解を促進させる相溶性成分とをバランス良く含有する。従って、該炭素繊維用サイズ剤は、各種のマトリックス樹脂に対する優れた含浸性を炭素繊維に付与する。
又、アンモニウムイオンを対イオンとし、かつアルキレンオキサイドの付加量が１０モル以下であるアリールオキシ基を疎水基とするアニオン界面活性剤が更に配合された本発明の炭素繊維用サイズ剤は、マトリックス樹脂として耐熱タイプの樹脂を使用してある炭素繊維強化複合材料にしたときでも、その耐熱性の低下を生じることがない。
更に、本発明の炭素繊維用サイズ剤の水分散液は、前記炭素繊維用サイズ剤を界面活性剤を使用して水に分散させてなるものであるために、炭素繊維にサイジング処理を施すときのサイジング液として、工業的にも、又安全性の面からも優れたものであり、又良好な液安定性を有しているために、優れた取扱い性を有するものである。

Claims (12)

1. 下記の成分（Ａ）１００質量部と成分（Ｂ）１０〜７５質量部とを含有しており、しかも成分（Ａ）と成分（Ｂ）との合計が全成分中の５０質量％以上である炭素繊維用サイズ剤。
   成分（Ａ）：１２５℃における表面エネルギーが１７〜３４ｍＪ／ｍ^２の分子中に少なくとも１個のエポキシ基と、芳香族基を有する化合物；
   成分（Ｂ）：１２５℃における表面エネルギーが３５ｍＪ／ｍ^２以上の分子中に少なくとも１個のエポキシ基を有する化合物。
2. 成分（Ａ）を構成する化合物が、分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物からなる成分（Ａ’）である請求項１に記載の炭素繊維用サイズ剤。
3. 更に、アンモニウムイオンを対イオンとし、かつアルキレンオキサイドの付加量が１０モル以下であるアリールオキシ基を疎水基とするアニオン界面活性剤からなる成分（Ｄ）を、全成分中の８〜３０質量％の割合で含有しており、しかも成分（Ａ）を構成するエポキシ基を有する化合物が、分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物からなる成分（Ａ’）であり、又成分（Ｂ）を構成するエポキシ基を有する化合物が、分子中に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物からなる成分（Ｂ’）である請求項１に記載の炭素繊維用サイズ剤。
4. 請求項１又は２に記載の炭素繊維用サイズ剤を界面活性剤を用いて水中に分散させてなる炭素繊維サイジング用の水分散液。
5. 請求項３に記載の炭素繊維用サイズ剤を水中に分散させてなる炭素繊維サイジング用の水分散液。
6. 炭素繊維の表面に、請求項１、２及び３のうちのいずれかの１項に記載の炭素繊維用サイズ剤が付着しているサイジング処理された炭素繊維。
7. 炭素繊維の表面に付着している炭素繊維用サイズ剤の量が、炭素繊維の０．１〜５．０質量％である請求項６に記載のサイジング処理された炭素繊維。
8. 請求項６に記載のサイジング処理された炭素繊維を使用したシート状物。
9. 請求項６に記載の炭素繊維を強化材として含む炭素繊維強化複合材料。
10. 請求項８に記載のシート状物を強化材として含む炭素繊維強化複合材料。
11. ＲＴＭ（レジントランスファーモールディング）、ＶＡＲＴＭ（バキュームアシステドレジントランスファーモールディング）或いはＲＩ（レジンインフージョン）法によって形成された成形体である請求項９に記載の炭素繊維強化複合材料。
12. ＲＴＭ（レジントランスファーモールディング）、ＶＡＲＴＭ（バキュームアシステドレジントランスファーモールディング）或いはＲＩ（レジンインフージョン）法によって形成された成形体である請求項１０に記載の炭素繊維強化複合材料。