JP4452775B2 - 機能化繊維の製造方法 - Google Patents
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- Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
- Treatments For Attaching Organic Compounds To Fibrous Goods (AREA)
Description
本発明に係る機能化繊維の製造方法は、繊維を液体に浸漬し、該液体中で気泡を発生させるとともに、該液体中に電磁波を照射することにより、前記液体に起因した化合物を繊維に付着せしめるものである。ここで用いる液体は、特に限定されないが、目的に応じて炭素を有する化合物、珪素を有する化合物、水または水溶液をそれぞれ単独もしくは混合して用いるのが好ましい。それぞれの液体の詳細については後述するが、いずれの液体においても、本発明では、液体中で気泡を発生させるとともに、該液体中に電磁波を照射することにより、該液体に起因した化合物を繊維に付着せしめる。例えば液体として炭素を有する化合物を用いた場合、炭素性物質が繊維に付着または蒸着されることになる。この際、公知のCVD法などの気相プラズマで得られる炭素性物質の膜は実質的に平滑であるのに対し、本発明による炭素性物質の付着または蒸着の形態は、凹凸を有する特異的なものとなるため、マトリックス樹脂との接触面積が増大し、更にはマトリックス樹脂の炭素性物質へのアンカー効果も発現し、接着力が非常に向上する。使用する液体が珪素を有する化合物では、繊維に耐酸化性及び/または耐熱性物質が付着または蒸着されることになるが、炭素を有する化合物の場合と同様に凹凸を有する特異的な表面となり、セラミックスや金属への接着が強固になる。使用する液体が水単独の場合は、繊維に付着または蒸着されるものはないが、繊維がエッチングされて凹凸を有する表面になると共に親水性官能基が導入されるので、やはりマトリックス樹脂との接着性は高くなる。なお、本発明で言う凹凸を有する表面としては、凸部の頂点と凹部の底との高低差が0.01〜500μmの範囲内であるのが好ましく、0.05〜200μmの範囲内であるのがより好ましく、0.1〜100μmの範囲内であるのが更に好ましい。0.01μm以下では、凹凸による接着性向上や比表面積増大による各種分子等の高吸着性等があまり発現せず、500μm以上にしても効果は飽和する。接着性向上の場合については、むしろ50μm以下が好ましく、10μm以下が更に好ましい。これらは、数十倍〜数万倍程度の拡大倍率の走査型電子顕微鏡(SEM)や、試料の断面をミクロトーム等で超薄切片化して切り出し、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察することによって、容易に判別できる。TEMによる断面観察の場合は、少なくとも2つの凸部の頂点に接する外接円の半径と、少なくとも2つの凹部の底に接する内接円の半径との差から、凹凸の高低差を求めることができる。
本発明に使用できる前記炭素性物質の原料となる液体は、炭素原子を含む化合物、好ましくは有機化合物を含んでいれば、その種類は特に限定されない。炭素原子を含む化合物として、好ましくは、炭素原子と水素分子のみからなる脂肪族系及び芳香族系の飽和炭化水素、不飽和炭化水素や、それらの1つ以上の水素を水酸基に置換したアルコール類が用いることができるが、カルボニル基やエーテル結合、エステル結合、カルボキシル基、アミノ基、4級アミン、アミド結合、スルホン酸基等が含まれていても構わない。これらは、液体として単独で用いる場合には、液体として存在できる温度、即ち融点より高く、かつ沸点より低い温度領域で本発明に利用できるが、より簡便に本発明を実施するためには常温(15〜25℃)で液体状であるのが好ましい。従って、より好ましい一例として、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、ペンタデカン、ヘキサデカン、ヘプタデカン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン、シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン、シクロヘキサジエン、シクロペンタジエン、シクロヘキシルベンゼン、シクロオクタテトラエン、イソプレン、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルトルエン、ジエチルベンゼン、ジビニルベンゼン、ジメチルビフェニル、メタノール、エタノール、プロパノール、ブチルアルコール、イソペンチルアルコール、ヘプタノール、オクタノール、o−エチルフェノール、シクロペンタノール、アリルアルコール、ウルシオール、ウンデカノール、スチレン、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、酢酸、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル、アクリルアミド、ポリオキシエチレンを親水部とし、アルキル基に代表される炭化水素類やポリオキシアルキレン(ポリオキシ(メ)エチレンを除く)を疎水部とする界面活性剤、等が挙げられる。
Si/C=([Si2p]/[C1s])/(感度補正値)
なお、測定する機能化繊維にサイジング剤等の後処理剤が付着している場合は、塩化メチレン、メチルエチルケトン、アセトン、エタノールなどの溶媒で洗浄し、蒸留水で洗い流し、必要に応じて超音波洗浄するなどしてサイジング剤などを除去後、適当な長さにカットしてステンレス製の試料支持台上に拡げて並べた後、上記条件にて測定できるものである。また、バインダーなどと混合されている機能化繊維について測定する場合は、塩化メチレン、メチルエチルケトン、アセトン、エタノールなどの溶媒で樹脂を除去して機能化繊維を取り出し同様の方法で測定できるものである。
O/C=([O1s]/[C1s])/(感度補正値)
なお、繊維強化複合材料の強さは、圧縮強度で評価した。その概略は、実施例及び比較例で得られた各繊維束を用い、プリプレグ及び繊維強化複合材料を作製し、ASTMD695の評価方法に従って、繊維複合複合材料の圧縮強度を測定した。本発明において用いた評価方法の詳細及びプリプレグ及び繊維強化複合材料の作製方法は次の通りである。
後述でも明らかになるが、以下の実施例ではSEMで充分に凹凸を認識できるものであったので、(株)日立製作所製S−4000を用い、加速電圧20kVにて、5千〜1万倍の倍率で撮影した画像から評価した。
ラマンスペクトルは、日本電子(株)製JRS−SYSTEM 1000を用い、Arレーザー、波長514nm、スポット径1μm、露光時間10秒、ラマンスペクトル測定領域0〜2000cm-1、の条件で測定した。得られたラマンスペクトルにおいて、DバンドピークとGバンドピークの間に存在する1450〜1500cm-1付近の最低強度部と1000〜1300cm-1の間にフィッティング良くベースラインを引き、そのベースラインとDバンドピークで囲まれた領域の面積を、前記DバンドピークとGバンドピークの間の最低強度部と1650〜1700cm-1の間にフィッティング良くベースラインを引き、そのベースラインとGバンドピークで囲まれた領域の面積で割ることによってD/G比を算出した。
XPSにおけるC1s、Si2p、O1sの各スペクトルは、米国Surface Science社製SSX−100を用い、励起X線単色AlKα1,2線(1486.6eV)、X線径1mm、X線出力10kV、20mA、真空度2.8×10-10 Torrの条件で、測定を行った。測定範囲は、C1sでは278〜290eV、Si2pでは94〜110eV、O1sでは524〜538eVとした。得られた各ピークの面積は、測定範囲の中で適切なベースラインを引き、ガウシアン分布を用いて良好なフィッティングカーブを得、ピーク面積を求めた。得られた各ピーク面積の比及び感度補正値を用いて、Si/C比またはO/C比を算出した。
A.次に示す原料樹脂を混合し、30分攪拌して樹脂組成物を得た。
・ビスフェノールAジグリシジルエーテル樹脂(”エピコート”(登録商標)1001、ジャパンエポキシレジン(株)製)、30重量%
・ビスフェノールAジグリシジルエーテル樹脂(”エピコート”828、ジャパンエポキシレジン(株)製)、30重量%
・フェノールノボラックポリグリシジルエーテル樹脂(”エピクロン”(登録商標)−N740、大日本インキ化学工業(株)製)、27重量%
・ポリビニルホルマール樹脂(”ビニレック”(登録商標)K、チッソ(株)製、登録商標)、5重量%
・ジシアンジアミド(DICY7、ジャパンエポキシレジン(株)製)、4重量%
・3,4ジクロロフェノール−1ジメチルウレア(DCMU−99、保土ヶ谷化学(株)製、硬化剤)、4重量%
次に、前記樹脂組成物をシリコーンを塗布した離型紙にコーティングして得られた樹脂フィルムを円周約2.7mの60〜70℃に温調した鋼製ドラムに巻き付けた。
この上に炭素繊維をクリールから巻きだしトラバースを介して配列する。更にその上から、前期樹脂フィルムで再度覆い、ロールで回転しながら、加圧し樹脂を繊維束内に含浸せしめ、幅300mm、長さ2.7mの一方向プリプレグを作製した。ここで、プリプレグの繊維目付はドラムの回転数とトラバースの送り速度を変化させ、190g/m2とした。またプリプレグの樹脂含有率は約35重量%とした。
このプリプレグを繊維方向を一方向に揃えて積層し、温度130℃、圧力0.3MPaで2時間硬化させ、厚さが1mmの積層板(繊維強化複合材料)を成形した。
前記積層板から被破壊部分が中心になるように、厚さ1±0.1mm、幅12.7±0.13mm、長さ80±0.013mm、ゲージ部長さ5±0.13mmの試験片を切り出した。
この試験片よりASTM D695に示される圧縮治具を使用し、歪み速度を1.27mm/分の条件で測定し、繊維体積分率60%に換算して繊維強化複合材料の圧縮強度を得た。
図1に、繊維を連続処理するための装置の概略構成を示す。繊維1は、図示を省略した送り出しリールから送り出され、フリーローラーからなるガイドローラー6によって図の左方向から右方向に一定速度で導かれ、図示を省略した巻き取りリールに巻き取られる。液体2に浸った繊維1は、超音波発生装置4によって液体2中で発生した気泡5に、電磁波発生装置3から電磁波を照射し、気泡5中にプラズマを発生させる。繊維1はそのプラズマ中をくぐり抜け、連続処理されるようになっている。超音波発生装置4と電磁波発生装置3の各先端間の距離は4mmで、繊維1はその中央を通過するようにしてある。本実施例では、繊維1には12,000本の束からなる引張弾性率が370GPaのポリアクリロニトリル系炭素繊維を用い、糸速0.1m/分で、液体2にドデカンを用いた。超音波発生装置4の出力は19.5kHz、600W、電磁波発生装置3の出力は2.54GHz、120Wである。
実施例1において気泡発生手段として用いた超音波発生装置の代わりに、繊維を処理する系を減圧できるよう、図3に概略を示すように、系全体を真空チャンバー7で囲って真空装置8で減圧できる状態にした。繊維の入口と出口は、フリーローラー6とニップローラー6’で減圧効果が極力失われないようにしてある。真空チャンバー7内の圧力を真空装置8で10000Paまで減圧した他は、繊維1、糸速、液体2、電磁波発生装置3の出力は、実施例1に準じた。気泡5、5’は、液体2のいたるところで発生するが、プラズマが発生するのは電磁波発生装置3の先端部付近のみ(気泡5部分のみ)であった。
実施例2と同様に気泡発生手段として10000Paに減圧すると同時に、実施例1で用いた条件で超音波発生装置も併用した上で、液体としてメチルハイドロジェンポリシロキサン(東レ・ダウ・コーニング(株)製SH1107)を用い、電磁波出力を2.54GHz、200Wとして繊維の処理を行った。
得られた繊維は、図2に示したものと実質的に同様な形態の凹凸表面を有するものであった。得られた繊維のXPSによるSi/C比は、0.95であった。
実施例1において、液体として東レ(株)製トレピュアLV−10Tにより製造した比抵抗18MΩ・cmの超純水を用い、電磁波出力を2.00GHz、200Wとし、図1における2個の金属製フリーローラー6を介して繊維に10Wの直流電流が流れるようにして処理を行った。
得られた繊維は、SEM観察の結果、図2によく似た不均一な凹凸が生じており、凸部頂点と凹部の底との差は、少なくとも0.1μmを下回らなかった。この繊維のXPSによるO/C比は0.7であった。
実施例1において、超音波も電磁波も与えずに繊維を処理し、実質的に処理を施さない状態の繊維を得た。この繊維を用いて繊維強化複合材料を作製し、圧縮強度を測定した結果、1.3GPaであり、これは実施例1の装置を通す前の繊維から作製した繊維強化複合材料が示す圧縮強度と同じ値であった。
2 液体
3 電磁波発生装置
4 超音波発生装置
5 気泡及びプラズマ
5’ 気泡
6 フリーローラーからなるガイドローラー
6’ ニップローラー
7 真空チャンバー
8 真空装置
Claims (16)
- 繊維を液体に浸漬し、該液体中で気泡を発生させるとともに、該液体中に電磁波を照射することにより、前記液体に起因した化合物を繊維に付着せしめることを特徴とする、機能化繊維の製造方法。
- 超音波照射により前記液体中で気泡を発生させる、請求項1に記載の機能化繊維の製造方法。
- 前記液体中で気泡を発生させる方法として少なくとも液体の存在する場を減圧する、請求項1または2に記載の機能化繊維の製造方法。
- 前記液体中で気泡を発生させる方法として前記液体を加熱する、請求項1〜3のいずれかに記載の機能化繊維の製造方法。
- 前記液体に浸漬せしめる繊維を加熱する、請求項1〜4のいずれかに記載の機能化繊維の製造方法。
- 前記液体に浸漬せしめる繊維が炭素繊維である、請求項1〜5のいずれかに記載の機能化繊維の製造方法。
- 前記液体が炭素を有する化合物を含む、請求項1〜6のいずれかに記載の機能化繊維の製造方法。
- 前記液体が有機化合物を含む、請求項1〜6のいずれかに記載の機能化繊維の製造方法。
- 前記液体が炭化水素またはアルコールを含む、請求項1〜6のいずれかに記載の機能化繊維の製造方法。
- 前記液体が珪素を有する化合物を含む、請求項1〜9のいずれかに記載の機能化繊維の製造方法。
- 前記液体がシリコーンを含む、請求項1〜9のいずれかに記載の機能化繊維の製造方法。
- 前記液体が水を含む、請求項1〜11のいずれかに記載の機能化繊維の製造方法。
- 前記液体に浸漬した繊維を一定の速度で動かすことにより、繊維を連続処理する、請求項1〜12のいずれかに記載の機能化繊維の製造方法。
- 前記液体に起因した化合物を繊維に付着せしめた後、該繊維を酸化処理する、請求項1〜13のいずれかに記載の機能化繊維の製造方法。
- 前記液体に起因した化合物がアモルファス性炭素である、請求項1〜9のいずれかに記載
の機能化繊維の製造方法。 - 前記液体に起因した化合物がシリコンカーバイドである、請求項1〜6、10、11のいずれかに記載の機能化繊維の製造方法。
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