JP5251655B2 - Carbon fiber and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、マトリックス樹脂との接着力に優れた炭素繊維とその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a carbon fiber excellent in adhesive strength with a matrix resin and a method for producing the same.

ポリアクリロニトリル系繊維等を原料として製造される炭素繊維は、航空機や自動車の部材を始め、スポーツ用品などの一般産業用途まで広い範囲で使用されている。とりわけ、高強度・高弾性率の炭素繊維は、航空機材料用途に多く使用されており、これらについては更なる高性能化が求められている。   Carbon fibers produced using polyacrylonitrile-based fibers as raw materials are used in a wide range from aircraft and automobile parts to general industrial uses such as sports equipment. In particular, high-strength and high-modulus carbon fibers are widely used for aircraft material applications, and there is a need for further enhancement of performance.

このような用途では、ほとんどの場合、炭素繊維は樹脂をマトリックスとした複合材料として用いられる。複合材料としての十分な力学的特性を得るためには、炭素繊維とマトリックス樹脂とは十分かつ安定した接着強度を有することが必要である。そのため、炭素繊維は、一般的に、ポリアクリロニトリル系繊維等を耐炎化処理し炭素化・黒鉛化処理する、いわゆる焼成工程を経た後、表面処理して製造される。そして、この接着強度は、炭素繊維やマトリックス樹脂の種類、および炭素繊維の焼成後の表面処理などに影響されることが知られている。特に、ストランド引張弾性率が350GPa以上の高弾性率の炭素繊維は、焼成温度も2000℃以上の高温で黒鉛化されることが多く、結晶サイズや配向度が一般的に高くなるため表面処理の改質も進みにくくなり、マトリックス樹脂との界面接着が一般的に弱くなる。   In such applications, in most cases, carbon fibers are used as a composite material having a resin as a matrix. In order to obtain sufficient mechanical properties as a composite material, it is necessary that the carbon fiber and the matrix resin have sufficient and stable adhesive strength. For this reason, carbon fibers are generally produced by subjecting polyacrylonitrile-based fibers or the like to a flame treatment, followed by a carbonization / graphitization treatment, a so-called firing step, and then a surface treatment. And it is known that this adhesive strength is influenced by the kind of carbon fiber and matrix resin, the surface treatment after firing of the carbon fiber, and the like. In particular, carbon fibers having a high elastic modulus with a strand tensile elastic modulus of 350 GPa or more are often graphitized at a high firing temperature of 2000 ° C. or higher, and generally have a high crystal size and degree of orientation. The modification is also difficult to proceed, and the interfacial adhesion with the matrix resin is generally weak.

この問題を解決するため、炭素繊維表面のX線光電子分光の測定・解析により、表面酸素濃度、窒素濃度およびケイ素濃度の関係と表面電解処理の方法を規定することにより、マトリックス樹脂との接着性を向上させる方法が提案されている(特許文献1参照。)。しかしながら、この提案では、各々の元素の化学状態や構造に関する定義が明確ではないため、一義的に定義される表面状態とは言い難く、それゆえ、必ずしも優れた接着性を示すものではなかった。   In order to solve this problem, the relationship between the surface oxygen concentration, nitrogen concentration and silicon concentration and the method of surface electrolysis treatment are defined by measuring and analyzing the X-ray photoelectron spectroscopy of the carbon fiber surface. Has been proposed (see Patent Document 1). However, in this proposal, since the definition regarding the chemical state and structure of each element is not clear, it is difficult to say that the surface state is uniquely defined. Therefore, it does not necessarily show excellent adhesion.

また、炭素繊維表面のX線光電子分光の炭素C1sスペクトルのピーク分割の結果より、マトリックス樹脂との接着性に優れた炭素繊維の表面状態を示すことが提案されている(特許文献2参照。)。しかしながら、この提案では、ピーク分割自体の任意性が高く、また、ピーク分割自体の誤差も大きいことから、優れた接着性を有する炭素繊維の指標ではなかった。   Moreover, it is proposed that the surface state of the carbon fiber excellent in adhesiveness to the matrix resin is shown from the result of the peak splitting of the carbon C1s spectrum of the X-ray photoelectron spectroscopy on the surface of the carbon fiber (see Patent Document 2). . However, this proposal is not an indicator of carbon fibers having excellent adhesiveness because of the high volatility of the peak division itself and the large error of the peak division itself.

さらに、同じくX線光電子分光の表面酸素濃度と窒素濃度、およびN1sスペクトルの半値幅とピーク分割結果、およびAFMによる表面積の測定・解析より、強度とのバランスを保ちながらマトリックス樹脂との接着性を向上させ、それに付随して、SACMA法準拠のCAI(Compression After Impact:衝撃後圧縮強度)のコンポジット特性の向上が見込める炭素繊維が提案されている(特許文献3参照。)。しかしながら、この提案では、炭素繊維表面の主成分元素である炭素の化学状態や構造に関する定義が明確ではないため、先述の特許文献1と同様に一義的に定義される炭素繊維ではなく、さらに、窒素N1sスペクトルのピーク分割の解析からも炭素繊維の規定を行っているが、これも先の特許文献2と同様に、ピーク分割の任意性と誤差の観点からも十分な表面状態の定義ではなかったため、接着性や強度あるいはCAIなどの特性に優れた炭素繊維ではなかった。   Furthermore, the surface oxygen concentration and nitrogen concentration of X-ray photoelectron spectroscopy, the half width of N1s spectrum and peak splitting results, and the surface area measurement and analysis by AFM, the adhesion to the matrix resin is maintained while maintaining the balance with strength. The carbon fiber which can improve the composite characteristic of CAI (Compression After Impact: Compact After Impact: Compact after impact) of the SACMA method is proposed (refer patent document 3). However, in this proposal, since the definition relating to the chemical state and structure of carbon that is the main component element on the surface of the carbon fiber is not clear, it is not a carbon fiber that is uniquely defined as in the above-mentioned Patent Document 1, The carbon fiber is also defined from the analysis of the peak splitting of the nitrogen N1s spectrum, but this is also not a definition of a sufficient surface state from the viewpoint of the arbitraryness and error of the peak splitting as in the case of the above-mentioned Patent Document 2. Therefore, the carbon fiber was not excellent in properties such as adhesiveness, strength or CAI.

また、30tf/mm以上の弾性率を持つ炭素繊維の表面処理法を規定し、その改質表面の特性を電気化学的なサイクリックボルタンメトリーの解析より表面脆弱層や表面積との関係を導き出してマトリックス樹脂との接着性の向上を試みることが提案されている(特許文献4参照。)。この提案では、確かに過度な酸化の脆弱層の影響は十分考えられるが、それ以上に炭素繊維表面の化学状態や構造の影響が大きく、必ずしも優れた接着力を有する炭素繊維の表面処理方法ではなかった。 In addition, a surface treatment method for carbon fibers having an elastic modulus of 30 tf / mm 2 or more is defined, and the characteristics of the modified surface are derived from the analysis of electrochemical cyclic voltammetry and the relationship with the surface fragile layer and surface area. It has been proposed to try to improve adhesiveness with a matrix resin (see Patent Document 4). In this proposal, the influence of the fragile layer of excessive oxidation is certainly considered, but the influence of the chemical state and structure on the surface of the carbon fiber is much greater than that, and the carbon fiber surface treatment method with an excellent adhesive force is not necessarily used. There wasn't.

以上のように、これまで提案されている技術をもってしても、マトリックス樹脂との接着力に優れた炭素繊維およびその製造方法としては、必ずしも満足できるものではなかった。   As described above, even with the techniques proposed so far, the carbon fiber excellent in adhesive strength with the matrix resin and the manufacturing method thereof are not always satisfactory.

特開昭62−276075公報JP-A 62-276075 特開平05−156522号公報JP 05-156522 A 特開2006−183173号公報JP 2006-183173 A 特開平01−092470号公報JP-A-01-092470

本発明の目的は、炭素繊維の理想的な表面状態を定義し、マトリックス樹脂との接着力に優れた炭素繊維およびその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to define an ideal surface state of a carbon fiber and to provide a carbon fiber excellent in adhesive strength with a matrix resin and a method for producing the carbon fiber.

本発明は、上述の目的を達成するために、次の構成を有するものである。   In order to achieve the above-mentioned object, the present invention has the following configuration.

すなわち、本発明の炭素繊維は、X線光電子分光法の測定・解析において、炭素繊維表面の酸素濃度(O/C比:酸素原子数/炭素原子数)が0.20〜0.35の範囲であり、炭素C1s内殻スペクトルのメインピークである炭素と炭素間成分の結合エネルギー位置(284.6eV)から、+1.6〜+2.6eV(結合エネルギー286.2〜287.2eV)の範囲のエネルギー位置にサブピークの成分を有する炭素繊維であって、炭素C1s内殻スペクトルのサブピークの高さが、メインピークの高さの三分の一以上である炭素繊維である。 That is, the carbon fiber of the present invention has a carbon fiber surface oxygen concentration (O / C ratio: number of oxygen atoms / number of carbon atoms) in the range of 0.20 to 0.35 in the measurement and analysis of X-ray photoelectron spectroscopy. From the binding energy position (284.6 eV) of the carbon-carbon component, which is the main peak of the carbon C1s inner-shell spectrum, within the range of +1.6 to +2.6 eV (binding energy 286.2 to 287.2 eV). A carbon fiber having a sub-peak component at an energy position , wherein the carbon C1s inner-shell spectrum has a sub-peak height that is one third or more of the height of the main peak .

また、本発明の前記の炭素繊維の製造方法は、被処理炭素繊維を陽極とし、陰極との間に直流電流を通じて電解処理を施すに際し、電解処理で使用する電解電気量の総量を炭素繊維1g当たり30〜300クーロン/gとし、ペルオキソ二硫酸イオン濃度が1.0wt%以上のペルオキソ二硫酸塩を含む水溶液を電解液として用い電解処理を施すことを特徴とするものである。   In addition, the carbon fiber production method of the present invention uses the carbon fiber to be treated as an anode and the electrolytic treatment through a direct current between the cathode and the cathode. Electrolytic treatment is performed using an aqueous solution containing a peroxodisulfate having a peroxodisulfate ion concentration of 1.0 wt% or more as an electrolytic solution at 30 to 300 coulombs / g per unit.

本発明の炭素繊維の製造方法の好ましい態様によれば、前記のペルオキソ二硫酸塩として、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、ペルオキソ二硫酸ナトリウム、ペルオキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸ルビジウム、ペルオキソ二硫酸バリウムおよびペルオキソ二硫酸鉛からなる群から選ばれた少なくとも1種の塩が、特に好ましく用いられる。   According to a preferred embodiment of the method for producing carbon fiber of the present invention, the peroxodisulfate is ammonium peroxodisulfate, sodium peroxodisulfate, potassium peroxodisulfate, rubidium peroxodisulfate, barium peroxodisulfate and peroxodisulfate. At least one salt selected from the group consisting of lead is particularly preferably used.

本発明によれば、マトリックス樹脂との接着性、すなわち界面剪断強度に優れた炭素繊維が得られる。   According to the present invention, carbon fibers excellent in adhesiveness with a matrix resin, that is, interfacial shear strength can be obtained.

本発明において、炭素繊維は、その製造工程において炭素繊維前駆体繊維を焼成して製造される。   In the present invention, carbon fibers are produced by firing carbon fiber precursor fibers in the production process.

本発明において用いられる炭素繊維前駆体繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル系繊維、レーヨン系繊維、ピッチ系繊維およびポリビニルアルコール系繊維等の繊維を使用することができる。なかでも、アクリルニトリル重合体あるいはその共重合体から得られる繊維、すなわち、ポリアクリロニトリル系繊維は、高い引張強度を発現する炭素繊維を得ることができるため、炭素繊維前駆体として好ましく用いることができる。また、炭素繊維前駆体繊維には、高い耐熱性を与えたり、焼成工程での単繊維間の融着を抑え、焼成工程の通過性をよくすることを目的に、シリコーン系油剤が付与されていることが好ましい。   Examples of the carbon fiber precursor fiber used in the present invention include fibers such as polyacrylonitrile fiber, rayon fiber, pitch fiber, and polyvinyl alcohol fiber. Among them, a fiber obtained from an acrylonitrile polymer or a copolymer thereof, that is, a polyacrylonitrile fiber can be preferably used as a carbon fiber precursor because a carbon fiber exhibiting high tensile strength can be obtained. . The carbon fiber precursor fiber is provided with a silicone-based oil for the purpose of giving high heat resistance, suppressing fusion between single fibers in the firing process, and improving the passability of the firing process. Preferably it is.

本発明においては、炭素繊維の製造工程において、上述の炭素繊維前駆体繊維を200℃から300℃の空気などの酸化雰囲気で熱処理する、いわゆる耐炎化工程と、その後、300〜2000℃の最高温度をもって、窒素などの不活性ガス雰囲気中で熱処理する、いわゆる炭化工程と、より好ましくはその後、最高温度2000℃以上3000℃以下の窒素などの不活性ガス雰囲気中で熱処理する、いわゆる黒鉛化工程を行うことが望ましい。   In the present invention, in the carbon fiber production process, the above-mentioned carbon fiber precursor fiber is heat-treated in an oxidizing atmosphere such as air at 200 ° C. to 300 ° C., and then a maximum temperature of 300 to 2000 ° C. A so-called graphitization step in which heat treatment is performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen, and more preferably, a heat treatment in an inert gas atmosphere such as nitrogen having a maximum temperature of 2000 ° C. to 3000 ° C. It is desirable to do.

本発明において、炭素繊維前駆体繊維は、通常、複数のフィラメントが集まった集合体、すなわち繊維束であるが、1つの繊維束を構成するフィラメント数は、一般的に1,000〜80,000本の範囲である。但し、フィラメント数が多過ぎると、続く工程である炭素繊維の表面処理の処理ムラが大きくなるため、1,000〜50,000本程度が好ましい。本発明で製造される炭素繊維のフィラメント数も、通常、炭素繊維前駆体繊維のフィラメント数と同等である。   In the present invention, the carbon fiber precursor fiber is usually an aggregate of a plurality of filaments, that is, a fiber bundle, but the number of filaments constituting one fiber bundle is generally 1,000 to 80,000. The scope of the book. However, if the number of filaments is too large, the unevenness of the surface treatment of carbon fiber, which is a subsequent process, becomes large, and therefore about 1,000 to 50,000 are preferable. The number of filaments of the carbon fiber produced in the present invention is also usually equal to the number of filaments of the carbon fiber precursor fiber.

本発明において、マトリックス樹脂との接着性を高めるため、焼成工程を経た後に、炭素繊維の表面処理を行うことが重要である。その表面処理方法は、処理のバラツキを少なくする観点から、電解処理で行うことができる。   In the present invention, it is important to perform a carbon fiber surface treatment after the firing step in order to enhance the adhesion with the matrix resin. The surface treatment method can be performed by electrolytic treatment from the viewpoint of reducing the variation in treatment.

炭素繊維の表面の電解処理とは、酸やアルカリなどの電解質の水溶液である電解液中で、被処理炭素繊維を陽極とし、陰極との間に直流電流を通じたときに、陽極である被処理炭素繊維側で起こる酸化反応を利用して、炭素繊維表面に官能基を付与する処理である。   The electrolytic treatment of the surface of the carbon fiber means that the treated carbon fiber is the anode when the treated carbon fiber is used as an anode and a direct current is passed between the cathode and the electrolyte in an electrolytic solution such as an acid or alkali. This is a treatment for imparting a functional group to the carbon fiber surface by utilizing an oxidation reaction that occurs on the carbon fiber side.

本発明においては、この電解液として、ペルオキソ二硫酸塩を含む水溶液を電解液として用い電解処理を施すことが重要である。さらに、ペルオキソ二硫酸塩を含む水溶液の中においても、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、ペルオキソ二硫酸ナトリウム、ペルオキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸ルビジウム、ペルオキソ二硫酸バリウムおよびペルオキソ二硫酸鉛からなる群から選ばれた少なくとも1種の塩を含む水溶液を電解液として用いることが好ましい。   In the present invention, it is important to perform electrolytic treatment using an aqueous solution containing peroxodisulfate as the electrolytic solution. Further, in the aqueous solution containing peroxodisulfate, at least selected from the group consisting of ammonium peroxodisulfate, sodium peroxodisulfate, potassium peroxodisulfate, rubidium peroxodisulfate, barium peroxodisulfate, and lead peroxodisulfate. It is preferable to use an aqueous solution containing one kind of salt as the electrolytic solution.

これらのペルオキソ二硫酸塩を含む水溶液を電解液として用いる理由は、ペルオキソ二硫酸イオンが電解液中で強い酸化作用を持っており、陽極(炭素繊維表面)での電解と同時に、炭素繊維最表面の炭素骨格の構造を変化させながら、表面の酸素導入を進めているためであると考えられる。前記の電解液の濃度は、好ましくは0.001〜1mol/lの範囲である。さらに、薬液取扱い上の安全面から、電解液の濃度はより好ましくは0.001〜0.2mol/lの範囲である。   The reason why aqueous solutions containing these peroxodisulfates are used as the electrolyte is that peroxodisulfate ions have a strong oxidizing action in the electrolyte, and at the same time as electrolysis at the anode (carbon fiber surface), the outermost surface of the carbon fiber This is probably because the introduction of oxygen on the surface was promoted while changing the structure of the carbon skeleton. The concentration of the electrolytic solution is preferably in the range of 0.001 to 1 mol / l. Furthermore, the concentration of the electrolytic solution is more preferably in the range of 0.001 to 0.2 mol / l from the viewpoint of safety in handling chemicals.

本発明において、ペルオキソ二硫酸塩中のペルオキソ二硫酸イオン濃度は、1.0wt%以上であることが重要である。ペルオキソ二硫酸イオン濃度の上限値は、薬品の安全性の観点から、15wt%程度である。   In the present invention, it is important that the peroxodisulfate ion concentration in the peroxodisulfate is 1.0 wt% or more. The upper limit of the peroxodisulfate ion concentration is about 15 wt% from the viewpoint of chemical safety.

また、電解処理で採用する電解電気量の総量は、炭素繊維1g当たり30〜300クーロン/gであることが重要である。電解電気量の総量が30クーロン/g未満では、炭素繊維表面に十分に官能基を付与できない場合があり、十分な接着強度が得られない。一方、電解電気量の総量が300クーロン/gを超えると、電気的な破壊により炭素繊維強度を低下させる。   Moreover, it is important that the total amount of electrolytic electricity employed in the electrolytic treatment is 30 to 300 coulomb / g per gram of carbon fiber. If the total amount of electrolytic electricity is less than 30 coulombs / g, functional groups may not be sufficiently imparted to the carbon fiber surface, and sufficient adhesive strength cannot be obtained. On the other hand, when the total amount of electrolytic electricity exceeds 300 coulombs / g, the carbon fiber strength is reduced due to electrical breakdown.

本発明においては、上記の電解処理において、ペルオキソ二硫酸塩中のペルオキソ二硫酸イオン濃度1.0wt%以上とし、電解処理で使用する電解電気量の総量を炭素繊維1g当たり30〜300クーロン/gとすることにより、炭素繊維表面の酸素濃度(O/C比:酸素原子数/炭素原子数)が0.20〜0.35の範囲であり、炭素C1s内殻スペクトルのメインピークである炭素と炭素間成分の結合エネルギー位置(284.6eV)から、+1.6〜+2.6eV(結合エネルギー286.2〜287.2eV)の範囲のエネルギー位置にサブピークの成分を有する炭素繊維が得られる。   In the present invention, in the above electrolytic treatment, the peroxodisulfate ion concentration in the peroxodisulfate is 1.0 wt% or more, and the total amount of electrolysis used in the electrolytic treatment is 30 to 300 coulomb / g per gram of carbon fiber. The carbon concentration on the surface of the carbon fiber (O / C ratio: number of oxygen atoms / number of carbon atoms) is in the range of 0.20 to 0.35, and carbon that is the main peak of the carbon C1s inner shell spectrum A carbon fiber having a sub-peak component at an energy position in the range of +1.6 to +2.6 eV (binding energy 286.2 to 287.2 eV) is obtained from the binding energy position (284.6 eV) of the intercarbon component.

電解方式としては、炭素繊維束に直接電極触れて電流を流す直接通電方式であっても、電極と炭素繊維束の間にある電解質を通して間接的に電流を流す間接通電方式であっても、どちらであっても構わないが、安全面で間接通電方式の方が好ましい。   The electrolysis method is either a direct energization method in which an electrode is directly in contact with a carbon fiber bundle or an indirect energization method in which an electric current is indirectly passed through an electrolyte between the electrode and the carbon fiber bundle. However, the indirect energization method is preferable in terms of safety.

本発明においては、上記の表面処理と水洗・乾燥を施した後の炭素繊維の表面を、X線光電子分光の測定・解析を行うことが最も重要である。ここで、X線光電子分光の測定法とは、超高真空中で試料の炭素繊維にX線を照射し、炭素繊維の表面から放出される光電子の運動エネルギーをエネルギーアナライザーとよばれる装置で測定する分析手法のことである。この試料の炭素繊維表面から放出される光電子の運動エネルギーを調べることにより、試料の炭素繊維に入射したX線のエネルギー値から換算される結合エネルギーが一意的に求まり、その結合エネルギーと光電子強度から、試料の最表面(〜10nm)に存在する元素の種類と濃度、その化学状態を解析することができる。   In the present invention, it is most important to perform X-ray photoelectron spectroscopy measurement / analysis on the surface of the carbon fiber after the surface treatment, washing with water and drying. Here, the measurement method of X-ray photoelectron spectroscopy is to measure the kinetic energy of photoelectrons emitted from the surface of the carbon fiber with an apparatus called an energy analyzer by irradiating the carbon fiber of the sample with X-rays in an ultra-high vacuum. It is an analysis technique to do. By examining the kinetic energy of the photoelectrons emitted from the carbon fiber surface of the sample, the binding energy converted from the energy value of the X-rays incident on the carbon fiber of the sample is uniquely determined. From the binding energy and the photoelectron intensity The type and concentration of the element present on the outermost surface (-10 nm) of the sample and its chemical state can be analyzed.

本発明において、表面処理を施し、水洗・乾燥した後の炭素繊維の表面をX線光電子分光の測定・解析を行い、その炭素繊維表面の酸素濃度(O/C比:酸素原子数/炭素原子数)が0.20〜0.35の範囲であり、かつ、炭素C1s内殻スペクトルのメインピーク(ピークトップ)の結合エネルギー位置(284.6eV)から、+1.6〜+2.6eV(結合エネルギー286.2〜287.2eV)の範囲のエネルギー位置に、メインピークの三分の一以上の高さ(cps)のサブピークの成分を有する炭素繊維が、マトリックス樹脂との接着性が優れた良好なものとなる。酸素濃度が高すぎると、過剰酸化による表面脆弱層が発生する場合があるため、好ましい酸素濃度は0.20〜0.28である。   In the present invention, the surface of the carbon fiber after surface treatment, washing and drying is subjected to measurement / analysis by X-ray photoelectron spectroscopy, and the oxygen concentration (O / C ratio: number of oxygen atoms / carbon atom) on the surface of the carbon fiber. Number) is in the range of 0.20 to 0.35, and from the binding energy position (284.6 eV) of the main peak (peak top) of the carbon C1s core spectrum, +1.6 to +2.6 eV (binding energy) 286.2 to 287.2 eV) carbon fiber having a sub-peak component with a height of 1/3 or more of the main peak (cps) is excellent in adhesion to the matrix resin. It will be a thing. If the oxygen concentration is too high, a surface fragile layer may be generated due to excessive oxidation, so a preferable oxygen concentration is 0.20 to 0.28.

X線光電子分光の測定・解析の結果が、マトリックス樹脂との接着性に影響する理由については、次のように考えられる。   The reason why the result of measurement / analysis of X-ray photoelectron spectroscopy affects the adhesion to the matrix resin is considered as follows.

すなわち、炭素繊維表面の酸素濃度は、表面処理などによって生成する酸素を含有した水酸基やカルボキシル基などの官能基の総量に相当するものと考えられる。通常、この酸素濃度が多ければ多いほど、これまでの文献では接着性がよいとされる傾向があるが、単に酸素濃度が多いだけでは、表層の脆弱層などの生成により、反ってマトリックス樹脂との接着性は低下することが知られている。そこで、特定の官能基や化学構造を持つ表面を形成する必要が考えられる。本発明においては、X線光電子分光の炭素C1s内殻スペクトルのメインピーク(ピークトップ)の結合エネルギー位置(284.6eV)から、+1.6〜+2.6eV(結合エネルギー286.2〜287.2eV)の範囲のエネルギー位置に成分を有するサブピーク成分の官能基の効果を新たに発見した。また、サブピークがメインピークの三分の一以上の高さ(cps)を有する炭素繊維表面が、マトリックス樹脂との接着性を高める上で、極めて有効であることを発見した。サブピークがメインピークと同等以上のサブピーク強度を持つと、過剰に酸化しすぎて表面脆弱層が発生する場合があるため、サブピークの高さは好ましくは三分の一以上一未満の範囲である。   That is, the oxygen concentration on the carbon fiber surface is considered to correspond to the total amount of functional groups such as hydroxyl groups and carboxyl groups containing oxygen generated by surface treatment or the like. Normally, the higher the oxygen concentration, the better the adhesion in the literature so far, but simply increasing the oxygen concentration warps the matrix resin due to the formation of a weak surface layer. It is known that the adhesiveness of the resin deteriorates. Therefore, it may be necessary to form a surface having a specific functional group or chemical structure. In the present invention, from the binding energy position (284.6 eV) of the main peak (peak top) of the carbon C1s core spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy, +1.6 to +2.6 eV (binding energy 286.2 to 287.2 eV). The effect of the functional group of the sub-peak component having a component at an energy position in the range of Moreover, it discovered that the carbon fiber surface in which a sub peak has the height (cps) of 1/3 or more of a main peak is very effective in improving adhesiveness with a matrix resin. If the sub-peak has a sub-peak intensity equal to or higher than that of the main peak, it may be excessively oxidized and a surface fragile layer may be generated. Therefore, the height of the sub-peak is preferably in the range of one third to less than one.

この接着性を高める官能基成分に関しては完全に判明した訳ではないが、炭素繊維材料におけるエーテルや水酸基成分のピーク位置よりも結合エネルギーが高く、カルボニル基(ケトン基)成分よりも低結合エネルギーに位置するこのピーク成分は、ペルオキソ二硫酸イオンの働きにより、表面の炭素骨格の変化が電解と共に起るため、通常の表面処理では得られないグラファイトの黒鉛の環状に組み込まれたカルボニル(ケトン)構造と水酸基の中間的な成分が生成している可能性を示唆している。   Although the functional group component that enhances adhesion is not completely understood, the bond energy is higher than the peak position of the ether or hydroxyl component in the carbon fiber material, and the bond energy is lower than that of the carbonyl group (ketone group) component. This peak component is located in the graphite graphite ring, which is not obtained by normal surface treatment, because the carbon skeleton of the surface changes with electrolysis due to the action of peroxodisulfate ions. This suggests the possibility that an intermediate component between the hydroxyl group and the hydroxyl group is formed.

その効果により、黒鉛構造に直結できわめて強い状態で水素結合、あるいは水酸基などの極性基を有する表面構造の影響により、エポキシ樹脂などのマトリックス樹脂との界面における接着性を著しく向上させるものと考えられる。さらに、2000℃を超える高温度で黒鉛化された炭素繊維においては、その表面には黒鉛構造が多く存在し、本発明にとってより好ましい炭素繊維である。   Due to the effect, it is considered that the adhesion at the interface with the matrix resin such as epoxy resin is remarkably improved by the influence of the surface structure having a hydrogen bond or a polar group such as a hydroxyl group in a very strong state directly connected to the graphite structure. . Furthermore, in the carbon fiber graphitized at a high temperature exceeding 2000 ° C., the surface thereof has many graphite structures and is a more preferable carbon fiber for the present invention.

本発明では、必要に応じてサイジング剤が付与されて炭素繊維が得られる。   In this invention, a sizing agent is provided as needed and a carbon fiber is obtained.

以下、実施例により、本発明をさらに具体的に説明する。実施例中の測定方法は下記のとおりとした。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The measuring methods in the examples were as follows.

<炭素繊維の表面酸素濃度(O/C比)と内殻C1sスペクトルのピーク強度解析>
表面酸素濃度O/C比は、次の手順に従ってX線光電子分光法により求めた。表面処理が終了した炭素繊維束をカットしてステンレス製の試料台上に拡げて並べた後、光電子脱出角度を45゜とし、X線源としてMgKα1,2線を用い、試料チャンバー内を1×10-8Torrの真空度で測定を行った。測定時の帯電に伴うピークの補正として、まずC1sのメインピーク(ピークトップ)の結合エネルギー値を284.6eVに合わせる。C1sピーク面積は、282〜296eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求め、O1sピーク面積は、528〜540eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求めた。表面酸素濃度O/Cは、上記O1sピーク面積の比を装置固有の感度補正値で割ることにより算出した原子数比で表した。実施例では、アルバック・ファイ(株)製ESCA−1600を用い、上記装置固有の感度補正値は2.33であった。
<Surface oxygen concentration (O / C ratio) of carbon fiber and peak intensity analysis of inner shell C1s spectrum>
The surface oxygen concentration O / C ratio was determined by X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure. After cutting the surface-treated carbon fiber bundles and spreading them on a stainless steel sample stage, the photoelectron escape angle is set to 45 °, MgKα1,2 wires are used as the X-ray source, and the inside of the sample chamber is 1 × The measurement was performed at a vacuum degree of 10 −8 Torr. As correction of the peak accompanying charging during measurement, first, the binding energy value of the main peak (peak top) of C1s is adjusted to 284.6 eV. The C1s peak area was obtained by drawing a straight base line in the range of 282 to 296 eV, and the O1s peak area was obtained by drawing a straight base line in the range of 528 to 540 eV. The surface oxygen concentration O / C was expressed as an atomic ratio calculated by dividing the ratio of the O1s peak area by the sensitivity correction value unique to the apparatus. In the examples, ESCA-1600 manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. was used, and the sensitivity correction value unique to the apparatus was 2.33.

また、C1sピークにて面積を求めた282〜296eVの直線ベースラインを光電子強度の原点(零点)と定義して、結合エネルギー284.6eVのメインピークの高さ(cps:単位時間あたりの光電子強度)と、サブピーク成分の結合エネルギー位置とその高さ(cps)を求め、そのメインピークを基準にしたサブピークとの高さの比を算出した。   Further, a 282 to 296 eV linear base line whose area was obtained at the C1s peak was defined as the origin (zero point) of the photoelectron intensity, and the height of the main peak with a binding energy of 284.6 eV (cps: photoelectron intensity per unit time) ) And the binding energy position and height (cps) of the sub-peak component, and the ratio of the height to the sub-peak with the main peak as a reference was calculated.

<ストランド引張強度の測定>
炭素繊維に、ユニオンカーバイド(株)製“ベークライト”(登録商標)ERL−4221を1000g(930重量%)、三フッ化ホウ素モノエチルアミン(BF3・MEA)を30g(3重量%)およびアセトンを40g(4重量%)混合したエポキシ樹脂組成物を含浸させ、次にこれを130℃の温度で30分間加熱し、硬化させ、樹脂含浸ストランドとする。JIS R7601(1986)の樹脂含浸ストランド試験法に従い、引張強度σを求めた。
<Measurement of strand tensile strength>
Carbon fiber, 1000 g (930 wt%) of “Bakelite” (registered trademark) ERL-4221 manufactured by Union Carbide Co., Ltd., 30 g (3 wt%) of boron trifluoride monoethylamine (BF3 · MEA), and 40 g of acetone The (4 wt%) mixed epoxy resin composition is impregnated, and then this is heated at a temperature of 130 ° C. for 30 minutes and cured to obtain a resin impregnated strand. The tensile strength σ was determined according to the resin impregnated strand test method of JIS R7601 (1986).

<界面剪断強度(IFSS)の測定>
ビスフェノールA型エポキシ樹脂化合物“jER”(登録商標)828(ジャパンエポキシレジン株式会社製)とメタフェニレンジアミン(シグマアルドリッチジャパン株式会社)を重量比7:1でよく混合し、炭素繊維単糸(繊維束)を張り詰めた厚さ2mm、巾10mm、長さ150mmシリコーンゴム製のモールドに含浸し、100℃の温度で前硬化した後、130℃の温度で120分間加熱、硬化させた。上記の単糸(繊維束)包埋樹脂試験片に繊維軸方向に引張の力を与え、歪みを10%生じさせた後、光学顕微鏡により試験片中心部22mmの範囲における繊維破断数を測定した。次に、平均破断繊維長laから臨界繊維長lcを、lc(μm)=4/3×la(μm)の式により計算した。ストランド引張強度σと炭素繊維単糸(繊維束)の直径dを測定し、炭素繊維と樹脂界面の接着強度の指標である界面剪断強度IFSSを、次式で算出した。実施例では、測定数n=5の平均を試験結果とした。
・界面剪断強度IFSS(MPa)=σ(MPa)×d(μm)÷2lc(μm)
(実施例1)
アクリロニトリル99.5モル%とイタコン酸0.5モル%からなるアクリロニトリル共重合体を用いて、乾湿式紡糸法により単繊維繊度0.8dtex、単繊維数が12,000本のアクリル系前駆体繊維束を得た。このアクリル系前駆体繊維束には、アミノ変性シリコーンからなるシリコーン系油剤を、炭素繊維の重量100重量%に対して1.1重量%付与した。この油剤付着量は、特開2000−146776号公報に規定された方法において規定される測定法で確認することができる。
<Measurement of interfacial shear strength (IFSS)>
Bisphenol A type epoxy resin compound “jER” (registered trademark) 828 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) and metaphenylenediamine (Sigma Aldrich Japan Co., Ltd.) are mixed well at a weight ratio of 7: 1, and carbon fiber single yarn (fiber A silicone rubber mold having a thickness of 2 mm, a width of 10 mm, and a length of 150 mm was impregnated and pre-cured at a temperature of 100 ° C., and then heated and cured at a temperature of 130 ° C. for 120 minutes. Tensile force was applied to the single yarn (fiber bundle) -embedded resin test piece in the fiber axis direction to cause 10% distortion, and the number of fiber breaks in the range of 22 mm in the center of the test piece was measured with an optical microscope. . Next, the critical fiber length lc was calculated from the average breaking fiber length la by the formula of lc (μm) = 4/3 × la (μm). The strand tensile strength σ and the diameter d of the carbon fiber single yarn (fiber bundle) were measured, and the interfacial shear strength IFSS, which is an index of the bond strength between the carbon fiber and the resin interface, was calculated by the following equation. In the examples, the average of the number of measurements n = 5 was used as the test result.
Interfacial shear strength IFSS (MPa) = σ (MPa) × d (μm) ÷ 2 lc (μm)
Example 1
Acrylic precursor fiber having a single fiber fineness of 0.8 dtex and a single fiber number of 12,000 by dry and wet spinning using an acrylonitrile copolymer consisting of 99.5 mol% of acrylonitrile and 0.5 mol% of itaconic acid Got a bunch. The acrylic precursor fiber bundle was provided with 1.1% by weight of a silicone oil agent made of amino-modified silicone with respect to 100% by weight of the carbon fiber. This oil agent adhesion amount can be confirmed by a measurement method defined in the method defined in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-146776.

すなわち、炭素繊維表面上もしくは内部で樹脂を形成したシリコーン系油剤を溶媒中で触媒溶液存在下で分解抽出し、触媒溶液もしくは触媒溶解剤を除去した抽出液の赤外吸光度を測定することにより油剤付着量を確認することができる。   That is, an oil agent is obtained by decomposing and extracting a silicone-based oil agent in which a resin is formed on or inside the carbon fiber in the presence of a catalyst solution in a solvent, and measuring the infrared absorbance of the extract solution from which the catalyst solution or the catalyst dissolving agent has been removed. The amount of adhesion can be confirmed.

このようにして得られたアクリル系前駆体繊維束を、240〜280℃の温度の空気雰囲気中で加熱して耐炎化繊維束とした。次に、得られた耐炎化繊維束を窒素雰囲気中、300℃以上800℃以下の温度領域で前炭化処理し、さらに、窒素雰囲気中、1700℃の温度での炭化処理に続き、2650℃の温度で黒鉛化することにより、被処理の炭素繊維束を得た。この後、得られた炭素繊維束をペルオキソ二硫酸イオン濃度が1.8wt%(水溶液濃度0.09mol/l)のペルオキソ二硫酸アンモニウム(NH水溶液に5秒間浸漬させた後、120クーロン/gの電気量で電解による表面処理を施し、水洗と150℃の温度での乾燥を行った。この後に炭素繊維表面のX線光電子分光を測定・解析を行ったところ、表面酸素濃度O/C比は0.30であった。また、炭素C1s内殻スペクトルにおいては、メインピークから+2.0eV(結合エネルギー286.65eV)の位置にサブピークを持ち、メインピークとの強度比は0.5であった。この後、サイジング工程においてエポキシ樹脂を主成分とするサイジング剤を、炭素繊維に0.3重量%付与し、さらに180℃の温度に温調された乾燥機でサイジング剤を乾燥させ、炭素繊維を得た。得られた炭素繊維について、ストランド引張強度とIFSSを測定した。この測定結果を表1に示す。 The acrylic precursor fiber bundle thus obtained was heated in an air atmosphere at a temperature of 240 to 280 ° C. to obtain a flame resistant fiber bundle. Next, the obtained flame-resistant fiber bundle was pre-carbonized in a temperature range of 300 ° C. or higher and 800 ° C. or lower in a nitrogen atmosphere, followed by carbonization treatment at a temperature of 1700 ° C. in a nitrogen atmosphere, A carbon fiber bundle to be treated was obtained by graphitization at a temperature. Thereafter, the obtained carbon fiber bundle was immersed in an aqueous solution of ammonium peroxodisulfate (NH 4 ) 2 S 2 O 8 having a peroxodisulfate ion concentration of 1.8 wt% (aqueous solution concentration 0.09 mol / l) for 5 seconds. The surface treatment was carried out by electrolysis with an electric quantity of 120 coulomb / g, followed by washing with water and drying at a temperature of 150 ° C. Thereafter, when X-ray photoelectron spectroscopy on the carbon fiber surface was measured and analyzed, the surface oxygen concentration O / C ratio was 0.30. The carbon C1s inner-shell spectrum had a sub peak at a position of +2.0 eV (binding energy 286.65 eV) from the main peak, and the intensity ratio with respect to the main peak was 0.5. Thereafter, in the sizing process, 0.3% by weight of a sizing agent mainly composed of an epoxy resin is applied to the carbon fiber, and the sizing agent is further dried by a dryer controlled to a temperature of 180 ° C. Obtained. About the obtained carbon fiber, strand tensile strength and IFSS were measured. The measurement results are shown in Table 1.

(実施例2)
電解処理を行う水溶液を、ペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液からペルオキソ二硫酸カリウムK水溶液(水溶液濃度0.09mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン濃度1.6wt%)に変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その結果を表1に示す。
(Example 2)
Except that the aqueous solution for electrolytic treatment was changed from an aqueous solution of ammonium peroxodisulfate to an aqueous solution of potassium peroxodisulfate K 2 S 2 O 8 (aqueous solution concentration 0.09 mol / l, peroxodisulfate ion concentration 1.6 wt%). Carbon fibers were obtained by the same production method as in Example 1. The results are shown in Table 1.

(実施例3)
電解処理を行う水溶液を、ペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液からペルオキソ二硫酸ナトリウムNa水溶液(水溶液濃度0.09mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン濃度1.1wt%)に変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その結果を表1に示す。
(Example 3)
Implementation was performed except that the aqueous solution for electrolytic treatment was changed from an aqueous solution of ammonium peroxodisulfate to an aqueous solution of sodium peroxodisulfate Na 2 S 2 O 8 (aqueous solution concentration 0.09 mol / l, peroxodisulfate ion concentration 1.1 wt%). Carbon fibers were obtained by the same production method as in Example 1. The results are shown in Table 1.

(実施例4)
電解処理を行う水溶液がペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液(水溶液濃度0.09mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン濃度1.8wt%)であり、その電解処理の電気量を120クーロン/gから30クーロン/gに変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その結果を表1に示す。
Example 4
The aqueous solution for the electrolytic treatment is an aqueous solution of ammonium peroxodisulfate (aqueous solution concentration 0.09 mol / l, peroxodisulfate ion concentration 1.8 wt%), and the amount of electricity in the electrolytic treatment is changed from 120 coulomb / g to 30 coulomb / g. Except for this, carbon fibers were obtained by the same production method as in Example 1. The results are shown in Table 1.

(実施例5)
電解処理を行う水溶液がペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液(水溶液濃度0.09mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン濃度が1.8wt%)であり、その電解処理の電気量を120クーロン/gから200クーロン/gに変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その結果を表1に示す。
(Example 5)
The aqueous solution for electrolytic treatment is an aqueous solution of ammonium peroxodisulfate (aqueous solution concentration 0.09 mol / l, peroxodisulfate ion concentration 1.8 wt%), and the amount of electricity in the electrolytic treatment is changed from 120 coulomb / g to 200 coulomb / g. A carbon fiber was obtained by the same production method as in Example 1 except that it was changed. The results are shown in Table 1.

(比較例1)
電解処理を行う水溶液がペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液(水溶液濃度0.09mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン濃度が1.8wt%)であり、その電解処理の電気量を120クーロン/gから5クーロン/gに変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その炭素繊維のX線光電子分光の測定・解析結果、およびストランド引張強度とIFSSの結果を表1に示す。X線光電子分光の炭素C1s内殻スペクトルのサブピークは検出されたが、実施例1に比べIFSSは低い値であった。
(Comparative Example 1)
The aqueous solution for electrolytic treatment is an aqueous solution of ammonium peroxodisulfate (aqueous solution concentration 0.09 mol / l, peroxodisulfate ion concentration 1.8 wt%), and the amount of electricity in the electrolytic treatment is changed from 120 coulomb / g to 5 coulomb / g. A carbon fiber was obtained by the same production method as in Example 1 except that it was changed. Table 1 shows the measurement and analysis results of the X-ray photoelectron spectroscopy of the carbon fiber, and the results of strand tensile strength and IFSS. Although a sub-peak of the carbon C1s inner-shell spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy was detected, IFSS was lower than that of Example 1.

(比較例2)
電解処理を行う水溶液がペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液(水溶液濃度0.09mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン濃度が1.8wt%)であり、その電解処理の電気量を120クーロン/gから400クーロン/gに変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その炭素繊維のX線光電子分光の測定・解析結果、およびストランド引張強度とIFSSの結果を表1に示す。X線光電子分光の炭素C1s内殻スペクトルのサブピークは検出されたが、実施例1に比べIFSSは低い値であった。
(Comparative Example 2)
The aqueous solution for electrolytic treatment is an aqueous solution of ammonium peroxodisulfate (aqueous solution concentration 0.09 mol / l, peroxodisulfate ion concentration 1.8 wt%), and the amount of electricity in the electrolytic treatment is changed from 120 coulomb / g to 400 coulomb / g. A carbon fiber was obtained by the same production method as in Example 1 except that it was changed. Table 1 shows the measurement and analysis results of the X-ray photoelectron spectroscopy of the carbon fiber, and the results of strand tensile strength and IFSS. Although a sub-peak of the carbon C1s inner-shell spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy was detected, IFSS was lower than that of Example 1.

(比較例3)
電解処理を行う水溶液がペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液(水溶液濃度0.01mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン濃度が0.2wt%)であり、水溶液濃度を変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その炭素繊維のX線光電子分光の測定・解析結果、およびストランド引張強度とIFSSの結果を表1に示す。X線光電子分光の炭素C1s内殻スペクトルのサブピークは検出されたが、実施例1に比べIFSSは低い値であった。
(Comparative Example 3)
The aqueous solution for electrolytic treatment was an aqueous solution of ammonium peroxodisulfate (aqueous solution concentration 0.01 mol / l, peroxodisulfate ion concentration 0.2 wt%), and the same production method as in Example 1 except that the aqueous solution concentration was changed As a result, carbon fibers were obtained. Table 1 shows the measurement and analysis results of the X-ray photoelectron spectroscopy of the carbon fiber, and the results of strand tensile strength and IFSS. Although a sub-peak of the carbon C1s inner-shell spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy was detected, IFSS was lower than that of Example 1.

(比較例4)
電解処理を行う水溶液を、ペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液から硫酸水溶液(水溶液濃度0.09mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン無し)に変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その炭素繊維のX線光電子分光の測定・解析結果、およびストランド引張強度とIFSSの結果を表1に示す。X線光電子分光の炭素C1s内殻スペクトルのサブピークは検出されず、実施例1に比べIFSSは低い値であった。
(Comparative Example 4)
A carbon fiber was obtained by the same production method as in Example 1 except that the aqueous solution for the electrolytic treatment was changed from an aqueous peroxodisulfate aqueous solution to an aqueous sulfuric acid solution (aqueous solution concentration 0.09 mol / l, no peroxodisulfate ion). . Table 1 shows the measurement and analysis results of the X-ray photoelectron spectroscopy of the carbon fiber, and the results of strand tensile strength and IFSS. The sub-peak of the carbon C1s inner spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy was not detected, and IFSS was lower than that of Example 1.

(比較例5)
電解処理を行う水溶液を、ペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液から硫酸水溶液(水溶液濃度0.09mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン無し)に変え、その電解処理の電気量を120クーロン/gから500クーロン/gに変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その結果を表1に示す。X線光電子分光の炭素C1s内殻スペクトルのサブピークは検出されず、実施例1に比べストランド引張強度とIFSSは低い値であった。
(Comparative Example 5)
The aqueous solution for electrolytic treatment is changed from an aqueous solution of ammonium peroxodisulfate to an aqueous solution of sulfuric acid (aqueous solution concentration 0.09 mol / l, no peroxodisulfate ion), and the amount of electricity in the electrolytic treatment is changed from 120 coulomb / g to 500 coulomb / g Except for this, carbon fibers were obtained by the same production method as in Example 1. The results are shown in Table 1. The subpeak of the carbon C1s inner shell spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy was not detected, and the strand tensile strength and IFSS were lower than those of Example 1.

(比較例6)
電解処理を行う水溶液を、ペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液から硫酸アンモニウム水溶液(水溶液濃度0.09mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン無し)に変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その結果を表1に示す。X線光電子分光の炭素C1s内殻スペクトルのサブピークは検出されず、実施例1に比べIFSSは低い値であった。
(Comparative Example 6)
A carbon fiber was obtained by the same production method as in Example 1, except that the aqueous solution for the electrolytic treatment was changed from an aqueous ammonium peroxodisulfate solution to an aqueous ammonium sulfate solution (aqueous solution concentration 0.09 mol / l, no peroxodisulfate ion). . The results are shown in Table 1. The sub-peak of the carbon C1s inner spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy was not detected, and IFSS was lower than that of Example 1.

(比較例7)
電解処理を行う水溶液を、ペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液から炭酸アンモニウム水溶液(水溶液濃度1.0mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン無し)に変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その結果を表1に示す。X線光電子分光の炭素C1s内殻スペクトルのサブピークは検出されず、実施例1に比べIFSSは低い値であった。
(Comparative Example 7)
A carbon fiber is obtained by the same production method as in Example 1 except that the aqueous solution for electrolytic treatment is changed from an aqueous ammonium peroxodisulfate solution to an aqueous ammonium carbonate solution (aqueous solution concentration 1.0 mol / l, no peroxodisulfate ion). It was. The results are shown in Table 1. The sub-peak of the carbon C1s inner spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy was not detected, and IFSS was lower than that of Example 1.

(比較例8)
電解処理を行う水溶液を、ペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液から炭酸水素アンモニウム水溶液(水溶液濃度1.0mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン無し)に変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その結果を表1に示す。X線光電子分光の炭素C1s内殻スペクトルのサブピークは検出されず、実施例1に比べIFSSは低い値であった。
(Comparative Example 8)
The carbon fiber was prepared by the same production method as in Example 1 except that the aqueous solution for electrolytic treatment was changed from an aqueous solution of ammonium peroxodisulfate to an aqueous solution of ammonium hydrogencarbonate (aqueous solution concentration 1.0 mol / l, no peroxodisulfate ion). Obtained. The results are shown in Table 1. The sub-peak of the carbon C1s inner spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy was not detected, and IFSS was lower than that of Example 1.

(比較例9)
電解処理を行う水溶液を、ペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液からリン酸三アンモニウム水溶液(水溶液濃度0.17mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン無し)に変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その結果を表1に示す。X線光電子分光の炭素C1s内殻スペクトルのサブピークは検出されず、実施例1に比べIFSSは低い値であった。
(Comparative Example 9)
Carbon fiber was produced by the same production method as in Example 1 except that the aqueous solution for electrolytic treatment was changed from an aqueous peroxodisulfate aqueous solution to an aqueous triammonium phosphate solution (aqueous solution concentration 0.17 mol / l, no peroxodisulfate ion). Got. The results are shown in Table 1. The sub-peak of the carbon C1s inner spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy was not detected, and IFSS was lower than that of Example 1.

(比較例10)
電解処理を行う水溶液を、ペルオキソ二硫酸アンモニウム水溶液から水酸化ナトリウム水溶液(水溶液濃度0.05mol/l、ペルオキソ二硫酸イオン無し)に変えたこと以外は、実施例1と同様の製造法により炭素繊維を得た。その結果を表1に示す。X線光電子分光の炭素C1s内殻スペクトルのサブピークは検出されず、実施例1に比べIFSSは低い値であった。
(Comparative Example 10)
The carbon fiber was prepared by the same production method as in Example 1 except that the aqueous solution for electrolytic treatment was changed from an aqueous solution of ammonium peroxodisulfate to an aqueous solution of sodium hydroxide (aqueous solution concentration 0.05 mol / l, no peroxodisulfate ion). Obtained. The results are shown in Table 1. The sub-peak of the carbon C1s inner spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy was not detected, and IFSS was lower than that of Example 1.

Figure 0005251655
Figure 0005251655

Claims (3)

X線光電子分光法の測定・解析において、炭素繊維表面の酸素濃度(O/C比:酸素原子数/炭素原子数)が0.20〜0.35の範囲であり、炭素C1s内殻スペクトルのメインピークである炭素と炭素間成分の結合エネルギー位置(284.6eV)から、+1.6〜+2.6eV(結合エネルギー286.2〜287.2eV)の範囲のエネルギー位置にサブピークの成分を有する炭素繊維であって、炭素C1s内殻スペクトルのサブピークの高さが、メインピークの高さの三分の一以上である炭素繊維。 In the measurement and analysis of X-ray photoelectron spectroscopy, the oxygen concentration (O / C ratio: number of oxygen atoms / number of carbon atoms) on the surface of the carbon fiber is in the range of 0.20 to 0.35, and the carbon C1s inner shell spectrum Carbon having a sub-peak component at the energy position in the range of +1.6 to +2.6 eV (binding energy 286.2 to 287.2 eV) from the binding energy position (284.6 eV) of carbon and the carbon-carbon component which is the main peak. A carbon fiber having a carbon C1s inner spectrum whose sub-peak height is one third or more of the height of the main peak . 被処理炭素繊維を陽極とし、陰極との間に直流電流を通じて電解処理を施すに際し、電解処理で使用する電解電気量の総量を炭素繊維1g当たり30〜300クーロン/gとし、ペルオキソ二硫酸イオン濃度が1.0wt%以上のペルオキソ二硫酸塩を含む水溶液を電解液として用い電解処理を施すことを特徴とする炭素繊維の製造方法。 When the carbon fiber to be treated is used as an anode and the electrolytic treatment is performed between the cathode and the direct current through a direct current, the total amount of electrolytic electricity used in the electrolytic treatment is 30 to 300 coulomb / g per 1 g of carbon fiber, and the peroxodisulfate ion concentration A method for producing carbon fiber, characterized in that an electrolytic treatment is performed using an aqueous solution containing 1.0 wt% or more of peroxodisulfate as an electrolytic solution. ペルオキソ二硫酸塩が、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、ペルオキソ二硫酸ナトリウム、ペルオキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸ルビジウム、ペルオキソ二硫酸バリウムおよびペルオキソ二硫酸鉛からなる群から選ばれた少なくとも1種の塩である請求項記載の炭素繊維の製造方法。 The peroxodisulfate is at least one salt selected from the group consisting of ammonium peroxodisulfate, sodium peroxodisulfate, potassium peroxodisulfate, rubidium peroxodisulfate, barium peroxodisulfate and lead peroxodisulfate. 2. The method for producing a carbon fiber according to 2 .
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