JP5821052B2 - Composite material laminate - Google Patents

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Description

本発明は、炭素繊維強化樹脂が使用された複合材料積層板に関する。   The present invention relates to a composite material laminate using a carbon fiber reinforced resin.

近年、炭素繊維強化樹脂からなる複合材料で構成された成形品の利用分野が広がっており、例えば、車や航空機等にも使用され始めている。成形品は、炭素繊維に硬化性樹脂が含浸されたシート状プリプレグを複数枚積層し、硬化することにより作製される。その際に、プリプレグとして、強化繊維が一方向に配向したプリプレグを使用し、積層後の強化繊維の配置パターンが対称になるように複数枚積層した場合には、引張伸度がほぼ等方的になる擬似等方積層板が得られる。
例えば、擬似等方積層板としては、強化繊維配向方向が0°(「0°」は、便宜的に基準とした方向と平行であることを意味する。)に配向した層と90°に配向した層との2層積層、繊維配向方向が0°に配向した層と90°に配向した層と0°に配向した層との3層積層、繊維配向方向が45°に配向した層と0°に配向した層と−45°に配向した層と90°に配向した層との4層積層などが知られている。
In recent years, the field of use of molded articles composed of composite materials made of carbon fiber reinforced resin has been expanded, and for example, it has begun to be used in cars and aircrafts. The molded article is produced by laminating a plurality of sheet-like prepregs in which carbon fibers are impregnated with a curable resin and curing. At that time, when a prepreg with reinforcing fibers oriented in one direction is used as the prepreg, and when multiple sheets are laminated so that the arrangement pattern of the reinforcing fibers after lamination is symmetric, the tensile elongation is almost isotropic A pseudo-isotropic laminate is obtained.
For example, as a pseudo-isotropic laminate, the reinforcing fiber orientation direction is oriented at 90 ° with the layer oriented at 0 ° (“0 °” means parallel to the reference direction for convenience). A two-layer stack with the above-mentioned layers, a three-layer stack with a layer oriented with a fiber orientation direction of 0 °, a layer oriented with 90 ° and a layer oriented with 0 °, and a layer with a fiber orientation direction oriented at 45 ° and 0 A four-layer laminate of a layer oriented at 0 °, a layer oriented at −45 °, and a layer oriented at 90 ° is known.

ところで、航空機等に使用される材料では、高い引張特性が要求されている。そこで、引張伸度が2.0%程度の高い引張特性を有する炭素繊維を用いる方法が考えられるが、このような炭素繊維を用いた場合でも、従来の擬似等方積層板の0°方向の引張伸度は充分に高くならなかった。これは、従来の擬似等方積層板では、厳密には0°方向よりも±45°の方向および90°の方向の引張伸度が低く、その影響により0°方向で引張特性を測定した際には0°以外の方向で先に破壊が生じるためである。
そこで、特許文献1および非特許文献1では、90°または±45°で配向した炭素繊維を含有する層を薄くして、擬似等方積層板の引張特性を向上させることが提案されている。
By the way, high tensile properties are required for materials used for aircraft and the like. Then, although the method of using the carbon fiber which has a high tensile characteristic about 2.0% of tensile elongation is considered, even when using such a carbon fiber, it is 0 degree direction of the conventional pseudo-isotropic laminated board. The tensile elongation was not high enough. Strictly speaking, the conventional pseudo-isotropic laminate has a lower tensile elongation in the direction of ± 45 ° and 90 ° than in the 0 ° direction, and when the tensile properties are measured in the 0 ° direction due to the influence thereof. This is because fracture occurs first in a direction other than 0 °.
Therefore, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 propose that the layer containing carbon fibers oriented at 90 ° or ± 45 ° is thinned to improve the tensile properties of the pseudo-isotropic laminate.

特表2008−514458号公報Special table 2008-514458 gazette

笹山秀樹ら、「多方向強化複合材料積層板の初期破損に関する層厚さの影響」、日本複合材料学会誌、2004年、第30巻、第4号、p.142−148Hideki Hatakeyama et al., “Effect of Layer Thickness on Initial Failure of Multidirectional Reinforced Composite Laminates”, Journal of the Japan Society for Composite Materials, 2004, Vol. 30, No. 4, p. 142-148

しかしながら、特許文献1および非特許文献1に記載の方法によっても、複合材料積層板の引張伸度が充分に高くならず、上記の要求を満たすことは困難であった。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、引張伸度が大きい複合材料積層板を提供することを目的とする。
However, even with the methods described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, the tensile elongation of the composite laminate is not sufficiently high, and it is difficult to satisfy the above requirements.
This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the composite material laminated board with a large tensile elongation.

[1]基準方向に対して0°に配向した炭素繊維、および樹脂を含有する0°配向層と、0°以外の方向に配向した炭素繊維、および樹脂を含有する厚さ0.044mm以下の1層以上の他方向配向層とを備え、
0°配向層および他方向配向層に含まれる炭素繊維は、単繊維の表面の最大高低差が10〜45nm、平均凹凸度が3〜7nm、単繊維の断面の長径と短径との比が1.00〜1.01で、引張伸度が2.2%以上の繊維束である複合材料積層板。
[2]他方向配向層は1層または2層で、炭素繊維が基準方向に対して略90°に配向した90°配向層である、[1]に記載の複合材料積層板。
[3]他方向配向層は3層で、炭素繊維が基準方向に対して略90°に配向した90°配向層と、炭素繊維が基準方向に対して略45°に配向した45°配向層と、炭素繊維が基準方向に対して略−45°に配向した−45°配向層とである、[1]に記載の複合材料積層板。
[1] A carbon fiber oriented at 0 ° with respect to the reference direction and a 0 ° orientation layer containing a resin, a carbon fiber oriented in a direction other than 0 °, and a thickness of 0.044 mm or less containing a resin Including one or more other orientation layers,
The carbon fibers contained in the 0 ° orientation layer and the other-direction orientation layer have a maximum height difference of 10 to 45 nm, an average roughness of 3 to 7 nm, and a ratio of the major axis to the minor axis of the cross section of the single fiber. A composite laminate having a fiber bundle of 1.00 to 1.01 and a tensile elongation of 2.2% or more.
[2] The composite material laminate according to [1], wherein the other direction orientation layer is one layer or two layers, and is a 90 ° orientation layer in which carbon fibers are oriented at about 90 ° with respect to the reference direction.
[3] The other direction orientation layers are three layers, a 90 ° orientation layer in which carbon fibers are oriented at approximately 90 ° with respect to the reference direction, and a 45 ° orientation layer in which the carbon fibers are oriented at approximately 45 ° with respect to the reference direction. The composite material laminate according to [1], wherein the carbon fiber is a −45 ° orientation layer in which the carbon fibers are oriented at approximately −45 ° with respect to the reference direction.

本発明の複合材料積層板は、引張伸度が大きく、0°の方向で2.1%以上になるものである。   The composite laminate of the present invention has a high tensile elongation and is 2.1% or more in the 0 ° direction.

本発明の複合材料積層板の一実施形態例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one embodiment of the composite material laminated board of this invention.

本発明の複合材料積層板の一実施形態例について説明する。
図1に示すように、本実施形態例の複合材料積層板1は、45°配向層10と、0°配向層20と、−45°配向層30と、90°配向層とを備える矩形状の4層積層板である。ここで、「0°」とは、便宜的に基準とした方向(以下、「基準方向」という。)と平行であることを意味し、「45°」、「−45°」、「90°」は基準方向に対して各々45°、−45°(135°)、90°であることを意味する。なお、本実施形態では、複合材料積層板の長手方向が基準方向と平行になっている。
An embodiment of the composite material laminate of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the composite material laminate 1 of this embodiment example is a rectangular shape including a 45 ° orientation layer 10, a 0 ° orientation layer 20, a −45 ° orientation layer 30, and a 90 ° orientation layer. The four-layer laminate. Here, “0 °” means that it is parallel to a reference direction (hereinafter referred to as “reference direction”) for convenience, and “45 °”, “−45 °”, “90 °”. "Means 45 °, -45 ° (135 °) and 90 °, respectively, with respect to the reference direction. In the present embodiment, the longitudinal direction of the composite material laminate is parallel to the reference direction.

45°配向層10は、基準方向に対して略45°に配向した炭素繊維と、樹脂とを含有する。
45°配向層10の厚さは0.044mm以下であり、0.03mm以下であることが好ましい。45°配向層10の厚さが0.04mm以下であることにより、複合材料積層板1の引張伸度を向上させることができる。
また、45°配向層10の厚さは、製造上の点から、0.01mm以上であることが好ましい。
The 45 ° orientation layer 10 contains a carbon fiber oriented approximately 45 ° with respect to the reference direction and a resin.
The thickness of the 45 ° orientation layer 10 is 0.044 mm or less, and preferably 0.03 mm or less. When the thickness of the 45 ° orientation layer 10 is 0.04 mm or less, the tensile elongation of the composite laminate 1 can be improved.
Moreover, it is preferable that the thickness of the 45 degree orientation layer 10 is 0.01 mm or more from the point on manufacture.

0°配向層20、基準方向に配向した炭素繊維と、樹脂とを含有する。
0°配向層20の厚さは0.01mm以上、0.10mm以下であることが好ましく、0.01〜0.08mmであることがより好ましい。0°配向層20の厚さが0.01mm以上であれば、所定の厚さの積層板を製造する際、プリプレグ材の積層枚数を少なくすることができる。0.10mm以下であれば、0°方向以外の配向層を増やすことができ、積層板の0°方向以外の機械的性能のバランスを維持することができる。
It contains 0 ° orientation layer 20, carbon fibers oriented in the reference direction, and resin.
The thickness of the 0 ° orientation layer 20 is preferably 0.01 mm or more and 0.10 mm or less, and more preferably 0.01 to 0.08 mm. If the thickness of the 0 ° orientation layer 20 is 0.01 mm or more, the number of laminated prepreg materials can be reduced when producing a laminate having a predetermined thickness. If it is 0.10 mm or less, the orientation layers other than the 0 ° direction can be increased, and the balance of the mechanical performance of the laminate other than the 0 ° direction can be maintained.

−45°配向層30、基準方向に対して略−45°に配向した炭素繊維と、樹脂とを含有する。
−45°配向層30の厚さは、45°配向層10と同様の理由により、0.044mm以下であり、0.03mm以下であることが好ましい。また、−45°配向層30の厚さは、0.01mm以上であることが好ましい。
-45 degree orientation layer 30, The carbon fiber orientated at about -45 degree with respect to the reference direction, and resin are contained.
The thickness of the −45 ° alignment layer 30 is 0.044 mm or less and preferably 0.03 mm or less for the same reason as that of the 45 ° alignment layer 10. Moreover, it is preferable that the thickness of the -45 degree orientation layer 30 is 0.01 mm or more.

90°配向層40は、基準方向に対して略90°に配向した炭素繊維と、樹脂とを含有する。
90°配向層40の厚さは、45°配向層10と同様の理由により、0.044mm以下であり、0.03mm以下であることが好ましい。また、90°配向層40の厚さは、0.01mm以上であることが好ましい。
The 90 ° orientation layer 40 contains carbon fibers oriented approximately 90 ° with respect to the reference direction and a resin.
The thickness of the 90 ° orientation layer 40 is 0.044 mm or less and preferably 0.03 mm or less for the same reason as that of the 45 ° orientation layer 10. The thickness of the 90 ° orientation layer 40 is preferably 0.01 mm or more.

45°配向層10、0°配向層20、−45°配向層30および90°配向層40で使用される樹脂としては、熱硬化性樹脂の硬化物または熱可塑性樹脂が使用される。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などが挙げられる。これらの中でも、強度が高いこと、炭素繊維との界面接着性が高いことから、エポキシ樹脂が好ましい。さらに好ましくは、ASTM D790に準拠した一方向複合材料積層板の90°方向の曲げ強度が、100MPa以上であるものである。より好ましくは、110MPa以上である。90°曲げ強度が高ければ、複合材料積層板における0°方向以外の積層部の破壊が抑制されるからである。
また、各層10,20,30,40には、硬化剤、離型剤、脱泡剤、紫外線吸収剤、充填材などの各種添加剤などが含まれてもよい。
As the resin used in the 45 ° oriented layer 10, the 0 ° oriented layer 20, the −45 ° oriented layer 30 and the 90 ° oriented layer 40, a cured product of a thermosetting resin or a thermoplastic resin is used. Examples of the thermosetting resin include an epoxy resin, an unsaturated polyester resin, an acrylic resin, a vinyl ester resin, a phenol resin, and a benzoxazine resin. Among these, an epoxy resin is preferable because of its high strength and high interfacial adhesiveness with carbon fibers. More preferably, the bending strength in the 90 ° direction of the unidirectional composite material laminate according to ASTM D790 is 100 MPa or more. More preferably, it is 110 MPa or more. This is because if the 90 ° bending strength is high, breakage of the laminated portion other than the 0 ° direction in the composite material laminated plate is suppressed.
In addition, each layer 10, 20, 30, 40 may contain various additives such as a curing agent, a release agent, a defoaming agent, an ultraviolet absorber, and a filler.

45°配向層10、0°配向層20、−45°配向層30および90°配向層40では、いずれも下記の炭素繊維が使用される。
すなわち、各層10,20,30,40に使用される炭素繊維は、多数の単繊維で構成された繊維束である。本発明で使用される炭素繊維を構成する単繊維の側面は、ほぼ平滑であるが、微視的には凹凸を有している。具体的には、単繊維の表面の最大高低差が10〜45nm、平均凹凸度が3〜7nmになっている。ここで、最大高低差および平均凹凸度は、走査型原子間力顕微鏡を用いて単繊維の表面を測定することによって求められた値である。
また、本発明で使用される炭素繊維では、単繊維の長手方向に垂直な断面はほぼ真円になっており、具体的には、単繊維の断面の長径と短径との比は1.00〜1.01であり、1.00〜1.005であることが好ましい。真円に近いことにより、繊維表面近傍の構造均一性が優れているために、応力集中を低減させることができ、複合材料積層板1の引張伸度が高くなる。長径と短径との比は、短繊維の断面を走査型電子顕微鏡で観察することにより測定される。ここで、「長径」とは、炭素繊維の断面において、最も長い径であり、「短径」とは、炭素繊維の断面において、最も短い径である。
In the 45 ° oriented layer 10, the 0 ° oriented layer 20, the −45 ° oriented layer 30 and the 90 ° oriented layer 40, the following carbon fibers are used.
That is, the carbon fiber used for each layer 10, 20, 30, 40 is a fiber bundle composed of a large number of single fibers. The side surface of the single fiber constituting the carbon fiber used in the present invention is substantially smooth, but microscopically has irregularities. Specifically, the maximum height difference on the surface of the single fiber is 10 to 45 nm, and the average unevenness is 3 to 7 nm. Here, the maximum height difference and the average unevenness are values obtained by measuring the surface of a single fiber using a scanning atomic force microscope.
Moreover, in the carbon fiber used in the present invention, the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the single fiber is almost a perfect circle. Specifically, the ratio of the major axis to the minor axis of the cross section of the single fiber is 1. It is 00-1.01, and it is preferable that it is 1.00-1.005. By being close to a perfect circle, since the structural uniformity in the vicinity of the fiber surface is excellent, stress concentration can be reduced, and the tensile elongation of the composite laminate 1 is increased. The ratio of the major axis to the minor axis is measured by observing the cross section of the short fiber with a scanning electron microscope. Here, the “major axis” is the longest diameter in the cross section of the carbon fiber, and the “minor axis” is the shortest diameter in the cross section of the carbon fiber.

上記のように、単繊維の断面の長径と短径との比が1.00〜1.01であって、単繊維の表面の最大高低差が45nm以下で、平均凹凸度が7nm以下であることにより、応力集中部が少なくなり、複合材料とした際の界面破壊が抑制されるため、複合材料積層板1の引張伸度が高くなる。
また、単繊維の断面の長径と短径との比が1.00〜1.01であって、単繊維の表面の最大高低差が10nm以上で、平均凹凸度が3nm以上であることにより、樹脂との界面接着性が高くなるため、複合材料とした際の引張特性が向上する。
As described above, the ratio of the major axis to the minor axis of the cross section of the single fiber is 1.00 to 1.01, the maximum height difference on the surface of the single fiber is 45 nm or less, and the average unevenness is 7 nm or less. As a result, the stress concentration portion is reduced, and the interface breakage when the composite material is formed is suppressed, so that the tensile elongation of the composite material laminate 1 is increased.
Further, the ratio of the major axis to the minor axis of the cross section of the single fiber is 1.00 to 1.01, the maximum height difference of the surface of the single fiber is 10 nm or more, and the average unevenness is 3 nm or more, Since the interfacial adhesiveness with the resin is increased, the tensile properties when the composite material is obtained are improved.

また、引張伸度をより高くできることから、単繊維の単位長さ当たりの質量範囲が0.030〜0.042mg/mであることが好ましい。
また、炭素繊維は、強度がより高くなることから、下記方法により求められる破壊表面生成エネルギーが30N/m以上であることが好ましく、31N/m以上であることがより好ましく、32N/m以上であることがさらに好ましい。
[破壊表面生成エネルギーの求め方]
単繊維表面にレーザーにより所定範囲の大きさを有する半球状欠陥を形成し、炭素繊維を引張試験により前記半球状欠陥部位で破断させ、炭素繊維の破断強度と半球状欠陥の大きさに基づき、下記グリフィス式より破壊表面生成エネルギーを求める。
σ=√(2E/πC)×√(破壊表面生成エネルギー)
ここで、σは破断強度、Eは炭素繊維束の超音波弾性率、cは半球状欠陥の大きさである。
Moreover, since the tensile elongation can be further increased, the mass range per unit length of the single fiber is preferably 0.030 to 0.042 mg / m.
In addition, since the strength of the carbon fiber becomes higher, the fracture surface generation energy required by the following method is preferably 30 N / m or more, more preferably 31 N / m or more, and 32 N / m or more. More preferably it is.
[How to determine fracture surface generation energy]
By forming a hemispherical defect having a size within a predetermined range with a laser on the surface of the single fiber, the carbon fiber is broken at the hemispherical defect site by a tensile test, and based on the breaking strength of the carbon fiber and the size of the hemispherical defect, The fracture surface generation energy is obtained from the following Griffith equation.
σ = √ (2E / πC) × √ (Fracture surface generation energy)
Here, σ is the breaking strength, E is the ultrasonic elastic modulus of the carbon fiber bundle, and c is the size of the hemispherical defect.

炭素繊維の引張伸度は2.2%以上であり、2.3%以上であることが好ましい。ここで、引張伸度は、JIS R7608に準じて引張破断強度とA法による引張弾性率を測定し、JIS R7608の10.3.3に記載の計算方法によって求めた値である。炭素繊維の引張伸度が2.2%以上であることにより、複合材料積層板1の引張伸度が高くなる。
炭素繊維の引張強度は5900MPa以上であることが好ましく、6000MPa以上であることがより好ましく、6100MPa以上であることがさらに好ましい。ここで、引張強度は、JIS R7609に準じて測定した値である。引張強度が5900MPa以上であれば、複合材料積層板1の引張伸度がより高くなる。
炭素繊維の引張弾性率は245〜350GPaであることが好ましく、250〜330GPaであることがより好ましい。ここで、引張弾性率は、JIS R7609に準じて測定した値である。引張弾性率が245GPa以上であれば、複合材料積層板1の引張弾性率が十分なレベルになり、優れた機械的性能を有する積層板とすることができる。350GPa以下であれば、炭素繊維の繊維軸方向の圧縮強度を引張強度と同等な強度レベルに維持することができ、積層板の機械的性能を低下させることを回避することができる。
The tensile elongation of the carbon fiber is 2.2% or more, and preferably 2.3% or more. Here, the tensile elongation is a value obtained by measuring the tensile breaking strength and the tensile elastic modulus according to the A method according to JIS R7608, and by the calculation method described in 10.3.3 of JIS R7608. When the tensile elongation of the carbon fiber is 2.2% or more, the tensile elongation of the composite laminate 1 is increased.
The tensile strength of the carbon fiber is preferably 5900 MPa or more, more preferably 6000 MPa or more, and further preferably 6100 MPa or more. Here, the tensile strength is a value measured according to JIS R7609. When the tensile strength is 5900 MPa or more, the tensile elongation of the composite laminate 1 becomes higher.
The tensile elastic modulus of the carbon fiber is preferably 245 to 350 GPa, and more preferably 250 to 330 GPa. Here, the tensile modulus is a value measured according to JIS R7609. When the tensile elastic modulus is 245 GPa or more, the tensile elastic modulus of the composite laminate 1 becomes a sufficient level, and a laminate having excellent mechanical performance can be obtained. If it is 350 GPa or less, the compressive strength of the carbon fiber in the fiber axis direction can be maintained at a strength level equivalent to the tensile strength, and deterioration of the mechanical performance of the laminate can be avoided.

上記の炭素繊維を製造するためには、前駆体繊維を耐炎化した後、炭素化する炭素繊維の製造方法において、以下の前駆体繊維と処理条件を適用すればよい。
本製造方法では、前駆体繊維として、96質量%以上、好ましくは97質量%以上のアクリロニトリルと数種の共重合可能なモノマーとにより得られたアクリロニトリル重合体系前駆体繊維が使用される。アクリロニトリル以外の共重合成分としては例えばアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル等のアクリル酸誘導体、アクリルアミド、メタクリルアミド、N−メチロ−ルアクリルアミド、N、N−ジメチルアクリルアミド等のアクリルアミド誘導体、酢酸ビニルなどが挙げられる。これらは1種を単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
好ましい共重合体としては、1つ以上のカルボキシル基を有するモノマー(アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸等)をアクリロニトリルに共重合させたアクリロニトリル系重合体が挙げられる。
好ましくは、1種または2種以上のカルボキシル基を有するモノマーを0.3質量%以上4.0質量%以下とアクリロニトリル96.0質量%以上99.7質量%以下とを共重合したアクリルニトリル共重合体が用いられる。より好ましいアクリロニトリル含有量は、98.0質量%以上である。
In order to produce the above carbon fiber, the following precursor fiber and processing conditions may be applied in the method for producing carbon fiber to be carbonized after flame resistance of the precursor fiber.
In this production method, acrylonitrile polymer-based precursor fiber obtained by using 96% by mass or more, preferably 97% by mass or more of acrylonitrile and several kinds of copolymerizable monomers is used as the precursor fiber. Examples of copolymer components other than acrylonitrile include acrylic acid derivatives such as acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, methyl acrylate, methyl methacrylate, acrylamide, methacrylamide, N-methylol acrylamide, N, N-dimethylacrylamide, and the like. Acrylamide derivatives, vinyl acetate and the like. These may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together.
A preferred copolymer includes an acrylonitrile polymer obtained by copolymerizing a monomer having one or more carboxyl groups (acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, etc.) with acrylonitrile.
Preferably, an acrylonitrile copolymer obtained by copolymerizing 0.3% by mass or more and 4.0% by mass or less of a monomer having one or more carboxyl groups with 96.0% by mass or more and 99.7% by mass or less of acrylonitrile. A polymer is used. A more preferable acrylonitrile content is 98.0% by mass or more.

前駆体繊維は、上記アクリロニトリル系重合体を有機溶剤に溶解した紡糸原液を紡糸口金から一旦空気中に吐出した後、温度調節した凝固液に吐出し、凝固させることにより得られる。
前記有機溶剤としては、例えば、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。
紡糸原液の固形分濃度は、20質量%以上が好ましく、21質量%以上であることが好ましい。固形分濃度が高い程、緻密な構造を有する凝固糸を容易に作製できる。
The precursor fiber is obtained by discharging a spinning stock solution obtained by dissolving the acrylonitrile-based polymer in an organic solvent into the air once from a spinneret, and then discharging and coagulating the temperature-controlled coagulating liquid.
Examples of the organic solvent include dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, and the like.
The solid concentration of the spinning dope is preferably 20% by mass or more, and more preferably 21% by mass or more. The higher the solid content concentration, the easier it is to produce a solidified yarn having a dense structure.

紡糸原液の凝固により得られた凝固糸には、延伸処理、洗浄処理が施される。
延伸処理を行う延伸槽の温度は40〜80℃の範囲が好ましく、50〜75℃であることがより好ましい。延伸槽の温度が40℃未満であると、充分な延伸性を確保できず、均一なフィブリル構造を形成できないことがある。一方、80℃を超えると熱による可塑化作用が大きくなりすぎる上に、糸条表面での脱溶剤が急速に進み延伸が不均一になるため、前駆体繊維束として品質が低下する傾向にある。
また、延伸槽の前記有機溶剤の濃度は30〜60質量%が好ましく、35〜55質量%であることがより好ましい。延伸槽の前記有機溶剤の濃度が30質量%未満であると、安定に延伸できないことがあり、60質量%を超えると、可塑化効果が大きくなりすぎて、やはり安定に延伸できないことがある。
延伸槽での延伸倍率は2〜4倍が好ましく、2.2〜3.8倍であることがより好ましく、2.5〜3.5倍であることがさらに好ましい。延伸倍率が2.2倍未満であると、延伸不足になり、所望のフィブリル構造を形成できないことがある。一方、3.8倍を超える延伸を行うと、フィブリル構造自体の破断が生じ、疎の構造の前駆体繊維束になることがある。
洗浄処理は脱溶剤できれば特に制限されず、洗浄液で満たした槽に浸漬させる方法、洗浄液を高圧で吹き付ける方法などが挙げられる。
The coagulated yarn obtained by coagulation of the spinning dope is subjected to drawing treatment and washing treatment.
The temperature of the stretching tank for performing the stretching treatment is preferably in the range of 40 to 80 ° C, more preferably 50 to 75 ° C. If the temperature of the stretching tank is less than 40 ° C., sufficient stretchability cannot be ensured and a uniform fibril structure may not be formed. On the other hand, when the temperature exceeds 80 ° C., the plasticizing action due to heat becomes too large, and solvent removal on the surface of the yarn rapidly proceeds and the stretching becomes non-uniform, so that the quality of the precursor fiber bundle tends to deteriorate. .
Moreover, 30-60 mass% is preferable and, as for the density | concentration of the said organic solvent of an extending | stretching tank, it is more preferable that it is 35-55 mass%. If the concentration of the organic solvent in the stretching tank is less than 30% by mass, it may not be possible to stretch stably, and if it exceeds 60% by mass, the plasticizing effect may be too great and it may not be possible to stretch stably.
The stretching ratio in the stretching tank is preferably 2 to 4 times, more preferably 2.2 to 3.8 times, and even more preferably 2.5 to 3.5 times. If the draw ratio is less than 2.2 times, the drawing may be insufficiently stretched and a desired fibril structure may not be formed. On the other hand, if the stretching exceeds 3.8 times, the fibril structure itself may be broken, resulting in a precursor fiber bundle having a sparse structure.
The cleaning treatment is not particularly limited as long as it can remove the solvent, and examples thereof include a method of immersing in a tank filled with a cleaning solution, and a method of spraying the cleaning solution at a high pressure.

また、洗浄後、溶剤分の無い膨潤状態にある繊維束を熱水中で延伸することで繊維の配向をさらに高めることもできる。また、緩和した場合には、延伸の歪みを除去することもできる。熱水中で延伸する場合の延伸倍率は、0.98〜2.0倍であることが好ましい。延伸倍率が2.0倍を超えると、無理な延伸による構造破壊が生じ、焼成工程での欠陥点形成の原因となることがある。   Moreover, the fiber orientation can be further enhanced by stretching a fiber bundle in a swollen state free from solvent after washing in hot water. In addition, when relaxed, stretching distortion can be removed. The stretching ratio when stretching in hot water is preferably 0.98 to 2.0 times. When the draw ratio exceeds 2.0 times, structural breakage due to unreasonable drawing occurs, which may cause defect point formation in the firing step.

延伸、洗浄の処理の後には、シリコーン系化合物を主成分とする油剤を0.8〜1.6質量%付着させる付着処理を行い、乾燥緻密化する。乾燥緻密化は公知の乾燥法により乾燥、緻密化させればよいが、なかでも、複数の加熱ロールを通過させる方法が好ましい。
乾燥緻密化後は、必要に応じて、130〜200℃の加圧スチームや乾熱熱媒中、あるいは加熱ロール間や加熱板上で1.8〜6.0倍延伸して、更なる配向の向上と緻密化を行ってもよい。加圧スチームを用いる方法は、スチームによる可塑化により、安定に延伸できるため、好ましい。
After the stretching and washing treatments, an adhesion treatment for attaching 0.8 to 1.6% by mass of an oil agent containing a silicone compound as a main component is performed to dry and densify. Dry densification may be performed by drying and densification by a known drying method, and among them, a method of passing a plurality of heating rolls is preferable.
After drying and densification, if necessary, the film is stretched by 1.8 to 6.0 times in a pressurized steam or dry heat medium at 130 to 200 ° C. or between heating rolls or on a heating plate, and further oriented. Improvement and densification may be performed. A method using pressurized steam is preferable because it can be stably stretched by plasticization with steam.

耐炎化では、例えば、上記のようにして得た前駆体繊維束を220〜260℃の熱風循環型の耐炎化炉に通過させて、耐炎化糸を得る。
耐炎化反応には、熱による環化反応と酸素による酸化反応があり、この2つの反応をバランスさせること重要である。この2つの反応をバランスさせるためには、耐炎化処理時間が30〜100分であることが好ましく、40〜80分であることがより好ましい。耐炎化処理時間が30分未満であると、酸化反応が充分に生じていない部分が単繊維の内側に存在し、単繊維の断面方向で大きな構造斑が生じることがある。その結果、得られる炭素繊維は不均一な構造を有するため、高い引張特性が得られないことがある。一方、耐炎化処理時間が100分を超えると、単繊維の表面近傍に多くの酸素が存在するようになり、その後の高温での熱処理により過剰の酸素が消失する反応が生じ、欠陥点を形成することがある。
In flameproofing, for example, the precursor fiber bundle obtained as described above is passed through a hot air circulation type flameproofing furnace at 220 to 260 ° C. to obtain flameproofed yarn.
The flameproofing reaction includes a cyclization reaction by heat and an oxidation reaction by oxygen, and it is important to balance these two reactions. In order to balance these two reactions, the flameproofing treatment time is preferably 30 to 100 minutes, and more preferably 40 to 80 minutes. When the flameproofing treatment time is less than 30 minutes, a portion where the oxidation reaction has not sufficiently occurred exists on the inside of the single fiber, and a large structural spot may occur in the cross-sectional direction of the single fiber. As a result, the obtained carbon fiber has a non-uniform structure, and thus high tensile properties may not be obtained. On the other hand, when the flameproofing treatment time exceeds 100 minutes, a large amount of oxygen is present in the vicinity of the surface of the single fiber, and a reaction in which excess oxygen disappears due to the subsequent heat treatment at a high temperature occurs to form defect points. There are things to do.

耐炎化糸の密度は1.335〜1.360g/cmであることが好ましく、1.340〜1.350g/cmであることがより好ましい。耐炎化糸の密度が1.335g/cm未満であると、耐炎化が不充分であり、その後の高温での熱処理により分解反応が生じ、欠陥点を形成するために強度が高くならないことがある。耐炎化糸密度が1.360g/cmを超えると、繊維の酸素含有量が多いため、その後の高温での熱処理により過剰の酸素が消失する反応が生じ、欠陥点を形成するために強度が高くならないことがある。
耐炎化の際には、好ましくは0〜10%、より好ましくは3〜8%の伸長操作を施す。耐炎化炉での適度の伸長は、繊維を形成しているフィブリル構造の配向を維持・向上させるために必要である。0%未満の伸長では、フィブリル構造の配向を維持できず、繊維軸での配向が不充分になり、機械的性能が高くならない傾向にある。一方、10%を超える伸長では、フィブリル構造自体の破断が生じ、その後の炭素繊維の構造形成を損ない、また破断点が欠陥点となり、炭素繊維の強度が高くならないことがある。
Preferably the density of the flame-resistant yarn is 1.335~1.360g / cm 3, more preferably 1.340~1.350g / cm 3. If the density of the flame-resistant yarn is less than 1.335 g / cm 3 , flame resistance is insufficient, and a subsequent heat treatment at a high temperature causes a decomposition reaction, so that the strength does not increase to form defect points. is there. When the flameproof yarn density exceeds 1.360 g / cm 3 , the oxygen content of the fiber is large, so that a reaction in which excess oxygen disappears by heat treatment at a subsequent high temperature occurs, and the strength is increased to form defect points. May not be high.
In making the flame resistant, an elongation operation of preferably 0 to 10%, more preferably 3 to 8% is performed. Proper elongation in the flameproofing furnace is necessary to maintain and improve the orientation of the fibril structure forming the fibers. If the elongation is less than 0%, the orientation of the fibril structure cannot be maintained, the orientation at the fiber axis becomes insufficient, and the mechanical performance tends not to increase. On the other hand, when the elongation exceeds 10%, the fibril structure itself breaks, and the subsequent formation of the carbon fiber structure is impaired, and the break point becomes a defect point, and the strength of the carbon fiber may not be increased.

炭素化では、上記で得られた耐炎化繊維を、伸長させながら、窒素などにより不活性雰囲気にされた第一炭素化炉に通過させ、その後、伸長させながら、不活性雰囲気にされた第二炭素化炉に通過させて、炭素繊維を得る。
第一炭素化炉では、処理温度が好ましくは300〜800℃、より好ましくは300〜750℃で直線的な温度勾配を形成する。処理温度が300℃未満では、耐炎化とほぼ同じ温度になり、不都合であり、処理温度が800℃を超えると、工程糸が脆くなり、次工程への移送が困難になることがある。
第一炭素化炉における伸長では、伸長率が2〜7%であることが好ましく、3〜5%であることがより好ましい。延伸率2%未満であると、フィブリル構造の配向を維持できず、繊維軸での配向が不充分になり、機械的性能が高くならない傾向にある。一方、伸長率が7%を超えると、フィブリル構造自体の破断が生じ、その後の炭素繊維の構造形成を損ない、また破断点が欠陥点となり、炭素繊維の強度が高くならないことがある。
第一炭素化炉における処理時間は1.0〜3.0分であることが好ましく、1.2〜2.5分であることがより好ましい。処理時間が1.0分未満であると、急激な温度上昇に伴う激しい分解反応が生じ、炭素繊維の強度が高くならないことがある。処理時間が3.0分を超えると、工程前期の可塑化の影響が発生し、結晶の配向度が低下する傾向が生じるため、得られる炭素繊維の機械的性能が損なわれる傾向にある。
In carbonization, the flame-resistant fiber obtained above is passed through a first carbonization furnace made inert by nitrogen or the like while being stretched, and then stretched to be a second atmosphere made inert. It is passed through a carbonization furnace to obtain carbon fibers.
In the first carbonization furnace, a linear temperature gradient is formed at a treatment temperature of preferably 300 to 800 ° C, more preferably 300 to 750 ° C. If the treatment temperature is less than 300 ° C., the temperature is almost the same as that of flame resistance, which is inconvenient. If the treatment temperature exceeds 800 ° C., the process yarn becomes brittle and it may be difficult to transfer to the next process.
In the elongation in the first carbonization furnace, the elongation rate is preferably 2 to 7%, and more preferably 3 to 5%. If the draw ratio is less than 2%, the orientation of the fibril structure cannot be maintained, the orientation at the fiber axis becomes insufficient, and the mechanical performance tends not to increase. On the other hand, if the elongation rate exceeds 7%, the fibril structure itself breaks, and the subsequent formation of the carbon fiber structure is impaired. Further, the break point becomes a defect point, and the strength of the carbon fiber may not be increased.
The treatment time in the first carbonization furnace is preferably 1.0 to 3.0 minutes, and more preferably 1.2 to 2.5 minutes. When the treatment time is less than 1.0 minute, a severe decomposition reaction accompanying a rapid temperature rise occurs, and the strength of the carbon fiber may not be increased. When the treatment time exceeds 3.0 minutes, the effect of plasticization in the first half of the process occurs, and the degree of crystal orientation tends to decrease, so the mechanical performance of the resulting carbon fiber tends to be impaired.

第二炭素化炉では、処理温度が好ましくは1000〜1600℃、より好ましくは1050〜1600℃の温度勾配を形成する。処理温度における最高温度は低い程、得られる炭素繊維の機械的特性を向上させることができる。
第二炭素化炉における処理時間は、短い程、生産性が高くなり、長い程、最高処理温度を低下させることができ、欠陥点形成を抑制できる。処理時間は、具体的には、1.3〜5.0分であることが好ましく、2.0〜4.2分であることがより好ましい。
第二炭素化炉における熱処理では、工程繊維は大きな収縮を伴うために、緊張下で行うことが好ましい。その際の伸長率は、−6.0〜0.0%であることが好ましく、−5.0〜−1.0%であることがより好ましい。伸長率が−6.0%未満であると、結晶の繊維軸方向での配向性が低くなり、充分な引張特性が得られないことがある。一方、伸長率が0.0%を超えると、これまで形成されてきた構造が破壊されて欠陥点が形成され、強度の大幅な低下が生じるおそれがある。
必要があれば、第二炭素化炉の熱処理の後に、第三炭素化炉で熱処理してもよい。
In the second carbonization furnace, the processing temperature is preferably 1000 to 1600 ° C, more preferably 1050 to 1600 ° C. The lower the maximum temperature at the treatment temperature, the more the mechanical properties of the resulting carbon fiber can be improved.
The shorter the treatment time in the second carbonization furnace, the higher the productivity, and the longer the treatment time, the lower the maximum treatment temperature, and the formation of defect points can be suppressed. Specifically, the treatment time is preferably 1.3 to 5.0 minutes, and more preferably 2.0 to 4.2 minutes.
In the heat treatment in the second carbonization furnace, the process fibers are accompanied by a large shrinkage, and therefore, it is preferable to perform them under tension. The elongation percentage at that time is preferably −6.0 to 0.0%, more preferably −5.0 to −1.0%. When the elongation percentage is less than -6.0%, the crystal orientation in the fiber axis direction becomes low, and sufficient tensile properties may not be obtained. On the other hand, if the elongation rate exceeds 0.0%, the structure that has been formed so far is destroyed and defect points are formed, which may cause a significant decrease in strength.
If necessary, heat treatment may be performed in the third carbonization furnace after the heat treatment in the second carbonization furnace.

得られた炭素繊維には、表面酸化処理を施すことが好ましい。
表面処理方法としては、例えば、電解酸化、薬剤酸化、空気酸化等の酸化処理が挙げられる。これらの中でも、安定な表面酸化処理が可能で、工業的に広く利用されている点で、電解酸化が好ましい。
表面酸化処理では、表面処理状態を表すipaを0.05〜0.25μA/cmにすることが好ましい。このような範囲に制御するためには、電解酸化処理にて電気量を調整する方法が簡便である。電解酸化処理では、同一電気量であっても、用いる電解質及びその濃度によってipaは大きく異なってくるが、pHが7より大きいアルカリ性水溶液中では、炭素繊維を陽極として10〜200クーロン/gの電気量を流して酸化処理を行うことが好ましい。また、電解質としては、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが好適である。
The obtained carbon fiber is preferably subjected to surface oxidation treatment.
Examples of the surface treatment method include oxidation treatment such as electrolytic oxidation, chemical oxidation, and air oxidation. Among these, electrolytic oxidation is preferable because stable surface oxidation treatment is possible and it is widely used industrially.
In the surface oxidation treatment, it is preferable to set ipa representing the surface treatment state to 0.05 to 0.25 μA / cm 2 . In order to control within such a range, a method of adjusting the amount of electricity by electrolytic oxidation treatment is simple. In the electrolytic oxidation treatment, even if the amount of electricity is the same, ipa varies greatly depending on the electrolyte to be used and its concentration. However, in an alkaline aqueous solution having a pH of more than 7, the electric power of 10 to 200 coulomb / g with carbon fiber as the anode. It is preferable to carry out the oxidation treatment by flowing an amount. As the electrolyte, ammonium carbonate, ammonium bicarbonate, ammonium sulfate, calcium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide and the like are suitable.

また、炭素繊維にはサイジング処理が施されてもよい。
サイジング処理では、有機溶剤に溶解させたサイジング剤や、乳化剤などで水に分散させたサイジング剤エマルジョン液を、ローラー浸漬法、ローラー接触法等によって炭素繊維束に付与し、これを乾燥することによって行うことができる。
炭素繊維の表面へのサイジング剤の付着量は、サイジング剤液の濃度調整や絞り量調整によって制御できる。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。
The carbon fiber may be subjected to sizing treatment.
In the sizing treatment, a sizing agent dissolved in an organic solvent or a sizing agent emulsion dispersed in water with an emulsifier is applied to the carbon fiber bundle by a roller dipping method, a roller contact method, etc., and dried. It can be carried out.
The adhesion amount of the sizing agent to the surface of the carbon fiber can be controlled by adjusting the concentration of the sizing agent solution or adjusting the squeezing amount. Drying can be performed using hot air, a hot plate, a heating roller, various infrared heaters, and the like.

サイジング剤としては、(a)ヒドロキシ基を有するエポキシ樹脂、(b)ポリヒドロキシ化合物、(c)芳香環を含むジイソシアネートから得られるポリウレタンと、(d)エポキシ樹脂との混合物、前記ポリウレタンと(d)エポキシ樹脂の反応生成物であるウレタン変性エポキシ樹脂が挙げられる。
エポキシ基は、炭素繊維表面の酸素含有官能基との相互作用が非常に強く、サイジング剤成分の炭素繊維表面に強固に接着させることができる。また、ポリヒドロキシ化合物と芳香環を含むジイソシアネートからなるウレタン結合ユニットを有することにより、柔軟性の付与とウレタン結合と芳香環の有する極性による炭素繊維表面との強い相互作用の付与が可能となる。したがって、分子中にエポキシ基と上記ウレタン結合ユニットを有するウレタン変性エポキシ樹脂は、炭素繊維表面に強く付着した柔軟性を有する化合物であり、マトリックス樹脂を含浸・硬化させる複合化工程において、炭素繊維表面に強固に接着した柔軟な界面層を形成できる。そのため、より機械的性能に優れた複合材料を得ることができる。
As the sizing agent, (a) an epoxy resin having a hydroxy group, (b) a polyhydroxy compound, (c) a polyurethane obtained from a diisocyanate containing an aromatic ring, (d) a mixture of the epoxy resin, the polyurethane and (d ) Urethane-modified epoxy resin which is a reaction product of epoxy resin.
The epoxy group has a very strong interaction with the oxygen-containing functional group on the surface of the carbon fiber, and can be firmly adhered to the carbon fiber surface of the sizing agent component. Further, by having a urethane bond unit composed of a polyhydroxy compound and a diisocyanate containing an aromatic ring, it becomes possible to give flexibility and to give a strong interaction between the urethane bond and the carbon fiber surface due to the polarity of the aromatic ring. Therefore, the urethane-modified epoxy resin having an epoxy group and the above-mentioned urethane bond unit in the molecule is a flexible compound that adheres strongly to the carbon fiber surface, and in the compounding process in which the matrix resin is impregnated and cured, the carbon fiber surface A flexible interface layer firmly bonded to each other can be formed. Therefore, a composite material having more excellent mechanical performance can be obtained.

(a)ヒドロキシ基を有するエポキシ樹脂としては、例えば、グリシドール、メチルグリシドール、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、オキシカルボン酸グリシジルエステルエポキシ樹脂などを用いることができる。これらの中でも、ビスフェノール型エポキシ樹脂が好ましい。ビスフェノール型エポキシ樹脂は芳香環を有することから、炭素繊維表面との相互作用が強く、また複合材料に用いられる樹脂として、耐熱性、剛直性の観点から好適に用いられる、芳香環を有するエポキシ樹脂との相溶性に優れる。
(b)ヒドロキシ化合物としては、ビスフエノ−ルAのアルキレンオキサイド付加物、脂肪族ポリヒドロキシ化合物、ポリヒドロキシモノカルボキシ化合物のいずれか、あるいはこれら2種以上の混合物が好ましい。これらの化合物は、ウレタン変性エポキシ樹脂を柔軟にすることができるからである。
(c)芳香環を含むジイソシアネ−トとしては、トルエンジイソシアネートあるいはキシレンジイソシアネートが好ましい。
(d)エポキシ樹脂としては、分子中に2つ以上のエポキシ基を有するものが好ましい。2つ以上のエポキシ基を有すると、炭素繊維の表面との相互作用が強く、強固に付着するからである。エポキシ基の種類としては特に制限はなく、グリシジルタイプ、脂環エポキシ基などを採用することができる。
より好ましいエポキシ樹脂としては、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、 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:DIC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)、ビスフェノールAアルキレンオキサイド付加エポキシ樹脂などが挙げられる。
(A) As the epoxy resin having a hydroxy group, for example, glycidol, methyl glycidol, bisphenol F type epoxy resin, bisphenol A type epoxy resin, oxycarboxylic acid glycidyl ester epoxy resin and the like can be used. Among these, bisphenol type epoxy resins are preferable. Since the bisphenol type epoxy resin has an aromatic ring, it has a strong interaction with the carbon fiber surface, and is an epoxy resin having an aromatic ring that is suitably used from the viewpoint of heat resistance and rigidity as a resin used in a composite material. Excellent compatibility with.
(B) As the hydroxy compound, an alkylene oxide adduct of bisphenol A, an aliphatic polyhydroxy compound, a polyhydroxymonocarboxy compound, or a mixture of two or more of these is preferable. This is because these compounds can make the urethane-modified epoxy resin flexible.
(C) The diisocyanate containing an aromatic ring is preferably toluene diisocyanate or xylene diisocyanate.
(D) As an epoxy resin, what has two or more epoxy groups in a molecule | numerator is preferable. This is because when two or more epoxy groups are present, the interaction with the surface of the carbon fiber is strong and adheres firmly. There is no restriction | limiting in particular as a kind of epoxy group, A glycidyl type, an alicyclic epoxy group, etc. are employable.
More preferable epoxy resins include bisphenol F type epoxy resin, bisphenol A type epoxy resin, novolac type epoxy resin, dicyclopentadiene type epoxy resin (Epiclon HP-7200 series: DIC Corporation), and trishydroxyn phenylmethane type epoxy resin. (Epicoat 1032H60, 1032S50: Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), DPP novolac epoxy resin (Epicoat 157S65, 157S70: Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), bisphenol A alkylene oxide-added epoxy resin, and the like.

(a)ヒドロキシ基を有するエポキシ樹脂、(b)ポリヒドロキシ化合物、(c)芳香環を含むジイソシアネートから得られるポリウレタンと、(d)エポキシ樹脂の混合物または反応物は、ポリウレタンを合成する際に、(a)〜(d)を同時に混合して得てもよいし、(a)〜(c)よりポリウレタンを合成したのち、ジイソシアネート化合物と(d)を追加で添加し、反応させて得てもよい。
(a)〜(d)の反応生成物を含む水分散液としては、例えば、ハイドランN320(DIC株式会社製)などが挙げられる。
(A) An epoxy resin having a hydroxy group, (b) a polyhydroxy compound, (c) a polyurethane obtained from a diisocyanate containing an aromatic ring, and (d) a mixture or a reaction product of an epoxy resin, (A) to (d) may be mixed at the same time, or after synthesizing polyurethane from (a) to (c), the diisocyanate compound and (d) may be added and reacted. Good.
Examples of the aqueous dispersion containing the reaction products (a) to (d) include hydran N320 (manufactured by DIC Corporation).

複合材料積層板1を得るには、まず、上記のようにして得た炭素繊維の多数本を、繊維繰出装置等を用いて繰り出し、必要に応じて、開繊させる。開繊の方法としては、例えば、炭素繊維への空気の吹き付け、炭素繊維の縦振動付与、炭素繊維の横振動付与や、これらを組み合わせた方法が挙げられる。
次いで、開繊した繊維を一方向に引き揃え、その引き揃えた状態に未硬化の樹脂を含浸させて、一方向プリプレグを得る。
樹脂の含浸方法としては、例えば、離型シートにあらかじめ未硬化の樹脂を塗布し、その塗布した樹脂の上に、引き揃えた炭素繊維を載せ、ローラーに通す方法、引き揃えた炭素繊維に樹脂を塗布し、ローラーに通す方法などが挙げられる。ここで、ロールの隙間を調整することにより、得られる一方向プリプレグの厚みを調整することができる。また、ロールを加熱することで、樹脂の粘度を低下させれば、一方向プリプレグの厚みを容易に均一化できる。
次いで、得られた一方向プリプレグを4枚用意し、45°配向層10と0°配向層20と−45°配向層30と90°配向層40とを形成するように炭素繊維を配向させつつ4枚の一方向プリプレグを積層する。次いで、加熱して、樹脂を硬化させて、複合材料積層板1を得る。
In order to obtain the composite material laminate 1, first, a large number of carbon fibers obtained as described above are fed out using a fiber feeding device or the like and opened as necessary. Examples of the fiber opening method include blowing air to the carbon fiber, imparting longitudinal vibration of the carbon fiber, imparting lateral vibration of the carbon fiber, and a combination thereof.
Next, the opened fibers are aligned in one direction, and the aligned state is impregnated with uncured resin to obtain a unidirectional prepreg.
As a resin impregnation method, for example, an uncured resin is applied in advance to a release sheet, and the aligned carbon fibers are placed on the applied resin and passed through a roller. The resin is applied to the aligned carbon fibers. The method of apply | coating and letting a roller pass is mentioned. Here, the thickness of the obtained unidirectional prepreg can be adjusted by adjusting the gap between the rolls. Moreover, if the viscosity of resin is reduced by heating a roll, the thickness of a unidirectional prepreg can be equalized easily.
Next, four obtained unidirectional prepregs were prepared, and the carbon fibers were oriented so as to form the 45 ° oriented layer 10, the 0 ° oriented layer 20, the −45 ° oriented layer 30 and the 90 ° oriented layer 40. Four unidirectional prepregs are stacked. Next, the composite material laminate 1 is obtained by heating to cure the resin.

以上説明した複合材料積層板1では、単繊維の表面の最大高低差が5〜25nm、平均凹凸度が2〜6nm、単繊維の断面の長径と短径との比が1.00〜1.01で、引張伸度が2.2%以上の炭素繊維を用い、45°配向層10、−45°配向層30および90°配向層40の厚さを0.04mm以下とするため、45°配向層10、−45°配向層30および90°配向層40の引張特性が向上する。そのため、複合材料積層板1の0°方向の引張伸度は大きくなり、具体的には、2.1%以上にできる。
また、45°配向層10と0°配向層20と−45°配向層30と90°配向層40を備える複合材料積層板1は、引張伸度が擬似等方的になっている。
In the composite material laminated board 1 demonstrated above, the maximum height difference of the surface of a single fiber is 5-25 nm, the average unevenness | corrugation degree is 2-6 nm, and the ratio of the major axis and minor axis of the cross section of a single fiber is 1.00-1. 01, carbon fibers having a tensile elongation of 2.2% or more are used, and the 45 ° orientation layer 10, the −45 ° orientation layer 30 and the 90 ° orientation layer 40 have a thickness of 0.04 mm or less. The tensile properties of the alignment layer 10, the -45 ° alignment layer 30, and the 90 ° alignment layer 40 are improved. Therefore, the tensile elongation of the composite material laminate 1 in the 0 ° direction is increased, specifically, 2.1% or more.
Further, the composite laminate 1 including the 45 ° oriented layer 10, the 0 ° oriented layer 20, the −45 ° oriented layer 30 and the 90 ° oriented layer 40 has a pseudo-isotropic tensile elongation.

なお、本発明は、上記実施形態例に限定されない。
例えば、本発明の複合材料積層板は、45°配向層と0°配向層と−45°配向層と90°配向層との4層積層板以外に、例えば、0°配向層と90°配向層との2層積層板、0°配向層と90°配向層と0°配向層との3層積層板、0°配向層と90°配向層と90°配向層と0°配向層との4層積層板などであってもよい。これらの場合でも、90°配向層の厚さが0.04mm以下とされることで、引張伸度が高くなる。また、上記他の実施形態例の積層板においても、炭素繊維の配置パターンが対称になっているため、擬似等方積層板になっている。
さらには、0°配向層以外の層(他方向配向層)が、90°配向層、45°配向層および−45°配向層でなく、それら以外の方向に配向した炭素繊維を含む層であってもよい。その場合に、複合材料積層板に含まれる全炭素繊維の配置を、0°を軸とした線対称にすれば、複合材料積層板の引張伸度が擬似等方的になる。
Note that the present invention is not limited to the above embodiment.
For example, the composite material laminate of the present invention is, for example, a 0 ° orientation layer and a 90 ° orientation other than a four-layer laminate of a 45 ° orientation layer, a 0 ° orientation layer, a −45 ° orientation layer, and a 90 ° orientation layer. A two-layer laminate with two layers, a three-layer laminate with a 0 ° oriented layer, a 90 ° oriented layer and a 0 ° oriented layer, a 0 ° oriented layer, a 90 ° oriented layer, a 90 ° oriented layer and a 0 ° oriented layer It may be a four-layer laminate. Even in these cases, the tensile elongation is increased by setting the thickness of the 90 ° alignment layer to 0.04 mm or less. Also, in the laminated plates of the other embodiment examples, since the arrangement pattern of the carbon fibers is symmetric, it is a pseudo isotropic laminated plate.
Furthermore, the layer other than the 0 ° orientation layer (the orientation layer in the other direction) is not a 90 ° orientation layer, a 45 ° orientation layer or a −45 ° orientation layer but a layer containing carbon fibers oriented in other directions. May be. In this case, if the arrangement of all the carbon fibers contained in the composite material laminate is axisymmetric about 0 °, the tensile elongation of the composite material laminate becomes pseudo-isotropic.

(実施例1)
(1)炭素繊維束の作製
アクリロニトリル単位98質量%、メタクリル酸単位2質量%のアクリロニトリル系重合体をジメチルホルムアミドに溶解して、23.5質量%の紡糸原液を調製した。
この調製した紡糸原液を、直径150μm、孔数2000の吐出孔が形成された紡糸口金から、一旦空気中に紡出した後、約5mmの空間を通過させた。その後、10℃に調整した79.0質量%ジメチルホルムアミドを含有する水溶液からなり、10℃に調整した凝固液中に吐出し、凝固させて、凝固糸を得た。
次いで、空気中で1.1倍延伸させた後、60℃に調整した35質量%ジメチルホルムアミドを含有する水溶液で満たした延伸槽にて2.9倍延伸した。延伸後、溶剤を含有している工程繊維束を清浄な水で洗浄し、次に、95℃の熱水中で1.2倍の延伸を行った。
次いで、得られた繊維束に水系繊維油剤を1.1質量%付着させ、乾燥緻密化した。ここで、水系繊維油剤としては以下のものを使用した。
アミノ変性シリコーン(信越化学工業(株)製、製品名:KF−865)85質量%と、乳化剤(日光ケミカルズ株式会社製、製品名:NIKKOL BL−9EX(POE(9)ラウリルエーテル))15質量%とを混合し、転相乳化法により水分散液としたもの。
乾燥緻密化後の繊維束を、加熱ロール間で2.6倍延伸して、更なる配向の向上と緻密化を行った後に巻き取ってアクリロニトリル系前駆体繊維束を得た。アクリロニトリル系前駆体繊維フィラメントの繊度は、0.77dtexであった。
次いで、得られた前駆体繊維束を複数本平行に揃えた状態で耐炎化炉に導入し、220〜260℃に加熱された空気を前駆体繊維束に吹き付けることによって、前駆体繊維束を耐炎化して密度1.345g/cmの耐炎繊維束を得た。その際、伸長率は6.0%とし、耐炎化処理時間は42分とした。
次いで、耐炎化繊維束を窒素中300〜700℃の温度勾配を有する第一炭素化炉にて4.5%の伸長を加えながら通過させた。温度勾配は直線的になるように設定した。処理時間は2.0分とした。
更に、窒素雰囲気中で1050〜1250℃の温度勾配を設定した第二炭素化炉を用いて熱処理を行い、引き続き、窒素雰囲気中1250〜1450℃の温度勾配を設定した第三炭素化炉を用いて熱処理して炭素繊維束を得た。その際、第二炭素化炉および第三炭素化炉での合計の伸長率は−4.0%、処理時間は3.5分とした。引き続いて、重炭酸アンモニウム10質量%水溶液中を走行させ、炭素繊維束を陽極として、被処理炭素繊維1g当たり40クーロンの電気量となるように対極との間で通電処理を行った。次いで、温水90℃で洗浄した後、乾燥した。
次に、ハイドランN320を0.5質量%付着させ、ボビンに巻き取って、炭素繊維束の巻取り体を得た。
得られた炭素繊維束について、以下のように単繊維表面の最大高低差、平均凹凸度、断面の長径と短径との比および引張伸度を測定した。測定結果を表1に示す。なお、表1では、上記方法により得られた炭素繊維束のことを「CF1」と表記する。
Example 1
(1) Production of carbon fiber bundle An acrylonitrile-based polymer having 98% by mass of acrylonitrile units and 2% by mass of methacrylic acid units was dissolved in dimethylformamide to prepare a 23.5% by mass spinning solution.
The prepared spinning solution was once spun into air from a spinneret in which discharge holes having a diameter of 150 μm and a number of holes of 2000 were formed, and then passed through a space of about 5 mm. Then, it consisted of the aqueous solution containing 79.0 mass% dimethylformamide adjusted to 10 degreeC, and it discharged and coagulated in the coagulation liquid adjusted to 10 degreeC, and obtained the coagulated yarn.
Next, the film was stretched 1.1 times in air, and then stretched 2.9 times in a stretching tank filled with an aqueous solution containing 35 mass% dimethylformamide adjusted to 60 ° C. After stretching, the process fiber bundle containing the solvent was washed with clean water, and then stretched 1.2 times in 95 ° C. hot water.
Subsequently, 1.1 mass% of water-based fiber oil agent was made to adhere to the obtained fiber bundle, and it dried and densified. Here, the following were used as the water-based fiber oil agent.
Amino-modified silicone (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., product name: KF-865) 85% by mass and emulsifier (manufactured by Nikko Chemicals Co., Ltd., product name: NIKKOL BL-9EX (POE (9) lauryl ether)) 15 mass % To obtain an aqueous dispersion by the phase inversion emulsification method.
The fiber bundle after drying and densification was stretched 2.6 times between heated rolls, and after further improving the orientation and densification, it was wound up to obtain an acrylonitrile-based precursor fiber bundle. The fineness of the acrylonitrile-based precursor fiber filament was 0.77 dtex.
Next, the obtained precursor fiber bundle is introduced into a flameproofing furnace in a state in which a plurality of the precursor fiber bundles are arranged in parallel, and the precursor fiber bundle is made flameproof by blowing air heated to 220 to 260 ° C. to the precursor fiber bundle. To obtain a flame resistant fiber bundle having a density of 1.345 g / cm 3 . At that time, the elongation rate was 6.0%, and the flameproofing treatment time was 42 minutes.
Subsequently, the flame-resistant fiber bundle was passed through nitrogen in a first carbonization furnace having a temperature gradient of 300 to 700 ° C. while adding 4.5% elongation. The temperature gradient was set to be linear. The processing time was 2.0 minutes.
Further, heat treatment was performed using a second carbonization furnace in which a temperature gradient of 1050 to 1250 ° C. was set in a nitrogen atmosphere, and subsequently a third carbonization furnace in which a temperature gradient of 1250 to 1450 ° C. was set in a nitrogen atmosphere was used. To obtain a carbon fiber bundle. At that time, the total elongation in the second and third carbonization furnaces was -4.0%, and the treatment time was 3.5 minutes. Subsequently, the sample was run in a 10% by weight ammonium bicarbonate aqueous solution, and an electric current treatment was performed between the counter electrode and the carbon fiber bundle as an anode so that the amount of electricity was 40 coulomb per 1 g of the carbon fiber to be treated. Subsequently, it was washed with hot water 90 ° C. and then dried.
Next, 0.5% by mass of hydran N320 was adhered and wound around a bobbin to obtain a wound body of carbon fiber bundles.
With respect to the obtained carbon fiber bundle, the maximum height difference on the single fiber surface, the average unevenness, the ratio of the major axis to the minor axis of the cross section, and the tensile elongation were measured as follows. The measurement results are shown in Table 1. In Table 1, the carbon fiber bundle obtained by the above method is represented as “CF1”.

(単繊維表面の最大高低差、平均凹凸度の測定)
単繊維の両端を、走査型プローブ顕微鏡付属の金属製試料台(20mm径)「エポリードサービス社製、品番:K−Y10200167」)上にカーボンペーストで固定し、以下条件で測定を行った。
[走査型プローブ顕微鏡測定条件]
装置:「SPI4000プローブステーション、SPA400(ユニット)」エスアイアイ・ナノテクノロジー社製
走査モード:ダイナミックフォースモード(DFM)(形状像測定)
探針:エスアイアイ・ナノテクノロジー社製、「SI−DF−20」
走査範囲:2.5μm×2.5μm
Rotation:90°(繊維軸方向に対して垂直方向にスキャン)
走査速度:1.0Hz
ピクセル数:512×512
測定環境:室温、大気中
単繊維1本に対して、上記条件にて1画像を得、得られた画像を走査型プローブ顕微鏡付属の画像解析ソフト(SPIWin)を用いて、平均凹凸度と最大高低差を求めた。
(Measurement of maximum height difference of single fiber surface, average roughness)
Both ends of the single fiber were fixed with a carbon paste on a metal sample stand (20 mm diameter) “Epolide Service, product number: KY10200167” attached to a scanning probe microscope, and measurement was performed under the following conditions.
[Scanning probe microscope measurement conditions]
Apparatus: “SPI4000 probe station, SPA400 (unit)” manufactured by SII Nanotechnology Inc. Scanning mode: Dynamic force mode (DFM) (shape image measurement)
Probe: "SI-DF-20", manufactured by SII Nano Technology
Scanning range: 2.5 μm × 2.5 μm
Rotation: 90 ° (scan in the direction perpendicular to the fiber axis direction)
Scanning speed: 1.0Hz
Number of pixels: 512 × 512
Measurement environment: at room temperature and in the air For one single fiber, one image was obtained under the above conditions, and the obtained image was measured using the image analysis software (SPIWin) attached to the scanning probe microscope to obtain the average unevenness and maximum The height difference was determined.

(単繊維の断面の長径と短径との比の測定)
炭素繊維束を構成する単繊維の繊維断面の長径と短径との比(長径/短径)は、以下のようにして測定した。
内径1mmの塩化ビニル樹脂製のチューブ内に測定用の炭素繊維束を通した後、これをナイフで輪切りにして試料を準備した。次いで、前記試料を繊維断面が上を向くようにして走査型電子顕微鏡(フィリップス社製XL20)の試料台に接着し、さらに金を約10nmの厚さにスパッタリングした。そして、該走査型電子顕微鏡により、加速電圧7.00kV、作動距離31mmの条件で繊維断面を観察し、単繊維の繊維断面の長径及び短径を測定し、長径/短径での比率を求めた。
(Measurement of ratio between major axis and minor axis of single fiber cross section)
The ratio of the major axis to the minor axis (major axis / minor axis) of the fiber cross section of the single fiber constituting the carbon fiber bundle was measured as follows.
A carbon fiber bundle for measurement was passed through a tube made of vinyl chloride resin having an inner diameter of 1 mm, and this was then cut into round pieces with a knife to prepare a sample. Next, the sample was adhered to a sample stage of a scanning electron microscope (XL20 manufactured by Philips) with the fiber cross section facing upward, and gold was sputtered to a thickness of about 10 nm. Then, using the scanning electron microscope, the fiber cross section is observed under the conditions of the acceleration voltage of 7.00 kV and the working distance of 31 mm, the major axis and minor axis of the fiber section of the single fiber are measured, and the ratio of major axis / minor axis is obtained. It was.

(炭素繊維束の引張伸度測定)
炭素繊維束の引張特性(引張強度、引張弾性率、引張伸度)は、JIS R7601に準拠し測定し評価した。
(Measurement of tensile elongation of carbon fiber bundle)
The tensile properties (tensile strength, tensile modulus, tensile elongation) of the carbon fiber bundle were measured and evaluated according to JIS R7601.

(2)複合材料積層体の作製
ボビンから巻き出した炭素繊維束の40本を、空気の吹き付けおよび縦振動により開繊させた後、一方向に引き揃えた。その引き揃えた繊維を、離型紙上の、Bステージ化したエポキシ樹脂(三菱レイヨン株式会社製、#350、130℃硬化タイプ)に配置した。これを、加熱圧着ローラー(設定温度110℃)に通して、炭素繊維束にエポキシ樹脂を含浸させた。その上に保護フィルムを積層して、一方向プリプレグ(以下、UDプリプレグ)を作製した。その際、加熱圧着ロールのリップ開度を調整して、得られる一方向プリプレグの厚さを0.025mmに調整した。
次いで、得られた一方向プリプレグを4枚用意し、45°配向層と0°配向層と−45°配向層と90°配向層とを形成するように、一方向プリプレグの炭素繊維を配向させつつ、4枚の一方向プリプレグを積層した。これを1セットの積層体とし、合計20セット(すなわち、80層)積層した({[45/0/−45/90]10)。次いで、130℃で加熱し、樹脂を硬化させて、厚み1.9mmの複合材料積層板を製造した。
(2) Production of Composite Material Laminate Forty carbon fiber bundles unwound from the bobbin were opened by air blowing and longitudinal vibration, and then aligned in one direction. The aligned fibers were placed on a B-staged epoxy resin (# 350, 130 ° C. curing type, manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) on a release paper. This was passed through a thermocompression roller (set temperature 110 ° C.) to impregnate the carbon fiber bundle with an epoxy resin. A protective film was laminated thereon to produce a unidirectional prepreg (hereinafter referred to as UD prepreg). At that time, the lip opening degree of the thermocompression bonding roll was adjusted, and the thickness of the obtained unidirectional prepreg was adjusted to 0.025 mm.
Next, four unidirectional prepregs obtained are prepared, and the carbon fibers of the unidirectional prepreg are oriented so as to form a 45 ° oriented layer, a 0 ° oriented layer, a −45 ° oriented layer, and a 90 ° oriented layer. Meanwhile, four unidirectional prepregs were laminated. This was made into one set of laminates, and a total of 20 sets (ie, 80 layers) were laminated ({[45/0 / −45 / 90] 10 } s ). Subsequently, it heated at 130 degreeC, the resin was hardened, and the composite material laminated board of thickness 1.9mm was manufactured.

(3)評価
得られた複合材料積層板について、0°方向の引張試験をASTM D3039に準拠して行い、引張特性(引張強度、引張弾性率、引張伸度)を測定した。測定結果を表1に示す。
また、前記一方向プリプレグを使用して厚み2.0mmの一方向複合材料積層板を製造し、その積層板の90°方向の曲げ強度をASTM D790(L/D=16)に準拠した評価法により測定した。測定結果を表1に示す。
(3) Evaluation The obtained composite laminate was subjected to a tensile test in the 0 ° direction in accordance with ASTM D3039, and the tensile properties (tensile strength, tensile elastic modulus, tensile elongation) were measured. The measurement results are shown in Table 1.
Moreover, the evaluation method based on ASTM D790 (L / D = 16) which manufactured the unidirectional composite material laminated board of thickness 2.0mm using the said unidirectional prepreg, and the bending strength of the 90 degree direction of the laminated board It was measured by. The measurement results are shown in Table 1.

(実施例2)
CF1を用いて、実施例1と同様にして厚さ0.04mmの一方向プリプレグを作製した。次いで、得られた一方向プリプレグを4枚用意し、45°配向層と0°配向層と−45°配向層と90°配向層とを形成するように、一方向プリプレグの炭素繊維を配向させつつ、4枚の一方向プリプレグを積層した。これを1セットの積層体とし、合計12セット(すなわち、48層)積層した({[45/0/−45/90])。次いで、130℃で加熱し、樹脂を硬化させて、厚み1.9mmの複合材料積層板を製造した。得られた複合材料積層板について、0°方向の引張試験をASTM D3039に準拠して行い、引張特性(引張強度、引張弾性率、引張伸度)を測定した。測定結果を表1に示す。また、前記一方向プリプレグを使用して厚み2.0mmの一方向複合材料積層板を製造し、その積層板の90°方向の曲げ強度をASTM D790(L/D=16)に準拠した評価法により測定した。測定結果を表1に示す。
(Example 2)
Using CF1, a unidirectional prepreg having a thickness of 0.04 mm was produced in the same manner as in Example 1. Next, four unidirectional prepregs obtained are prepared, and the carbon fibers of the unidirectional prepreg are oriented so as to form a 45 ° oriented layer, a 0 ° oriented layer, a −45 ° oriented layer, and a 90 ° oriented layer. Meanwhile, four unidirectional prepregs were laminated. This was regarded as one set of laminates, and a total of 12 sets (ie, 48 layers) were laminated ({[45/0 / −45 / 90] 6 } s ). Subsequently, it heated at 130 degreeC, the resin was hardened, and the composite material laminated board of thickness 1.9mm was manufactured. About the obtained composite material laminated board, the tensile test of the 0 degree direction was done based on ASTM D3039, and the tensile characteristics (tensile strength, tensile elastic modulus, tensile elongation) were measured. The measurement results are shown in Table 1. Moreover, the evaluation method based on ASTM D790 (L / D = 16) which manufactured the unidirectional composite material laminated board of thickness 2.0mm using the said unidirectional prepreg, and the bending strength of the 90 degree direction of the laminated board It was measured by. The measurement results are shown in Table 1.

(実施例3)
第三炭素化炉を用いなかったこと以外は実施例1と同様な方法で炭素繊維束を作製した。第二炭素化炉は、窒素雰囲気中で1050〜1250℃の温度勾配を設定し、伸長率は−3.9%、処理時間は1.8分とした。
得られた炭素繊維束について、単繊維表面の最大高低差、平均凹凸度、断面の長径と短径との比および引張伸度を測定した。測定結果を表1に示す。なお、表1では、上記方法により得られた炭素繊維束のことを「CF2」と表記する。
そして、このCF2を用いて、実施例1と同様にして複合材料積層板を製造し、評価を実施した。評価結果を表1に示す。
(Example 3)
A carbon fiber bundle was produced in the same manner as in Example 1 except that the third carbonization furnace was not used. In the second carbonization furnace, a temperature gradient of 1050 to 1250 ° C. was set in a nitrogen atmosphere, the elongation rate was −3.9%, and the treatment time was 1.8 minutes.
With respect to the obtained carbon fiber bundle, the maximum height difference of the single fiber surface, the average unevenness, the ratio of the major axis to the minor axis of the cross section, and the tensile elongation were measured. The measurement results are shown in Table 1. In Table 1, the carbon fiber bundle obtained by the above method is expressed as “CF2”.
And using this CF2, the composite material laminated board was manufactured similarly to Example 1, and evaluation was implemented. The evaluation results are shown in Table 1.

(実施例4)
アクリロニトリル単位98質量%、メタクリル酸単位2質量%のアクリロニトリル系重合体をジメチルホルムアミドに溶解して、23.5質量%の紡糸原液を調製した。
この調製した紡糸原液を、直径150μm、孔数2000の吐出孔が形成された紡糸口金から、一旦空気中に紡出した後、約5mmの空間を通過させた。その後、10℃に調整した79.5質量%ジメチルホルムアミドを含有する水溶液からなり、10℃に調整した凝固液中に吐出し、凝固させて、凝固糸を得た。
次いで、空気中で1.1倍延伸させた後、70℃に調整した60質量%ジメチルホルムアミドを含有する水溶液で満たした延伸槽にて3.5倍延伸した。延伸後、溶剤を含有している工程繊維束を清浄な水で洗浄し、次に、95℃の熱水中で1.3倍の延伸を行った。
次いで、得られた繊維束に実施例1と同様なアミノ変性シリコーンを主成分とする油剤を1.1質量%付着させ、乾燥緻密化した。乾燥緻密化後の繊維束を、加熱ロール間で2.8倍延伸して、更なる配向の向上と緻密化を行った後に巻き取ってアクリロニトリル系前駆体繊維束を得た。アクリロニトリル系前駆体繊維フィラメントの繊度は、0.77dtexであった。
次いで、得られた前駆体繊維束を複数本平行に揃えた状態で耐炎化炉に導入し、220〜260℃に加熱された空気を前駆体繊維束に吹き付けることによって、前駆体繊維束を耐炎化して密度1.345g/cmの耐炎繊維束を得た。その際、伸長率は6.0%とし、耐炎化処理時間は42分とした。
次いで、耐炎化繊維束を窒素中300〜700℃の温度勾配を有する第一炭素化炉にて4.5%の伸長を加えながら通過させた。温度勾配は直線的になるように設定した。処理時間は1.9分とした。
更に、窒素雰囲気中で1000〜1250℃の温度勾配を設定した第二炭素化炉を用いて伸長率−3.8%で熱処理を行い、引き続き、窒素雰囲気中1250〜1450℃の温度勾配を設定した第三炭素化炉を用いて伸長率−0.1%で熱処理を行って炭素繊維束を得た。第二炭素化炉および第三炭素化炉での合計の伸長率は−3.9%、処理時間は3.7分とした。引き続いて、重炭酸アンモニウム10質量%水溶液中を走行させ、炭素繊維束を陽極として、被処理炭素繊維1g当たり40クーロンの電気量となるように対極との間で通電処理を行った。次いで、温水90℃で洗浄した後、乾燥した。
次に、ハイドランN320を0.5質量%付着させ、ボビンに巻き取って、炭素繊維束の巻取り体を得た。
得られた炭素繊維束について、単繊維表面の最大高低差、平均凹凸度、断面の長径と短径との比および引張伸度を測定した。測定結果を表1に示す。なお、表1では、上記方法により得られた炭素繊維束のことを「CF3」と表記する。
そして、このCF3を用いて、実施例1と同様にして複合材料積層板を製造し、評価を実施した。評価結果を表1に示す。
Example 4
An acrylonitrile polymer having 98% by mass of acrylonitrile units and 2% by mass of methacrylic acid units was dissolved in dimethylformamide to prepare a 23.5% by mass spinning stock solution.
The prepared spinning solution was once spun into air from a spinneret in which discharge holes having a diameter of 150 μm and a number of holes of 2000 were formed, and then passed through a space of about 5 mm. Then, it consisted of the aqueous solution containing 79.5 mass% dimethylformamide adjusted to 10 degreeC, and it discharged and solidified in the coagulation liquid adjusted to 10 degreeC, and obtained the coagulated thread | yarn.
Next, the film was stretched 1.1 times in air, and then stretched 3.5 times in a stretching tank filled with an aqueous solution containing 60% by mass dimethylformamide adjusted to 70 ° C. After stretching, the process fiber bundle containing the solvent was washed with clean water, and then stretched 1.3 times in 95 ° C. hot water.
Next, 1.1% by mass of an oil agent mainly composed of amino-modified silicone similar to that in Example 1 was attached to the obtained fiber bundle, and dried and densified. The fiber bundle after drying and densification was stretched 2.8 times between heating rolls, and after further improving the orientation and densification, it was wound up to obtain an acrylonitrile-based precursor fiber bundle. The fineness of the acrylonitrile-based precursor fiber filament was 0.77 dtex.
Next, the obtained precursor fiber bundle is introduced into a flameproofing furnace in a state in which a plurality of the precursor fiber bundles are arranged in parallel, and the precursor fiber bundle is made flameproof by blowing air heated to 220 to 260 ° C. to the precursor fiber bundle. To obtain a flame resistant fiber bundle having a density of 1.345 g / cm 3 . At that time, the elongation rate was 6.0%, and the flameproofing treatment time was 42 minutes.
Subsequently, the flame-resistant fiber bundle was passed through nitrogen in a first carbonization furnace having a temperature gradient of 300 to 700 ° C. while adding 4.5% elongation. The temperature gradient was set to be linear. The processing time was 1.9 minutes.
Furthermore, heat treatment was performed at an elongation of -3.8% using a second carbonization furnace in which a temperature gradient of 1000 to 1250 ° C. was set in a nitrogen atmosphere, and subsequently a temperature gradient of 1250 to 1450 ° C. was set in the nitrogen atmosphere. A carbon fiber bundle was obtained by performing a heat treatment at an elongation of -0.1% using the third carbonization furnace. The total elongation in the second and third carbonization furnaces was -3.9%, and the treatment time was 3.7 minutes. Subsequently, the sample was run in a 10% by weight ammonium bicarbonate aqueous solution, and an electric current treatment was performed between the counter electrode and the carbon fiber bundle as an anode so that the amount of electricity was 40 coulomb per 1 g of the carbon fiber to be treated. Subsequently, it was washed with hot water 90 ° C. and then dried.
Next, 0.5% by mass of hydran N320 was adhered and wound around a bobbin to obtain a wound body of carbon fiber bundles.
With respect to the obtained carbon fiber bundle, the maximum height difference of the single fiber surface, the average unevenness, the ratio of the major axis to the minor axis of the cross section, and the tensile elongation were measured. The measurement results are shown in Table 1. In Table 1, the carbon fiber bundle obtained by the above method is represented as “CF3”.
And using this CF3, it carried out similarly to Example 1, manufactured the composite material laminated board, and implemented evaluation. The evaluation results are shown in Table 1.

(比較例1)
実施例1で作製した厚さ0.025mmの一方向プリプレグを2枚重ねて、0.050mmの一方向プリプレグを作製した。次いで、得られた0.050mmの一方向プリプレグを4枚用意し、45°配向層と0°配向層と−45°配向層と90°配向層とを形成するように、一方向プリプレグの炭素繊維を配向させつつ、4枚の一方向プリプレグを積層した。これを1セットの積層体とし、合計10セット(すなわち、40層)積層した({[45/0/−45/90])。次いで、130℃で加熱し、樹脂を硬化させて、厚み1.9mmの複合材料積層板を製造し、0°方向の引張特性を測定した。測定結果を表1に示す。また、前記一方向プリプレグを使用して厚み2.0mmの一方向複合材料積層板を製造し、その積層板の90°方向の曲げ強度をASTM D790(L/D=16)に準拠した評価法により測定した。測定結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
Two unidirectional prepregs having a thickness of 0.025 mm prepared in Example 1 were stacked to prepare a unidirectional prepreg of 0.050 mm. Next, four unidirectional prepregs of 0.050 mm obtained were prepared, and carbon of the unidirectional prepreg was formed so as to form a 45 ° oriented layer, a 0 ° oriented layer, a −45 ° oriented layer, and a 90 ° oriented layer. Four unidirectional prepregs were laminated while orienting the fibers. This was one set stack of a total of 10 sets (i.e., 40 layers) were laminated ({[45 2/0 2 / -45 2/90 2] 5} s). Subsequently, it heated at 130 degreeC, the resin was hardened, the composite material laminated board of thickness 1.9mm was manufactured, and the tensile characteristic of 0 degree direction was measured. The measurement results are shown in Table 1. Moreover, the evaluation method based on ASTM D790 (L / D = 16) which manufactured the unidirectional composite material laminated board of thickness 2.0mm using the said unidirectional prepreg, and the bending strength of the 90 degree direction of the laminated board It was measured by. The measurement results are shown in Table 1.

(比較例2)
CF2を用いて、実施例1と同様にして厚さ0.08mmの一方向プリプレグを作製した。次いで、得られた一方向プリプレグを4枚用意し、45°配向層と0°配向層と−45°配向層と90°配向層とを形成するように、一方向プリプレグの炭素繊維を配向させつつ、4枚の一方向プリプレグを積層した。これを1セットの積層体とし、合計12セット(すなわち、48層)積層した({[45/0/−45/90])。次いで、130℃で加熱し、樹脂を硬化させて、厚み1.9mmの複合材料積層板を製造した。得られた複合材料積層板について、0°方向の引張試験をASTM D3039に準拠して行い、引張特性(引張強度、引張弾性率、引張伸度)を測定した。また、前記一方向プリプレグを使用して厚み2.0mmの一方向複合材料積層板を製造し、その積層板の90°方向の曲げ強度をASTM D790(L/D=16)に準拠した評価法により測定した。測定結果を表1に示す。
(Comparative Example 2)
A unidirectional prepreg with a thickness of 0.08 mm was produced using CF 2 in the same manner as in Example 1. Next, four unidirectional prepregs obtained are prepared, and the carbon fibers of the unidirectional prepreg are oriented so as to form a 45 ° oriented layer, a 0 ° oriented layer, a −45 ° oriented layer, and a 90 ° oriented layer. Meanwhile, four unidirectional prepregs were laminated. This was regarded as one set of laminates, and a total of 12 sets (ie, 48 layers) were laminated ({[45/0 / −45 / 90] 6 } s ). Subsequently, it heated at 130 degreeC, the resin was hardened, and the composite material laminated board of thickness 1.9mm was manufactured. About the obtained composite material laminated board, the tensile test of the 0 degree direction was done based on ASTM D3039, and the tensile characteristics (tensile strength, tensile elastic modulus, tensile elongation) were measured. Moreover, the evaluation method based on ASTM D790 (L / D = 16) which manufactured the unidirectional composite material laminated board of thickness 2.0mm using the said unidirectional prepreg, and the bending strength of the 90 degree direction of the laminated board It was measured by. The measurement results are shown in Table 1.

(比較例3)
炭素繊維を三菱レイヨン社製TR50Sに変更したこと以外は実施例1と同様にして、厚み1.9mmの複合材料積層板を製造し、0°方向の引張特性を、また厚み2mmの一方向複合材料積層板を製造し、90°方向の曲げ強度をそれぞれ測定した。測定結果を表1に示す。
(Comparative Example 3)
A composite laminate with a thickness of 1.9 mm was produced in the same manner as in Example 1 except that the carbon fiber was changed to Mitsubishi Rayon TR50S, and the tensile properties in the 0 ° direction and the unidirectional composite with a thickness of 2 mm were produced. A material laminate was manufactured and the bending strength in the 90 ° direction was measured. The measurement results are shown in Table 1.

(比較例4)
炭素繊維を三菱レイヨン社製MR60Hに変更し、一方向プリプレグの厚さを0.042mmとしたこと以外は実施例2と同様にして、厚み2.03mmの複合材料積層板を製造し、0°方向の引張特性を、また厚み2mmの一方向複合材料積層板を製造し、90°方向の曲げ強度をそれぞれ測定した。測定結果を表1に示す。
(Comparative Example 4)
A composite material laminate having a thickness of 2.03 mm was produced in the same manner as in Example 2 except that the carbon fiber was changed to MR60H manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd. and the thickness of the unidirectional prepreg was changed to 0.042 mm. Directional tensile properties and a unidirectional composite laminate with a thickness of 2 mm were produced, and the bending strength in the 90 ° direction was measured. The measurement results are shown in Table 1.

Figure 0005821052
Figure 0005821052

単繊維表面の最大高低差が10〜45nm、平均凹凸度が3〜7nm、単繊維断面の長径と短径との比が1.00〜1.01の範囲内で、引張伸度が2.2%以上の炭素繊維を用い、45°配向層、−45°配向層および90°配向層の厚さを0.044mm以下とした実施例1から4の複合材料積層板は、0°方向の引張伸度が2.1%以上であった。
これに対し、実施例1と同じCFを用いているが、45°配向層、−45°配向層および90°配向層の厚さを0.050mmとした比較例1の複合材料積層板は、0°方向の引張伸度が2.1%未満であった。
また、実施例3と同じCFを用いているが、45°配向層、−45°配向層および90°配向層の厚さを0.080mmとした比較例2の複合材料積層板は、0°方向の引張伸度が2.1%未満であった。
単繊維表面の最大高低差が10〜45nm、平均凹凸度が3〜7nm、単繊維断面の長径と短径との比が1.00〜1.01の範囲内にはない炭素繊維TR50Sを用いた比較例3の複合材料積層板は、0°方向の引張伸度が2.1%未満であった。
単繊維表面の最大高低差が10〜45nm、単繊維断面の長径と短径との比が1.00〜1.01、引張伸度が2.2%以上の範囲内にはない炭素繊維MR60Hを用いた比較例3の複合材料積層板は、0°方向の引張伸度が2.1%未満であった。
The maximum height difference on the single fiber surface is 10 to 45 nm, the average unevenness is 3 to 7 nm, the ratio of the major axis to the minor axis of the single fiber cross section is 1.00 to 1.01, and the tensile elongation is 2. The composite material laminates of Examples 1 to 4 using 2% or more of carbon fiber and having a 45 ° -oriented layer, a −45 ° -oriented layer and a 90 ° -oriented layer having a thickness of 0.044 mm or less are The tensile elongation was 2.1% or more.
On the other hand, the same CF as in Example 1 was used, but the composite material laminate of Comparative Example 1 in which the thickness of the 45 ° oriented layer, the −45 ° oriented layer and the 90 ° oriented layer was 0.050 mm, The tensile elongation in the 0 ° direction was less than 2.1%.
The same CF as in Example 3 was used, but the composite material laminate of Comparative Example 2 in which the thickness of the 45 ° oriented layer, the −45 ° oriented layer and the 90 ° oriented layer was 0.080 mm was 0 ° The tensile elongation in the direction was less than 2.1%.
The carbon fiber TR50S is used which has a maximum height difference of 10 to 45 nm on the surface of the single fiber, an average unevenness of 3 to 7 nm, and a ratio of the major axis to the minor axis of the single fiber cross section is not in the range of 1.00 to 1.01. The composite laminate of Comparative Example 3 had a tensile elongation in the 0 ° direction of less than 2.1%.
Carbon fiber MR60H having a maximum height difference of 10 to 45 nm on the surface of the single fiber, a ratio of the major axis to the minor axis of the single fiber cross section of 1.00 to 1.01, and a tensile elongation of 2.2% or more. The composite laminate of Comparative Example 3 using the tensile elongation in the 0 ° direction was less than 2.1%.

本発明の複合材料積層体は、引張特性が良好であるため、高い強度が要求される用途、例えば、航空機、自動車、鉄道車両等に好適に利用される。   Since the composite material laminate of the present invention has good tensile properties, it is suitably used for applications that require high strength, such as aircraft, automobiles, and railway vehicles.

1 複合材料積層板
10 45°配向層(他方向配向層)
20 0°配向層
30 −45°配向層(他方向配向層)
40 90°配向層(他方向配向層)
1 Composite material laminated board 10 45 ° orientation layer
20 ° alignment layer 30-45 ° alignment layer (other direction alignment layer)
40 90 ° orientation layer (other direction orientation layer)

Claims (3)

基準方向に対して0°に配向した炭素繊維、および樹脂を含有する0°配向層と、0°以外の方向に配向した炭素繊維、および樹脂を含有する厚さ0.044mm以下の1層以上の他方向配向層とを備え、
0°配向層および他方向配向層に含まれる炭素繊維は、単繊維の表面の最大高低差が10〜45nm、平均凹凸度が3〜7nm、単繊維の断面の長径と短径との比が1.00〜1.01で、引張伸度が2.2%以上の繊維束である複合材料積層板。
One or more layers having a thickness of 0.044 mm or less containing a carbon fiber oriented at 0 ° relative to the reference direction and a 0 ° oriented layer containing a resin, a carbon fiber oriented in a direction other than 0 °, and a resin Other direction orientation layer,
The carbon fibers contained in the 0 ° orientation layer and the other-direction orientation layer have a maximum height difference of 10 to 45 nm, an average roughness of 3 to 7 nm, and a ratio of the major axis to the minor axis of the cross section of the single fiber. A composite laminate having a fiber bundle of 1.00 to 1.01 and a tensile elongation of 2.2% or more.
他方向配向層は1層または2層で、炭素繊維が基準方向に対して略90°に配向した90°配向層である、請求項1に記載の複合材料積層板。   The composite material laminate according to claim 1, wherein the other-direction oriented layer is one or two layers, and is a 90 ° oriented layer in which carbon fibers are oriented at approximately 90 ° with respect to the reference direction. 他方向配向層は3層で、炭素繊維が基準方向に対して略90°に配向した90°配向層と、炭素繊維が基準方向に対して略45°に配向した45°配向層と、炭素繊維が基準方向に対して略−45°に配向した−45°配向層とである、請求項1に記載の複合材料積層板。   The other direction orientation layers are three layers, a 90 ° orientation layer in which carbon fibers are oriented at about 90 ° with respect to the reference direction, a 45 ° orientation layer in which the carbon fibers are oriented at about 45 ° with respect to the reference direction, and carbon The composite laminate according to claim 1, wherein the fiber is a −45 ° oriented layer in which the fibers are oriented at approximately −45 ° with respect to the reference direction.
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