JP5834917B2 - 炭素繊維プリプレグの製造方法、炭素繊維強化複合材料の製造方法 - Google Patents
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Description
炭素繊維単糸数のCV値の測定対象の炭素繊維プリプレグを、常圧下50℃で2週間、その後、80℃、110℃、130℃、180℃の順に各温度で30分放置し、マトリックス樹脂を流動させずに硬化させ、マトリックス樹脂が硬化したプリプレグを用意する。用意されたマトリックス樹脂が硬化したプリプレグを、炭素繊維単糸数のCV値の測定用プリプレグとして用いる。
炭素繊維プリプレグから、第1軸を繊維の配列方向(繊維軸の方向)として200mm×200mmの矩形状のサンプルを切り出し、測定片とする。測定片は、プリプレグ全幅からほぼ均一に5枚を採取する。
計測された合計25点の測定値の平均値を炭素繊維単糸の繊維配向角度の乱れの割合とする。
炭素繊維束の交絡度は、JIS L1013:2010「化学繊維フィラメント糸試験方法」の交絡度測定方法に準じて測定する。炭素繊維束の測定試料の一端を適当な性能を有する垂下装置の上部つかみ部に取り付け、つかみ部より1m下方の位置に荷重(100g)を吊り下げ、測定試料を垂直に垂らす。測定試料の上部つかみ部より1cm下部の点に、炭素繊維束を2分割するようにフック(直径1mmの針金からなるフック)を挿入する。フックの他端に所定の荷重(10g)を取り付け、約2cm/秒の速度でフックを降下させる。フックが繊維束を形成している糸の絡みにより停止した点までのフックの降下距離L[mm]を測定する。
使用される炭素繊維束は、炭素繊維製造工程、なかでも巻取工程、および炭素繊維プリプレグ製造工程において良好な糸取り扱い性を保持しつつ、炭素繊維プリプレグ製造工程で均一に拡がるものであることが好ましく、良好な収束性と拡がり性を兼ね備えていることが好ましい。このような観点から、炭素繊維束を構成する単糸は、その断面形状が円形であって、その表面が平滑であるものが好ましい。
炭素繊維束における単糸の断面形状における長径、短径は、走査型電子顕微鏡により炭素繊維束の単糸の横断面を観察し、そこで観察される断面形状の直径の内、最も長いものを長径とし、最も短いものを短径とし、これら長径と短径の比を、長径を短径で除して求める。
炭素繊維の表面平滑度は、表面の算術平均粗さ(Ra)によって評価する。算術平均表面粗さは、次のようにして測定する。測定試料としては、炭素繊維を長さ数ミリメートル程度にカットしたものを用い、銀ペーストを用いて基板(シリコンウエハ)上に固定し、原子間力顕微鏡(AFM)によって、各単糸の中央部において、3次元表面形状の像を得る。
・走査モード:タッピングモード
・探針:探針一体型シリコンカンチレバー
・走査範囲:2.5μm2
・走査速度:0.3Hz
・ピクセル数:512×512
・測定環境:室温、大気中。
次に説明する測定装置、測定条件で、100eV付近に観察されるSi2PのピークとC1Sピークとのピーク面積比を求め、次に説明する装置の装置定数0.814を測定値に乗じて原子数比(Si/C)とする。
(株)島津製作所製、ESCA750・励起X線:MgのKα1、2線・C1Sメインピークの結合エネルギー値:284.6eV。
メタノールとクロロホルムの2:1(重量比)の混合液を用いてソックスレー抽出器で2時間環流後、12時間、室温で硫酸に浸漬後、メタノールで充分洗浄、風乾する。
図1に示すように、被測定繊維束2を張力調整可能なクリール装置1に仕掛け、繊維束2をクリール装置1から巻き出し、複数のロールを千鳥配列とした複数本の固定ガイドバー3により、0.45cN/texの張力を付与しながら、糸幅1mm当たりの繊維総繊度が1100dtexになるよう、繊維束2を拡幅後、速度5m/分でワインダー5に巻き取る。このようにして繊維束2を約100m連続して走行させ、固定ガイドバー3より下流側における拡幅の終了位置4において、目視により繊維間に生じた幅1mm以上の隙間を、「糸割れ」として、その個数(発生数)を数える。
炭素繊維束のドレープ値は、図2、3に示す方法によって測定する。
炭素繊維束の元糸幅は、炭素繊維を引き出した際にパッケージ表面から炭素繊維束が離れる直前の糸幅を、全ボビンについて定規により0.1mm単位で測定し、その平均値を元糸幅とした。
樹脂含浸前の炭素繊維束の糸幅は、樹脂含浸前のパスライン上での糸幅を、パスラインを通過する全炭素繊維束について定規により0.1mm単位で測定し、その平均値を樹脂含浸前の糸幅とした。
アクリロニトリル99.5モル%、イタコン酸0.5モル%からなる固有粘度[η]が1.80のアクリロニトリル系重合体を20質量%含むジメチルスルホキシド溶液を紡糸原液として用意した。この紡糸原液を、孔径が0.15mmの6000個の紡糸孔を有する紡糸口金の各紡糸孔から一旦空気中に吐出し、次いで、10℃に温調されたジメチルスルホキシド35%水溶液から成る凝固浴に導入して、凝固糸を得た。得られた凝固糸を、水洗し、その後、延伸した。次いで、延伸された凝固糸に、アミノ変性シリコーン分散物を主成分とした界面活性剤を付与した後、界面活性剤が付与された凝固糸の乾燥緻密化を行った。次いで、乾燥緻密化された凝固糸を、スチーム延伸装置を用いて延伸し、円形断面で表面平滑な単糸の6000本からなる前駆体繊維束を得て、得られた前駆体繊維束をボビンに巻き取った。
実施例2乃至9、ならびに、比較例1乃至11
実施例1と同じ紡糸原液を使用して、口金の紡糸孔数、紡糸方法、紡糸・焼成条件を調整することによって、焼成後の単糸断面の長径/短径比、表面粗さが、表1乃至表3、ならびに、表4乃至表7に示される値を有する各種炭素繊維を製造した。
2:被測定繊維束
3:固定ガイドバー
4:拡幅の終了位置
5:ワインダー
6:拡幅された炭素繊維束
7a、7b:導入ロール
8:ヒーター
9a、9b:含浸ロール
10a、10b:引取ロール
11: 巻取装置
12:プリプレグ用樹脂シート
13:離型紙
21:試料固定具
30:ドレープ値の測定装置
31:測定台
40:プリプレグ化装置
41:パスライン
42:炭素繊維シート、プリプレグ用樹脂シート、離型紙を重ね合わせたもの
43:炭素繊維プリプレグ
A:四角柱
F:炭素繊維束
FP:ドレープ値の測定片
W:おもり
Claims (12)
- 多数の炭素繊維単糸からなる炭素繊維束と該炭素繊維束に含浸されているマトリックス樹脂からなる炭素繊維プリプレグであって、繊維配向角度が0°±3°以上の前記炭素繊維単糸の投影面積が、全体の前記炭素繊維単糸の投影面積の2%以下であり、前記炭素繊維プリプレグにおけるマトリックス樹脂の含有率が、15質量%乃至50質量%である炭素繊維プリプレグを製造する炭素繊維プリプレグの製造方法において、前記炭素繊維束に前記マトリックス樹脂を含浸させる前に、前記炭素繊維束に0.3乃至6cN/texの張力を付与して当該炭素繊維束を形成している多数の炭素繊維単糸を引き揃え、拡幅ロール1段当りの平均で10%以下の拡幅幅で、該炭素繊維束を予め目的幅の80乃至98%まで拡幅する工程を含む炭素繊維プリプレグの製造方法。
- 多数の炭素繊維単糸からなる炭素繊維束と該炭素繊維束に含浸されているマトリックス樹脂からなる炭素繊維プリプレグであって、該炭素繊維プリプレグを前記炭素繊維束の配列方向と直角に切断したときの切断面における前記炭素繊維プリプレグの表面からの深さが30μmであり、幅が100μmである単位面積当たりに含まれる前記炭素繊維単糸の数の百分率で表示した変動係数の値が、10%以下であり、前記炭素繊維プリプレグにおけるマトリックス樹脂の含有率が、15質量%乃至50質量%である炭素繊維プリプレグを製造する炭素繊維プリプレグの製造方法において、前記炭素繊維束に前記マトリックス樹脂を含浸させる前に、前記炭素繊維束に0.3乃至6cN/texの張力を付与して当該炭素繊維束を形成している多数の炭素繊維単糸を引き揃え、拡幅ロール1段当りの平均で10%以下の拡幅幅で、該炭素繊維束を予め目的幅の80乃至98%まで拡幅する工程を含む炭素繊維プリプレグの製造方法。
- 繊維配向角度が0°±3°以上の前記炭素繊維単糸の投影面積が、全体の前記炭素繊維単糸の投影面積の2%以下である請求項2に記載の炭素繊維プリプレグの製造方法。
- 繊維配向角度が0°±3°以上の前記炭素繊維単糸の投影面積が、全体の前記炭素繊維単糸の投影面積の0.8%以下である請求項1または3に記載の炭素繊維プリプレグの製造方法。
- 前記炭素繊維単糸の長径/短径比が、1.00乃至1.10であり、かつ、前記炭素繊維単糸の表面平滑度が、20以下である請求項1または2に記載の炭素繊維プリプレグの製造方法。
- 前記炭素繊維単糸の表面のSi/C原子数比率が、0.01以下である請求項1または2に記載の炭素繊維プリプレグの製造方法。
- 前記炭素繊維プリプレグにおける炭素繊維の目付が、30g/m2乃至100g/m2である請求項1または2に記載の炭素繊維プリプレグの製造方法。
- 前記マトリックス樹脂が、エポキシ樹脂組成物である請求項1または2に記載の炭素繊維プリプレグの製造方法。
- 炭素繊維束に付与する前記張力が、0.5乃至6cN/texである請求項1乃至8のいずれかに記載の炭素繊維プリプレグの製造方法。
- 前記炭素繊維束における繊維交絡度が、10以下である請求項1乃至8のいずれかに記載の炭素繊維プリプレグの製造方法。
- 前記炭素繊維束のドレープ値が、5cm乃至18cmである請求項1乃至8のいずれかに記載の炭素繊維プリプレグの製造方法。
- 請求項1乃至11のいずれかに記載の炭素繊維プリプレグの製造方法により炭素繊維プリプレグを製造した後、前記マトリックス樹脂を硬化させる炭素繊維強化複合材料の製造方法。
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