JP6040786B2 - Carbon fiber bundle - Google Patents

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Description

本発明は、剪断モード層間靭性GIICに優れた炭素繊維強化複合材料を得るのに好適な、炭素繊維とマトリックス樹脂間の応力伝達能力および交絡の程度が特定の範囲である炭素繊維束に関するものである。 The present invention relates to a carbon fiber bundle having a specific range of stress transmission ability and entanglement between carbon fiber and matrix resin, which is suitable for obtaining a carbon fiber reinforced composite material excellent in shear mode interlayer toughness G IIC. It is.

優れた比強度、比弾性率を有する炭素繊維は、地球規模のエネルギー問題解決に向けた有効な切り札の一つとして注目されている。なかでも航空機分野においては、金属材料からの置き換えによる大幅な機体の軽量化を目的として、炭素繊維強化複合材料の適用が世界的に加速している。航空機の軽量化には、炭素繊維強化複合材料の剛性を支配する炭素繊維の引張弾性率を向上させることが最も効果的であるが、樹脂含浸ストランド(以下、単にストランドという)弾性率を中心とした、炭素繊維のさらなる機械的特性の向上、さらには炭素繊維強化複合材料としての引張・圧縮強度の向上、また最近では炭素繊維強化複合材料の厚み方向の破壊に対する耐性である層間靭性など、幅広い物性バランスに優れることが求められている。層間靭性の一種である剪断モード層間靭性GIICは、物理的な衝撃に対する炭素繊維強化複合材料の信頼性の指標である衝撃後圧縮強度CAIとの相関が高いことも知られており、重要な機械的特性といえる。 Carbon fibers having excellent specific strength and specific elastic modulus are attracting attention as one of the effective trump cards for solving global energy problems. In particular, in the aircraft field, the application of carbon fiber reinforced composite materials is accelerating globally for the purpose of drastically reducing the weight of aircraft by replacing metal materials. For reducing the weight of aircraft, it is most effective to improve the tensile modulus of carbon fiber that governs the rigidity of the carbon fiber reinforced composite material. In addition, the mechanical properties of carbon fibers have been further improved, the tensile and compressive strength of carbon fiber reinforced composite materials has been improved, and recently, interlaminar toughness, which is resistant to fracture in the thickness direction of carbon fiber reinforced composite materials. An excellent balance of physical properties is required. It is also known that the shear mode interlaminar toughness G IIC , which is a kind of interlaminar toughness, has a high correlation with the post-impact compressive strength CAI, which is an index of the reliability of the carbon fiber reinforced composite material against physical impact. It can be said that it is a mechanical property.

炭素繊維強化複合材料の剪断モード層間靭性GIICを向上させる手法としては、これまで、マトリックス樹脂に着目した検討が主であり、マトリックス樹脂中に高靭性な熱可塑性樹脂粒子を配合したり(特許文献1)、マトリックス樹脂層の厚みを厚くしたりする(非特許文献1)ことが報告されている。マトリックス樹脂に着目した方法により剪断モード層間靭性GIICは高いレベルに至っており、さらなる向上には炭素繊維強化複合材料の剛性など他の機械的特性が低下する可能性があり容易ではない。そこで、マトリックス樹脂以外に着目した例として、Z−pinと呼ばれる細い棒状の補強材を炭素繊維強化複合材料の厚み方向に打ち込む方法(非特許文献2)や、ニードルパンチによって炭素繊維を部分的に破断させるとともに炭素繊維強化複合材料厚み方向に貫入させるZ−anchor(非特許文献3)と呼ばれる方法などが報告されているが、これらの手法には炭素繊維が局所的に屈曲したり不連続となったりするため炭素繊維強化複合材料面内方向の引張特性が低下するという問題があった。 As a technique for improving the shear mode interlaminar toughness G IIC of the carbon fiber reinforced composite material, investigations focusing on the matrix resin have so far been mainly conducted, and high toughness thermoplastic resin particles are blended in the matrix resin (patents). Document 1) and increasing the thickness of the matrix resin layer have been reported (Non-patent Document 1). The shear mode interlaminar toughness G IIC has reached a high level by the method focusing on the matrix resin, and further mechanical properties such as the rigidity of the carbon fiber reinforced composite material may be lowered for further improvement. Therefore, as an example that focuses on other than the matrix resin, a method of driving a thin rod-shaped reinforcing material called Z-pin in the thickness direction of the carbon fiber reinforced composite material (Non-patent Document 2), or carbon fiber partially by needle punching. A method called Z-anchor (Non-Patent Document 3) that breaks and penetrates in the thickness direction of the carbon fiber reinforced composite material has been reported. However, in these methods, the carbon fiber is locally bent or discontinuous. Therefore, there is a problem that the tensile properties in the in-plane direction of the carbon fiber reinforced composite material are deteriorated.

EP0274899号公報EP 0274899

“コンポジッツ・サイエンス・アンド・テクノロジー(Composites Science and Technology)”(オランダ)、1996年、56、p.1223.“Composites Science and Technology” (Netherlands), 1996, 56, p. 1223. “コンポジッツ:パートA(Composites: Part A)”(オランダ)、2005年、36、p.55.“Composites: Part A” (Netherlands), 2005, 36, p. 55. “コンポジッツ・サイエンス・アンド・テクノロジー(Composites Science and Technology)”(オランダ)、2009年、69、p.2323.“Composites Science and Technology” (Netherlands), 2009, 69, p. 2323.

本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであり、剪断モード層間靭性GIICに優れた炭素繊維強化複合材料を得るのに好適な炭素繊維束を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of said situation, and it aims at providing the carbon fiber bundle suitable for obtaining the carbon fiber reinforced composite material excellent in shear mode interlayer toughness GIIC .

本発明者らは、鋭意検討を行った結果、単繊維コンポジットのひずみ3.0%における、偏光顕微鏡観察により評価される特定の範囲の応力回復長さの単繊維の集合体からなり、特定の範囲の平均引き裂き可能距離を有する、電解表面処理が行われ、サイジング剤が塗布された炭素繊維束が、剪断モード層間靭性GIICに優れた炭素繊維強化複合材料を得るのに効果的であることを見出し、本発明に至った。すなわち、上記目的を達成するための本発明は、電解表面処理が行われ、サイジング剤が塗布された炭素繊維束であって、単繊維コンポジットのひずみ3.0%における、偏光顕微鏡観察により評価される応力回復長さが500μm以下である単繊維の集合体からなり、平均引き裂き可能距離が300〜600mmの炭素繊維束である。 As a result of intensive studies, the inventors of the present invention consisted of an assembly of single fibers having a stress recovery length within a specific range evaluated by observation with a polarizing microscope at a strain of 3.0% of the single fiber composite. A carbon fiber bundle having an average tearable distance in the range, subjected to electrolytic surface treatment and coated with a sizing agent is effective in obtaining a carbon fiber reinforced composite material having excellent shear mode interlayer toughness G IIC And found the present invention. That is, the present invention for achieving the above object is a carbon fiber bundle that has been subjected to electrolytic surface treatment and coated with a sizing agent, and was evaluated by observation with a polarizing microscope at a strain of 3.0% of a single fiber composite. The carbon fiber bundle is composed of a single fiber aggregate having a stress recovery length of 500 μm or less, and an average tearable distance of 300 to 600 mm.

本発明の炭素繊維束を用いることにより、剪断モード層間靭性GIICに優れた炭素繊維強化複合材料が得られる。そのため機体の軽量化に大きく貢献し、航空機の燃料消費率を改善することができる。 By using the carbon fiber bundle of the present invention, a carbon fiber reinforced composite material excellent in shear mode interlayer toughness G IIC can be obtained. This greatly contributes to weight reduction of the aircraft and can improve the fuel consumption rate of the aircraft.

図1は、引き裂き可能距離の測定方法を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a method of measuring a tearable distance. 図2は、単繊維コンポジットのひずみゲージの指示値が3.0%のときの破断繊維末端の偏光顕微鏡画像である。FIG. 2 is a polarization microscope image of a broken fiber end when the indicated value of the strain gauge of the single fiber composite is 3.0%.

本発明の炭素繊維束は、電解表面処理が行われ、サイジング剤が塗布された炭素繊維束であって、単繊維コンポジットのひずみ3.0%における、偏光顕微鏡観察により評価される応力回復長さが500μm以下である単繊維の集合体からなり、平均引き裂き可能距離が300〜600mmである炭素繊維束、である。 The carbon fiber bundle of the present invention is a carbon fiber bundle that has been subjected to electrolytic surface treatment and is coated with a sizing agent, and is a stress recovery length evaluated by observation with a polarizing microscope at a strain of 3.0% of a single fiber composite. Is a bundle of single fibers having a thickness of 500 μm or less, and a carbon fiber bundle having an average tearable distance of 300 to 600 mm.

本発明において、単繊維コンポジットとは炭素繊維単繊維をマトリックス樹脂に包埋して作製した炭素繊維強化複合材料のことを指し、通常の一方向炭素繊維強化複合材料と異なって炭素繊維単繊維がマトリックス樹脂中に独立して存在するために、繊維破断や局所的なマトリックス樹脂の変形挙動の観察が容易である。単繊維コンポジットの繊維軸方向に引張ひずみを付与していくと炭素繊維単繊維のランダムな位置で繊維破断が起こる。このとき生じる破断繊維末端において炭素繊維単繊維は応力をほとんど負担しないが、破断繊維末端から繊維軸方向に遠ざかるにつれてマトリックス樹脂の剪断変形を介して炭素繊維単繊維表面に応力が伝達されることで応力が次第に回復し、破断繊維末端からある距離離れると繊維破断が存在しない場合と同じだけの応力を負担できるようになる。破断繊維末端から応力が完全に回復する点までの距離を応力回復長さと称する。また、平均引き裂き可能距離とは炭素繊維束が内在する交絡の密度や強さを反映する値であり、かかる距離が短いほど密で強い交絡のネットワークを形成していることを意味する。   In the present invention, a single fiber composite refers to a carbon fiber reinforced composite material produced by embedding a carbon fiber single fiber in a matrix resin. Unlike a normal unidirectional carbon fiber reinforced composite material, Since they are present independently in the matrix resin, it is easy to observe fiber breakage and local deformation behavior of the matrix resin. When tensile strain is applied in the fiber axis direction of the single fiber composite, fiber breakage occurs at random positions of the carbon fiber single fiber. The carbon fiber monofilament hardly bears stress at the end of the broken fiber generated at this time, but the stress is transmitted to the surface of the carbon fiber monofilament through shear deformation of the matrix resin as it moves away from the end of the broken fiber in the fiber axis direction. The stress gradually recovers, and when it is separated from the end of the broken fiber by a certain distance, it becomes possible to bear the same amount of stress as when there is no fiber break. The distance from the end of the broken fiber to the point where the stress is completely recovered is called the stress recovery length. The average tearable distance is a value reflecting the density and strength of the entanglement in which the carbon fiber bundles are inherent, and means that the shorter the distance, the denser and stronger the entangled network is formed.

本発明の応力回復長さおよび平均引き裂き可能距離を特定の範囲とした炭素繊維束が、剪断モード層間靭性GIICに優れた炭素繊維強化複合材料を与える理由は、必ずしも明らかではないが、次のように考えている。すなわち、剪断モード層間靭性GIICは一方向炭素繊維強化複合材料に事前に導入しておいた亀裂を剪断変形により進展させるのに必要なエネルギーから算出される。前記亀裂は炭素繊維層とマトリックス樹脂層の境界界面付近を進展することが多いため、密で強い交絡のネットワークが形成していると、炭素繊維層とマトリックス樹脂層の境界界面付近での破壊形態が複雑化して、亀裂進展にあたって余分のエネルギーを消費することにより、剪断モード層間靭性GIICを向上させると推定している。加えて、応力回復長さが短いことは、炭素繊維単繊維の近傍のマトリックス樹脂の剪断降伏応力が高いことや、炭素繊維単繊維とマトリックス樹脂の界面が剥離しにくいことを意味するので、亀裂が進展するのに要するエネルギーが増加すると推定している。 The reason why the carbon fiber bundle having the stress recovery length and the average tearable distance of the present invention in a specific range gives a carbon fiber reinforced composite material excellent in shear mode interlayer toughness G IIC is not necessarily clear, but I think so. That is, the shear mode interlaminar toughness G IIC is calculated from the energy required to cause a crack introduced in advance in the unidirectional carbon fiber reinforced composite material to progress by shear deformation. Since the crack often propagates near the boundary interface between the carbon fiber layer and the matrix resin layer, if a dense and strong entanglement network is formed, the fracture form near the boundary interface between the carbon fiber layer and the matrix resin layer It is presumed that the shear mode interlaminar toughness G IIC is improved by complicating and consuming excess energy for crack propagation . In addition, a short stress recovery length means that the shear yield stress of the matrix resin in the vicinity of the carbon fiber monofilament is high and that the interface between the carbon fiber monofilament and the matrix resin is difficult to peel off. It is estimated that the energy required for progress will increase.

本発明の炭素繊維束は、平均引き裂き可能距離が300〜600mmである。平均引き裂き可能距離は短い方が良いが、過度に交絡を導入することで毛羽や糸切れが増加し、炭素繊維の品位および物性が低下するため、300mm程度が下限である。一方、平均引き裂き可能距離が600mm以下であれば、交絡が十分密で強いため、剪断モード層間靭性GIICが向上する。平均引き裂き可能距離は400〜600mmであることがより好ましく、400〜500mmがさらに好ましい。本発明の炭素繊維束において、平均引き裂き可能距離を上記範囲内とする手段としては、どのような方法も採用することができるが、簡便性および制御の容易性から、炭素繊維束に対して、または炭素繊維束の製造プロセスのいずれかの工程において、流体による交絡処理を用いることが好ましい(具体的な手段は後述する)。 The carbon fiber bundle of the present invention has an average tearable distance of 300 to 600 mm. The shorter average tearable distance is better, but if the entanglement is excessively introduced, fluff and yarn breakage increase, and the quality and physical properties of the carbon fiber decrease, so the lower limit is about 300 mm. On the other hand, if the average tearable distance is 600 mm or less, the entanglement is sufficiently dense and strong, so that the shear mode interlayer toughness G IIC is improved. The average tearable distance is more preferably 400 to 600 mm, and further preferably 400 to 500 mm. In the carbon fiber bundle of the present invention, as a means for setting the average tearable distance within the above range, any method can be adopted, but for simplicity and ease of control, for the carbon fiber bundle, Alternatively, it is preferable to use an entanglement treatment with a fluid in any step of the production process of the carbon fiber bundle (specific means will be described later).

本発明の炭素繊維束は、単繊維コンポジットのひずみ3.0%における、偏光顕微鏡観察により評価される応力回復長さが500μm以下である単繊維の集合体からなる。詳細な評価方法は後述するが、本発明において応力回復長さは単繊維コンポジットに段階的にひずみをかけて繊維破断を生じさせ、偏光顕微鏡により破断繊維末端の周辺の応力複屈折による発光の様子をとらえ、この発光のパターンを解析することによって評価する。破断繊維末端の偏光顕微鏡画像の一例を図2に示す。応力回復長さはマトリックス樹脂の種類や炭素繊維単繊維の表面状態など複数の因子の影響を受けるが、マトリックス樹脂の種類を固定すると、炭素繊維単繊維の表面状態の影響のみを取り出して評価することができる。該応力回復長さが500μm以下であれば実用上十分な応力伝達が期待でき、剪断モード層間靭性GIICが向上する。応力回復長さは短いほど良いが、例えば、エポキシ樹脂系のマトリックス樹脂およびサイジング剤の組み合わせの場合300μm程度が下限であることが多い。応力回復長さは350〜500μmであることが好ましく、400〜500μmであることがより好ましい。 The carbon fiber bundle of the present invention is composed of an aggregate of single fibers having a stress recovery length of 500 μm or less evaluated by observation with a polarizing microscope at a strain of 3.0% of the single fiber composite. Although the detailed evaluation method will be described later, in the present invention, the stress recovery length causes the fiber breakage by stepwise straining the single fiber composite, and the state of light emission due to the stress birefringence around the broken fiber end by a polarizing microscope This is evaluated by analyzing the light emission pattern. An example of a polarization microscope image of the broken fiber end is shown in FIG. The stress recovery length is affected by several factors such as the type of matrix resin and the surface condition of the carbon fiber monofilament, but when the type of matrix resin is fixed, only the influence of the surface condition of the carbon fiber monofilament is extracted and evaluated. be able to. If the stress recovery length is 500 μm or less, practically sufficient stress transmission can be expected, and the shear mode interlayer toughness G IIC is improved. The shorter the stress recovery length, the better. For example, in the case of a combination of an epoxy resin matrix resin and a sizing agent, the lower limit is often about 300 μm. The stress recovery length is preferably 350 to 500 μm, and more preferably 400 to 500 μm.

本発明の炭素繊維束は、単繊維コンポジットのひずみ3.0%における、偏光顕微鏡観察により評価される剥離長さが50μm以下である。詳細な評価方法は後述するが、本発明において剥離長さは前記応力回復長さと同様の手法で、単繊維コンポジットに段階的にひずみをかけて繊維破断を生じさせ、偏光顕微鏡により破断繊維末端の周辺の応力複屈折による発光の様子をとらえ、この発光のパターンを解析することによって評価する。炭素繊維とマトリックス樹脂の間で剥離が生じると、剥離した部分ではマトリックス樹脂の剪断変形を介した炭素繊維単繊維表面への応力伝達が行われなくなるか、またはマトリックス樹脂と炭素繊維単繊維表面の接触による摩擦力によるわずかな応力伝達が行われるにすぎなくなるため、前記応力回復長さが長くなり、剪断モード層間靭性GIICが低下することがある。剥離長さは30μm以下であることがより好ましく、15μm以下であることがさらに好ましい。 The carbon fiber bundle of the present invention has a peel length of 50 μm or less evaluated by observation with a polarizing microscope at a strain of 3.0% of the single fiber composite. Although the detailed evaluation method will be described later, in the present invention, the peel length is the same as the stress recovery length, and the single fiber composite is strained stepwise to cause fiber breakage. Evaluation is made by analyzing the light emission pattern by capturing the light emission caused by the stress birefringence around the periphery. When delamination occurs between the carbon fiber and the matrix resin, stress transfer to the carbon fiber monofilament surface through shear deformation of the matrix resin is not performed in the delaminated portion, or the matrix resin and the carbon fiber monofilament surface Since only a slight stress transmission due to the frictional force due to the contact is performed, the stress recovery length is increased, and the shear mode interlaminar toughness G IIC may be lowered. The peeling length is more preferably 30 μm or less, and further preferably 15 μm or less.

後述の好ましい表面処理およびサイジング剤塗布処理方法を用いることで、応力回復長さを500μm以下に、剥離長さを50μm以下にそれぞれ制御することができる。   By using the preferable surface treatment and sizing agent coating method described later, the stress recovery length can be controlled to 500 μm or less, and the peel length can be controlled to 50 μm or less.

本発明の炭素繊維束を得るのに好適な炭素繊維前駆体繊維束の製造方法について説明する。炭素繊維前駆体繊維束の製造において、ポリアクリロニトリル系重合体は、重量平均分子量が20万〜90万のものが好ましく、30万〜60万のものがより好ましい。重量平均分子量が20万を下回る場合、紡糸原液の粘度が不足して口金からの吐出が不安定となることがある。90万を超えるような高分子量のポリアクリロニトリル系重合体は、重合体溶液として紡糸するときに重合体濃度を低く設定する必要があり、溶媒使用量が増えるため経済的でない。ポリアクリロニトリル系重合体の重量平均分子量は、重合時のモノマー、開始剤および連鎖移動剤などの量を変えることにより制御することができる。具体的には、重合開始時のモノマー濃度を高くする、開始剤濃度を低くする、連鎖移動剤の濃度を少なくすることにより、重量平均分子量を高めることができる。なお、本発明においてポリアクリロニトリル系重合体とは、少なくともアクリロニトリルが重合体骨格の主構成成分となっているものをいい、主構成成分とは、通常、重合体骨格の90〜100mol%を占めることをいう。   A method for producing a carbon fiber precursor fiber bundle suitable for obtaining the carbon fiber bundle of the present invention will be described. In the production of the carbon fiber precursor fiber bundle, the polyacrylonitrile-based polymer preferably has a weight average molecular weight of 200,000 to 900,000, more preferably 300,000 to 600,000. If the weight average molecular weight is less than 200,000, the viscosity of the spinning dope may be insufficient and the discharge from the die may become unstable. A polyacrylonitrile polymer having a high molecular weight exceeding 900,000 is not economical because the polymer concentration needs to be set low when spinning as a polymer solution, and the amount of solvent used increases. The weight average molecular weight of the polyacrylonitrile-based polymer can be controlled by changing the amounts of monomers, initiators, chain transfer agents and the like during polymerization. Specifically, the weight average molecular weight can be increased by increasing the monomer concentration at the start of polymerization, decreasing the initiator concentration, and decreasing the chain transfer agent concentration. In the present invention, the polyacrylonitrile-based polymer means that at least acrylonitrile is the main constituent of the polymer skeleton, and the main constituent usually occupies 90 to 100 mol% of the polymer skeleton. Say.

炭素繊維前駆体繊維束の製造において、ポリアクリロニトリル系重合体は、製糸性向上の観点および、耐炎化処理を効率よく行う観点等から、共重合成分を含む。一般に、共重合成分の量が少ないと耐炎化反応が不均一となり、また、共重合成分の量が多いとそれ自身の部位が熱分解して炭素繊維の欠陥として認識される場合がある。好ましい共重合成分の量としては、0.1〜0.8質量%である。共重合成分としては、前記観点からカルボキシル基またはアミド基を一つ以上有するものが好ましく例示される。耐熱性の低下を防止するという目的からは、耐炎化促進効果の高いモノマーを少量用いることが好ましく、アミド基よりもカルボキシル基を有する共重合成分を用いることが好ましい。また、含有されるアミド基とカルボキシル基の数は、1つよりも2つ以上であることがより好ましく、その観点からは、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸およびメサコン酸が好ましく、イタコン酸、マレイン酸およびメサコン酸がより好ましく、中でも、イタコン酸が最も好ましい。   In the production of the carbon fiber precursor fiber bundle, the polyacrylonitrile-based polymer contains a copolymer component from the viewpoint of improving the yarn-making property and efficiently performing the flameproofing treatment. Generally, when the amount of the copolymer component is small, the flameproofing reaction becomes non-uniform, and when the amount of the copolymer component is large, the site itself may be thermally decomposed and recognized as a carbon fiber defect. A preferable amount of the copolymer component is 0.1 to 0.8% by mass. Preferred examples of the copolymer component include those having one or more carboxyl groups or amide groups from the above viewpoint. In order to prevent a decrease in heat resistance, it is preferable to use a small amount of a monomer having a high flame resistance promoting effect, and it is preferable to use a copolymer component having a carboxyl group rather than an amide group. Further, the number of amide groups and carboxyl groups contained is more preferably two or more than one, and from this viewpoint, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid Maleic acid and mesaconic acid are preferred, itaconic acid, maleic acid and mesaconic acid are more preferred, and itaconic acid is most preferred.

炭素繊維前駆体繊維束の製造において、ポリアクリロニトリル系重合体の製造方法としては、公知の重合方法の中から選択することができる。本発明の炭素繊維束を得るのに好適な炭素繊維前駆体繊維束の製造において、紡糸原液は、前記したポリアクリロニトリル系重合体を、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどのポリアクリロニトリルが可溶な溶媒に溶解したものである。紡糸原液の濃度は10〜23質量%とすることが好ましい。該紡糸溶液の濃度が10質量%に満たないと、溶媒使用量が増えるため経済的でなく、また、該紡糸溶液の濃度が23質量%を超えると、紡糸原液の保管時の安定性が低下したり、紡糸性のために該重合体の重量平均分子量を下げなければならない場合がある。   In the production of the carbon fiber precursor fiber bundle, the production method of the polyacrylonitrile-based polymer can be selected from known polymerization methods. In the production of a carbon fiber precursor fiber bundle suitable for obtaining the carbon fiber bundle of the present invention, the spinning dope is composed of the above-described polyacrylonitrile-based polymer and soluble in polyacrylonitrile such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide. Dissolved in an appropriate solvent. The concentration of the spinning dope is preferably 10 to 23% by mass. If the concentration of the spinning solution is less than 10% by mass, the amount of solvent used increases, which is not economical. If the concentration of the spinning solution exceeds 23% by mass, the stability of the stock solution for spinning decreases. In some cases, the weight average molecular weight of the polymer must be lowered for spinnability.

炭素繊維前駆体繊維束の製造において、製糸工程は、乾湿式紡糸法により紡糸口金から吐出させ紡糸する紡糸工程と、該紡糸工程で得られた繊維を水浴中で洗浄する水洗工程と、該水洗工程で得られた繊維を水浴中で延伸する水浴延伸工程と、該水浴延伸工程で得られた繊維を乾燥熱処理する乾燥熱処理工程からなり、必要に応じて、該乾燥熱処理工程で得られた繊維をスチーム延伸するスチーム延伸工程からなる。   In the production of the carbon fiber precursor fiber bundle, the spinning process includes a spinning process in which spinning is performed by discharging from a spinneret by a dry and wet spinning method, a water washing process in which fibers obtained in the spinning process are washed in a water bath, and the water washing. A fiber bath obtained by stretching a fiber obtained in the process in a water bath and a drying heat treatment process for drying and heat treating the fiber obtained in the water bath stretching process. It consists of a steam stretching process that stretches the steam.

炭素繊維前駆体繊維束の製造において、前記凝固浴には、紡糸原液の溶媒として用いたジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどの溶媒と、いわゆる凝固促進成分を含ませることが好ましい。凝固促進成分としては、前記ポリアクリロニトリル系重合体を溶解せず、かつ紡糸溶液に用いる溶媒と相溶性があるものを使用することができる。具体的には、凝固促進成分として水を使用することが好ましい。   In the production of the carbon fiber precursor fiber bundle, the coagulation bath preferably contains a solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and dimethylacetamide used as a solvent for the spinning dope and a so-called coagulation promoting component. As the coagulation accelerating component, a component that does not dissolve the polyacrylonitrile polymer and is compatible with the solvent used in the spinning solution can be used. Specifically, it is preferable to use water as a coagulation promoting component.

炭素繊維前駆体繊維束の製造において、水洗工程における水浴温度は20〜90℃の複数段からなる水洗浴を用い水洗することが好ましい。また、水浴延伸工程における延伸倍率は、1.3〜5倍であることが好ましく、より好ましくは2〜4倍である。水浴延伸工程の後、単繊維同士の接着を防止する目的から、糸条にシリコーン等からなる油剤を付与することが好ましい。かかるシリコーン油剤は、変性されたシリコーンを用いることが好ましく、耐熱性の高いアミノ変性シリコーンを含有するものを用いることが好ましい。   In the production of the carbon fiber precursor fiber bundle, the water bath temperature in the water washing step is preferably washed using a water bath having a plurality of stages of 20 to 90 ° C. Moreover, it is preferable that the draw ratio in a water bath extending process is 1.3-5 times, More preferably, it is 2-4 times. After the water bath stretching step, it is preferable to apply an oil agent made of silicone or the like to the yarn for the purpose of preventing adhesion between single fibers. As such a silicone oil agent, it is preferable to use a modified silicone, and it is preferable to use one containing an amino-modified silicone having high heat resistance.

前記した水洗工程、水浴延伸工程、油剤付与工程、公知の方法で行われた乾燥熱処理工程の後、必要に応じ、スチーム延伸を行うことにより、本発明の炭素繊維束を得るのに好適な炭素繊維前駆体繊維束が得られる。本発明において、スチーム延伸は、加圧スチーム中において、少なくとも3倍以上、より好ましくは4倍以上、さらに好ましくは5倍以上延伸するのがよい。   Carbon suitable for obtaining the carbon fiber bundle of the present invention by performing steam stretching as necessary after the water washing step, water bath stretching step, oil agent applying step, and drying heat treatment step performed by a known method. A fiber precursor fiber bundle is obtained. In the present invention, the steam stretching is preferably performed at least 3 times, more preferably 4 times or more, and still more preferably 5 times or more in the pressurized steam.

次に本発明で好適に用いられる炭素繊維束の製造方法について説明する。本発明の炭素繊維束は、前記した炭素繊維前駆体繊維束を耐炎化、予備炭素化、炭素化して得ることができる。   Next, the manufacturing method of the carbon fiber bundle used suitably by this invention is demonstrated. The carbon fiber bundle of the present invention can be obtained by flameproofing, pre-carbonizing, and carbonizing the carbon fiber precursor fiber bundle described above.

炭素繊維束の製造において、炭素繊維前駆体繊維束の耐炎化は暴走反応を生じない範囲でできるだけ高い温度で行うことが好ましく、具体的には200〜300℃の空気中において行うことが好ましい。耐炎化の処理時間は、好適には10〜100分の範囲で適宜選択することができるが、得られる炭素繊維の力学物性向上の目的から、得られる耐炎化繊維の比重が1.3〜1.4の範囲となるように設定することが好ましい。   In the production of the carbon fiber bundle, the flame resistance of the carbon fiber precursor fiber bundle is preferably performed at a temperature as high as possible without causing a runaway reaction, and specifically, it is preferably performed in air at 200 to 300 ° C. The treatment time for flame resistance can be suitably selected within a range of 10 to 100 minutes, but for the purpose of improving the mechanical properties of the obtained carbon fiber, the specific gravity of the obtained flame resistant fiber is 1.3 to 1. It is preferable to set so as to be in the range of .4.

炭素繊維束の製造において、前記耐炎化に引き続いて、予備炭素化を行う。予備炭素化工程においては、得られた耐炎化繊維を、不活性雰囲気中、最高温度500〜1200℃において、比重1.5〜1.8g/cm になるまで熱処理することが好ましい。 In the production of the carbon fiber bundle, preliminary carbonization is performed following the flame resistance. In the preliminary carbonization step, it is preferable that the obtained flame-resistant fiber is heat-treated in an inert atmosphere at a maximum temperature of 500 to 1200 ° C. until the specific gravity is 1.5 to 1.8 g / cm 3 .

炭素繊維束の製造において、前記予備炭素化に引き続いて、炭素化を行う。本発明では、炭素化工程において、得られた予備炭化繊維束を不活性雰囲気中、最高温度1200〜2000℃において、炭素化張力が式(1)を満たす範囲で炭素化する炭素繊維の製造方法であって、予備炭素化繊維束の平均引き裂き可能距離が500〜700mmである炭素繊維の製造方法であることが好ましい。
4.9≦炭素化張力(mN/dtex)≦−0.0225×(予備炭素化繊維束の平均引き裂き可能距離(mm))+23.5・・・(1)。
In the production of the carbon fiber bundle, carbonization is performed following the preliminary carbonization. In the present invention, in the carbonization step, the pre-carbonized fiber bundle obtained is carbonized in an inert atmosphere at a maximum temperature of 1200 to 2000 ° C. so that the carbonization tension satisfies the formula (1). And it is preferable that it is a manufacturing method of the carbon fiber whose average tearable distance of a pre-carbonized fiber bundle is 500-700 mm.
4.9 ≦ carbonization tension (mN / dtex) ≦ −0.0225 × (average tearable distance of pre-carbonized fiber bundle (mm)) + 23.5 (1).

炭素繊維束の製造において、炭素化工程の温度は、得られる炭素繊維のストランド弾性率を高める観点からは、高い方が好ましいが、高すぎると高強度領域の強度が低下する場合があり、両者を勘案して設定するのが良い。より好ましい温度範囲は1200〜1800℃であり、さらに好ましい温度範囲は、1200〜1600℃である。   In the production of carbon fiber bundles, the temperature of the carbonization step is preferably higher from the viewpoint of increasing the strand elastic modulus of the obtained carbon fiber, but if it is too high, the strength of the high strength region may be reduced. It is good to set in consideration. A more preferable temperature range is 1200 to 1800 ° C, and a more preferable temperature range is 1200 to 1600 ° C.

炭素繊維束の製造において、炭素化工程の張力(炭素化張力)は、炭素化炉出側で測定した張力(mN)をポリアクリロニトリル系前駆体繊維の絶乾時の繊度(dtex)で割った値で示すものとする。該張力を4.9mN/dtexよりも低くすると炭素繊維の結晶子配向を高めることができず、高いストランド弾性率を発現しない。また、該張力は、得られる炭素繊維のストランド弾性率を高める観点からは、高い方が好ましいが、高すぎると工程通過性や、品位が低下する場合があり、式(1)を満たす範囲で設定することが好ましい。式(1)の右辺の一次係数−0.0225の示す意味は、平均引き裂き可能距離の増加に伴う設定可能な該張力の低下勾配であり、定数項23.5は平均引き裂き可能距離を極限まで短くした場合に設定可能な該張力である。   In the production of carbon fiber bundles, the tension in the carbonization process (carbonization tension) was obtained by dividing the tension (mN) measured on the exit side of the carbonization furnace by the fineness (dtex) of the polyacrylonitrile-based precursor fiber when it was completely dry. It shall be indicated by value. When the tension is lower than 4.9 mN / dtex, the crystallite orientation of the carbon fiber cannot be increased, and a high strand elastic modulus is not exhibited. The tension is preferably higher from the viewpoint of increasing the strand elastic modulus of the carbon fiber to be obtained, but if it is too high, the process passability and the quality may be lowered, and the range satisfying the formula (1) is satisfied. It is preferable to set. The meaning of the first-order coefficient −0.0225 on the right-hand side of equation (1) is the tension gradient that can be set as the average tearable distance increases, and the constant term 23.5 represents the average tearable distance to the limit. This tension can be set when the length is shortened.

従来、交絡状態の評価手法として、フックドロップ法が一般的に用いられてきた。フックドロップ法による繊維束の交絡度は、JIS L1013(2010年)に規定されているように、測定に供する繊維束を垂下装置の上部に固定し、繊維束下端に錘をぶらさげ、試料を垂直にたらし、試料上部固定端から1cm下に、繊維束を2分割するように、直径0.6mmの表面を滑らかに仕上げた重さ10gのフックを挿入し、その降下距離測定するものである。   Conventionally, the hook drop method has been generally used as a method for evaluating the entangled state. As defined in JIS L1013 (2010), the degree of entanglement of the fiber bundle by the hook drop method is fixed to the upper part of the drooping device, the weight is suspended at the lower end of the fiber bundle, and the sample is placed vertically. After that, a hook with a weight of 10 g with a smooth surface of 0.6 mm in diameter is inserted so as to divide the fiber bundle into two parts 1 cm below the upper fixed end of the sample, and the descent distance is measured. .

炭素化工程における予備炭素化繊維束の交絡度として、従来のフックドロップ法ではなく、平均引き裂き可能距離を特定の範囲にすることで、炭素繊維高強度領域の強度低下を避けつつ、炭素化工程における高い延伸張力を発現できる。炭素化工程において高い延伸張力をかけるためには、単繊維間の応力伝達能力が高い繊維束状態をつくる必要があり、そのためには単繊維同士の細かい交絡ネットワークを形成することが重要である。従来のフックドロップ法は、フックを用いた「点」での評価であるのに対し、引き裂き可能距離は、束全体を見る「面」での評価であり、この相違点により、炭素化工程における高い延伸張力を発現するための状態を適切に規定できるものと考える。   As the degree of entanglement of the pre-carbonized fiber bundle in the carbonization process, it is not the conventional hook drop method, but by making the average tearable distance within a specific range, the carbonization process avoids the strength reduction of the carbon fiber high-strength region High stretching tension can be expressed. In order to apply a high drawing tension in the carbonization process, it is necessary to create a fiber bundle state in which the stress transmission ability between single fibers is high. For that purpose, it is important to form a fine entanglement network between single fibers. The conventional hook drop method is an evaluation at a “point” using a hook, whereas the tearable distance is an evaluation at a “surface” that looks at the entire bundle. Due to this difference, in the carbonization process, It is considered that a state for expressing a high stretching tension can be appropriately defined.

炭素繊維束の製造において、炭素化工程における予備炭素化繊維束の引き裂き可能距離は、短いほど交絡度が高く、単繊維間の応力伝達能力が高まり、炭素化工程における延伸張力を高めることができるが、該距離が500mm未満の場合は炭素繊維高強度領域の強度低下が起こりやすい。引き裂き可能距離が700mmを超える交絡処理を施していない、あるいは弱いものは、炭素化工程である一定確率で破断する単繊維分の応力を破断していない他の単繊維が負担することなり、単繊維間の構造バラツキとそれに伴う強度バラツキを誘起する。   In the production of carbon fiber bundles, the shorter the tearable distance of the pre-carbonized fiber bundle in the carbonization process, the higher the degree of entanglement, the higher the ability to transfer stress between single fibers, and the higher the drawing tension in the carbonization process. However, when the distance is less than 500 mm, the strength of the carbon fiber high strength region is likely to decrease. If the entangling process with a tearable distance exceeding 700 mm is not performed or weak, the stress of the single fiber that breaks with a certain probability, which is the carbonization process, is borne by the other single fiber that has not broken. It induces structural variation between fibers and accompanying strength variation.

炭素繊維束の製造において、前記した予備炭素化繊維の平均引き裂き可能距離を達成する手段は、前記した数値範囲が達成できれば、どのような方法も採用することができるが、本発明において、平均引き裂き可能距離を制御する方法としては、繊維束への流体による交絡処理が好ましく用いられる。中でも、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の製造工程および耐炎化工程のいずれかにおいて、すなわち繊維伸度が5%以上の繊維束をプロセスしている場所で流体交絡処理を行うことが好ましい。これら以外の工程では、繊維強度を低下させることがある。   In the production of the carbon fiber bundle, any means can be adopted as the means for achieving the average tearable distance of the preliminary carbonized fiber as long as the above numerical range can be achieved. As a method for controlling the possible distance, an entanglement process using a fluid to the fiber bundle is preferably used. Among them, it is preferable to perform the fluid entanglement process in any of the manufacturing process and the flameproofing process of the polyacrylonitrile-based precursor fiber, that is, in a place where a fiber bundle having a fiber elongation of 5% or more is processed. In other steps, fiber strength may be reduced.

流体交絡処理に用いる流体としては、気体、液体とも用いることができるが、空気又は窒素が安価な為好ましい。流体交絡処理において、流体はノズルを用いて繊維束に吹き付けることが好ましく、流体を吹き付けるノズル形状は特に限定されないが、2〜8箇所の噴出孔を有するものを用いることが好ましい。噴出口の配置は特に限定されないが、繊維束長手方向と流体の吹き付け方向の成す角が88°〜90°の範囲となるよう繊維束を取り囲むように偶数個の噴出孔を配置し、各々の噴出孔が2孔で1組となるよう対向する位置に配置することが好ましい。それ以外の流体交絡処理時の繊維束張力、流体の吐出圧等の条件は、引き裂き可能距離を適宜調整するように条件検討すればよい。   As the fluid used for the fluid entanglement treatment, both gas and liquid can be used, but air or nitrogen is preferable because it is inexpensive. In the fluid entanglement process, the fluid is preferably sprayed onto the fiber bundle using a nozzle, and the shape of the nozzle that sprays the fluid is not particularly limited, but it is preferable to use one having 2 to 8 ejection holes. The arrangement of the ejection ports is not particularly limited, but an even number of ejection holes are arranged so as to surround the fiber bundle so that the angle formed by the fiber bundle longitudinal direction and the fluid blowing direction is in the range of 88 ° to 90 °. It is preferable to arrange the ejection holes at opposing positions so that there are two holes and one set. Other conditions such as fiber bundle tension and fluid discharge pressure during the fluid entanglement process may be examined so as to adjust the tearable distance appropriately.

また、炭素化工程において、繊維束は実質的に無撚りであることが好ましい。ここで、実質的に無撚りとは、たとえ撚りが存在していても、繊維束1mあたり1ターン以下であることを意味する。   In the carbonization step, the fiber bundle is preferably substantially untwisted. Here, “substantially untwisted” means that it is 1 turn or less per 1 m of fiber bundle even if twist is present.

炭素繊維束のストランド強度、ストランド弾性率は高いほど、それを用いて得られる炭素繊維強化複合材料の特性向上の観点から好ましいが、それぞれ6200MPa以上、320GPa以上を両立することが好ましい。   The higher the strand strength and strand elastic modulus of the carbon fiber bundle, the better from the viewpoint of improving the properties of the carbon fiber reinforced composite material obtained using the same, but it is preferable that both 6200 MPa and 320 GPa are satisfied.

以上のようにして得られた炭素繊維束は、マトリックス樹脂との接着性を向上させるために、酸化処理が施され、酸素含有官能基が導入される。酸化処理方法としては、気相酸化、液相酸化および液相電解酸化が用いられるが、生産性が高く、均一処理ができるという観点から、液相電解酸化が好ましく用いられる。   The carbon fiber bundle obtained as described above is subjected to an oxidation treatment to introduce an oxygen-containing functional group in order to improve adhesion with the matrix resin. As the oxidation treatment method, vapor phase oxidation, liquid phase oxidation, and liquid phase electrolytic oxidation are used. From the viewpoint of high productivity and uniform treatment, liquid phase electrolytic oxidation is preferably used.

本発明において、液相電解酸化で用いられる電解液としては、酸性電解液およびアルカリ性電解液が挙げられるが接着性の観点からアルカリ性電解液中で液相電解酸化した後、サイジング剤を塗布することがより好ましい。   In the present invention, examples of the electrolytic solution used in the liquid phase electrolytic oxidation include an acidic electrolytic solution and an alkaline electrolytic solution. From the viewpoint of adhesion, a liquid phase electrolytic oxidation is performed in an alkaline electrolytic solution, and then a sizing agent is applied. Is more preferable.

本発明において、酸性電解液としては、例えば、硫酸、硝酸、塩酸、燐酸、ホウ酸、および炭酸等の無機酸、酢酸、酪酸、シュウ酸、アクリル酸、およびマレイン酸等の有機酸、または硫酸アンモニウムや硫酸水素アンモニウム等の塩が挙げられる。なかでも、強酸性を示す硫酸と硝酸が好ましく用いられる。   In the present invention, examples of the acidic electrolyte include inorganic acids such as sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, boric acid, and carbonic acid, organic acids such as acetic acid, butyric acid, oxalic acid, acrylic acid, and maleic acid, or ammonium sulfate. And salts such as ammonium hydrogen sulfate. Of these, sulfuric acid and nitric acid exhibiting strong acidity are preferably used.

本発明において、アルカリ性電解液としては、具体的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムおよび水酸化バリウム等の水酸化物の水溶液、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウムおよび炭酸アンモニウム等の炭酸塩の水溶液、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素マグネシウム、炭酸水素カルシウム、炭酸水素バリウムおよび炭酸水素アンモニウム等の炭酸水素塩の水溶液、アンモニア、水酸化テトラアルキルアンモニウムおよびヒドラジンの水溶液等が挙げられる。なかでも、マトリックス樹脂の硬化阻害を引き起こすアルカリ金属を含まないという観点から、炭酸アンモニウムおよび炭酸水素アンモニウムの水溶液、あるいは、強アルカリ性を示す水酸化テトラアルキルアンモニウムの水溶液が好ましく用いられる。   In the present invention, specific examples of the alkaline electrolyte include aqueous solutions of hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide and barium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, magnesium carbonate. , Aqueous solutions of carbonates such as calcium carbonate, barium carbonate and ammonium carbonate, aqueous solutions of bicarbonates such as sodium bicarbonate, potassium bicarbonate, magnesium bicarbonate, calcium bicarbonate, barium bicarbonate and ammonium bicarbonate, ammonia, water Examples include aqueous solutions of tetraalkylammonium oxide and hydrazine. Among these, from the viewpoint of not containing an alkali metal that causes curing inhibition of the matrix resin, an aqueous solution of ammonium carbonate and ammonium hydrogen carbonate or an aqueous solution of tetraalkylammonium hydroxide exhibiting strong alkalinity is preferably used.

本発明において、用いられる電解液の濃度は、0.01〜5モル/リットルの範囲内であることが好ましく、より好ましくは0.1〜1モル/リットルの範囲内である。電解液の濃度が0.01モル/リットル以上であると、電解処理電圧が下げられ、運転コストに有利になる。一方、電解液の濃度が5モル/リットル以下であると、安全性の観点から有利になる。   In this invention, it is preferable that the density | concentration of the electrolyte solution used exists in the range of 0.01-5 mol / liter, More preferably, it exists in the range of 0.1-1 mol / liter. When the concentration of the electrolytic solution is 0.01 mol / liter or more, the electrolytic treatment voltage is lowered, which is advantageous for the operating cost. On the other hand, when the concentration of the electrolytic solution is 5 mol / liter or less, it is advantageous from the viewpoint of safety.

本発明において、用いられる電解液の温度は、10〜100℃の範囲内であることが好ましく、より好ましくは10〜40℃の範囲内である。電解液の温度が10℃以上であると、電解処理の効率が向上し、運転コストに有利になる。一方、電解液の温度が100℃以下であると、安全性の観点から有利になる。   In the present invention, the temperature of the electrolytic solution used is preferably in the range of 10 to 100 ° C, more preferably in the range of 10 to 40 ° C. When the temperature of the electrolytic solution is 10 ° C. or higher, the efficiency of the electrolytic treatment is improved, which is advantageous for the operating cost. On the other hand, when the temperature of the electrolytic solution is 100 ° C. or lower, it is advantageous from the viewpoint of safety.

本発明において、液相電解酸化における電気量は、炭素繊維の炭化度に合わせて最適化することが好ましく、高弾性率の炭素繊維に処理を施す場合、より大きな電気量が必要である。   In the present invention, the amount of electricity in the liquid phase electrolytic oxidation is preferably optimized in accordance with the carbonization degree of the carbon fiber, and a larger amount of electricity is required when processing the carbon fiber having a high elastic modulus.

本発明において、液相電解酸化における電流密度は、電解処理液中の炭素繊維の表面積1m当たり1.5〜1000アンペア/mの範囲内であることが好ましく、より好ましくは3〜500アンペア/mの範囲内である。電流密度が1.5アンペア/m以上であると、電解処理の効率が向上し、運転コストに有利になる。一方、電流密度が1000アンペア/m以下であると、安全性の観点から有利になる。 In the present invention, the current density in the liquid phase electrolytic oxidation is preferably in the range of 1.5 to 1000 amperes / m 2 per 1 m 2 of the surface area of the carbon fiber in the electrolytic treatment solution, more preferably 3 to 500 amperes. / M 2 within the range. When the current density is 1.5 amperes / m 2 or more, the efficiency of the electrolytic treatment is improved, which is advantageous for the operating cost. On the other hand, when the current density is 1000 amperes / m 2 or less, it is advantageous from the viewpoint of safety.

また、本発明において、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3〜300クーロン/gであることが好ましい。電解電気量の総量が3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、剥離長さが長くなり、本発明の効果が得られないことがある。一方、電解電気量の総量が300クーロン/gを超えると、炭素繊維の引張強度が低下し、炭素繊維強化複合材料の引張強度が低下することがある。   In the present invention, the total amount of electrolytic electricity employed in the electrolytic treatment is preferably 3 to 300 coulomb / g per gram of carbon fiber. If the total amount of electrolytic electricity is less than 3 coulombs / g, there may be cases where sufficient functional groups cannot be imparted to the carbon fiber surface, and the peel length becomes long, and the effects of the present invention may not be obtained. On the other hand, if the total amount of electrolytic electricity exceeds 300 coulombs / g, the tensile strength of the carbon fiber may decrease, and the tensile strength of the carbon fiber reinforced composite material may decrease.

本発明において、電解処理の後、炭素繊維を水洗および乾燥することが好ましい。洗浄する方法としては、例えば、ディップ法とスプレー法を用いることができる。なかでも、洗浄が容易であるという観点から、ディップ法を用いることが好ましく、さらには、炭素繊維を超音波で加振させながらディップ法を用いることが好ましい態様である。また、乾燥温度が高すぎると炭素繊維の最表面に存在する官能基は熱分解により消失し易いため、できる限り低い温度で乾燥することが望ましく、具体的には乾燥温度が好ましくは250℃以下、さらに好ましくは210℃以下で乾燥することが好ましい。   In the present invention, it is preferable to wash and dry the carbon fiber after the electrolytic treatment. As a cleaning method, for example, a dip method and a spray method can be used. Especially, it is preferable to use a dip method from a viewpoint that washing | cleaning is easy, Furthermore, it is a preferable aspect to use a dip method, vibrating a carbon fiber with an ultrasonic wave. Also, if the drying temperature is too high, the functional groups present on the outermost surface of the carbon fiber are likely to disappear due to thermal decomposition, so it is desirable to dry at the lowest possible temperature. Specifically, the drying temperature is preferably 250 ° C. or lower. More preferably, drying is performed at 210 ° C. or lower.

かかる電解処理の後、得られた炭素繊維束に集束性を付与するため、炭素繊維束にサイジング処理される。サイジング剤には、複合材料に使用されるマトリックス樹脂の種類に応じて、マトリックス樹脂との相溶性の良いサイジング剤を適宜選択することができる。 After the electrolytic treatment, the carbon fiber bundle is subjected to sizing treatment in order to impart convergence to the obtained carbon fiber bundle . As the sizing agent, a sizing agent having good compatibility with the matrix resin can be appropriately selected according to the type of the matrix resin used in the composite material.

次に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not restrict | limited by these Examples.

<平均引き裂き可能距離>
炭素繊維束を1160mmの長さにカットし、その一端を水平な台上に粘着テープで動かないように固定した(この点を固定点Aと呼ぶ)。該繊維束の固定していない方の一端を指で2分割し、その一方を緊張させた状態で台上に粘着テープで動かないように固定した(この点を固定点Bと呼ぶ)。2分割した他方を、固定点Aが支点となり弛みが出ないよう台上に沿って動かし、固定点Bからの直線距離が500mmの位置で静止させ、台上に粘着テープで動かないように固定した(この点を固定点Cと呼ぶ)。固定点A、B、Cで囲まれた領域を目視で観察し、固定点Aから最も遠い交絡点を見つけ、固定点Aと固定点Bで結ばれる直線上に投影した距離を最低目盛りが1mmの定規で読み取り、引き裂き可能距離とした。前記操作の繰り返し30回の測定の算術平均値を平均引き裂き可能距離とした。引き裂き可能距離の測定方法を図1に示す。本測定方法において、固定点Aから最も遠い交絡点とは、固定点Aからの直線距離が最も遠く、かつ弛みのない3本以上の単繊維が交絡している点のことである。
<Average tearable distance>
The carbon fiber bundle was cut to a length of 1160 mm, and one end of the carbon fiber bundle was fixed on a horizontal base so as not to move with an adhesive tape (this point is called a fixing point A). One end of the fiber bundle that was not fixed was divided into two with a finger, and one of the ends was tensioned and fixed on the table so as not to move with an adhesive tape (this point is called a fixing point B). Move the other of the two halves along the table so that the fixed point A becomes a fulcrum and does not come loose, rest at a position where the linear distance from the fixed point B is 500 mm, and fix it on the table so that it does not move with adhesive tape. (This point is called a fixed point C). The area surrounded by the fixed points A, B, and C is visually observed, the entanglement point farthest from the fixed point A is found, and the distance projected on the straight line connecting the fixed point A and the fixed point B is 1 mm at the minimum scale. It was read with the ruler of No., and it was set as the tearable distance. The arithmetic average value of the measurement repeated 30 times was defined as the average tearable distance. A method of measuring the tearable distance is shown in FIG. In this measurement method, the entanglement point farthest from the fixed point A is the point where the linear distance from the fixed point A is the longest and three or more single fibers having no slack are entangled.

<炭素繊維強化複合材料の剪断モード層間靱性GIIC
一方向プリプレグを200×250mmの大きさに30枚切り出し、これを繊維方向が同じ方向になるように積層した。また、積層時、初期亀裂導入のために、離型処理したポリイミドフィルム(厚さ0.3mm)を、積層中央面に縁が繊維方向と直角になるよう挿入した。フィルムの先端は、積層体の縁から40mmのところに配置した。この積層体をオートクレーブ中で180℃、内圧0.6MPaの条件下、2時間加熱加圧して硬化し、一方向繊維強化複合材料を成形した。かかる一方向繊維強化複合材料を、20×195mmに切断し、試験片とした。この試験片をJIS K7086(1993)付属書2に従って、ENF試験を行った。
<Shear Mode Interlaminar Toughness G IIC of Carbon Fiber Reinforced Composite Material>
Thirty unidirectional prepregs were cut into a size of 200 × 250 mm and laminated so that the fiber directions were the same. Further, at the time of lamination, a polyimide film (thickness: 0.3 mm) subjected to mold release treatment was inserted into the central surface of the lamination so that the edge was perpendicular to the fiber direction in order to introduce an initial crack. The tip of the film was disposed at a position 40 mm from the edge of the laminate. This laminate was cured by heating and pressing for 2 hours in an autoclave under conditions of 180 ° C. and an internal pressure of 0.6 MPa to form a unidirectional fiber-reinforced composite material. The unidirectional fiber reinforced composite material was cut into 20 × 195 mm to obtain a test piece. This test piece was subjected to an ENF test in accordance with JIS K7086 (1993) appendix 2.

<炭素繊維のストランド強度とストランド弾性率>
炭素繊維束のストランド強度とストランド弾性率は、JIS−R−7608(2004)の樹脂含浸ストランド試験法に準拠し、次の手順に従い求めた。樹脂処方としては、“セロキサイド(登録商標)”2021P(ダイセル化学工業社製)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(東京化成工業(株)製)/アセトン=100/3/4(質量部)を用い、硬化条件としては、常圧、温度125℃、時間30分を用いた。炭素繊維束の樹脂含浸ストランド10本を測定し、その平均値をストランド引張強度およびストランド弾性率とした。
<Strand strength and strand elastic modulus of carbon fiber>
The strand strength and strand elastic modulus of the carbon fiber bundle were determined according to the following procedure in accordance with the resin impregnated strand test method of JIS-R-7608 (2004). As the resin formulation, “Celoxide (registered trademark)” 2021P (manufactured by Daicel Chemical Industries) / 3 boron trifluoride monoethylamine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) / Acetone = 100/3/4 (part by mass) is used. As curing conditions, normal pressure, temperature of 125 ° C., and time of 30 minutes were used. Ten resin-impregnated strands of carbon fiber bundles were measured, and the average values were defined as strand tensile strength and strand elastic modulus.

<平均応力回復長さ>
平均応力回復長さの評価は、次の(イ)〜(へ)の手順で行った。
(イ)樹脂の調整
ビスフェノールA型エポキシ樹脂化合物“エポトートYD−128”(新日鐵化学(株)製)190質量部とジエチレントリアミン(和光純薬工業(株)製)20.7質量部を容器に入れてスパチュラでかき混ぜ、自動真空脱泡装置を用いて脱泡した。
(ロ)炭素繊維単繊維のサンプリングとモールドへの固定
20cm程度の長さの炭素繊維束をほぼ4等分し、4つの束から順番に単繊維をサンプリングした。このとき、束全体からできるだけまんべんなくサンプリングした。次に、穴あき台紙の両端に両面テープを貼り、サンプリングした単繊維に一定張力を与えた状態で穴あき台紙に単繊維を固定した。次に、ポリエステルフィルム“ルミラー”(商標登録)(東レ(株)製)を貼り付けたガラス板を用意して、試験片の厚さを調整するための2mm厚のスペーサーをフィルム上に固定した。そのスペーサー上に単繊維を固定した穴あき台紙を置き、さらにその上に、同様にフィルムを貼り付けたガラス板をフィルムが貼り付いた面を下向きにセットした。このときに繊維の埋め込み深さを制御するために、厚み70μm程度のテープをフィルムの両端に貼り付けた。
(ハ)樹脂の注型から硬化まで
上記(ロ)の手順のモールド内(スペーサーとフィルムに囲まれた空間)に上記(イ)の手順で調整した樹脂を流し込んだ。樹脂を流し込んだモールドを、あらかじめ50℃に昇温させたオーブンを用いて5時間加熱後、降温速度2.5℃/分で30℃の温度まで降温した。その後、脱型、カットをして2cm×7.5cm×0.2cmの試験片を得た。このとき、試験片幅の中央0.5cm幅内に単繊維が位置するように試験片をカットした。
(ニ)繊維埋め込み深さ測定
上記(ハ)の手順で得られた試験片に対して、レーザーラマン分光光度計(日本分光 NRS−3200)のレーザーと532nmノッチフィルターを用いて繊維の埋め込み深さ測定を行った。まず、単繊維表面にレーザーを当て、レーザーのビーム径が最も小さくなるようにステージ高さを調整し、そのときの高さをA(μm)とする。次に試験片表面にレーザーを当て、レーザーのビーム径が最も小さくなるようにステージ高さを調整し、そのときの高さをB(μm)とする。繊維の埋め込み深さd(μm)は上記レーザーを使用して測定した樹脂の屈折率1.732を用いて、以下の式で計算した。
埋め込み深さd(μm)=(A−B)×1.732・・・(2)
(ホ)4点曲げ試験
上記(ハ)の手順で得られた試験片に対して、外側圧子50mm間隔、内側圧子20mm間隔の治具を用いて4点曲げで引張りひずみを負荷した。試験片の中心から幅方向に約5mm離れた位置に貼り付けたひずみゲージの指示値が、事前に式(3)により求めておいた単繊維コンポジットのひずみが3.0%となるときの値となるまでひずみを負荷し、以下の条件で偏光顕微鏡画像を取得した(参考として図2にひずみゲージの指示値が3.0%のときの破断繊維末端の偏光顕微鏡画像を示す)。
ε=ε×(2/κ)×(1000−d)/1000−0.14・・・(3)
ここで、εc(%)は単繊維コンポジットのひずみ、ε(%)はひずみゲージの指示値、κは用いたひずみゲージのゲージファクター、d(μm)は上記(ニ)の手順で測定した繊維埋め込み深さ、末尾の0.14(%)は残留ひずみである。
偏光顕微鏡:Olympus BX51
対物レンズ:50倍
画像サイズ:縦1024ピクセル、横1360ピクセル
観察範囲:試験片長手方向の中心部10mmの範囲
偏光条件:応力複屈折のパターンが繊維軸に対して鏡映対称かつ、逆位相となるように偏光板の方向を調節
画像取得:画像1枚あたり破断繊維末端が1つだけおさまるような視野を選んで、30枚の画像を取得
(へ)応力回復長さの評価
上記(ホ)で得られた各偏光顕微鏡画像を、画像処理ソフトウェアimageJ(イメージ・ジェイ)を用いて解析し、応力回復長さを求めた。まず、繊維軸が画像の長軸方向に一致するように傾きを微調整した。つぎに、画像を16ビットのグレースケールに変換した。続いて、頂点の一つが破断繊維末端に一致し(頂点A)、かかる頂点を含む長辺の一つが炭素繊維とマトリックス樹脂の界面と一致し、他方の長辺がマトリックス樹脂側に存在するような縦10ピクセル、横600ピクセルの矩形領域を選択し、縦方向の輝度情報を平均化して600ピクセルにわたる輝度変化の様子を算出した。かかる輝度データの絶対値の最大値と最小値を求め、輝度が0.01×(輝度最大値−輝度最小値)となる点Bを求め、頂点Aから点Bまでの距離を応力回復長さとした。上記矩形領域の選択の仕方には4通りあるので、残り3通りについても同様に実施し、これら4つの値の平均値を算出し、着目した破断繊維末端の応力回復長さとした。ただし、着目した破断繊維末端の繊維軸方向に1.2mm以内に別の破断繊維末端が存在する場合、これら2つの破断繊維末端にはさまれる領域については解析しなかった。これを30個の破断繊維末端それぞれに対して行った。こうして得られた各破断繊維末端の応力回復長さを単繊維コンポジットのひずみに対してプロットした後、最小二乗法により直線近似し、単繊維コンポジットのひずみが3.0%のときの応力回復長さを計算し、これを平均応力回復長さとした。
<Average stress recovery length>
The average stress recovery length was evaluated by the following procedures (a) to (f).
(A) Preparation of resin 190 parts by mass of bisphenol A type epoxy resin compound “Epototo YD-128” (manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.) and 20.7 parts by mass of diethylenetriamine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) The mixture was stirred with a spatula and defoamed using an automatic vacuum defoamer.
(B) Sampling of carbon fiber single fiber and fixing to mold A carbon fiber bundle having a length of about 20 cm was divided into approximately four equal parts, and single fibers were sampled in order from the four bundles. At this time, the entire bundle was sampled as evenly as possible. Next, double-sided tape was applied to both ends of the perforated mount, and the single fibers were fixed to the perforated mount in a state where a constant tension was applied to the sampled single fibers. Next, a glass plate on which a polyester film “Lumirror” (registered trademark) (manufactured by Toray Industries, Inc.) was attached was prepared, and a 2 mm thick spacer for adjusting the thickness of the test piece was fixed on the film. . A perforated mount with single fibers fixed thereon was placed on the spacer, and a glass plate on which a film was similarly attached was further set on the spacer with the surface on which the film was attached facing downward. At this time, in order to control the fiber embedding depth, a tape having a thickness of about 70 μm was attached to both ends of the film.
(C) From resin casting to curing The resin prepared in the procedure (a) was poured into the mold (the space surrounded by the spacer and the film) in the procedure (b). The mold into which the resin was poured was heated for 5 hours using an oven preliminarily heated to 50 ° C., and then cooled to a temperature of 30 ° C. at a temperature lowering rate of 2.5 ° C./min. Thereafter, the mold was removed and cut to obtain a test piece of 2 cm × 7.5 cm × 0.2 cm. At this time, the test piece was cut so that the single fiber was located within the center 0.5 cm width of the test piece width.
(D) Fiber Embedding Depth Measurement Fiber embedding depth for the test piece obtained in the procedure (c) above using a laser Raman spectrophotometer (JASCO NRS-3200) laser and a 532 nm notch filter. Measurements were made. First, a laser is applied to the surface of the single fiber, the stage height is adjusted so that the beam diameter of the laser becomes the smallest, and the height at that time is defined as A (μm). Next, a laser is applied to the surface of the test piece, the stage height is adjusted so that the beam diameter of the laser becomes the smallest, and the height at that time is defined as B (μm). The fiber embedding depth d (μm) was calculated by the following formula using the refractive index of the resin 1.732 measured using the above laser.
Embedding depth d (μm) = (A−B) × 1.732 (2)
(E) Four-point bending test Tensile strain was applied by four-point bending to the test piece obtained in the above procedure (c) using a jig having an outer indenter interval of 50 mm and an inner indenter interval of 20 mm. The value when the indicated value of the strain gauge affixed at a position about 5 mm away from the center of the test piece in the width direction is 3.0% for the strain of the single fiber composite obtained in advance by equation (3). The strain was loaded until the following conditions were obtained, and a polarizing microscope image was obtained under the following conditions (for reference, FIG. 2 shows a polarizing microscope image of a broken fiber end when the indicated value of the strain gauge is 3.0%).
ε c = ε × (2 / κ) × (1000−d) /1000−0.14 (3)
Here, ε c (%) is the strain of the single fiber composite, ε (%) is the indicated value of the strain gauge, κ is the gauge factor of the strain gauge used, and d (μm) is measured according to the above procedure (d). The fiber embedding depth, 0.14 (%) at the end is the residual strain.
Polarization microscope: Olympus BX51
Objective lens: 50 times Image size: Vertical 1024 pixels, Horizontal 1360 pixels Observation range: Range of the central part 10 mm in the longitudinal direction of the specimen Polarization condition: Stress birefringence pattern is mirror-symmetrical with respect to the fiber axis and antiphase Adjust the direction of the polarizing plate so as to obtain an image: Select a field of view so that only one end of the broken fiber per image is captured, and acquire 30 images (f) Evaluation of stress recovery length Above (e) Each polarization microscope image obtained in (1) was analyzed using image processing software imageJ (Image J), and the stress recovery length was determined. First, the inclination was finely adjusted so that the fiber axis coincided with the long axis direction of the image. The image was then converted to 16 bit grayscale. Subsequently, one of the vertices coincides with the broken fiber end (vertex A), one of the long sides including the vertex coincides with the interface between the carbon fiber and the matrix resin, and the other long side exists on the matrix resin side. A rectangular region of 10 pixels in the vertical direction and 600 pixels in the horizontal direction was selected, and the luminance information in the vertical direction was averaged to calculate the luminance change state over 600 pixels. The maximum and minimum absolute values of the luminance data are obtained, a point B where the luminance is 0.01 × (maximum luminance value−minimum luminance value) is obtained, and the distance from the vertex A to the point B is defined as the stress recovery length. did. Since there are four ways of selecting the rectangular region, the same method was applied to the remaining three ways, and an average value of these four values was calculated as the stress recovery length of the focused broken fiber end. However, when another broken fiber end exists within 1.2 mm in the fiber axis direction of the focused broken fiber end, the region sandwiched between these two broken fiber ends was not analyzed. This was done for each of the 30 broken fiber ends. After plotting the stress recovery length of each end of the broken fiber thus obtained against the strain of the single fiber composite, the stress recovery length when the strain of the single fiber composite is 3.0% is linearly approximated by the least square method. This was calculated as the average stress recovery length.

ここで注意点を述べる。すなわち、応力回復長さが長い場合、観察範囲に前記(ホ)項の画像取得の条件を満たす破断繊維末端が1つも存在しないことが考えられるが、その場合は(ホ)項において単繊維コンポジットのひずみを2.5%として偏光顕微鏡画像を取得し、(ヘ)項に従い単繊維コンポジットのひずみが2.5%のときの平均応力回復長さを評価し、これに係数1.2を乗じて単繊維コンポジットのひずみが3.0%のときの平均応力回復長さとすると良い。単繊維コンポジットのひずみを2.5%としても、観察範囲に前記(ホ)項の画像取得の条件を満たす破断繊維末端が1つも存在しない場合は、応力回復長さが長すぎるので評価を打ち切る。   Here are some points to note. That is, when the stress recovery length is long, it is considered that there is no broken fiber end that satisfies the image acquisition condition of the item (e) in the observation range. A polarizing microscope image is obtained with a strain of 2.5%, and the average stress recovery length when the strain of the single fiber composite is 2.5% is evaluated according to (f), and this is multiplied by a factor of 1.2. Thus, the average stress recovery length when the strain of the single fiber composite is 3.0% is preferable. Even if the strain of the single fiber composite is 2.5%, if there is no broken fiber end that satisfies the image acquisition condition in (e) above in the observation range, the stress recovery length is too long and the evaluation is terminated. .

<平均剥離長さ>
炭素繊維とマトリックス樹脂との間の平均剥離長さは、上記平均応力回復長さの評価と同様(イ)〜(ホ)までの手順を行ったのち、以下の手順(ト)に従い求めた。
(ト)剥離長さの評価
前記(ホ)で得られた各偏光顕微鏡画像について、破断繊維末端から繊維軸方向にたどり応力複屈折による発光が始まる点Cまでの距離を求め、破断繊維末端と点Cとの距離を着目した破断繊維末端の剥離長さとした。各破断繊維末端に対していずれか一方向のみ行った。これを30個の破断繊維末端それぞれに対して行った。こうして得られた各破断繊維末端の剥離長さを単繊維コンポジットのひずみに対してプロットした後、最小二乗法により直線近似し、単繊維コンポジットのひずみが3.0%のときの剥離長さを計算し、これを平均剥離長さとした。
<Average peel length>
The average peel length between the carbon fiber and the matrix resin was determined according to the following procedure (G) after performing the procedures (A) to (E) in the same manner as the evaluation of the average stress recovery length.
(G) Evaluation of peel length For each polarization microscope image obtained in (e) above, the distance from the end of the broken fiber to the point C where light emission due to stress birefringence starts in the fiber axis direction is determined, The distance from the point C was taken as the peel length at the end of the broken fiber. Only one direction was performed on each broken fiber end. This was done for each of the 30 broken fiber ends. After plotting the peel length of each end of the broken fiber thus obtained against the strain of the single fiber composite, linear approximation was performed by the least square method, and the peel length when the strain of the single fiber composite was 3.0% was calculated. This was calculated and this was taken as the average peel length.

[実施例1]
アクリロニトリル99.5mol%とイタコン酸0.5mol%からなる共重合体を、ジメチルスルホキシドを溶媒とし、2,2’−アゾビスイソブチロニトリルを開始剤として溶液重合法により重合させ、重量平均分子量40万、Mz/Mwが3.5のポリアクリロニトリル系共重合体を製造した。製造されたポリアクリロニトリル系重合体に、アンモニアガスをpH8.5になるまで吹き込み、重合体濃度が19質量%になるように調製して、紡糸溶液を得た。得られた紡糸溶液を、40℃で、直径0.15mm、孔数6,000の紡糸口金を用い、一旦空気中に吐出し、約4mmの空間を通過させた後、5℃にコントロールした70%ジメチルスルホキシドの水溶液からなる凝固浴に導入する乾湿式紡糸法により凝固糸条とした。この凝固糸条を、常法により水洗した後、2槽の温水浴中で、3.5倍の延伸を行った。続いて、この水浴延伸後の繊維束に対して、アミノ変性シリコーン系シリコーン油剤を付与し、160℃の加熱ローラーを用いて、乾燥緻密化処理を行い、交絡処理を行った。なお、実施例1で行った交絡処理は、繊維束長手方向と流体の吹き付け方向の成す角が90°で、かつ繊維束を取り囲むように8個の噴出孔を配置し、各々の噴出孔が2孔で1組となるよう対向する位置に配置した流体吹きつけノズルを用い、繊維束の張力が2mN/dtexの状態に調節し、かつ、流体の吐出圧力を0.25MPaに設定して流体を吹きつける処理であった。2糸条を合糸し、単繊維本数12000本としてから、加圧スチーム中で3.7倍延伸することにより、製糸全延伸倍率を13倍とし、単繊維繊度0.7dtex、単繊維本数12000本のポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を得た。次に、温度240〜260℃の空気中において、延伸比1で延伸しながらで耐炎化処理し、比重1.35〜1.36の耐炎化繊維束を得た。得られた耐炎化繊維束を、温度300〜800℃の窒素雰囲気中において、延伸比1.15で延伸しながら予備炭素化処理を行い、予備炭素化繊維束を得た。得られた予備炭素化繊維束を、窒素雰囲気中において、最高温度1500℃で、5.5mN/dtexの張力で炭素化処理を行い、炭素繊維束を得た。
[Example 1]
A copolymer composed of 99.5 mol% of acrylonitrile and 0.5 mol% of itaconic acid was polymerized by a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide as a solvent and 2,2′-azobisisobutyronitrile as an initiator, and a weight average molecular weight was obtained. A polyacrylonitrile copolymer having 400,000 and Mz / Mw of 3.5 was produced. Ammonia gas was blown into the manufactured polyacrylonitrile-based polymer until the pH reached 8.5, and the polymer concentration was adjusted to 19% by mass to obtain a spinning solution. The obtained spinning solution was ejected into the air once at 40 ° C. using a spinneret having a diameter of 0.15 mm and a hole number of 6,000, passed through a space of about 4 mm, and then controlled at 5 ° C. 70 A coagulated yarn was obtained by a dry and wet spinning method introduced into a coagulation bath comprising an aqueous solution of% dimethyl sulfoxide. The coagulated yarn was washed with water by a conventional method, and then stretched 3.5 times in two warm water baths. Subsequently, an amino-modified silicone-based silicone oil agent was applied to the fiber bundle after stretching in the water bath, and a drying densification treatment was performed using a 160 ° C. heating roller to perform an entanglement treatment. In the entanglement process performed in Example 1, the angle formed by the longitudinal direction of the fiber bundle and the fluid blowing direction is 90 °, and eight ejection holes are arranged so as to surround the fiber bundle. Using fluid spray nozzles arranged at opposing positions so as to form a pair with two holes, the tension of the fiber bundle is adjusted to 2 mN / dtex, and the fluid discharge pressure is set to 0.25 MPa. It was a process of spraying. Two yarns are combined and the number of single fibers is 12,000, and the resultant is stretched 3.7 times in pressurized steam, so that the total draw ratio is 13 times, the single fiber fineness is 0.7 dtex, and the number of single fibers is 12000. A polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle was obtained. Next, in the air of 240-260 degreeC, it flame-proofed, extending | stretching by the draw ratio 1, and obtained the flame-resistant fiber bundle of specific gravity 1.35-1.36. The obtained flame-resistant fiber bundle was subjected to a preliminary carbonization treatment while being stretched at a stretch ratio of 1.15 in a nitrogen atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. to obtain a preliminary carbonized fiber bundle. The obtained preliminary carbonized fiber bundle was carbonized at a maximum temperature of 1500 ° C. and a tension of 5.5 mN / dtex in a nitrogen atmosphere to obtain a carbon fiber bundle.

得た炭素繊維束を、濃度0.1モル/lの炭酸水素アンモニウム水溶液を電解液として、電気量を炭素繊維1g当たり80クーロンで電解表面処理した。この電解表面処理を施された炭素繊維を続いて水洗し、150℃の温度の加熱空気中で乾燥し、電解処理された炭素繊維束を得た。このときの表面酸素濃度O/Cは、0.15であった。ついで、ビスフェノールAのジグリシジルエーテル“jER(登録商標)”828(三菱化学(株)製)を10質量部とビスフェノールAのジグリシジルエーテル“jER(登録商標)”1001(三菱化学(株)製)を10質量部、ビスフェノールAのEO2モル付加物2モルとマレイン酸1.5モル、セバチン酸0.5モルの縮合物を20質量部および乳化剤としてポリオキシエチレン(70モル)スチレン化(5モル)クミルフェノールを10質量部からなる水分散エマルジョンを調合した後、ポリグリセリンポリグリシジルエーテル“デナコール(登録商標)”EX−521(ナガセケムテックス(株)製)を50質量部混合してサイジング液を調合した。このサイジング剤を浸漬法により電解処理された炭素繊維束に塗布した後、210℃の温度で75秒間熱処理をして、サイジング剤を塗布した炭素繊維束を得た。サイジング剤の付着量は、電解処理された炭素繊維束100質量部に対して1.0質量部となるように調整した。かかるサイジング剤を塗布した炭素繊維束について、平均引き裂き可能距離およびストランド強度、ストランド弾性率を評価した。また、単繊維を抜き取り、平均応力回復長さおよび平均剥離長さを評価した。   The obtained carbon fiber bundle was subjected to electrolytic surface treatment using an aqueous ammonium hydrogen carbonate solution having a concentration of 0.1 mol / l as an electrolytic solution at an electric charge of 80 coulomb per 1 g of carbon fiber. The carbon fiber subjected to the electrolytic surface treatment was subsequently washed with water and dried in heated air at a temperature of 150 ° C. to obtain an electrolytically treated carbon fiber bundle. At this time, the surface oxygen concentration O / C was 0.15. Next, 10 parts by mass of bisphenol A diglycidyl ether “jER (registered trademark)” 828 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) and bisphenol A diglycidyl ether “jER (registered trademark)” 1001 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) ) 10 parts by mass, bisphenol A EO 2 mol adduct 2 mol, maleic acid 1.5 mol, sebacic acid 0.5 mol condensate 20 parts by mass and emulsifier polyoxyethylene (70 mol) styrenation (5 Mol) After preparing an aqueous dispersion emulsion consisting of 10 parts by mass of cumylphenol, 50 parts by mass of polyglycerol polyglycidyl ether “Denacol (registered trademark)” EX-521 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation) was mixed. A sizing solution was prepared. This sizing agent was applied to a carbon fiber bundle that was electrolytically treated by an immersion method, and then heat treated at a temperature of 210 ° C. for 75 seconds to obtain a carbon fiber bundle to which the sizing agent was applied. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted to be 1.0 part by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber bundle subjected to electrolytic treatment. About the carbon fiber bundle which apply | coated this sizing agent, average tearable distance, strand strength, and strand elastic modulus were evaluated. Moreover, single fiber was extracted and average stress recovery length and average peeling length were evaluated.

かかるサイジング剤を塗布した炭素繊維束から、次の手順でプリプレグを作製した。まず、混練装置で、(A)成分としてテトラグリシジルジアミノジフェニルメタン“スミエポキシ(登録商標)”ELM434(住友化学(株)製)を35質量部とビスフェノールAのジグリシジルエーテル“jER(登録商標)”828(三菱化学(株)製)を35質量部とN−ジグリシジルアニリンGAN(日本化薬(株)製)を30質量部に、14質量部のスミカエクセル5003Pを配合して溶解した後、(B)成分である4,4’−ジアミノジフェニルスルホンを40質量部混練して、炭素繊維強化複合材料用のエポキシ樹脂組成物を作製した。得られたエポキシ樹脂組成物を、ナイフコーターを用いて樹脂目付52g/mで離型紙上にコーティングし、樹脂フィルムを作製した。この樹脂フィルムを、目付けが190g/mとなるように拡幅し一方向に引き揃えたサイジング剤を塗布した炭素繊維束の両側に重ね合せて、ヒートロールを用い、温度100℃、気圧1気圧で加熱加圧しながらエポキシ樹脂組成物をサイジング剤塗布炭素繊維に含浸させ一方向プリプレグを得た。かかる一方向プリプレグを用いてGIICを評価した。 A prepreg was produced from the carbon fiber bundle coated with the sizing agent by the following procedure. First, 35 parts by mass of tetraglycidyldiaminodiphenylmethane “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) and diglycidyl ether of bisphenol A “jER (registered trademark)” 828 as a component (A) in a kneading apparatus. (Mitsubishi Chemical Co., Ltd.) 35 parts by mass and N-diglycidylaniline GAN (Nippon Kayaku Co., Ltd.) 30 parts by mass, 14 parts by mass of Sumika Excel 5003P were dissolved, 40 parts by mass of 4,4′-diaminodiphenylsulfone as component B) was kneaded to prepare an epoxy resin composition for a carbon fiber reinforced composite material. The obtained epoxy resin composition was coated on a release paper with a resin basis weight of 52 g / m 2 using a knife coater to prepare a resin film. This resin film is overlapped on both sides of a carbon fiber bundle coated with a sizing agent that is widened so that the basis weight is 190 g / m 2 and aligned in one direction, and using a heat roll, the temperature is 100 ° C. and the atmospheric pressure is 1 atm. The sizing agent-coated carbon fiber was impregnated with the epoxy resin composition while being heated and pressurized at 1 to obtain a unidirectional prepreg. G IIC was evaluated using such a unidirectional prepreg.

[実施例2]
交絡処理における繊維束の張力を3mN/dtexにした以外は、実施例1と同様にして評価を行った。
[Example 2]
Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the tension of the fiber bundle in the entanglement treatment was changed to 3 mN / dtex.

[実施例3]
3℃にコントロールした30%ジメチルスルホキシドの水溶液からなる凝固浴を用いて紡糸した以外は、実施例2と同様にして評価を行った。
[Example 3]
Evaluation was carried out in the same manner as in Example 2 except that spinning was performed using a coagulation bath composed of an aqueous solution of 30% dimethyl sulfoxide controlled at 3 ° C.

[実施例4]
溶液重合時に開始剤の量や投入タイミングを調整することで重量平均分子量60万、Mz/Mwが1.8、重合体濃度が15%の紡糸溶液を得て、それを用いた以外は、実施例3と同様にして評価を行った。
[Example 4]
Except that a spinning solution having a weight average molecular weight of 600,000, Mz / Mw of 1.8, and a polymer concentration of 15% was obtained by adjusting the amount of initiator and charging timing at the time of solution polymerization. Evaluation was carried out in the same manner as in Example 3.

[比較例1]
交絡処理における繊維束の張力を2mN/dtex、流体の吐出圧力を0.20MPaにした以外は実施例4と同様にして評価を行った。
[Comparative Example 1]
Evaluation was performed in the same manner as in Example 4 except that the tension of the fiber bundle in the entanglement treatment was 2 mN / dtex and the discharge pressure of the fluid was 0.20 MPa.

[比較例2]
電解表面処理を行わなかった以外は実施例1と同様にして評価を行った。
[Comparative Example 2]
Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the electrolytic surface treatment was not performed.

[比較例3]
電解表面処理を行わなかった以外は実施例3と同様にして評価を行った。
[Comparative Example 3]
Evaluation was performed in the same manner as in Example 3 except that the electrolytic surface treatment was not performed.

[実施例5]
交絡処理を、アミノ変性シリコーン系シリコーン油剤を付与する前に、繊維束の張力が2mN/dtexの状態に調節し、かつ、流体の吐出圧力を0.35MPaに設定して行った以外は、実施例3と同様にして評価を行った。
[Example 5]
The entangling process was carried out except that the tension of the fiber bundle was adjusted to 2 mN / dtex and the fluid discharge pressure was set to 0.35 MPa before applying the amino-modified silicone-based silicone fluid. Evaluation was carried out in the same manner as in Example 3.

[実施例6]
サイジング剤の付着量を、電解処理された炭素繊維束100質量部に対して0.4質量部となるように調整した以外は、実施例1と同様にして評価を行った。
[Example 6]
Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the amount of the sizing agent adhered was adjusted to 0.4 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber bundle subjected to electrolytic treatment.

[比較例4]
サイジング剤の付着量を、電解処理された炭素繊維束100質量部に対して0.2質量部となるように調整した以外は、実施例1と同様にして評価を行った。
[Comparative Example 4]
Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the amount of the sizing agent attached was adjusted to 0.2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber bundle subjected to electrolytic treatment.

[比較例5]
使用したサイジング液を“jER(登録商標)”828、“jER(登録商標)”1001、ビスフェノールAのEO2モル付加物2モルとマレイン酸1.5モル、セバチン酸0.5モルの縮合物、“デナコール(登録商標)”EX−521を10:10:20:50から22.5:22.5:45:0に変更した以外は、実施例1と同様にして評価を行った。
[Comparative Example 5]
The sizing solution used was “jER (registered trademark)” 828, “jER (registered trademark)” 1001, 2 mol of EO2 mol adduct of bisphenol A, 1.5 mol of maleic acid, and 0.5 mol of sebacic acid, Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that “Denacol (registered trademark)” EX-521 was changed from 10: 10: 20: 50 to 22.5: 22.5: 45: 0.

[実施例7]
電解表面処理時の電解液を濃度0.1モル/lの硫酸水溶液とし、電気量を炭素繊維1g当たり10クーロンとした以外は、実施例1と同様にして評価を行った。
[Example 7]
Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the electrolytic solution at the time of electrolytic surface treatment was a sulfuric acid aqueous solution having a concentration of 0.1 mol / l and the amount of electricity was 10 coulomb per gram of carbon fiber.

[実施例8]
電解表面処理時の電気量を炭素繊維1g当たり500クーロンとした以外は、実施例1と同様にして評価を行った。
[Example 8]
Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the amount of electricity at the electrolytic surface treatment was 500 coulomb per gram of carbon fiber.

1:繊維束
2:固定点A
3:固定点B
4:固定点C
5:交絡点
6:引き裂き可能距離
1: Fiber bundle 2: Fixed point A
3: Fixed point B
4: Fixed point C
5: Entanglement point 6: Tearable distance

本発明の炭素繊維束を用いると、剪断モード層間靭性GIICに優れた炭素繊維強化複合材料が得られる。そのため機体の軽量化に大きく貢献し、航空機の燃料消費率を改善することができる。 When the carbon fiber bundle of the present invention is used, a carbon fiber reinforced composite material having excellent shear mode interlayer toughness G IIC can be obtained. This greatly contributes to weight reduction of the aircraft and can improve the fuel consumption rate of the aircraft.

Claims (3)

電解表面処理が行われ、サイジング剤が塗布された炭素繊維束であって、単繊維コンポジットのひずみ3.0%における、偏光顕微鏡観察により評価される平均応力回復長さが500μm以下である単繊維の集合体からなり、平均引き裂き可能距離が300〜600mmである炭素繊維束。 A carbon fiber bundle that has been subjected to electrolytic surface treatment and coated with a sizing agent, and has an average stress recovery length of 500 μm or less evaluated by observation with a polarizing microscope at a strain of 3.0% of the single fiber composite. The carbon fiber bundle which consists of an aggregate | assembly of this, and the average tearable distance is 300-600 mm. 単繊維コンポジットのひずみ3.0%における、偏光顕微鏡観察により評価される平均剥離長さが50μm以下である単繊維の集合体からなる、請求項1記載の炭素繊維束。 The carbon fiber bundle according to claim 1, comprising an aggregate of single fibers having an average peel length of 50 µm or less evaluated by observation with a polarizing microscope at a strain of 3.0% of the single fiber composite. ストランド強度が6200MPa以上、かつストランド弾性率が320GPa以上である、請求項1または2に記載の炭素繊維束。 The carbon fiber bundle according to claim 1 or 2, wherein the strand strength is 6200 MPa or more and the strand elastic modulus is 320 GPa or more.
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