JP6083919B1 - 炭素繊維用サイジング剤、炭素繊維用サイジング剤の調製方法及び炭素繊維用サイジング剤の水性液 - Google Patents
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Abstract
【課題】その水性液を長期間高温で保管しても優れた安定性を持続し、またそれを付着させた炭素繊維束に優れた集束性を付与すると共にそれを付着させた炭素繊維束の経時硬化を抑制し、更にそれを付着させた炭素繊維束が熱硬化性や熱可塑性のマトリックス樹脂に対し優れた接着性を示す炭素繊維用サイジング剤、かかる炭素繊維用サイジング剤の調製方法及びかかる炭素繊維用サイジング剤の水性液を提供する。【解決手段】炭素繊維用サイジング剤として、ビニルエステル樹脂、非イオン界面活性剤及び重合禁止剤を含有しており、該重合禁止剤を１００〜３０００ｐｐｍの割合で含有していて、且つ該ビニルエステル樹脂が酸価１０〜３０ｍｇ／ｇ−ＫＯＨのものであるものを用いた。【選択図】なし
Description
本発明は、その水性液を長期間高温で保管しても優れた安定性を持続し、またそれを付着させた炭素繊維に優れた集束性を付与すると共にそれを付着させた炭素繊維束の経時硬化を抑制し、更にそれを付着させた炭素繊維束が熱硬化性や熱可塑性のマトリックス樹脂に対し優れた接着性を示す炭素繊維用サイジング剤、かかる炭素繊維用サイジング剤の調製方法及びかかる炭素繊維用サイジング剤の水性液に関する。
従来、炭素繊維用サイジング剤として、ビニルエステル樹脂及び芳香環を有するウレタン樹脂を含有するもの（例えば、特許文献１参照）、酸変性ポリオレフィン樹脂及びビニルエステル化合物を含有するもの（例えば、特許文献２参照）、発熱性官能基含有化合物及び熱可塑性樹脂を含有するもの（例えば、特許文献３参照）等が提案されている。しかし、これら従来の炭素繊維用サイジング剤にはいずれも、高温時の安定性が不充分であり、またそれを付着させた炭素繊維束の経時硬化を誘発し、更にそれを付着させた炭素繊維束を複合材料に使用した場合に熱硬化性や熱可塑性のマトリックス樹脂に対して接着性が不充分という問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、その水性液を長期間高温で保管しても優れた安定性を持続し、またそれを付着させた炭素繊維束に優れた集束性を付与すると共にそれを付着させた炭素繊維束の経時硬化を抑制し、更にそれを付着させた炭素繊維束が熱硬化性や熱可塑性のマトリックス樹脂に対し優れた接着性を示す炭素繊維用サイジング剤、かかる炭素繊維用サイジング剤の調製方法及びかかる炭素繊維用サイジング剤の水性液を提供する処にある。
本発明者らは、前記の課題を解決するべく研究した結果、特定の３成分を含有して成る炭素繊維用サイジング剤が正しく好適であることを見出した。
すなわち本発明は、下記のビニルエステル樹脂、下記の非イオン界面活性剤及び重合禁止剤を含有しており、該ビニルエステル樹脂／該非イオン界面活性剤＝５５／４５〜７０／３０（質量比）の割合で含有し、該重合禁止剤を１００〜３０００ｐｐｍの割合で含有していて、且つ該ビニルエステル樹脂が酸価１０〜３０ｍｇ／ｇ−ＫＯＨのものであることを特徴とする炭素繊維用サイジング剤に係る。また本発明は、かかるサイジング剤の調整方法及びかかるサイジング剤の水性液に係る。
ビニルエステル樹脂：ビスフェノールＡ型エポキシ化合物のアクリレート、ビスフェノールＡ型エポキシ化合物のメタクリレート、ビスフェノールＦ型エポキシ化合物のアクリレート、ビスフェノールＦ型エポキシ化合物のメタクリレート、ビスフェノールＡのアルキレンオキサイドのアクリレート、ビスフェノールＡのアルキレンオキサイドのメタクリレート、ビスフェノールＦのアルキレンオキサイドのアクリレート、ビスフェノールＦのアルキレンオキサイドのメタクリレート、トリメチロールプロパンのアクリレート及びトリメチロールプロパンのメタクリレートから選ばれるもの。
非イオン界面活性剤：スチレン化フェノールにエチレンオキシド及び／又はプロピレンオキシドを付加させたもの。
先ず、本発明に係る炭素繊維用サイジング剤（以下、本発明のサイジング剤という）について説明する。本発明のサイジング剤は、特定の３成分を含有し、これらの３成分のうちでビニルエステル樹脂と非イオン界面活性剤を特定の割合で含有していて、また重合禁止剤を特定の割合で含有して成る炭素繊維用サイジング剤である。
本発明のサイジング剤に供するビニルエステル樹脂は、ビスフェノールＡ型エポキシ化合物のアクリレート、ビスフェノールＡ型エポキシ化合物のメタクリレート、ビスフェノールＦ型エポキシ化合物のアクリレート、ビスフェノールＦ型エポキシ化合物のメタクリレート、ビスフェノールＡのアルキレンオキサイドのアクリレート、ビスフェノールＡのアルキレンオキサイドのメタクリレート、ビスフェノールＦのアルキレンオキサイドのアクリレート、ビスフェノールＦのアルキレンオキサイドのメタクリレート、トリメチロールプロパンのアクリレート及びトリメチロールプロパンのメタクリレートから選ばれるものである。
本発明のサイジング剤に供するビニルエステル樹脂は、以上説明したようなビニルエステル樹脂であって、且つ酸価が１０〜３０ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであるものである。ビニルエステル樹脂の酸価は、精秤したビニルエステル樹脂をアセトン溶媒に溶解後、０．１ｍｏｌ／ＬのＫＯＨメタノール溶液にて電位差滴定法により測定できる。
本発明のサイジング剤に供する非イオン界面活性剤は、モノスチレン化フェノール、ジスチレン化フェノール、トリスチレン化フェノール等のスチレン化フェノールにエチレンオキシド及び／又はプロピレンオキシドを付加させたものである。エチレンオキシド／プロピレンオキシドの付加モル数やモル比率は特に制限されない。また付加形態についても特に制限はなく、ブロック付加、ランダム付加のいずれでもよい。更に製造方法にも特に制限はない。これらの非イオン界面活性剤は、単独で用いることもできるし、２種以上を併用することもできる。以上説明したビニルエステル樹脂と非イオン界面活性剤は、後述する実施例で挙げるように、ビニルエステル樹脂／非イオン界面活性剤＝５５／４５〜７０／３０（質量比）となる割合で用いる。
本発明のサイジング剤に供する重合禁止剤としては、２，６−ビス（ｔｅｒｔ−ブチル）−４−メチルフェノール、ヒドロキノン、メチルヒドロキノン、ヒドロキノンモノメチルエーテル（メトキノン）、ジブチルヒドロキシトルエン、ブチルヒドロキシアニソール、ｐ−ｔｅｒｔ−ブチルカテコール、ニトロベンゼン、ニトロ安息香酸、ｏ−ジニトロベンゼン、ｍ−ジニトロベンゼン、ｐ−ジニトロベンゼン、２，４−ジニトロフェノール、トリニトロベンゼン等が挙げられるが、なかでもヒドロキノン、メチルヒドロキノン、ヒドロキノンモノメチルエーテル（メトキノン）、ジブチルヒドロキシトルエン、ブチルヒドロキシアニソール等が好ましい。これらの重合禁止剤は、単独で用いることもできるし、２種以上を併用することもできる。
本発明のサイジング剤は、以上説明したような重合禁止剤を１００〜３０００ｐｐｍの割合で含有して成るものであるが、２００〜３０００ｐｐｍの割合で含有して成るものが好ましい。
次に、本発明に係る炭素繊維用サイジング剤の調製方法（以下、本発明の調製方法という）について説明する。本発明の調製方法は、下記の工程１及び工程２を経ることを特徴とする炭素繊維用サイジング剤の調製方法である。
工程１：前記した本発明のサイジング剤におけるビニルエステル樹脂を形成することとなるモノマーを、５０〜２５００ｐｐｍの重合禁止剤の存在下に重合して、本発明のサイジング剤において前記したビニルエステル樹脂を合成する工程。
工程２：工程１で合成したビニルエステル樹脂に、前記した本発明のサイジング剤における非イオン界面活性剤を加え、また合計で１００〜３０００ｐｐｍとなるよう更に重合禁止剤を加えて、炭素繊維用サイジング剤を調製する工程。
本発明の調製方法では、ビニルエステル樹脂を合成する工程１でも重合禁止剤を加えるが、合成したビニルエステル樹脂等を用いて本発明のサイジング剤を調製する工程２でも工程１とは別に重合禁止剤を加えて、１００〜３０００ｐｐｍという比較的高濃度で重合禁止剤を含有する本発明のサイジング剤を調製する。
最後に、本発明に係る炭素繊維用サイジング剤の水性液（以下、本発明の水性液という）について説明する。本発明の水性液は、本発明のサイジング剤を２０〜６０質量％及び水を４０〜８０質量％（合計１００質量％）の割合で含有して成る炭素繊維用サイジング剤の水性液である。
本発明の水性液の調製方法は特に制限されない。本発明の水性液に供する水としては、イオン交換水、蒸留水、ＲＯ膜交換水、硬水、軟水等が挙げられるが、なかでもイオン交換水、蒸留水、ＲＯ膜交換水等が好ましい。
本発明のサイジング剤には、その水性液を長期間高温で保管しても優れた安定性を持続し、またそれを付着させた炭素繊維束に優れた集束性を付与すると共にそれを付着させた炭素繊維束の経時硬化を抑制し、更にそれを付着させた炭素繊維束が熱硬化性や熱可塑性のマトリックス樹脂に対し優れた接着性を示すという効果がある。
以下、本発明の構成及び効果をより具体的にするため、実施例等を挙げるが、本発明がこれらの実施例に限定されるというものではない。尚、以下の実施例及び比較例において、部は質量部を、また％は質量％を意味する。また数平均分子量は、次のゲル浸透クロマトグラフィ（ＧＰＣ）によるポリスチレン換算で求めた。
機種：ＨＬＣ−８１２０ＧＰＣ（東ソー株式会社製液体クロマトグラフ）
カラム：ＴＳＫ ｇｅｌ Ｓｕｐｅｒ Ｈ４０００＋ＴＳＫ ｇｅｌ Ｓｕｐｅｒ Ｈ３０００＋ＴＳＫ ｇｅｌ Ｓｕｐｅｒ Ｈ２０００（いずれも東ソー株式会社製）
カラム温度：４０℃
検出器：ＲＩ（Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ）
溶媒：テトラヒドロフラン
流速：０．５ｍｌ／分
試料濃度：０．２５重量％
注入量：１０μｌ
標準：ポリスチレン（東ソー株式会社製；ＴＳＫ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＰＯＬＹＳＴＹＲＥＮＥ）
機種：ＨＬＣ−８１２０ＧＰＣ（東ソー株式会社製液体クロマトグラフ）
カラム：ＴＳＫ ｇｅｌ Ｓｕｐｅｒ Ｈ４０００＋ＴＳＫ ｇｅｌ Ｓｕｐｅｒ Ｈ３０００＋ＴＳＫ ｇｅｌ Ｓｕｐｅｒ Ｈ２０００（いずれも東ソー株式会社製）
カラム温度：４０℃
検出器：ＲＩ（Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ）
溶媒：テトラヒドロフラン
流速：０．５ｍｌ／分
試料濃度：０．２５重量％
注入量：１０μｌ
標準：ポリスチレン（東ソー株式会社製；ＴＳＫ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＰＯＬＹＳＴＹＲＥＮＥ）
試験区分１（ビニルエステル樹脂の合成）
・ビニルエステル樹脂（Ａ−１）の合成
エポキシ樹脂（三菱化学社製の商品名ｊＥＲ８２８）１９００部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）８６０．６部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）１．７部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．１３部及びトリエチルアミン１．２部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１００℃で３０時間反応させ、ビニルエステル樹脂（Ａ−１）を合成した。このビニルエステル樹脂（Ａ−１）の酸価を、０．１ｍｏｌ／ＬのＫＯＨメタノール溶液にて電位差滴定により測定したところ、２８ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった（以下、酸価の測定方法は同じ）。
・ビニルエステル樹脂（Ａ−１）の合成
エポキシ樹脂（三菱化学社製の商品名ｊＥＲ８２８）１９００部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）８６０．６部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）１．７部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．１３部及びトリエチルアミン１．２部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１００℃で３０時間反応させ、ビニルエステル樹脂（Ａ−１）を合成した。このビニルエステル樹脂（Ａ−１）の酸価を、０．１ｍｏｌ／ＬのＫＯＨメタノール溶液にて電位差滴定により測定したところ、２８ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった（以下、酸価の測定方法は同じ）。
・ビニルエステル樹脂（Ａ−２）の合成
エポキシ樹脂（三菱化学社製の商品名ｊＥＲ８２８）１９００部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）８６０．６部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）１．１部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．１３部及びトリエチルアミン１．２部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１００℃で３５時間反応させ、ビニルエステル樹脂（Ａ−２）を合成した。このビニルエステル樹脂（Ａ−２）の酸価は１８ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
エポキシ樹脂（三菱化学社製の商品名ｊＥＲ８２８）１９００部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）８６０．６部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）１．１部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．１３部及びトリエチルアミン１．２部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１００℃で３５時間反応させ、ビニルエステル樹脂（Ａ−２）を合成した。このビニルエステル樹脂（Ａ−２）の酸価は１８ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
・ビニルエステル樹脂（Ａ−３）の合成
エポキシ樹脂（三菱化学社製の商品名ｊＥＲ８３４）２０００部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）６８８．５部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）１．４部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．１部及びトリエチルアミン１．２部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１００℃で３３時間反応させ、ビニルエステル樹脂（Ａ−３）を合成した。このビニルエステル樹脂（Ａ−３）の酸価は２５ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
エポキシ樹脂（三菱化学社製の商品名ｊＥＲ８３４）２０００部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）６８８．５部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）１．４部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．１部及びトリエチルアミン１．２部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１００℃で３３時間反応させ、ビニルエステル樹脂（Ａ−３）を合成した。このビニルエステル樹脂（Ａ−３）の酸価は２５ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
・ビニルエステル樹脂（Ａ−４）の調整
エポキシ樹脂（三菱化学社製の商品名ｊＥＲ１００１）２２５０部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）４３０部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）１．２部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．０６部及びトリエチルアミン１．２部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１００℃で３５時間反応させ、ビニルエステル樹脂（Ａ−４）を合成した。このビニルエステル樹脂（Ａ−４）の酸価は２３ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
エポキシ樹脂（三菱化学社製の商品名ｊＥＲ１００１）２２５０部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）４３０部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）１．２部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．０６部及びトリエチルアミン１．２部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１００℃で３５時間反応させ、ビニルエステル樹脂（Ａ−４）を合成した。このビニルエステル樹脂（Ａ−４）の酸価は２３ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
・ビニルエステル樹脂（Ａ−５）の合成
ビスフェノールＡのエチレンオキサイド２モル付加物（三洋化成工業社製の商品名ニューポールＢＰＥ−２０）９２５部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）７２３部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）０．０５部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．１３部及びメタンスルホン酸１．５部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１２０℃で減圧下３時間反応させ、ビニルエステル樹脂（Ａ−５）を合成した。このビニルエステル樹脂（Ａ−５）の酸価は２３ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
ビスフェノールＡのエチレンオキサイド２モル付加物（三洋化成工業社製の商品名ニューポールＢＰＥ−２０）９２５部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）７２３部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）０．０５部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．１３部及びメタンスルホン酸１．５部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１２０℃で減圧下３時間反応させ、ビニルエステル樹脂（Ａ−５）を合成した。このビニルエステル樹脂（Ａ−５）の酸価は２３ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
・ビニルエステル樹脂（Ａ−６）の合成
トリメチロールプロパン（三菱ガス化学社製の商品名トリメチロールプロパン）１３４２部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）２４１０部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）０．１５部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．３６部、ジブチルヒドロキシトルエン（東京化成工業社製の商品名２，６−Ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ−ｐ−ｃｒｅｓｏｌ）３．９部及びメタンスルホン酸１．５部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１２０℃で３時間反応させ、ビニルエステル樹脂（Ａ−６）を合成した。このビニルエステル樹脂（Ａ−６）の酸価は１３ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
トリメチロールプロパン（三菱ガス化学社製の商品名トリメチロールプロパン）１３４２部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）２４１０部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）０．１５部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．３６部、ジブチルヒドロキシトルエン（東京化成工業社製の商品名２，６−Ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ−ｐ−ｃｒｅｓｏｌ）３．９部及びメタンスルホン酸１．５部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１２０℃で３時間反応させ、ビニルエステル樹脂（Ａ−６）を合成した。このビニルエステル樹脂（Ａ−６）の酸価は１３ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
・ビニルエステル樹脂（ｒａ−１）の合成
エポキシ樹脂（三菱化学社製の商品名ｊＥＲ８２８）１９００部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）８６０．６部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）０．０６部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．１５部、ブチルヒドロキシアニソール（東京化成工業社製の商品名２−ｔｅｒｔ−Ｂｕｔｙｌ−４−ｍｅｔｈｏｘｙｐｈｅｎｏｌ）０．５部及びトリエチルアミン１．２部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１００℃で４０時間反応させ、ビニルエステル樹脂（ｒａ−１）を合成した。このビニルエステル樹脂（ｒａ−１）の酸価は２ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
エポキシ樹脂（三菱化学社製の商品名ｊＥＲ８２８）１９００部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）８６０．６部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）０．０６部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）０．１５部、ブチルヒドロキシアニソール（東京化成工業社製の商品名２−ｔｅｒｔ−Ｂｕｔｙｌ−４−ｍｅｔｈｏｘｙｐｈｅｎｏｌ）０．５部及びトリエチルアミン１．２部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１００℃で４０時間反応させ、ビニルエステル樹脂（ｒａ−１）を合成した。このビニルエステル樹脂（ｒａ−１）の酸価は２ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
・ビニルエステル樹脂（ｒａ−２）の合成
トリメチロールプロパン（三菱ガス化学社製の商品名トリメチロールプロパン）１３４２部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）２４１０部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）０．０７部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）１．５部及びメタンスルホン酸１．５部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１２０℃で１時間反応させ、ビニルエステル樹脂（ｒａ−２）を合成した。このビニルエステル樹脂（ｒａ−２）の酸価は６０ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
トリメチロールプロパン（三菱ガス化学社製の商品名トリメチロールプロパン）１３４２部、メタクリル酸（クラレ社製の商品名メタクリル酸）２４１０部、ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）０．０７部、ヒドロキノンモノメチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）１．５部及びメタンスルホン酸１．５部を、５Ｌ四つ口フラスコに加えて良く撹拌しながら１２０℃で１時間反応させ、ビニルエステル樹脂（ｒａ−２）を合成した。このビニルエステル樹脂（ｒａ−２）の酸価は６０ｍｇ／ｇ−ＫＯＨであった。
・ビニルエステル樹脂（ｒａ−３）の合成
三菱化学社製の商品名ｊＥＲ１００４をビニルエステル樹脂（ｒａ−３）として使用した。
三菱化学社製の商品名ｊＥＲ１００４をビニルエステル樹脂（ｒａ−３）として使用した。
試験区分２（非イオン界面活性剤の合成）
・非イオン界面活性剤（Ｂ−１）の合成
オートクレーブ反応器に窒素ガスを封入し、ここにトリスチレン化フェノール２０２部及び水酸化カリウム１部を加え、更に１３５℃でエチレンオキシド６８１部及びプロピレンオキシド１２６部を混合したものを徐々に加えてエーテル化反応を行なった後、水酸化カリウムを吸着処理し、濾過して非イオン界面活性剤（Ｂ−１）を合成した。非イオン界面活性剤（Ｂ−１）のＮＭＲ及びＧＰＣによる分析結果は下記の通りであった。
トリスチレン化フェノール１モルに対するエチレンオキシド付加モル数：３１モル
トリスチレン化フェノール１モルに対するプロピレンオキシド付加モル数：４モル
ＧＰＣによるポリスチレン換算の数平均分子量：２３００
・非イオン界面活性剤（Ｂ−１）の合成
オートクレーブ反応器に窒素ガスを封入し、ここにトリスチレン化フェノール２０２部及び水酸化カリウム１部を加え、更に１３５℃でエチレンオキシド６８１部及びプロピレンオキシド１２６部を混合したものを徐々に加えてエーテル化反応を行なった後、水酸化カリウムを吸着処理し、濾過して非イオン界面活性剤（Ｂ−１）を合成した。非イオン界面活性剤（Ｂ−１）のＮＭＲ及びＧＰＣによる分析結果は下記の通りであった。
トリスチレン化フェノール１モルに対するエチレンオキシド付加モル数：３１モル
トリスチレン化フェノール１モルに対するプロピレンオキシド付加モル数：４モル
ＧＰＣによるポリスチレン換算の数平均分子量：２３００
非イオン界面活性剤（Ｂ−２）の合成
オートクレーブ反応器に窒素ガスを封入し、ここにトリスチレン化フェノール２７０部及び水酸化カリウム２部を加え、１３５℃でエチレンオキシド６３２部及びプロピレンオキシド１０１部を混合したものを徐々に加えてエーテル化反応を行なった後、水酸化カリウムを吸着処理し、濾過して非イオン界面活性剤（Ｂ−２）を合成した。非イオン界面活性剤（Ｂ−２）のＮＭＲ及びＧＰＣによる分析結果は下記の通りであった。
トリスチレン化フェノール１モルに対するエチレンオキシド付加モル数：２７モル
トリスチレン化フェノール１モルに対するプロピレンオキシド付加モル数：３モル
ＧＰＣによるポリスチレン換算の数平均分子量：１９００
オートクレーブ反応器に窒素ガスを封入し、ここにトリスチレン化フェノール２７０部及び水酸化カリウム２部を加え、１３５℃でエチレンオキシド６３２部及びプロピレンオキシド１０１部を混合したものを徐々に加えてエーテル化反応を行なった後、水酸化カリウムを吸着処理し、濾過して非イオン界面活性剤（Ｂ−２）を合成した。非イオン界面活性剤（Ｂ−２）のＮＭＲ及びＧＰＣによる分析結果は下記の通りであった。
トリスチレン化フェノール１モルに対するエチレンオキシド付加モル数：２７モル
トリスチレン化フェノール１モルに対するプロピレンオキシド付加モル数：３モル
ＧＰＣによるポリスチレン換算の数平均分子量：１９００
非イオン界面活性剤（Ｂ−３）の合成
オートクレーブ反応器に窒素ガスを封入し、ここにトリスチレン化フェノール３５５部及び水酸化カリウム２部を加え、１３５℃でエチレンオキシド６４０部を徐々に加えてエーテル化反応を行なった後、水酸化カリウムを吸着処理し、濾過して非イオン界面活性剤（Ｂ−３）を合成した。非イオン界面活性剤（Ｃ−１）のＮＭＲ及びＧＰＣによる分析結果は下記の通りであった。
トリスチレン化フェノール１モルに対するエチレンオキシド付加モル数：１７モル
ＧＰＣによるポリスチレン換算の数平均分子量：１０００
オートクレーブ反応器に窒素ガスを封入し、ここにトリスチレン化フェノール３５５部及び水酸化カリウム２部を加え、１３５℃でエチレンオキシド６４０部を徐々に加えてエーテル化反応を行なった後、水酸化カリウムを吸着処理し、濾過して非イオン界面活性剤（Ｂ−３）を合成した。非イオン界面活性剤（Ｃ−１）のＮＭＲ及びＧＰＣによる分析結果は下記の通りであった。
トリスチレン化フェノール１モルに対するエチレンオキシド付加モル数：１７モル
ＧＰＣによるポリスチレン換算の数平均分子量：１０００
試験区分３（重合禁止剤の種類）
下記の４種類の重合禁止剤を使用した。
Ｃ−１：ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）
Ｃ−２：ヒドロキノンモノエチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）
Ｃ−３：ジブチルヒドロキシトルエン（東京化成工業社製の商品名２，６−Ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ−ｐ−ｃｒｅｓｏｌ）
Ｃ−４：ブチルヒドロキシアニソール（東京化成工業社製の商品名２−ｔｅｒｔ−Ｂｕｔｙｌ−４−ｍｅｔｈｏｘｙｐｈｅｎｏｌ）
下記の４種類の重合禁止剤を使用した。
Ｃ−１：ヒドロキノン（宇部興産社製の商品名ハイドロキノン）
Ｃ−２：ヒドロキノンモノエチルエーテル（昭和化学社製の商品名４−メトキシフェノール）
Ｃ−３：ジブチルヒドロキシトルエン（東京化成工業社製の商品名２，６−Ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ−ｐ−ｃｒｅｓｏｌ）
Ｃ−４：ブチルヒドロキシアニソール（東京化成工業社製の商品名２−ｔｅｒｔ−Ｂｕｔｙｌ−４−ｍｅｔｈｏｘｙｐｈｅｎｏｌ）
試験区分４（炭素繊維用サイジング剤の調製）
・実施例１
前記の試験区分１〜３におけるビニルエステル樹脂（Ａ−１）２７６３．６３部、非イオン界面活性剤（Ｂ−１）１８４０部及び重合禁止剤（Ｃ−１）２．０２部をビーカーに加えて良く混合し、撹拌を続けながら固形分濃度が５０％となるようにイオン交換水を徐々に加えて、実施例１の炭素繊維用サイジング剤の水性液を調製した。
・実施例１
前記の試験区分１〜３におけるビニルエステル樹脂（Ａ−１）２７６３．６３部、非イオン界面活性剤（Ｂ−１）１８４０部及び重合禁止剤（Ｃ−１）２．０２部をビーカーに加えて良く混合し、撹拌を続けながら固形分濃度が５０％となるようにイオン交換水を徐々に加えて、実施例１の炭素繊維用サイジング剤の水性液を調製した。
・実施例２〜６及び比較例１〜３
前記の試験区分１〜３におけるビニルエステル樹脂、非イオン界面活性剤及び重合禁止剤を用い、実施例１と同様にして、実施例２〜６及び比較例１〜３の炭素繊維用サイジング剤の水性液を調製した。
前記の試験区分１〜３におけるビニルエステル樹脂、非イオン界面活性剤及び重合禁止剤を用い、実施例１と同様にして、実施例２〜６及び比較例１〜３の炭素繊維用サイジング剤の水性液を調製した。
・比較例４
前記の試験区分１〜２におけるビニルエステル樹脂及び非イオン界面活性剤を用い、実施例１と同様にして、比較例４の炭素繊維用サイジング剤の水性液を調製した。
前記の試験区分１〜２におけるビニルエステル樹脂及び非イオン界面活性剤を用い、実施例１と同様にして、比較例４の炭素繊維用サイジング剤の水性液を調製した。
・比較例５
前記の試験区分１〜３におけるビニルエステル樹脂（ｒａ−１）２７６２．５部、非イオン界面活性剤（Ｂ−３）１６９９部、重合禁止剤（Ｃ−１）０．１部及び重合禁止剤（Ｃ−２）１．８２部をビーカーに加えて良く混合し、撹拌を続けながら固形分濃度が４０％となるようにイオン交換水を徐々に加えて、比較例５の炭素繊維用サイジング剤の水性液を調製した。以上で調製した各炭素繊維用サイジング剤の水性液の内容を表１にまとめて示した。
前記の試験区分１〜３におけるビニルエステル樹脂（ｒａ−１）２７６２．５部、非イオン界面活性剤（Ｂ−３）１６９９部、重合禁止剤（Ｃ−１）０．１部及び重合禁止剤（Ｃ−２）１．８２部をビーカーに加えて良く混合し、撹拌を続けながら固形分濃度が４０％となるようにイオン交換水を徐々に加えて、比較例５の炭素繊維用サイジング剤の水性液を調製した。以上で調製した各炭素繊維用サイジング剤の水性液の内容を表１にまとめて示した。
表１において、
割合：固形分中の割合
添加タイミング：前はビニルエステル樹脂の合成時、後は合成したビニルエステル樹脂や非イオン界面活性剤との混合時
割合：固形分中の割合
添加タイミング：前はビニルエステル樹脂の合成時、後は合成したビニルエステル樹脂や非イオン界面活性剤との混合時
試験区分５（炭素繊維用サイジング剤の評価）
・安定性の評価
試験区分４で調製した炭素繊維用サイジング剤の水性液を５０℃で３か月間静置した場合の外観を観察し、以下の基準で安定性を評価した。
・安定性の評価
試験区分４で調製した炭素繊維用サイジング剤の水性液を５０℃で３か月間静置した場合の外観を観察し、以下の基準で安定性を評価した。
安定性の評価基準
◎：ほとんど分離、沈殿は見られず、良好な乳化性を保っていた。
○：わずかに沈殿が見られるが、乳化性は良好であり、実用上問題ないレベルであった。
×：乳化が壊れて沈殿、分離が発生した。
◎：ほとんど分離、沈殿は見られず、良好な乳化性を保っていた。
○：わずかに沈殿が見られるが、乳化性は良好であり、実用上問題ないレベルであった。
×：乳化が壊れて沈殿、分離が発生した。
・炭素繊維のサイジング
試験区分４で調製した炭素繊維用サイジング剤の水性液を各サイジング剤の目標付着量に合わせてそれぞれ更に水希釈し、処理浴に入れた。ポリアクリロニトリル系繊維から得た未サイジングの炭素繊維束（引張強度３５００ＭＰａ、引張弾性率２．３×１０５ＭＰａ、１２０００フィラメント）を連続的に上記処理浴に浸漬し、各サイジング剤の付着量が炭素繊維に対して一定の付着量となるようにローラーの絞り条件を調節して、炭素繊維束に目標量のサイジング剤を付着させた。引き続き連続的に１２０℃のオーブンに５分間通して乾燥してボビンに巻き取り、集束性、経時硬化、接着性の評価試料とした。
試験区分４で調製した炭素繊維用サイジング剤の水性液を各サイジング剤の目標付着量に合わせてそれぞれ更に水希釈し、処理浴に入れた。ポリアクリロニトリル系繊維から得た未サイジングの炭素繊維束（引張強度３５００ＭＰａ、引張弾性率２．３×１０５ＭＰａ、１２０００フィラメント）を連続的に上記処理浴に浸漬し、各サイジング剤の付着量が炭素繊維に対して一定の付着量となるようにローラーの絞り条件を調節して、炭素繊維束に目標量のサイジング剤を付着させた。引き続き連続的に１２０℃のオーブンに５分間通して乾燥してボビンに巻き取り、集束性、経時硬化、接着性の評価試料とした。
・集束性の評価
前記の評価試料を、所定間隔で上下交互に合計５本を配置した直径１ｃｍのクロム梨地ピンにほぼ９０度の角度で接触させつつ通し、通す前の炭素繊維束の幅Ｗ１と通した後の炭素繊維束の幅Ｗ２を測定して、下記の数１により測定値を求め、測定値の評価基準から集束性を評価した。
前記の評価試料を、所定間隔で上下交互に合計５本を配置した直径１ｃｍのクロム梨地ピンにほぼ９０度の角度で接触させつつ通し、通す前の炭素繊維束の幅Ｗ１と通した後の炭素繊維束の幅Ｗ２を測定して、下記の数１により測定値を求め、測定値の評価基準から集束性を評価した。
数１において、
Ｗ１：５本のクロム梨地ピンを通す前の炭素繊維束の幅（ｍｍ）
Ｗ２：５本のクロム梨地ピンを通した後の炭素繊維束の幅（ｍｍ）
Ｗ１：５本のクロム梨地ピンを通す前の炭素繊維束の幅（ｍｍ）
Ｗ２：５本のクロム梨地ピンを通した後の炭素繊維束の幅（ｍｍ）
集束性の評価基準
◎：測定値が４ｍｍ未満
○：測定値が４ｍｍ以上６ｍｍ未満
×：測定値が６ｍｍ以上
◎：測定値が４ｍｍ未満
○：測定値が４ｍｍ以上６ｍｍ未満
×：測定値が６ｍｍ以上
・経時硬化の評価
前記の評価試料を４０℃で３か月間保管後、ボビンから炭素繊維束を３０ｃｍサンプリングして、これを１ｋｇの３０ｃｍ四方の鉄板で上下から鉄板の自重で押さえたときに、炭素繊維束の反りがなくなるまでにかかった秒数を測定し、測定秒数の評価基準から経時硬化を評価した。
前記の評価試料を４０℃で３か月間保管後、ボビンから炭素繊維束を３０ｃｍサンプリングして、これを１ｋｇの３０ｃｍ四方の鉄板で上下から鉄板の自重で押さえたときに、炭素繊維束の反りがなくなるまでにかかった秒数を測定し、測定秒数の評価基準から経時硬化を評価した。
経時硬化の評価基準
◎：測定秒数が２０秒未満で反りが見られなくなった。
○：測定秒数が２０秒以上３０秒未満で反りが見られなくなった。
×：測定秒数が３０秒以上で反りが見られなくなった。
◎：測定秒数が２０秒未満で反りが見られなくなった。
○：測定秒数が２０秒以上３０秒未満で反りが見られなくなった。
×：測定秒数が３０秒以上で反りが見られなくなった。
図１はマトリックス樹脂との接着性の評価に用いた試験装置をその使用状態も含めて略示する平面図である。図１中、１はホルダー、２は炭素繊維、３ａ，３ｂは接着剤、４はマトリックス樹脂（ビニルエステル樹脂又はポリアミド樹脂）の樹脂粒、５ａ，５ｂはブレード、６はロードセル、７は治具を示している。図１において、ブレード５ａ，５ｂはホルダー１に取外し可能に取付けられるようになっており、ブレード４ａ，４ｂは治具７に連結されていて、治具７はロードセル６に接続されている。
・ビニルエステル樹脂との接着性の評価
前記の評価試料の炭素繊維から１本の炭素繊維２を用意し、図１の試験装置のホルダー１に接着剤３ａ，３ｂで固定した。ビニルエステル樹脂（昭和電工社製の商品名リポキシＲ８０４）／硬化剤（日油社製の商品名パークミルＤ）＝１００／１．５（質量比）の割合で調合したマトリックス樹脂を直径が約１００μｍの樹脂滴となるように炭素繊維１に付着させ、１５０℃の雰囲気温度下で１５分間加熱して樹脂粒４とした。この樹脂粒４を炭素繊維２の両側から挟むようにして２枚のブレード５ａ，５ｂをホルダー１に取付け、ホルダー１を５ｍｍ／分の速度で炭素繊維１の軸方向に移動させたときに、ブレード５ａ，５ｂによって樹脂粒４が炭素繊維１から剥離する際に生じる最大応力Ｆをロードセル７にて計測した。計測した値を用いて、下記の数２により界面せん断強度τを算出した。同様の操作を２０回行い、得られた界面せん断強度の平均値を下記の基準により評価した。
前記の評価試料の炭素繊維から１本の炭素繊維２を用意し、図１の試験装置のホルダー１に接着剤３ａ，３ｂで固定した。ビニルエステル樹脂（昭和電工社製の商品名リポキシＲ８０４）／硬化剤（日油社製の商品名パークミルＤ）＝１００／１．５（質量比）の割合で調合したマトリックス樹脂を直径が約１００μｍの樹脂滴となるように炭素繊維１に付着させ、１５０℃の雰囲気温度下で１５分間加熱して樹脂粒４とした。この樹脂粒４を炭素繊維２の両側から挟むようにして２枚のブレード５ａ，５ｂをホルダー１に取付け、ホルダー１を５ｍｍ／分の速度で炭素繊維１の軸方向に移動させたときに、ブレード５ａ，５ｂによって樹脂粒４が炭素繊維１から剥離する際に生じる最大応力Ｆをロードセル７にて計測した。計測した値を用いて、下記の数２により界面せん断強度τを算出した。同様の操作を２０回行い、得られた界面せん断強度の平均値を下記の基準により評価した。
数２において、
Ｆ：炭素繊維から樹脂粒が剥離する際に生じる最大応力（Ｎ）
Ｄ：炭素繊維の直径（ｍ）
Ｌ：樹脂粒の引き抜き方向の直径（ｍ）
Ｆ：炭素繊維から樹脂粒が剥離する際に生じる最大応力（Ｎ）
Ｄ：炭素繊維の直径（ｍ）
Ｌ：樹脂粒の引き抜き方向の直径（ｍ）
接着性の評価基準
◎：界面せん断強度が４０以上
×：界面せん断強度が４０未満
◎：界面せん断強度が４０以上
×：界面せん断強度が４０未満
・ポリアミド樹脂との接着性の評価
ビニルエステル樹脂をポリアミド樹脂（東洋紡社製の商品名Ｔ−８６０）に変えたこと以外は、前記したビニルエステル樹脂との接着性の評価と同様にして、ポリアミド樹脂との接着性を評価した。以上の評価結果を表２にまとめて示した。
ビニルエステル樹脂をポリアミド樹脂（東洋紡社製の商品名Ｔ−８６０）に変えたこと以外は、前記したビニルエステル樹脂との接着性の評価と同様にして、ポリアミド樹脂との接着性を評価した。以上の評価結果を表２にまとめて示した。
表１に対応する表２の結果からも明らかなように、本発明によれば、その水性液を比較的高温下で長期間保管や輸送に供した後であっても問題無く使用することができ、またそれを付着させた炭素繊維束に優れた集束性を付与し、しかもかかる炭素繊維束が経時硬化しにくく、また熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の両方に対し優れた接着性を付与することができる。
１ ホルダー
２ 炭素繊維
３ａ，３ｂ 接着剤
４ マトリックス樹脂
５ａ，５ｂ ブレード
６ ロードセル
７ 治具
２ 炭素繊維
３ａ，３ｂ 接着剤
４ マトリックス樹脂
５ａ，５ｂ ブレード
６ ロードセル
７ 治具
Claims (3)
- 下記のビニルエステル樹脂、下記の非イオン界面活性剤及び重合禁止剤を含有しており、該ビニルエステル樹脂／該非イオン界面活性剤＝５５／４５〜７０／３０（質量比）の割合で含有し、該重合禁止剤を１００〜３０００ｐｐｍの割合で含有していて、且つ該ビニルエステル樹脂が酸価１０〜３０ｍｇ／ｇ−ＫＯＨのものであることを特徴とする炭素繊維用サイジング剤。
ビニルエステル樹脂：ビスフェノールＡ型エポキシ化合物のアクリレート、ビスフェノールＡ型エポキシ化合物のメタクリレート、ビスフェノールＦ型エポキシ化合物のアクリレート、ビスフェノールＦ型エポキシ化合物のメタクリレート、ビスフェノールＡのアルキレンオキサイドのアクリレート、ビスフェノールＡのアルキレンオキサイドのメタクリレート、ビスフェノールＦのアルキレンオキサイドのアクリレート、ビスフェノールＦのアルキレンオキサイドのメタクリレート、トリメチロールプロパンのアクリレート及びトリメチロールプロパンのメタクリレートから選ばれるもの。
非イオン界面活性剤：スチレン化フェノールにエチレンオキシド及び／又はプロピレンオキシドを付加させたもの。 - 請求項１記載の炭素繊維用サイジング剤の調製方法であって、下記の工程１及び２を経ることを特徴とする炭素繊維用サイジング剤の調製方法。
工程１：請求項１記載のビニルエステル樹脂を形成することとなるモノマーを、５０〜２５００ｐｐｍの重合禁止剤の存在下に重合して、請求項１記載のビニルエステル樹脂を合成する工程
工程２：工程１で合成したビニルエステル樹脂に、請求項１記載の非イオン界面活性剤を加え、また合計で１００〜３０００ｐｐｍとなるよう更に重合禁止剤を加えて、炭素繊維用サイジング剤を調製する工程 - 請求項１記載の炭素繊維用サイジング剤を２０〜６０質量％及び水を４０〜８０質量％（合計１００質量％）の割合で含有して成る炭素繊維用サイジング剤の水性液。
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|---|---|---|---|---|
| JP2019099942A (ja) * | 2017-12-01 | 2019-06-24 | 竹本油脂株式会社 | 炭素繊維用サイジング組成物、炭素繊維、及び炭素繊維複合材料 |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5673174A (en) * | 1979-11-19 | 1981-06-17 | Mitsubishi Rayon Co | Sizing of carbon fiber |
| JP2003328271A (ja) * | 2002-05-08 | 2003-11-19 | Toho Tenax Co Ltd | 炭素繊維ストランド、及び炭素繊維強化樹脂 |
| JP2013155465A (ja) * | 2012-01-31 | 2013-08-15 | Sanyo Chem Ind Ltd | 無機繊維不織布用バインダー |
-
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