JP6575696B1 - 炭素繊維束およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図2に示す糸道のクリール8に炭素繊維束のパッケージ7を仕掛け、図示する糸道Fに誘導する。糸道Fは、糸道を安定させるため、糸道規制ローラー9で一旦90°に捻り、逆方向に捻り返してから平ローラー群10を通過させ、糸幅測定のための光学センサー11を通過させた後、糸速を制御する駆動ローラー群13を通過させ、ワインダー14に巻き取るよう構成されている。炭素繊維束を糸道に誘導後、クリールから引き出す張力を6N/texおよび糸道を通過する糸速を50m/min以上の所定の条件に設定し炭素繊維束のパッケージ7を解舒する。所定の条件で解舒中に、空中にある炭素繊維束の糸幅を光学センサー11で測定し、1000m以上解舒した時の糸幅平均値と、平均値と標準偏差の比から算出される糸幅変動率を求める。また、1000m以上解舒した炭素繊維束について、その糸幅が糸幅平均値の75%以下である箇所をカウントし、解舒した時の糸幅平均値に対し75%以下の糸幅を有する部分が4箇所/1000m以下であるかどうかを判断する。ここで、光学センサー11で検出されるデータは、キーエンス社製NR600またはNR1000のデータロガーを用い、0.1秒間隔でデータを取り入れする。
長さ約10cmの単繊維をスライドガラス上に置き、中央部にグリセリンを1〜2滴たらして単繊維両端部を繊維周方向に軽くねじることで単繊維中央部にループを作り、その上にカバーガラスを置く。これを顕微鏡のステージに設置し、トータル倍率が100倍、フレームレートが15フレーム/秒の条件で動画撮影を開始する。ループが視野から外れないようにステージを都度調節しながら、ループさせた繊維の両端を指でスライドガラス方向に押しつけつつ逆方向に一定速度で引っ張ることで、単繊維が破断するまで歪をかける。コマ送りにより破断直前のフレームを特定し、画像解析により破断直前のループの横幅Wを測定する。繊維直径dをWで除してd/Wを算出する。試験のn数は20とし、d/Wの平均値にストランド弾性率をかけ算することによりE×d/Wを求める。
炭素繊維束の樹脂含浸ストランド引張弾性率(ストランド弾性率E)、ストランド強度は、JIS R7608(2008)「樹脂含浸ストランド試験法」に従って求める。ストランド弾性率Eは歪み範囲0.1〜0.6%の範囲で測定する。なお、試験片は、次の樹脂組成物を炭素繊維束に含浸し、130℃の温度で35分間熱処理の硬化条件により作製する。
・3,4−エポキシシクロヘキシルメチル−3,4−エポキシ−シクロヘキサン−カルボキシレート(100質量部)
・3フッ化ホウ素モノエチルアミン(3質量部)
・アセトン(4質量部)。
長さ150mmの炭素繊維束の両端に長さ25mmの把持部を取り付け試験体とする。試験体作製の際、0.1×10−3N/デニールの荷重をかけて炭素繊維束の引き揃えを行う。試験体の中点部分に結び目を1カ所作成し、引張時のクロスヘッド速度を100mm/分として束引張試験を行う。測定は計12本の繊維束に対して行い、最大値、最小値の2つの値を除した10本の平均値を測定値として用い、10本の標準偏差を結節強度の標準偏差として用いる。結節強度には、引張試験で得られた最大荷重値を、炭素繊維束の平均断面積値で除した値を用いる。結節強度の変動係数は上記した炭素繊維束の結節強度と、結節強度の標準偏差との比をとり、百分率で示される値を用いる([標準偏差]/[平均値]×100)。
測定に供する耐炎化繊維を、凍結粉砕後に2mgを精秤して採取し、それをKBr300mgと良く混合して、成形用治具に入れ、プレス機を用いて40MPaで2分間加圧することで測定用錠剤を作製する。この錠剤をフーリエ変換赤外分光光度計にセットし、1000〜2000cm−1の範囲でスペクトルを測定する。なお、バックグラウンド補正は、1700〜2000cm−1の範囲における最小値が0になるようにその最小値を各強度から差し引くことで行う。なお、上記フーリエ変換赤外分光光度計として、パーキンエルマー製Paragon1000を用いる。
炭素繊維前駆体繊維束、および炭素繊維束における平均引裂可能距離は、いずれも以下のようにして求められる。すなわち、図1に示すとおり、測定に供する繊維束1を1160mmの長さにカットし、その一端2を水平な台上に粘着テープで固定する(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3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する(この点を固定点Bと呼ぶ)。2分割した繊維束の一端の他方を、固定点Aを支点として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4で静止させ、台上に粘着テープで動かないように固定する(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5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が1mmの定規で読み取り、引裂可能距離6とする。この測定を30回繰り返し、測定値の算術平均値を平均引裂可能距離とする。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。
直径12mmの固定されたクロムメッキのステンレス棒の軸方向と垂直方向に、炭素繊維束200mmに張力500gfを掛けて、繊維束の一端からもう一端まで擦過させる。擦過させる際、炭素繊維束はステンレス棒の半周分の距離を擦過させる。炭素繊維束を20回往復させ、計40回ステンレス棒と擦過させたところで、擦過後の炭素繊維束をウレタンスポンジ2枚の間に挟み、125gの錘をウレタンスポンジ全面に荷重がかかるようにのせ、擦過後の炭素繊維束を2m/分の速度で通過させたときのスポンジに付着している毛羽の質量を擦過毛羽量として評価する。
上述したストランド引張試験において、樹脂組成を次のように変更して行う。
・レゾルシノール型エポキシ(100質量部)
・ジエチレントリアミン(39質量部)
なお、硬化条件は100℃の温度で2時間とする。また、測定には、毛羽量測定でステンレス棒に擦過させた炭素繊維束を用いる。レゾルシノール型エポキシとしては、ナガセケムテックス(株)製デナコールEX201、ジエチレントリアミンとしては、東京化成工業(株)製を用いる。
アクリロニトリル99.0質量%とイタコン酸1.0質量%からなる共重合体を、ジメチルスルホキシドを溶媒として溶液重合法により重合させ、ポリアクリロニトリル系共重合体を含む紡糸溶液を得た。得られた紡糸溶液を、孔数12000個の紡糸口金から一旦空気中に吐出し、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を得た。
実施例1において合糸ガイドの位置のみを合糸ガイド直前ローラーと合糸ガイドの距離が進入する糸ピッチの12倍となるように設置するように変更し、合糸ガイド通過後に、繊維束に2mN/dtexの張力をかけながら、流体吐出圧力を0.29MPa−Gとした空気による第2合糸処理を行い、フィラメント数36000本の炭素繊維前駆体繊維束を得て、更に、耐炎化工程も、次のように変更して耐炎化繊維束を得た。第1耐炎化工程を耐炎化温度244℃、耐炎化時間20分の条件を用いて、第2耐炎化工程を耐炎化温度270℃、耐炎化時間23分の条件を用いて、空気雰囲気のオーブン中で炭素繊維前駆体繊維束を延伸比1で延伸しながら耐炎化処理し、耐炎化繊維束を得た。続く予備炭素化処理、炭素化処理については前炭化延伸比を1.06とした以外は実施例1と同様の処理を行い、炭素繊維束を得た。
実施例1と同様の処理で得た炭素繊維前駆体繊維束を用いて、第1耐炎化工程を耐炎化温度244℃、耐炎化時間20分の条件を用いて、第2耐炎化工程を耐炎化温度270℃、耐炎化時間23分の条件を用いて、空気雰囲気のオーブン中で炭素繊維前駆体繊維束を延伸比1で延伸しながら耐炎化処理し、耐炎化繊維束を得て、続く予備炭素化処理、炭素化処理については実施例1と同様の処理を行い、炭素繊維束を得た。得られた炭素繊維複合材料の0°引張強度は5.3GPaだった。
合糸ガイドの位置を合糸ガイド直前ローラーと合糸ガイドの距離が進入する糸ピッチの20倍となるように設置するように変更したこと以外は、実施例2と同様の処理を行い、炭素繊維束を得た。
実施例1において合糸ガイドの位置のみを合糸ガイド直前ローラーと合糸ガイドの距離が進入する糸ピッチの12倍となるように設置するように変更して、フィラメント数36000本の炭素繊維前駆耐炎糸を得て、それを用いて、第1耐炎化工程を耐炎化温度240℃、耐炎化時間20分の条件を用いて、第2耐炎化工程を耐炎化温度275℃、耐炎化時間23分の条件を用いて、空気雰囲気のオーブン中で炭素繊維前駆体繊維束を延伸比1で延伸しながら耐炎化処理し、耐炎化繊維束を得た。続く予備炭素化処理、炭素化処理については実施例1と同様の処理を行い、炭素繊維束を得た。
実施例1において合糸ガイドの位置のみを合糸ガイド直前ローラーと合糸ガイドの距離が進入する糸ピッチの10倍となるように設置するように変更して、フィラメント数36000本の炭素繊維前駆体繊維束を得たこと以外は、実施例1と同様の処理を行い、炭素繊維束を得た。
Panex35(Zoltek社製)について、炭素繊維束評価を行った結果を表1に示す。
実施例1において、合糸ガイドの位置のみを合糸ガイド直前ローラーと合糸ガイドの距離が進入する糸ピッチの11倍となるように設置するように変更して、フィラメント数24000本の炭素繊維前駆体繊維束を得て、かつ耐炎化工程を次のように変更して耐炎化繊維束を得た。第1耐炎化工程を耐炎化温度240℃、耐炎化時間36分の条件を用いて、第2耐炎化工程を耐炎化温度250℃、耐炎化時間37分の条件を用いて、空気雰囲気のオーブン中で炭素繊維前駆体繊維束を延伸比1で延伸しながら耐炎化処理し、耐炎化繊維束を得た。続く予備炭素化処理、炭素化処理については実施例1と同様の処理を行い、炭素繊維束を得た。炭素繊維束評価を行った結果を表1に示す。
比較例3において、炭素繊維前駆体繊維束のフィラメント数を12000本としたほかは、比較例3と同様の耐炎化、予備炭素化、炭素化処理を行い、炭素繊維束を得た。得られた炭素繊維束について、炭素繊維束評価を行った結果を表1に示す。
比較例4のフィラメント数12000本の炭素繊維束を2本合糸し、フィラメント数24000本束として評価した結果を表1に示す。
比較例4のフィラメント数12000本の炭素繊維束を3本合糸し、36000本束として評価した結果を表1に示す。炭素繊維複合材料の0°引張強度は5.0GPaと同等のストランド強度を示す実施例3対比低い値を示した。
実施例1において耐炎化工程のみ、次のように変更して耐炎化繊維束を得た。第1耐炎化工程を耐炎化温度245℃、耐炎化時間15分の条件を用いて、第2耐炎化工程を耐炎化温度255℃、耐炎化時間44分の条件を用いて、空気雰囲気のオーブン中で炭素繊維前駆体繊維束を延伸比1で延伸しながら耐炎化処理し、耐炎化繊維束を得た。続く予備炭素化処理、炭素化処理については実施例1と同様の処理を行い、炭素繊維束を得た。得られた炭素繊維束の擦過毛羽量は、実施例に挙げた炭素繊維束に比べて多く、ストランド引張強度は5.9GPa、結節強度は785N/mm2と、炭化特性が十分に高いレベルで発現されなかった。
実施例1において耐炎化工程のみ、次のように変更して耐炎化繊維束を得た。第1耐炎化工程を耐炎化温度230℃、耐炎化時間36分の条件を用いて、第2耐炎化工程を耐炎化温度245℃、耐炎化時間71分の条件を用いて、空気雰囲気のオーブン中で炭素繊維前駆体繊維束を延伸比1で延伸しながら耐炎化処理し、耐炎化繊維束を得た。続く予備炭素化処理、炭素化処理については実施例1と同様の処理を行い、炭素繊維束を得た。得られた炭素繊維束の擦過毛羽量は、実施例に挙げた炭素繊維束に比べて多く、ストランド強度は5.9GPa、結節強度は814N/mm2と、炭化特性が十分に高いレベルで発現されなかった。
比較例8において、合糸ガイドの位置のみを合糸ガイド直前ローラーと合糸ガイドの距離が進入する糸ピッチの16倍となるように設置するように変更した以外は、比較例8と同様の処理をして炭素繊維束を得た。
2:固定点A
3:固定点B
4:固定点C
5:交絡点
6:引裂可能距離
7:炭素繊維束パッケージ
8:クリール
9:糸道規制ローラー
10:平ローラー群
11:光学センサー
12:平ローラー
13:駆動ローラー
14:ワインダー
F:炭素繊維束の通過糸道
15:合糸ガイド直前ローラー
16:合糸ガイド第1ローラー
17:炭素繊維前駆体繊維束
18:合糸ガイド第2ローラー
19:合糸ガイド第3ローラー
20:合糸ガイドローラーを固定するためのスペース
L:合糸ガイド直前ローラーと合糸ガイドの距離
Y:合糸前の炭素繊維前駆体繊維束の糸ピッチ
Claims (7)
- 樹脂含浸ストランド引張弾性率が265〜300GPa、樹脂含浸ストランド引張強度が6.0GPa以上、結節強度が820N/mm2以上、フィラメント数が30000本以上で、平均引裂可能距離が600〜850mmである炭素繊維束であって、明細書に記載される条件で炭素繊維束を解舒した時の糸幅変動率が8%以下であり、かつ、明細書に記載される条件で炭素繊維束を解舒した時の糸幅平均値に対し75%以下の糸幅を有する部分が4箇所/1000m以下である炭素繊維束。
- 単繊維直径dと単繊維ループ法で評価される破断直前のループ幅Wの比d/Wと、ストランド弾性率Eとの積E×d/Wが13.0GPa以上であり、E×d/Wのワイブルプロットにおけるワイブル形状係数mが12以上である、請求項1に記載の炭素繊維束。
- 結節強度の標準偏差と平均値の比で表される変動係数が5%以下である、請求項1または2のいずれかに記載の炭素繊維束。
- 樹脂含浸ストランド引張強度の標準偏差と平均値の比で表される変動係数が4%以下である、請求項3に記載の炭素繊維束。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の炭素繊維束を製造する方法であって、合糸ガイド直前ローラーと合糸ガイドを用い、合糸ガイド直前ローラーと合糸ガイドの距離を合糸ガイドに進入する炭素繊維前駆体繊維束の糸ピッチの12倍以上として合糸する合糸工程、合糸工程で得られたフィラメント数が30000本以上、平均引裂可能距離が400〜800mmであるポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維束を、赤外スペクトルにおける1370cm−1のピーク強度に対する1453cm−1のピーク強度の比が0.98〜1.10の範囲となるまで8〜25分間耐炎化する第1耐炎化工程、第1耐炎化工程で得られた繊維束を赤外スペクトルにおける1370cm−1のピーク強度に対する1453cm−1のピーク強度の比が0.60〜0.65の範囲、かつ、赤外スペクトルにおける1370cm−1のピーク強度に対する1254cm−1のピーク強度の比が0.50〜0.65の範囲となるまで20〜35分間耐炎化する第2耐炎化工程、第2耐炎化工程で得られた繊維束を最高温度500〜1200℃の不活性雰囲気中で延伸倍率を1.00〜1.10として予備炭素化する予備炭素化工程、および該予備炭素化工程で得られた繊維束を最高温度1000〜2000℃の不活性雰囲気中で炭素化する炭素化工程を有する、炭素繊維束の製造方法。
- 合糸工程の前および/または後に、炭素繊維前駆体繊維束に流体を吹き付ける第2合糸工程を行う、請求項5に記載の炭素繊維束の製造方法。
- ポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維束の目付の標準偏差と平均値との比で表される変動係数が1〜4%である、請求項5または6に記載の炭素繊維束の製造方法。
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