JPH04209740A - 炭素繊維複合材 - Google Patents
炭素繊維複合材Info
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- JPH04209740A JPH04209740A JP2409774A JP40977490A JPH04209740A JP H04209740 A JPH04209740 A JP H04209740A JP 2409774 A JP2409774 A JP 2409774A JP 40977490 A JP40977490 A JP 40977490A JP H04209740 A JPH04209740 A JP H04209740A
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Landscapes
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
［０００１１
【産業上の利用分野］本発明は、優れた伸縮特性を有す
る炭素繊維複合材に関する。 ［０００２］ 【従来の技術】軽量で強度が高く、優れた耐熱性、耐食
性、電気伝導性、熱伝導性および弾力性等を有する炭素
繊維は、宇宙・航空、一般産業およびスポーツ・レジャ
ー等の広範囲の分野において、各種のマトリックス（例
えば、プラスチック、ゴム、金属、炭素またはコンクリ
ート等）と一体化させて成る複合材として利用されるよ
うになっている。 ［０００３］Ｌかしながら、この種の複合材においては
、わづかの変形等によって複合材が破壊しやすい問題が
あり、その解決策が要請されている。この問題は、炭素
繊維の引張伸度が約０． ５〜２％と低いことに起因す
る。このため、プラスチック等の破断伸度の大きなマト
リックスあるいはゴム等の伸縮性の大きなマトリックス
と炭素繊維との有用な複合材料は提供されていない。 ［０００４］
る炭素繊維複合材に関する。 ［０００２］ 【従来の技術】軽量で強度が高く、優れた耐熱性、耐食
性、電気伝導性、熱伝導性および弾力性等を有する炭素
繊維は、宇宙・航空、一般産業およびスポーツ・レジャ
ー等の広範囲の分野において、各種のマトリックス（例
えば、プラスチック、ゴム、金属、炭素またはコンクリ
ート等）と一体化させて成る複合材として利用されるよ
うになっている。 ［０００３］Ｌかしながら、この種の複合材においては
、わづかの変形等によって複合材が破壊しやすい問題が
あり、その解決策が要請されている。この問題は、炭素
繊維の引張伸度が約０． ５〜２％と低いことに起因す
る。このため、プラスチック等の破断伸度の大きなマト
リックスあるいはゴム等の伸縮性の大きなマトリックス
と炭素繊維との有用な複合材料は提供されていない。 ［０００４］
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の炭素
繊維複合材の上記問題点を解決し、プラスチック等の破
断伸度の大きなマトリックスあるいはゴム等の伸縮性の
大きなマトリックスを含む各種のマトリックスの変形等
に対して十分な追随性を発揮し得る炭素繊維と該マトリ
ックスとを一体化させて成る複合材を提供するためにな
されたものである。 ［０００５］
繊維複合材の上記問題点を解決し、プラスチック等の破
断伸度の大きなマトリックスあるいはゴム等の伸縮性の
大きなマトリックスを含む各種のマトリックスの変形等
に対して十分な追随性を発揮し得る炭素繊維と該マトリ
ックスとを一体化させて成る複合材を提供するためにな
されたものである。 ［０００５］
【課題を解決するための手段】即ち本発明は、軟化点の
差が１０℃以内であり、かつ、紡糸後の繊維軸方向にお
ける炭化時の線収縮率の最大差が５％以上となる２種以
上のピッチを紡糸装置へ別々に供給して複合ノズルから
同時に溶融吐出させて調製される複合単繊維を集束させ
た後、引張応力の存在下での不融化処理に付し、次いで
応力の実質上不存在下での炭化処理に付して得られるコ
イル状炭素繊維束を、マトリックスと一体化させて成る
炭素繊維複合材に関する。 ［０００６］本発明において紡糸原料として使用すると
ッチは、従来から当該分野において既知の石油系ピッチ
または石炭系ピッチ、例えば、光学的等方性ピッチおよ
び光学的異方性ピッチから成る群から適宜２種以上選択
すればよい。ただし、この場合、軟化点の差が１０℃以
内であり、かつ、紡糸後の繊維軸方向における炭化時の
線収縮率の最大差が５％以上となる２種以上のピッチを
選択しなければならない。 ［０００７１通常、紡糸ピッチの粘度は温度によって大
きく変化するので、最適紡糸温度範囲は狭く、良好な紡
糸をおこなうためには、紡糸温度におけるピッチの粘度
が近似していることが好適な条件であり、本発明におい
ては、２種以上のピッチの軟化点の差は１０℃以内であ
る。該軟化点差が１０℃を越えるようになると、長時間
安定した紡糸ができなくなるので好ましくない。 ［０００８］また、紡糸ピッチの繊維方向における炭化
時の線収縮率の最大差が５％よりも小さくなると、単繊
維がばらばらに捲縮するだけで、全体的に捩り合ったコ
イル状繊維束は得られなくなるので好ましくない。 ［０００９］上記の条件を満たす２種以上のピッチを紡
糸装置、例えば、シースコア型ノズルまたはサイドバイ
サイド型ノズルを具備する紡糸装置へ別々に供給し、複
合ノズルから同時に溶融吐出させることによって複合単
繊維が調製される。ピッチの吐出条件は、被紡糸ピッチ
の種類等によって左右され、特に限定的ではないが、通
常は紡糸ピッチの線収縮率が大きくなるピッチの吐出割
合を３０〜９０％にするのが好ましい。 ［００１０１得られた複合単繊維は、フィラメント数が
５０〜１００００、好ましくは５００〜５０００になる
ように集束する。この場合、繊維の横方向の向きを、例
えば、エチルアルコール、エチルアルコールと水の混合
物、またはエチルアルコールとシリコン油−水エマルジ
ョンの混合物等の集束剤を用いて固定するのが好ましい
。 ［００１１１複合単繊維束は不融化処理に付した後、炭
化処理に付される。この場合、各単繊維が一定のカール
方向に整列したコイル状繊維束を得るために、不融化処
理は引張応力の存在下でおこない、また、十分にカール
したコイル状繊維束を調製するために、炭化処理は応力
が実質上存在しない条件下でおこなう。 ［００１２］複合単繊維束の不融化処理は、通常はマイ
ラメン５１本当たりの引張応力が０．０００１〜０．０
０２ｇ、好ましくは０．０００２〜０．００１ｇの条件
下において、空気等の酸化性ガス中、約２００〜３００
℃でおこない、その後の炭化処理は窒素ガス等の不活性
ガス雰囲気下において、約６００〜３０００℃でおこな
う。 ［００１３］上記の方法によって調製されるピッチ系炭
素繊維束は、一定方向に各単繊維がコイル状に整列した
形態を有しており、負荷を印加すると約１０〜１００％
の伸び率を示し、負荷を除くと瞬時に元の状態へ復帰す
るような伸縮挙動を示し、このような伸縮特性は一万回
以上伸縮を繰返した後も保持される。 ［００１４］このような優れた伸縮特性を有するピッチ
系コイル状炭素繊維束を種々のマトリックス、例えば、
プラスチック、ゴム、金属、炭素またはコンクリート等
と一体化させることによって本発明による炭素繊維複合
材が得られる。 ［００１５］上記のコイル状炭素繊維束をマトリックス
と一体化させる方法は特に限定的ではないが、例えば、
該炭素繊維束を一方向に引き揃えて作製したプリプレグ
を積層するか、または該繊維束を予め一方向に積み重ね
るか、あるいは予めクロスに加工した後、マトリックス
を流し込んで硬化させてもよい。この場合、該炭素繊維
束をマトリックスと一体化させるに際して、該繊維束を
、残存伸び率がマトリックスの伸び率と一致するように
予め伸ばしておくことによって、マトリックスの変形時
に炭素繊維の引張強度が最大限に発現されるようにして
もよい。 ［００１６］
差が１０℃以内であり、かつ、紡糸後の繊維軸方向にお
ける炭化時の線収縮率の最大差が５％以上となる２種以
上のピッチを紡糸装置へ別々に供給して複合ノズルから
同時に溶融吐出させて調製される複合単繊維を集束させ
た後、引張応力の存在下での不融化処理に付し、次いで
応力の実質上不存在下での炭化処理に付して得られるコ
イル状炭素繊維束を、マトリックスと一体化させて成る
炭素繊維複合材に関する。 ［０００６］本発明において紡糸原料として使用すると
ッチは、従来から当該分野において既知の石油系ピッチ
または石炭系ピッチ、例えば、光学的等方性ピッチおよ
び光学的異方性ピッチから成る群から適宜２種以上選択
すればよい。ただし、この場合、軟化点の差が１０℃以
内であり、かつ、紡糸後の繊維軸方向における炭化時の
線収縮率の最大差が５％以上となる２種以上のピッチを
選択しなければならない。 ［０００７１通常、紡糸ピッチの粘度は温度によって大
きく変化するので、最適紡糸温度範囲は狭く、良好な紡
糸をおこなうためには、紡糸温度におけるピッチの粘度
が近似していることが好適な条件であり、本発明におい
ては、２種以上のピッチの軟化点の差は１０℃以内であ
る。該軟化点差が１０℃を越えるようになると、長時間
安定した紡糸ができなくなるので好ましくない。 ［０００８］また、紡糸ピッチの繊維方向における炭化
時の線収縮率の最大差が５％よりも小さくなると、単繊
維がばらばらに捲縮するだけで、全体的に捩り合ったコ
イル状繊維束は得られなくなるので好ましくない。 ［０００９］上記の条件を満たす２種以上のピッチを紡
糸装置、例えば、シースコア型ノズルまたはサイドバイ
サイド型ノズルを具備する紡糸装置へ別々に供給し、複
合ノズルから同時に溶融吐出させることによって複合単
繊維が調製される。ピッチの吐出条件は、被紡糸ピッチ
の種類等によって左右され、特に限定的ではないが、通
常は紡糸ピッチの線収縮率が大きくなるピッチの吐出割
合を３０〜９０％にするのが好ましい。 ［００１０１得られた複合単繊維は、フィラメント数が
５０〜１００００、好ましくは５００〜５０００になる
ように集束する。この場合、繊維の横方向の向きを、例
えば、エチルアルコール、エチルアルコールと水の混合
物、またはエチルアルコールとシリコン油−水エマルジ
ョンの混合物等の集束剤を用いて固定するのが好ましい
。 ［００１１１複合単繊維束は不融化処理に付した後、炭
化処理に付される。この場合、各単繊維が一定のカール
方向に整列したコイル状繊維束を得るために、不融化処
理は引張応力の存在下でおこない、また、十分にカール
したコイル状繊維束を調製するために、炭化処理は応力
が実質上存在しない条件下でおこなう。 ［００１２］複合単繊維束の不融化処理は、通常はマイ
ラメン５１本当たりの引張応力が０．０００１〜０．０
０２ｇ、好ましくは０．０００２〜０．００１ｇの条件
下において、空気等の酸化性ガス中、約２００〜３００
℃でおこない、その後の炭化処理は窒素ガス等の不活性
ガス雰囲気下において、約６００〜３０００℃でおこな
う。 ［００１３］上記の方法によって調製されるピッチ系炭
素繊維束は、一定方向に各単繊維がコイル状に整列した
形態を有しており、負荷を印加すると約１０〜１００％
の伸び率を示し、負荷を除くと瞬時に元の状態へ復帰す
るような伸縮挙動を示し、このような伸縮特性は一万回
以上伸縮を繰返した後も保持される。 ［００１４］このような優れた伸縮特性を有するピッチ
系コイル状炭素繊維束を種々のマトリックス、例えば、
プラスチック、ゴム、金属、炭素またはコンクリート等
と一体化させることによって本発明による炭素繊維複合
材が得られる。 ［００１５］上記のコイル状炭素繊維束をマトリックス
と一体化させる方法は特に限定的ではないが、例えば、
該炭素繊維束を一方向に引き揃えて作製したプリプレグ
を積層するか、または該繊維束を予め一方向に積み重ね
るか、あるいは予めクロスに加工した後、マトリックス
を流し込んで硬化させてもよい。この場合、該炭素繊維
束をマトリックスと一体化させるに際して、該繊維束を
、残存伸び率がマトリックスの伸び率と一致するように
予め伸ばしておくことによって、マトリックスの変形時
に炭素繊維の引張強度が最大限に発現されるようにして
もよい。 ［００１６］
【作用】本発明による炭素繊維複合材は、優れた伸縮特
性を有するコイル状炭素繊維がマトリックスと一体化さ
れた構造を有するので、該複合材に負荷が印加されてマ
トリックスが変形しても、コイル状炭素繊維は該変形に
対して十分な追随性を発揮するので、炭素繊維が破砕し
たり、マトリックスと炭素繊維の接触界面が離反するこ
とはない。 ［００１７］
性を有するコイル状炭素繊維がマトリックスと一体化さ
れた構造を有するので、該複合材に負荷が印加されてマ
トリックスが変形しても、コイル状炭素繊維は該変形に
対して十分な追随性を発揮するので、炭素繊維が破砕し
たり、マトリックスと炭素繊維の接触界面が離反するこ
とはない。 ［００１７］
【実施例】以下、本発明を実施例によって説明する。
［００１８］ココイル炭素繊維束の調製石油系重質油を
原料として軟化点２３５℃、異方性割合９９％、トルエ
ン不溶分７７％、キノリンネ溶分３０％、繊維としたと
きの炭化時の線収縮率が５．８％である光学的異方性紡
糸ピッチＡを調製した。また、同じ石油系重質油から軟
化点２３５℃、異方性割合０％、トルエン不溶分５６％
、キノリンネ溶分Ｏ％、繊維としたときの炭化時の線収
縮率が１２．９％である光学的等方性紡糸ピッチＢを調
製した。 ［００１９］内側ノズルの内径が０．２ミリメートル、
外側ノズルの内径が０．５ミリメートルであるシースコ
ア型複合ノズルの内側に紡糸ピッチＡを、外側に紡糸ピ
ッチＢを別々に供給して吐出孔より一緒に紡糸して、紡
糸ピッチＡ、Ｂの複合繊維を得た。この時、Ａ、Ｂの吐
出割合は２０：８０になるよう各ピッチの吐出圧力を調
整した。この複合繊維１０００本を集束させた後、繊維
−本当たり０．０００４ｇの緊張下、空気中、２９０℃
で不融化し、次いで緊張を解除し、窒素雰囲気中１００
０℃で炭化してコイル状炭素繊維を得た。このコイル状
炭素繊維は１００ｇの引張り荷重をかけることにより、
７０％の伸びを示した。 ［００２０１また、比較のため紡糸ピッチＡを内径０゜
３ミリメートルのノズルより吐出し、５００メ一トル／
分の速度で巻き取り、１０００本を集束させた後、２９
０℃で不融化し、次いで１０００℃で炭化して直線状炭
素繊維を得た。この直線状炭素繊維の引張り強度は２０
０ ｋｇ／ｍ１ｌ１２、弾性率は１５ ｔｏｎ／ｎｕｉ
２であり、破断伸度は１．３％であった。 ［００２１］実施例１ 上記のようにして得られたコイル状炭素繊維を透明のエ
ポキシ樹脂中に埋込みモデル炭素繊維複合材を作製した
。この複合材を繊維の長手方向に引張り、内部の炭素繊
維を観察したところ、複合材を８％引き伸ばすまで繊維
もマトリックスにつれて伸びるのが認められた。 ［００２２］実施例２ 前記のようにして得られたコイル状炭素繊維を透明のシ
リコンゴムに埋め込んだ複合材を製造した。この複合材
を繊維の長手方向に引っ張った所、１０％以上の伸びに
おいても炭素繊維の破断は認められず、引っ張り荷重を
解除すると元の形に復元した。 ［００２３］比較例１ 直線状炭素繊維を用いて実施例１と同様の複合材を製造
し、引張り試験をおこなった。その結果、複合材が約１
％伸びた時点で炭素繊維が破断し、同時にマトリックス
も破断した。 ［００２４］比較例２ 直線状の炭素繊維を用い、実施例２と同様の複合材を製
造し、引っ張り試験をおこなった。その結果、複合材が
約１％伸びたところで炭素繊維とマトリックスの界面で
マトリックスに亀裂が発生し、さらに引っ張ったところ
、マトリックスゴムが破断し、繊維力躬１き抜けた。 ［００２５］
原料として軟化点２３５℃、異方性割合９９％、トルエ
ン不溶分７７％、キノリンネ溶分３０％、繊維としたと
きの炭化時の線収縮率が５．８％である光学的異方性紡
糸ピッチＡを調製した。また、同じ石油系重質油から軟
化点２３５℃、異方性割合０％、トルエン不溶分５６％
、キノリンネ溶分Ｏ％、繊維としたときの炭化時の線収
縮率が１２．９％である光学的等方性紡糸ピッチＢを調
製した。 ［００１９］内側ノズルの内径が０．２ミリメートル、
外側ノズルの内径が０．５ミリメートルであるシースコ
ア型複合ノズルの内側に紡糸ピッチＡを、外側に紡糸ピ
ッチＢを別々に供給して吐出孔より一緒に紡糸して、紡
糸ピッチＡ、Ｂの複合繊維を得た。この時、Ａ、Ｂの吐
出割合は２０：８０になるよう各ピッチの吐出圧力を調
整した。この複合繊維１０００本を集束させた後、繊維
−本当たり０．０００４ｇの緊張下、空気中、２９０℃
で不融化し、次いで緊張を解除し、窒素雰囲気中１００
０℃で炭化してコイル状炭素繊維を得た。このコイル状
炭素繊維は１００ｇの引張り荷重をかけることにより、
７０％の伸びを示した。 ［００２０１また、比較のため紡糸ピッチＡを内径０゜
３ミリメートルのノズルより吐出し、５００メ一トル／
分の速度で巻き取り、１０００本を集束させた後、２９
０℃で不融化し、次いで１０００℃で炭化して直線状炭
素繊維を得た。この直線状炭素繊維の引張り強度は２０
０ ｋｇ／ｍ１ｌ１２、弾性率は１５ ｔｏｎ／ｎｕｉ
２であり、破断伸度は１．３％であった。 ［００２１］実施例１ 上記のようにして得られたコイル状炭素繊維を透明のエ
ポキシ樹脂中に埋込みモデル炭素繊維複合材を作製した
。この複合材を繊維の長手方向に引張り、内部の炭素繊
維を観察したところ、複合材を８％引き伸ばすまで繊維
もマトリックスにつれて伸びるのが認められた。 ［００２２］実施例２ 前記のようにして得られたコイル状炭素繊維を透明のシ
リコンゴムに埋め込んだ複合材を製造した。この複合材
を繊維の長手方向に引っ張った所、１０％以上の伸びに
おいても炭素繊維の破断は認められず、引っ張り荷重を
解除すると元の形に復元した。 ［００２３］比較例１ 直線状炭素繊維を用いて実施例１と同様の複合材を製造
し、引張り試験をおこなった。その結果、複合材が約１
％伸びた時点で炭素繊維が破断し、同時にマトリックス
も破断した。 ［００２４］比較例２ 直線状の炭素繊維を用い、実施例２と同様の複合材を製
造し、引っ張り試験をおこなった。その結果、複合材が
約１％伸びたところで炭素繊維とマトリックスの界面で
マトリックスに亀裂が発生し、さらに引っ張ったところ
、マトリックスゴムが破断し、繊維力躬１き抜けた。 ［００２５］
【発明の効果】本発明による炭素繊維複合材は、プラス
チック等の破断伸度の大きなマトリックスあるいはゴム
等の伸縮性の大きなマトリックスを含む各種のマトリッ
クスの変形等に対して十分な追随性を発揮し得る優れた
伸縮性を有する炭素繊維を該マトリックスと一体化させ
た構造を有するので、宇宙・航空、一般産業およびスポ
ーツ・レジャー等の広範囲の分野において、利用価値の
高い有用な複合材として汎用し得るものである。 発明者
チック等の破断伸度の大きなマトリックスあるいはゴム
等の伸縮性の大きなマトリックスを含む各種のマトリッ
クスの変形等に対して十分な追随性を発揮し得る優れた
伸縮性を有する炭素繊維を該マトリックスと一体化させ
た構造を有するので、宇宙・航空、一般産業およびスポ
ーツ・レジャー等の広範囲の分野において、利用価値の
高い有用な複合材として汎用し得るものである。 発明者
Claims (2)
- 【請求項１】 軟化点の差が１０℃以内であり、かつ、
紡糸後の繊維軸方向における炭化時の線収縮率の最大差
が５％以上となる２種以上のピッチを紡糸装置へ別々に
供給して複合ノズルから同時に溶融吐出させて調製され
る複合単繊維を集束させた後、引張応力の存在下での不
融化処理に付し、次いで応力の実質上不存在下での炭化
処理に付して得られるコイル状炭素繊維束を、マトリッ
クスと一体化させて成る炭素繊維複合材。 - 【請求項２】 マトリックスがプラスチック、ゴム、金
属、炭素またはコンクリートである請求項１記載の炭素
繊維複合材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2409774A JPH04209740A (ja) | 1990-12-07 | 1990-12-07 | 炭素繊維複合材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2409774A JPH04209740A (ja) | 1990-12-07 | 1990-12-07 | 炭素繊維複合材 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04209740A true JPH04209740A (ja) | 1992-07-31 |
Family
ID=18519059
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2409774A Pending JPH04209740A (ja) | 1990-12-07 | 1990-12-07 | 炭素繊維複合材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04209740A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2206692A1 (en) * | 2008-12-29 | 2010-07-14 | Centrum dopravniho vyzkumu, v.v.i. | Capsules for concrete from a fiber and ice and method of their production |
-
1990
- 1990-12-07 JP JP2409774A patent/JPH04209740A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2206692A1 (en) * | 2008-12-29 | 2010-07-14 | Centrum dopravniho vyzkumu, v.v.i. | Capsules for concrete from a fiber and ice and method of their production |
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