JPH06212565A - 炭素繊維 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 繊維に付与したサイズ剤により糸扱い性が良
く、且つ容易に水洗によりサイズ剤を除去して、良好な
物性のＣ／Ｃ等の複合材料を製造することができる炭素
繊維を提供することである。 【構成】 炭素繊維にサイズ剤として、ビスフェノール
Ａの両水酸基の各々に２〜１０個のエチレンオキサイド
が付加した付加物を付与した。 【効果】 上記付加物は分子内にグリシジル基を持たな
い水溶性分子であり、水洗により容易に除去でき、炭素
繊維の長期間の保管によってもその水洗性を維持でき、
目的を達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、糸扱い性が良好で、サ
イズ剤の水洗除去が容易な炭素繊維に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、炭素繊維のボビンからの解除
や巻取り或いは繊維を編織する際の糸扱い性を向上する
ために、炭化処理後に炭素繊維にサイズ剤（サイジング
剤）が付与されている。

【０００３】サイズ剤としては、通常、エポキシ樹脂を
乳化剤により水に分散した水エマルジョン型のもの、或
いは有機溶剤を使用してエポキシ樹脂を溶解し、溶液と
したものが使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】通常、エポキシ樹脂な
どを用いて炭素繊維／樹脂複合材料を作成する場合、炭
素繊維に付着しているサイズ剤は除去せずに、炭素繊維
がそのまま使用される。

【０００５】一方、Ｃ／Ｃ複合材料（炭素繊維／炭素複
合材料）やＣ／Ｍ複合材料（炭素繊維／金属複合材料）
を製造する場合には、サイズ剤が付着していると複合材
料の物性が低下するので、サイズ剤を除去することが必
要である。

【０００６】従来のサイズ剤を付与した炭素繊維では、
サイズ剤を除去するのに焼成しなければならず、このた
め高温の炉を必要とするばかりか、焼成時に糸切れが発
生するという問題があった。

【０００７】サイズ剤の別の除去法として、アセトン、
メチルエチルケトンなどの溶剤を用いて除去する方法が
あるが、この場合にはコスト高くなる上、溶剤が飛散す
るので環境上、好ましくないという問題点があった。

【０００８】このため除去が可能な水溶性エポキシ樹脂
をサイズ剤として使用することも試みられているが、水
溶性エポキシ樹脂分子内の反応性の高いグリシジル基
（エポキシ基）のために、保存中の酸化に対する安定性
が悪く、炭素繊維の保管中にサイズ剤が水に不溶化し
て、水による除去ができなくなる欠点があった。

【０００９】本発明の目的は、複合材料を作成する際の
糸扱い性及び繊維束の開繊性が繊維に付与したサイズ剤
により良好であり、且つ良好な物性のＣ／Ｃ複合材料、
Ｃ／Ｍ複合材料を作成するためのサイズ剤の除去が水洗
により容易に行なえ、更に炭素繊維／樹脂複合材料を作
成する際には、エポキシ樹脂との相溶性が高いためにサ
イズ剤を除去することなく用いても、物性を低下させる
ことなく複合材料を製造することを可能とした炭素繊維
を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は本発明に係る
炭素繊維にて達成される。要約すれば本発明は、下記の
化学式：

【００１１】

【化２】 で表されるビスフェノールＡのエチレンオキサイド付加
物を付与したことを特徴とする炭素繊維である。

【００１２】以下、本発明について説明する。

【００１３】本発明で使用するサイズ剤は、化２に示す
ように、ビスフェノールＡの両水酸基の各々に２〜１０
個のエチレンオキサイドを付加してなっており、この付
加物は、分子内にグリシジル基（エポキシ基）を持たな
い水溶性分子である。

【００１４】本発明では、このようなビスフェノールＡ
のエチレンオキサイド付加物からなるサイズ剤を炭素繊
維に付与するものである。例えば炭化処理により得られ
た炭素繊維をボビンに巻取る前にサイズ剤が付与され
る。

【００１５】上記の化２において、（ＣＨ₂ −ＣＨ₂ −
Ｏ）基の数ｍ、ｎ（付加モル数）は互に同一でも異なっ
ていてもよいが、付加モル数ｍ、ｎのいずれもが２未満
では、サイズ剤は水に溶解しにくくなり、水洗による除
去がしづらくなる。一方、付加モル数ｍ、ｎがいずれも
１０を超えると、マトリクス樹脂として使用するエポキ
シ樹脂との相溶性が低下し、繊維強化複合樹脂材料にし
たときの層間剪断強度（ＩＬＳＳ）が低下する。又サイ
ズ剤の酸化安定性が悪くなり、炭素繊維保管中の酸化に
よりサイズ剤が水に不溶化して、水によるサイズ剤の除
去がしにくくなる。以上から、サイズ剤は、化２の（Ｃ
Ｈ₂ −ＣＨ₂ −Ｏ）基の付加モル数ｍ、ｎが２〜１０と
される。

【００１６】以上のようなサイズ剤を炭素繊維に付与す
るには、通常の水溶性サイズ剤と同様、水溶液にして付
着させればよく、例えばサイズ剤水溶液を収容した水槽
内に炭素繊維を通糸して行なうことができる。サイズ剤
水溶液の濃度は０．１〜２０ｗｔ％程度にして付与され
る。炭素繊維のサイズ剤付着量（乾燥による水分除去後
の付着量）は０．１〜１０ｗｔ％がよく、付着量が０．
１ｗｔ％未満では、複合材料を作る際の糸扱い性の向上
効果がなく、ず、逆に１０ｗｔ％を超えると、その効果
の向上が頭打ちになる上、水洗による除去に時間がかか
るようになる。

【００１７】本発明において、サイズ剤は１種類を単独
で使用するばかりでなく、付加モル数ｍ、ｎの点におい
て互に異なる２種以上を混合して使用することもでき
る。２種以上のサイズ剤を混合すると、相乗効果により
サイズ剤の水溶性が高まるばかりでなく、エポキシ樹脂
との相溶性が高まり、又酸化安定性が向上する。

【００１８】更にサイズ剤にはフェノール系、アミン系
の酸化防止剤を添加して使用することができ、これによ
り酸化安定性を一層向上することができる。この場合、
上記のように２種以上のサイズ剤を混合して使用する
と、酸化防止剤のサイズ剤への相溶性が向上する。

【００１９】酸化防止剤としては、フェニル−α−ナフ
チルアミン、フェニル−β−ナフチルアミン、Ｎ，Ｎ′
−ジフェニル−ｐ−フェニレンジアミン、Ｎ，Ｎ′−ジ
−β−ナフチル−ｐ−フェニレンジアミン、Ｎ，Ｎ′−
ジアリル−ｐ−フェニレンジアミン、ジアリル−ｐ−フ
ェニレンジアミン；Ｎ，Ｎ′−ジ−ｓｅｃ−ブチル−ｐ
−フェニレンジアミン、Ｎ，Ｎ′−ビス（１−メチルヘ
プチル）−ｐ−フェニレンジアミンなどのアミン類及び
その誘導体；４，４′−ジオキシジフェニル、２，４−
ジメチル−６−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール、２，６−
ジ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール、２，６−ｔｅｒｔ−
ブチル−ｐ−クレゾールなどのフェノール誘導体が使用
される。

【００２０】本発明の炭素繊維では、以上のようなサイ
ズ剤を付与したので、サイズ剤付与による炭素繊維の糸
扱い性が良好になるばかりでなく、水洗により炭素繊維
からサイズ剤を容易に除去でき、炭素繊維を用いて良好
な物性のＣ／ＣやＣ／Ｍ等の複合材料を製造することが
できる。然もサイズ剤は分子内にグリシジル基がないの
で、炭素繊維を長期間保管しても、酸化により劣化して
水に不溶化するというようなことがなく、サイズ剤の水
洗性を長期間安定して維持することができる。勿論、水
洗後の炭素繊維は開繊性が良好である。更にサイズ剤は
マトリクス樹脂として使用するエポキシ樹脂との相溶性
がよいので、サイズ剤を除去することなく用いて作成し
た炭素繊維強化プリプレグにより、物性低下を生じるこ
となく複合材料を製造することができる。

【００２１】

【実施例】本発明の実施例について説明する。

【００２２】実施例１ 光学的異方性相を９８％含み、軟化点が２７０℃の炭素
繊維用ピッチを紡糸し、その後不融化し、予備炭化し、
２５００℃までの炭化を行ない、更に電解酸化処理法で
表面処理を行なって、５０００フィラメントからなる炭
素繊維を得た。

【００２３】この炭素繊維についてＪＩＳ−Ｒ−７６０
１に規定する樹脂含浸ストランド試験を行なったとこ
ろ、樹脂含浸ストランドの引張強度は３５０ｋｇ／ｍｍ
² 、引張弾性率は７０ｔｏｎ／ｍｍ² であった。又エポ
キシ樹脂との複合材料を作成して、ショートビーム法に
よりその層間剪断強度を測定したところ７．１ｋｇ／ｍ
ｍ² であった。

【００２４】次に炭素繊維にサイズ剤として、ビスフェ
ノールＡにエチレンオキサイドを合計１０モル付加した
付加物（化２の付加モル数ｍ＋ｎ＝１０）を付与した。

【００２５】サイズ剤の付与は、幅０．６ｍ、高さ０．
４ｍ、長さ２ｍの図示しない横形の水槽にサイズ剤を６
ｗｔ％の水溶液の形にして入れ、このサイズ剤水溶液中
に炭素繊維を連続的に通糸する方法により行なった。

【００２６】炭素繊維はサイズ剤の付与後、ドライヤー
で水分を除去した。水分除去後の繊維のサイズ剤付着量
を測定したところ２．０ｗｔ％であった。

【００２７】サイズ剤付与から１日後、上記の水槽に洗
浄水としてイオン交換水を入れ、この中に炭素繊維を連
続的に通糸して、サイズ剤を水洗除去した。このときの
通糸速度は０．５ｍ／分であり、イオン交換水中の炭素
繊維の滞留時間は２分であった。又イオン交換水の温度
は２０℃であり、洗浄中、交換水の撹拌は行なわなかっ
た。

【００２８】このようにしてサイズ剤が除去された炭素
繊維を１２０℃で乾燥した後、サイズ剤の残量を測定
し、水洗によるサイズ剤の除去率を求めた。サイズ剤の
除去率は９９％であった。

【００２９】又サイズ剤の除去を行なわずに炭素繊維を
使用して複合材料を作成した。その複合材料を作成する
際の糸扱い性及び繊維束の開繊性は良好であった。又こ
の複合材料の層間剪断強度をショートビーム法により測
定したところ、層間剪断強度は７．１ｋｇ／ｍｍ² であ
り、サイズ剤を付与していないときの炭素繊維を用いた
場合と、層間剪断強度の差が殆ど認められたなかった。

【００３０】次に炭素繊維を室温化で６か月保管後、上
記と同様にしてサイズ剤の除去試験を行なった。この場
合のサイズ剤の除去率は７１％であった。

【００３１】実施例２ サイズ剤として、ビスフェノールＡにエチレンオキサイ
ドを合計１０モル付加した付加物（付加モル数ｍ＋ｎ＝
１０）を１０ｗｔ％、８モル付加した付加物（ｍ＋ｎ＝
８）、１２モル付加した付加物（ｍ＋ｎ＝１２）を混合
して使用した以外は、実施例１と同様に処理した。

【００３２】この場合、サイズ剤付与から１日後の水洗
によるサイズ剤の除去率は１００％であり、６か月保管
後の水洗によるサイズ剤の除去率は９５％であった。

【００３３】又このサイズ剤を付与した炭素繊維を複合
材料にしたときの層間剪断強度は７．１ｋｇ／ｍｍ² で
あり、サイズ剤を付与しなかったものとの差が認められ
なかった。この場合も、複合材料を作る際の繊維の糸扱
い性及び繊維束の開繊性は良好であった。

【００３４】実施例３ サイズ剤として実施例２のものを用い、これに更に酸化
防止剤としてＮ，Ｎ′−ジフェニル−ｐ−フェニレンジ
アミンを５ｗｔ％添加して使用した。それ以外は、実施
例１と同様に処理した。

【００３５】この場合、サイズ剤付与から１日後の水洗
によるサイズ剤の除去率は１００％であり、６か月保管
後の水洗によるサイズ剤の除去率も１００％であった。

【００３６】又このサイズ剤を付与した炭素繊維を複合
材料にしたときの層間剪断強度は７．０ｋｇ／ｍｍ² で
あった。この場合も、複合材料を作る際の繊維の糸扱い
性及び繊維束の開繊性は良好であった。

【００３７】比較例１ サイズ剤として、ビスフェノールＡにエチレンオキサイ
ドを合計２４モル付加した付加物（付加モル数ｍ＋ｎ＝
２４）を用いた以外は、実施例１と同様に処理した。

【００３８】この場合、サイズ剤付与から１日後の水洗
によるサイズ剤の除去率は１００％であり、６か月保管
後の水洗によるサイズ剤の除去率は２０％であった。サ
イズ剤の水洗性は、６か月の保管により著しく低下し
た。

【００３９】又このサイズ剤を付与した炭素繊維を複合
材料にしたときの層間剪断強度は５．５ｋｇ／ｍｍ² と
顕著に低下した。この場合、複合材料を作成する際の繊
維の糸扱い性及び繊維束の開繊性は実施例１と比べて悪
かった。

【００４０】比較例２ サイズ剤として、ビスフェノールＡにエチレンオキサイ
ドを合計２モル付加した付加物（付加モル数ｍ＋ｎ＝
２）を用いた以外は、実施例１と同様に処理した。

【００４１】この場合、サイズ剤付与から１日後の水洗
によるサイズ剤の除去率は１０％であり、６か月保管後
の水洗によるサイズ剤の除去率は１０％であった。６か
月の保管によるサイズ剤の水洗性の変化は認められなか
ったが、元々、除去率が低すぎる。

【００４２】このサイズ剤を付与した炭素繊維を複合材
料にしたときの層間剪断強度は７．１ｋｇ／ｍｍ² であ
り、サイズ剤剤を付与しない炭素繊維と変化がなかっ
た。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の炭素繊維
は、ビスフェノールＡの両水酸基の各々に２〜１０個の
エチレンオキサイドを付加した付加物をサイズ剤として
付与してなっており、この付加物は分子内にグリシジル
基を持たない水溶性分子であるので、炭素繊維の糸扱い
性が良いばかりか、容易に水洗によりサイズ剤を除去で
き、炭素繊維の長期間保管によってもその水洗性は失わ
れない。従って炭素繊維からサイズ剤を除去して良好な
物性のＣ／ＣやＣ／Ｍ等の複合材料を製造することがで
きる。更にサイズ剤のエポキシ樹脂との相溶性が高いの
で、サイズ剤を除去することなく用いて作成した炭素繊
維強化プリプレグにより、物性低下を生じることなく複
合材料を製造することができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記の化学式： 【化１】 で表されるビスフェノールＡのエチレンオキサイド付加
   物を付与したことを特徴とする炭素繊維。