JPH08296124A - Non-circular cross section carbon fiber and carbon fiber-reinforced composite material - Google Patents

Non-circular cross section carbon fiber and carbon fiber-reinforced composite material

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JPH08296124A
JPH08296124A JP9889395A JP9889395A JPH08296124A JP H08296124 A JPH08296124 A JP H08296124A JP 9889395 A JP9889395 A JP 9889395A JP 9889395 A JP9889395 A JP 9889395A JP H08296124 A JPH08296124 A JP H08296124A
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JP
Japan
Prior art keywords
carbon fiber
section
cross
fiber
composite material
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Application number
JP9889395A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Makoto Kobayashi
真 木林
Yoji Matsuhisa
要治 松久
Kazuharu Shimizu
一治 清水
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Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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Publication date
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Abstract

PURPOSE: To obtain a non-circular cross section carbon fiber capable of improving the fundamental characteristics of its compressed system and capable of providing a composite material suitable as a structural material. CONSTITUTION: This carbon fiber has a non-circular cross section and the cross- sectional shape is a non-circular shape having at least a symmetric surface passing through the center of the figure, has a rotation symmetric angle θdefined θ=360 deg./n (n is an integer of 1-10), and has a base weight of >=0.1mg/m per a single fiber.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、繊維強化複合材料成型
用の炭素繊維、およびその繊維を用いた複合材料に関す
る。さらに詳しくは、圧縮系の機械特性に優れた、構造
材料として好適な複合材料を与える炭素繊維、およびそ
の炭素繊維を用いた複合材料に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon fiber for molding a fiber-reinforced composite material and a composite material using the fiber. More specifically, the present invention relates to a carbon fiber which provides a composite material having excellent compression system mechanical properties and suitable as a structural material, and a composite material using the carbon fiber.

【0002】[0002]

【従来の技術】炭素繊維は他の繊維に比べて優れた比強
度および比弾性率を有するため、その優れた機械的特性
を利用して樹脂との複合材料用の補強繊維として工業的
に広く利用されている。近年、炭素繊維複合材料の優位
性はますます高まり、特にスポーツ、航空宇宙用途にお
いてはこの炭素繊維複合材料に対する性能高度化要求が
強い。複合材料としての特性は炭素繊維そのものの特性
に起因するところが大きく、この要求はとりもなおさず
炭素繊維自身への特性高度化要求である。この炭素繊維
に対する高性能化の要求に対して、これまで引張強度や
引張弾性率といった引張特性に関して長足の進歩がなさ
れた。しかし、それに対して圧縮特性値の向上は追随し
ておらず、複合材料の特性、特に圧縮特性、曲げ特性と
いった実用特性において満足のいく向上が見られていな
い。
2. Description of the Related Art Carbon fibers have excellent specific strength and specific elastic modulus as compared with other fibers, and therefore, due to their excellent mechanical properties, they are industrially widely used as reinforcing fibers for composite materials with resins. It's being used. In recent years, the superiority of carbon fiber composite materials has increased more and more, and especially for sports and aerospace applications, there is a strong demand for higher performance of the carbon fiber composite materials. The characteristics of the composite material are largely due to the characteristics of the carbon fiber itself, and this requirement is, in the first place, a demand for higher performance of the carbon fiber itself. In response to the demand for higher performance of this carbon fiber, long-term progress has been made so far in terms of tensile properties such as tensile strength and tensile elastic modulus. On the other hand, however, the improvement of the compression characteristic value has not been followed, and no satisfactory improvement has been observed in the characteristics of the composite material, particularly in the practical characteristics such as compression characteristics and bending characteristics.

【0003】従来、この複合材の基本特性を向上させる
対策として、炭素繊維の表面特性を電解表面処理によっ
て改善する方法、適用するマトリックス樹脂の特性を改
善する方法、複合材科を構成する炭素繊維の配列を工夫
する方法など、数多くの提案がされてきたが.必ずしも
満足のいく結果が得られていないのが実情である。
Conventionally, as a measure for improving the basic characteristics of this composite material, a method of improving the surface characteristics of the carbon fiber by electrolytic surface treatment, a method of improving the characteristics of the matrix resin to be applied, and the carbon fiber constituting the composite material family. Many proposals have been made, such as a method for devising the arrangement of. The reality is that the results are not always satisfactory.

【0004】このような従来の技術的背景のもとに、炭
素繊維と樹脂との複合材の基本特性を向上する対策につ
いて種々検討がおこなわれた結果、特開平3−9791
8、3−185121、4−202815号公報に示さ
れるように、炭素繊維自体の内部構造などの改良に加え
て、繊維横断面を非円形にすることが非常に有効である
ことが報告された。
Under such conventional technical background, various investigations have been made on measures for improving the basic characteristics of the composite material of carbon fiber and resin, and as a result, JP-A-3-9791.
8, 3-185121, 4-202815, it was reported that it is very effective to make the fiber cross-section non-circular in addition to the improvement of the internal structure of the carbon fiber itself. .

【0005】しかしながら、上記非円形断面糸は製糸
性、特に延伸性が低下することがあり、結果として製糸
能力の低下を伴う恐れがある。本発明者らは、この問題
点について単糸繊度を大きくして能力低下を抑制した場
合、得られた炭素繊維が高い圧縮強度を有することを見
出し、本発明に到達した。
However, the above-mentioned non-circular cross-section yarns may have poor yarn-forming properties, particularly drawability, and as a result, the yarn-forming ability may be reduced. With respect to this problem, the present inventors have found that the carbon fiber obtained has a high compressive strength when the single yarn fineness is increased to suppress the decrease in performance, and the present invention has been achieved.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
従来技術では達成し得なかった圧縮強度の高い炭素繊
維、およびかかる炭素繊維を用いた複合材料を提供する
ことにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a carbon fiber having a high compressive strength which could not be achieved by the above-mentioned prior art, and a composite material using such a carbon fiber.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の炭素繊維は、上
記課題を達成するために次の構成を有する。すなわち、
繊維横断面形状がその図心を通る対称面を少なくとも一
つ有すると共に、θ=360°/n(nは1から10ま
での整数)で規定される回転対称角度θを有する非円形
状であり、かつ、単繊維1本当たりの目付が0.1mg
/m以上であることを特徴とする非円形断面炭素繊維で
ある。
The carbon fiber of the present invention has the following constitution in order to achieve the above object. That is,
The fiber cross-sectional shape is a non-circular shape having at least one plane of symmetry passing through its centroid and having a rotational symmetry angle θ defined by θ = 360 ° / n (n is an integer from 1 to 10). And, the basis weight per single fiber is 0.1 mg
It is a non-circular cross-section carbon fiber characterized by being / m or more.

【0008】また、本発明の炭素繊維強化複合材料は、
上記課題を達成するために次の構成を有する。すなわ
ち、上記炭素繊維と樹脂とからなることを特徴とする炭
素繊維強化複合材料である。以下、本発明について詳細
に説明する。
The carbon fiber reinforced composite material of the present invention is
In order to achieve the above-mentioned subject, it has the following composition. That is, it is a carbon fiber reinforced composite material characterized by comprising the above carbon fiber and a resin. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

【0009】本発明の炭素繊維は横断面形状が一定の対
称性を持った非円形となっている。その一定の対称性を
持った非円形とは、図心を通る対称面を少なくとも一つ
有し、かつθ=360°/n(nは1から10までの整
数)で規定される回転対称角度θにより特定されたもの
である。
The carbon fiber of the present invention has a non-circular cross section with a constant symmetry. The non-circular shape having the certain symmetry means that there is at least one symmetry plane passing through the centroid and the rotational symmetry angle defined by θ = 360 ° / n (n is an integer from 1 to 10). It is specified by θ.

【0010】炭素繊維がこのような非円形断面であるこ
とによって、複合材に使用されたときマトリックス樹脂
との接触面積が増大して接着力を増大させ、かつ円形断
面に比べてマトリックス樹脂に対する均一な分散性を高
めるため、複合材の基本特性を大幅に向上させることが
できる。
The non-circular cross section of the carbon fiber increases the contact area with the matrix resin to increase the adhesive force when it is used in the composite material, and is more uniform to the matrix resin than the circular cross section. Therefore, the basic properties of the composite material can be significantly improved by increasing the dispersibility.

【0011】また非円形断面の炭素繊維は、円形断面の
炭素繊維に比べて断面二次モーメントが大きいため複合
材の曲げ剛性も向上させることができる。しかも、この
非円形断面形状が対称性であることにより、複合材の縦
方向(繊維長手方向)の歪みに対する断面方向の応力分
布を均一にすることができる。
Further, since the carbon fiber having a non-circular cross section has a larger second moment of area than the carbon fiber having a circular cross section, the bending rigidity of the composite material can be improved. Moreover, since the non-circular cross-sectional shape is symmetric, it is possible to make the stress distribution in the cross-sectional direction uniform with respect to the strain in the longitudinal direction (fiber longitudinal direction) of the composite material.

【0012】さらに、本発明の非円形断面炭素繊維は単
繊維1本あたりの目付が0.1mg/m以上である。す
なわち、単糸径が大きくて屈曲が少なくアライメントが
向上するため、複合材としたときの引張特性、圧縮特性
がさらに向上する。基本特性の向上のためには、単繊維
1本あたりの目付は0.125mg以上が好ましく、
0.15mg以上がより好ましく、0.20mg以上が
さらに好ましい。上限については特に限定されないが、
目付が大きい炭素繊維を得るには単糸繊度の大きいプリ
カーサーを用いるのが好ましく、その際、耐炎化時に焼
け斑を生じやすいという問題がある。よって単繊維1本
あたりの目付は0.50mg以下が実際的である。
Further, the carbon fiber having a non-circular cross section of the present invention has a basis weight of 0.1 mg / m 2 or more per single fiber. That is, since the single yarn diameter is large, the bending is small, and the alignment is improved, the tensile properties and compression properties of the composite material are further improved. In order to improve the basic characteristics, the weight per single fiber is preferably 0.125 mg or more,
0.15 mg or more is more preferable, and 0.20 mg or more is further preferable. The upper limit is not particularly limited,
In order to obtain a carbon fiber having a large basis weight, it is preferable to use a precursor having a large single yarn fineness, and in this case, there is a problem that burn marks are likely to occur during flame resistance. Therefore, the basis weight per single fiber is practically 0.50 mg or less.

【0013】本発明に言う単繊維1本当たりの目付と
は、フィラメント数がたとえば100〜1000000
本の炭素繊維束1mの質量を2回測定し、そのフィラメ
ント数で除した数値の平均値である。炭素繊維は、通常
水分率が0.1%以下であるので、吸着水分率を無視す
ることができるが、焼成温度が低く、水分率が0.1%
を越える場合には120℃で2時間乾燥した後、質量を
測定する。
The unit weight per single fiber referred to in the present invention is, for example, 100 to 1,000,000 filaments.
It is an average value of the numerical values obtained by measuring the mass of 1 m of the carbon fiber bundle of the book twice and dividing it by the number of filaments. Since carbon fibers usually have a moisture content of 0.1% or less, the adsorbed moisture content can be ignored, but the firing temperature is low and the moisture content is 0.1%.
If it exceeds, the mass is measured after drying at 120 ° C. for 2 hours.

【0014】これらの作用が総合されることによって、
炭素繊維としての優れた機械的特性が複合材に対して有
効に反映されるのである。
By summing up these actions,
The excellent mechanical properties of the carbon fiber are effectively reflected in the composite material.

【0015】さらに、このような炭素繊維の複合材に対
する反映効果は、炭素繊維の内部構造がラメラ構造を持
たない(非ラメラ構造の)均一な結晶構造であることに
よって一層向上し、さらに、炭素繊維表面の表面平滑度
Sが1.16以下で微細な凹凸を持たない高度の平滑性
を有することによって、複合材中でマトリックス樹脂と
炭素繊維との界面における応力を局部的に集中させない
ことからさらに高めることができる。
Further, the effect of reflecting the carbon fiber on the composite material is further improved by the fact that the internal structure of the carbon fiber is a uniform crystal structure having no lamellar structure (non-lamellar structure). Since the surface smoothness S of the fiber surface is 1.16 or less and has a high degree of smoothness without fine irregularities, stress at the interface between the matrix resin and the carbon fiber is not locally concentrated in the composite material. It can be further increased.

【0016】本発明において、繊維横断面が回転対称で
あるとは、図心のまわりに角度θ回転させたとき全く同
じ図形が繰り返されることをいい、その時の回転角度を
回転対称角という。また、対称面とは、繊維横断面で鏡
映操作をするとき、図形が左右で自己同一になるような
ときの境界面をいう。
In the present invention, the fact that the fiber cross section is rotationally symmetric means that exactly the same figure is repeated when rotated by an angle θ around the centroid, and the rotational angle at that time is called rotational symmetry angle. In addition, the symmetry plane means a boundary plane in which the left and right figures are self-identical when performing a mirroring operation on the fiber cross section.

【0017】正多角形や正多葉形の繊維横断面では、い
ずれも回転対称角θを定義するnはその対称面の数と同
じになる。すなわち、図1の正三角形断面1や図2の繊
維横断面が中心に向かって凹の部分を有する正三葉形断
面では、回転対称角θのnの数は3であり、対称面の数
も3である。また、図3の正四葉形断面では、回転対称
角θのnは4であり、対称面の数も4である。
In a regular polygonal or regular multilobal fiber cross section, n defining the rotational symmetry angle θ is the same as the number of symmetry planes. That is, in a regular trilobal cross section in which the equilateral triangular cross section 1 in FIG. 1 and the fiber cross section in FIG. 2 have a concave portion toward the center, the number of n of the rotational symmetry angle θ is 3, and the number of symmetry planes is also. It is 3. Further, in the regular quadrilateral section of FIG. 3, the rotational symmetry angle θ has a value of n, and the number of symmetry planes is also 4.

【0018】これに対し、非正多角形や非正多葉形の繊
維横断面の場合には、回転対称角θを定義するnや対称
面の数はその変形形状に応じて様々な違った数になる。
例えば、二等辺三角形、縦長五角形、ハート型、図5の
変形三葉形断面などでは、回転対称角θを定義するnは
1であり、対称面の数は1である。また、長方形、縦長
六角形、ドッグボーン型、マユ型、図4のH型断面や図
6の変形四葉形断面などでは、回転対称角θを定義する
nは2であり、対称面の数は2である。
On the other hand, in the case of a non-regular polygonal or non-regular multilobal fiber cross section, the number n of symmetry planes defining the rotational symmetry angle θ and the number of planes of symmetry vary depending on the deformed shape. Becomes a number.
For example, in an isosceles triangle, a vertically elongated pentagon, a heart shape, and a modified trilobal cross section in FIG. 5, n defining the rotational symmetry angle θ is 1 and the number of symmetry planes is 1. Further, in a rectangle, a vertically long hexagon, a dogbone type, a Mayu type, an H-shaped section of FIG. 4 and a modified four-leaf section of FIG. 6, n that defines the rotational symmetry angle θ is 2, and the number of symmetry planes is It is 2.

【0019】本発明において、回転対称角θを定義する
nの上限は10としているが、上限を5とすればより好
ましい。nが10を超えるときには、繊維横断面は円形
に近くなり、本発明による非円形断面の効果は低減する
からである。
In the present invention, the upper limit of n defining the rotational symmetry angle θ is 10, but it is more preferable to set the upper limit to 5. This is because when n exceeds 10, the fiber cross section becomes close to a circular shape, and the effect of the non-circular cross section according to the present invention is reduced.

【0020】また、炭素繊維の非円形断面は、上述した
対称性に加えて、繊維横断面の中心に向かって凹の部分
を有する非円形であって、その変形度も一定の範囲にあ
ることが好ましい。例えば、細長い扁平断面のように円
形から極端に離れた形状になれば、複合材にしたときの
炭素繊維の均一な分散性を阻害し、複合材の基本特性を
低減することになる。図7に示す炭素繊維の三葉形の断
面7において、その断面図形の外接円半径Rと内接円半
径rとの比(R/r)を変形度Dとして定義すると、こ
の変形度Dが好ましくは1.1〜7.0、より好ましく
は1.3〜6.0、さらに好ましくは1.5〜5.0と
するのがよい。
In addition to the above-mentioned symmetry, the non-circular cross section of the carbon fiber is a non-circular cross section having a concave portion toward the center of the cross section of the fiber, and the degree of deformation thereof is also within a certain range. Is preferred. For example, if the shape is an extremely flat shape such as an elongated flat cross section, the carbon fiber will not be uniformly dispersed in the composite material, and the basic characteristics of the composite material will be reduced. When the ratio (R / r) of the circumscribed circle radius R and the inscribed circle radius r of the cross-sectional figure of the trilobal section 7 of the carbon fiber shown in FIG. 7 is defined as the degree of deformation D, the degree of deformation D is It is preferably 1.1 to 7.0, more preferably 1.3 to 6.0, and further preferably 1.5 to 5.0.

【0021】前述したように、本発明の炭素繊維は、複
合材にしたときの基本特性の向上のため、内部構造がラ
メラ構造を持たない均一な結晶構造を持つものであるこ
とが、繊維固有の圧縮強度向上の観点から好ましい。ラ
メラ構造とは、図8や図9に示すように、炭素繊維Fの
横断面に放射状に伸びたリーフ状(葉状)の配向構造a
のことをいう。このラメラ構造aの有無は、炭素繊維の
横断面(破断面)を走査型電子顕微鏡(SEM)を用い
て観察すれば容易に確認することができる。このような
ラメラ構造の生成は、例えば、PANポリマーを乾湿式
紡糸することによって得たプリカーサーを使用して炭素
繊維を製造することにより解消することができる。
As described above, the carbon fiber of the present invention is unique in that it has a uniform crystal structure without an lamella structure in order to improve the basic properties of the composite material. Is preferable from the viewpoint of improving the compressive strength. As shown in FIGS. 8 and 9, the lamella structure means a leaf-shaped (leaf-shaped) oriented structure a radially extending in the cross section of the carbon fiber F.
I mean. The presence or absence of the lamella structure a can be easily confirmed by observing the cross section (fracture surface) of the carbon fiber with a scanning electron microscope (SEM). Generation of such a lamella structure can be eliminated by producing carbon fiber using the precursor obtained by dry-wet spinning of a PAN polymer, for example.

【0022】また、本発明においては、表面平滑度Sが
1.16以下であり、繊維表面に微細な凹凸を持たず、
極めて高度な平滑性を有していることが好ましい。微細
な凹凸が炭素繊維表面に存在していると、その凹凸部に
応力が集中して破壊の開始点になりやすく、特に複合材
としたときの圧縮強度や曲げ強度を低下させる原因にな
る。
Further, in the present invention, the surface smoothness S is 1.16 or less, and the fiber surface does not have fine irregularities,
It is preferable to have extremely high smoothness. If fine irregularities are present on the surface of the carbon fiber, stress is likely to be concentrated on the irregularities and serve as a starting point of fracture, which causes a decrease in compressive strength and bending strength particularly when the composite material is formed.

【0023】上記表面平滑度Sは次のように測定する。
炭素繊維横断面をSEMで7500倍に拡大し、それを
さらに4倍に拡大した写真、すなわち、30000倍の
拡大写真から、イメージアナライザーで求められる横断
面の周長Lと外接周長L0 との比、L/L0 の平方とし
て定義される。すなわち(L/L0 2 として求められ
る値である。
The surface smoothness S is measured as follows.
The cross section of the carbon fiber was magnified 7500 times by SEM and further magnified 4 times, that is, the magnified picture of 30,000 times, and the circumference L of the cross section and the circumscribed circumference L 0 obtained by the image analyzer were obtained. Is defined as the square of L / L 0 . That is, it is a value obtained as (L / L 0 ) 2 .

【0024】このような表面平滑度Sを1.16以下に
するには、例えば、PANポリマーを乾湿式紡糸するこ
とにより得られるプリカーサーを使用することによって
容易に達成することができる。かかる高度の表面平滑度
は乾式紡糸や溶融紡糸によっても得られることもある
が、前者の方法によるプリカーサーでは、紡糸原液溶媒
の蒸発による体積収縮が大きいために繊維横断面形状が
非円形の紡糸ノズルの吐出孔形状とは大きく異なったも
のになる傾向があり、繊維断面形状を上述した好ましい
変形度Dの範囲内に制御することが困難である。また、
溶融紡糸によっては、良好な炭素繊維を得ることは困難
である。
Such a surface smoothness S of 1.16 or less can be easily achieved by using, for example, a precursor obtained by dry-wet spinning a PAN polymer. Such a high degree of surface smoothness may also be obtained by dry spinning or melt spinning, but in the precursor by the former method, since the volumetric shrinkage due to evaporation of the spinning dope solvent is large, the spinning nozzle with a non-circular fiber cross-sectional shape is used. However, it is difficult to control the fiber cross-sectional shape within the range of the preferable degree of deformation D described above. Also,
It is difficult to obtain good carbon fibers by melt spinning.

【0025】また、本発明の炭素繊維の横断面形状とし
ては、図10〜12に示すように、多葉形を有し、それ
ぞれの葉の付け根から先端に向かって一旦膨らみを有
し、実質的に複数個の円が接合した形からなり、かつ繊
維断面の変形度Dが1.5〜3.0の範囲を有するもの
であることが好ましい。繊維断面の変形度Dが1.5未
満では実質的にそれぞれの根が付け根から先端に向かっ
て一旦膨らみを有さなくなり、また、3.0を超えると
葉が炭素繊維製造工程中の焼成プロセス中に破損して毛
羽立ちが多くなる場合がある。
As shown in FIGS. 10 to 12, the cross-sectional shape of the carbon fiber of the present invention has a multi-lobed shape, and has a bulge once from the root of each leaf to the tip, It is preferable that a plurality of circles are joined to each other and the deformation degree D of the fiber cross section is in the range of 1.5 to 3.0. When the degree of deformation D of the fiber cross section is less than 1.5, each root practically ceases to have a bulge from the root to the tip, and when it exceeds 3.0, the leaves are baked during the carbon fiber manufacturing process. There is a case that it is damaged and fluffing increases.

【0026】このような形状を有する炭素繊維がなぜコ
ンポジット特性の改善効果が大きいのかについては明確
ではないが、以下のように考えられる。炭素繊維強化複
合材料の横方向特性を支配する要因としては様々なもの
が想定されているが、物理的な要因としてその形状およ
び表面積が重要な因子である。上記のように、炭素繊維
の横断面が多葉形からなり、各葉が付け根から先端に向
かって一端膨らみを有する構造となっていると、表面積
が大きく、また、葉と葉の間が一種の錨のように働くい
わゆるアンカー効果を発揮するので、マトリックス樹脂
との接着力および衝撃後圧縮強度が向上するものと考え
られる。
Although it is not clear why the carbon fiber having such a shape has a great effect of improving the composite characteristics, it is considered as follows. Various factors are assumed to control the lateral properties of the carbon fiber reinforced composite material, but the physical shape and the surface area thereof are important factors as physical factors. As described above, the cross section of the carbon fiber is multi-lobed, and if each leaf has a bulge from the root to the tip, the surface area is large and there is a kind of space between the leaves. Since it exerts a so-called anchor effect that works like an anchor, it is considered that the adhesive force with the matrix resin and the compressive strength after impact are improved.

【0027】また、通常の異形断面糸に比べて単繊維の
表面から中心までの距離が短いため、中心までの酸素透
過が容易であり、より均一な焼成が可能となって、炭素
繊維の強度、弾性率が向上することによって曲げ変形に
対しての抵抗力が増加して、圧縮強度および曲げ強度が
向上するものと考えられる。
In addition, since the distance from the surface of the single fiber to the center is shorter than that of the ordinary cross-section yarn, oxygen permeation to the center is easy, and more uniform firing is possible, and the strength of the carbon fiber is increased. It is considered that, as the elastic modulus is improved, the resistance against bending deformation is increased and the compressive strength and bending strength are improved.

【0028】さらに、このような形状では大きな単繊維
繊度の炭素繊維が得やすく、アライメントの向上によっ
てよりこれらの特性が向上する。
Further, with such a shape, it is easy to obtain a carbon fiber having a large single fiber fineness, and these characteristics are further improved by improving the alignment.

【0029】上記のような本発明にかかる炭素繊維にお
いては、その機械的物性としては、樹脂含浸ストランド
における引張強度が通常300kgf/mm2 以上であ
る。好ましくは350kgf/mm2 以上、より好まし
くは400kgf/mm2 以上、さらに好ましくは50
0kgf/mm2 以上が望ましい。また、炭素繊維の引
張弾性率は通常20×103 kgf/mm2 以上、好ま
しくは22×103 kgf/mm2 以上、より好ましく
は24×103 kgf/mm2 以上、さらに好ましくは
28×103 kgf/mm2 以上が望ましい。上記スト
ランド強度あるいは弾性率がそれぞれ300kgf/m
2 以未満、あるいは20×103 kgf/mm2 未満
の炭素繊維の場合には、コンポジットとしたときに、構
造材として所望の特性が得られない場合がある。
As for the mechanical properties of the carbon fiber according to the present invention as described above, the tensile strength of the resin-impregnated strand is usually 300 kgf / mm 2 or more. Preferably 350 kgf / mm 2 or more, more preferably 400 kgf / mm 2 or more, more preferably 50
It is preferably 0 kgf / mm 2 or more. The tensile modulus of the carbon fiber is usually 20 × 10 3 kgf / mm 2 or more, preferably 22 × 10 3 kgf / mm 2 or more, more preferably 24 × 10 3 kgf / mm 2 or more, further preferably 28 ×. 10 3 kgf / mm 2 or more is desirable. The above strand strength or elastic modulus is 300 kgf / m, respectively
When the carbon fiber is less than m 2 or less, or less than 20 × 10 3 kgf / mm 2 , the desired properties as a structural material may not be obtained when it is made into a composite.

【0030】本発明の炭素繊維は、アクリル系、ピッチ
系、レーヨン系などいずれでもよいが、上記本発明系炭
素繊維の製法例をアクリル系の場合について説明する。
The carbon fiber of the present invention may be any of acrylic type, pitch type, rayon type and the like, but an example of the method for producing the carbon fiber of the present invention will be described in the case of acrylic type.

【0031】アクリル系炭素繊維のプリカーサーを構成
するポリアクリロニトリルとしては、アクリロニトリル
85%以上、アクリロニトリルと共重合可能な重合性不
飽和単量体を15%以下含む重合体であることが好まし
い。重合性不飽和単量体としては、アクリル酸、メタク
リル酸、イタコン酸およびそれらのアルカリ金属塩、ア
ンモニウム塩およびアルキルエステル類、アクリルアミ
ド、メタクリルアミドおよびそれらの誘導体、アリルス
ルホン酸、メタリルスルホン酸およびそれらの塩類また
はアルキルエステル類等をあげることができる。また、
不飽和カルボン酸等、耐炎化反応を促進する重合性不飽
和単量体を共重合することが好ましい。その共重合量は
0.1〜10重量%であることが好ましく、0.3〜5
重量%であることがより好ましく、0.5〜3重量%で
あることがさらに好ましい。不飽和カルボン酸の具体例
としては、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、
メサコン酸等をあげることができる。また、単糸内部へ
の酸素透過性を改善して大きな繊度のプリカーサーを焼
成するためには、不飽和カルボン酸のアルキルエステ
ル、酢酸ビニルから選ばれた1種以上を共重合すること
が好ましい。。その共重合量は0.1〜10重量%であ
ることが好ましく、0.3〜5重量%であることがより
好ましく、0.5〜3重量%であることがさらに好まし
い。不飽和カルボン酸のアルキルエステルの具体例とし
ては、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル、メタク
リル酸プロピル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸イ
ソブチル、メタクリル酸セカンダリーブチル等を挙げる
ことができるが、その中でもアクリル酸、メタクリル酸
のプロピル、ブチル、イソブチル、セカンダリーブチル
エステルが好ましい。。
The polyacrylonitrile constituting the precursor of acrylic carbon fiber is preferably a polymer containing 85% or more of acrylonitrile and 15% or less of a polymerizable unsaturated monomer copolymerizable with acrylonitrile. Examples of the polymerizable unsaturated monomer include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid and their alkali metal salts, ammonium salts and alkyl esters, acrylamide, methacrylamide and their derivatives, allylsulfonic acid, methallylsulfonic acid and Examples thereof include salts or alkyl esters thereof. Also,
It is preferable to copolymerize a polymerizable unsaturated monomer that accelerates the flameproofing reaction, such as unsaturated carboxylic acid. The copolymerization amount is preferably 0.1 to 10% by weight, and 0.3 to 5
It is more preferably in the range of 0.5% by weight and even more preferably in the range of 0.5 to 3% by weight. Specific examples of unsaturated carboxylic acids include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid,
Mesaconic acid etc. can be mentioned. Further, in order to improve the oxygen permeability to the inside of the single yarn and fire the precursor having a large fineness, it is preferable to copolymerize at least one selected from alkyl esters of unsaturated carboxylic acids and vinyl acetate. . The copolymerization amount is preferably 0.1 to 10% by weight, more preferably 0.3 to 5% by weight, and further preferably 0.5 to 3% by weight. Specific examples of the alkyl ester of unsaturated carboxylic acid include methyl acrylate, methyl methacrylate, propyl methacrylate, butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, and secondary butyl methacrylate. Among them, acrylic acid, Propyl, butyl, isobutyl and secondary butyl esters of methacrylic acid are preferred. .

【0032】重合方法としては、懸濁重合、溶液重合、
乳化重合など従来公知の方法を採用することができる。
重合度としては、極限粘度([η])で好ましくは1.
0以上、より好ましくは1.35以上、さらに好ましく
は1.7以上である。なお、[η]は5.0以下にする
のが紡糸安定性の点から一般的である。
As the polymerization method, suspension polymerization, solution polymerization,
A conventionally known method such as emulsion polymerization can be adopted.
As the degree of polymerization, the intrinsic viscosity ([η]) is preferably 1.
It is 0 or more, more preferably 1.35 or more, and further preferably 1.7 or more. From the viewpoint of spinning stability, [η] is generally 5.0 or less.

【0033】溶液紡糸の場合の溶媒は、有機、無機の公
知の溶媒を使用することができ、具体的にはジメチルス
ルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトア
ミド、硝酸、ロダンソーダ水溶液および塩化亜鉛水溶液
などを溶媒とするポリマー溶液を紡糸原液とする。
As the solvent in the case of solution spinning, known organic and inorganic solvents can be used, and specifically, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, nitric acid, an aqueous solution of rhodanese and an aqueous solution of zinc chloride are used as the solvent. The polymer solution to be used is the spinning dope.

【0034】重合体は公知の方法によってプリカーサー
とすることができる。紡糸は、直接凝固浴中へ紡出する
湿式紡糸法や、一旦空気中へ紡出した後に浴中凝固させ
る乾湿式紡糸法、あるいは乾式紡糸法、溶融紡糸によっ
てもよいが、先述したような理由から乾湿式紡糸が好ま
しい。紡糸に使用される口金の吐出孔としては、得られ
る炭素繊維の横断面と同様な対称性を持つ非円形である
ことが必要である。その非円形はθ=360°/n(n
は1から10までの整数)で規定される回転対称角度θ
を有するとともに、図心を通る対称面を少なくとも一つ
有するような非円形形状でなければならない。本発明に
おいては、通常の円形孔から吐出され、凝固条件により
非円形断面となるものは、断面形状の制御が困難なため
好ましくない。
The polymer can be made into a precursor by a known method. The spinning may be carried out by a wet spinning method in which it is directly spun into a coagulation bath, a dry-wet spinning method in which it is once spun into air and then solidified in a bath, or a dry spinning method or melt spinning, but for the reasons described above. Dry-wet spinning is preferred. The spinneret discharge holes used for spinning must be non-circular with the same symmetry as the cross-section of the resulting carbon fiber. The non-circular shape is θ = 360 ° / n (n
Is an integer from 1 to 10)
And have at least one plane of symmetry passing through the centroid. In the present invention, it is not preferable that the material is discharged from an ordinary circular hole and has a non-circular cross section depending on the solidification conditions because it is difficult to control the cross-sectional shape.

【0035】溶媒、可塑剤を使用する紡糸方法による時
には、紡出糸を直接浴中延伸してもよいし、また、水洗
して溶媒、可塑剤を除去した後に浴中延伸してもよい。
浴中延伸の条件は、通常、50〜98℃の延伸浴中で約
2〜6倍に延伸される。浴中延伸後の糸条はホットドラ
ムなどで乾燥することによって乾燥緻密化が達成され
る。乾燥温度、時間などは適宜選択することができる。
また、必要に応じて乾燥緻密化後の糸条をより高温(た
とえば加圧スチーム中)で延伸することもおこなわれ、
これらによって、所定のデニール、配向度を有するプリ
カーサーとすることができる。また、乾燥緻密化に先立
って、耐熱性付与を目的としてシリコン油剤を付与する
ことが好ましい。
In the case of the spinning method using a solvent and a plasticizer, the spun yarn may be drawn directly in the bath, or may be drawn in the bath after washing with water to remove the solvent and the plasticizer.
The stretching conditions in the bath are usually about 2 to 6 times in a stretching bath at 50 to 98 ° C. Dry densification is achieved by drying the yarn after drawing in the bath with a hot drum or the like. The drying temperature, time, etc. can be appropriately selected.
If necessary, the dried and densified yarn may be stretched at a higher temperature (for example, in pressure steam),
By these, a precursor having a predetermined denier and orientation can be obtained. Further, it is preferable to add a silicone oil agent for the purpose of imparting heat resistance, prior to drying and densifying.

【0036】本発明の大きな単糸繊度の炭素繊維を得る
には単糸繊度の大きなプリカーサーを用いることが好ま
しい。しかし、繊度が大きすぎると単糸の内外層の均一
な焼成が困難となるため、本発明においては、1.0〜
5.0デニールが好ましく、1.5〜4.5デニールが
より好ましく、2.0〜4.0デニールがさらに好まし
い。
In order to obtain the carbon fiber having a large single yarn fineness of the present invention, it is preferable to use a precursor having a large single yarn fineness. However, if the fineness is too large, it becomes difficult to uniformly fire the inner and outer layers of the single yarn.
5.0 denier is preferable, 1.5 to 4.5 denier is more preferable, and 2.0 to 4.0 denier is further preferable.

【0037】かかるプリカーサーを焼成することにより
高性能な炭素繊維とすることができる。耐炎化条件とし
ては、従来公知の方法を採用することができ、酸化性雰
囲気中200〜300℃の範囲で、緊張、あるいは延伸
条件下が好ましく使用され、密度が好ましくは1.25
g/cm3 以上、より好ましくは1.30g/cm3
達するまで加熱処理される。この密度は、1.60g/
cm3 以下にとどめるのが一般的であり、これ以上にす
ると、物性が低下することがある。一般に雰囲気につい
ては、公知の空気、酸素、二酸化窒素、塩化水素などの
酸化性雰囲気を使用できるが、経済性の面から空気が好
ましい。
By firing such a precursor, a high performance carbon fiber can be obtained. As the flameproofing condition, a conventionally known method can be adopted, and tension or stretching conditions are preferably used in the range of 200 to 300 ° C. in an oxidizing atmosphere, and the density is preferably 1.25.
The heat treatment is performed until it reaches g / cm 3 or more, more preferably 1.30 g / cm 3 . This density is 1.60 g /
It is general to keep it to be not more than cm 3 , and if it is more than this, the physical properties may deteriorate. As the atmosphere, generally known air, oxygen, nitrogen dioxide, hydrogen chloride and the like oxidizing atmosphere can be used, but from the viewpoint of economy, air is preferable.

【0038】耐炎化を完了した糸条は、従来公知の方法
で不活性雰囲気中炭化処理をおこなう。炭化温度として
は、得られる炭素繊維の物性から1000℃以上が好ま
しく、さらに必要に応じて2000℃以上の温度で黒鉛
化することができる。また、350〜500℃および1
000〜1200℃における昇温速度は好ましくは50
0℃/分以下であり、より好ましくは300℃/分以
下、さらに好ましくは150℃/分以下である。これに
より、ボイドなど内部欠陥の少ない緻密な炭素繊維を得
ることができる。なお、この昇温速度が10℃/分以下
では生産性が低くなる場合がある。また、350〜50
0℃あるいは2300℃以上において好ましくは1%以
上、より好ましくは5%以上、さらに好ましくは10%
以上の延伸をおこなうことが緻密性向上の上で重要であ
る。なお、40%をこえる延伸は毛羽が発生しやすくこ
とがある。
The yarn that has been flame-proofed is carbonized in an inert atmosphere by a conventionally known method. The carbonization temperature is preferably 1000 ° C. or higher in view of the physical properties of the resulting carbon fiber, and graphitization can be carried out at a temperature of 2000 ° C. or higher if necessary. Also, 350 to 500 ° C and 1
The heating rate at 000 to 1200 ° C. is preferably 50.
It is 0 ° C./min or less, more preferably 300 ° C./min or less, still more preferably 150 ° C./min or less. This makes it possible to obtain a dense carbon fiber having few internal defects such as voids. If the rate of temperature increase is 10 ° C./minute or less, the productivity may decrease. Also, 350 to 50
At 0 ° C. or 2300 ° C. or higher, preferably 1% or more, more preferably 5% or more, further preferably 10%
Performing the above stretching is important for improving the denseness. It should be noted that the stretching exceeding 40% may easily cause fuzz.

【0039】そして、このようにして得られた非円形断
面炭素繊維は、硫酸水溶液や硝酸水溶液からなる電解槽
中で電解酸化処理を施したり、気相または液相での酸化
処理を施すことにより、後述する複合材料における炭素
繊維とマトリックス樹脂との親和性や接着性を向上させ
ることができ好ましい。
The carbon fiber having a non-circular cross section obtained in this manner is subjected to electrolytic oxidation treatment in an electrolytic cell made of an aqueous solution of sulfuric acid or nitric acid, or to an oxidation treatment in a gas phase or a liquid phase. It is preferable because the affinity and adhesiveness between the carbon fiber and the matrix resin in the composite material described later can be improved.

【0040】表面処理は、気相酸化および電解酸化など
種々の表面処理方法が検討されているが、短時間で酸化
処理でき、酸化程度のコントロールが容易な電解酸化が
好ましい。電解処理の電解液としては酸性、アルカリ性
いずれも採用でき、酸性電解質としては水溶液中で酸性
を示すものであればよく、具体的には硫酸、硝酸、塩
酸、リン酸、ホウ酸、炭酸等の無機酸、酢酸、酪酸、シ
ュウ酸、アクリル酸、マレイン酸などの有機酸、硫酸ア
ンモニウム、硫酸水素アンモニウム等の塩が挙げられ
る。好ましくは強酸性を示す硫酸、硝酸がよい。アルカ
リ性電解液としては水溶液中でアルカリ性を示すもので
あればよく、具体的には水酸化ナトリウム、水酸化カリ
ウム、水酸化バリウムなどの水酸化物、アンモニア、炭
酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウムなどの無機塩類、酢
酸ナトリウム、安息香酸ナトリウム等の有機塩類、さら
にこれらのカリウム塩、バリウム塩あるいは他の金属
塩、およびアンモニウム塩、水酸化テトラエチルアンモ
ニウムまたはヒドラジン等の有機化合物が挙げられる
が、好ましくは樹脂の硬化障害をおこすアルカリ金属を
含まない炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、水
酸化テトラアルキルアンモニウム類などが好ましい。
For the surface treatment, various surface treatment methods such as vapor phase oxidation and electrolytic oxidation have been studied, but electrolytic oxidation is preferable because it can be oxidized in a short time and the degree of oxidation can be easily controlled. As the electrolytic solution for the electrolytic treatment, either acidic or alkaline can be adopted, and the acidic electrolyte may be any that exhibits acidity in an aqueous solution, and specifically, sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, boric acid, carbonic acid, etc. Examples thereof include inorganic acids, organic acids such as acetic acid, butyric acid, oxalic acid, acrylic acid and maleic acid, and salts such as ammonium sulfate and ammonium hydrogensulfate. Sulfuric acid and nitric acid which show strong acidity are preferable. Any alkaline electrolyte may be used as long as it shows alkalinity in an aqueous solution. Specifically, hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide and barium hydroxide, and inorganic salts such as ammonia, sodium carbonate and sodium hydrogen carbonate. , Sodium acetate, organic salts such as sodium benzoate, further potassium salts thereof, barium salts or other metal salts, and ammonium salts, organic compounds such as tetraethylammonium hydroxide or hydrazine, but preferably resin curing Preference is given to ammonium carbonate, ammonium hydrogencarbonate, tetraalkylammonium hydroxides, etc. which do not contain any disturbing alkali metals.

【0041】電解液の濃度としては、0.01〜5モル
/l、好ましくは0.1〜1モル/lがよい。すなわ
ち、濃度が濃いほど電解処理電圧は下がるが、取り扱い
性および臭気が強くなり環境が悪化するのでそれらから
最適化することが好ましい。
The concentration of the electrolytic solution is 0.01 to 5 mol / l, preferably 0.1 to 1 mol / l. That is, the higher the concentration, the lower the electrolytic treatment voltage, but the handleability and odor become stronger and the environment worsens, so it is preferable to optimize from these.

【0042】電解液温度としては0〜100℃、このま
しくは10〜40℃がよい。すなわち、温度が高いと臭
気が強くなり環境が悪化するため低温が好ましいので、
運転コストとの兼ね合いで最適化することが好ましい。
The temperature of the electrolytic solution is 0 to 100 ° C, preferably 10 to 40 ° C. In other words, when the temperature is high, the odor becomes strong and the environment deteriorates, so low temperature is preferable,
It is preferable to optimize in consideration of the operating cost.

【0043】電気量は被処理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、高弾性率糸はより大きな
電気量が必要である。表層の結晶性の低下を進ませ、生
産性を向上する一方、炭素繊維基質の強度低下を防ぐ観
点から、電解処理は小さい電気量で複数回処理を繰り返
すのが好ましい。具体的には、電解槽1槽あたりの通電
電気量は5クーロン/g・槽(炭素繊維1g、1槽あた
りの電気量)以上、100クーロン/g・槽以下が好ま
しく、より好ましくは10クーロン/g・槽以上、80
クーロン/g・槽以下、さらに好ましくは20クーロン
/g・槽以上、60クーロン/g・槽以下がよい。ま
た、表層の結晶性の低下を適度な範囲とする観点からは
通電処理の総電気量は5〜1000クーロン/g、さら
には10〜500クーロン/gの範囲とするのが好まし
い。
The amount of electricity is preferably optimized in accordance with the carbonization degree of the carbon fiber to be treated, and a high elastic modulus yarn requires a larger amount of electricity. From the viewpoint of promoting the decrease of the crystallinity of the surface layer and improving the productivity, while preventing the decrease of the strength of the carbon fiber substrate, the electrolytic treatment is preferably repeated a plurality of times with a small amount of electricity. Specifically, the amount of electricity supplied per electrolytic cell is preferably 5 coulomb / g · tank (1 g of carbon fiber, the amount of electricity per tank) or more and 100 coulomb / g · tank or less, more preferably 10 coulomb. / G / tank or more, 80
Coulomb / g · tank or less, more preferably 20 coulomb / g · tank or more and 60 coulomb / g · tank or less. Further, from the viewpoint of controlling the deterioration of the crystallinity of the surface layer within an appropriate range, it is preferable that the total amount of electricity in the energization treatment is in the range of 5 to 1000 coulombs / g, further preferably 10 to 500 coulombs / g.

【0044】槽数としては2以上が好ましく、4以上が
より好ましい。設備コストの面から10槽以下が好まし
く、電気量、電圧、電流密度等から最適化することが好
ましい。
The number of tanks is preferably 2 or more, more preferably 4 or more. From the viewpoint of equipment cost, 10 or less tanks are preferable, and it is preferable to optimize the amount of electricity, voltage, current density and the like.

【0045】電流密度としては、炭素繊維表面を有効に
酸化し、かつ安全性を損なわない観点から、電解処理液
中の炭素繊維の表面積1m2 あたり1.5アンペア/m
2 以上1000アンペア/m2 以下、好ましくは3アン
ペア/m2 以上500アンペア/m2 以下がよい。処理
時間は、数秒から十数分が好ましく、さらには10秒か
ら2分程度が好ましい。
From the viewpoint of effectively oxidizing the surface of the carbon fiber and not impairing the safety, the current density is 1.5 amperes / m 2 per 1 m 2 of the surface area of the carbon fiber in the electrolytic treatment liquid.
It is 2 or more and 1000 amps / m 2 or less, preferably 3 amps / m 2 or more and 500 amps / m 2 or less. The processing time is preferably several seconds to ten and several minutes, more preferably about 10 seconds to 2 minutes.

【0046】電解電圧は安全性の観点から25V以下、
さらには0.5〜20Vが好ましい。電解処理方式とし
てはバッチ式、連続式いずれでもよいが、生産性がよく
バラツキが小さくできる連続式が好ましい。通電方法と
しては、炭素繊維を電極ローラーに直接接触させて通電
する直接通電、あるいは炭素繊維と電極との間に電解液
等を介して通電する間接通電のいずれも採用することが
できるが、電解処理時の毛羽立ち、電気スパーク等が抑
えられる間接通電が好ましい。
From the viewpoint of safety, the electrolysis voltage is 25 V or less,
Furthermore, 0.5-20V is preferable. The electrolytic treatment method may be either a batch method or a continuous method, but a continuous method is preferable because it has good productivity and small variations. As the energization method, either direct energization in which the carbon fiber is brought into direct contact with the electrode roller to energize it, or indirect energization in which the carbon fiber and the electrode are energized via an electrolytic solution or the like, it is possible to employ electrolysis Indirect energization that suppresses fuzzing during processing, electric sparks, etc. is preferred.

【0047】また、電解処理方法は、電解槽を必要数並
べて1度通糸しても、1槽の電解槽に必要回数通糸して
もよい。電解槽の陽極長は5〜100mmが好ましく、
陰極長は300〜1000mm、さらには350〜90
0mmが好ましい。
In the electrolytic treatment method, the required number of electrolytic cells may be arranged and passed once, or may be passed through one electrolytic cell a required number of times. The anode length of the electrolytic cell is preferably 5 to 100 mm,
Cathode length is 300-1000 mm, further 350-90
0 mm is preferable.

【0048】電解処理または洗浄処理をおこなった後、
水洗および乾燥することが好ましい。この場合、乾燥温
度が高すぎると炭素繊維の再表面に存在する官能基が熱
分解によって消失しやすいため、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250
℃以下、より好ましくは210℃以下で乾燥することが
好ましい。
After electrolytic treatment or cleaning treatment,
It is preferable to wash with water and dry. In this case, if the drying temperature is too high, the functional groups existing on the re-surface of the carbon fiber are likely to disappear by thermal decomposition. Therefore, it is desirable to dry at a temperature as low as possible. Specifically, the drying temperature is 250.
It is preferable to dry at a temperature of not higher than 0 ° C, more preferably not higher than 210 ° C.

【0049】さらに、必要に応じて従来公知の技術によ
りサイジング付与などをおこなうことができる。
Furthermore, sizing can be performed by a conventionally known technique, if necessary.

【0050】次に、上記非円形断面炭素繊維を用いた炭
素繊維複合材料について説明する。上記本発明の製造方
法例によってによって得られた炭素繊維は、繊維の横断
面の形状が対称性を持った非円形であり、繊維の横断面
にはラメラ構造が存在しない実質的に均一な結晶構造を
有するものになる。さらに、炭素繊維が有する強度や弾
性率は、樹脂含浸ストランド形態での引張強度300k
gf/mm2 以上、引張弾性率20×103 kgf/m
2 以上である優れた特性となる。したがって、この炭
素繊維を複合材にすることにより、複合材のILSS、
圧縮強度、曲げ強度等の基本特性を向上させることがで
きる。
Next, a carbon fiber composite material using the carbon fiber having a non-circular cross section will be described. The carbon fiber obtained by the production method example of the present invention is a non-circular shape having a symmetric cross-sectional shape of the fiber, and a substantially uniform crystal having no lamellar structure in the cross-section of the fiber. It has a structure. Furthermore, the strength and elastic modulus of the carbon fiber are such that the tensile strength in the resin-impregnated strand form is 300k.
gf / mm 2 or more, tensile elastic modulus 20 × 10 3 kgf / m
It has excellent characteristics of m 2 or more. Therefore, by using this carbon fiber as a composite material, ILSS of the composite material,
Basic properties such as compressive strength and bending strength can be improved.

【0051】本発明の炭素繊維複合材料に用いるマトリ
ックス樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のい
ずれであってもよく、たとえばエポキシ樹脂、フェノー
ル樹脂、ポリイミド樹脂ポリエステル樹脂、ポリアミド
樹脂等が挙げられる。
The matrix resin used in the carbon fiber composite material of the present invention may be either a thermosetting resin or a thermoplastic resin, and examples thereof include epoxy resin, phenol resin, polyimide resin polyester resin, polyamide resin and the like. To be

【0052】本発明の炭素繊維複合材料は、プリプレグ
やシートモールディングコンパウンド(SMC)、ある
いはチョップトファイバー等に一旦加工した後にハンド
レイアップ法、プレス成型法、オートクレーブ法により
製造することができる。また、プルトルージョン法、フ
ィラメントワインディング法等により成型することもで
きる。
The carbon fiber composite material of the present invention can be manufactured by a hand lay-up method, a press molding method or an autoclave method after being once processed into a prepreg, a sheet molding compound (SMC), chopped fiber or the like. It can also be molded by a pull-through method, a filament winding method, or the like.

【0053】[0053]

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに具体的に
説明する。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples.

【0054】なお、本発明における引張強度、弾性率は
樹脂含浸ストランド法により求めた。
The tensile strength and elastic modulus in the present invention were determined by the resin-impregnated strand method.

【0055】(引張強度、弾性率)“ベークライト”E
RL−4221(登録商標、ユニオン・カーバイド
(株)製)/三フッ化ホウ素モノエチルアミン(BF3
・MEA)/アセトン=100/3/4部を炭素繊維に
含浸し、得られた樹脂含浸ストランドを130℃で30
分間加熱して硬化させ、JIS−R−7601に規定す
る樹脂含浸ストランド試験法に従って測定した。
(Tensile strength, elastic modulus) "Bakelite" E
RL-4221 (registered trademark, manufactured by Union Carbide Co., Ltd.) / Boron trifluoride monoethylamine (BF 3
MEA) / acetone = 100/3/4 parts impregnated into carbon fiber, and the resin-impregnated strand obtained is 30 at 130 ° C.
It was cured by heating for a minute, and measured according to the resin-impregnated strand test method defined in JIS-R-7601.

【0056】(コンポジット0゜圧縮強度)炭素繊維を
一方向に引き揃え、東レ(株)製#3620樹脂をコー
ティングした樹脂フィルムで両側からはさんでから加圧
ローラーで樹脂を炭素繊維に含浸し、プリプレグシート
を作成する。このシートを繊維軸を揃えて積層し、オー
トクレーブを用いて温度180℃、圧力6kgf/cm
2 で2時間処理して樹脂を硬化させ、厚さ約1mmの平
板を作成する。この平板をダイヤモンドカッターを用い
て切断し、繊維軸方向に長さ80mm、繊維軸と直角方
向に幅12mmからなる試験片を作成する。試験片の中
央部5mmを残して両端の両側に炭素繊維とエポキシ樹
脂からなる厚さ約1mmのコンポジット製タブを接着し
て、圧縮強度測定用の試験片とする。後はASTM−D
695に規定する試験方法に従って測定した。
(Composite 0 ° compressive strength) Carbon fibers are aligned in one direction, sandwiched from both sides with a resin film coated with # 3620 resin manufactured by Toray Industries, Inc., and then the carbon fibers are impregnated with a pressure roller. , Create a prepreg sheet. The sheets were laminated with the fiber axes aligned, and the temperature was 180 ° C and the pressure was 6 kgf / cm using an autoclave.
The resin is cured by treating with 2 for 2 hours to prepare a flat plate having a thickness of about 1 mm. This flat plate is cut with a diamond cutter to prepare a test piece having a length of 80 mm in the fiber axis direction and a width of 12 mm in the direction perpendicular to the fiber axis. A composite tab made of carbon fiber and an epoxy resin and having a thickness of about 1 mm is adhered to both sides of both ends of the test piece, leaving 5 mm in the center, to obtain a test piece for measuring the compressive strength. The rest is ASTM-D
It measured according to the test method prescribed | regulated to 695.

【0057】実施例1 ジメチルスルホキシドを溶媒とする溶液重合法により、
アクリロニトリル96重量%、イタコン酸1重量%とメ
タクリル酸イソブチル3重量%とからなる[η]が1.
70、重合体濃度20%の紡糸原液を得た。これを図1
3の紡糸用孔を有する3000フィラメント用の口金を
通じて一旦空気中に吐出して約3mmの空間部分を走行
させた後、10℃のジメチルスルホキシド30%水溶液
中で凝固させ、凝固糸条を水洗後、4倍まで浴延伸し、
アミノ変性シリコン油剤(アミノ変性量0.8%)から
なる工程油剤を付与した後、乾燥緻密化した。さらに、
加圧スチーム中で2.5倍まで延伸して単糸繊度2.0
d、総繊度6000Dのプリカーサーを得た。
Example 1 By a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide as a solvent,
[Η] consisting of 96% by weight of acrylonitrile, 1% by weight of itaconic acid and 3% by weight of isobutyl methacrylate had a [η] of 1.
70, a spinning dope having a polymer concentration of 20% was obtained. Figure 1
After being discharged into the air through a spinneret for 3000 filaments having 3 spinning holes and running in a space of about 3 mm, it was coagulated in a 30% aqueous solution of dimethyl sulfoxide at 10 ° C., and the coagulated yarn was washed with water. Bath stretch up to 4 times,
After applying a process oil agent consisting of an amino-modified silicone oil agent (amino-modified amount 0.8%), it was dried and densified. further,
Single yarn fineness 2.0 by drawing up to 2.5 times in pressurized steam
d, a precursor having a total fineness of 6000D was obtained.

【0058】得られたプリカーサーを240〜280℃
の空気中で、延伸比1.05で加熱して密度1.37g
/cm3 の耐炎化糸を得た。ついで、窒素雰囲気中35
0〜500℃の温度領域での昇温速度を200℃/分と
し、2%の延伸をおこなった後、さらに1400℃まで
焼成した。この時の炭素繊維の横断面形状として、図1
0に示したものが得られた。
The obtained precursor is 240 to 280 ° C.
In air, heating at a draw ratio of 1.05 and a density of 1.37 g
A flameproofed yarn of / cm 3 was obtained. Then, in a nitrogen atmosphere, 35
The rate of temperature increase in the temperature range of 0 to 500 ° C. was set to 200 ° C./min, and the film was stretched at 2% and then fired to 1400 ° C. The cross-sectional shape of the carbon fiber at this time is shown in FIG.
What was shown in 0 was obtained.

【0059】続いて濃度0.1モル/lの硫酸水溶液を
電解液として、10クーロン/gで電解処理、水洗し、
150℃の加熱空気中で乾燥した。このようにして得ら
れた炭素繊維の物性を表1に示す。
Subsequently, an aqueous solution of sulfuric acid having a concentration of 0.1 mol / l was used as an electrolytic solution, electrolytic treatment was performed at 10 coulomb / g, and washing with water
It was dried in heated air at 150 ° C. Table 1 shows the physical properties of the carbon fiber thus obtained.

【0060】比較例1 プリカーサーの単糸繊度が1.0d、総繊度が3000
Dである以外は実施例1と同様にして炭素繊維を得た。
物性を表1に示す。
Comparative Example 1 The precursor has a single yarn fineness of 1.0 d and a total fineness of 3000.
A carbon fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that the carbon fiber was D.
The physical properties are shown in Table 1.

【0061】実施例2 重合体組成がアクリロニトリル99重量%とイタコン酸
1重量%とからなること以外は実施例1と同様にして炭
素繊維を得た。物性を表1に示す。
Example 2 A carbon fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that the polymer composition was 99% by weight of acrylonitrile and 1% by weight of itaconic acid. The physical properties are shown in Table 1.

【0062】比較例2 円形孔を有する口金を用いて円形横断面を有するプリカ
ーサーを得たこと以外は実施例1と同様にした。しか
し、炭化時に糸切れして炭素繊維を得ることができなか
った。
Comparative Example 2 The procedure of Example 1 was repeated except that a precursor having a circular cross section was obtained using a die having circular holes. However, the carbon fiber could not be obtained due to yarn breakage during carbonization.

【0063】実施例3 重合体組成がアクリロニトリル95重量%、イタコン酸
1重量%とアクリル酸メチル4重量%とからなること以
外は実施例1と同様にして炭素繊維を得た。物性を表1
に示す。
Example 3 A carbon fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that the polymer composition was 95% by weight of acrylonitrile, 1% by weight of itaconic acid and 4% by weight of methyl acrylate. Table 1 for physical properties
Shown in

【0064】実施例4 1700℃まで焼成したこと以外は実施例1と同様にし
て炭素繊維を得た。物性を表1に示す。
Example 4 A carbon fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that the carbon fiber was fired up to 1700 ° C. The physical properties are shown in Table 1.

【0065】実施例5 重合体組成がアクリロニトリル99重量%とイタコン酸
1重量%とからなること、1700℃まで焼成したこと
以外は実施例1と同様にして炭素繊維を得た。物性を表
1に示す。
Example 5 A carbon fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that the polymer composition consisted of 99% by weight of acrylonitrile and 1% by weight of itaconic acid, and the composition was fired up to 1700 ° C. The physical properties are shown in Table 1.

【0066】実施例6 2000℃まで焼成したこと以外は実施例1と同様にし
て炭素繊維を得た。物性を表1に示す。
Example 6 A carbon fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that the carbon fiber was fired up to 2000 ° C. The physical properties are shown in Table 1.

【0067】実施例7 重合体組成がアクリロニトリル99重量%とイタコン酸
1重量%とからなること、2000℃まで焼成したこと
以外は実施例1と同様にして炭素繊維を得た。物性を表
1に示す。
Example 7 A carbon fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that the polymer composition consisted of 99% by weight of acrylonitrile and 1% by weight of itaconic acid, and the composition was fired up to 2000 ° C. The physical properties are shown in Table 1.

【0068】[0068]

【表1】 [Table 1]

【0069】[0069]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の炭素繊維
および炭素繊維強化複合材料においては、特定の非円形
横断面を有する炭素繊維としたため、圧縮系の基本特性
を向上することができ、構造材料として好適な複合材料
を提供することができる。
As described above, in the carbon fiber and the carbon fiber reinforced composite material of the present invention, the carbon fiber having a specific non-circular cross section can improve the basic characteristics of the compression system. A composite material suitable as a structural material can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の炭素繊維の単繊維横断面の形状例を示
す概略図である。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of the shape of a single fiber cross section of a carbon fiber of the present invention.

【図2】本発明の炭素繊維の単繊維横断面の形状例を示
す概略図である。
FIG. 2 is a schematic view showing an example of the shape of a single fiber cross section of the carbon fiber of the present invention.

【図3】本発明の炭素繊維の単繊維横断面の形状例を示
す概略図である。
FIG. 3 is a schematic view showing a shape example of a single fiber cross section of the carbon fiber of the present invention.

【図4】本発明の炭素繊維の単繊維横断面の形状例を示
す概略図である。
FIG. 4 is a schematic view showing a shape example of a single fiber transverse section of the carbon fiber of the present invention.

【図5】本発明の炭素繊維の単繊維横断面の形状例を示
す概略図である。
FIG. 5 is a schematic view showing a shape example of a single fiber cross section of the carbon fiber of the present invention.

【図6】本発明の炭素繊維の単繊維横断面の形状例を示
す概略図である。
FIG. 6 is a schematic view showing a shape example of a single fiber transverse section of the carbon fiber of the present invention.

【図7】炭素繊維横断面の変形度Dの定義を説明するた
めの概略図である。
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the definition of the degree of deformation D of a carbon fiber cross section.

【図8】炭素繊維横断面におけるラメラ構造の一例を示
す模式図である。
FIG. 8 is a schematic view showing an example of a lamella structure in a cross section of carbon fiber.

【図9】炭素繊維横断面におけるラメラ構造の一例を示
す模式図である。
FIG. 9 is a schematic view showing an example of a lamella structure in a cross section of carbon fiber.

【図10】本発明の炭素繊維の単繊維横断面の形状例を
示す概略図である。
FIG. 10 is a schematic view showing an example of the shape of a single fiber transverse section of the carbon fiber of the present invention.

【図11】本発明の炭素繊維の単繊維横断面の形状例を
示す概略図である。
FIG. 11 is a schematic view showing a shape example of a single fiber cross section of the carbon fiber of the present invention.

【図12】本発明の炭素繊維の単繊維横断面の形状例を
示す概略図である。
FIG. 12 is a schematic view showing an example of the shape of a single fiber cross section of the carbon fiber of the present invention.

【図13】実施例1で用いた口金の紡糸用孔の形状を示
す概略平面図である。
FIG. 13 is a schematic plan view showing the shape of the spinning holes of the spinneret used in Example 1.

【図14】比較例2で用いた口金の紡糸用孔の形状を示
す概略平面図である。
FIG. 14 is a schematic plan view showing the shape of a spinning hole of a spinneret used in Comparative Example 2.

【図15】図14に記載した形状の紡糸用孔から紡出さ
れた単繊維の横断面図である。
FIG. 15 is a cross-sectional view of a single fiber spun from the spinning hole having the shape shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

F: 炭素繊維 a: ラメラ構造 R: 外接円半径 r: 内接円半径 F: Carbon fiber a: Lamellar structure R: Circumscribed circle radius r: Inscribed circle radius

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】繊維横断面形状がその図心を通る対称面を
少なくとも一つ有すると共に、θ=360°/n(nは
1から10までの整数)で規定される回転対称角度θを
有する非円形状であり、かつ、単繊維1本当たりの目付
が0.1mg/m以上であることを特徴とする非円形断
面炭素繊維。
1. The fiber cross-sectional shape has at least one plane of symmetry passing through its centroid, and has a rotational symmetry angle θ defined by θ = 360 ° / n (n is an integer from 1 to 10). A non-circular cross-section carbon fiber having a non-circular shape and a basis weight per single fiber of 0.1 mg / m 2 or more.
【請求項2】内部構造が実質的に均一な結晶構造を有す
る非ラメラ構造であるとともに、繊維表面の表面平滑度
Sが1.16以下であることを特徴とする請求項1記載
の非円形断面炭素繊維。
2. The non-circular shape according to claim 1, wherein the internal structure is a non-lamellar structure having a substantially uniform crystal structure, and the surface smoothness S of the fiber surface is 1.16 or less. Cross section carbon fiber.
【請求項3】単繊維の横断面が、繊維横断面の中心側に
向けて凹の部分を有する非円形であって、該横断面にお
ける外接円半径Rと内接円半径rとの比R/rで定義さ
れる変形度Dが1.1〜7.0であることを特徴とする
請求項1または請求項2記載の非円形断面炭素繊維。
3. A single fiber has a non-circular cross section having a concave portion toward the center side of the fiber cross section, and the ratio R of the circumscribed circle radius R and the inscribed circle radius r in the cross section. The degree of deformation D defined by / r is 1.1 to 7.0, and the carbon fiber having a non-circular cross section according to claim 1 or 2.
【請求項4】単繊維の横断面形状が3〜5葉の多葉形で
あり、それぞれの葉がその付け根から先端に向かって一
旦膨らみを有し、実質的に複数個の円が接合した形から
なり、かつ変形度Dが1.5〜3であることを特徴とす
る請求項3記載の非円形断面炭素繊維。
4. The monofilament has a cross-sectional shape of 3 to 5 leaves, and each leaf has a bulge from its root to its tip, and a plurality of circles are substantially joined. The carbon fiber having a non-circular cross section according to claim 3, wherein the carbon fiber has a shape and a deformation degree D of 1.5 to 3.
【請求項5】請求項1〜4のいずれかに記載の非円形断
面炭素繊維と樹脂とからなることを特徴とする炭素繊維
強化複合材料。
5. A carbon fiber reinforced composite material comprising the carbon fiber having a non-circular cross section according to any one of claims 1 to 4 and a resin.
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