JPS58214526A - 高強伸度炭素繊維束 - Google Patents

高強伸度炭素繊維束

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JPS58214526A
JPS58214526A JP9775782A JP9775782A JPS58214526A JP S58214526 A JPS58214526 A JP S58214526A JP 9775782 A JP9775782 A JP 9775782A JP 9775782 A JP9775782 A JP 9775782A JP S58214526 A JPS58214526 A JP S58214526A
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carbon fiber
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elongation
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Toru Hiramatsu
徹 平松
Tomimasa Higuchi
樋口 富壮
Shigeo Mitsui
三井 茂雄
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高強伸度炭素繊維束に関する。
従来、炭素繊維は比強度、比弾性率などの卓越した力学
的性質により航空・宇宙用、ゴルフクラブシャフト、釣
竿、テニスラケット等のスポーツ用品、高速回転胴に広
く使用され、さらに自動車、船舶などの運輸機械等の各
種用途に利用されようとしている。
上記用途の中でも航空・宇宙用や運輸機械用など構造材
料としての耐久性と信頼性が強く要求される分野におい
ては、複合材料の補強材としての役割機能の中核をなす
炭素繊維の品質、性能の向上に対する要求は極めて大き
いものがあり、これ迄に多くの試みが為されてきた。
しかるに、一般に炭素繊維物性の点から°゛ハイグレー
ド炭素繊維”と呼称されるものの多くは、アクリル系繊
維を前駆体(ブレカーサ)として製造されるが、炭素繊
維製造における省エネルギー、製造コストの低減並びに
生産性の向上のために単繊維本数をできるかぎり多くし
た炭素繊維束の形態で製造せんとする試みが為されてい
る。
しかるに、このような単繊維本数が増大するにつれて、
前記ブレカーサの単繊維相互間の物性差、品質、性能上
の変動に加えて、この変動が炭素繊維の製造工程および
条件に波及し、試験的に高強伸度炭素繊維が得られたと
しても繊維束にその物性を安定して再現せしめることは
必ずしも容易ではなく、工業上の大きな問題になってい
る。
さらに、このような炭素繊維束を構成する単繊維の力学
的性質を個別に測定することは該炭素繊維は一般に剛直
で脆く、該繊維束から単繊維をサンプリングする過程で
単繊維が損なわれ易く、個々の単繊維を分離してその物
性を正確に測定することは困難で、しかも、再現性に乏
しい。
本発明者らはこの炭素繊維束を構成する単繊維の力学的
性質、特に強伸度物性を再現性ならびに信頼性よく測定
する方法として、後述するマルチフィラメント単糸強度
分布測定法を用いよって、炭素繊維束の力学的性質を飛
躍的に増大せしめること可能であることを見出し、本発
明をなすに到ったものである。
即ち、本発明の目的とするところは、炭素繊維束として
の力学的性質の著しく改良された炭素繊維束を提供する
にある。
他の目的に炭素繊維束の補強用繊維としての信頼性及び
耐久性の高い炭素繊維を提供するにあり、さらに他の目
的はこのような炭素繊維束を工業的に製造する方法を提
供するにある。
このような本発明の目的は以下に詳述するところから明
らかになるであろう。
まず、本発明のマルチフィラメント単糸強度分布測定法
について図面にもとづいて具体的に説明する。
第1図は本発明の測定法に用いるテストピースの1例を
示す平面図であり、第2図は第1図のテストピースを引
張試験したとき得られるチャートの1例を示す。まず炭
素繊維束として濃硫酸もしくは有機溶媒に浸漬して脱ザ
イジング剤処理等を行って十分洗浄したものをサンプル
として用いる。
第1図に示すようにこのサンプルに傷をつけないように
細心の注意を払って、約30本の単繊維からなる糸束(
1)をまとめて採取し、チャック部(2)付近を切抜い
た厚手滑沢紙(3)に撚りのかからないように載置し、
チャック部分を接着剤で滑沢紙(3)に貼りつけ、その
上にサンドペーパーで表面を粗面にしたポリエステルフ
ィルム(4)を貼りつけ、糸束(1)を滑沢紙に固定す
る。
試料長は、作業のし易さを考慮して5Cn1とする。か
くして得られたテストピースを東洋ボールドウィン社製
の“テンシロン” UTM−III ヲ用いて、5五!
容量のロードセル、0.4%/閲の引張速度s  60
 cm /minのチャート速度及びフルスケール10
0y−(場合によっては200y−)で引張試験を行う
なお、試験中に張力が増して、スケールオーバーすると
きは零点を適宜移動して、破断シグナルをチャート上に
とらえるように保持する。
第2図はこのようにして得られた測定チャートの1例で
ある。図に示すように、それぞれの単繊維の破断に対応
して小さい順にシグナル(正常シグナルというソー化し
、ところどころに異常に大きなシグナル(異常シグナル
という)が現われる。この異常シグナルは、正常シグナ
ルのほぼ整数倍の位置に現われ、破断伸びのほとんど等
しい2〜3本の単糸の同時破断に対応するものと考えら
れる。この糸束中の単繊維本数は同時破断シグナルの発
生率に影響するので多くても30本以下としてテストす
るのがよい。
本発明は上記テストを少くとも7回くり返し行ない、単
繊維本数200本以上の単繊維強力を測定し、得られた
単繊維強力を、炭素繊維束につき、その目d (y−/
m )と比重の測定値から求めた平均単繊維断面積で除
して、単糸繊維強度のデータに換算した後、上述のごと
く測定した各データをヨコ軸に各シグナルの強度の対数
、タテ軸に該強度以下の累積単糸本数の全測定本プロッ
トする。(Weibull plotという)。
第6図(1)、(2)及び(3)はそれぞれはこのよう
な単繊維強度分布図の1例を示す図である。図に示すよ
うに、プロットを点綴すると、高強力部にAで示すはソ
直線に近似される部分と低強力部にB、C等で示す直線
かえられる。
本発明の弱糸とはこの低強力部分の直線B、C等で示さ
れる直線Aより低強度側にはずれた・単繊維をいう。
マルチフィラメント法単糸強度分布において検出される
弱糸に該当する単繊維を電子顕微鏡写真するとこの単繊
維には第4〜6図の電子顕微鏡写真に示す如〈従来知ら
れている内部ボイドや異物等の構造的欠陥の他に、付着
物欠は傷欠陥および表層筋乱れ欠陥と称すべき表層欠陥
が存在することが認められ、弱糸を少くすることはこの
ような表層および内部構造の欠陥を極力少くすることに
関係することが明らかになったO そこで、上記各種の欠陥を生ずる原因について詳細に検
討した結果、従来知られている異物混入やボイドの発生
防止には、たとえば公知のアクリル系繊維紡糸時におけ
る紡糸原液の濾過ならびに、乾燥緻密化温度/時間の適
正化が有効であるが、第5,6図に示す付着物欠は傷お
よび表層筋乱れ欠陥については、本発明者等が別途提案
したように下記の如き対策が有効である0 表層筋乱れ欠陥については、アクリル系繊維の紡糸時の
凝固張力を200 m9 /filament以内に制
御し、さらに紡糸後乾燥に至る迄の湿潤糸条に少なくと
も1.5五り/ cnI以上の圧力で該糸条が押圧され
ないように凝固、水洗、延伸等の各工程を通過させるこ
とにより該表層筋乱れ欠陥の発生を減少させることがで
きる。
しかるに、伺着物欠は傷欠陥は、プリカーサの製造に用
いる紡糸原液はもちろん該プリカーサ全製造工程におけ
る使用薬品の精製、並びにプリカーサの焼成工程、特に
酸化雰囲気及び不活性雰囲気の清浄化が有効であり、こ
の付着物欠は傷の発生防止が他の欠陥の発生の抑制にも
有効であることが判明した。
以下、上記欠陥、すなわち弱糸が少なく、改良された力
学的性質を示す炭素繊維束を製造するに際して弱糸発生
防止の上で1つの基本的条件である表層筋乱れおよび付
着物欠は傷防止方法について詳細に説明する。しかしな
がら本発明の目的を達成するためには、前述したところ
から明らかなように表層筋乱れおよび付着物欠は傷防止
のみならず他の各種欠陥の発生を防止するだめの公知の
方法を採用する必要があることはいうまでもない。
本発明のアクリル系炭素繊維束の製造法としてはまず重
合槽や輸送パイプなどに起因する不純物および重合時の
副反応や熱劣化等に起因するゲル状物を実質的に除去す
るために目びらき5μ以下のフィルターで濾過した紡糸
原液を用を少くとも該糸条を乾燥緻密化する迄は約1.
5”7 / cnffi以上の圧力下で押圧することな
く水洗、延伸等の処理を施すこと、凝固、水洗、延伸各
浴の用水薬品及び油剤として十分精製されたものを使用
するとともに、凝固浴液環一部循環使用する液について
は、目びらき5μ以下のフィルターで濾過しつつ使用す
る必要がある。
さらに、紡糸機の周辺を、クリーン・ルーム化して周囲
の環境からの異物混入を防止することが重要である。
次−に、焼成工程においても、酸化工程に用いる空気な
らびに炭化工程に用いる窒素等の不活性ガスを、目びら
き1μ以下のフィルターで濾過して、空気、窒素中の異
物、特に鉄等の金属含有異物を除去することが肝要であ
る。さらに、紡糸機の場合と同様に焼成rrV′Cの周
辺も、クリーン・ルーム化して周囲の環境から侵入する
異物を防止することが重要である。
実施例1 アクリロニトリル(AN)98モルチと、ア体のカルボ
キシル基末端水素をアンモニウム基で置換した変性ポリ
マを作成し、この変性ポリマ濃度が20重量%のジメチ
ルスルホキシキシド(DMSO)溶液を作成した。この
溶液を炉材として目びらき、が、6μの焼結金属フィル
ターを用いて濾過したのち、温度60℃に調整し、温度
60℃、濃度50%のD M S O水溶液中に吐出し
た。口金としては孔径0,05胴、ホール数6000の
ものを用い、凝固引取り速度を12m/分にして凝固張
力を18oIn9/r i I amen tとした。
凝固糸条を水洗後、熱水中で5倍に延伸した後シリコー
ン系油剤処理し圧力が1.0 ’J’ / maのニッ
プ・ローラで繊維束をしぼって繊維の含水率を減少させ
た後、160〜160℃に加熱されたローラ表面に接触
させ乾燥緻密化後4. OKり/ crAの加圧スチー
ム中で2.5倍に延伸した。上記凝固乾燥工程において
糸条のガイドとしては回転ローラを用い、走行糸条がガ
イシ6000Dの繊維束にリング状ノズルヲ用い圧力O
刃]り/ crrrのエヤ開繊処理を施した後、目びら
き1μの焼結金属フィルターにより清浄化処理された雰
囲気温度がそれぞれ250℃、260℃に保たれた熱風
循環式加熱焼中に実質的に定長状態で順次通過させて酸
化処理した。
次いで得られた酸化繊維束を1500’Cの窒素雰囲気
中で100D〜1200℃の温度域における昇温速度が
800℃/分となるように加熱して炭素繊維束をえた。
この炭素繊維束のマルチフィラメント法単糸強度分布を
しらべた結果、第6図(1)に示す通りであり、弱糸が
約2%であった。この弱糸の切断端を電子顕微鏡でしら
べた結果、第4図に示すように、マクロ・ボイドによる
破断が認められた。
また、この炭素繊維束につき、ストランド物性を測定し
た所、強度4soKり/−1伸度1.75チャング率2
4.6 tory’−であった。
比較例1 実施例1において、凝固引取り速度を17m/分と速く
することにより、凝固張力を500m9/filame
ntとした以外は、全く同様の方法により、アクリール
繊維を製糸し、しかる後、実施例1と同様の方法で焼成
して炭素繊維を得た。
得られた、炭素繊維のマルチ、フィラメント法単糸強度
分布を第3図(2)に示した。弱糸が約1゜チあり、こ
の弱糸の切断端を電子顕微鏡でしらべた結果、第5図に
示すように、付着物欠は傷による破断が認められた。
また、この炭素繊維束につき、ストランド物性を測定し
た所、強度650にり/−1伸度1,46チヤング率2
4.5 ton/)))iであった。
比較例2 実施例1において、乾燥緻密化工程にはいる繊維の含水
率のより一層の減少を図る目的でニップ・ローラ圧を2
.0 HP / cnfにアップした以外は、実施例1
と全く、同様の方法で、アクリル系繊維を紡糸し、さら
に実施例1と同様の方法で焼成して、炭素繊維を得た。
得られた炭素繊維束のマルチ・フィラメント強度分布を
測定した所、弱糸が約12%あり、この弱糸の切断端を
電子顕微鏡で調べた結果、第6図に示す如く、表層筋乱
れによる破断が認められた。
また、この炭素繊維束につき、ストランド物性を測定し
た所、強度320KF/ma、伸度1.62チ、ヤング
率24.5 tony−であった。
比較例3 実施例1において、酸化処理工程において、使用する空
気として、目びらき1μの焼結金属による濾過をやめた
以外は、実施例1と全く同様にして、炭素繊維を作製し
た。得られた炭素繊維束のマルチ・フィラメント法単糸
強度分布を測定した結果、弱糸が7%であった。
なお、該炭素繊維束のストランド物性を測定した結果、
強度が69OKり/−1伸度が1.58チヤング率が2
4.71on/−であった。
【図面の簡単な説明】
第1図はマルチフィラメント単糸強度分布測定法に用い
るテストピースの平面図、第2図は第1図のテストピー
スを用いて引張試験を行ったときえられるチャートの1
例を示す図、第3図(1)〜(3)はそれぞれ単繊維強
度分布図、第4〜6図は弱糸の切断端を示す電子顕微鏡
写真である。 1 : 糸束 2 : チャック部 3 : 滑沢紙 4 : ポリエステルフィルム A : 高強力部 B、O:  低強力部 (A)、(B)  零点移動部 特許出願人 東し株式会社 第2図 TENSILE     5TRENGTH(kg/m
rn2)第3回 (3)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)単繊維本数が少くとも1000本の炭素繊維束か
    らなり、本文中で定義する所のマルチフィラメント単糸
    強度分布測定法において、検出される弱糸の割合が5%
    以下である高強伸度炭素繊維束。
JP9775782A 1982-06-09 1982-06-09 高強伸度炭素繊維束 Granted JPS58214526A (ja)

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JPH0329885B2 JPH0329885B2 (ja) 1991-04-25

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