JPS5981339A - 連続繊維複合体およびその製法 - Google Patents

連続繊維複合体およびその製法

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JPS5981339A
JPS5981339A JP58179503A JP17950383A JPS5981339A JP S5981339 A JPS5981339 A JP S5981339A JP 58179503 A JP58179503 A JP 58179503A JP 17950383 A JP17950383 A JP 17950383A JP S5981339 A JPS5981339 A JP S5981339A
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JP
Japan
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fibers
carbon
microfibers
resin
continuous fiber
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Pending
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JP58179503A
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English (en)
Inventor
アイアン・ウイラ−ド・ソレンセン
ロバ−ト・スタンレ−・キウエ−ク
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Bendix Corp
Original Assignee
Bendix Corp
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06Fibrous reinforcements only
    • B29C70/08Fibrous reinforcements only comprising combinations of different forms of fibrous reinforcements incorporated in matrix material, forming one or more layers, and with or without non-reinforced layers
    • B29C70/081Combinations of fibres of continuous or substantial length and short fibres
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S428/00Stock material or miscellaneous articles
    • Y10S428/903Microfiber, less than 100 micron diameter
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T428/30Self-sustaining carbon mass or layer with impregnant or other layer

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)

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】 本発明は繊維複合体に係わシ、このような複合体の横方
向の特性を改善することを目的とする。
金属およびセラミックスの一部に繊維強化複合体を使用
することは急速に増加している。現在、炭素繊維強化複
合体は、強度/重量の比が大きいこと、温度抵抗性、腐
食抵抗性、側衝撃性および他の所望の特性を有している
ことにより、注目を集めている。当分野では、この炭素
繊維補強複合体の強度をさらに改善することが断えず研
究されている。その努力の方向は別個の2つの径に沿う
ものである。その1つは、米国特許第4,138,52
5号および第4,014,725号に開示されている如
く、炭素繊維自体の強度およびたわみ性を改善するもの
である。他碩:、繊維の表面を処理して繊維と樹脂との
間の接着性を改善するものである。後者の代表的なもの
としては、米国特許第4,269,876号、第4,0
73,869号、第3.989.802号などに開示さ
れた方法がある。
このような繊維強化複合体の繊維方向に沿った物理特性
は、多数の応用分野で良好でありかつ満足できるもので
ある。しかしながら、繊維強化複合体の繊維方向に直角
の方向の物理特性は、繊維方向に沿う物理特性に比べて
、比較的劣っている。
これは、横方向の挙動がマトリックスに支配されるため
である。この欠陥は、−次補強絨維間のニー1・樹脂を
横方向不連続繊維で補強することによって部分的に矯正
される。とのだめには、−次繊維間の隙間に適合される
に充分に細かいミクロ繊維が必要で、ある。市販のミク
ロ繊維、たとえばケイ灰石(Wottas ton i
 te )、炭化ケイ素結晶は所望のザイズ範囲に近い
ものである。ケイ灰石は限定された物理特性をもつ低コ
ストの無機質繊維である。一方、炭化ケイ素結晶は良好
な物理特性を治するが、非常に高価である。したがって
、連続繊維複合体の工業的補強の目的では、ケイ灰石お
よび炭化ケイ素はあまり研究されてはいない。ケイ灰石
#I!維は比較的太きく、′炭化ケイ素結晶の縦横比は
あ寸り均一ではない。
本発明の目的は、このような繊維複合体の横方向の特性
を改善する新しい方法として、マトリックスを比較的安
価に得られる適当なミクロ繊維で補強する方法を提供す
ることにある。
本発明によれば、樹脂を含浸させて隙間を充填した連続
繊維マトリックスを包含する連続繊維複合体において、
二次マ) IJソックス強材として、前記連続繊維より
も寸法の小さい炭素ミクロ繊維を前記樹脂中にランダム
に分散させたことを特徴とする、連続繊維複合体が得ら
れる。
このような二次7トリツクス強化繊維複合体を製造する
プζめに、不発U!Aは、(a)マトリックスの連続繊
維よりも実質的に小さい直径を有する炭素ミクロ繊維を
調製し、(1〕)この炭素ミクロ繊維を樹脂中に分散さ
せてミクロ繊維分散樹脂全生成し、(C)前記連続繊維
マトリックスに前記ミクロ繊維分散樹脂を含浸させて、
前記連続繊維間の隙間を前記樹脂およびミクロ繊維で充
填し、(d)前記含浸繊維マトリックスを硬化させて、
二次マトリックス補強材として前記炭素ミクロ繊維を含
有する複合体とすることを特徴とする方法を提供する。
本発明の実施の好適な態様では、炭素ミクロ繊維の調製
は、市販の炭素繊維を少なくとも2種の強酸の溶液中に
浸漬し、この溶液中で該繊維を機械的に攪拌し、ついで
前記溶液から生成した炭素ミクロ繊維を分離し、繰返し
洗浄し、これを沢取することにより行なわれる。
さらに詳しくは、強酸の溶液は発煙硝酸5oないし70
%(好寸しくは6o%)および硫酸5゜ないし30%(
好ましくは40%)の混合物でなる。酸溶液中への炭素
繊維の浸漬は温度約85℃、時間少なくとも60分の条
件下で行なわれる。連続−次繊維の隙間に炭素ミクロ繊
維を分散させることによる1つの利点は、複合体の横方
向の特性が充分に増強されることにある。他の利点は、
ミクロ繊維をスクラップまだは寸断炭素繊組から調製で
きることにある。
る炭素ミクロ繊維の調製法を介して、さらに明確になる
であろう。
市販の炭素繊維は、代表的Klt’f、、直径約8ミク
ロンである。この点については、炭素繊維は複合体で使
用される他の補強繊維と異なるものではない。しかしな
がら、他の補強繊維、たとえばガラス、と異な9、炭素
繊維は複雑な内部構造を有しており、この構造が繊維の
軸に平行な方向における問題の物理特性に寄与する。
この構造は当分野の多数の研究者によって明らかにされ
ている。炭素繊維の構造についてのわかりやすい説明は
、Reyno7dsにより [炭素の化学および物理学
(Chemlst、ry and Physlcs o
f Carban)J第2巻、、 Dekker Ne
w York 、 1973 に開示されている。要約
すれば、炭素繊維の構造は、繊維の長手方向の軸に沿っ
てねじれ、もつれ、うねっているリボン状またはフィブ
リル状結晶によって構成される。リボン状またはフィブ
リル状結晶の構造は、整列したグラファイト平面によっ
てなる。これらの結晶はいくつかの平面からなる厚みを
もつだけでなく、繊維の軸に沿って数百Aの長さで伸長
している。
炭素繊維を高温処理することにより、繊維の整合性が改
善され、リボンのうねりが低減され、長手方向の繊維の
モジュラスが実質的に増強される。
これら利点が得られる度合は、W、 Watts およ
びW、 Jo h n s o nによって「工業性炭
素およびグラファイトに係わる第3回国際会議の議事録
」、ロンドン1970、第417頁に開示されている如
く、多くは加熱処理に左右される。
超高モジュラス繊維における結晶整合性が高い場合には
、基礎平面間のファンデルワールス結合力が弱いため、
繊維の軸に対して直角方向の引張特性が比較的低くなり
、内部結合性が低下する。
それ故、轟然、このような繊維は結晶の境界に沿って裂
け、縦横比がかなり大きくかつ直径が小さい小片(ミク
ロ繊維として分類される)となる。
さらに、結晶自体がより大きい繊維から離脱される場合
には、その物理特性は理論的限界に近づく。
上記分析によれば、本発明は、連続繊維複合体の一次繊
維間の隙間に適合されるに充分に小さい炭素ミクロ繊維
を生成する方法を提供するものである。本発明によるこ
の方法は、炭素繊維を少なくとも2つの強酸の溶液中に
浸漬して、整列したグラファイト平面の間の相互結晶結
合を弱めかつ分断する工程を包含する。ついで、浸漬し
た繊維を機械的に攪拌して、酸の組合せにより相互結晶
境界が弱められた結晶を浸漬された繊維から離脱させる
。炭素繊維の残渣を溶液から排除し、酸溶液を水で希釈
する。ついで、炭素ミクロ繊維を流過して、希釈溶液か
ら分離する。さらに、繰返し洗浄し、濾過して、分離さ
れたミクロ繊維から残溜する酸を除去する6 好ましい強酸溶液は、発煙硝酸50ないし70チおよび
硫酸50ないし30%の混合物、特に温告 度85°Cの発煙硝酸60チおよび硫酸(95% ay
)40%の混合物でなるものである。
具体例について述べれば、高モジュラスのピッチをベー
スとする炭素繊維、たとえば炭素繊維Union Ca
rbide P2O3(Union Carbide 
Co、、 ニューヨーク)を、発煙硝酸(HNO3) 
60%および硫酸(H2S04.95係傾)40係の混
合物中に85℃で浸漬した。穏やかに繊維を攪拌させ、
浸漬した繊維からミクロ繊維を離脱させた。30分後、
繊維をサンプル抽出し、顕微鏡で観察した。第1図(1
80倍の倍率で撮影した取出されたザンプルの顕微鏡写
真)から明らかなように、繊維の分裂が始まっているこ
とが観察される。特に、中央の繊維の1つが拡大してい
る状態にあり、分裂しつつあるミクロ繊維が明確に見ら
れる。さらに溶液中での処理が進行することによシ、炭
素ミクロ繊維が基礎繊維から離脱し、第2図に見られる
ように、溶液中に浮遊する。第2図は、炭素繊維を酸溶
液中に浸漬したのち90分後に取出した溶液の顕微鏡写
真であり、縦横比が大きい多量の炭素ミクロ繊維が生成
されていることを示している。電子顕微鏡を使用して撮
影した分裂しつつある繊維を第3図に示す。この写真は
1.31 K倍で撮影したものであり、この方法により
生成されるミクロ繊維のザイズおよび形状がいがなるも
6であるかをよシ明確に示している。これらのミクロ繊
維は、数10ミクロンないし数ミクロンの断面をもつ丸
みをもつリボン状、不規則々リボン状または平々リボン
状である。
前述の如く、ミクロ繊維U濾過により溶液から分離され
る。ついで、これらを連続繊維構体に組合せる前に、残
留する酸溶液を除去するために繰返し洗浄する。
炭素ミクロ繊維の生成に係るこの方法の1つの利点は、
スクラップまたは分断炭素繊維を使用して比較的安価に
生成できることである。
連続繊維複合体の製造にあたっては、分離した炭素ミク
ロ繊維を、連続繊維の含浸に先立って、樹脂中に分散さ
せる。ついで、分散されたミクロ繊維を含有する樹脂を
使用して連続繊維複合体を調製する。−次繊維に樹脂を
含浸させることにより、炭素ミクロ繊維が隙間にランダ
ムに分散されることになり、複合体の横方同の特性が改
善されることになる。
炭素繊維および酸の特殊な組合せについて本発明を説明
したが、本発明の方法を他の物質にも等しく応用できる
ことおよび本発明の精神の範囲内で相互結晶境界を弱め
るために他の酸を使用できることけ当業者に容易に理解
されるであろう。
維の分裂開始を示す顕微鏡写真、第2図は離脱したミク
ロ繊維を示す90分後の酸溶液の顕微鏡写真、および第
3図は本発明に係る方法によって太い炭素繊維がどのよ
うに分裂してミクロ繊維を生成するかを説明する電子顕
微鏡により撮影した写真である。
^ FIG、 I FIG、 2 FIG、 3

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、樹脂を含浸させて隙間を充填した連続繊維マトリッ
    クスを包含する連続繊維複合体において、二次マ) I
    Jラックス強材として、前記連続繊維よりも寸法の小さ
    い炭素ミクロ繊維。 を前記樹脂中にランダムに分散させたことを特徴とする
    、連続繊維複合体。 2、二次的にマトリックスを強化した連続繊維複合体の
    製法において、(a)マトリックスの連続繊維よりも実
    質的に小さい直径を有する炭素ミクロ繊維を調製し、(
    b)この炭素ミクロ繊維を樹脂中に分散させてミクロ繊
    維分散樹脂を生成し、(C)前記連続繊維マ) IJソ
    ックス前記ミクロ繊維分散樹脂を含浸させて、前記連続
    繊維間の隙間を前記樹脂およびミクロ繊維で充填し、(
    d)前記含浸繊維マトリックスを硬  ;化させて、二
    次マトリックス補強材として前記炭素ミクロ繊維を含有
    する複合体とすることを特徴とする、連続繊維複合体の
    製法。 3、前記炭素ミクロ繊維の調製にあたり、市販の炭素繊
    維を少なくとも2種の強酸の溶液中に浸漬し、この溶液
    中で該繊維を機械的に攪拌し、ついで前記溶液から生成
    した炭素ミクロ繊維を分離し、繰返し洗浄し、これを戸
    数する特許請求の範囲第2項記載の製法。 4、前記強酸の溶液が発煙硝酸50ないし70チおよび
    硫酸50ないし30襲の混合物でなる特許請求の範囲第
    3項記載の製法。 5、前記強酸の溶液が発煙硝酸60%および硫酸40チ
    の混合物でなる特許請求の範囲第4項記載の製法。 6、酸溶液中への炭素繊維の浸漬を温度約85℃、時間
    少なくとも60分の条件下で行々う特許請求の範囲第4
    項または第5項記載の製法。
JP58179503A 1982-10-01 1983-09-29 連続繊維複合体およびその製法 Pending JPS5981339A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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US06/432,216 US4472541A (en) 1982-10-01 1982-10-01 Secondary matrix reinforcement using carbon microfibers
US432216 1982-10-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPS5981339A true JPS5981339A (ja) 1984-05-11

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ID=23715232

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