JPS6312761A - 炭素繊維 - Google Patents

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】 〔度業上の利用分野〕 本発明は、表面洸金属又は半金属の酸化物のゲルが被覆
された、マトリックスとの接着性か改善された炭素繊維
及びそれを使用した複合材に関するものである。

〔従来の技術〕

炭素繊維は、樹脂、金属、でラミック、炭素等をマトリ
ックスとする複合材の補強繊維として注目されている。

複合材においては、補強繊維が負荷された応力を主に担
い、マトリックスは応力を個々の繊維に均等に分担させ
る伝達の役割を担うといわれている。従って、複合材と
しての性能を充分なものとするためには、繊維がマトリ
ックス中に均一に分布し、その繊維がマトリックスで一
様に囲まれており、更に、繊維とマトリックスが充分に
接着していて応力の伝達が円滑に行なわれるようになっ
ていることが重要である。

しかし、一般に、炭素繊維はマトリックスとの接着性が
悪く、充分な性能を示す複合材が得にくい。そこで、従
来は、例えば、酸化性ガスや酸溶液、或いは、電気分解
等によシ炭素繊維の表面を活性化したり、化学蒸着法（
ＯＶＤ法）等により炭素繊維の表面に金属の蒸着層を設
けたシする等の方法が取られている。

〔発明が解決しよつとする問題点〕

しかしながら、これら従来の方法は、製造工程が繁雑で
あったり、大規模の処理装置を必要とする等工業的生産
には必ずしも有利とはいえなかった。

まだ、補強繊維を比較的簡便に製造する方法として、炭
素繊維の表面にアルコキシアルミニウムアセチレートの
溶液を塗布し、それを焼成して酸化アルミニウム等の破
膜を形成する方法が提案されている（特開昭１．０−７
１．３（１！ｉ号公報〕が、未だマトリックスとの接着
性が充分とはいえず、更に改良が望まれていた。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 そこで、本発明者は、かかる問題点を解決すべく、鋭意
検討した結果、炭素繊維の表面に金属又は半金属の酸化
物のコロイド溶液を塗布し、加熱処理して酸化物のゲル
の被覆層を形成すれば炭素繊維の表面に凹凸を有する被
覆層とすることができる結果、上述の如き問題点が解決
できることを見い出し本発明に到達した。

すなわち、本発明の目的は、簡便な方法で、しかもマト
リックスとの接着性が更に改善された補強繊維及びそれ
を使用した複合材を提供することにある。

そして、その目的は、表面に金属又は半金属の酸化物の
ゲルの被覆層を有する炭素繊維であって、該被覆層が炭
素繊維表面に塗布された該酸化物のコロイド溶液を加熱
処理することによって形成されたものであることを特徴
とする炭素繊維及びそれを使用した複合材により容易に
達成される。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明で使用する炭素繊維は、公知のポリアクリロニト
リル系及びピッチ系炭素繊維が使用できるが、ピッチ系
、特にメンフェーズピッチを紡糸して得られる炭素繊維
、或いは、気相熱分解法によシ得られる炭素繊維の様な
表面活性の低い炭素繊維において効果が犬であるので好
適である。

これら炭素繊維は、予め陽極酸化等により表面を酸化処
理しておくことが本発明の被覆層を堅固に固着すること
ができるので好ましい。その際、酸化により炭素繊維自
体の性能が劣化されない程度の極く軽度な酸化処理でよ
い。

本発明においては、炭素繊維の表面に金属又は半金属の
酸化物のコロイド溶液を浸漬等の方法によって塗布する
。

本発明の金属又は半金属の酸化物としては、コロイドを
形成し得るものであればよく、例えば、アルミニウム、
チタニウム、クロム、鉄、銅、ジルコニウム、トリウム
、或いは、ケイ素等の酸化物が挙げられる。特に、アル
ミニウム、ケイ素の酸化物が好適である。

これら金属又は半金属の酸化物のコロイド溶液は常法に
従い、例えば、加水分解等によって調製すればよい。そ
の際、コロイド状態の安定化を計るために、酢酸、塩酸
等の酸や水酸化ナトリウム、アンモニア水等のアルカリ
、或いは塩化ナトリウム、塩化カリウム等の塩類を適宜
添加してもよい。

本発明においては、金属又は半金属の酸化惣のコロイド
の粒径が、！ｉ〜、３００ｍμの範囲のものを使用する
のがマトリックスとの接着性の点で好適である。

かかる金属又は半金属の酸化物のコロイド溶液を炭素繊
維に塗荀する方法としては、コロイド溶液の満たされた
槽内な連続的に炭素繊維を走行させる方法が、処理の効
率、均一塗布の点から好ましい。また、この際に、コロ
イド溶液の満たされた槽に１０−！０ＫＨｚ程度の超音
波を作用させておくと、例えば、炭素繊維を束状で処理
した場合にも繊維間の気泡等による処理むらの影響を防
ぐことができるので好ましい。

コロイド溶液を塗布した炭素繊維は、適宜ローラー等を
通すなどして余分な溶液を除き、その後加熱処理を施さ
れる。

コロイド溶液の塗布は、加熱処理後の被覆厚さとして、
／μ以下（被覆量で３係以下）となるように行う。

本発明の加熱処理によって、金属又は半金属の酸化物の
コロイドはゲルの状態に変換される。

本発明においては、通常、１００〜ｇｏｏ℃、好ましく
は、１００〜’ＡＯＯ°Ｃの温度で、０．！；〜１０時
間、好ましくは、７〜３時間加熱処理される。その際、
炭素繊維を加熱炉内を連続的（て走行させるのが処理効
率、繊維同士のからみ及び固着防止の点から好ましい。

あまシ高臨、長時間処理すると炭素繊維に付着したゲル
の被覆層が、炭素繊維との熱収縮の差異により剥離して
しまうので、上記範囲で加熱処理するのがよい。

加熱処理は、約ＩＩｏｏ℃以下で行う場合は空気中で行
ってもよいが、それ以上の温度で処理する場合は炭素繊
維の酸化による性能劣化を防ぐために不活性雰囲気下で
行う。

以上のようにして得られる炭素繊維は、その表面に凹凸
を有する金属又は半金属の酸化物のゲルの被覆層が形成
されている。この被覆層の持つ活性及びその凹凸の効果
によりマトリックスとの接着性が改善され、より優れた
性能の複合材料の補強繊維として使用することができる
。

また、本発明の複合材におけるマトリックスの例示とし
ては、例えば、エポキシやポリアミド等の樹脂、アルミ
ニウム、マグネシウム等の金属、５）ＣＳＢＮ等のセラ
ミック、フェノール樹脂やピッチ類に由来する炭素等、
好ましくは、樹脂及び金属が挙げられる。

本発明の炭素繊維を、これらマトリックス中、通常・３
０〜７０　ｖｏｌ　％の範囲となるように使用し、常法
に従い成型することによって、良好な複合材料を得るこ
とができる。

〔効　果〕

本発明によれば、金属又は半金属のコロイド溶液を炭素
繊維の表面に塗布し、加熱処理するという簡便な方法で
マトリックスとの接着性が更に改善された補強繊維を得
ることができ、かつ、かかる補強繊維を使用することに
より高特性の複合材を得ることができる。

以下、本発明を実施例を用いて、より具体的に説明する
が、本発明はその要旨をこえない限り下記の実施例に限
定されるものではない。

〔実施例〕

実施例／ 、２０００°Ｃで焼成したピッチ系炭素繊維束（，３０
００フイラメント〕をｏ、ｏ　ｓ　ｗｔ％水酸化ナトリ
ウム水溶液中を連続的に走行させながら繊維束を陽極と
して処理量／Ｃ／ｇ−炭素礒維とな６ように電解酸化し
、次いで、脱塩水の洗浄槽を通過させて洗浄し、更に複
数のローラーを通過させて水切りを行った。

引続き、この繊維束をＱ！；ＫＨｚ、１０ＯＷの超音波
を作用させているアルミナコロイド溶液（日量化学社製
、アルミナゾル−２００を／ｖｔ係となるように脱塩水
にて希釈）の満たされた槽内を走行させ、次いで、複数
のローラーを通過させた後、ドラムに巻取った。

この一連の処理における通糸速度は！７ｒＬ／時であり
、アルミナコロイド溶液の槽における繊維束の滞留時間
は一分間であった。

アルミナコロイド溶液を塗布した炭素繊維束は、次いで
、全長０．３　ｍ、中心部最高温度２０θ°Ｃの炉内を
ｏ、ｔｉｓｍ７時の速度で走行させて加熱処理を行った
。

得られた炭素繊維束は、処理前に比べてコ、Ｓ係の重量
増加がちや、又、走査型電子顕微鏡で観察したところ、
炭素繊維の表面に平均で約Ｏ，Ｓμの厚さの凹凸のある
ゲルの被覆層が確認された。

この炭素繊維束を使用してエポキシ樹脂をマトリックス
とする繊維含有率ｓ　Ｏ％の２×／　０×／２７ｎｍの
成型体（硬化条件；１ｇ０℃、コ時間〕を常法に従い作
成し、３点曲げ試、験法（スパン間１０Ｈ１歪速度λ市
／龍）によ逆層間せん断強度を求めた結果、９点の試験
片の平均値としてワ、６ｋｇ／　ｍｉｔであった。

実施例＝ 実施例１において、アルミナコロイド溶液ので希訳し、
更に酢酸でｐＨ１，ｔに調整〕を使用する外は、実施例
／と同様にしてコロイド溶液を塗布し、加熱処理した。

得られた炭素繊維束は、処理前に比べて／、ｇ係の重量
増加があり、又、その表面に平均で約０．３μの厚さの
凹凸のあるゲルの被覆層が確認された。

この炭素繊維束を使用して実施例／と同様に成型体を作
成し、層間せん断強度を求めたところ、ど、グに９　／
　ｍｉ″″ｃあった。

比較例／ 実施例／において、アルミナコロイド溶液盆布を行わな
かった以外は、実施例／と同様にして補強炭素繊維を得
た。そして、実施例／と同様にして作成した複合材料の
層間せん断強度を求めたところ、ｅ、　、２　ｋｇ／　
ｙｎａであった。

出　願　人　　三菱化成工業株式会社 代　理　人　　　長谷用　　　− （ほか／名〕

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面に金属又は半金属の酸化物のゲルの被覆層を
   有する炭素繊維であつて、該被覆層が炭素繊維表面に塗
   布された該酸化物のコロイド溶液を加熱処理することに
   よつて形成されたものであることを特徴とする炭素繊維
   。
2. （２）炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維である特許請求の
   範囲第１項記載の炭素繊維。
3. （３）炭素繊維の表面が、陽極酸化処理されたものであ
   る特許請求の範囲第１項記載の炭素繊維。
4. （４）金属又は半金属の酸化物のコロイドの粒径が、５
   〜３００ｍμである特許請求の範囲第１項記載の炭素繊
   維。
5. （５）金属又は半金属の酸化物のコロイド溶液が、アル
   ミナ又は酸化ケイ素のコロイド溶液である特許請求の範
   囲第１項記載の炭素繊維。
6. （６）加熱処理温度が、１００〜８００℃である特許請
   求の範囲第１項記載の炭素繊維。
7. （７）補強繊維とマトリックスからなる複合材において
   、該補強繊維が、表面に金属又は半金属の酸化物のゲル
   の被覆層を有する炭素繊維であつて、該被覆層が炭素繊
   維表面に塗布された該酸化物のコロイド溶液を加熱処理
   することによつて形成されたものであることを特徴とす
   る複合材。