JPWO2016117422A1 - サイジング剤塗布炭素繊維束およびその製造方法、プリプレグおよび炭素繊維強化複合材料 - Google Patents
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Abstract
Description
以上により求めた束幅と厚みの比、D/tを該繊維束の扁平率とする。
(II)“デナコール(登録商標)”EX−521(ナガセケムテックス(株)製:ポリグリセリンポリグリシジルエーテル、水溶性)
(III)“jER(登録商標)”828(三菱化学(株)製:ビスフェノールAのジグリシジルエーテル、非水溶性、ガラス転移温度−15℃)
(IV)SBラテックス0573(JSR(株)製:非水溶性のスチレンブタジエンラテックスと乳化剤を含む水溶性エマルジョン、非水溶性成分のガラス転移温度−7℃)。
界面剪断強度(IFSS)の測定は、次の(イ)〜(ニ)の手順でおこなった。
ビスフェノールA型エポキシ樹脂“jER(登録商標)”828(三菱化学(株)製)100質量部とメタフェニレンジアミン(シグマアルドリッチジャパン(株)製)14.5質量部を、それぞれ容器に入れた。その後、上記のjER828の粘度低下とメタフェニレンジアミンの溶解のため、75℃の温度で15分間加熱をおこなった後、両者をよく混合し80℃の温度で約15分間真空脱泡をおこなった。
炭素繊維束から単繊維を抜き取り、ダンベル型モールドの長手方向に単繊維に一定張力を与えた状態で両端を接着剤で固定した。その後、炭素繊維単糸およびモールドに付着した水分を除去するため、80℃の温度で30分間以上真空乾燥をおこなった。ダンベル型モールドはシリコーンゴム製で、注型部分の形状は、中央部分巾5mm、長さ25mm、両端部分巾10mm、全体長さ150mmである。
上記(ロ)の手順の真空乾燥後のモールド内に、上記(イ)の手順で調製した樹脂を流し込み、オーブンを用いて、昇温速度1.5℃/分で75℃の温度まで上昇し2時間保持後、昇温速度1.5分で125℃の温度まで上昇し2時間保持後、降温速度2.5℃/分で30℃の温度まで降温させた。その後、脱型して試験片を得た。
上記(ハ)の手順で得られた試験片に繊維軸方向(長手方向)に引張力を与え、歪みを12%生じさせた後、偏光顕微鏡により試験片中心部22mmの範囲における繊維破断数N(個)を測定した。次に、平均破断繊維長laを、la(μm)=22×1000(μm)/N(個)の式により計算し、さらに平均破断繊維長laから臨界繊維長lcを、lc(μm)=(4/3)×la(μm)の式により計算した。ストランド引張強度σと炭素繊維単糸の直径dを測定し、炭素繊維と樹脂界面の接着強度の指標である界面剪断強度IFSSを、次式で算出した。実施例では、測定数n=5の平均を試験結果とした。
界面剪断強度IFSS(MPa)=σ(MPa)×d(μm)/(2×lc)(μm)
本発明において、25MPa以上が好ましい範囲であり、25MPa以上を○、25MPa未満を×とした。
約2gのサイジング剤塗布炭素繊維束を秤量(W1)(小数点第4位まで読み取り)した後、50ミリリットル/分の窒素気流中、450℃の温度に設定した電気炉(容量120cm3)に15分間放置し、サイジング剤を完全に熱分解させた。そして、20リットル/分の乾燥窒素気流中の容器に移し、15分間冷却した後の炭素繊維束を秤量(W2)(小数点第4位まで読み取り)して、次式よりサイジング剤付着量を求めた。
サイジング付着量(質量%)=[W1(g)−W2(g)]/[W1(g)]×100
このサイジング付着量を炭素繊維束100質量部に対する量に換算した値(小数点第3位を四捨五入)を、付着したサイジング剤の質量部とした。本実施例では、測定は2回おこない、その平均値をサイジング剤の質量部とした。さらに得られた炭素繊維束を繊維方向に沿って幅方向に質量で3等分し、同様の方法により、中央部と各々の両端部における炭素繊維束の質量に対するサイジング剤の質量分率を求めた。ここから、左右の両端部について質量分率の単純平均値をとり、中央部の質量分率で割った値を両端部/中央部のサイジング剤付着量比とした。
表面が平滑な直径10mmのステンレス棒4本を炭素繊維束が60°の角度で接触しながら通過するようにジグザグに配置した。この装置に得られたサイジング剤塗布炭素繊維束を初期張力3000gを付加しながら3m/分の速度で通過させ、炭素繊維束3mについて外観を炭素繊維束に対して直角方向から目視により評価し、毛羽が認められなかったものを◎、総フィラメント数12,000本の炭素繊維束1mあたり5個未満の毛羽が認められたものを○、5個以上10個未満の毛羽が認められたものを△、10個以上の多量の毛羽が認められたものを×で判定した。
サイジング剤付着炭素繊維束を100cm以上の長さに切り、地面と平行なバーに炭素繊維束の上端面をテープで貼り付け、糸の上端から撚りを排除し、糸の下端に18g±1gの重りをぶら下げ、30分間以上放置した。重りを除去し、糸束の撚りを解除した状態で、下から長さ30cmに切取ったサイジング付着炭素繊維束を高さ25cm以上の天井部が水平な台上に置き、炭素繊維束の先端から25cmの部分を空中に水平に突き出した状態で支えた。支えを取り除いた1秒経過後の糸束先端部の測定台からの距離を読取り、この値をドレープ値(mm)とした。なお、測定温度は23±5℃である。
本実施例は、次の第Iの工程および第IIの工程からなる。
アクリロニトリル99モル%とイタコン酸1モル%からなる共重合体を紡糸し、焼成し、総フィラメント数12,000本、比重1.8、ストランド引張強度6.2GPa、ストランド引張弾性率300GPaの炭素繊維束を得た。次いで、その炭素繊維束を、濃度0.1モル/リットルの炭酸水素アンモニウム水溶液を電解液として、電気量を炭素繊維束1g当たり100クーロンで電解表面処理した。この電解表面処理を施された炭素繊維束を続いて水洗し、150℃の温度の加熱空気中で乾燥し、原料となる炭素繊維束を得た。これを炭素繊維束(A)とする。
サイジング剤成分として(I)を用い、溶媒に水を用いて(I)を完全に溶解させサイジング剤溶液を調合した。この水の沸点は100℃であった。このサイジング剤溶液を表面処理された炭素繊維束に浸漬した後、サイジング剤溶液の液面と炭素繊維束の成す角が60度となるようサイジング剤溶液から炭素繊維束を引き出し、ガイドローラーを介して炭素繊維束を走行させ10秒間経過した後、140℃に加熱したローラーに10秒間接触させた。この際、該炭素繊維束の扁平率が110となるように炭素繊維束の張力を調整した。その後さらに210℃の温度で180秒間熱処理をして、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。炭素繊維束に対するサイジング剤の平均付着量は上述の方法により測定し、表面処理された炭素繊維束100質量部に対して1質量部となるように調整した。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
加熱したローラーの温度を表1に記載の通りに変更した以外は、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング剤溶液を表面処理された炭素繊維束に浸漬した後、サイジング剤溶液の液面と炭素繊維束の成す角が90度となるようサイジング剤溶液から炭素繊維束を引き出した以外は、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング剤溶液から炭素繊維束を引き出した後、加熱したローラーに接触するまでガイドローラーを介して炭素繊維束を90秒間走行させた以外は、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
炭素繊維束を加熱したローラーに接触させる時間を5秒に変更した以外は、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
炭素繊維束を加熱したローラーに接触させる時間を50秒に変更した以外は、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング剤成分として(I)を用い、溶媒にジメチルホルムアミド(和光純薬工業(株)製:一級)を用いて(I)を完全に溶解させサイジング剤溶液を調合した。このジメチルホルムアミドの沸点は153℃であった。このサイジング剤溶液を表面処理された炭素繊維束に浸漬した後、サイジング剤溶液の液面と炭素繊維束の成す角が60度となるようサイジング剤溶液から炭素繊維束を引き出し、ガイドローラーを介して炭素繊維束を走行させ10秒間経過した後、190℃に加熱したローラーに10秒間接触させた。その後、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング塗布炭素繊維束の扁平率が50となるように炭素繊維束の張力を調整した以外は、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
アクリロニトリル99モル%とイタコン酸1モル%からなる共重合体を紡糸し、焼成し、総フィラメント数12,000本、比重1.8、ストランド引張強度4.9GPa、ストランド引張弾性率230GPaの炭素繊維束を得た。次いで、その炭素繊維束を、濃度0.1モル/リットルの炭酸水素アンモニウム水溶液を電解液として、電気量を炭素繊維束1g当たり100クーロンで電解表面処理した。この電解表面処理を施された炭素繊維束を続いて水洗し、150℃の温度の加熱空気中で乾燥し、原料となる炭素繊維束を得た。これを炭素繊維束(B)とする。
実施例1と同様にした。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング剤成分として(II)を用いた以外は、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング剤成分として(III)を用い、溶媒にジメチルホルムアミド(和光純薬工業(株)製:一級)を用いて(III)を完全に溶解させサイジング剤溶液を調合した。このジメチルホルムアミドの沸点は153℃であった。このサイジング剤溶液を表面処理された炭素繊維束に浸漬した後、サイジング剤溶液の液面と炭素繊維束の成す角が60度となるようサイジング剤溶液から炭素繊維束を引き出し、ガイドローラーを介して炭素繊維束を走行させ10秒間経過した後、190℃に加熱したローラーに10秒間接触させた。その後、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング剤成分として(IV)を用い、溶媒に水を用いて表3に示す濃度でサイジング剤溶液を調合した。この水の沸点は100℃であった。このサイジング剤溶液を表面処理された炭素繊維束に浸漬した後、サイジング剤溶液の液面と炭素繊維束の成す角が60度となるようサイジング剤溶液から炭素繊維束を引き出し、ガイドローラーを介して炭素繊維束を走行させ10秒間経過した後、140℃に加熱したローラーに10秒間接触させた。その後さらに210℃の温度で180秒間熱処理をして、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。炭素繊維束に対するサイジング剤の平均付着量は上述の方法により測定し、表面処理された炭素繊維束100質量部に対して1質量部となるように調整した。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング剤成分として(V)を用いた以外は、実施例13と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング剤成分として(VI)を用いた以外は、実施例13と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
加熱したローラーの温度を表3に記載の通りに変更した以外は、実施例13と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング剤溶液を表面処理された炭素繊維束に浸漬した後、サイジング剤溶液の液面と炭素繊維束の成す角が90度となるようサイジング剤溶液から炭素繊維束を引き出した以外は、実施例13と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング剤溶液から炭素繊維束を引き出した後、加熱したローラーに接触するまでガイドローラーを介して炭素繊維束を60秒間走行させた以外は、実施例13と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
炭素繊維束を加熱したローラーに接触させる時間を5秒に変更した以外は、実施例13と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
炭素繊維束を加熱したローラーに接触させる時間を30秒に変更した以外は、実施例13と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング剤成分として(IV)を使用し、表面処理された炭素繊維束に浸漬した後、サイジング剤溶液の液面と炭素繊維束の成す角が60度となるようサイジング剤溶液から炭素繊維束を引き出し、ガイドローラーを介して炭素繊維束を走行させ10秒間経過した後、140℃に加熱したローラーに10秒間接触させ、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
ローラーに接触した後の乾燥温度、乾燥時間を表3の通りに熱処理をした以外は実施例13と同様にしてサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
炭素繊維束に対するサイジング剤の平均付着量を、表3の通りに調整した以外は、実施例13と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
(比較例1)
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
実施例1と同様にサイジング剤溶液を調合した。このサイジング剤溶液を表面処理された炭素繊維束に浸漬した後、サイジング剤溶液の液面と炭素繊維束の成す角が60度となるようサイジング剤溶液から炭素繊維束を引き出し、ガイドローラーを介して炭素繊維束を走行させ10秒間経過した後、80℃に加熱したローラーに3秒間接触させた。その後さらに210℃の温度で180秒間熱処理をして、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。炭素繊維束に対するサイジング剤の平均付着量は上述の方法により測定し、表面処理された炭素繊維100質量部に対して1質量部となるように調整した。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
炭素繊維束を加熱したローラーに接触させる時間を0.5秒に変更した以外は、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
加熱したローラーの温度を250℃に変更した以外は、実施例1と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
実施例13と同様にサイジング剤溶液を調合した。このサイジング剤溶液を表面処理された炭素繊維束に浸漬した後、サイジング剤溶液の液面と炭素繊維束の成す角が60度となるようサイジング剤溶液から炭素繊維束を引き出し、ガイドローラーを介して炭素繊維束を走行させ10秒間経過した後、80℃に加熱したローラーに5秒間接触させサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。炭素繊維束に対するサイジング剤の平均付着量は上述の方法により測定し、表面処理された炭素繊維100質量部に対して1質量部となるように調整した。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
炭素繊維束を加熱したローラーに接触させる時間を0.5秒に変更した以外は、実施例13と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
実施例13の方法から加熱したローラーの温度を200℃に変更したところ、加熱したローラー上に固着した汚れにより、炭素繊維束が融着してしまい良好な炭素繊維束を得ることができなかった。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
炭素繊維束を加熱したローラーに接触しない以外は、実施例13と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング剤成分として(VII)を用いた以外は、実施例13と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
第Iの工程:原料となる炭素繊維束を製造する工程
実施例1と同様にした。
サイジング剤成分として(VIII)を用いた以外は、実施例13と同様の方法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。
Claims (16)
- (A)分子内にエポキシ基を2以上有するポリエーテル型脂肪族エポキシ化合物および/またはポリオール型脂肪族エポキシ化合物を含むサイジング剤、または、
(B)ガラス転移温度が−100℃以上50℃以下の非水溶性化合物を含むサイジング剤が塗布された炭素繊維束であって、
炭素繊維束断面の扁平率(幅/厚さ)が10以上150以下であり、
炭素繊維束を繊維方向に沿って幅方向に質量で3等分した際に、両端部の各々における炭素繊維束の質量に対するサイジング剤の質量の比の平均値と、中央部における炭素繊維束の質量に対するサイジング剤の質量の比から算出される両端部/中央部のサイジング剤付着量比が1.05以上1.5以下であることを特徴とするサイジング剤塗布炭素繊維束。 - 前記サイジング剤が脂肪族エポキシ化合物(A)を含むものであって、脂肪族エポキシ化合物(A)が、グリセロール、ジグリセロール、ポリグリセロール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、およびアラビトールからなる群から選択される1種と、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物である、請求項1に記載のサイジング剤塗布炭素繊維束。
- 前記サイジング剤が非水溶性化合物(B)を含むものであって、非水溶性化合物(B)が芳香族化合物である請求項1に記載のサイジング剤塗布炭素繊維束。
- 前記サイジング剤が非水溶性化合物(B)を含むものであって、非水溶性化合物(B)がラテックス化合物である請求項1または3のいずれかに記載のサイジング剤塗布炭素繊維束。
- 炭素繊維束断面の扁平率(幅/厚さ)が90を超え150以下である請求項1〜4のいずれかに記載のサイジング剤塗布炭素繊維束。
- 前記サイジング剤が非水溶性化合物(B)を含むものであって、ドレープ値が100mm以上200mm以下である請求項1、3〜5のいずれかに記載のサイジング剤塗布炭素繊維束。
- サイジング剤の平均付着量が0.2質量%以上1.5質量%未満である請求項1〜6のいずれかに記載のサイジング剤塗布炭素繊維束。
- 炭素繊維束のストランド引張強度が3.5GPa以上、ストランド引張弾性率が220GPa以上である請求項1〜7のいずれかに記載のサイジング剤塗布炭素繊維束。
- 請求項1〜8のいずれかに記載のサイジング剤塗布炭素繊維束を製造する方法であって、サイジング剤を含むサイジング剤溶液に炭素繊維束を含浸させた後、サイジング剤溶液の溶媒の沸点より10℃以上80℃以下高い温度範囲で加熱したローラーに1秒以上60秒以下の時間接触させることを特徴とするサイジング剤塗布炭素繊維束の製造方法。
- 炭素繊維束をサイジング剤溶液に含浸させた後、炭素繊維束をサイジング剤溶液から取り出す過程において、サイジング剤溶液の液面と炭素繊維束の成す角が20度以上70度以下である請求項9に記載のサイジング剤塗布炭素繊維束の製造方法。
- 前記サイジング剤が脂肪族エポキシ化合物(A)を含むものであって、炭素繊維束をサイジング剤溶液に含浸させた後、ローラーに接触するまでの時間が60秒以下である請求項9または10に記載のサイジング剤塗布炭素繊維束の製造方法。
- 前記サイジング剤が非水溶性化合物(B)を含むものであって、炭素繊維束をサイジング剤溶液に含浸させた後、ローラーに接触させるまでの時間が3秒以上30秒以下である請求項9または10に記載のサイジング剤塗布炭素繊維束の製造方法。
- 前記サイジング剤が非水溶性化合物(B)を含むものであって、炭素繊維束をローラーに接触させる工程の後、180℃以上240℃以下の温度範囲で30秒以上300秒以下の時間熱処理を行う請求項9、10、12のいずれかに記載のサイジング剤塗布炭素繊維束の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれかに記載のサイジング剤塗布炭素繊維束と、熱硬化性樹脂とを含むプリプレグ。
- 請求項14に記載のプリプレグを硬化させてなる炭素繊維強化複合材料。
- 請求項1〜8のいずれかに記載のサイジング剤塗布炭素繊維束と、熱可塑性樹脂とを含む炭素繊維強化複合材料。
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