KR20200028334A - 탄소섬유 다발 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 탄소섬유 다발은, 소정의 스트랜드 탄성률, 소정의 스트랜드 강도, 소정의 결절 강도, 및 소정의 평균 단섬유경을 만족하고, 또한 시료 길이를 10 mm로서 단섬유 인장시험을 실시한 경우에, 회수한 파단면에 크기 50 nm 이상의 결함이 존재하는 확률이 소정의 비율인 탄소섬유 다발이다. 이러한 탄소섬유 다발은, 폴리아크릴로니트릴 공중합체가 용매에 용해되어 이루어지는 방사 용액을, 소정의 여과 정밀도와 여재 단위면적당 중량을 가지는 필터 여재를 이용하여 여과 속도를 소정 조건으로서 방사 용액을 여과한 후, 상기 여과된 방사 용액을 방사하여 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 얻고, 얻어진 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 산화성 분위기 하에서 소정의 밀도가 될 때까지 적절한 온도 프로필로 열처리해 내염화 섬유 다발을 얻은 후, 상기 내염화 섬유 다발을 비활성 분위기 하에서 소정 온도에서 열처리함으로써 적합하게 얻어진다. 본 발명은, 우수한 스트랜드 강도 및 스트랜드 탄성률을 밸런스 좋게 발현하고, 우수한 결절 강도를 가지는 탄소섬유 다발, 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
Description
본 발명은, 탄소섬유 다발, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
탄소섬유 다발은, 복합 재료의 강화 섬유로서 용도가 확대되고, 고성능화가 한층 더 강하게 요구되고 있다. 특히, 압력용기 등의 부재를 경량화하기 위해, 탄소섬유 다발의 수지 함침 스트랜드 강도, 및 수지 함침 스트랜드 탄성률(이하, 단지 스트랜드 강도, 및 스트랜드 탄성률로 표기)라고 하는 역학 특성을 밸런스 좋게 높이는 것이 요구되고 있다. 이것과 동시에, 탄소섬유 다발의 제조에서의 환경 부하를 저감하는 것이 필요하다. 일반적으로, 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유 다발은, 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 200 ~ 300℃의 산화성 분위기 하에서 열처리(내염화(耐炎化) 공정) 한 후, 1000℃ 이상의 비활성 분위기 하에서 열처리하는 공정(탄소화 공정)을 거쳐 얻어진다. 이 때에 폴리아크릴로니트릴에 포함되는 탄소, 질소 및 수소원자가 열분해에 의해 이탈하기 때문에, 탄소섬유 다발의 수율(이하, 탄화 수율이라고도 한다)은 절반 정도로 되고 있다. 동등한 제조 에너지로 탄소섬유 다발의 수율을 높이는 것이, 생산량당의 제조 에너지, 즉, 환경 부하를 저감하는 관점에서 필요하다.
이 때문에, 지금까지 내염화 조건의 적정화에 의한 탄소섬유 다발의 스트랜드 강도 향상 혹은 탄화 수율 향상을 목적으로 한 기술이 많이 제안되어 왔다(특허문헌 1-5).
특허문헌 1에서는, 내염화 공정에서 고온 처리하여 부여하는 열량(J·h/g)을 가능한 한 작게 해 탄소섬유 다발의 스트랜드 강도를 향상시키는 검토가 이루어지고 있다. 특허문헌 2에서는, 내염화 공정의 도중 과정에서 부가한 산소량에 따라 내염화 온도를 높은 온도로 설정하는 것, 특허문헌 3에서는, 탄소섬유 전구체 섬유 다발이 열폭주하지 않게 가열과 냉각을 반복할 수 있는 한 고온에서 내염화하는 것이, 내염화 공정의 단시간화를 위해서 제안되었다. 또한, 특허문헌 4, 5에서는 내염화 초기에 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 산화성 분위기에서 가열한 후, 250 ~ 300℃의 고온 가열 롤러에 접촉시킴으로써, 단시간에 내염화 섬유 다발의 밀도를 상승시켜 탄화 수율을 높이는 시도가 제안되었다.
특허문헌 6, 7에서는, 섬유축 방향 이외의 기계적 성질을 반영시켜, 유사 등방 재료에서 충분한 기계적 성질을 발현시키는, 결절 강도가 높은 탄소섬유 다발이 제안되고 있다.
특허문헌 8에서는, 높은 탄화 수율을 만족시키기 위해서 특정의 밀도의 내염화 섬유 다발을 얻을 때에, 내염화 공정에서 적절한 온도 프로필로 후반 고온열 처리함으로써 특정의 밀도의 내염화 섬유 다발을 얻을 수 있기 때문에, 높은 탄화 수율과 우수한 스트랜드 강도 및 스트랜드 탄성률을 밸런스 좋게 발현하고, 또한 우수한 결절 강도를 동시에 만족한 탄소섬유 다발이 제안되고 있다.
한편, 탄소섬유는 취성 재료이고, 약간의 표면 결함, 내재 결함이 스트랜드 강도 저하를 일으키기 때문에, 결함의 생성에 관해서는, 섬세한 주의가 기울여져 왔다. 예를 들면, 특허문헌 9에서는, 탄소섬유 전구체 섬유 다발의 치밀화, 제조 프로세스 중의 분진 저감 및 전해 처리에 의한 결함의 제거에 의해서, 탄소섬유 표면의 결함을 저감하여 높은 스트랜드 강도의 탄소섬유 다발을 얻는 것이 제안되고 있다.
그렇지만, 특허문헌 1의 제안에서는, 내염화 공정에서 부여하는 열량의 적산치를 작게 하려고 하고 있기 때문에, 스트랜드 강도와 탄화 수율의 양립에는 충분하지 않았다. 또한, 특허문헌 2, 3의 제안에서는, 내염화 온도를 고온화해 내염화 시간을 단시간화하기 위해서, 요구하는 스트랜드 강도를 만족할 수 있는 내염화 온도 제어를 실시하지 않고, 내외 구조차이에 의한 표층에의 응력집중 억제가 과제였다. 또한, 특허문헌 4, 5의 제안에서는, 내염화 공정 후반에 고온 단시간에 열처리하기 위해서 전열 효율이 높은 가열 롤러를 이용하여 고온에서 열처리하고 있지만, 고온에서의 열처리 시간이 너무 짧은 것이나 롤러 통과시의 단섬유간 융착에 의한 결함 생성에 의해 충분한 스트랜드 강도를 얻지 못하고 있었다. 특허문헌 6의 제안은, 주로 내염화 공정의 조정에 의해서, 단섬유경이 커도 결절 강도를 높일 수 있다고 말하고 있지만, 내염화시의 단섬유 내의 구조 분포에 의해 효과는 한정적이고, 결절 강도의 레벨이 불충분했다. 특허문헌 7의 제안은, 탄소섬유 다발의 표면 처리나 사이징제를 주로 조정하여 결절 강도를 높일 수 있다고 말하고 있지만, 단섬유경이 낮은 것에 한정되어 있고, 단섬유경이 낮은 경우에 제조 공정 중에서 단섬유의 파단 장력이 저하하기 때문에, 섬유 파단에 의해 제조 공정의 품위가 저하하는 문제가 있다. 특허문헌 8의 제안은, 내염화 공정에서 적절한 온도 프로필로 후반 고온열 처리함으로써 스트랜드 강도, 및 결절 강도를 높일 수 있지만, 이것들 특성에 영향을 주는 결함의 제어가 충분하지 않고, 개선의 여지가 있는 것이었다. 특허문헌 9에서는 전해 처리에 의해서 탄소섬유 표면의 결함을 효과적으로 제거할 수 있지만, 결함을 제거하기에는 강한 전해 처리가 필요하고, 장대한 전해 처리조가 필요하기 때문에, 공업적으로 실시하기 어렵다는 문제가 있었다. 또한, 강한 전해 처리에 의해서 콤퍼짓(composite) 물성 저하로 연결될 수 있는 취약층이 탄소섬유 표면에 형성되어 버리는 문제도 있었다. 또한, 결함으로서 시료 길이(試長, sample length)를 50 mm로서 단섬유 인장시험을 행한 경우에 회수된 파단면에서의 결함의 특징에 대해 규정하고 있지만, 스트랜드 강도나 복합 재료의 인장 강도에 영향을 주는 시료 길이는 10 mm보다도 짧기 때문에, 시료 길이 50 mm에서 볼 수 있는 결함의 특징을 규정한 것만으로는 반드시 복합 재료의 인장 강도를 높이는 탄소섬유 다발로 되지 않는다고 하는 본질적인 문제도 있었다.
본 발명은, 상술한 선행 기술에서의 과제를 해결하기 위해, 스트랜드 강도 및 스트랜드 탄성률을 밸런스 좋게 발현하고, 또한 우수한 결절 강도를 가지는 탄소섬유 다발을 생산성을 손상하지 않고 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 탄소섬유 다발의 제조 방법은, 폴리아크릴로니트릴 공중합체가 용매에 용해되어 이루어지는 방사 용액을, 여과 정밀도(精度) B(μm)와 여재(濾材) 단위면적당 중량(目付) D(g/㎡)를 가지는 필터 여재를 이용하여 여과 속도 A(cm/시간)가 하기 식(1) ~ (3)을 만족하는 조건에서, 방사 용액을 여과한 후, 상기 여과된 방사 용액을 방사하여 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 얻고,
D - 600/(α×β) ≥ 0 ···(1)
α = 1-1/(1＋exp(7-A))···(2)
β = 1-1/(1＋exp(-0.23×B))···(3)
얻어진 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 산화성 분위기 하에서 밀도 1.32 ~ 1.35g/㎤가 될 때까지 열처리한 후, 밀도 1.46 ~ 1.50g/㎤가 될 때까지 산화성 분위기 하에서 275℃ 이상 295℃ 이하에서 열처리하여 내염화 섬유 다발을 얻은 후, 상기 내염화 섬유 다발을 비활성 분위기 하에서 1200 ~ 1800℃에서 열처리하는, 탄소섬유 다발의 제조 방법이다.
또한, 본 발명의 탄소섬유 다발은, 스트랜드 탄성률이 240 ~ 280 GPa, 스트랜드 강도가 5.8 GPa 이상, 결절 강도 K［MPa］가 -88d＋1390≤K(d：평균 단섬유경[μm]), 및 평균 단섬유경이 6.5 ~ 8.0μm의 범위이고, 또한 시료 길이를 10 mm로서 단섬유 인장시험을 실시한 경우에, 회수한 파단면에 크기 50 nm 이상의 결함이 존재하는 확률이 35% 이하의 탄소섬유 다발이다.
본 발명의 방법에 따르면, 내염화 섬유 다발을 얻을 때에, 내염화 공정에서 적절한 온도 프로필로 열처리함으로써 특정의 밀도의 내염화 섬유 다발을 얻을 수 있고, 이것에 의해 스트랜드 강도 및 결절 강도를 지배하는 결함이 매우 적게 제어되고 있기 때문에, 스트랜드 강도 및 스트랜드 탄성률을 밸런스 좋게 발현하고, 우수한 결절 강도를 가지는 탄소섬유 다발을 생산성을 손상하지 않고 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 탄소섬유 다발에 따르면, 복합 재료 제조시의 생산성을 만족하는 탄소섬유 다발이 된다.
도 1은 탄소섬유의 파단면의 주사 전자현미경(SEM) 상이다. 1점에 수속하는 방사상의 조흔(條痕)이 확인된다.
도 2는 도 1의 파단 기점 근방의 확대 상이다. 부착물상의 결함이 확인된다.
도 3은 다른 파단면의 파단 기점 근방의 확대 상이다. 오목상의 결함이 확인된다.
도 4는 다른 파단면의 파단 기점 근방의 확대 상이다. 50 nm 이상의 눈에 띄는 형태적 특징은 확인되지 않는다.
도 2는 도 1의 파단 기점 근방의 확대 상이다. 부착물상의 결함이 확인된다.
도 3은 다른 파단면의 파단 기점 근방의 확대 상이다. 오목상의 결함이 확인된다.
도 4는 다른 파단면의 파단 기점 근방의 확대 상이다. 50 nm 이상의 눈에 띄는 형태적 특징은 확인되지 않는다.
본 발명의 탄소섬유 다발은, 스트랜드 강도가 5.8 GPa 이상이고, 바람직하게는 6.0 GPa 이상이다. 스트랜드 강도가 5.8 GPa 이상이면, 탄소섬유 다발을 이용하여 복합 재료를 제조한 경우에, 복합 재료가 양호한 인장 강도를 발현한다. 탄소섬유 다발의 스트랜드 강도는 높을수록 바람직하지만, 스트랜드 강도가 7.0 GPa 이하이어도, 충분한 복합 재료의 인장 강도가 얻어진다. 스트랜드 강도는, 후술하는 탄소섬유 다발의 스트랜드 인장시험에 기재된 방법에 따라 구할 수 있다. 또한 이러한 스트랜드 강도는, 후술하는 본 발명의 탄소섬유 다발의 제조 방법을 이용함으로써 제어할 수 있다.
본 발명의 탄소섬유 다발은, 스트랜드 탄성률이 240 ~ 280 GPa이고, 바람직하게는 245 ~ 275 GPa이고, 보다 바람직하게는 250 ~ 270 GPa이다. 스트랜드 탄성률이 240 ~ 280 GPa이면, 스트랜드 탄성률과 스트랜드 강도의 밸런스가 우수하기 때문에 바람직하다. 특히, 스트랜드 탄성률을 250 ~ 270 GPa에 제어하는 것으로, 스트랜드 강도가 우수한 탄소섬유 다발이 얻어지기 쉽다. 스트랜드 탄성률은, 후술하는 탄소섬유 다발의 스트랜드 인장시험에 기재된 방법에 따라 구할 수 있다. 이 때, 변형 범위를 0.1 ~ 0.6%로 한다. 탄소섬유 다발의 스트랜드 탄성률은, 주로 탄소섬유 다발의 제조 공정 중 어느 하나의 열처리 과정에서 섬유 다발에 장력을 부여하는 것, 단섬유 내의 구조 분포인 내외 구조차이를 개선하는 것, 또는 탄소화 온도를 바꾸는 것으로 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 탄소섬유 다발은, 탄소섬유 다발의 중간점 부분에 결절부를 형성하여, 다발 인장시험을 행해 얻어지는 결절 강도 K가 700 MPa 이상인 것이 바람직하고, 740 MPa 이상인 것이 보다 바람직하고, 770 MPa 이상인 것이 더 바람직하다. 결절 강도는 후술하는 탄소섬유 다발의 결절 강도에 기재된 방법에 따라 구할 수 있다. 결절 강도는, 섬유축 방향 이외의 섬유 다발의 기계적 성질을 반영하는 지표가 되는 것이다. 복합 재료를 제조할 때, 탄소섬유 다발에는 굽힘 방향의 힘이 부하된다. 복합 재료를 효율 좋게 제조하려고 필라멘트수를 높이면, 보풀이 발생하기 때문에 복합 재료의 제조시에 섬유 다발의 주행 속도를 조금 높이기 어렵지만, 결절 강도가 700 MPa 이상이면 섬유 다발의 주행 속도가 높은 조건에서도 품위 좋게 복합 재료를 얻을 수 있다. 탄소섬유 다발의 결절 강도를 높이려면, 후술하는 본 발명의 탄소섬유 다발의 제조 방법에서, 특히 내염화 공정 및 예비 탄소화 공정에서 구조 파라미터를 바람직한 범위 내에 포함되도록 제어하면 좋다. 또한 탄소섬유 표면의 결함을 저감하는 것으로도 결절 강도를 높일 수 있다.
탄소섬유 다발은, 필라멘트수가 10,000 ~ 60,000개인 것이 바람직하다. 필라멘트수가 10,000개 이상이면, 생산성 좋고 복합 재료를 제조할 수 있다. 필라멘트수가 60,000 이하이면 복합 재료 제조시의 보풀 발생을 억제할 수 있어 섬유 다발의 주행 속도를 높일 수 있기 때문에 생산성이 높아지기 쉽다.
또한, 탄소섬유 다발은, 결절 강도 K［MPa］(=N/㎟)가 -88d＋1390≤K(여기서, d는 평균 단섬유경[μm])를 만족한다. -88d＋1410≤K의 관계식을 만족하는 것이 바람직하다. 이러한 관계식은 평균 단섬유경에 비해 결절 강도가 높은 것을 나타내고 있다. 결절 강도 K가 -88d＋1390≤K를 만족하는 경우에는, 필라멘트 와인딩 성형 공정시, 가이드 혹은 롤러와의 찰과에 의한 보풀이 생기기 쉬운 평균 단섬유경이 큰 탄소섬유 다발이어도, 보풀의 생성을 억제해 섬유 다발의 주행 속도를 높여 성형할 수 있다. 이러한 관계식을 만족하려면, 후술하는 본 발명의 제법에 따라 평균 단섬유경에 맞춰 적절히 내염화 조건을 설정하면 좋다.
탄소섬유 다발은, 시료 길이를 10 mm로서 단섬유 인장시험을 실시한 경우에, 회수한 파단면에 크기 50 nm 이상의 결함이 존재하는 확률이 바람직하게는 35% 이하이고, 보다 바람직하게는 30% 이하이고, 더 바람직하게는 25% 이하이다. 탄소섬유의 인장파괴는 결함을 기점으로서 개시하는 것이 알려져 있다. 탄소섬유의 파단 기점이 되는 결함으로는, 보이드, 섬유 표면의 상처, 움푹패임, 부착물, 혹은 단섬유끼리가 열처리의 열로 접착해 박리된 후 남은 접착흔 등 여러가지 타입이 존재하는 것이 알려져 있지만, 본 발명에서는 이것들 모두를 특별히 구별하지 않고, 주사 전자현미경(SEM) 관찰에 의해서 관찰가능한 파단 기점이 되는 형태적 특징을 정리해 「결함」이라고 총칭한다. 본 발명자들이 검토한 결과, 시료 길이를 10 mm로서 단섬유 인장시험을 실시한 경우에, 회수한 파단면에 크기 50 nm 이상의 결함이 존재하는 확률을 35% 이하라고 하면, 탄소섬유 다발의 스트랜드 강도가 크게 높아지는 것을 찾아냈다. 여기서 중요한 것은 시료 길이를 10 mm로 하는 것이다. 보다 긴 시료 길이, 예를 들면 시료 길이를 50 mm로서 단섬유 인장시험을 실시한 경우에, 상기와 마찬가지로 어느 크기 이상의 결함이 존재하는 확률을 조사해도, 상기 확률과 스트랜드 강도 및 복합 재료의 인장 강도는 반드시 상관되지 않는 것이 본 발명자들의 검토의 결과 알 수 있었다. 시료 길이를 10 mm로 하는 것이 유효한 이유로는, 스트랜드 강도 및 복합 재료의 인장 강도를 지배하는 시료 길이(일반적으로 유효 시료 길이라고 호칭된다)은 10 mm보다도 짧기 때문이라고 생각된다. 시료 길이를 10 mm로서 단섬유 인장시험을 실시한 경우에, 회수한 파단면에 크기 50 nm 이상의 결함이 존재하는 확률을 35% 이하로 함으로써, 탄소섬유 다발의 스트랜드 강도, 및 복합 재료의 인장 강도에 영향을 주는 결함이 효과적으로 저감되고 있고, 그 결과 스트랜드 강도, 및 복합 재료의 인장 강도가 높은 레벨의 것이 된다. 「시료 길이를 10 mm로서 단섬유 인장시험을 실시한 경우에, 회수한 파단면에 크기가 50 nm 이상의 결함이 존재하는 확률」은, 방사 용액의 여과 조건인, 여과 속도나 여과 정밀도, 및 여재 단위면적당 중량을 후술하는 방법에 따라서 제어하고, 방사 용액 중의 이물을 효과적으로 없애 감소한다.
본 발명의 탄소섬유 다발에서, 평균 단섬유경은 6.5 ~ 8.0μm이고, 6.7 ~ 8.0μm가 바람직하고, 7.0 ~ 8.0μm가 보다 바람직하고, 7.3 ~ 8.0μm가 더 바람직하고, 7.5 ~ 8.0μm가 가장 바람직하다. 평균 단섬유경은 작을수록 내외 구조차이가 감소 경향이 되지만, 복합 재료를 제작하는 경우에 높은 매트릭스 수지 점도에 의해 함침 부족을 일으켜 복합 재료의 인장 강도가 저하하는 경우가 있다. 평균 단섬유경이 6.5 ~ 8.0μm의 경우, 매트릭스 수지의 함침 부족이 생기기 어려운 점이나, 높은 탄화 수율과 스트랜드 강도의 발현이 안정적으로 되는 점에서 바람직하다. 평균 단섬유경은, 탄소섬유 다발의 단위길이당 질량과 밀도 및 필라멘트수로부터 계산할 수 있다. 탄소섬유 다발의 평균 단섬유경은, 탄소섬유 전구체 섬유 다발의 평균 단섬유경을 높이는 것이나, 내염화 조건의 제어에 의해 탄소화 공정에서의 탄화 수율을 높이는 것, 또한 예비 탄소화의 연신 배율을 내리는 것으로 높일 수 있다.
탄소섬유 다발은, 원자력현미경(AFM)에 의해 측정되는 단섬유 표면의 평균 면 조도 Ra가 1.8 nm 이하인 것이 바람직하다. 측정법의 상세는 후술한다. 탄소섬유 전구체 섬유 다발의 평균 면 조도가 탄소섬유 다발에서도 거의 유지된다. 평균 면 조도는, 1.0 ~ 1.8 nm인 것이 바람직하고, 1.6 nm 이하인 것이 더 바람직하다. 평균 면 조도가 1.8 nm를 초과하면, 인장시의 응력집중점이 되기 쉽고 스트랜드 강도가 저하하는 경우가 있다. 평균 면 조도는, 낮으면 낮을수록 바람직하지만, 1.0 nm 미만이 되면 거의 효과가 포화하는 경우가 많다. 탄소섬유 다발의 평균 면 조도는, 탄소섬유 전구체 섬유 다발의 제사(製絲) 조건을 적절히 제어하는 (방사법이나 응고욕 조건) 것이나, 탄소섬유 다발의 표면 결함을 저감하는 것으로 제어할 수 있다.
탄소섬유 다발은, 탄소섬유 단섬유의 섬유축 방향으로 수직인 단면의 외주부의 흑화(黑化) 두께의 단면 내의 면적 비율(이하, 외층 비율이라고 적는다.)이 바람직하게는 90면적% 이상이고, 보다 바람직하게는 90 ~ 95면적%이고, 더 바람직하게는 90 ~ 93면적%이다. 여기서, 외층 비율이란 탄소섬유 단섬유의 섬유축 방향과 수직인 횡단면을 광학 현미경으로 관찰한 경우에 외주부에 보여지는 흑화 두께가 차지하는 면적을, 단면적 전체로 나눈 면적 비율(%)이다. 탄소섬유 단섬유의 흑화 두께보다 내부는 결정 부분의 배향도가 낮고, 스트랜드 탄성률이 낮은 영역이기 때문에, 외층 비율이 높아질수록, 표층 응력집중을 억제할 수 있으므로 높은 스트랜드 강도를 발현할 수 있다. 외층 비율이 낮으면 높은 탄화 수율 및 높은 스트랜드 강도를 발현하기 어렵다. 외층 비율이 90면적% 이상이면 외주부의 응력 부담 부분의 비율이 충분히 크기 때문에, 표층에서의 응력집중은 억제된다. 외층 비율이 95면적%를 초과하면 표층에의 응력집중 억제 효과가 포화하는 반면, 내염화 온도가 최적 온도에서 벗어나는 것에 의해서, 스트랜드 강도가 저하하는 경우가 있다. 흑화 두께는 탄소섬유 다발을 수지 중에 포매하고, 섬유축 방향과 수직인 횡단면을 연마해, 상기 단면을 광학 현미경에 의해 관찰함으로써, 측정할 수 있다. 상세는 후술한다.
본 발명의 탄소섬유 다발의 제조 방법은, 본 발명의 과제를 해결하기 위해서, 내염화 공정에서 적절한 온도 프로필로 후반 고온열 처리하여, 내염화 섬유 다발을 특정의 밀도로 함으로써, 스트랜드 강도 및 결절 강도를 지배하는 결함이 매우 적게 제어되어 높은 탄화 수율과 우수한 스트랜드 강도 및 결절 강도를 발현하는 탄소섬유 다발이 얻어지는 것을 찾아낸 것이다. 이 발명을 실시하기 위해서 적합한 형태에 관해서 이하에 상술한다.
탄소섬유 전구체 섬유 다발은, 폴리아크릴로니트릴 공중합체가 용매에 용해되어 이루어지는 방사 용액을 방사하여 얻을 수 있다. 이 때, 특정 조건에서 방사 용액의 여과를 행하는 것으로, 방사 용액 중의 이물을 효과적으로 제거한 후, 상기 여과된 방사 용액을 방사하여 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 얻고, 얻어진 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 적어도 내염화 공정, 예비 탄소화 공정 및 탄소화 공정을 거쳐, 결함이 적은 높은 스트랜드 강도의 탄소섬유 다발을 얻을 수 있다. 폴리아크릴로니트릴 공중합체로는, 주성분인 아크릴로니트릴 외에 다른 단량체를 이용한 폴리아크릴로니트릴 공중합체를 이용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 폴리아크릴로니트릴 공중합체는, 아크릴로니트릴을 90 ~ 100질량%, 공중합할 수 있는 단량체를 10질량% 미만, 함유하는 것이 바람직하다.
제사 프로세스 안정성 향상의 관점 및 내염화 처리를 효율적으로 행하는 관점 등에서, 폴리아크릴로니트릴 공중합체는, 이타콘산, 아크릴아미드, 메타크릴산 등의 공중합성분을 포함하는 것이 바람직하다.
폴리아크릴로니트릴 공중합체의 제조 방법으로는, 공지의 중합 방법 중에서 선택할 수 있다. 탄소섬유 전구체 섬유 다발의 제조에서, 방사 용액은, 상기한 폴리아크릴로니트릴 공중합체를, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드, 디메틸아세토아미드 혹은 질산·염화아연·로단소다 수용액 등의 폴리아크릴로니트릴이 가용성 용매에 용해한 것이다.
상기한 바와 같은 방사 용액을 방사하는데 앞서, 방사 용액을 필터 장치를 통과시키고, 중합체 원료 및 각 공정에서 혼입한 불순물을 제거하는 것이 바람직하다. 여기서, 필터 장치란, 방사 용액 중에 존재하는 이물을 여과해 제거하는 설비를 의미하고, 방사 용액을 필터 장치 내로 안내하기 위한 유입로와 방사 용액을 여과하기 위한 필터 여재와 여과된 방사 용액을 필터 장치 외로 안내하기 위한 유출로와 이것들을 수납하기 위한 용기로 구성된다. 여기서, 필터 여재란, 필터 장치 내에 포함되는 방사 용액의 여과 수단이다.
필터 여재의 형태로는, 리프 디스크형 필터, 캔들형 필터, 플리츠 캔들형 필터 등이 이용된다. 필터 여재가 일정한 곡률을 가지는 캔들형 필터 및 플리츠 캔들형 필터에 대해, 리프 디스크형 필터는 필터 여재를 거의 평면상으로 사용할 수 있기 때문에, 개공경(開孔徑) 분포가 퍼지기 어렵고, 세정성도 유지하기 쉬운 이점이 있어, 바람직하다.
필터 여재는, 방사 용액 중에 존재하는 이물을 제거하기 위한 직접적 역할을 담당하는 부재이다. 필터 여재에는, 정해진 개공경을 좁은 편차로 보유하는 것이 요구되고, 또한, 피처리 물질에 대한 화학적 안정성, 내열성 및 내압성이 요구된다. 이러한 필터 여재로는, 금속 섬유를 짜서 제작한 철망이나, 유리 부직포, 소결금속 섬유 조직으로 이루어지는 필터 여재 등이 바람직하게 사용된다. 필터 여재의 재질로는, 방사 용액에 불활성이고, 또한 용매에의 용출 성분이 없으면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 내구성이나 가격의 관점에서 금속이 보다 바람직하다. 구체적인 금속으로는, 스텐레스강(SUS304, SUS304L, SUS316, SUS316L 등), 인코넬(등록상표), 할스테로이(등록상표) 외, 니켈, 티탄, 코발트 베이스의 여러 가지 합금이 선택된다. 금속 섬유의 제조 방법은, 여러 개의 선재(線材)를 다발로 해 정리해 당겨 세경화한 후, 각 선을 분리해 선재를 세경화하는 이른바 집속 섬유 제조 방법이나, 코일 절삭법, 채터 진동 절삭법 등을 들 수 있다. 필터 여재가 철망인 경우에는, 금속 섬유가 섬유 다발이 아니고, 단섬유일 필요가 있기 때문에, 연장선(伸線)과 열처리를 반복하는 방법 등에 의해서 제조된다.
방사 용액의 여과 시에, 필터 여재의 개구가 작을수록 방사 용액 중의 이물을 제거하기 쉬워지지만, 필터 여재의 막힘이 일어나기 쉬워진다. 본 발명에서, 이물의 제거 성능은 「여과 정밀도」를 이용한다. 여기서, 여과 정밀도(μm)란 필터 여재를 통과하는 동안에 95% 이상을 포집할 수 있는 구 입자의 입자경(직경)이다. 여과 정밀도는, JIS 규격의 방법(JIS-B8356-8：2002)에 의해 측정할 수 있다. 여과 정밀도가 작다는 것과, 여과 정밀도가 높다는 것은 동일한 의미이다. 또한, 필터 두께가 두꺼워질수록 방사 용액 중의 이물을 제거하기 쉬워지지만, 필터 여재에서의 압력 손실이 커져, 제조 프로세스의 안정성이 저하한다. 지금까지, 상기와 같은 경향은 알려져 있었지만, 필터 여재 마다 최적여과 조건이 달라, 방사 용액의 여과에 대해 일반화할 수 있는 식견은 얻지 못했다. 이 때문에, 필터 여재의 변경시에는, 여과 조건의 최적화에 방대한 시간과 코스트가 필요로 되고 있었다.
본 발명의 탄소섬유 다발의 제조 방법에서는, 방사 용액의 여과에 사용하는 필터 여재의 여과 정밀도를 B(μm), 여재 단위면적당 중량을 D(g/㎡)로 한 경우에, 여과 속도 A(cm/시간)와 여과 정밀도 B(μm) 및 여재 단위면적당 중량 D(g/㎡)의 관계가 하기 식(1) ~ (3)을 만족하는 조건에서, 방사 용액을 여과한 후, 상기 여과된 방사 용액을 방사하여 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 얻는다.
D - 600/(α× β) ≥ 0 ···(1)
α = 1-1/(1＋exp(7-A))···(2)
β = 1-1/(1＋exp(-0.23×B))···(3).
여기서, 여재 단위면적당 중량 D(g/㎡)란 필터 여재 본체를 보호하는 목적으로 적층되어 있는 경우가 있는 메쉬 층을 제외한, 필터 여재 본체의 총단위면적당 중량이다. 여재 단위면적당 중량 D는, 임의의 면적으로 자른 필터 여재의 질량을 측정하고, 이 질량을 면적으로 나누는 것으로 산출할 수 있다.
여재 단위면적당 중량 D가 클수록 이물의 포착율이 높아지고, 반대로 작을 수록 이물이 포착되지 못하고 빠져나가기 쉬워진다. 그런데, 여재 단위면적당 중량 D가 탄소섬유 전구체 섬유 다발의 품질의 향상과 필터의 막힘 억제에 주는 영향을, 여과 속도 A 및 여과 정밀도 B를 변경하면서 측정했는데, 임의의 여과 속도 및 여과 정밀도에 대해 탄소섬유 전구체 섬유 다발의 품질의 향상과 필터의 막힘 억제를 양립할 수 있는 최저의 여재 단위면적당 중량(이하, 최저 여재 단위면적당 중량으로 기재)이 존재하는 것이 확인되었다. 본 실험 결과에 따르면, 상기 최저 여재 단위면적당 중량은 식(1)의 좌변 제2항에 나타낸 바와 같이 서로 독립적인 매개 변수 α 및 β의 곱(α×β)을 이용하여 나타낼 수 있다. 여기서, α는 식(2)으로 나타나는 여과 속도 A의 함수로서 β는 식(3)으로 나타나는 여과 정밀도 B의 함수로서 정의된다. 이러한 α× β가 클수록 최저 여재 단위면적당 중량은 작고, α× β 가 작을수록 최저 여재 단위면적당 중량은 커진다. 개별의 변수의 영향으로는, 여과 속도 A가 클수록 α는 작아져, 최저 여재 단위면적당 중량은 커진다. 여과 속도 A가 작을수록 α는 커져, 최저 여재 단위면적당 중량은 작아진다. 또한, 마찬가지로, 여과 정밀도 B가 클수록 β는 작아져, 최저 여재 단위면적당 중량은 커진다. 여과 정밀도 B가 작을수록 β는 커져, 최저 여재 단위면적당 중량은 작아진다. 식(1) ~ (3)을 만족하는 조건에서 여과를 행하는 것으로, 탄소섬유 전구체 섬유 다발의 품질의 향상과 필터의 막힘 억제를 양립할 수 있다. 이 메카니즘에 대해서는 반드시 분명하지 않지만, 다음과 같이 생각된다. 즉, 여과 정밀도가 작을 수록 이물이 필터 여재 중의 유로에 잡히기 쉽고, 효과적으로 이물을 포착할 수 있는 반면, 필터가 막히기 쉬워진다. 그러나, 여과 속도가 작은 경우는, 압손(壓損)에 의한 필터 여재 중에서의 이물의 변형 및 확대가 억제되기 때문에, 필터 여재 중의 유로가 막히기 어려워지는 것으로 생각된다.
또한, 탄소섬유 다발을 얻는 제조 방법의 일례로서 여과 정밀도 B(μm)가 하기 식(4)을 만족하는 필터 여재를 이용하는 것이 바람직하다.
B≥3 ···(4).
여과 정밀도 B가 3 이상인 경우, 필터의 막힘 억제를 보다 효과적으로 할 수 있다. 이 현상의 이유는 반드시 분명하지 않지만, 여과 정밀도 B의 값이 클수록 여과 압력이 낮아지기 쉽고, 이물의 변형 정도가 작아지기 때문에, 필터 막힘 억제 효과가 나타나기 쉬워진다고 생각된다.
다음에, 탄소섬유 다발을 얻는데 적합한 탄소섬유 전구체 섬유 다발의 제조 방법에 대해 서술한다. 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 제조하는 데에 있어서, 건습식 방사법을 이용하여 단섬유 표면의 평균 면 조도가 작은 탄소섬유 전구체 섬유를 얻는 것이 바람직하다. 탄소섬유 전구체 섬유 다발의 제조 방법은, 건습식 방사법에 따라 방사구금으로부터 방사 용액을 응고욕에 토출시켜 방사하는 방사 공정과 상기 방사 공정에서 얻어진 섬유를 수욕 중에서 세정하는 수세 공정과 상기 수세 공정에서 얻어진 섬유를 수욕 중에서 연신하는 수욕 연신 공정과 상기 수욕 연신 공정에서 얻어진 섬유를 건조 열처리하는 건조 열처리 공정을 포함하고, 필요에 따라서, 상기 건조 열처리 공정에서 얻어진 섬유를 스팀 연신하는 스팀 연신 공정을 포함해도 좋다.
탄소섬유 전구체 섬유 다발의 제조에서, 상기 응고욕에는, 응고 촉진 성분 및 방사 용액의 용매로서 이용한 용매를 포함시키는 것이 바람직하다. 응고 촉진 성분으로는, 폴리아크릴로니트릴 공중합체를 용해하지 않고, 또한 방사 용액에 이용하는 용매와 상용성(相溶性)이 있는 것을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 응고 촉진 성분으로서 물을 사용하는 것이 바람직하다.
탄소섬유 전구체 섬유 다발의 제조에서, 수세 공정에서의 수욕 온도는 30 ~ 98℃가 바람직하고, 복수단으로 이루어지는 수세 욕을 이용하여 수세하는 것이 바람직하다.
또한, 수욕 연신 공정에서의 연신 배율은, 2 ~ 6배인 것이 바람직하다.
수욕 연신 공정 후, 단섬유끼리의 접착을 방지하는 목적으로, 섬유 다발에 실리콘 등으로 이루어지는 유제를 부여하는 것이 바람직하다. 이러한 실리콘유제는, 변성된 실리콘을 이용하는 것이 바람직하고, 내열성이 높은 아미노 변성 실리콘을 함유하는 것을 이용하는 것이 바람직하다.
건조 열처리 공정은, 공지의 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, 건조온도는 100 ~ 200℃이 예시된다.
상기한 수세 공정, 수욕 연신 공정, 유제 부여 공정, 건조 열처리 공정 후, 스팀 연신 공정을 더 행하여, 탄소섬유 다발의 제조에, 보다 적합하게 이용되는 탄소섬유 전구체 섬유 다발이 얻어진다. 스팀 연신 공정으로는, 가압 스팀 중에서, 2 ~ 6배 연신하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하여 얻어진 탄소섬유 전구체 섬유 다발이 포함하는 단섬유의 평균 섬도는, 0.7 ~ 1.5 dtex인 것이 바람직하고, 0.9 ~ 1.2 dtex인 것이 보다 바람직하다. 단섬유 섬도를 0.7 dtex 이상으로 함으로써, 롤러나 가이드와의 접촉에 의한 단섬유 파단의 축적에 의한 섬유 다발 파단의 발생을 억제하고, 제사 공정, 내염화 공정, 전탄소화 공정 및 탄소화 공정의 각 공정의 프로세스 안정성을 유지할 수 있다. 또한, 단섬유 섬도를 1.5 dtex 이하로 함으로써, 내염화 공정 후의 각 단섬유에서의 외층 비율을 작게 해, 계속되는 탄소화 공정에서의 프로세스 안정성이나 얻어지는 탄소섬유 다발의 스트랜드 강도 및 스트랜드 탄성률을 향상시킬 수 있다. 얻어지는 탄소섬유 전구체 섬유 다발의 단섬유 섬도를 조절하기에는 방사구금으로부터 방사 용액을 토출시켜 방사하는 제사 공정에서 방사 용액의 토출량을 조정하면 좋다.
얻어지는 탄소섬유 전구체 섬유 다발은, 통상, 연속 섬유이다. 또한, 그 1개의 섬유 다발당 필라멘트수는, 바람직하게는 10,000 ~ 60,000개이다.
본 발명의 탄소섬유 다발의 제조 방법은, 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 산화성 분위기 하에서 밀도 1.32 ~ 1.35g/㎤가 될 때까지 열처리한 후, 밀도 1.46 ~ 1.50g/㎤가 될 때까지 산화성 분위기 하에서 275℃ 이상 295℃ 이하에서 열처리한다. 즉, 내염화 공정의 전반에, 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 소정의 밀도가 될 때까지 열처리한 후에, 내염화 공정의 후반에 275℃ 이상 295℃ 이하의 고온에서 열처리한다.
여기서, 산화성 분위기란, 산소, 이산화질소 등의 공지의 산화성 물질을 10질량% 이상 포함하는 분위기이고, 간편성으로부터 공기 분위기가 바람직하다.
내염화 섬유 다발의 밀도는 내염화 반응의 진행 정도를 나타내는 지표로서 일반적으로 이용되고 있다. 이러한 밀도가 1.32g/㎤ 이상이면, 내열성의 높은 구조가 되고 있기 때문에, 고온에서 열처리할 때에 분해하기 어렵고, 얻어지는 탄소섬유 다발의 스트랜드 강도가 향상한다. 또한, 1.35g/㎤ 이하이면, 계속되는 공정에서 고온에서의 열처리 시간을 길게 확보할 수 있기 때문에, 탄소섬유 다발의 스트랜드 강도를 향상시킬 수 있다. 내염화 공정에서, 내염화 섬유 다발이 규정한 밀도의 시점에서 공정 온도를 상기와 같이 바꿀 수 있게 하기 위해서는, 내염화 공정의 전반과 후반의 사이의 섬유 다발을 채취해 밀도를 측정하면 좋다. 밀도의 측정 방법은 후술한다. 예를 들면, 측정한 내염화 섬유 다발의 밀도가 규정보다 낮은 경우, 내염화 공정의 전반에 온도를 높이거나, 또는 내염화 시간을 길게 함으로써 내염화 섬유 다발의 밀도를 조정할 수 있다.
내염화 공정에서는, 우선 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 산화성 분위기 하에서, 바람직하게는 210℃ 이상 245℃ 미만, 보다 바람직하게는 220℃ 이상 245℃ 미만, 더 바람직하게는 225℃ 이상 240℃ 미만에서 열처리함으로써, 밀도가 바람직하게는 1.22 ~ 1.24g/㎤, 보다 바람직하게는 밀도가 1.23 ~ 1.24g/㎤의 내염화 섬유 다발을 얻는다. 내염화 섬유 다발의 밀도가 1.22g/㎤ 이상이면, 열처리에 의해 내염화 과정에서의 단섬유의 화학구조가 안정화되어, 계속되는 열처리가 고온이어도 단섬유의 내외 구조차이가 악화되지 않게 되기 때문에 스트랜드 강도가 향상하는 경우가 많다. 또한, 밀도가 1.24g/㎤ 이하이면 계속되는 열처리를 포함하는 총열처리량·시간이 줄어 들어, 스트랜드 강도·생산성의 면에서 우위가 되는 경우가 많다. 온도에 관해서, 210℃ 이상이면 내외 구조차이를 충분히 억제할 수 있으므로 바람직하다. 온도가, 245℃ 미만이면 탄소섬유 전구체 섬유 다발의 단섬유경에 관해서는 내외 구조차이가 억제되는데 충분히 낮은 내염화 초기 온도이므로 스트랜드 강도가 높아지는 경우가 많기 때문에 바람직하다.
상기 내염화 섬유 다발의 밀도가 1.22 ~ 1.24g/㎤가 될 때까지 열처리한 후, 산화성 분위기 하에서 열처리함으로써, 밀도가 1.32 ~ 1.35g/㎤, 보다 바람직하게는 1.33 ~ 1.34g/㎤의 내염화 섬유 다발을 얻는다. 이 열처리 공정은, 산화성 분위기 하에서 바람직하게는 245℃ 이상 275℃ 미만, 보다 바람직하게는 250℃ 이상 270℃ 미만에서 행한다. 밀도가 1.32g/㎤ 이상이면, 열처리에 의해 내염화 과정에서의 단섬유의 화학구조가 한층 더 안정화되어, 계속되는 열처리가 보다 고온이어도 내외 구조차이가 악화되지 않게 되기 때문에 스트랜드 강도가 향상하는 경우가 많다. 또한, 밀도가 1.35g/㎤ 이하이면, 계속되는 열처리를 포함하는 총열처리량·시간이 줄어 들어, 스트랜드 강도 및 생산성이 우위가 된다. 열처리 온도가 245℃ 이상이면 총열처리량·시간이 줄어 들어, 스트랜드 강도 및 생산성이 우위가 되는 경우가 많다. 열처리 온도가 275℃ 미만이면 밀도를 1.22 ~ 1.24g/㎤로 한 내염화 섬유 다발을 열처리해도 내외 구조차이를 억제할 수 있어 높은 스트랜드 강도가 발현하는 경우가 많다.
계속해서 산화성 분위기 하, 온도는 275℃ 이상 295℃ 이하, 바람직하게는 280℃ 이상 290℃ 이하에서 열처리함으로써, 밀도 1.46 ~ 1.50g/㎤의 내염화 섬유 다발을 얻는다. 열처리 온도가 275℃ 이상이면, 밀도를 올릴 때에 가하는 열량을 작게 할 수 있어 스트랜드 강도가 향상한다. 열처리 온도가 295℃ 이하이면, 단섬유의 구조를 분해시키지 않고 내염화 반응을 진행시켜, 스트랜드 강도를 유지할 수 있다. 열처리 온도를 계측하기에는 내염화 공정의 열처리로에 열전대 등의 온도계를 삽입해 로 내 온도를 측정하면 좋다. 로 내 온도를 몇 점 측정한 경우에 온도 불균일, 온도 분포가 있는 경우에는 단순 평균 온도를 산출한다.
본 발명에서, 최종적인 내염화 섬유 다발의 밀도는 1.46 ~ 1.50g/㎤이고, 바람직하게는 1.46 ~ 1.49g/㎤이고, 더 바람직하게는 1.47 ~ 1.49g/㎤이다. 내염화 섬유 다발의 밀도와 탄화 수율이 상관되기 때문에, 제조 에너지 저감의 관점에서는, 밀도가 높을수록 좋다. 이러한 밀도가 1.46g/㎤ 이상이면 탄화 수율을 충분히 높일 수 있다. 밀도가, 1.50g/㎤ 이하이면 탄화 수율을 높이는 효과가 포화하지 않기 때문에, 생산성의 관점에서 효과적이다. 규정한 밀도로 열처리를 완료시키기 위해서는, 내염화 온도와 시간을 조정하면 좋다.
상기 내염화 섬유 다발의 밀도가 1.46 ~ 1.50g/㎤ 될 때까지 산화성 분위기 하에서 275℃ 이상 295℃ 이하에서 열처리하는 공정에서, 내염화 섬유 다발에 이러한 장력(내염화 장력)은, 바람직하게는 1.6 ~ 4.0mN/dtex이고, 보다 바람직하게는 2.5 ~ 4.0mN/dtex이고, 더 바람직하게는 3.0 ~ 4.0mN/dtex이다. 내염화 장력은, 내염화로 유출측에서 측정한 장력(mN)을 탄소섬유 전구체 섬유 다발의 절건(絶乾)시의 섬도(dtex)로 나눈 값으로 나타낸다. 상기 장력이 1.6mN/dtex 이상이면 탄소섬유 다발의 배향을 충분히 높일 수 있는 스트랜드 강도가 향상하는 경우가 많다. 상기 장력이 4.0mN/dtex 이하이면 보풀에 의한 품위 저하가 작은 경향이 있다.
일반적으로 높은 탄화 수율을 얻기 위해서 내염화 섬유 다발의 밀도를 증가시키면, 탄소섬유 다발의 스트랜드 강도는 저하하는 경향이 있다. 본 발명의 탄소섬유 다발의 제조 방법에서는, 내염화 공정에서 적절한 온도 프로필로 후반 고온열 처리함으로써, 내염화 섬유 다발의 밀도를 높여도, 단섬유의 내외 구조차이가 크게 억제되고, 또한, 구조가 안정화하기 때문에, 높은 탄화 수율과 높은 스트랜드 강도를 양립할 수 있다.
상기 내염화 공정 이외는, 기본적으로 공지의 탄소섬유 다발의 제조 방법에 따르면 좋지만, 본 발명의 탄소섬유 다발의 제조 방법에서는, 상기 제사 공정과 내염화 공정에 계속해서, 예비 탄소화 공정을 실시하는 것이 바람직하다. 예비 탄소화 공정에서는, 상기 내염화 공정에 의해 얻어진 내염화 섬유를, 비활성 분위기 중, 최고 온도 500 ~ 1000℃에서, 밀도가 1.5 ~ 1.8g/㎤가 될 때까지 열처리함으로써, 예비 탄소화 섬유 다발을 얻는 것이 바람직하다.
상기 예비 탄소화에 계속해서, 탄소화 공정을 실시한다. 탄소화 공정에서, 예비 탄소화 섬유 다발을 비활성 분위기 중, 최고 온도 1200 ~ 1800℃, 바람직하게는 1200 ~ 1600℃에서 열처리함으로써, 탄소섬유 다발을 얻는 것이 바람직하다. 이러한 최고 온도는, 1200℃ 이상이면, 탄소섬유 다발 중의 질소 함유량이 감소해, 스트랜드 강도가 안정적으로 발현한다. 이러한 최고 온도가 1800℃ 이하이면, 만족할 수 있는 탄화 수율이 얻어진다.
이상과 같이 하여 얻어진 탄소섬유 다발은, 매트릭스 수지와의 접착성을 향상시키기 위해서, 산화 처리가 실시되어 산소 함유 관능기가 도입되는 것이 바람직하다. 산화 처리 방법으로는, 기상 산화, 액상 산화 및 액상 전해 산화 등이 이용된다. 생산성이 높고, 균일 처리를 할 수 있는 관점에서, 액상 전해 산화가 바람직하게 이용된다. 액상 전해 산화 방법에 대해서는 특별히 지정은 없고, 공지의 방법으로 행하면 좋다.
이러한 전해 처리 후, 얻어진 탄소섬유 다발에 집속성을 부여하기 위해, 사이징 처리를 할 수도 있다. 사이징제로는, 복합 재료에 사용되는 매트릭스 수지의 종류에 따라, 매트릭스 수지와의 상용성이 좋은 사이징제를 적절히 선택할 수 있다.
본 명세서에 기재된 각종 물성 값의 측정 방법은 이하와 같다.
＜탄소섬유 다발의 스트랜드 강도와 스트랜드 탄성률＞
탄소섬유 다발의 스트랜드 강도와 스트랜드 탄성률은, JIS-R-7608(2004)의 수지 함침 스트랜드 시험법에 준거하여, 다음의 순서에 따라 구한다. 탄소섬유 다발의 수지 함침 스트랜드 10개를 측정하고, 그 평균치를 스트랜드 강도로 한다. 변형은 신장계(extensometer)를 이용하여 평가한다. 변형 범위는 0.1 ~ 0.6%로 평가한다. 또한 수지 처방으로는, "CELLOXIDE(등록상표)" 2021 P(Daicel Chemical Industries, Ltd. 제)/3 불화붕소모노에틸아민(TOKYO CHEMICAL INDUSTRY CO., LTD. 제)/아세톤=100/3/4(질량부)를 이용하고, 경화 조건으로는, 상압, 온도 125℃, 시간 30분을 이용하여 실시했다.
＜밀도 측정＞
1.0 ~ 3.0 g의 내염화 섬유 다발을 채취하고, 120℃에서 2시간 절건한다. 다음에 절건 질량 A(g)를 측정한 후, 에탄올에 함침시켜 충분히 탈포하고 나서, 에탄올 용매욕 중의 섬유 질량 B(g)를 측정하고, 밀도=(A×ρ)/(A-B)에 의해 밀도를 구한다. ρ는 측정 온도에서의 에탄올의 비중이다.
＜탄소섬유 단섬유의 외층 비율＞
측정을 행하는 탄소섬유 다발을 수지 중에 포매하고, 섬유축 방향과 수직인 횡단면을 연마하고, 상기 단면을 광학 현미경의 100배의 대물렌즈를 이용하여 합계 1000배의 배율로 관찰한다. 연마면의 단면 현미경 화상으로부터 외주부의 흑화 두께를 측정한다. 해석은 화상 해석 소프트웨어 Image J를 이용하여 행한다. 우선, 단섬유 단면상에서, 흑과 백의 영역 분할을 2값화에 의해서 행한다. 단섬유 단면 내의 휘도 분포에 대해, 분포의 평균치를 역치로서 설정하고, 2값화를 행한다. 얻어진 2값화 상(像)에서, 섬유 직경의 방향에 대해, 표층의 1점으로부터, 흑으로부터 백에 선을 그은 영역까지의 최단 거리를 측정한다. 이것을 동일 단섬유의 주변 내 5점에 대해서 측정하고, 평균치를 그 수준에서의 흑화 두께로서 산출한다. 또한, 탄소섬유 단섬유의 섬유축 방향으로 수직인 단면 전체에 대한 흑화 두께 부분의 면적 비율(%)로부터 외층 비율을 산출한다. 탄소섬유 다발 내의 30개의 단섬유에서 마찬가지의 평가를 행하고, 그 평균치를 이용한다.
＜탄소섬유 다발의 평균 단섬유경＞
측정하는 여러 개의 탄소 필라멘트로 이루어지는 탄소섬유 다발에 대해서, 단위길이당 질량 Af(g/m) 및 밀도 Bf(g/㎤)를 구한다. 측정하는 탄소섬유 다발의 필라멘트수를 Cf로 하고, 탄소섬유의 평균 단섬유경(μm)를, 하기 식으로 산출을 행한다.
탄소섬유의 평균 단섬유경(μm)
=((Af/Bf/Cf)/π)(1/2)×2×103.
＜탄소섬유 다발의 결절 강도＞
길이 150 mm의 탄소섬유 다발의 양단에 길이 25 mm의 파지부(把持部)를 달아 시험체로 한다. 시험체 제작시, 9.0×10-5N/dtex의 하중을 가해 탄소섬유 다발의 정렬을 행한다. 시험체의 중간점 부분에 매듭을 1개소 제작하고, 인장시의 크로스헤드 속도를 100 mm/분으로서 다발 인장시험을 행한다. 측정은 합계 12개의 섬유 다발에 대해서 행하고, 최대치, 최소치의 2개의 값을 제외한 10개의 평균치를 측정치로서 이용한다. 결절 강도에는, 다발 인장시험에서 얻어진 최대하중 값을, 탄소섬유 다발의 평균 단면적 값으로 나눈 값을 이용한다.
＜크기 50 nm 이상의 결함이 존재하는 확률＞
JIS R7606(2000년)에 준거해 탄소섬유 단섬유의 단섬유 인장시험을 실시하고, 파단면을 포함하는 파단 후의 탄소섬유 단섬유의 샘플(이하, 단지 「파단면」이라고 부른다)을 회수한다. 시험에 제공하는 단섬유 개수는 50개를 1 세트로 하지만, 양측의 파단면이 30쌍 이상 회수할 수 없는 경우는, 또한 50개로 이루어지는 1 세트의 단섬유 인장시험을 실시하고, 양측의 파단면을 30쌍 이상 회수한다. 또한 인장시험 시의 변형속도는 0.4mm/분으로 한다.
상기와 마찬가지로 회수한 파단면의 쌍으로부터, 30쌍을 무작위로 선택하고, 주사 전자현미경(SEM) 관찰을 행한다. 관찰 전에 도전성 부여를 위한 증착 처리는 행하지 않고, 가속전압은 1 keV, 배율은 2만 5천 ~ 5만배로서 관찰한다. 또한, 미소한 결함의 유무를 판별하기 쉽게 하기 위해서, 파단 기점이 앞을 향하도록 스테이지를 회전시키고, 스테이지를 30° 경사시켜 파단 기점을 경사 상방에서 관찰한다(도 1 ~ 4를 참조).
탄소섬유의 인장파괴에 의한 1차 파단면에는, 파단 기점(i)으로부터 방사상에 파괴가 진전한 흔적이, 방사상의 조흔으로서 남기 때문에, SEM 관찰 상으로 존재하는 조흔을 추적해 1점에 수속하는 부분을 파단 기점(i)로 특정한다. 조흔을 인식할 수 없는 것이나, 조흔은 인식할 수 있었지만 파단 기점(i) 부근에 이물이 부착되어 관찰이 어려운 것이, 양측의 파단면 중의 어느 하나라도 존재한 경우, 이러한 파단면은 쌍째 평가로부터 제외한다. 제외하여 줄어 든 파단면은 적절히 보충해, 최종적으로 30쌍의 파단면이 관찰되도록 한다.
파단 기점(i)을 특정할 수 있으면, 여기에 어떠한 형태적 특징이 보이는지를 조사한다. 형태적 특징으로는 움푹패임이나 부착물, 섬유 표면이 일부 박리한 바와 같은 자국, 상처, 접착흔, 등 여러가지 타입이 존재한다. SEM에 의해서 관찰 가능한 파단 기점이 되는 형태적 특징을 정리해 「결함」이라고 총칭한다. 섬유의 원주 방향에 따라서 측정한 길이, 즉 크기가 50 nm 이상의 것은 외관의 차이에 의존하지 않고 일률적으로 본 발명에서의 "크기 50 nm 이상의 결함이 존재하는 파단면"으로 분류한다. 이것을 양측의 파단면에 대해서 행해, 어느 하나라도 "크기 50 nm 이상의 결함이 존재하는 파단면"으로 분류된 경우, 그 쌍은 "크기 50 nm 이상의 결함이 존재하는 파단면"으로 한다. 이것을 SEM 관찰한 30쌍의 파단면 모두에 대해서 행해, "크기 50 nm 이상의 결함이 존재하는 파단면"의 총수를, SEM 관찰한 파단면의 쌍의 총수인 30으로 나누고 100을 곱하여, "크기 50 nm 이상의 결함이 존재하는 확률(%)"를 산출한다.
또한 단섬유 인장시험에서의 시료 길이는 10 mm로 하고, 시험편 대지(臺紙)에의 탄소섬유의 고정에는 시판의 시아노아크릴레이트계의 순간접착제를 이용하여 수 중에서 실시할 수 있도록 설계한 특별한 시험치구를 이용하고, A＆D사 제 텐시론 「RTC-1210A」에 의해 실시했다. 또한, 회수한 파단면의 관찰에는 Hitachi High-Technologies Corporation 제의 주사 전자현미경(SEM) 「S-4800」을 이용했다.
＜평균 면 조도＞
평가해야 할 탄소섬유 단섬유를 10개 시료 대(臺)에 배치하고 에폭시 수지로 고정한 것을 샘플로 하고, 원자력현미경(실시예에서는, Bruker AXS 제, NanoScopeV Dimension Icon)를 이용하여 평가한다. 또한, 실시예에서는, 하기 조건에서 3차원 표면 형상상(形狀像)을 얻는다.
탐침：실리콘 캔틸레버(Olympus 제, OMCL-AC160TS-W2)
측정 모드：탭핑 모드
주사속도：1.0Hz
주사 범위：600nm×600nm
분해가능：512 픽셀×512 픽셀
측정 환경：실온, 대기 중.
단섬유 1개에 대해서, 상기 조건에서 3차원 표면 형상상을 측정하고, 얻어진 측정 화상은, 섬유 단면의 곡률을 고려해, 부속의 소프트웨어(NanoScope Analysis)에 의해, 장치에 기인한 데이터의 기복을 제거하는 「플랫 처리」, 3×3의 매트릭스에서 Z 데이터의 중앙치로부터, 매트릭스 중앙의 값을 치환하는 필터 처리인 「미디언 8 처리」, 및 전체 화상 데이터로부터 최소자승법에 따라 3차 곡면을 구해 피팅하고, 면내의 기울기를 보정하는 「삼차원 기울기 보정」을 이용하여 화상 처리를 행한 후, 부속의 소프트웨어에 의해 표면조도 해석을 행해, 평균 면 조도를 산출한다. 여기서, 평균 면 조도(Ra)란, JIS B0601(2001년)로 정의되어 있는 중심선 조도 Ra를 면 측정에 대해 적용할 수 있도록 삼차원으로 확장한 것으로 기준면으로부터 지정면까지의 편차의 절대치를 평균한 값이라고 정의된다. 측정은, 다른 단섬유 10개를 랜덤으로 샘플링하고, 단섬유 1개에 대해, 각 1회씩, 합계 10회 행해, 그 평균치를 측정치로 한다.
＜탄소섬유 다발의 보풀 개수＞
복합 재료의 제조시의 생산성에 영향을 주는 탄소섬유 다발의 품위는 이하의 방법에 따라 보풀 개수를 직접 카운트하는 방법으로 평가한다. 주행 속도 1.5m/분, 연신 배율 1배로 주행 중의 탄소섬유 다발의 목시 관찰에 의해, 탄소섬유 다발의 표면으로부터 5 mm 이상 튀어나온 파단 단섬유(破斷單纖維)의 개수를, 탄소섬유 다발의 길이 20 m에 대해 카운트하고, 1 m당의 보풀 개수(개/m)를 평가한다.
실시예
(실시예 1)
아크릴로니트릴 99질량%와 이타콘산 1질량%로 이루어지는 공중합체를, 디메틸설폭사이드를 용매로서 용액 중합법에 따라 중합시켜, 폴리아크릴로니트릴 공중합체를 제조해 방사 용액을 얻었다. 방사 용액을 필터 장치에 유입시켜, 여과를 행했다. 사용한 필터 여재는, 여과 정밀도 B가 1μm, 여재 두께 C가 800μm, 여재 단위면적당 중량 D가 2500 g/㎡의 금속 소결 필터이고, 여과 속도 A가 3 cm/시간인 여과 조건에서 여과했다. 여과된 방사 용액을, 방사구금으로부터 일단 공기 중에 토출하고, 3℃로 컨트롤 한 35% 디메틸설폭사이드의 수용액으로 이루어지는 응고욕에 도입하는 건습식 방사법에 따라 방사했다. 방사된 섬유 다발을 30 ~ 98℃에서 수세하고, 이 때 3.5배의 수욕 연신을 행했다. 계속해서, 이 수욕 연신 후의 섬유 다발에 대해서, 아미노 변성 실리콘계 실리콘유제를 부여하고, 160℃의 온도에서 가열한 롤러를 이용하여 건조를 행해, 단섬유 개수 12000개의 섬유 다발로 했다. 이 섬유 다발을, 가압 스팀 중에서 3.7배 연신함으로써, 제사 전체 연신 배율을 13배로 했다. 그 후, 섬유 다발에 2 mN/dtex의 장력을 가하면서, 유체 토출 압력을 0.35 MPa로 한 공기에 의해 교락(交絡) 처리를 행해서, 단섬유 섬도 1.1 dtex, 단섬유 개수 12000개의 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 얻었다. 다음에, 표 1의 조건 1에 기재된 내염화 조건을 이용하고, 연신 배율 1.0배로 공기 분위기의 오븐 중에서 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 열처리해 내염화 섬유 다발을 얻었다.
얻어진 내염화 섬유 다발을, 온도 300 ~ 800℃의 질소 분위기 중에서 연신 배율 0.95배로 예비 탄소화 처리를 실시해, 예비 탄소화 섬유 다발을 얻었다. 얻어진 예비 탄소화 섬유 다발을, 질소 분위기 중에, 최고 온도 1350℃에서 탄소화 처리를 행했다. 얻어진 탄소섬유 다발에, 표면 처리 및 사이징제 도포 처리를 행해 최종적인 탄소섬유 다발로 했다. 이 때의 탄소섬유 다발의 보풀 개수는 0.1개/m미만이고, 거의 보풀은 확인되지 않고 품위는 양호했다.
표 2에 얻어진 탄소섬유 다발의 스트랜드 강도, 스트랜드 탄성률, 탄소섬유 단섬유의 외층 비율, 및 평균 단섬유경을 나타낸다.
(실시예 2)
필터 여재를, 여과 정밀도 B가 9μm, 여재 두께 C가 3200μm, 여재 단위면적당 중량 D가 6400 g/㎡의 금속 소결 필터로 변경한 외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 탄소섬유 전구체 섬유 다발 및 탄소섬유 다발을 얻었다.
(실시예 3)
여과 조건에서, 여과 속도 A를 6 cm/시간으로 변경한 외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 탄소섬유 전구체 섬유 다발 및 탄소섬유 다발을 얻었다.
(실시예 4, 5)
예비 탄소화시의 연신 배율을 실시예 4에서는 1.05배, 실시예 5에서는 1.10배로 한 이외는, 실시예 3과 마찬가지로 하여 탄소섬유 전구체 섬유 및 탄소섬유 다발을 얻었다.
(비교예 1)
필터 여재를, 여재 두께 C가 1600μm, 여재 단위면적당 중량 D가 3200 g/㎡의 금속 소결 필터로 변경한 외는, 실시예 2와 마찬가지로 하여 탄소섬유 전구체 섬유 다발 및 탄소섬유 다발을 얻었다. 탄소섬유 다발의 보풀 개수는 0.2개/m이고, 품위가 악화되었다.
(비교예 2)
여과 조건에서, 여과 속도 A를 6 cm/시간으로 변경한 외는, 비교예 1과 마찬가지로 하여 탄소섬유 전구체 섬유 다발 및 탄소섬유 다발을 얻었다.
(비교예 3)
여과 조건에서, 여과 속도 A를 6 cm/시간으로 변경한 외는, 실시예 2와 마찬가지로 하여 탄소섬유 전구체 섬유 다발 및 탄소섬유 다발을 얻었다.
(비교예 4)
여과 조건에서, 여과 속도 A를 8 cm/시간으로 변경한 외는, 실시예 3과 마찬가지로 하여 탄소섬유 전구체 섬유 다발 및 탄소섬유 다발을 얻었다.
(비교예 5)
여과 조건에서, 여과 속도 A를 12 cm/시간으로 변경한 외는, 실시예 3과 마찬가지로 하여 탄소섬유 전구체 섬유 다발 및 탄소섬유 다발을 얻었다.
(실시예 6)
내염화 조건으로서 표 1의 조건 2를 이용한 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 탄소섬유 다발을 얻었다. 탄소섬유의 외층 비율이 97%가 되어, 실시예 1과 비교하면 스트랜드 강도가 저하했다.
(실시예 7)
내염화 조건으로서 표 1의 조건 3을 이용한 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 탄소섬유 다발을 얻었다. 탄소섬유의 외층 비율이 85%가 되어, 실시예 1과 비교하면 스트랜드 강도가 저하했다.
본 발명은, 내염화 공정에서 적절한 온도 프로필로 열처리함으로써 특정의 밀도의 내염화 섬유 다발을 얻을 수 있고, 이것에 의해 스트랜드 강도 및 결절 강도를 지배하는 결함이 매우 적게 제어되고 있기 때문에, 스트랜드 강도 및 스트랜드 탄성률을 밸런스 좋게 발현하는 동시에, 높은 결절 강도를 발현하는 탄소섬유 다발을 생산성을 손상하지 않고 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 탄소섬유 다발에 따르면, 복합 재료 제조시의 생산성을 만족하는 탄소섬유 다발이 된다. 본 발명에서 얻어지는 탄소섬유 다발은, 이러한 특징을 살려, 항공기·자동차·선박 부재나, 골프 샤프트나 낚싯대 등의 스포츠 용도 및 압력용기 등의 일반 산업용도에 적합하게 이용된다.
(i): 파단 기점
Claims (7)
- 폴리아크릴로니트릴 공중합체가 용매에 용해되어 이루어지는 방사 용액을, 여과 정밀도 B(μm)와 여재 단위면적당 중량 D(g/㎡)를 가지는 필터 여재를 이용하여 여과 속도 A(cm/시간)가 하기 식(1) ~ (3)을 만족하는 조건에서 여과한 후, 상기 여과된 방사 용액을 방사하여 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 얻고,
D - 600/(α× β) ≥ 0 ···(1)
α = 1-1/(1＋exp(7-A))···(2)
β = 1-1/(1＋exp(-0.23×B))···(3)
얻어진 탄소섬유 전구체 섬유 다발을 산화성 분위기 하에서 밀도 1.32 ~ 1.35g/㎤가 될 때까지 열처리한 후, 밀도 1.46 ~ 1.50g/㎤가 될 때까지 산화성 분위기 하에서 275℃ 이상 295℃ 이하에서 열처리하여 내염화 섬유 다발을 얻은 후, 상기 내염화 섬유 다발을 비활성 분위기 하에서 1200 ~ 1800℃에서 열처리하는, 탄소섬유 다발의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 밀도 1.46 ~ 1.50g/㎤가 될 때까지 산화성 분위기 하에서 275℃ 이상 295℃ 이하에서 열처리할 때의 내염화 섬유 다발의 장력이 1.6 ~ 4.0mN/dtex인, 탄소섬유 다발의 제조 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 탄소섬유 전구체 섬유 다발을, 산화성 분위기 하에서 밀도 1.22 ~ 1.24g/㎤가 될 때까지 210℃ 이상 245℃ 미만에서 열처리한 후, 상기 산화성 분위기 하에서 밀도 1.32 ~ 1.35g/㎤가 될 때까지 열처리하는 공정에 제공하고, 또한, 상기 밀도 1.32 ~ 1.35g/㎤가 될 때까지 행해지는 열처리 공정을 245℃ 이상 275℃ 미만에서 행하는, 탄소섬유 다발의 제조 방법. - 스트랜드 탄성률이 240 ~ 280 GPa, 스트랜드 강도가 5.8 GPa 이상, 결절 강도 K［MPa］가 -88d＋1390≤K(d：평균 단섬유경[μm]), 평균 단섬유경이 6.5 ~ 8.0μm를 만족하고, 또한 시료 길이를 10 mm로서 단섬유 인장시험을 실시한 경우에, 회수한 파단면에 크기 50 nm 이상의 결함이 존재하는 확률이 35% 이하인, 탄소섬유 다발.
- 제4항에 있어서,
결절 강도 K가 770 MPa 이상인, 탄소섬유 다발. - 제4항 또는 제5항에 있어서,
평균 면 조도 Ra가 1.0 ~ 1.8 nm인, 탄소섬유 다발. - 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
탄소섬유 단섬유의 외층 비율이 90면적% 이상인, 탄소섬유 다발.
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