JP2003003376A - 炭素繊維束 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、フィラメント数の多い炭素繊維であ
っても、開繊性に優れ、さらに機械特性に優れる上に、
目付の低いプリプレグを製造することができる炭素繊維
束を提供せんとするものである。 【解決手段】本発明の炭素繊維束は、フィラメント数２
００００〜１０００００の炭素繊維であって、成分中に
少なくともポリオキシアルキレン基とエポキシ基が含有
されているサイジング剤が付着されており、かつ、該サ
イジング剤のエポキシ当量が０．２〜５．０×１０^-3当
量／ｇで、かつ、該サイジングに含まれるポリオキシア
ルキレン基を含む化合物の比率が４０重量％以上である
ことを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フィラメント数が
多い、いわゆる太物の炭素繊維でありながら、織物やプ
リプレグへの優れた加工性を有し、かつ優れた複合材料
物性を有する炭素繊維束に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭素繊維の需要は年々増えており、航空
機、スポーツだけでなく、自動車、建材等の一般産業用
途での需要が高まっている。

【０００３】近年、衣料用アクリル繊維をベースとした
フィラメント数２００００以上の炭素繊維、いわゆるラ
ージトウタイプの炭素繊維が上市されている。

【０００４】ラージトウタイプの炭素繊維はその製造過
程において繊維束一本当たりの処理量が多くする事が出
来るため、生産効率が高く、コストを安くすることがで
きる特徴がある。そのため、低コストが要求される一般
産業用途において展開が期待されている。

【０００５】従来ラージトウ炭素繊維は、フィラメント
数１２０００までのいわゆるスモールトウ炭素繊維に比
べて製造コストは安くできるものの毛羽が多く品位に劣
っており、用途はもっぱらカット糸やミルド糸と言った
いわゆる短繊維が主流であった。炭素繊維の需要拡大の
ためにはプリプレグや織物などのように均一な開繊性が
要求される用途への展開が不可欠であるが、現状のラー
ジトウタイプの炭素繊維では開繊性がフィラメントタイ
プに比べ劣っており、該用途への適用は難しい問題があ
った。

【０００６】開繊性に優れる炭素繊維としては例えば特
許第２８１２１４７号のように有る特定の化合物を炭素
繊維束重量に対して、少なくとも０．１〜０．５％重量
％付着させ、かつ炭素厚みに対する炭素繊維束の幅が１
５〜２５０であることを特徴とする炭素繊維束が提案さ
れている。ところが、該特許において付着させる化合物
即ち、サイジング剤はエポキシ基を含有しておらず、開
繊性に優れるものの、エポキシ樹脂をマトリックスとし
た複合材料のコンポジット特性において、接着性が劣る
という問題があった。また該公報では炭素繊維に付着す
るサイジング剤の付着量が少なく、繊維のフィラメント
数が大きいラージトウ炭素繊維にはサイジング付着量に
斑が出来やすく、サイジングの付着が少ない部分は摩擦
係数が高くなり結果として十分な開繊性を得ることがで
きない問題もあった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
技術の背景に鑑み、フィラメント数の多い炭素繊維であ
っても、開繊性に優れ、さらに機械特性に優れる上に、
目付の低いプリプレグを製造することができる炭素繊維
束を提供せんとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題を
解決するために、次のような手段を採用するものであ
る。すなわち、本発明の炭素繊維束は、フィラメント数
２００００〜１０００００の炭素繊維であって、成分中
に少なくともポリオキシアルキレン基とエポキシ基が含
有されているサイジング剤が付着されており、かつ、該
サイジング剤のエポキシ当量が０．２〜５．０×１０^-3
当量／ｇで、かつ、該サイジングに含まれるポリオキシ
アルキレン基を含む化合物の比率が４０重量％以上であ
ることを特徴とするものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は、前記課題、つまりフィ
ラメント数の多い炭素繊維であっても、開繊性に優れ、
さらに機械特性に優れる上に、目付の低いプリプレグを
製造することができる炭素繊維束について、鋭意検討
し、エポキシ樹脂を含むサイジング剤およびポリオキシ
アルキレン基を含有する化合物を含むサイジング剤を、
炭素繊維束に、特定量付与してみたところ、かかる課題
を一挙に解決することを究明したものである。

【００１０】本発明の炭素繊維束は、フィラメント数２
００００〜１０００００、好ましくは３００００〜７５
０００の炭素繊維で構成される、いわゆるラージトウで
あることが必須である。すなわち、フィラメント数が２
００００未満であれば、従来の技術を採用しても、高次
加工性は満足できるものの、生産効率が低くなるという
問題があり、また、フィラメント数が１０００００を越
えるものとなると、本発明の技術を採用しても、繊維本
数が多すぎるため、良好な開繊性が得られない上に、繊
維束内の処理ムラのためストランド強度や弾性率の低下
など炭素繊維の基本物性が低下するという問題がある。

【００１１】本発明において、炭素繊維に付与されるサ
イジング剤は、成分中に少なくともポリオキシアルキレ
ン基とエポキシ基を含有する形で構成されている。

【００１２】ここでポリオキシアルキレン基とは−（Ｒ
−Ｏ）n−という構造で示される官能基の総称を言い、
ここでＲはアルキレン基を表すものであり、例えば、Ｒ
がエチレンであれば、−（ＣＨ₂ ＣＨ₂ −Ｏ）n−とい
う構造のものを意味するものであり、つまりポリオキシ
エチレン基である。

【００１３】すなわち、該サイジング剤の一つの形態
は、分子内にエポキシ基とポリオキシアルキレン基の両
方が含まれている化合物が含有されているものである。
具体的には、ポリオキシアルキレンの末端にエポキシ基
が付加した化合物、好ましくはエポキシ樹脂を構成する
高分子の主鎖にポリオキシアルキレンをグラフト重合さ
せたものなどがある。

【００１４】また、かかるサイジング剤のもう一つの形
態は、エポキシ樹脂とポリオキシアルキレンの混合物で
ある。エポキシ樹脂は、通常のエポキシ樹脂、例えばビ
スフェノール型、フェノール型、エステル型、エーテル
型に代表されるグリシジル系エポキシ樹脂、あるいはエ
ポキシ化ブタジエン等に代表される非グリシジル系エポ
キシ樹脂などをいう。

【００１５】また、ポリオキシアルキレンとは、エチレ
ンオキサイド、プロピレンオキサイド等のアルキレンオ
キサイドをモノマーとし、ランダムおるいはブロック共
重合させた高分子である。かかるポリオキシアルキレン
の中でも、分子量が３００〜３００００が好ましく、さ
らに好ましくは１０００〜１００００である。

【００１６】かかるサイジング剤としては、該サイジン
グ剤のエポキシ当量としては、０．２〜５．０×１０^-3
当量／ｇであり、かつ、ポリオキシアルキレン基を含む
化合物の重量としては、４０重量％以上であることの両
方の条件を満たすことが必須である。

【００１７】なお、エポキシ当量とは、エポキシ樹脂１
ｇ当たりに含有するエポキシ基の当量を表し、通常、塩
酸−ジオキサン溶液、塩酸−ピリジン法による測定によ
り定量化される。

【００１８】かかるエポキシ当量が０．２×１０^-3当量
／ｇ未満であると、エポキシ基が少なすぎて、エポキシ
樹脂をマトリックスとした複合材料の接着特性が悪化す
る。また５×１０^-3当量／ｇを越えると、サイジング剤
の粘性が高くなり、開繊性が低下する。したがって、か
かるエポキシ当量の好ましい範囲は、０．４×１０^-3当
量／ｇ〜４×１０^-3当量／ｇである。

【００１９】また、かかるサイジング剤のポリオキシア
ルキレン基含有化合物の重量分率は４０重量％以上、好
ましくは５０以上であることが必須である。すなわち、
ポリオキシアルキレンの重量分率が４０％未満である
と、糸の摩擦抵抗が大きくなり、金属ガイドバーに糸を
接触させたとき、糸が動きにくく、満足できる開繊性を
得ることができない。

【００２０】かかるサイジング剤の付着量は、好ましく
は０．５〜３．０重量％、さらに好ましくは０．８〜
２．０重量％がよい。かかるサイジング剤の付着量が低
くなると、開繊性が悪くなり、また３．０重量％を越え
ると、繊維束が集束しすぎて、開繊性が十分ではなくな
ってしまうものである。

【００２１】本発明において、繊維と金属の静摩擦係数
は、好ましくは０．１０〜０．２５、より好ましくは
０．４０〜０．６０の範囲であるものがよい。かかる静
摩擦係数が０．２５より大きくなると、ガイドバーなど
にしごかれても糸が動きにくく、糸が拡幅されにくくな
り、一方、静摩擦係数が０．１０よりも低い場合は、糸
が捌けやすく、かえって糸が広がりにくくなる。

【００２２】ここで繊維の金属に対する摩擦係数は下記
のように測定した値とする。すなわち、炭素繊維束を直
径２０ｍｍの円柱ガイドバーに接触させ、抱き角１８０
°になるようにして、片方に５００ｇの重りを掛け、も
う片方にバネばかりをかけてバネばかりを引っ張った際
にガイドバー上で繊維が滑り出す荷重をＡを測定し、次
式よりρを静摩擦係数とした。評価は３回繰り返し実施
し、その平均値を静摩擦係数とした。

【００２３】

【式１】

【００２４】また、本発明における糸の繊維交絡値は、
好ましくは５〜３０ｍ^-1、より好ましくは８〜２０ｍ^-1
の範囲であるのがよい。かかる繊維交絡値が、５ｍｍ^-1
より低くなると、繊維単糸間の交絡が強すぎ、糸同志が
拘束されるので、繊維が拡幅されにくくなる。かかる繊
維交絡値が低い、すなわち、３０ｍ^-1より高くなると、
繊維が捌けやすく、取り扱い性が悪かったり、炭素繊維
製造の過程でローラーなどに巻き付きやすくなり、糸切
れなどにより、炭素繊維の収率が低くなる傾向がでてく
る。

【００２５】かかる繊維の交絡値は、以下のようにして
測定する。すなわち、撚りがない状態の繊維束に２００
ｇのおもりをかけ、１０ｇのおもり（フック）を繊維束
の中央に引っかけた時の落下距離をＡ（ｍｍ）として、
次式で示されるＦをフックドロップ値（ＣＦ値）とし
た。

【００２６】Ｆ＝１０００／Ａ 評価は、ｎ＝５０で実施し、最大値、最小値から各１０
点ずつを削除し、ｎ＝３０の平均値をフックドロップ値
とした。

【００２７】

【実施例】以下、本発明を実施例により、さらに詳細に
説明する。

【００２８】実施例中の各種評価は次のようにして行っ
た。 （１）繊維の拡幅可能目付 直径１０ｍｍのステンレス棒（クロムメッキ、表面粗さ
１〜１．５Ｓ）５本を５０ｍｍ間隔で、各々並行、か
つ、これらの棒の表面を炭素繊維束が１２０度の接触角
で接触しながら通過するように、棒をジグザグに配置し
た装置を用いた。入り口側の炭素繊維束に、１．１ｄｔ
ｅｘ当たり９ｍｇの張力を与え、１ｍ／分の速度で、こ
の装置を通過させた。炭素繊維が最終（５本目）のガイ
ド上を通過した直後の繊維束の拡がり幅Ｘ（ｍｍ）を測
定した時、次式に示されるｙ(g／ｍ ² )を拡幅可能目付
とした。

【００２９】ｙ（ｇ／ｍ² ）＝１０００／Ｘ（ｍｍ）×
炭素繊維の目付（ｇ／ｍ） 炭素繊維の拡がり幅の測定は、０．５ｍごとに測定し、
ｎ＝２０の平均値を拡幅可能目付値とした。拡幅可能目
付は１３０以下が良好な値とした。 （２）繊維の擦過毛羽 直径１０ｍｍのステンレス棒（クロムメッキ、表面粗さ
１〜１．５Ｓ）５本を５０ｍｍ間隔で各々並行かつこれ
らの棒の表面を炭素繊維束が１２０度の接触角で接触し
ながら通過するように、棒をジグザグに配置した擦過装
置を用いた。入り口側の炭素繊維束に１．１ｄｔｅｘ当
たり０．０９ｇの張力を与え、３ｍ／分の速度で、この
装置を通過させた。側面から炭素繊維束に対し直角にレ
ーザー光線を照射し、毛羽数をカウントする毛羽検出装
置を用いた。擦過毛羽数は１ｍ当たりの数とし、３回測
定した平均値を擦過毛羽数とした。擦過毛羽数は２０コ
／ｍ以下を良好な値とした。 （５）ストランド引張強度、弾性率 次のストランド引張強度、弾性率はＪＩＳ−Ｒ−７６０
１の樹脂含浸ストランド試験法に準じ測定した。樹脂処
方としてユニオンカーバイド社製ベークライト（登録商
標）ＥＲＬ４２２１／３フッカホウ素モノエチルアミン
／アセトン＝１００／３／４（重量部）を用い、硬化条
件としては常圧、１３０℃、３０分を用いた。ストラン
ド１０本を測定し、その平均値を求めた。 （６）コンポジットＩＬＳＳ マトリックス樹脂としてエピコート８２８を用い、ＡＳ
ＴＭ Ｄ−２３４４に基づいて測定した。ＩＬＳＳは８
０ＭＰａ以上を良好な値とした。

【００３０】実施例１ アクリロニトリル９９．４％とメタクリル酸０．６％か
らなる共重合体を用いて単繊度１．７ｄｔｅｘ、フィラ
メント数５００００のアクリル系繊維を得た。得られた
繊維束を２００〜２５０℃の空気中で延伸比１．０５で
加熱処理し、耐炎化繊維を得た。ついで、窒素雰囲気中
３００〜９００℃の温度領域での昇温速度を２００℃／
分とし、２％の延伸を行った後、１４００℃まで焼成
し、炭素繊維束を得た。

【００３１】この炭素繊維束に電解液による表面処理を
行い、樹脂成分を３％になるように水で希釈したサイジ
ング剤を、浸積法により炭素繊維に付与し、２００℃で
５分間乾燥し、サイジング付着量１．１％の炭素繊維を
得た。サイジング剤はエポキシ樹脂（エピコート１００
１、エピコート８２８の混合物）２０重量部とポリエチ
レングリコール７５重量部および乳化剤５重量部の混合
物を用い、付与したサイジング剤のエポキシ当量は０．
７×１０^-3当量／ｇで、％であった。このようにして得
られた炭素繊維のストランド強度は３９００ＭＰａ、弾
性率２３２ＧＰａであった。この炭素繊維の静摩擦係
数、フックドロップ法による繊維交絡値、擦過毛羽数、
拡幅可能目付、ＩＬＳＳを測定した。結果を表１に示
す。

【００３２】実施例２ 実施例１と同様の方法で得た炭素繊維束に電解液による
表面処理を行い、続いてサイジング剤として、ポリエチ
レングリコールジグリシジルエーテル１００％を用い、
樹脂成分が３％になるようにして水で希釈したサイジン
グ剤を調整し、浸漬法により炭素繊維に付与し、２００
℃で乾燥を行った。付着量は１．２％であった。

【００３３】サイジング剤の、エポキシ当量は３．７×
１０^-3当量/gであった。このようにして得られた炭素繊
維ストランドの引張強度は３９７０ＭＰａ、弾性率は２
３０ＧＰａであった。この炭素繊維をの静摩擦係数、フ
ックドロップ法による繊維交絡値、擦過毛羽数、拡幅可
能目付、ＩＬＳＳを測定した。結果を表１に示す。

【００３４】比較例１ アクリロニトリル９９．４％とメタクリル酸０．６％か
らなる共重合体を用いて単繊度１．７ｄｔｅｘ、フィラ
メント数１２００００のアクリル系繊維を得た。得られ
たアクリル繊維を実施例１と同様に処理し、炭素繊維を
得た。この炭素繊維束に電解液による表面処理を行い、
続いてサイジング剤として、ポリエチレングリコールジ
グリシジルエーテルを用い、樹脂成分が３％になるよう
にして水で希釈したサイジング剤を調整し、浸漬法によ
りサイジングを付与し、２００℃で乾燥を行った。付着
量は１．５％であった。この炭素繊維のストランド強度
は２６００ＭＰａ、弾性率は２１５ＧＰａであった。

【００３５】この炭素繊維の静摩擦係数、フックドロッ
プ法による繊維交絡値、擦過毛羽数、拡幅可能目付、Ｉ
ＬＳＳを測定した。結果を表１に示す。

【００３６】比較例２ 実施例１と同様にして電解液による表面処理を行い、サ
イジング剤としてエポキシ樹脂（エピコート１００１）
８０重量部と乳化剤２０重量部の混合物を樹脂成分を３
％になるように水で希釈して、浸積法により炭素繊維に
付与し、２００℃で５分乾燥を行った。付着量は１．１
％であった。

【００３７】付与したサイジング剤のエポキシ当量は
２．７×１０^-3当量／ｇで、ポリオキシエチレン基を有
する化合物は含有していなかった。このようにして得ら
れた炭素繊維のストランド強度は４０００ＭＰａ、弾性
率は２３０ＧＰａであった。この炭素繊維をの静摩擦係
数、フックドロップ法による繊維交絡値、擦過毛羽数、
拡幅可能目付、ＩＬＳＳを測定した。結果を表１に示
す。

【００３８】比較例３ 実施例１と同様にして電解液による表面処理を行い、サ
イジング剤として分子量１２０００のポリエチレングリ
コールを水に溶解させ、樹脂成分を３％になるようにし
て、浸積法により炭素繊維に付与し、２００℃で乾燥を
行った。付着量は１．３％であった。付与したサイジン
グ剤にはエポキシ樹脂は含有されていないため、エポキ
シ当量は０×１０^-3当量／ｇであり、ポリオキシエチレ
ン基の含有率は９９．９％であった。このようにして得
られた炭素繊維のストランド強度は４０００ＭＰａ、弾
性率２３０ＧＰａであった。この炭素繊維をの静摩擦係
数、フックドロップ法による繊維交絡値、擦過毛羽数、
拡幅可能目付、ＩＬＳＳを測定した。結果を表１に示
す。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１から明らかなように、実施例１、２の
ものは、比較例１〜３のものに比して、炭素繊維の開繊
性が優れており、かつ、コンポジット成形品の機械特性
が優れていることがわかる。

【００４１】

【発明の効果】本発明の方法によれば、フィラメント数
の多い炭素繊維であっても、開繊性に優れているので、
目付の低いプリプレグが製造でき、また機械特性に優れ
た複合材料を提供できる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フィラメント数２００００〜１００００
   ０の炭素繊維であって、成分中に少なくともポリオキシ
   アルキレン基とエポキシ基が含有されているサイジング
   剤が付着されており、かつ、該サイジング剤のエポキシ
   当量が０．２〜５．０×１０^-3当量／ｇで、かつ、該サ
   イジングに含まれるポリオキシアルキレン基を含む化合
   物の比率が４０重量％以上であることを特徴とする炭素
   繊維束。
2. 【請求項２】 該サイジング剤が、炭素繊維に対して
   ０．５〜３重量％付着していることを特徴とする請求項
   １記載の炭素繊維束。
3. 【請求項３】 該炭素繊維束が、金属に対する静摩擦係
   数が０．１０〜０．２５であり、かつ、該炭素繊維束の
   本文で定義するフックドロップ法による繊維交絡値が５
   〜３０ｍ^-1であることを特徴とする請求項１または２記
   載の炭素繊維束。