JPH03234820A - hybrid fiber - Google Patents
hybrid fiberInfo
- Publication number
- JPH03234820A JPH03234820A JP2025278A JP2527890A JPH03234820A JP H03234820 A JPH03234820 A JP H03234820A JP 2025278 A JP2025278 A JP 2025278A JP 2527890 A JP2527890 A JP 2527890A JP H03234820 A JPH03234820 A JP H03234820A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fibers
- fiber
- polymer
- polycyclic aromatic
- carbon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Inorganic Fibers (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は、複合材料の強化材として好適なハイブリッド
繊維に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Application Field) The present invention relates to a hybrid fiber suitable as a reinforcing material for composite materials.
(従来の技術及びその問題点)
炭素繊維は、軽量てしかも高強度、高弾性であるため、
スポーツ・レジャー用品をはじめ、航空機、自転車、建
材など広い分野に亙ってその利用が図られている。(Conventional technology and its problems) Carbon fiber is lightweight, yet has high strength and high elasticity.
It is being used in a wide range of fields, including sports and leisure goods, aircraft, bicycles, and building materials.
炭素繊維としては、ポリアクリロニトリルを原料とした
PAN系炭素繊維と、石油系、石炭系のピッチを原料と
する、所謂ピッチ系炭素繊維が知られている。As carbon fibers, PAN-based carbon fibers made from polyacrylonitrile and so-called pitch-based carbon fibers made from petroleum-based and coal-based pitches are known.
ピッチ系炭素繊維は、一般に強度がPAN系炭素繊維に
比べて劣るが、原料が安価なことから、強度を高める方
法について種々の検討がなされ、例えば、特開昭59−
223316号公報には、効果的にメソフェーズを生成
させ、紡糸時に配向させる方法が開示されている。Pitch-based carbon fibers are generally inferior in strength to PAN-based carbon fibers, but since the raw materials are cheap, various studies have been conducted on ways to increase the strength.
No. 223316 discloses a method for effectively generating mesophase and orienting it during spinning.
しかし、基本的には、炭素繊維は結晶性の繊維であるた
め、硬く、毛羽が発生し易く、また複合材料とする際マ
トリックスとの濡れ性も劣るという欠点がある。However, since carbon fibers are basically crystalline fibers, they are hard, tend to fluff, and have poor wettability with a matrix when used as a composite material.
そこで種々の炭素繊維の表面処理法が考案され、現在知
られている方法として、繊維に柔軟性を付与するととも
に、毛羽発生を抑制する目的で、ポリビニルアルコール
、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂のようなサイ
ジング剤を表面に塗布する方法や、マトリックスとの接
着性を向上させる目的でその表面を乾式又は湿式酸化処
理する方法等がある。Therefore, various methods for surface treatment of carbon fibers have been devised, and the currently known methods use materials such as polyvinyl alcohol, unsaturated polyester resins, and epoxy resins to impart flexibility to the fibers and to suppress the generation of fuzz. There are methods such as applying a suitable sizing agent to the surface, and dry or wet oxidation treatment of the surface for the purpose of improving adhesion to the matrix.
これらの処理のうち、特に表面酸化層を設ける方法では
、酸化時に繊維に損傷を与えるため物性は低下する傾向
にある。更に、炭素繊維は500°Cを超える酸化雰囲
気中では、燃焼するため使用できない。Among these treatments, the method of providing a surface oxidation layer in particular damages the fibers during oxidation and thus tends to reduce physical properties. Furthermore, carbon fiber cannot be used in an oxidizing atmosphere at a temperature exceeding 500°C because it will burn.
このような背景から、高強度、高弾性率を有し、しかも
マトリックスとの濡れ性、接着性が良好で、従来広範囲
の分野で使用されているPAN系炭素繊維よりも安価な
新繊維の開発が強く要望されてきた。Against this background, we are developing a new fiber that has high strength and high modulus, has good wettability and adhesion with the matrix, and is cheaper than the PAN-based carbon fiber that has been used in a wide range of fields. has been strongly requested.
また、炭素繊維のより高温での耐酸化性を向上させるこ
とが種々の分野で強く望まれている。Furthermore, it is strongly desired in various fields to improve the oxidation resistance of carbon fibers at higher temperatures.
この要望を満たず方法として、例えば、特開昭61−2
09139号公報、特開昭62−215016号公報に
記載された方法が提案されている。As a method that does not meet this demand, for example, JP-A-61-2
The methods described in Japanese Patent Application Laid-open No. 09139 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-215016 have been proposed.
これらの公報には、石炭系又は石油系ピンチ中の有機溶
媒可溶成分とポリシランを混合・加熱反応させてオルカ
リボリアリールシランを合成し、それを紡糸、不融化、
焼成により炭化珪素繊維と炭素繊維の中間の性質を有す
る無機質繊維を製造する方法が記載されている。In these publications, an organic solvent soluble component in a coal-based or petroleum-based pinch is mixed and heated to react with polysilane to synthesize olkaliboryarylsilane, which is then spun, infusible, and
A method for producing inorganic fibers having properties intermediate between silicon carbide fibers and carbon fibers by firing is described.
しかし、上記方法では、一方の出発物質として有機溶媒
不溶分を全く含まないピッチを選び、オルガノポリアリ
ールシラン製造においても前記不溶分が全く生成しない
条件下で反応を行っている。However, in the above method, pitch containing no organic solvent insoluble matter is selected as one of the starting materials, and the reaction is carried out under conditions in which the insoluble matter is not produced at all in the production of organopolyarylsilane.
従って得られる生成物である紡糸原料中には、炭素繊維
の強度発現に最も重要な成分と言われているメソフェー
ズ状態を含む前記不溶分が全(含まれていない。Therefore, the resulting spinning material, which is a product, does not contain all of the above-mentioned insoluble matter including the mesophase state, which is said to be the most important component for developing the strength of carbon fibers.
上記紡糸原料を紡糸、不融化、焼成して得られる無機繊
維は、条件によっては炭素の黒鉛結晶に相当する(00
2)回折線は得られるものの、ピッチ繊維特有の配向は
認められず高弾性率のものは得られない。更に上記公報
の方法では、ピンチ成分が多くなる程、不活性ガス中の
耐熱性は向上するものの、耐酸化性は低下し、しかも機
械的特性が著しく低下するという問題点がある。Depending on the conditions, the inorganic fiber obtained by spinning, infusible, and firing the above-mentioned spinning raw material corresponds to graphite crystals of carbon (00
2) Although a diffraction line is obtained, the orientation peculiar to pitch fibers is not observed, and a product with a high elastic modulus cannot be obtained. Furthermore, the method disclosed in the above-mentioned publication has the problem that as the pinch component increases, the heat resistance in an inert gas improves, but the oxidation resistance decreases, and furthermore, the mechanical properties deteriorate significantly.
本出願人は、特願平1−206640号明細書及び特願
平1−224511号明細書に、上記問題点を解決した
、複合材料用マトリックスに対する濡れ性が良好で、炭
化珪素繊維に比べはるかに弾性率が高く、しかもピッチ
系及びPAN系炭素繊維に比べ200〜300″Cも耐
酸化性の向上した高強度・高弾性無機繊維を開示した。The present applicant has disclosed in Japanese Patent Application No. 1-206640 and Japanese Patent Application No. 1-224511 that the above-mentioned problems are solved, the wettability to the matrix for composite material is good, and it is much more effective than silicon carbide fiber. The present invention discloses a high-strength, high-modulus inorganic fiber that has a high elastic modulus and has improved oxidation resistance by 200 to 300''C compared to pitch-based and PAN-based carbon fibers.
(問題を解決するための手段)
本発明の目的は、上記提案の繊維の少な(とも一種を成
分とするハイブリッド繊維の提供にある。(Means for Solving the Problems) An object of the present invention is to provide a hybrid fiber containing at least one of the above-mentioned proposed fibers.
本発明の別の目的は、機械的特性に優れた繊維強化複合
材料製造用の強化材として好適なハイブリッド繊維の提
供にある。Another object of the present invention is to provide a hybrid fiber suitable as a reinforcing material for producing fiber-reinforced composite materials with excellent mechanical properties.
本発明の他の目的は、耐食性、耐熱性、耐酸化性に優れ
た繊維強化複合材料製造用の強化材として好適なハイブ
リッド繊維の提供にある。Another object of the present invention is to provide a hybrid fiber suitable as a reinforcing material for producing fiber-reinforced composite materials that has excellent corrosion resistance, heat resistance, and oxidation resistance.
本発明のハイブリッド繊維は、無機繊維■、無機繊維I
I、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維
、窒化珪素繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維、アラミ
ド繊維、カーボンを芯線とする炭化珪素繊維及びSi−
M−C−〇繊維(MはTi又はZrを示す。)からなる
群から選ばれた少なくとも二種の繊維からなり、かつ該
繊維の構成成分として無機繊維I、無機繊維■の少なく
とも一方を含有するハイブリッド繊維であって、前記無
機繊維Iは、珪素含有多環状芳香族重合体から得られる
無機繊維であり、その構成成分がi)該重合体を構成す
るメソフェーズ状態にある多環状芳香族化合物から導か
れるラジアル構造、オニオン構造、ランダム構造、コア
ラジアル構造、スキンオニオン構造及びモザイク構造か
らなる群から選ばれる少なくとも一種の結晶配列状態を
示す炭素質、
Ii)該重合体を構成する光学的等方性の多環状芳香族
化合物から導かれる、無配向状態の結晶質炭素及び/又
は非晶質炭素、及び
iii)Si、C及びOから実質的になる非晶質相及び
/又は粒径が500Å以下の実質的にβSiCからなる
結晶質超微粒子と非晶質のSiOx (0<x≦2)か
らなる集合体であり、
構成元素の割合が、Si;30〜70重量%C;20〜
60重量%及びO;0.5〜10重量%である5i−C
−0物質
よりなる無機繊維であり、
前記無機繊維■は、チタン、ジルコニウム及びハフニウ
ムからなる群から選ばれる少なくとも一種類の元素及び
珪素を含有する多環状芳香族重合体から得られる無機繊
維であって、その構成成分が、
a)該重合体を構成するメソフェーズ状態にある多環状
芳香族化合物から導かれるラジアル構造、オニオン構造
、ランダム構造、コアラジアル構造、スキンオニオン構
造及びモザイク構造からなる群から選ばれる少な(とも
一種の結晶配列状態を示す炭素質、
b)該重合体を構成する有機溶媒不溶分を含む光学的等
方性の多環状芳香族化合物から導かれる、無配向状態の
結晶質炭素及び/又は非晶質炭素、及び
c)(1)Si、M、C及びOから実質的になる非晶質
物質、及び/又は
■実質的にβ−3i C,MC1β−SiCとMCの固
溶体及びM C+−xからなる粒径が500Å以下の結
晶超微粒子と、非晶質の5iOy及びMO,との集合体
であり
構成元素の割合がSi ;5〜70重量%、M;0.5
〜45重量%、C,20〜40重量%及びO、0,01
〜30重量%である、SiM−C−0物質(上記式中、
MはTi、Zr及びHfから選択される少なくとも一種
の元素であり、O<x<1.0<y≦2.0<z0
≦2である。)
よりなる無機繊維である。The hybrid fiber of the present invention includes inorganic fiber ①, inorganic fiber I
I, carbon fiber, glass fiber, boron fiber, alumina fiber, silicon nitride fiber, aramid fiber, silicon carbide fiber, aramid fiber, silicon carbide fiber with carbon core wire, and Si-
Consists of at least two types of fibers selected from the group consisting of M-C-〇 fibers (M represents Ti or Zr), and contains at least one of inorganic fibers I and inorganic fibers II as a constituent component of the fibers. The inorganic fiber I is an inorganic fiber obtained from a silicon-containing polycyclic aromatic polymer, the constituent components of which are i) a polycyclic aromatic compound in a mesophase state constituting the polymer; a carbon material exhibiting at least one type of crystal orientation selected from the group consisting of a radial structure, an onion structure, a random structure, a core radial structure, a skin onion structure, and a mosaic structure derived from Ii) an optical structure constituting the polymer; non-oriented crystalline carbon and/or amorphous carbon derived from a oriented polycyclic aromatic compound, and iii) an amorphous phase consisting essentially of Si, C and O and/or having a particle size of It is an aggregate consisting of crystalline ultrafine particles substantially consisting of βSiC of 500 Å or less and amorphous SiOx (0<x≦2), and the proportion of the constituent elements is Si; 30 to 70% by weight C; 20 to
5i-C which is 60% by weight and O; 0.5-10% by weight
-0 substance, and the inorganic fiber (2) is an inorganic fiber obtained from a polycyclic aromatic polymer containing silicon and at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium, and hafnium. and the constituent components thereof are a) from the group consisting of a radial structure, an onion structure, a random structure, a core radial structure, a skin onion structure, and a mosaic structure derived from a polycyclic aromatic compound in a mesophase state constituting the polymer. (b) A crystalline material in a non-oriented state derived from an optically isotropic polycyclic aromatic compound containing an organic solvent-insoluble component that constitutes the polymer. carbon and/or amorphous carbon, and c) (1) an amorphous substance consisting essentially of Si, M, C and O, and/or ■ substantially consisting of β-3i C, MC1 β-SiC and MC It is an aggregate of crystalline ultrafine particles having a particle size of 500 Å or less consisting of a solid solution and M C+-x, and amorphous 5iOy and MO, and the proportion of the constituent elements is Si: 5 to 70% by weight, M: 0. 5
~45% by weight, C, 20-40% by weight and O, 0,01
~30% by weight of SiM-C-0 material (in the above formula:
M is at least one element selected from Ti, Zr, and Hf, and O<x<1.0<y≦2.0<z0≦2. ) is an inorganic fiber consisting of
本発明における無機繊維■及び無機繊維Hについてまず
説明する。以下の説明における「部」は全て「重量部」
であり、「%」は「重量%」である。First, the inorganic fiber (1) and the inorganic fiber (H) in the present invention will be explained. All "parts" in the following explanations are "parts by weight."
and "%" is "% by weight".
本発明における無機繊維■は前述した構成成分i)、i
i)及びiii)からなっており、Si;0.01〜2
9重量%、C;70〜99.9重量%及びO;0.00
1〜10重量%、好ましくはS i ; 0.1〜25
重景%重量;74〜99.8重量%及びO;0゜01〜
10重量%から実質的に構成されている。The inorganic fibers (①) in the present invention are the above-mentioned constituents i), i)
Consisting of i) and iii), Si; 0.01 to 2
9% by weight, C: 70-99.9% by weight and O: 0.00
1-10% by weight, preferably S i ; 0.1-25
Weight: 74~99.8% by weight and O: 0°01~
Consisting essentially of 10% by weight.
無機繊維■は前述した構成成分a)、b)及びC)から
なっており、S i ; 0.01〜30%、M;0.
01〜10%、C;65〜99.9%及び0;0.00
1〜10%、好ましくはSi;0.1〜25%、M ;
0.01〜8%、C;74〜99.8%及びO; 0.
01〜8%から実質的に構成されている。The inorganic fiber (2) consists of the above-mentioned constituent components a), b) and C), S i ; 0.01-30%, M; 0.
01-10%, C; 65-99.9% and 0; 0.00
1-10%, preferably Si; 0.1-25%, M;
0.01-8%, C; 74-99.8% and O; 0.
01-8%.
無機繊維■及び無機繊維IIの構成成分である結晶質炭
素は500Å以下の結晶子サイズを有し、1.5人の分
解能を有する高分解能電子顕微鏡において、繊維軸方向
に配向した3、2人の(002)面に相当する微細なラ
ティスイメージ像が観察されうる超微粒子のグラファイ
ト結晶である。無機繊維中の結晶質炭素は、ラジアル構
造、オニオン構造、ランダム構造、コアラジアル構造、
スキンオニオン構造、モザイク構造及び一部ラジアル構
造を含むランダム構造をとることができる。これは、原
料中にメソフェーズ多環状芳香族化合物が存在すること
に起因する。Crystalline carbon, which is a component of inorganic fibers ■ and inorganic fibers II, has a crystallite size of 500 Å or less, and is oriented in the fiber axis direction under a high-resolution electron microscope with a resolution of 1.5 Å. It is an ultrafine graphite crystal in which a fine lattice image corresponding to the (002) plane of the graphite crystal can be observed. Crystalline carbon in inorganic fibers has radial structure, onion structure, random structure, core-radial structure,
It can have a random structure including a skin onion structure, a mosaic structure, and a partially radial structure. This is due to the presence of mesophase polycyclic aromatic compounds in the raw materials.
無機繊維■における構成成分i)及びii)の総和1、
O0部に対する構成成分iii)の割合は0.015
〜200部であり、且つ構成成分l)、ii)の比率は
1:0.02〜4である。Sum of constituent components i) and ii) in inorganic fiber ■1,
The ratio of component iii) to O0 parts is 0.015
~200 parts, and the ratio of components l), ii) is 1:0.02-4.
構成成分i)及びii)の総和100部に対する構成成
分iii)の割合が0.015未満の場合は、はとんど
ピッチ繊維と変わらず、耐酸化性や71−リックス炭素
との界面接着力の向上は望めず、上記割合が200部を
越えた場合ばグラフアイ[・の微細結晶が効果的には生
成せず、高弾性率の繊維が得1
2
られない。If the ratio of component iii) to 100 parts of the total of components i) and ii) is less than 0.015, the oxidation resistance and interfacial adhesion with 71-rix carbon are almost the same as pitch fibers. No improvement in the elasticity can be expected, and if the above ratio exceeds 200 parts, fine crystals of Graphi [.
無機繊維Hにおける構成成分a)及びb)の総和100
部に対する構成成分C)の割合は0.015〜200部
であり、且つ構成成分a)とb)との比率はl:0.0
2〜4である。Total of constituent components a) and b) in inorganic fiber H: 100
The ratio of component C) to parts is 0.015 to 200 parts, and the ratio of components a) and b) is l:0.0
It is 2-4.
構成成分a)及びb)の総和100部に対する構成成分
C)の割合が0.015未満の場合は、はとんどピッチ
繊維と変わらず、耐酸化性や濡れ性の向上は望めず、上
記割合が200部を越えた場合はグラファイトの微細結
晶が効果的には生成せず、高弾性率の繊維かえられない
。If the ratio of component C) to 100 parts of the total of components a) and b) is less than 0.015, the fibers are almost the same as pitch fibers, and no improvement in oxidation resistance or wettability can be expected. If the proportion exceeds 200 parts, fine graphite crystals will not be effectively generated and fibers with high elastic modulus will not be obtained.
無機繊維■及び無機繊維Hにおいては、層間隔が小さく
三次元的配列が付与された微結晶が効果的に生成してお
り、その微細結晶を包み込むように珪素原子が非常に均
一に分布している。In inorganic fibers ■ and inorganic fibers H, microcrystals with small interlayer spacing and three-dimensional arrangement are effectively generated, and silicon atoms are distributed very uniformly so as to wrap around the microcrystals. There is.
また、珪素の分布状態は、焼成時の雰囲気や原料中のメ
ソフェーズの大きさ、濃度によっても制御することがで
きる。例えば、メソフェーズを大きく成長させた場合、
珪素含有ポリマーは繊維表面相に押し出され易く、焼成
後繊維表面に珪素に富む層を生成させることができる。Furthermore, the distribution state of silicon can also be controlled by the atmosphere during firing and the size and concentration of mesophase in the raw material. For example, if the mesophase grows large,
The silicon-containing polymer is easily extruded into the fiber surface phase and can produce a silicon-rich layer on the fiber surface after firing.
次に、本発明における無機繊維■及び無機繊維IIの製
造方法について説明する。Next, the manufacturing method of inorganic fiber (1) and inorganic fiber (II) in the present invention will be explained.
無機繊維■は、以下の第1工程〜第4工程で製造するこ
とができる。The inorganic fiber (1) can be manufactured in the following first to fourth steps.
第1工程:
出発原料の一つである有機珪素重合体は、公知の方法で
合成することができ、例えば、ジメチルジクロロシラン
と金属すトリウムの反応により得られるポリメチルシラ
ンを不活性ガス中で400°C以上に加熱することによ
り得られる。First step: The organosilicon polymer, which is one of the starting materials, can be synthesized by a known method. For example, polymethylsilane obtained by the reaction of dimethyldichlorosilane and metal strium is synthesized in an inert gas. Obtained by heating to 400°C or higher.
上記有機珪素重合体は、結合単位(Si CH2)、
又は結合単位(S 1−CH2)と結合単位(Si−3
i)より主としてなり、結合単位(SiCH2)の全数
対結合単位(Si−3i)(D全数の比率は1:0〜2
0の範囲内にある。The organosilicon polymer has a bonding unit (Si CH2),
Or the bonding unit (S 1-CH2) and the bonding unit (Si-3
i), and the ratio of the total number of bonding units (SiCH2) to the total number of bonding units (Si-3i) (D is 1:0 to 2
It is within the range of 0.
有機珪素重合体の重量平均分子量(Mll )は、−船
釣には300〜10ooで、M、が4oo〜800のも
のが、優れた炭素系無機繊維を得るための中間原料であ
る前駆重合体(1)を調製するため3
4
に特に好ましい。The weight average molecular weight (Mll) of the organosilicon polymer is 300 to 10oo for boat fishing, and those with M of 4oo to 800 are suitable as precursor polymers that are intermediate raw materials for obtaining excellent carbon-based inorganic fibers. Particularly preferred is 3 4 for preparing (1).
もう一つの出発原料である多環状芳香族化合物は石油類
及び/又は石炭類から得られるピッチで、特に好ましい
ピンチは、石油類の流動接触分解により得られる重質油
、その重質油を蒸留して得た留出成分又は残渣油及びそ
れらを熱処理して得られるピンチである。Another starting material, the polycyclic aromatic compound, is pitch obtained from petroleum and/or coal. Particularly preferable pitch is heavy oil obtained by fluid catalytic cracking of petroleum, or by distilling the heavy oil. These are the distillate components or residual oils obtained by the distillation process, and the pinch obtained by heat-treating them.
上記ピッチ中には、ベンゼン、I・ルエン、キシレン、
テトラヒドロフランなどの有機溶媒に不溶の成分が5〜
98重量%含まれていることが好ましい。上記の不溶成
分が5重量%未満のピッチを原料として用いた場合、強
度、弾性率共に優れた無機質繊維は得られず、また、9
8重量%より多いピンチを原料として用いた場合、共重
合体の分子量上昇が激しく、一部コーキングの起ごる場
合もあり、紡糸困難な状態になる。The above pitch contains benzene, I-luene, xylene,
5 to 5 components insoluble in organic solvents such as tetrahydrofuran
The content is preferably 98% by weight. When pitch containing less than 5% by weight of the above-mentioned insoluble components is used as a raw material, inorganic fibers with excellent strength and elastic modulus cannot be obtained;
If more than 8% by weight of pinch is used as a raw material, the molecular weight of the copolymer will increase sharply, and coking may occur in some cases, making spinning difficult.
このピンチの重量平均分子量(M8)は、100〜30
00である。The weight average molecular weight (M8) of this pinch is 100 to 30
It is 00.
重量平均分子量は以下のようにして求めた値である。即
ち、ピッチがベンゼン、トルエン、キシレン、テトラヒ
ドロフラン、クロロホルム及びジクロロベンゼン等のゲ
ルパーミュエーションクロマトグラフ(cpc)測定用
有機溶媒不溶分を含有しない場合はそのままGPC測定
し、ピッチが上記有機溶媒不溶分を含有する場合は、温
和な条件で水添処理し、上記有機溶媒不溶分を上記有機
溶媒可溶な成分に変えて後GPC測定する。以下、上記
有機溶媒不溶分を含有する重合体の重量平均分子量は、
上記と同様の処理を施し求めた値である。The weight average molecular weight is a value determined as follows. That is, if the pitch does not contain organic solvent insoluble components for gel permeation chromatography (CPC) measurement, such as benzene, toluene, xylene, tetrahydrofuran, chloroform, and dichlorobenzene, it is directly measured by GPC, and the pitch is determined from the above organic solvent insoluble components. If it contains, it is hydrogenated under mild conditions to change the organic solvent-insoluble components to the organic solvent-soluble components, followed by GPC measurement. Below, the weight average molecular weight of the polymer containing the above organic solvent insoluble matter is:
This is a value obtained by performing the same processing as above.
前駆重合体(1)は、有機珪素重合体に、石油系又は石
炭系ピッチを添加し、不活性ガス中で好ましくは250
〜500°Cの範囲の温度で力n熱反応させることによ
り8周製される。Precursor polymer (1) is prepared by adding petroleum-based or coal-based pitch to an organosilicon polymer, and preparing the mixture preferably at 250% in an inert gas.
Eight rounds are produced by a force-n-thermal reaction at a temperature in the range of ~500°C.
ピッチの使用割合は、有機珪素重合体100部当たり8
3〜4900部であることが好ましい。The ratio of pitch used is 8 parts per 100 parts of organosilicon polymer.
It is preferable that it is 3-4900 parts.
ピッチの使用割合が過度に小さい場合は、得られる無機
繊維中の炭化珪素成分が多くなり、高弾性率を有する無
機繊維が得られなくなり、また、その割合が過度に多い
場合は、炭化珪素成分が少な5
6
くなり、マトリックス炭素との界面接着性、耐酸化性に
優れた無機繊維が得られなくなる。If the ratio of pitch used is too small, the silicon carbide component in the resulting inorganic fiber will increase, making it impossible to obtain an inorganic fiber with a high modulus of elasticity. 5 6 , and it becomes impossible to obtain inorganic fibers with excellent interfacial adhesion with matrix carbon and oxidation resistance.
上記反応の反応温度が過度に低いと、珪素原子と芳香族
炭素の結合が生成しにくくなり、反応温度が過度に高い
と、生成した前駆重合体(1)の分解及び高分子量化が
激しく起こり好ましくない。If the reaction temperature of the above reaction is too low, it will be difficult to form bonds between silicon atoms and aromatic carbon, and if the reaction temperature is too high, the resulting precursor polymer (1) will be violently decomposed and its molecular weight will increase. Undesirable.
メソフェーズ多環状芳香族化合物(2)は、例えば、石
油系又は石炭系ピッチを不活性ガス中で300〜500
°Cに加熱し、生成する軟質留分を除去しながら縮重合
することによって調製することができる。The mesophase polycyclic aromatic compound (2) is, for example, petroleum-based or coal-based pitch heated to 300 to 500% in an inert gas.
It can be prepared by heating to °C and conducting polycondensation while removing the soft fraction produced.
上記縮重合反応温度が過度に低いと縮合環の成長が充分
でなCまたその温度が過度に高いとコーキングにより不
融化物の生成が激しくなる。If the temperature of the condensation polymerization reaction is too low, the growth of the condensed ring will not be sufficient, and if the temperature is too high, the formation of infusible substances will be intense due to coking.
上記のメソフェーズ多環状芳香族化合物(2)は、融点
が200〜400°Cの範囲にあり、また、重量平均分
子量が200〜10000である。The above mesophase polycyclic aromatic compound (2) has a melting point in the range of 200 to 400°C and a weight average molecular weight of 200 to 10,000.
メソフェーズ多環状芳香族化合物(2)の中でも、20
〜100%の光学的異方性度を有し、30〜100%の
ベンゼン、トルエン、キシレン又はテトラヒドロフラン
に対する不溶分を含むものが、機械的性能上優れた無機
繊維を得るために特に好ましい。Among the mesophase polycyclic aromatic compounds (2), 20
Those having an optical anisotropy of 100% to 100% and containing 30 to 100% insoluble matter in benzene, toluene, xylene or tetrahydrofuran are particularly preferred in order to obtain inorganic fibers with excellent mechanical performance.
第1工程では、前駆重合体(1)とメソフェーズ多環状
芳香族化合物(2)とを200〜500°Cの温度範囲
で加熱溶融及び/又は加熱反応し、珪素含有多環状芳香
族重合体からなる紡糸ポリマーを調製する。In the first step, the precursor polymer (1) and the mesophase polycyclic aromatic compound (2) are heated and melted and/or reacted in a temperature range of 200 to 500°C to form a silicon-containing polycyclic aromatic polymer. A spun polymer is prepared.
メソフェーズ多環状芳香族化合物(2)の使用割合は前
駆重合体(1) 100部当たり5〜50000部であ
ることが好ましく、5部未満でば、生成物におけるメソ
フェーズ含有量が不足するため、高弾性の焼成糸が得ら
れず、また、50000部より多い場合は、珪素成分の
不足のためマトリックス炭素との界面接着性、耐酸化性
に優れた無機繊維が得られなくなる。The mesophase polycyclic aromatic compound (2) is preferably used in an amount of 5 to 50,000 parts per 100 parts of the precursor polymer (1). If it is less than 5 parts, the mesophase content in the product will be insufficient and the content will be high. An elastic fired yarn cannot be obtained, and if the amount exceeds 50,000 parts, an inorganic fiber with excellent interfacial adhesion with matrix carbon and oxidation resistance cannot be obtained due to a lack of silicon component.
上記珪素含有多環状芳香族重合体の重量平均分子量は2
00〜11000で、融点が200〜400°Cである
。The weight average molecular weight of the silicon-containing polycyclic aromatic polymer is 2
00-11000, and the melting point is 200-400°C.
第2工程ニ
ア
第1工程で得られる珪素含有多環状芳香族重合体である
紡糸ポリマーを加熱溶融させて、場合によってはこれを
濾過してミクロゲル、不純物等の紡糸に際して有害とな
る物質を除去し、これを通常用いられる合成繊維紡糸装
置により紡糸する。2nd Step Near The spinning polymer, which is a silicon-containing polycyclic aromatic polymer obtained in the 1st step, is heated and melted, and in some cases, it is filtered to remove substances that are harmful during spinning, such as microgels and impurities. This is then spun using a commonly used synthetic fiber spinning device.
紡糸する際の紡糸原液の温度は原料ポリマーの軟化温度
によって異なるが、220〜420°Cの範囲の温度が
有利である。The temperature of the spinning dope during spinning varies depending on the softening temperature of the raw material polymer, but a temperature in the range of 220 to 420°C is advantageous.
前記紡糸装置において、必要に応じて紡糸筒を取付け、
該紡糸筒内の雰囲気を空気、不活性ガス、熱空気、熱不
活性ガス、スチーム、及びアンモニアガスからなる群か
ら選ばれる一種以上の雰囲気とした後、巻取り速度を大
きくすることにより細い直径の繊維を得ることができる
。前記溶融紡糸における紡糸速度は原料の平均分子量、
分子量分布、分子構造によって異なるが、50〜500
0m/分の範囲であることが好ましい。In the spinning device, a spinning tube is attached as necessary,
After setting the atmosphere in the spinning tube to one or more atmospheres selected from the group consisting of air, inert gas, hot air, hot inert gas, steam, and ammonia gas, the winding speed is increased to create a thin diameter. fibers can be obtained. The spinning speed in the melt spinning is determined by the average molecular weight of the raw materials,
Although it varies depending on the molecular weight distribution and molecular structure, 50 to 500
A range of 0 m/min is preferable.
第3工程:
第2工程で得られる紡糸繊維を張力又は無張力の作用も
とて不融化する。Third step: The spun fibers obtained in the second step are rendered infusible by applying tension or non-tension.
代表的な不融化方法は、紡糸繊維を酸化性雰囲気中で加
熱する方法である。不融化の温度は好ましくは50〜4
00°Cの範囲の温度である。不融化温度が過度に低い
と紡糸原糸を構成するポリマーのはしかけが起こらず、
また、この温度が過度に高いとポリマーが燃焼する。A typical infusibility method is to heat spun fibers in an oxidizing atmosphere. The infusibility temperature is preferably 50 to 4
The temperature is in the range of 00°C. If the infusibility temperature is too low, the polymers that make up the spinning filament will not form.
Also, if this temperature is too high, the polymer will burn.
不融化の目的は、紡糸繊維を構成するポリマーを三次元
構造の不融・不溶のはしかけ状態にし、次工程の焼成の
際に熔融せず、且つ隣接した繊維と融着しないようにす
ることである。不融化の際の酸化性雰囲気を構成するガ
スとしては、空気、オゾン、酸素、塩素ガス、臭素ガス
、アンモニアガス、及びこれらの混合ガスが挙げられる
。The purpose of infusibility is to make the polymer that makes up the spun fibers into a three-dimensional structure that is infusible and insoluble, so that it does not melt during the next firing process and does not fuse with adjacent fibers. It is. Gases constituting the oxidizing atmosphere during infusibility include air, ozone, oxygen, chlorine gas, bromine gas, ammonia gas, and mixed gases thereof.
上記とは別の不融化方法として、紡糸繊維に酸化性雰囲
気あるいは非酸化性雰囲気で、張力あるいは無張力で必
要に応じて低温加熱しながら、T線照射、あるいは電子
線照射して不融化する方法も採用することができる。As an infusible method different from the above, spun fibers are infusible by T-ray irradiation or electron beam irradiation in an oxidizing or non-oxidizing atmosphere, under tension or no tension, while heating at a low temperature as necessary. method can also be adopted.
このγ線あるいは電子線を照射する目的は、紡糸繊維を
形成するポリマーを、さらに重合させる9
0
ことによって、紡糸原糸が融解し、繊維形状を失うこと
を防くことにある。The purpose of irradiating with γ rays or electron beams is to further polymerize the polymer forming the spun fibers, thereby preventing the spun filaments from melting and losing their fiber shape.
γ線あるいは電子線の照射線量は106〜1010ラン
ドが適当である。The appropriate dose of gamma rays or electron beams is 106 to 1010 rand.
照射は真空、不活性ガス雰囲気下、あるいは空気、オゾ
ン、酸素、塩素ガス、臭素ガス、アンモニアガス及びこ
れらの混合ガスのような酸化性ガス雰囲気で行うことが
できる。Irradiation can be carried out in a vacuum, an inert gas atmosphere, or an oxidizing gas atmosphere such as air, ozone, oxygen, chlorine gas, bromine gas, ammonia gas, and mixtures thereof.
照射による不融化は室温で行うこともでき、必要であれ
ば50〜200°Cの温度範囲で加熱しながら行うこと
によって不融化をより短時間で達成させることもできる
。Infusibility by irradiation can be carried out at room temperature, and if necessary, infusibility can be achieved in a shorter time by heating in the temperature range of 50 to 200°C.
不融化は、無張力下で行うと、前記紡糸繊維は収縮のた
め波状の形を呈するようになるが、次工程の焼成工程で
矯正できる場合もあり、張力は必ずしも必要ないが、張
力を作用させる場合には、その張力の大きさは不融化時
に紡糸繊維が収縮して波状となることを少なくとも防止
できる以上の張力を作用させると良い結果が得られる。If infusibility is carried out without tension, the spun fibers will shrink and take on a wavy shape, but this can sometimes be corrected in the next firing process, and tension is not necessarily required. In this case, good results can be obtained if the tension is greater than that which can at least prevent the spun fibers from shrinking and becoming wavy during infusibility.
不融化の際に、作用させる張力としては、1〜500
g 7mm2の範囲が好ましく、Lg/mm2以下の張
力を作用させても繊維をたるませないような緊張を与え
ることができず、500 g 7mm2以上の張力を作
用させると繊維が切断することがある。The tension to be applied during infusibility is 1 to 500
A range of g 7 mm2 is preferable; even if a tension of Lg/mm2 or less is applied, it is not possible to apply tension that will not cause the fibers to slack, and if a tension of 500 g 7 mm2 or more is applied, the fibers may break. .
第4工程:
第3工程で得られる不融化糸を、真空あるいは不活性ガ
ス雰囲気中で800〜3000°Cの範囲の温度で焼成
することによって、主として炭素、珪素、酸素からなる
無機繊維が得られる。Fourth step: By firing the infusible yarn obtained in the third step at a temperature in the range of 800 to 3000°C in a vacuum or inert gas atmosphere, inorganic fibers mainly composed of carbon, silicon, and oxygen are obtained. It will be done.
焼成工程において、張力を作用させることば必ずしも必
要ないが0.001〜100Kg/mm2の範囲で張力
を作用させながら高温焼成すると屈曲を少なくした強度
の高い無機繊維を得ることができる。In the firing process, it is not necessarily necessary to apply tension, but high-temperature firing while applying tension in the range of 0.001 to 100 kg/mm2 makes it possible to obtain high-strength inorganic fibers with less bending.
加熱過程において、約700°Cから無機化が激しくな
り、約800°Cでほぼ無機化が完了するものと推定さ
れる。従って、焼成は、800°C以上の温度で行うこ
とが好ましい。また、3000°Cより高い温度を得る
には高価な装置を必要とする1
2
ため3000 ’Cより高温での焼成は、コスI・面か
らみて実際的でない。It is estimated that during the heating process, mineralization becomes intense from about 700°C and is almost completed at about 800°C. Therefore, the firing is preferably performed at a temperature of 800°C or higher. Moreover, since obtaining a temperature higher than 3000°C requires expensive equipment 1 2 , firing at a higher temperature than 3000°C is impractical from the viewpoint of cost I.
無機繊維■は以下の第1工程〜第4工程で製造すること
ができる。Inorganic fiber (1) can be produced in the following steps 1 to 4.
第1工程:
無機繊維I製造の第1工程の前駆重合体(1)の調製方
法と同様にして、有機珪素重合体とピッチより前駆重合
体(1)が調製される。First step: A precursor polymer (1) is prepared from an organic silicon polymer and pitch in the same manner as the method for preparing the precursor polymer (1) in the first step of producing inorganic fiber I.
次に、前駆重合体(1)と式MX、で示される遷移金属
化合物とを100〜500°Cの範囲の温度で反応させ
ランダム共重合体(2)を調製する。Next, the precursor polymer (1) and the transition metal compound represented by the formula MX are reacted at a temperature in the range of 100 to 500°C to prepare a random copolymer (2).
上記MX4において、MはTi、、Zr及びHfから選
択される少なくとも一種の元素であり、Xは縮合により
、Mが前駆重合体(1)の珪素と直接あるいは酸素原子
を介して結合し得るものであればよく、特に規定はない
が、ハロゲン原子、アルコキシ基又はβ−ジケトンのよ
うな錯体形成基が好ましい。In the above MX4, M is at least one element selected from Ti, Zr, and Hf, and X is an element that can bond with silicon of the precursor polymer (1) directly or via an oxygen atom through condensation. Although there is no particular limitation, a halogen atom, an alkoxy group, or a complex-forming group such as β-diketone is preferable.
反応温度が過度に低いと、前駆重合体(1)と式MX4
との縮合反応が進行せず、反応温度が過度に高いと、M
を介した前駆重合体(1)の架橋反応が過度に進行しゲ
ル化が起こったり、前駆重合体(1)自体が縮合し高分
子量化したり、あるいは、場合によってはMX4が揮散
し好ましくない。If the reaction temperature is too low, the precursor polymer (1) and the formula MX4
If the condensation reaction with M does not proceed and the reaction temperature is excessively high, M
The crosslinking reaction of the precursor polymer (1) may proceed excessively, resulting in gelation, or the precursor polymer (1) itself may condense and increase its molecular weight, or in some cases, MX4 may volatilize, which is undesirable.
−例として、MがTiで、XがOC4Hqの場合、反応
温度ば200〜400°Cが適している。- For example, when M is Ti and X is OC4Hq, a reaction temperature of 200 to 400°C is suitable.
この反応によって、前駆重合体(1)の珪素原子の少な
くとも一部を金属Mと直接あるいは酸素原子を介して結
合させたランダム共重合体(3)が調製される。Through this reaction, a random copolymer (3) in which at least some of the silicon atoms of the precursor polymer (1) are bonded to the metal M directly or via oxygen atoms is prepared.
金属Mは前駆重合体(1)の珪素原子に−MX3あるい
は−○−MX、のような結合様式で側鎖状に結合するこ
ともできるし、前駆重合体(1)の珪素原子に直接又は
酸素を介して架橋した結合様式もとり得る。The metal M can be bonded to the silicon atom of the precursor polymer (1) in the form of a side chain in a bonding manner such as -MX3 or -○-MX, or it can be bonded directly to the silicon atom of the precursor polymer (1) or A bonding mode in which the bond is cross-linked via oxygen may also be used.
ランダム共重合体(3)を調製する方法としては、前述
の方法以外に、有機珪素重合体とMX4を反応させ、得
られた生成物にピッチをさらに反応させて調製する方法
も可能である。In addition to the above-mentioned method, the random copolymer (3) can also be prepared by reacting an organosilicon polymer with MX4 and further reacting the resulting product with pitch.
第1工程においては最後にランダム共重合体(3)3
4
とメソフェーズ多環状芳香族化合物(2)を加熱反応及
び/又は加熱溶融して、金属含有多環状芳香族重合体を
調製する。In the first step, the random copolymer (3) 3 4 and the mesophase polycyclic aromatic compound (2) are finally reacted and/or heated and melted to prepare a metal-containing polycyclic aromatic polymer.
メソフェーズ多環状芳香族化合物(2)は、無機繊維■
製造の第1工程に記載の調製方法と同様にして調製され
る。Mesophase polycyclic aromatic compound (2) is an inorganic fiber ■
It is prepared in the same manner as the preparation method described in the first step of production.
メソフェーズ多環状芳香族化合物(2)は、融点が20
0〜400°Cの範囲にあり、また、重量平均分子量が
200〜10000である。The mesophase polycyclic aromatic compound (2) has a melting point of 20
The temperature is in the range of 0 to 400°C, and the weight average molecular weight is in the range of 200 to 10,000.
メソフェーズ多環状芳香族化合物の中でも、20〜10
0%、特に40〜100%の光学的異方性度を有し、3
0〜100%のベンゼン、トルエン、キシレン又はテト
ラヒドロフランに対する不溶分を含むものが、機械的性
能の優れた無機繊維■を得るために好ましい。Among mesophase polycyclic aromatic compounds, 20 to 10
0%, especially 40-100% optical anisotropy, 3
Those containing 0 to 100% of insoluble matter in benzene, toluene, xylene or tetrahydrofuran are preferred in order to obtain inorganic fibers (1) with excellent mechanical performance.
メソフェーズ多環状芳香族化合物(2)の使用割合はラ
ンダム共重合体(3) 100部当たり5〜50000
部、より好ましくは5〜10000部であり、5部未満
では、生成物におけるメソフェーズ含有量が不足するた
め、高弾性の焼成糸が得られず、また、50000部よ
り多い場合は、珪素成分の不足のため、マトリックスに
対する濡れ性、耐酸化性に優れた無機繊維が得られなく
なる。The usage ratio of the mesophase polycyclic aromatic compound (2) is 5 to 50,000 per 100 parts of the random copolymer (3).
parts, more preferably 5 to 10,000 parts; if it is less than 5 parts, the mesophase content in the product will be insufficient, making it impossible to obtain a highly elastic fired yarn; if it is more than 50,000 parts, the silicon component will be Due to the shortage, inorganic fibers with excellent matrix wettability and oxidation resistance cannot be obtained.
ランダム共重合体(3)とメソフェーズ多環状芳香族化
合物(2)とを200〜500°Cの温度範囲で加熱溶
融及び/又は加熱反応させることにより、ランダム共重
合体(3)の少なくとも一部がメソフェーズ多環状芳香
族化合物(2)と結合した金属含有多環状芳香族重合体
が得られる。ただし、ここで言う結合とは、珪素と多環
状芳香族化合物の炭素との化学結合及び/又はランダム
共重合体(2)中の珪素と化学結合した多環状芳香族環
部分とメソフェーズ多環状芳香族化合物との間のファン
デルワールス結合等の物理的結合を意味する。At least a portion of the random copolymer (3) is melted and/or heated and reacted with the random copolymer (3) and the mesophase polycyclic aromatic compound (2) in a temperature range of 200 to 500°C. A metal-containing polycyclic aromatic polymer in which is combined with the mesophase polycyclic aromatic compound (2) is obtained. However, the bond mentioned here refers to a chemical bond between silicon and carbon of a polycyclic aromatic compound, and/or a polycyclic aromatic ring moiety chemically bonded to silicon in the random copolymer (2) and a mesophase polycyclic aromatic compound. It means a physical bond such as a van der Waals bond between a group compound.
上記溶融混合温度が200°Cより低いと不融部分が生
じ、糸が不均一となり、無機繊維の強度、弾性率に悪影
響を及ぼし、また、溶融混合温度が500°Cより高い
と縮合反応が激しく進行し、生成重合体が高融点となり
、重合体の紡糸が著しく困難となる。If the above melt-mixing temperature is lower than 200°C, unmelted portions will occur, making the yarn non-uniform and having a negative effect on the strength and elastic modulus of the inorganic fibers.If the melt-mixing temperature is higher than 500°C, the condensation reaction will occur. The process progresses violently, and the resulting polymer has a high melting point, making it extremely difficult to spin the polymer.
5
6
金属含有多環状芳香族重合体を調製する方法としては、
前述の方法以外に、有機珪素重合体とピッチを反応させ
、得られた生成物にメソフェーズピッチとMX、を同時
に又は順次添加し、さらに反応させて調製する方法も可
能である。5 6 As a method for preparing a metal-containing polycyclic aromatic polymer,
In addition to the above-mentioned method, it is also possible to prepare a product by reacting an organosilicon polymer and pitch, adding mesophase pitch and MX simultaneously or sequentially to the resulting product, and further reacting.
金属含有多環状芳香族重合体の重量平均分子量は200
〜11000で、融点が200〜400°Cである。The weight average molecular weight of the metal-containing polycyclic aromatic polymer is 200
~11,000 and a melting point of 200-400°C.
第2工程:
第1工程で得られる金属含有多環状芳香族重合体である
紡糸ポリマーを前記した無機繊維■製造の第2工程と同
様にして紡糸する。2nd step: The spinning polymer, which is a metal-containing polycyclic aromatic polymer obtained in the 1st step, is spun in the same manner as in the 2nd step of producing the inorganic fiber (1) described above.
第3工程:
第2工程で得られる紡糸繊維を前記した無機繊維I製造
の第3工程と同様にして不融化する。Third step: The spun fiber obtained in the second step is made infusible in the same manner as in the third step of producing inorganic fiber I described above.
第4工程:
第3工程で得られる不融化系を、前記した無機繊維■製
造の第4工程と同様にして焼成することによって、主と
して炭素、M、珪素及び酸素からなる無機繊維IIが得
られる。4th step: By firing the infusible system obtained in the 3rd step in the same manner as in the 4th step of producing inorganic fibers ① described above, inorganic fibers II mainly consisting of carbon, M, silicon, and oxygen are obtained. .
なお、無機繊維■の構成成分C)であるSiM−C−0
物質の形態は、第1工程乃至第4工程で採用される製造
条件によって決定される。−船釣に言えば、第4工程で
の焼成温度が例えば1000°Cより低い場合、S i
、M、C,0からなる非晶質より実質的に構成される。In addition, SiM-C-0, which is the constituent component C) of the inorganic fiber
The form of the substance is determined by the manufacturing conditions employed in the first to fourth steps. - In terms of boat fishing, if the firing temperature in the fourth step is lower than 1000°C, Si
, M, C, 0.
一方、第4工程での焼成温度が例えば1700°C以上
の場合、実質的にβ−SiC,MC1βSiCとMCの
固溶体及びMC,X (ただし、0<x< 1 )から
なる粒径500Å以下の超微粒子及び5iny (ただ
し、0<y≦2)、MO,、(ただし、O<z≦2)か
らなる非晶質からなる集合体より実質的に構成される。On the other hand, when the firing temperature in the fourth step is, for example, 1700°C or higher, particles with a diameter of 500 Å or less that are substantially composed of β-SiC, MC1, a solid solution of βSiC and MC, and MC, It is substantially composed of an amorphous aggregate consisting of ultrafine particles and 5iny (however, 0<y≦2), MO, (however, O<z≦2).
上記温度の中間では、各集合体の混合系より構成されて
いる。また、無機繊維中の酸素量は、例えば第1工程に
おけるMX4の添加比率又は第3工程における不融化条
件により制御することができる。At an intermediate temperature, the system is composed of a mixed system of each aggregate. Further, the amount of oxygen in the inorganic fibers can be controlled, for example, by the addition ratio of MX4 in the first step or the infusibility conditions in the third step.
また、構成成分C)の分布状態は、焼成時の雰囲気や原
料中のメソフェーズの大きさ、濃度によ7
8
っても制御することができる。例えば、メソフェーズを
太き(成長させた場合、構成成分C)は繊維表面相に押
し出されやすくなる。Furthermore, the distribution state of component C) can also be controlled by the atmosphere during firing and the size and concentration of mesophase in the raw material. For example, a thicker mesophase (constituent C when grown) is more likely to be extruded into the fiber surface phase.
本発明において上記無機繊維I及び/または無機繊維■
と共にハイブリッド繊維を構成する繊維は炭素繊維、ガ
ラス繊維、ホロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維、
炭化珪素繊維、アラミド繊維、カーボンを芯線とする炭
化珪素繊維及び51−MC−〇繊維(MはTi又はZr
を示す)が挙げられる。In the present invention, the above-mentioned inorganic fiber I and/or inorganic fiber ■
The fibers that make up the hybrid fiber include carbon fiber, glass fiber, Holon fiber, alumina fiber, silicon nitride fiber,
Silicon carbide fibers, aramid fibers, silicon carbide fibers with a carbon core, and 51-MC-〇 fibers (M is Ti or Zr
).
上記のSi−M−C−0繊維は、
(i)Si、M、C1及びOから実質的になる非晶質、
又は
(ii)実質的にβ−SiC,MC,β−SiCとMC
の固溶体及びM C+−xの粒径が500Å以下の各結
晶質超微粒子、及び非晶質の5iOzとMC2からなる
集合体、又は
(iii )上記(1)の非晶質と上記(ii)の結晶
質超微粒子集合体の混合系、
(ただし、上式中のMはTi又はZrを示し、0<x<
1を示す)
からなる無機繊維である。この無機繊維は、例えば、特
公昭60−1405号公報、同58−5286号公報、
同60−20485号公報、同5944403号公報の
各明細書に記載の方法によって8周製することができる
。The above Si-M-C-0 fibers are (i) amorphous consisting essentially of Si, M, C1 and O;
or (ii) substantially β-SiC, MC, β-SiC and MC
A solid solution of MC+-x, each crystalline ultrafine particle with a particle size of 500 Å or less, and an aggregate consisting of amorphous 5iOz and MC2, or (iii) the amorphous of (1) above and (ii) above. A mixed system of crystalline ultrafine particle aggregates, (where M in the above formula represents Ti or Zr, and 0<x<
1) is an inorganic fiber consisting of This inorganic fiber is disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 60-1405, Japanese Patent Publication No. 58-5286,
Eight rounds can be produced by the method described in the specifications of Japanese Patent No. 60-20485 and Japanese Patent No. 5944403.
本発明のハイブリッド繊維を複合材の強化材として用い
る場合、繊維そのものを単軸方向、多軸方向に配合させ
る方法、あるいは手織、朱子織、模紗織、綾織、からみ
織、らせん織、三次元織物などの各種織物にして使用す
る方法、あるいはチョツプドファイバーとして使用する
方法等がある。When the hybrid fiber of the present invention is used as a reinforcing material for a composite material, the fiber itself may be blended in a uniaxial or multiaxial direction, or it may be used in hand-woven, satin-woven, simulated-woven, twilled, leno-woven, spiral-woven, or three-dimensional woven fabrics. There are methods of using it in various woven fabrics, such as, and methods of using it as chopped fiber.
ハイブリッド繊維中の無機繊維I及び/又は無機繊維■
の割合は10体積%以上、好ましくは20〜90体積%
である。10体積%より低いと、複合材料における無機
繊維によるマトリックスとの間の結合強さの向上、強化
効率の向上という本発明の目的とする機械的性質の改善
効果に乏しい。Inorganic fibers I and/or inorganic fibers in hybrid fibers■
The proportion of is 10% by volume or more, preferably 20-90% by volume.
It is. If it is less than 10% by volume, the effect of improving mechanical properties, which is the objective of the present invention, such as improving the bonding strength between the inorganic fibers and the matrix in the composite material and improving the reinforcing efficiency, is poor.
ハイブリッド繊維のハイブリッド状態を形態別にみると
(1)ある種の繊維の層と別種の繊維の層を積層した層
間ハイブリッド(2)一つの層の中ですで9
0
にハイブリッド化されている層内ハイブリットの2種類
が基本で、(3)それらの組合せがある。糾合せの主な
型は以下の6種である。Looking at the hybrid state of hybrid fibers by form: (1) interlayer hybrid in which a layer of one type of fiber is laminated with a layer of another type of fiber (2) intralayer hybridization that has already been hybridized to 90 within one layer There are basically two types of hybrids, and (3) combinations of them. There are six main types of binding:
(a)単層テープの積層(層単位で異質繊維を交互に積
層したもの)
(b)サンドウィッチ型(層単位で異質繊維をサンドウ
ィッチに積層したもの)
(c)リブ補強
(d)混繊トウ(単繊維単位で異質の繊維をハイブリッ
ドしたもの)
(e)混繊テープの積層(糸条単位で異質の繊維を層内
でハイプリントしたもの)
(f)混繊表層
本発明のハイブリッド繊維の複合材料中の含有割合は1
0〜70体積%が好ましい。上記含有割合が10体積%
より少ないとハイプリント繊維による補強効果が充分に
発現されず、また70体積%を超えるとマトリックスの
量が少ないため、ハイブリッド繊維の間隙を充分にマト
リックスで充填することができない。(a) Lamination of single-layer tape (layers of different fibers are alternately layered) (b) Sandwich type (layers of different fibers are layered in a sandwich) (c) Rib reinforcement (d) Mixed fiber tow (Hybrid of different fibers in single fiber units) (e) Lamination of mixed fiber tape (high printing of different fibers in each yarn layer) (f) Mixed fiber surface layer of the hybrid fiber of the present invention The content ratio in the composite material is 1
0 to 70% by volume is preferred. The above content is 10% by volume
If the amount is less than 70% by volume, the reinforcing effect of the high print fibers will not be sufficiently exhibited, and if it exceeds 70% by volume, the amount of matrix will be too small, making it impossible to sufficiently fill the gaps between the hybrid fibers with the matrix.
従来の炭素繊維に比べ本発明のハイブリッド繊維を強化
材として用いることは、以下のような利点がある。Compared to conventional carbon fibers, the use of the hybrid fiber of the present invention as a reinforcing material has the following advantages.
即ち、複合材料としての用途として、一部の面又は部分
としての優れた特性が要求される場合、例えば、複合材
表面の耐磨耗性が要求される場合、無機繊維■及び/又
は無機繊維■とボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊
維、炭化珪素繊維、カーホンを芯線とする炭化珪素繊維
または51−MC−0繊維とバイブリド化して用いるこ
とが有利であり、逆に潤滑性を要求される場合、無機繊
維■及び/又は無機繊維■と炭素繊維とをハイブリッド
することが有利である。また、ある方向にのみ引張強度
が要求される場合、高強度炭素繊維を強度方向に配列し
高強度化し、他の方向には無機繊維■及び/又は無機繊
維■で強化することにより圧縮破壊や眉間剥離を防止す
るといった方法も有効である。That is, when the use as a composite material requires excellent properties as a part or part, for example, when abrasion resistance of the composite material surface is required, inorganic fibers and/or inorganic fibers are used. It is advantageous to hybridize with boron fiber, alumina fiber, silicon nitride fiber, silicon carbide fiber, silicon carbide fiber with carphone core, or 51-MC-0 fiber, and on the contrary, lubricity is required. In this case, it is advantageous to hybridize inorganic fiber (1) and/or inorganic fiber (2) with carbon fiber. In addition, when tensile strength is required only in a certain direction, high strength carbon fibers can be arranged in the strength direction to increase the strength, and in other directions reinforced with inorganic fibers ■ and/or inorganic fibers ■ to prevent compression failure. It is also effective to prevent peeling between the eyebrows.
(効果)
本発明のハイブリッド繊維は、繊維強化プラス1
2
チック複合材料、繊維強化金属複合材料、繊維強化セラ
ミック複合材料(この繊維強化セラミック複合材料には
、主として炭素をマトリックスとする繊維強化炭素質複
合材料も含まれるものとする。(Effects) The hybrid fiber of the present invention includes a fiber-reinforced plus 1 2 composite material, a fiber-reinforced metal composite material, a fiber-reinforced ceramic composite material (this fiber-reinforced ceramic composite material mainly includes fiber-reinforced carbonaceous materials having carbon as a matrix). Composite materials are also included.
)等の複合材料の強化材として好適に使用することがで
きる。) can be suitably used as a reinforcing material for composite materials such as
例えば、本発明のハイブリッド繊維を用い得た繊維強化
プラスチツク複合材料は、眉間剪断強度に優れ、プラス
チングと繊維との間の結合強度に優れているため、長期
間の苛酷な環境下での使用に耐えるものである。For example, fiber-reinforced plastic composite materials obtained using the hybrid fibers of the present invention have excellent glabella shear strength and bond strength between plastics and fibers, so they can be used for long periods in harsh environments. It can withstand
本発明のハイブリッド繊維を用い得た繊維強化炭素質複
合材料は、炭素マトリックスとの接着性が改善されるた
め、高強度、高弾性にして靭性に優れた炭素質複合材料
であるとともに、耐磨耗性等実用上の機械特性も向上し
たものである。The fiber-reinforced carbonaceous composite material obtained using the hybrid fiber of the present invention has improved adhesion with the carbon matrix, so it is a carbonaceous composite material with high strength, high elasticity, and excellent toughness, as well as wear resistance. Practical mechanical properties such as wear resistance are also improved.
(実施例) 以下実施例によって本発明を説明する。(Example) The present invention will be explained below with reference to Examples.
参考例1 (無機繊維Iの製造)
51の三ロフラスコに無水キシレン2.5 I!、及び
ナトリウム400gを入れ、窒素ガス気流下でキシレン
の沸点まで加熱し、ジメチルジクロロシラン11を1時
間で滴下した。滴下終了後、10時間加熱還流し沈澱物
を生成させた。沈澱を濾過し、メタノールついで水で洗
浄して、白色粉末のポリジメチルシラン420gを得た
。Reference Example 1 (Manufacture of inorganic fiber I) Anhydrous xylene 2.5 I! , and 400 g of sodium were added, heated to the boiling point of xylene under a nitrogen gas stream, and dimethyldichlorosilane 11 was added dropwise over 1 hour. After the dropwise addition was completed, the mixture was heated under reflux for 10 hours to form a precipitate. The precipitate was filtered and washed with methanol and then water to obtain 420 g of white powder polydimethylsilane.
このポリジメチルシラン400gを、ガス導入管、攪拌
機、冷却器及び留出管を備えた3!の三ロフラスコに仕
込み、攪拌しながら50mff1/分の窒素気流下に4
20°Cで加熱処理して、留出受器に350gの無色透
明な少し粘性のある液体を得た。400 g of this polydimethylsilane was transferred to a 3-unit system equipped with a gas introduction pipe, a stirrer, a cooler, and a distillation pipe. The mixture was placed in a three-ring flask and heated under a nitrogen flow of 50mff1/min while stirring.
After heat treatment at 20°C, 350 g of a colorless and transparent slightly viscous liquid was obtained in a distillation receiver.
この液体の数平均分子量は藩気圧浸透法で測定したとこ
ろ470であった。The number average molecular weight of this liquid was 470 as measured by the Han pressure osmosis method.
この物質の赤外線吸収スペクI・ルを測定したところ、
650〜900cm−’と1250CT11−’に5i
CH,の吸収、2100cm−’に5i−IIの吸収、
102102O’付近と1355cm−’に5i−CH
2S1の吸収、2900cm−と2950cm−’にC
11の吸収が認められ、またこの物質の遠赤外線3
4
吸収スペクトルを測定したところ、380cnr1に5
i−3tの吸収が認められることから、得られた液状物
質は、主として(Si CHz)結合単位及び(Si
−3i)結合単位からなり、珪素の側鎖に水素原子及び
メチル基を有する有機珪素重合体であることが判明した
。When we measured the infrared absorption spectrum of this substance, we found that
5i for 650-900cm-' and 1250CT11-'
absorption of CH, absorption of 5i-II at 2100 cm-',
5i-CH near 102102O' and 1355cm-'
2S1 absorption, C at 2900 cm- and 2950 cm-'
11 absorption was observed, and when the far infrared 3 4 absorption spectrum of this material was measured, 5 at 380cnr1 was observed.
Since absorption of i-3t is observed, the obtained liquid material mainly consists of (Si CHz) bond units and (Si
-3i) It was found to be an organosilicon polymer consisting of bonding units and having a hydrogen atom and a methyl group in the silicon side chain.
核磁気共鳴分析及び赤外線吸収分析の測定結果から、こ
の有機珪素重合体は(Si C142)結合単位の全
数対(Si−3i)結合単位の全数の比率がほぼ1:3
である重合体であることが確認された。According to the measurement results of nuclear magnetic resonance analysis and infrared absorption analysis, the ratio of the total number of (Si C142) bond units to the total number of (Si-3i) bond units in this organosilicon polymer is approximately 1:3.
It was confirmed that the polymer was
上記有機珪素重合体300gをエタノールで処理して低
分子量物を除去して、数平均分子量が1200の重合体
40gを得た。300 g of the above organosilicon polymer was treated with ethanol to remove low molecular weight substances to obtain 40 g of a polymer having a number average molecular weight of 1200.
この物質の赤外線吸収スペクトルを測定したところ、上
記と同様の吸収ピークが認められ、この物質は主として
(S+ CHz)結合単位及び(Si−3i)結合単
位からなり、珪素の側鎖に水素原子及びメチル基を有す
る有機珪素重合体であることが判明した。When the infrared absorption spectrum of this substance was measured, absorption peaks similar to those above were observed, and this substance mainly consists of (S+ CHz) bond units and (Si-3i) bond units, and has hydrogen atoms and silicon side chains. It turned out to be an organosilicon polymer with methyl groups.
核磁気共鳴分析及び赤外線吸収分析の測定結果から、こ
の有機珪素重合体は(Si CH2)結合単位の全数
対(Si−3i)結合単位の全数の比率がほぼ7:1で
ある重合体であることが確認された。According to the measurement results of nuclear magnetic resonance analysis and infrared absorption analysis, this organosilicon polymer is a polymer in which the ratio of the total number of (Si CH2) bond units to the total number of (Si-3i) bond units is approximately 7:1. This was confirmed.
石油留分のうち、軽油以上の高沸点物をシリカ・アルミ
ナ系分解触媒の存在下、500 ’Cの温度で流動接触
分解・精留を行い、その塔底より残渣を得た。以下、こ
の残渣をFCCスラリーオイルと呼ぶ。Among the petroleum fractions, high-boiling substances higher than light oil were subjected to fluid catalytic cracking and rectification at a temperature of 500'C in the presence of a silica-alumina cracking catalyst, and a residue was obtained from the bottom of the column. Hereinafter, this residue will be referred to as FCC slurry oil.
このFCCスラリーオイルは、元素分析の結果、炭素原
子対水素原子の原子比(C/H)が0.75で、核磁気
共鳴分析による芳香炭素率が0.55であった。As a result of elemental analysis, this FCC slurry oil had an atomic ratio of carbon atoms to hydrogen atoms (C/H) of 0.75, and an aromatic carbon ratio of 0.55 as determined by nuclear magnetic resonance analysis.
上記FCCスラリーオイル200gを、2!/分の窒素
ガス気流下、450°Cで0.5時間加熱し、同温度に
おける留出分を留去後、残渣を200°Cにて熱時濾過
を行い、同温度における不融部を除去し、軽質骨除去ピ
ッチ57gを得た。200g of the above FCC slurry oil! Heating was performed at 450°C for 0.5 hour under a nitrogen gas flow of 1/2 min. After distilling off the distillate at the same temperature, the residue was filtered hot at 200°C to remove the infusible part at the same temperature. It was removed to obtain 57 g of light bone removed pitch.
この軽質骨除去ピッチは25%のキシレン不溶5 6 分を含む光学的に等方性のピッチであった。This light bone removal pitch is 25% xylene insoluble 5 6 It was an optically isotropic pitch containing a minute.
この軽質骨除去ピッチ57gに前記有機珪素重合体25
g及びキシレン20成を加え、攪拌しながら昇温し、キ
シレンを留去後、400°Cで6時間反応させ51.0
gのランダム共重合体を得た。The organic silicon polymer 25 was added to 57 g of this light bone removal pitch.
g and 20 g of xylene were added, the temperature was raised while stirring, the xylene was distilled off, and the mixture was reacted at 400°C for 6 hours.
A random copolymer of g was obtained.
この反応生成物は、赤外線吸収スペクトル測定の結果、
実施例1と同様、有機珪素重合体の珪素原子の一部が多
環状芳香族環と直接結合した部分を有するランダム共重
合体であることがわかった。As a result of infrared absorption spectrum measurement, this reaction product was found to be
As in Example 1, it was found that the organosilicon polymer was a random copolymer in which some of the silicon atoms were directly bonded to polycyclic aromatic rings.
また、この共重合体は、キシレン不溶部を含まず、重量
平均分子量が1400で、融点が265°Cで、軟化点
が310°Cであった。Further, this copolymer contained no xylene-insoluble portion, had a weight average molecular weight of 1400, a melting point of 265°C, and a softening point of 310°C.
一方、前記軽質骨除去ピッチ180gを窒素気流下、反
応により生成する軽質分を除去しながら400°Cで8
時間線重合を行い、熱処理ピッチ97.2gを得た。On the other hand, 180 g of the light bone removed pitch was heated at 400°C under a nitrogen stream while removing light components generated by the reaction.
Time-line polymerization was performed to obtain 97.2 g of heat-treated pitch.
この熱処理ピッチは融点263°C1軟化点308°C
、キシレン不溶分77%、キノリンネ溶分31%を含有
しており、研磨面の偏光顕微鏡観察による光学的異方性
が75%のメソフェーズ多環状芳香族化合物であった。This heat-treated pitch has a melting point of 263°C and a softening point of 308°C.
It was a mesophase polycyclic aromatic compound containing 77% xylene insoluble matter and 31% quinoline soluble matter, and had an optical anisotropy of 75% when observed with a polarizing microscope on the polished surface.
このメソフェーズ多環状芳香族化合物90gと前記ラン
ダム共重合体6.4gを混合し、窒素雰囲気下、380
°Cで一時間溶融加熱し、均一な状態にある珪素含有多
環状芳香族重合体を得た。90 g of this mesophase polycyclic aromatic compound and 6.4 g of the random copolymer were mixed, and the mixture was heated to 380 g under a nitrogen atmosphere.
The mixture was melted and heated at °C for one hour to obtain a silicon-containing polycyclic aromatic polymer in a uniform state.
この重合体は、融点が267°Cで、軟化点が315°
Cで、70%のキシレン不溶分を含んでいた。This polymer has a melting point of 267°C and a softening point of 315°C.
C and contained 70% xylene insoluble matter.
上記高分子量物を紡糸用原料とし、ノズル径0゜15m
mの金属製ノズルを用い、360°Cで溶融紡糸を行い
、得られた紡糸原糸を、空気中、300°Cで酸化、不
融化し、更にアルゴン雰囲気中、1300°Cで焼成を
行い、直径8μmの無機繊維を得た。The above high molecular weight material is used as the raw material for spinning, and the nozzle diameter is 0°15m.
Melt spinning was carried out at 360°C using a metal nozzle of 300°C, and the obtained spun yarn was oxidized and made infusible at 300°C in air, and then fired at 1300°C in an argon atmosphere. , an inorganic fiber with a diameter of 8 μm was obtained.
この繊維は引張強度が320 Kg/mm2、引張弾性
率26 t 7mm2であり、破壊面の観察よりあきら
かにラジアル構造であった。This fiber had a tensile strength of 320 Kg/mm 2 and a tensile modulus of 26 t 7 mm 2 , and it clearly had a radial structure from observation of the fracture surface.
この無機繊維を粉砕後、アルカリ溶融、塩酸処理を施し
、水溶液とした後高周波プラズマ発光分光分析(TCP
)を行った結果、珪素含有率は0゜95%であった。After pulverizing this inorganic fiber, it is melted with alkali and treated with hydrochloric acid to form an aqueous solution, which is then subjected to high-frequency plasma emission spectrometry (TCP).
), the silicon content was found to be 0.95%.
7
8
参考例2(無機繊維IIの製造)
参考例1で得られた軽質骨除去ピッチ57gに参考例1
で得た有機珪素重合体25g及びキシレン20m2を加
え、攪拌しながら昇温し、キシレンを留去後、400°
Cで4時間反応させ57.4 gの前駆重合体(1)を
得た。7 8 Reference Example 2 (Production of Inorganic Fiber II) Reference Example 1 was added to 57 g of the light bone removal pitch obtained in Reference Example 1.
Add 25 g of the organosilicon polymer obtained above and 20 m2 of xylene, raise the temperature while stirring, distill off the xylene, and heat to 400°
The mixture was reacted at C for 4 hours to obtain 57.4 g of precursor polymer (1).
この前駆重合体(1)は赤外線吸収スペクトル測定の結
果、有機珪素重合体中に存在する5i−H結合(I R
: 2100cnr’)の減少、及び新たな5i−C(
ヘンゼン環の炭素)結合(TR:1135cm−’)の
生成が認められることより有機珪素重合体の珪素原子の
一部が多環状芳香族環の炭素と直接結合した部分を有す
る重合体であることがわかった。As a result of infrared absorption spectrum measurement, this precursor polymer (1) was found to contain 5i-H bonds (I R
: 2100 cnr') and new 5i-C (
The formation of Hensen ring carbon) bonds (TR: 1135 cm-') indicates that the organosilicon polymer has a portion in which some of the silicon atoms are directly bonded to the carbon of a polycyclic aromatic ring. I understand.
前駆重合体(1)57.4 gにテトラオクトキシチタ
ン(T i (OCa H1J4〕3.87 gのキシ
レン可溶液(25%キシレン溶液15.5 g )を加
え、キシレン留去後、340°Cで1時間反応させ、ラ
ンダム共重合体(2) 56 gを得た。A xylene-soluble solution (25% xylene solution 15.5 g) of 3.87 g of tetraoctoxytitanium (Ti (OCa H1J4)) was added to 57.4 g of precursor polymer (1), and after the xylene was distilled off, the mixture was heated at 340°. C for 1 hour to obtain 56 g of random copolymer (2).
この重合体は、キシレン不溶部を含まず重量平均分子量
は1580、融点は258°C1軟化点292°Cであ
り、キシレン可溶であった。This polymer contained no xylene-insoluble portion, had a weight average molecular weight of 1580, a melting point of 258°C and a softening point of 292°C, and was soluble in xylene.
上記ランダム共重合体(2) 6.4 gと参考例1で
得られたメソフェーズ多環状芳香族化合物(2) 90
gを混合、窒素雰囲気下380°Cで1時間溶融加熱
し、均一な状態にある金属含有多環状芳香族重合体を得
た。6.4 g of the above random copolymer (2) and 90 g of the mesophase polycyclic aromatic compound (2) obtained in Reference Example 1
g were mixed and melted and heated at 380° C. for 1 hour under a nitrogen atmosphere to obtain a metal-containing polycyclic aromatic polymer in a uniform state.
この重合体の融点は264°Cで、軟化点307°C1
68%のキシレン不溶分を含んでいた。The melting point of this polymer is 264°C and the softening point is 307°C.
It contained 68% xylene insoluble matter.
上記高分子量物を紡糸用原料とし、ノズル径0゜15m
mの金属製ノズルを用い、360°Cで溶融紡糸を行い
、得られた紡糸原糸を、空気中、300°Cで酸化、不
融化し、更にアルゴン雰囲気中、1300°Cで焼成を
行い、直径7.5μmの無機繊維を得た。The above high molecular weight material is used as the raw material for spinning, and the nozzle diameter is 0°15m.
Melt spinning was carried out at 360°C using a metal nozzle of 300°C, and the obtained spun yarn was oxidized and made infusible at 300°C in air, and then fired at 1300°C in an argon atmosphere. , an inorganic fiber with a diameter of 7.5 μm was obtained.
この繊維は引張強度が358 kg/m2、引張弾性率
32 t 7mm2であり、破断面の走査型電子顕微鏡
を用いた観察より、結晶層が幾重にも重なった珊瑚様の
ランダムラジアル混在構造であった。This fiber has a tensile strength of 358 kg/m2 and a tensile modulus of 32 t/7 mm2, and observation of the fractured surface using a scanning electron microscope reveals that it has a coral-like random radial mixed structure with many overlapping crystal layers. Ta.
この無機繊維を粉砕後、アルカリ溶融、塩酸処9
0
理を施し、水溶液とした後高周波プラズマ発光分光分析
(ICP)を行った結果、珪素含有率は0゜95%、チ
タン含有率は0.06%であった。After pulverizing this inorganic fiber, it was subjected to alkali melting and hydrochloric acid treatment to form an aqueous solution and then subjected to high frequency plasma emission spectroscopy (ICP). As a result, the silicon content was 0.95% and the titanium content was 0.95%. It was 0.6%.
参考例3 (Si−Ti−C−0繊維の製造)ジメチル
ジクロロシランを金属ナトリウムで脱塩素縮合して合成
されるポリジメチルシラン100部に対しポリボロシロ
キサンを3部の割合で添加し、窒素中、350 ’Cで
熱縮合し、式(SiCH2)のカルボシラン単位から主
としてなる主鎖骨格を有し、該カルボシラン単位の珪素
原子に水素原子及びメチル基を有しているポリカルボシ
ランを8周製した。このポリカルボシランに、チタンア
ルコキシドを加えて、窒素中、340 ’Cで架橋重合
することにより、カルボシラン単位100部と弐(Ti
−0)のチタノキサ210部とからなるポリチタノカル
ボシランを得た。このポリマーを溶融紡糸し、空気中1
90°Cで不融化処理し、さらに引き続いて窒素中13
00°Cで焼成して、繊維径13μ、引張強度310
kg/mm2、弾性率16 t 7mm2(モノフィラ
メント法)の主として珪素、チタン、炭素及び酸素から
なるチタン元素3%含有の無機繊維を得た。得られた無
機繊維はSi−、Ti、C及びOからなる゛非晶質と、
β−3ic、TiC1β−SiCとTicの固溶体及び
T 1C1−X (ただし、0<x<1)の粒径が約
50人の各結晶質超微粒子及び非晶質のSiO□とT
i Ozからなる集合体との混合系からなる5iTi−
C−0繊維であった。Reference Example 3 (Production of Si-Ti-C-0 fiber) Polyborosiloxane was added at a ratio of 3 parts to 100 parts of polydimethylsilane synthesized by dechlorination condensation of dimethyldichlorosilane with metallic sodium, and nitrogen The polycarbosilane having a main chain skeleton mainly composed of carbosilane units of the formula (SiCH2) and having a hydrogen atom and a methyl group on the silicon atom of the carbosilane unit was thermally condensed at 350'C. Manufactured. Titanium alkoxide was added to this polycarbosilane and cross-linked polymerized at 340'C in nitrogen to form 100 parts of carbosilane units and 2 (Ti
A polytitanocarbosilane consisting of 210 parts of titanoxa-0) was obtained. This polymer was melt-spun and
Infusible treatment at 90°C followed by 13
Sintered at 00°C, fiber diameter 13μ, tensile strength 310
An inorganic fiber containing 3% of the titanium element mainly consisting of silicon, titanium, carbon and oxygen and having an elastic modulus of 16 t and 7 mm2 (monofilament method) was obtained. The obtained inorganic fiber is amorphous consisting of Si-, Ti, C and O;
β-3ic, TiC1β-SiC and Tic solid solution and T
5iTi- consisting of a mixed system with an aggregate consisting of iOz
It was C-0 fiber.
実施例1
ビスフェノールA型エポキシ樹脂(チバガイギー社製X
B2879A)100部及びジシアンジアミド硬化剤(
チバガイギー社製XB2879B)20部を均一に混合
した後に、混合物を重量比で1:1のメチルセロソルブ
とアセトンとの混合溶媒に溶解して、上記混合物の28
%溶液を調製した。Example 1 Bisphenol A epoxy resin (Ciba Geigy X)
B2879A) 100 parts and dicyandiamide curing agent (
After uniformly mixing 20 parts of XB2879B (manufactured by Ciba Geigy), the mixture was dissolved in a mixed solvent of methyl cellosolve and acetone at a weight ratio of 1:1, and 28 parts of the above mixture was dissolved.
% solution was prepared.
参考例1で得られた無機繊維Iに上記溶液を含浸した後
に、ドラムワインダーを用いて一方向に引き取り、熱循
環オーブン中100°Cで14分間加熱することによっ
て、半硬化状態の一方向に引1
2
き揃えられた無機繊維プリプレグシートを調製した。After the inorganic fiber I obtained in Reference Example 1 was impregnated with the above solution, it was pulled in one direction using a drum winder and heated in a heat circulation oven at 100°C for 14 minutes to make it in a semi-cured state in one direction. A prepared inorganic fiber prepreg sheet was prepared.
同様にして、表面処理をした炭素繊維(ポリアクリロニ
トリル系、繊維径7μ、引張強度300Kg/mm2、
引張弾性率24 t 7mm2)を用い半硬化状態の一
方向に引き揃えられた炭素繊維プリプレグシートを8周
製した。Similarly, surface-treated carbon fiber (polyacrylonitrile type, fiber diameter 7μ, tensile strength 300Kg/mm2,
Using a tensile modulus of elasticity of 24 t (7 mm2), a semi-cured carbon fiber prepreg sheet aligned in one direction was produced eight times.
このようにして得た無機繊維■と炭素繊維のプリプレグ
シートを軸方向を同じにして交互に積層した後ボッI・
プレスして、ハイブリッI−繊維(無機繊維/炭素繊維
)強化エポキシ複合材料を製造した。After the inorganic fibers and carbon fiber prepreg sheets obtained in this way were laminated alternately with the same axis direction, the
A hybrid I-fiber (inorganic fiber/carbon fiber) reinforced epoxy composite material was produced by pressing.
この複合材料の繊維含有率は無機繊維[30体積%、炭
素繊維30体積%、計60体積%てあった。The fiber content of this composite material was 30% by volume of inorganic fibers and 30% by volume of carbon fibers, 60% by volume in total.
得られた複合材料の0度方向の引張強度及び引張弾性率
はそれぞれ185Kg/mm2.16.3t。The tensile strength and tensile modulus of the obtained composite material in the 0 degree direction were each 185 Kg/mm2.16.3t.
/ m+n 2であり、0度方向の曲げ強度は185K
g/ mm 2であり、90度方向の曲げ強度は7.3
K g/mm2、層間剪断強度は8.1 K g 7
mm2、曲げ衝撃値は228 Kg −cm/c清であ
った。/ m+n 2, and the bending strength in the 0 degree direction is 185K
g/mm2, and the bending strength in the 90 degree direction is 7.3
K g/mm2, interlaminar shear strength is 8.1 K g 7
mm2, and the bending impact value was 228 Kg-cm/c.
比較例1
実施例1で用いた炭素繊維(ポリアクリコニ1−リル系
、繊維径7μ)のみを用い、実施例1と同様にして、半
硬化状態の一方向に引き揃えられた炭素繊維プリプレグ
シートを調製した。Comparative Example 1 Using only the carbon fibers used in Example 1 (polyacryliconi-1-lyl, fiber diameter 7μ), a semi-cured carbon fiber prepreg sheet aligned in one direction was prepared in the same manner as in Example 1. Prepared.
このプリプレグシートを、繊維軸を同じにして、積層し
た後、ホットプレスして、炭素繊維強化エポキシ複合材
料を製造した。この複合材料の繊維含有率は60体積%
である。得られた複合材料の0度方向の引張強度及び引
張弾性率ばそれぞれ150 K g 7mm2及び14
t 7mm2であり、0度方向の曲げ強度は、172
Kg/mm” 、90度方向の曲げ強度は6.2 K
g 7mm2、層間剪断強度は8゜1 K g 7mm
2、曲げ衝撃値は150 Kg −crn/crRであ
った。These prepreg sheets were laminated with the same fiber axis and then hot pressed to produce a carbon fiber reinforced epoxy composite material. The fiber content of this composite material is 60% by volume
It is. The tensile strength and tensile modulus of the obtained composite material in the 0 degree direction are 150 K g 7 mm2 and 14, respectively.
t is 7mm2, and the bending strength in the 0 degree direction is 172
Kg/mm”, bending strength in 90 degree direction is 6.2 K
g 7mm2, interlaminar shear strength is 8゜1K g 7mm
2. The bending impact value was 150 Kg-crn/crR.
実施例2
無機繊維Iの代わりに無機繊維■を用いた以外は実施例
1と同様にして繊維含有率が無機繊維30体積%、炭素
繊維30体積%、計60体積%の3
4
複合材料を製造した。得られた複合材料の0度方向の引
張強度及び引張弾性率はそれぞれ197Kg/mm”
、16.8 t 7mm2であり、0度方向の曲げ強度
は199Kg/mm2であり、90度方向の曲げ強度は
8.0 K g 7mm2、層間剪断強度は9.1Kg
/mm2、曲げ衝撃値は235Kg−cm/c111で
あった。Example 2 A 34 composite material with a fiber content of 30% by volume of inorganic fibers and 30% by volume of carbon fibers, 60% by volume in total, was prepared in the same manner as in Example 1 except that inorganic fibers (■) were used instead of inorganic fibers (I). Manufactured. The tensile strength and tensile modulus of the obtained composite material in the 0 degree direction were 197 Kg/mm, respectively.
, 16.8t 7mm2, the bending strength in the 0 degree direction is 199Kg/mm2, the bending strength in the 90 degree direction is 8.0Kg 7mm2, and the interlaminar shear strength is 9.1Kg
/mm2, and the bending impact value was 235 Kg-cm/c111.
実施例3
参考例1で得た無機繊維Iと参考例3で得た5i−Ti
−C−0繊維との混繊トウ(無機繊維Iと5i−Ti
−C−0繊維との体積割合は8:2であった。)より製
造した平織織物にレヅールタイプのフェノール樹脂(明
相化成■製MRW3000)のメタノール溶液に浸し引
き上げた後、メタノールを除去後、乾燥し、プリプレグ
シートを得た。このプリプレグシートより一辺が5印の
正方形シートを切り出し、金型中に重ね、200’C,
50kg/cm2でプLzスし、−y エ/ −ル樹脂
ヲ硬化させ、成形体を得た。この成形体を炭素粉末中に
埋め、窒素気流中5°C/hの昇温速度で1000°C
まで昇温し、無機繊維強化炭素複合材料を得た。Example 3 Inorganic fiber I obtained in Reference Example 1 and 5i-Ti obtained in Reference Example 3
-Mixed fiber tow with C-0 fiber (inorganic fiber I and 5i-Ti
The volume ratio with -C-0 fibers was 8:2. ) was soaked in a methanol solution of Resul type phenolic resin (MRW3000 manufactured by Meisho Kasei ■) and pulled up, the methanol was removed, and the fabric was dried to obtain a prepreg sheet. A square sheet with 5 marks on one side was cut out from this prepreg sheet, stacked in a mold, and heated to 20'C.
The -y/-el resin was cured by pressing at 50 kg/cm2 to obtain a molded body. This compact was buried in carbon powder and heated to 1000°C at a heating rate of 5°C/h in a nitrogen stream.
An inorganic fiber-reinforced carbon composite material was obtained.
この複合材に参考例1に記載のメソフェーズ多環状芳香
族化合物(2)の粉末を加え、オートクレーブ中、窒素
雰囲気下、350°Cに加熱し、熔融後、減圧し、気孔
中にメソフェーズ多環状芳香族化合物(2)を含浸させ
た後、100 kg/cm2で加圧含浸処理後、空気中
で、5°C/hの昇温速度で300°Cまで昇温し、不
融化後、1300°Cで炭素化した。上記メソフェーズ
多環状芳香族化合物(2)の含浸、炭素化をさらに3回
繰り返した。Powder of the mesophase polycyclic aromatic compound (2) described in Reference Example 1 was added to this composite material, heated to 350°C in a nitrogen atmosphere in an autoclave, and after melting, the pressure was reduced, and the mesophase polycyclic aromatic compound (2) was added into the pores. After being impregnated with the aromatic compound (2), the material was impregnated under pressure at 100 kg/cm2, heated to 300°C at a heating rate of 5°C/h in air, and then infusible to 1300°C. Carbonized at °C. Impregnation and carbonization with the mesophase polycyclic aromatic compound (2) were repeated three more times.
得られた複合材の嵩密度は、1.75 g /cry、
曲げ強度28kg/mm2、繊維体積含有率は60%で
あった。The bulk density of the obtained composite material was 1.75 g/cry,
The bending strength was 28 kg/mm2, and the fiber volume content was 60%.
この複合材の摩擦係数及び磨耗量を測定し、その結果を
第1表に示した。The friction coefficient and wear amount of this composite material were measured, and the results are shown in Table 1.
比較例2
引張強度300 kg/mmz、引張弾性率24 t/
mm2のポリアクリロニトリル系炭素繊維を強化材とし
た以外は実施例3と同様にしてC/Cコンポジッ5
6
トを製造した。このコンポジットの特性を第1表に示し
た。Comparative Example 2 Tensile strength: 300 kg/mmz, tensile modulus: 24 t/
A C/C composite was produced in the same manner as in Example 3, except that polyacrylonitrile carbon fiber of mm2 was used as the reinforcing material. The properties of this composite are shown in Table 1.
比較例3
参考例3に記載の5i−Ti−C−0繊維を強化材とし
た以外は実施例3と同様にして、5iTi−C−0/C
コンポジツトを製造した。このコンポジットの特性を第
1表・に示した。Comparative Example 3 5iTi-C-0/C
produced a composite. The properties of this composite are shown in Table 1.
第1表
摺動初速度 10〜20rn/sec押付圧力
5〜10kg/c禎第1表から明らかなように、
実施例3で得られた複合材の摩擦係数は0.4〜0.6
、磨耗量が0.6〜1. OX 10−’mm/5to
p/5urfであり、比較例2のC/Cコンポジットと
比べ耐磨耗性に優れている。Table 1 Initial sliding speed 10~20rn/sec Pressing pressure
5-10kg/c As is clear from Table 1,
The coefficient of friction of the composite material obtained in Example 3 is 0.4 to 0.6
, the amount of wear is 0.6 to 1. OX 10-'mm/5to
p/5urf, and has excellent abrasion resistance compared to the C/C composite of Comparative Example 2.
また、比較例3で得られたコンポジットは、摩擦係数が
0.8〜1.0と大きく、C/Cコンポジットに比べ摺
動性(自己潤滑性)に劣るのに対し、実施例3で得られ
た複合材は、C/Cコンポジットの摩擦係数と同程度で
あった。In addition, the composite obtained in Comparative Example 3 has a large friction coefficient of 0.8 to 1.0, and has inferior sliding properties (self-lubricating properties) compared to the C/C composite. The friction coefficient of the composite material was comparable to that of the C/C composite.
Claims (1)
ロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維、炭化珪素繊維
、アラミド繊維、カーボンを芯線とする炭化珪素繊維及
びSi−M−C−O繊維(MはTi又はZrを示す。)
からなる群から選ばれた少なくとも二種の繊維からなり
、かつ該繊維の構成成分として無機繊維 I 、無機繊維
IIの少なくとも一方を含有するハイブリッド繊維におい
て、上記無機繊維 I が珪素含有多環状芳香族重合体か
ら得られる無機繊維であって、その構成成分が、i)該
重合体を構成するメソフェーズ状態にある多環状芳香族
化合物から導かれるラジアル構造、オニオン構造、ラン
ダム構造、コアラジアル構造、スキンオニオン構造及び
モザイク構造からなる群から選ばれる少なくとも一種の
結晶配列状態を示す炭素質、 ii)該重合体を構成する光学的等方性の多環状芳香族
化合物から導かれる、無配向状態の結晶質炭素及び/又
は非晶質炭素、及び iii)Si、C及びOから実質的になる非晶質相及び
/又は粒径が500Å以下の実質的にβ−SiCからな
る結晶質超微粒子と非晶質の SiO_x(0<x≦2)からなる集合体であり、 構成元素の割合が、Si;30〜70重量%C;20〜
60重量%及びO;0.5〜10重量%であるSi−C
−O物質 よりなる無機繊維であり、 上記無機繊維IIがチタン、ジルコニウム及びハフニウム
からなる群から選ばれる少なくとも一種類の元素及び珪
素を含有する多環状芳香族重合体から得られる無機繊維
であって、その構成成分が、a)該重合体を構成するメ
ソフェーズ状態にある多環状芳香族化合物から導かれる
ラジアル構造、オニオン構造、ランダム構造、コアラジ
アル構造、スキンオニオン構造及びモザイク構造からな
る群から選ばれる少なくとも一種の結晶配列状態を示す
炭素質、 b)該重合体を構成する光学的等方性の多環状芳香族化
合物から導かれる、無配向状態の結晶質炭素及び/又は
非晶質炭素、及び c)(1)Si、M、C及びOから実質的になる非晶質
物質、及び/又は (2)実質的にβ−SiC、MC、β−SiCとMCの
固溶体及びMC_1_−_xからなる粒径が500Å以
下の結晶超微粒子と、非晶質のSiO_y及びMO_z
との集合体であり、 構成元素の割合がSi;5〜70重量%、M;0.5〜
45重量%、C;20〜40重量%及び0;0.01〜
30重量%である、Si−M−C−O物質(上記式中、
MはTi、Zr及びHfから選択される少なくとも一種
の元素であり、0<x<1、0<y≦2、0<z≦2で
ある。) よりなる無機繊維であることを特徴とするハイブリッド
繊維。[Claims] Inorganic fibers I, inorganic fibers II, carbon fibers, glass fibers, boron fibers, alumina fibers, silicon nitride fibers, silicon carbide fibers, aramid fibers, silicon carbide fibers with a carbon core, and Si-M- C-O fiber (M represents Ti or Zr)
consisting of at least two types of fibers selected from the group consisting of inorganic fibers I, inorganic fibers as constituent components of the fibers;
In a hybrid fiber containing at least one of II, the inorganic fiber I is an inorganic fiber obtained from a silicon-containing polycyclic aromatic polymer, and the constituent components thereof are i) in a mesophase state constituting the polymer; ii) a carbon material exhibiting at least one type of crystal orientation state selected from the group consisting of a radial structure, an onion structure, a random structure, a core radial structure, a skin onion structure, and a mosaic structure derived from a polycyclic aromatic compound; ii) the polymer; non-oriented crystalline carbon and/or amorphous carbon derived from the constituent optically isotropic polycyclic aromatic compound, and iii) an amorphous phase consisting essentially of Si, C and O; /Or an aggregate consisting of crystalline ultrafine particles substantially made of β-SiC with a particle size of 500 Å or less and amorphous SiO_x (0<x≦2), where the proportion of the constituent elements is Si;30~ 70% by weight C; 20~
Si-C which is 60% by weight and O; 0.5-10% by weight
-O substance, wherein the inorganic fiber II is an inorganic fiber obtained from a polycyclic aromatic polymer containing at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium, and hafnium and silicon. , the constituent components of which are selected from the group consisting of a) a radial structure, an onion structure, a random structure, a core radial structure, a skin onion structure, and a mosaic structure derived from a polycyclic aromatic compound in a mesophase state constituting the polymer; b) non-oriented crystalline carbon and/or amorphous carbon derived from an optically isotropic polycyclic aromatic compound constituting the polymer; and c) (1) an amorphous material consisting essentially of Si, M, C and O, and/or (2) consisting essentially of β-SiC, MC, a solid solution of β-SiC and MC, and MC_1_-_x crystalline ultrafine particles with a particle size of 500 Å or less, and amorphous SiO_y and MO_z
The proportion of the constituent elements is Si: 5-70% by weight, M: 0.5-70% by weight.
45% by weight, C: 20-40% by weight and 0: 0.01-
30% by weight of Si-M-C-O material (in the above formula:
M is at least one element selected from Ti, Zr, and Hf, and satisfies 0<x<1, 0<y≦2, and 0<z≦2. ) A hybrid fiber characterized by being an inorganic fiber consisting of.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2025278A JPH089807B2 (en) | 1990-02-06 | 1990-02-06 | Hybrid fiber |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2025278A JPH089807B2 (en) | 1990-02-06 | 1990-02-06 | Hybrid fiber |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03234820A true JPH03234820A (en) | 1991-10-18 |
| JPH089807B2 JPH089807B2 (en) | 1996-01-31 |
Family
ID=12161555
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2025278A Expired - Lifetime JPH089807B2 (en) | 1990-02-06 | 1990-02-06 | Hybrid fiber |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH089807B2 (en) |
-
1990
- 1990-02-06 JP JP2025278A patent/JPH089807B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH089807B2 (en) | 1996-01-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5277973A (en) | Carbon fibers having high strength and high modulus of elasticity and polymer composition for their production | |
| JP2547110B2 (en) | Hybrid fiber reinforced carbonaceous composite material | |
| JP2547112B2 (en) | Hybrid fiber reinforced carbonaceous composite material | |
| JP2547113B2 (en) | Hybrid fiber reinforced carbonaceous composite material | |
| JPH03234820A (en) | hybrid fiber | |
| JP2792180B2 (en) | brake | |
| JPH03112868A (en) | Fiber-reinforced carbonaceous composite material | |
| JPH03104926A (en) | High strength/high modulus inorganic fiber and method for producing the same | |
| JPH02277849A (en) | Fiber material for composite material and production thereof | |
| JP2547111B2 (en) | Heat resistant fiber reinforced inorganic composite material | |
| JPH03103475A (en) | Hybrid fiber reinforced plastic composite material | |
| JPH03103359A (en) | fiber reinforced carbon material | |
| JPH03109264A (en) | Fiber-reinforced carbonaceous composite material | |
| JPH038768A (en) | Fiber-reinforced carbonaceous composite material | |
| JPH03109265A (en) | Fiber reinforced carbonaceous composite material | |
| JPH0571612B2 (en) | ||
| JPH02289651A (en) | Hybrid fiber-reinforced plastic composite material | |
| JPH02229218A (en) | Inorganic fiber having high strength and high elastic modulus and production thereof | |
| JPH02289463A (en) | Fiber-reinforced carbon material | |
| JPH0317237A (en) | Inorganic fiber reinforced metal-matrix composite | |
| JP2547108B2 (en) | Fiber-reinforced carbonaceous composite material | |
| JPH0689257B2 (en) | Inorganic fiber reinforced plastic composite material | |
| JPH03232776A (en) | Heat-resistant fiber-reinforced inorganic composite material | |
| JPH03104831A (en) | Inorganic fiber reinforced metal matrix composite | |
| JPH02275758A (en) | Fiber-reinforced carbonaceous composite material |