JPH03260109A - 気相成長炭素繊維混入有機繊維 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は繊維強化プラスチック、繊維強化セメント等に
利用しうる気相成長カーボンウィスカー混入有機繊維に
関するものである。

〔従来の技術］ 有機繊維中に無機物の繊維を混入して紡糸し繊維化する
ことは既に知られている。例えば特公昭５２−３０６０
８号公報には、有機繊維中に長さ／直径の比がｌＯ〜１
０００でかつ直径が２０μ以下である繊維状無機物質が
３〜４０重量％含まれ、該繊維状無機物質が少なくとも
２倍の延伸によって該有機繊維の軸方向にほぼ配向して
いるものが開示されている。

また、特開昭５２−１２１５２３号公報には、多数のウ
ィスカーと溶融マトリックス材の混合体を細孔ノズルに
連続して導入し上記細孔ノズル付近の上記混合体中に流
速勾配を生せしめることにより上記溶融マトリックス材
の中にウィスカーを一様に配向させる段階と、上記細孔
ノズルを出た上記溶融マトリックス材と上記ウィスカー
よりなる繊維状の混合体を冷却する段階よりなるウィス
カー強化混合繊維の製造方法が開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、ウィスカーを複合材の強化繊維として使用す
る場合にはマトリックス中に均一に分散させる必要があ
る。しかしウィスカーは径が細いため繊維同士が絡まり
ファイバーボールを形威し易く均一分散しないため補強
効果が出にくい、また、ウィスカーの径は細いため絶対
強度（強力）が小さく取り扱いが困難である。

（１１題を解決するための手段〕 本発明はこのような問題点を解決するべくなされたもの
であり、気相成長カーボンウィスカーが長繊維で導電性
にすぐれるなど種々優れた特性を有していることに着目
し、このウィスカーを繊維形成能を有する有機重合体と
ともに紡糸することによりウィスカーの破損を最小限に
抑えて補強効果を大きく引き出しうることを見出してな
されたものである。

すなわち、本発明は長さ／直径の比が１０〜５０００で
かつ直径が５ｎ以下である気相成長カーボンウィスカー
１．５〜８０重量％含んでいる有機繊維に関するもので
ある。

カーボンウィスカーば気相法で得られたものであり、炭
素源はメタン、アセチレン、ベンゼン、トルエン等のほ
かコークス炉からの副産物である粗軽油類、カルボン油
、ナフタリン、中油、アントラセン油、重油、ピッチ、
コールタール、これらの水素化物、これらの混合物等で
あってもよい。

さらに、ヘテロ原子を有するものも使用可能であり、例
えばチオフェン類、チオール類及びチオフェノール類を
用いることができる。触媒源としてはフェロセン、鉄ア
セチルアセテート塩、ジ（インデニル）鉄（ＩＦ）等の
有機鉄化合物のほか、その他の遷移金属、例えばチタン
、バナジウム、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル
、ルビジウム、ロジウム、タングステン、パラジウム等
の有機化合物が用いられる。上記の炭素源ガスと触媒源
ガスをキャリヤーガスで搬送して６００−１３００°Ｃ
で加熱することによってカーボンウィスカーが形威され
る。キャリヤーガスは上記の原料ガスを搬送するほか系
内を還元性雰囲気に保つ機能も要求され、そのために水
素ガス等が使用されるが、製鋼工場から排出される転炉
ガスは高温の還元性ガスであり、これを用いることによ
って良質のカーボンウィスカーを安価に製造することが
できる。

本発明で使用されるカーボンウィスカーの直径は０．１
〜５−程度、好ましくは１〜３−程度、そして長さは直
径の比が１０〜５０００程度、好ましくは５０〜３００
０程度である。長さ／直径の比が１０未満では補強効果
が不充分になり、一方、長さ／直径の比が５０００を越
えると有機重合体への混入性が悪く紡糸が困難になる。

有機繊維におけるカーボンウィスカーの含有量は１．５
〜８０重量％程度、好ましくは２〜５０重量％程度であ
る。１．５重量％未満では補強効果が不充分になり、一
方、８０重量％を越えると有機重合体への混入性が悪く
紡糸が困難になる。

有機重合体は繊維形成能を有するものであればよく、例
えばポリビニルアルコール、ポリアクリリロニトリル、
ナイロン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビ
ニル、ポリエステル等から適宜選択される。

紡糸方法は公知の方法によればよく、溶融押出法、湿式
紡糸法等を利用できる。しかしながら、本発明の有機繊
維の紡糸には湿式法が好ましく、この方法によってカー
ボンウィスカーの折損を最小限にとどめかつ簡単に均一
分散させることができる。湿式法における有機重合体の
熔解、濃度等は常法と同様でよい。紡糸後は延伸するこ
とが好ましく、それによってカーボンウィスカーを軸方
向への配向性及び引張強度を向上させることができる。

このようにして得られる有機繊維の径は１５〜５００μ
程度、好ましくは３０〜３００ｎ程度が適当である。繊
維径が１５Ｑ未満ではファイバーポールが形威しやすく
、一方、５００　ｎを越えるとカーボンウィスカーが軸
方向に配向しなくなる。

〔作用〕 カーボンウィスカーを有機重合体とともに紡糸すること
により折損させずに配向させることに成功した。

〔実施例〕

実施例１ 十分に精製し残留酢酸ナトリウムを除いたケンカ度９９
．６モル％、重合度１５００のポリビニルアルコール粉
末を緩やかに撹はんしている精製ジメチルスルホキシド
に室温で少しずつ加え分散溶解し２０重量％の均質な分
散溶液を作った。次いで、これに直径２ｎ、長さ３ｍ（
アスペクト比１５００）の気・相戒長カーボンウィスカ
ーを加えて混合した。加えた気相成長カーボンウィスカ
ーの量はポリビニルアルコールに対して２５重量％であ
った。気相成長カーボンウィスカーを分散させた後８０
°Ｃ１１時間加熱してポリビニルアルコールを完全に溶
解させるとともに気相成長カーボンウィスカーを十分に
分散させた。

この溶液を孔径０．５鵬の紡糸ノズルから２５℃のアセ
トン凝固浴中に紡糸し凝固糸を得た。この凝固糸を２０
０℃の熱板で延伸し直径０．１５■の延伸糸を得、これ
を２３０°Ｃで熱処理した。この熱処理系を繊維軸に対
して直角方向に切断し切断面を走査型電子顕微鏡で観察
したところ気相成長カーボンウィスカーはこの繊維の繊
維軸方向に十分に配向していることが確かめられた。ま
た、ポリビニルアルコールと気相成長カーボンウィスカ
ーとは密着しており親和性も良好であり、しかも繊維中
の気相成長カーボンウィスカーは混合や延伸で何の損傷
も受けていないことがわかった。この繊維の引張強度は
１８４ｋｇ／ｍｓ”で弾性率は１０ｔ／ａｎ”であった
。

この繊維を長さ６■に切断して、普通ポリトランドセメ
ント、シラスバルーンと乾式混練したところこの繊維を
長さ６■に切断してファイバーボールを形成することも
なく均一に分散した。また、糸の破損も見られなかった
。

水セメント比＝０．６２、骨材セメント比＝０．２４、
繊維混入量を２．０ｖｏ１％に調整し軽量モルタルを作
った。養生方法は成形後２０℃、６５％ＲＨの養生室内
で静置した後、６日間２５℃水中養生を行った１本モル
タルの曲げ強度は１３１ｋｇ／ｃｊであった。

実施例２ 十分に精製し残留酢酸ナトリウムを除いたケンカ度９９
．５モル％、重合度１７５０のポリビニルアルコール粉
末を緩やかに撹はんしている精製ジメチルスルホキシド
に室温で分散溶解し工５重量％の均質な分散溶液を作っ
た。次いで、これに直径２ｎ、長さ３■（アスペクト比
１５００）の気相成長カーボンウィスカーを加えて混合
した。加えた気相成長カーボンウィスカーの量はポリビ
ニルアルコールに対して１５重量％であった。気相成長
カーボンウィスカーを分散させた後８０°Ｃ１１時間加
熱してポリビニルアルコールを完全に溶解させるととも
に気相成長カーボンウィスカーを十分に分散させた。

この溶液を孔径０．２　ｗａの紡糸ノズルから２０’Ｃ
のメタノール凝固浴中に紡糸し凝固糸を得た。この凝固
糸を２００℃の熱板で延伸しさらに２４０’Ｃで熱処理
し直径０．０８鵬の延伸熱処理系を得た。この延伸熱処
理系を繊維軸に対して直角方向に切断し切断面を走査型
電子顕微鏡で観察したところ気相成長カーボンウィスカ
ーはこの繊維の繊維軸方向に十分に配向していることが
確かめられた。また、ポリビニルアルコールと気相成長
カーボンウィスカーとは密着しており親和性も良好であ
り、しかも繊維中の気相成長カーボンウィスカーは混合
や延伸で何の損傷も受けていないことがわかった。

この繊維の引張強度は１５３ｋｇ／＋ｎ”で弾性率は９
．５ｔ／鼎２であった。この繊維を長さ６ｗａに切断し
てモルタルと乾式混練したところ、ファイバーボールを
形成することもなく均一に分散した。また、糸の破損も
見られなかった。

実施例３ 十分に精製し残留酢酸ナトリウムを除いたケンカ度９９
．０モル％、重合度１０００のポリビニルアルコール粉
末を緩やかに撹はんしている精製ジメチルスルホキシド
に室温で分散溶解し２５重量％の均質な分散溶液を作っ
た０次いで、これに直径２ｎ、長さ１ｍ（アスペクト比
５００）の気相成長カーボンウィスカーを加えて混合し
た。加えた気相成長カーボンウィスカーの量はポリビニ
ルアルコールに対して７８重量％であった。気相成長カ
ーボンウィスカーを分散させた後８０℃、１時間加熱し
てポリビニルアルコールを完全に溶解させるとともに気
相成長カーボンウィスカーを十分に分散させた。

この溶液を孔径０．６５ｍの紡糸ノズルから２０℃のメ
タノール凝固浴中に紡糸し凝固糸を得た。この凝固糸を
２００°Ｃの熱板で延伸し２３５°Ｃの熱板で熱処理を
行い直径０．１８園の延伸熱処理系を得た。この延伸熱
処理系を繊維軸に対して直角方向に切断し切断面を走査
型電子顕微鏡で観察したところ気相成長カニボンウィス
カーはこの繊維の繊維軸方向に十分に配向していること
が確かめられた。また、ポリビニルアルコールと気相成
長カーボンウィスカーとは密着しており親和性も良好で
あり、しかも繊維中の気相成長カーボンウィスカーは混
合や延伸で何の損傷も受けていないことがわかった。

この繊維の引張強度は１８７ｋｇ／ａｍ”で弾性率は２
８ｔ／−■１であった。この繊維を長さ６ｍに切断して
モルタルと乾式混練したところ、ファイバーボールを形
成することもなく均一に分散した。また、糸の破損も見
られなかった。

実施例４ 十分に精製し残留酢酸ナトリウムを除いたケンカ度９９
．０モル％、重合度１７５０のポリビニルアルコール粉
末を緩やかに撹はんしている精製ジメチルスルホキシド
に室温で分散溶解し２０．２重量％の均質な分散溶液を
作った。次いで、これに直径１．５ｎ１長さ１−（アス
ペクト比６７０）の気相成長カーボンウィスカーを加え
て混合した。加えた気相成長カーボンウィスカーの量は
ポリビニルアルコールに対して５８重量％であった。気
相成長カーボンウィスカーを分散させた後８０°Ｃ，１
時間加熱してポリビニルアルコールを完全に溶解させる
とともに気相成長カーボンウィスカーを十分に分散させ
た。

この溶液を孔径０．１５ｍｍの紡糸ノズルから２０°Ｃ
の硫酸ナトリウム水溶液を凝固浴とする凝固浴中に紡糸
し凝固させ、この凝固糸を凝固にひき続き多段凝固延伸
熱処理して直径０．０９ａｍの延伸熱処理系を得た。こ
の繊維を繊維軸に対して直角方向に切断し切断面を走査
型電子顕微鏡で観察したところ気相成長カーボンウィス
カーは繊維の繊維軸方向に十分に配向していることが確
かめられた。また、ポリビニルアルコールと気相成長カ
ーボンウィスカーとは密着しており親和性も良好であり
、しかも繊維中の気相成長カーボンウィスカーは混合や
延伸で何の損傷も受けていないことがわかった。

この繊維の引張強度は１７７ｋｇ／ｍｍ”で弾性率は１
７ｔ／ｌｌｌｍ２であった。この繊維を長さ６圓に切断
してモルタルと乾式混練したところ、ファイバーボール
を形成することもなく均一に分散した。また、糸の破損
も見られなかった。

実施例５ ジメチルスルホキシドを溶媒としアゾビスイソブチロニ
トリルを重合開始剤として溶液重合しアクリロニトリル
９５．７モル％、アクリル酸メチル４モル％、スチレン
スルホン酸ナトリウム０．３モル％共重合体をえた。共
重合体の重合度は３７，０００、溶液濃度は２５重量％
であった。この溶液に直径２μ、長さ３■（アスペクト
比１５００）の気相成長カーボンウィスカーを加えて混
合した。加えた気相成長カーボンウィスカーの量はアク
リル共重合体に対して３５重量％であった。気相成長カ
ーボンウィスカーの混合分散は均一であった。この溶液
を紡糸原液とし孔径０．１　ｉｗの紡糸ノズルを用いジ
メチルスルホキシド／水系紡糸浴で多段凝固、延伸法に
よる紡糸を行い延伸糸を得た。この延伸糸を１３０℃で
乾燥しち密化した。この繊維を繊維軸に対して直角方向
に切断し切断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ気
相成長カーボンウィスカーは繊維の繊維軸方向に十分に
配向していることが確かめられた。また、アクリル共重
合体と気相成長カーボンウィスカーとは密着しており親
和性も良好であり、しかも繊維中の気相成長カーボンウ
ィスカーは混合や延伸で何の損傷も受けていないことが
わかった。この繊維の引張強度は８０）ｃｇ／ｍｍ”で
弾性率は７．５ｔ／ａｒｍ”であった。この繊維を長さ
６閣に切断してモルタルと乾式混練したところ、ファイ
バーボールを形成することもなく均一に分散した。また
、糸の破損も見られなかった。

実施例１と同様に軽量モルタル（ｖｆ＝１．５％）を作
り、曲げ強度を調べたところ９０ｋｇ／ｃｉｆであった
。

〔発明の効果〕

本発明の繊維はカーボンウィスカーの折損が少なく、カ
ーボンウィスカーの配向性も良好であり、高強度、高弾
性、低熱収縮性である。しかもモルタル等のマトリック
ス中に容易に均一に分散させることができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）長さ／直径の比が１０〜５０００でかつ直径が５
   μｍ以下である気相成長カーボンウィスカーを１．５〜
   ８０重量％含んでいる有機繊維
2. （２）有機繊維が少なくとも１．１５倍以上延伸され、
   該ウィスカーが該繊維の軸方向に配向していることを特
   徴とする請求項（１）に記載の有機繊維（３）有機繊維
   直径が１５〜５００μｍである請求項（１）に記載の有
   機繊維