JPH03287860A - 炭素繊維の製造方法 - 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］ 本発明は炭素繊維の製造方法、特に樹脂マトリックスと
の接着力に優れた炭素繊維の製造方法に関するものであ
る。

［従来の技術］ 炭素繊維は一般に各種樹脂マ）　ＩＪワックスからなる
複合強化材料として利用されているが、炭素繊維の特性
を複合材料に生かすには、樹脂との接着力が重要であり
、この接着力を改善することを目的として、気相酸化お
よび電解酸化など種々の表面処理が行われている。気相
酸化法は短時間処理が可能であり、水洗・乾燥等の工程
が省ける点が優れているものの（特公昭４５−１２８７
号公報、特公昭５２−５３０９２号公報）強度低下が起
こり易く、酸化ムラによる単繊維間のバラツキが大きい
という問題がある。一方、電解酸化は工業的に広く用い
られているが樹脂マトリックスとの接着力が不十分であ
り、さらに接着力を上げるために酸性電解質中で電解酸
化処理を行った後に、アルカリ性電解液中で電解処理を
行う方法等が提案されている（特開昭６３−８５１６７
号公報、特開昭６４−４５８６８号公報）が、表面処理
プロセスが複雑になるという問題がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の課題は、上記従来技術では達成し得なかった樹
脂マトリックスとの接着力に優れた炭素繊維を生産性よ
く製造する方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の上記課題は、炭素繊維を酸素含有雰囲気中で加
熱した後、電解処理することを特徴とする炭素繊維の製
造方法によって解決することができる。

本発明に用いられる炭素繊維としては、アクリル系、ピ
ッチ系、レーヨン系等の公知の炭素繊維を適用できる。

好ましくは高性能な炭素長繊維が得られ易いアクリル系
あるいはピッチ系炭素繊維がよい。

焼成温度については１０００〜２０００℃で焼成した炭
化糸および２０００〜３３００℃で焼成した黒鉛化糸の
いずれにも適用できる。

繊維束としては、１００〜１０００００デニール、好ま
しくは生産性の面から３０００〜１０００００デニール
がよい。繊維束が太（なるほど処理による束の内外差が
大きくなる傾向があるので、酸素含有雰囲気での単繊維
間バラツキを小さくするために、糸束を開繊し、糸束断
面の短径と長径の比を好ましくは２以上、より好ましく
は５以上にするのがよい。この場合の開繊方法としては
Ｖ溝よりもＵ溝のようなできるだけ底の平らで広い溝ロ
ーラーあるいは平ローラーを使用し、好ましくは凸型あ
るいは平型ガイドと組み合わせるのが効果的である。更
に好ましくはガイドに低周波あるいは超音波などの振動
を加えるのがよい。

本発明においては、まず上記のような炭素繊維を酸素含
有雰囲気中で加熱処理を行う。この場合の酸素含有雰囲
気とは、空気、酸素、水蒸気、オゾン、酸化窒素等から
選ばれた１種あるいは２種以上の混合ガスを含む雰囲気
をいうが、空気が最も一般的である。またこれらの酸素
含有雰囲気には、不活性ガス例えばアルゴン、窒素、ヘ
リウム、あるいは酸化ムラを抑えるための塩素等を混合
してもよい。

加熱処理時の加熱温度は好ましくは２００〜１０００℃
、より好ましくは４００〜７００℃がよい。２００℃よ
り低い温度では熱処理量が少なく加熱時間が長くなり、
また１０００℃を越えると強度低下や強度のバラツキが
生じ易いことがある。

処理時間については数秒〜１５分、好ましくは２０秒〜
２分がよいが、処理温度との組合せで最適化することが
好ましい。

処理張力は、好ましくは緊張下、より好ましくは０°１
〜１０ｇ／ｄ（デニール）程度がよい。

次に、本発明方法は炭素繊維を酸素含有雰囲気中で加熱
した後、電解処理を行う。

この場合の電解液としては、酸性、アルカリ性いずれも
採用できるが、特に樹脂マトリックスとの接着力向上効
果に優れたアルカリ性電解液が好ましい。

アルカリ性電解液としてはｐＨが７〜１４、より好まし
くは電解力の強いｐＨ１０〜１４の水溶液がよい。具体
的には水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナ
トリウム、炭酸水素ナトリウム等の無機塩類、酢酸ナト
リウム、安息香酸ナトリウム等の有機塩の水溶液、これ
らのカリウム塩、バリウム塩あるいは他の金属塩、さら
にアンモニアおよびアンモニウム塩等が挙げられるが、
好ましくは樹脂マトリックスとの接着力に特に優れた水
酸化テトラエチルアンモニウム（ＥＡＨ）がよい。

電解液の濃度としては、好ましくは０．０１〜５モル１
５より好ましくは０．１〜１モル／Ｉがよい。

電解温度としては好ましくは０〜１００℃、より好まし
くは電解液が取り扱い易くまた液相として安定している
５〜８０°０１更に好ましくは処理設備を簡単にできる
室温がよい。

電気量は被処理炭素繊維の焼成温度に合わせて最適化す
るが、好ましくは５〜５００Ｃ／ｇ　（炭素繊維１ｇ当
りのクーロン数）、より好ましくは２０〜２００　Ｃ／
ｇの範囲で設定するのがよい。

電解電圧は好ましくは０，５〜２５Ｖ１より好ましくは
安全を考慮してＩＯＶ未満がよい。

電解処理時間は電気量、電解質濃度により最適化すべき
であるが、生産性の面から数秒〜１０分、好ましくは１
０秒〜２分程度がよい。

電解処理方法としてはバッチ式、連続式いずれでもよい
が、生産性がよくバラツキが小さくできｌる連続式が好
ましい。

通電方法としては直接通電、間接通電のいずれも採用す
るこ・とができる。

なお、本発明における炭素繊維には、上記の電解処理に
先立ち、水洗および乾燥を施すことができる。

また電解処理後の炭素繊維は、必要に応じてサイジング
処理を施し、長繊維のまま、あるいは短繊維にして補強
材として用い、複合材料とすることができる。

［実施例コ 以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

なお、本発明に於けるストランド強度および層間剪断強
度（ＩＬＳＳ）は以下の方法により求めた。

ストランド強度は、炭素繊維束を”ベークライト”ＥＲ
Ｌ４２２１樹脂／三フッ化ホウ素モノエチルアミン（Ｂ
Ｆ、　　・ＭＥＡ）／アセトン＝１００／３／４部に含
浸し、得られた樹脂含浸ストランドを１３０℃で３０分
間加熱して硬化させ、Ｊｔｓ−Ｒ−７６０１に規定する
樹脂含浸ストランド試験法に従って測定した値を用いた
。

ＩＬＳＳは、炭素繊維束を”ペトロケミカルズ”Ｅｐ８
２８樹脂／ＢＦ、　　・ＭＥＡ／アセトン＝１００／３
／４部に含浸し、ＡＳＴＭ−Ｄ２３４４に規定する方法
で測定した値を用いた。

実施例１．比較例１ アクリロニトリル（ＡＮ）９９．４モル％とメタクリル
酸０．６モル％からなる共重合体を用いて、乾湿式紡糸
法により単繊維デニール０．７ｄ。

フィラメント数１２０００のアクリル系繊維を得た。得
られた繊維束を２４０〜２８０℃の空気中で、延伸比１
．０５で加熱し、耐炎化繊維に転換し、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１０％の延伸を行なった後、１６００℃まで
焼成した。

得られた炭素繊維を、５００℃の空気雰囲気電気管状炉
内に滞留時間２分でＵ溝ローラーと平型ガイドを用いて
糸束を広げながら連続的に供給し加熱処理した後、引き
続き０．１モル／ｌのＥＡＨ水溶液中、電気量４０Ｃ／
ｇで電解酸化処理を行った。得られた炭素繊維のストラ
ンド強度は６５０ｋｇ／肛２であり、ＩＬＳＳは８．７
ｋｇ／ｍｍ２であった。空気中加熱処理のみ施した炭素
繊維のストランド強度およびＩＬＳＳはそれぞれ、６５
５ｋｇ／ｗ２，６．０ｋｇ／ｗ２であり、アルカリ電解
処理を組み合わせることによりＩＬＳＳが大幅に向上し
たことがわかる。

実施例２〜４．比較例２〜４ 実施例１において処理条件を表１のように変更した以外
は、実施例１と同様に処理して炭素繊維を得た。得られ
た炭素繊維の特性を表１に示した。

実施例５．比較例５〜６ 実施例１で得られた処理前の炭素繊維をさらに窒素雰囲
気中２４００℃まで黒鉛化した炭素繊維を用いて、空気
中６５０℃で２分間加熱処理した後、引き続き０．１モ
ル／ｌのＥＡＨ水溶液中、電気量８０Ｃ／ｇで電解酸化
処理を行った。得られた炭素繊維のストランド強度は５
０５　ｋｇ／ｍｅ２でＩ　ＬＳＳは７　、　’５　ｋｇ
／ｍｍ’であった。６５０℃の空気中加熱処理のみでは
５１０ｋｇ／ｍｍ’　、　　６゜８ｋｇ／皿’、ＥＡＨ
電解処理のみでは５０５ｋｇ／ｍｍ２．５．４ｋｇ／＋
ｎｍ’であり、本発明の方法によりＩＬＳＳが大幅に向
上した。

（以下、余白） ［発明の効果］ 本発明により、従来技術では達成し得なかった樹脂マト
リックスとの接着力向上効果に優れた、すなわちＩＬＳ
Ｓが本発明処理により従来処理に比べて３　、０　ｋｇ
　／１ｍ　２以上も大幅に向上する炭素繊維製造方法が
可能になった。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素繊維を酸素含有雰囲気中で加熱した後、電解
   処理することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
2. （２）酸素含有雰囲気中の加熱処理後の電解処理をアル
   カリ性水溶液中で行うことを特徴とする請求項１記載の
   炭素繊維の製造方法。