JPH0465572A - 炭素繊維の表面酸化処理方法及び処理装置 - 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、炭素繊維の表面酸化処理方法およびその装置
に関するものである。

従来の技術 炭素繊維強化プラスチック（ＣＦ　ＲＰ）は、その比強
度、比剛性の大きさを生かし、航空・宇宙分野をはじめ
、スポーツ・レジャー分野、一般産業分野など、様々な
分野で用いられている素材である。

このＣＦＲＰの性質は、強化材である炭素繊維の性質の
他、母材と炭素繊維との親和性に大きく左右される。そ
こで、一般には、炭素繊維を表面酸化することにより、
表面に官能基を導入し、母材と炭素繊維との親和性、接
着性を向上させることが行われる。

表面酸化の方法としては、空気などの酸化性雰囲気中で
加熱する方法、濃硝酸などの酸化性液体に浸漬する方法
、電解液中で炭素繊維を陽極として電解酸化する方法な
どがあるが、電解酸化法が１反応制御、効率などの点で
工業的に有利であるといわれている。炭素繊維を工業的
に電解酸化するには、連続プロセスが用いられる０例え
ば、第２図または１３図に示した従来の装置の概略図に
見られるように、′電極（陰極）４を備えた電解槽６中
に電解液３をいれ、電解しつつ炭素線ｍｌを電解液中を
連続的に走行させる。炭素繊維は、電解液の外部に設け
られた通電ロール２より陽電荷を印加し、陰極との間で
電解され、表面が酸化される。

炭素繊維を電解酸化する場合、炭素繊維の弾性率が向上
するにつれて酸化されにくくなる。これは、弾性率が向
上するにつれて、炭素繊維の黒鉛化度が上がるためであ
るといわれている。酸化反応は、黒鉛構造のエツジで起
こり、ベース面では反応が起きにくいといわれている（
Ｊ、Ｐ、Ｒａｎｄｉｎａｎｄ　Ｅ、Ｙｅａｇｅｒ、　Ｊ
、Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ、　Ｃｈｅｗ、、　５８．３
１３（１９７５））　、すなわち、弾性率が向上するに
つれて酸化されにくくなるのは、酸化され易いエツジが
繊維表面に少なくなるためであるといわれている。この
ため、高弾性の炭素繊維は、通常の電解酸化処理を行っ
ても、複合材料とする際に樹脂との十分な親和性を得る
ことができない。

この場合、電解の際に加える電気量（クーロン量）を増
しても、樹脂との十分な親和性を得ることができない、
炭素繊維の樹脂との親和性は、炭素繊維の表面酸素量と
密接な関係があることが知られている。これは、酸化に
より含＃楽官能基が表面に導入されるためであり１通常
はＥＳＣＡ（Ｘ線光電子分光）により、酸素と炭素のピ
ーク面積比として測定される。高弾性炭素ｍＪＩの場合
、加える電気量を増しても表面酸素量は次第に飽和して
いき、樹脂との十分な親和性を得るために必要な表面酸
素量を得ることが困難である。また、このようにクーロ
ン量を増した場合、ｓ＃Ｉは劣化して繊維強度が低下す
ることが多い、そこで、高弾性の炭素繊維を効果的に酸
化するために、従来よりいくつかの方法が考案されてき
た。

例えば、電解液を変えて電解酸化を２度行う方法（特開
平１〜９２４７０号公報）などがある、しかし、このよ
うな高弾性繊維専用の処理方法は、工程が複雑になる、
新たな装置を必要とするなど、工業的に不利であった。

発明が解決しようとする課題 本発明は、上記課題に鑑み、従来の工程と同様で、新た
な装置を用いる事なく、高弾性の炭素繊維を効果的に酸
化することができる方法及び装置を提供するものである
。

課題を解決するための手段 本発明は、炭素繊維を連続的に電解液中で陽極酸化する
際に、陰極の一部を電解液の上部の空気中に露出させた
状態で電解することを特徴とする炭素繊維の表面処理方
法及び、陽極酸となる炭素繊維への通電機構と、電解槽
及び陰極を備えた炭素繊維の陽極酸化装置であって、前
記陰極が電解液よりその一部を空気中に露出されて設置
されていることを特徴とする炭素繊維の表面酸化処理装
置である。

本発明により炭素繊維を電解酸化した場合、たとえ高弾
性の炭素繊維であっても効果的に酸化することができる
。その理由については詳細は明らかではないが、電解液
と空気の誘電率が異なるため、その界面に電荷が集中し
、電位が高くなるためであると考えられる。すなわち１
本発明の場合には、高電位の電流を効果的に炭素繊維に
印加することができるため、酸化電位の高い部分が多い
高弾性繊維をも効果的に酸化できるものと考えられる。

本発明を適用することにより、高弾性の炭素繊維にも特
別な処理をすることや、特別な工程を加える必要が無い
、さらには、加える通電量（クーロン量）も増大させる
必要がなく、通常の繊維とまったく同様の酸化処理を行
うだけで、高弾性の炭素繊維をも効果的に酸化すること
ができる。

本発明に使用される炭素繊維は特に限定されるものでは
なく、各種の炭素ｍｗｂを使用することができる。４例
えばポリアクリロニトリル、ピッチ等から製造されたも
のであり、炭素繊維、黒鉛繊維の何れも使用可能である
。

本発明において使用される電解液は、特に限定されるも
のではなく、通常の電解処理に用いられる電解液が使用
可能である。具体的には、硫酸、硝酸、燐酸などの無機
酸、安息香酸などの有機酸、水酸化ナトリウムなどの無
機塩基、あるいは炭酸水素ナトリウムなどの塩を必須成
分とする水溶液が使用可能である。

上記水溶液の濃度は、電解処理の際に濃度が低すぎて液
抵抗が大きくなり、操作電圧が大幅に上昇するような濃
度よりも高い濃度であれば特に限定されるものではない
。

本発明の装置に用いられる通電機構は、連続的に炭素繊
維に陽電荷を印加するものであり、通常の電解酸化装置
に用いられる通電ロールなどが使用可能である。

第１図は本発明の酸化処理装置の一例である。

炭素繊維束１は通電ロール２を通り、電解液３に浸漬さ
れる。電解液３中で炭素繊維束ｌはロール５を経て電解
液外に導出され、洗浄工程に回される０本発明の場゛合
、陰極４は電解液中に浸漬されるが、その一部が必ず空
気中に露出していなければならない、炭素繊維束ｌは通
電ロール２より陽電荷を印加され、電解液中で陰極４と
の間で通電され、この際、電解酸化反応を受ける。

陰極４の位置は、一部が空気中に露出しており、且つ炭
素繊維束１と接触しなければ、どのようなところにあっ
ても良いが、望ましくは、炭素繊維束ｌの近傍がよい、
また、陰極４の形状は、板状、円柱状など、任意の形状
でよく、炭素繊維束ｌの片側に配置する形、両側から挟
む形、囲にょうする形など任意の形態が可能である。ま
た、陰極４の数は、一つであっても、二つ以上の多極で
あってもよい、陰極４は、電解液と空気との界面の、電
荷が集中している部分を利用できれば大きさは任意であ
り、数１■以上、望ましくは１０ｍ１以上の部分が電解
液中に浸漬していればよい、また、陰極４のうちで、空
気中に露出している部分の大きさは任意である。陰極４
の材質は、通常の電解酸化に使用されるものであれば何
れのものでも使用可能であり、具体的には、銅、鉛など
が使用可能である。

洗浄工程は、電解酸化処理後、連続的に洗浄する方法、
あるいは−旦炭素繊維を巻とった後再度連続的またはパ
ッチで洗浄する方法等筒れの方法でもよい。

以下、実施例により本発明の効果を更に具体的に説明す
る。

実施例 ＝−ルターピッチを熱濾過してキノリンネ溶分を除去し
たピッチを水素化し、更に軽質分を留去して軟化点９０
℃、トルエン不溶分４％、キノリンネ溶分痕跡のピッチ
を得た。

これを熱処理した後、低沸点分を除きメンフェーズピッ
チを得た。前記メソフェーズピッチを、紡糸ノズルを用
いて溶融紡糸し糸径１２４　ｍのピッチａｍとした。

この様にして得たピッチ繊維を空気中で不融化処理を行
った後、アルゴンガス中にて、１５分熱処理を施し、炭
素繊維とした。得られた炭素Ｍ＆誰は、Ｊ工５−Ｒ−７
６０１に基づき、樹脂含浸ストランド引張試験法で、引
張弾性率を求めた。また、ＥＳＣＡ（Ｘ線光電子分光）
により、繊維表面の酸素量を測定した。ＥＳＣＡの測定
は、具体的な装置としては島津製作所株製のＥＳＣＡ７
５０、Ｘ線源としてＡＩＫα１．２を用い、０１５ビ一
ク面積及びＣＩＳピーク面積より、表面酸素原子濃度（
０１ｓ／（Ｃｔｓ”０ｓｓ））を求めた。この場合、感
度補正値は炭素を　１．０．酸素を２．８として測定し
た。熱処理温度、炭素繊維の弾性率、及び原料炭素繊維
の表面の酸素量を、第１表に示す。

かくして得られた原料炭素繊維束を、濃度ｌ規定の硫酸
水溶液を満たした第１図の電解槽中に導入し、電解槽中
に設置した通電ロールにより該炭素繊維束に陽電荷を印
加し、陰極板との間に電流を流した。ここで、電解槽は
、直径２６０膳層、高さ４００層腸０円柱状のものを用
いた。陰極は、厚さ０．２ａｍ、高さ５０ｍ■、直径５
０ｍｍの円柱状銅板を用い、炭素繊維を囲にょうする様
に配置した。この陰極の上部１０層ｌを空気中に露出さ
せ、残りの４０層履を電解液中に浸漬した。

この様な処理の施された炭素繊維束を連続的に水洗浴中
で水洗し、１２０℃の加熱炉中で乾燥させた。

かくして得られた炭素繊維束について、ＥＳＣＡにより
、繊維表面の酸素量を測定した。印加する電流量を種々
変化した場合の表面酸素量を第１表に示す。

比較例 実施例で用いた未処理の炭素繊維に、第２図の装置を用
いたほかは実施例と同様の処理を施した。第２＠の装置
は、電解槽、陰極の材質、形状は実施例と同様のもので
ある。但し、陰極は電解液の液面からｌＯ■■浸漬した
。その結果を第１表に示す。

このｌｓ１表に示すように、本発明の処理装置を用いる
ことにより、高弾性の炭素繊維でも、従来と同じ電解処
理条件で、樹脂との親和性を得るに十分な表面酸素量を
得ることができる。低弾性の炭素繊維の場合は、実施例
と比較例の差が殆ど見られない、即ち、低弾性繊維の場
合は、本発明の方法を用いても、必要以上に酸化される
ことがない、従って、低弾性の炭素繊銀と、高弾性の炭
素繊維を電ｍ酸化処理する場合に、装置の変更をする必
要が無い。

（以下余白） 発明の効果 以上述べたように、本発明の特徴は、炭素繊維を連続的
に電解液中で陽極酸化する際に、陰極の一部を電解液よ
り空気中に露出させることにあり、これに従うならば、
弾性率８０ｔａｎ／■１２といった高弾性の炭素繊維で
も、より低弾性の炭素繊維と同じ方法で表面酸化処理を
行なうことができる。これは、陰極を空気中に露出させ
ることで、空気と電解液の界面に存在する高電位部を効
率的に酸化反応に利用できるためであると考えられる。

また装置としては、従来存在していた装置を若干変更す
るだけでよ〈−１新たな装置を導入する必要の無いもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一具体例を示す模式図である。 第２図及び第３図は従来より用いられていた装置の例を
示す模式図である。 ｌ・・・炭素繊維、２・・・通電ロール、３・・・電解
液、４・Φ・陰極、５・・・ロール、６φ・・電解槽。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素繊維を連続的に電解液中で陽極酸化する際に
   、陰極の一部を電解液より空気中に露出させた状態で電
   解することを特徴とする炭素繊維の表面酸化処理方法。
2. （２）陽極側となる炭素繊維への通電機構と、電解槽及
   び陰極を備えた炭素繊維の陽極酸化装置であって、前記
   陰極が電解液よりその一部を空気中に露出されて設置さ
   れていることを特徴とする炭素繊維の表面酸化処理装置
   。