JPH0830122B2

JPH0830122B2 - 炭素繊維を用いた複合材

Info

Publication number: JPH0830122B2
Application number: JP20343994A
Authority: JP
Inventors: 公平奥山; 明男加藤; 秀彦小原
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1994-08-29
Filing date: 1994-08-29
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH07268111A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面に金属又は半金属
の酸化物のゲルが被覆された、マトリックスとの接着性
が改善された炭素繊維を使用した複合材に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】炭素繊維は、樹脂、金属、セラミック、
炭素等をマトリックスとする複合材の補強繊維として注
目されている。複合材においては、補強繊維が負荷され
た応力を主に担い、マトリックスは応力を個々の繊維に
均等に分担させる伝達の役割を担うといわれている。従
って、複合材としての性能を充分なものとするために
は、繊維がマトリックス中に均一に分布し、その繊維が
マトリックスで一様に囲まれており、更に、繊維とマト
リックスが充分に接着していて応力の伝達が円滑に行わ
れるようになっていることが重要である。

【０００３】しかし、一般に、炭素繊維はマトリックス
との接着性が悪く、充分な性能を示す複合材が得にく
い。そこで、従来は、例えば、酸化性ガスや酸溶液、或
いは、電気分解等により炭素繊維の表面を活性化した
り、化学蒸着法（ＣＶＤ法）等により炭素繊維の表面に
金属の蒸着層を設けたりする等の方法が取られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来の方法は、製造工程が繁雑であったり、大規模の処
理装置を必要とする等工業的生産には必ずしも有利とは
いえなかった。また、補強繊維を比較的簡便に製造する
方法として、炭素繊維の表面にアルコキシアルミニウム
アセチレートの溶液を塗布し、それを焼成して酸化アル
ミニウム等の被膜を形成する方法が提案されている（特
開昭６０−７６３３５号公報）が、未だマトリックスと
の接着性が充分とはいえず、更に改良が望まれていた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者は、か
かる課題を解決すべく、鋭意検討した結果、炭素繊維の
表面に金属又は半金属の酸化物のコロイド溶液を塗布
し、加熱処理して酸化物のゲルの被覆層を形成すれば炭
素繊維の表面に凹凸を有する被覆層とすることができる
結果、上述の如き課題が解決できることを見い出し本発
明に到達した。

【０００６】すなわち、本発明の目的は、簡便な方法
で、しかもマトリックスとの接着性が更に改善された補
強繊維を使用した複合材を提供することにある。そし
て、その目的は、補強繊維とマトリックスからなる複合
材において、該補強繊維が、表面に金属又は半金属の酸
化物のゲルの被覆層を有する炭素繊維であって、該被覆
層が炭素繊維表面に塗布された該酸化物のコロイド溶液
を加熱処理することによって形成されたものであること
を特徴とする複合材により容易に達成される。

【０００７】以下本発明を詳細に説明する。本発明で使
用する炭素繊維は、公知のポリアクリロニトリル系及び
ピッチ系炭素繊維が使用できるが、ピッチ系、特にメソ
フェーズピッチを紡糸して得られる炭素繊維、或いは、
気相熱分解法により得られる炭素繊維の様な表面活性の
低い炭素繊維において効果が大であるので好適である。

【０００８】これら炭素繊維は、予め陽極酸化等により
表面を酸化処理しておくことが本発明の被覆層を堅固に
固着することができるので好ましい。その際、酸化によ
り炭素繊維自体の性能が劣化されない程度の極く軽度な
酸化処理でよい。本発明においては、炭素繊維の表面に
金属又は半金属の酸化物のコロイド溶液を浸漬等の方法
によって塗布する。

【０００９】本発明の金属又は半金属の酸化物として
は、コロイドを形成し得るものであればよく、例えば、
アルミニウム、チタニウム、クロム、鉄、銅、ジルコニ
ウム、トリウム、或いは、ケイ素等の酸化物が挙げられ
る。特に、アルミニウム、ケイ素の酸化物が好適であ
る。これら金属又は半金属の酸化物のコロイド溶液は常
法に従い、例えば、加水分解等によって調製すればよ
い。その際、コロイド状態の安定化を計るために、酢
酸、塩酸等の酸や水酸化ナトリウム、アンモニア水等の
アルカリ、或いは塩化ナトリウム、塩化カリウム等の塩
類を適宜添加してもよい。

【００１０】本発明においては、金属又は半金属の酸化
物のコロイドの粒径が、５〜３００ｍμの範囲のものを
使用するのがマトリックスとの接着性の点で好適であ
る。かかる金属又は半金属の酸化物のコロイド溶液を炭
素繊維に塗布する方法としては、コロイド溶液の満たさ
れた槽内を連続的に炭素繊維を走行させる方法が、処理
の効率、均一塗布の点から好ましい。また、この際に、
コロイド溶液の満たされた槽に１０〜５０ＫＨｚ程度の
超音波を作用させておくと、例えば、炭素繊維を束状で
処理した場合にも繊維間の気泡等による処理むらの影響
を防ぐことができるので好ましい。

【００１１】コロイド溶液を塗布した炭素繊維は、適宜
ローラー等を通すなどして余分な溶液を除き、その後加
熱処理を施される。コロイド溶液の塗布は、加熱処理後
の被覆厚さとして、１μｍ以下（被覆量で５％以下）と
なるように行う。本発明の加熱処理によって、金属又は
半金属の酸化物のコロイドはゲルの状態に変換される。
本発明におては、通常、１００〜８００℃、好ましく
は、１００〜４００℃の温度で、０．５〜１０時間、好
ましくは、１〜５時間加熱処理される。その際、炭素繊
維を加熱炉内を連続的に走行させるのが処理効率、繊維
同士のからみ及び固着防止の点から好ましい。

【００１２】あまり高温、長時間処理すると炭素繊維に
付着したゲルの被覆層が、炭素繊維との熱収縮の差異に
より剥離してしまうので、上記範囲で加熱処理するのが
よい。加熱処理は、約４００℃以下で行う場合は空気中
で行ってもよいが、それ以上の温度で処理する場合は炭
素繊維の酸化により性能劣化を防ぐために不活性雰囲気
下で行う。

【００１３】以上のようにして得られる炭素繊維は、そ
の表面に凹凸を有する金属又は半金属の酸化物のゲルの
被覆層が形成されている。この被覆層の持つ活性及びそ
の凹凸の効果によりマトリックスとの接着性が改善さ
れ、より優れた性能の複合材料の補強繊維として使用す
ることができる。また、本発明の複合材におけるマトリ
ックスの例示としては、例えば、エポキシやポリアミド
等の樹脂、アルミニウム、マグネシウム等の金属、Ｓｉ
Ｃ、ＢＮ等のセラミック、フェノール樹脂やピッチ類に
由来する炭素等、好ましくは、樹脂及び金属が挙げられ
る。

【００１４】本発明の複合材は、前述の炭素繊維を、こ
れらマトリックス中、通常、３０〜７０ｖｏｌ％の範
囲となるように使用し、常法に従い成型することによっ
て、得ることができる。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、金属又は半金属のコロ
イド溶液を炭素繊維の表面に塗布し、加熱処理するとい
う簡便な方法でマトリクッスとの接着性が更に改善され
た補強繊維を得ることができ、かかる補強繊維を使用す
ることにより高特性の複合材を得ることができる。

【００１６】以下、本発明を実施例を用いて、より具体
的に説明するが、本発明はその要旨をこえない限り下記
の実施例に限定されるものではない。

【００１７】

【実施例】実施例１２０００℃で焼成したピッチ系炭素繊維束（３０００フ
ィラメント）を０．０５ｗｔ％水酸化ナトリウム水溶液
中を連続的に走行させながら繊維束を陽極として処理量
１ｃ／ｇ−炭素繊維となるように電解酸化し、次いで、
脱塩水の洗浄槽を通過させて洗浄し、更に複数のローラ
ーを通過させて水切りを行った。

【００１８】引続き、この繊維束を４５ＫＨｚ、１００
Ｗの超音波を作用させているアルミナコロイド溶液（日
産化学社製、アルミナゾル−２００を１ｗｔ％となるよ
うに脱塩水にて希釈）の満たされた槽内を走行させ、次
いで、複数のローラーを通過させた後、ドラムに巻取っ
た。この一連の処理における通糸速度は５ｍ／時であ
り、アルミナコロイド溶液の槽における繊維束の滞留時
間は２分間であった。

【００１９】アルミナコロイド溶液を塗布した炭素繊維
束は、次いで、全長０．３ｍ、中心部最高温度２００℃
の炉内を０．４５ｍ／時の速度で走行させて加熱処理を
行った。得られた炭素繊維束は、処理前に比べて２．５
％の重量増加があり、又、走査型電子顕微鏡で観察した
ところ、炭素繊維の表面に平均で約０．５μの厚さの凹
凸のあるゲルの被覆層が確認された。

【００２０】この炭素繊維束を使用してエポキシ樹脂を
マトリックスとする繊維含有率５０％ん２×１０×１２
ｍｍの成型体（硬化条件；１８０℃、２時間）を常法に
従い作成し、３点曲げ試験法（スパン間１０ｍｍ、歪速
度２ｍｍ／ｍｍ）により層間せん断強度を求めた結果、
４点の試験片の平均値として９．６ｋｇ／ｍｍ²であっ
た。

【００２１】実施例２実施例１において、アルミナコロイド溶液の代わりに酸
化ケイ素コロイド溶液（日産化学社製、商標スノーテッ
クφを１ｗｔ％となるように脱塩水で希釈し、更に酢酸
でｐＨ４に調整）を使用する外は、実施例１と同様にし
てコロイド溶液を塗布し、加熱処理した。

【００２２】得られた炭素繊維束は、処理前に比べて
１．８％の重量増加があり、又、その表面に平均で約
０．３μの厚さの凹凸のあるゲルの被覆層が確認され
た。この炭素繊維束を使用して実施例１と同様に成型体
を作成し、層間せん断強度を求めたところ、８．４ｋｇ
／ｍｍ²であった。

【００２３】比較例１実施例１において、アルミナコロイド溶液塗布を行わな
かった以外は、実施例１と同様にして補強炭素繊維を得
た。そして、実施例１と同様にして作成した複合材料の
層間せん断強度を求めたところ、４．２ｋｇ／ｍｍ²で
あった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｄ０６Ｍ 101:40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】補強繊維とマトリックスからなる複合材
において、該補強繊維が、表面に金属又は半金属の酸化
物のゲルの被覆層を有する炭素繊維であって、該被覆層
が炭素繊維表面に塗布された該酸化物のコロイド溶液を
加熱処理することによって形成されたものであることを
特徴とする複合材。
【請求項２】炭素繊維が、ピッチ系炭素繊維である特
許請求項１記載の複合材。
【請求項３】炭素繊維の表面が、陽極酸化処理された
ものである特許請求項１又は２記載の複合材。
【請求項４】金属又は半金属の酸化物のコロイドの粒
径が、５〜３００ｍμである特許請求１乃至３のいずれ
か記載の複合材。
【請求項５】金属又は半金属の酸化物のコロイド溶液
が、アルミナ又は酸化ケイ素のコロイド溶液である特許
請求項１乃至４のいずれかに記載の複合材。
【請求項６】加熱処理温度が、１００〜８００℃であ
る特許請求項１乃至５のいずれかに記載の複合材。