JPS6128071A - 高強力高伸度炭素繊維の製造法 - 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、炭素繊維の表層部を改質することにより、強
伸度が著しく改良された炭素繊維を製造する方法に関す
る。

従来技術 従来、炭素繊維は、そのすぐれた力学的。

化学的、電気的性質忙より、各種の複合材料の補強峻維
として広く使用されている。これらの用途においては、
より高強度で軽量の複合材料が要求されるため、その補
強繊維にもおのずから高強力高伸度が要求される。かか
る要求に応え、より高強度の炭素繊維を製造するために
、該繊維の製造工程で該繊維の内部欠陥、ボイド、融着
等を解消する方法について多くの提案がなされているが
、いずれの方法でも焼成過程で分解物が生じる以上、炭
素繊維に何らかの欠陥が発生するのはさげらに改質する
ことにより、このような欠陥の減少をはかるべく研究を
行った。そして、炭素繊維における内部ボイド欠陥及び
表層部欠陥等を光学異方性のピッチで被覆することが有
、効であり、その際に炭素繊維をあらかじめ酸化処理す
ることにより強度、伸度等の力学的性質が大巾に向上す
ることを見出し、本発明に到った。

発明の目的 すなわち、本発明の目的は炭素繊維の表層を改質するこ
とにより高強力高伸度の炭素繊維を製造する方法を提供
するととＫある。

発明の構成 前述の目的は、本発明に従い、炭素繊維をまず表面酸化
処理したのち、該炭素繊維の表面に、溶剤に可溶でかつ
光学異方性能を有するピッチの溶液を均一に付着せしめ
、次いで溶剤を除去して炭素繊維の周面に厚さ１．５μ
以下の表層を形成せしめることにより達成される。

本発明に於いて言う炭素繊維とは、ポリ７クリロニトリ
ル（ＰＡＮ）系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、セルロー
ス系炭素繊維等を総称する。本発明ではいずれの炭素繊
維を用いてもかまわないが、高強度の炭素繊維を得るに
は、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊
維が好ｔｔ、＜、特にポリアクリロニトリル系炭素繊維
が好ましい。

本発明ではまず、炭素繊維の表面を酸化処理する。酸化
方法と（−ては、薬液酸化、電解酸化、気相酸化の方法
があり、本発明においてほどの酸化法を用いてもかまわ
ないが、実質的に基体の炭素繊維の強度を劣化させない
程度でかつ後述するピッチが繊維の表層を被覆ｊ、た際
にピッチが強固に結合する程度に酸化する必要があるう
この意味で薬液酸化、電解酸化が好ま【、＜、特に硝酸
等による薬液処理が最適である。この酸化処理の程度は
、炭素繊維の種類１表面構造、糸径等によって適宜選択
する必要があり、それは実験によって定めることができ
る。例えば高強度タイプのポリアクリ−ニトリル（ＰＡ
Ｎ）系炭素繊維（糸径７μ）を６８％ＨＮＯ，で酸化す
る時は１２０℃で１時間以内が適当であり、特に５〜３
０分か好ましい。

本発明では、このようにあらかじめ表面酸化処理］また
炭素繊維を、溶剤に可溶でかつ光学異方′性゛を有する
ピッチの溶液に含浸する。

光学異方性ピッチとは、石油系ピッチ又は石炭系ピッ、
チ守を熱処理して得られた。光学異方性領域を５０−以
上（好ましくは８０％以上）含有する液晶ピッチを言い
、いわゆるメンフェースピッチ及びドーマントメソフェ
ーズピッチを含む。溶剤に可溶な光学異方性ピッチとは
、上記の光学異方性ピッチのうち溶剤に可溶なもの又は
溶剤に可溶な留分を言う。

溶剤と１．てはキノリン、ピリジン、テトラハイドロキ
ノリン、テトラハイドロフラン等の、ピッチ溶解能が高
く、かつ低粘度の溶剤が好ましい。従来の光学異方性の
ピッチはキノリンネ溶である場合か多かったが、最近は
光学異方性でかつキノリンに可溶なピッチが出現してき
ている。このようなピッチとしては、例えば特開昭５９
−３６７２５号公報記載のピッチがあげられる。このピ
ッチは光学異方性領域を８０％以上有し、かつ、キノリ
ンに対する溶解度ＱＳは通常１００〜５０チ程度である
。

不溶性の光学異方性ピッチは、炭素繊維表面に付着せし
めた場合過剰に付着（またピッチの除去が困難であり、
炭素繊維の表層に均一に５す（被覆することばできない
。また、可溶性であっても光学異方性がないピッチは、
これで炭素繊維を被覆し、ても得られる炭素繊維の力学
物性は向上しない。

本発明において重要なことの一つは炭素繊維に対しあら
かじめ表面酸化処理を施すことであり、もう一つは、表
面を被覆するピッチとして、溶剤に可溶でかつ光学異方
性を有するピッチを用いることである。このように、あ
らかじめ炭素繊維表面を酸化処理Ｌ７たのち、前述のよ
うな溶剤に可溶な光学異方性ピッチをその溶液として付
着させる場合に限り、ピッチによって炭素繊維表面を均
一にうす（被覆できるばかりでなく、ピンチにより炭素
繊維に内在する内部ボイド等を５まく充填することがで
き、表面欠陥のみならず、内部欠陥をも減少させること
かできる結果、高強度が発現し伸度も向上するものと考
えられる。

ピッチの被覆層は、炭素繊維の糸径の３分の１以下とす
べきであり、該層の厚さを１．５μ以下とすることが必
要である。ピッチの繊維表層への付着はピッチ被覆厚さ
が１．５μをこえると、得られる炭素繊維の物性がかえ
って依下する。特に好ましい厚さは０．１〜１μである
。

このような被覆層を形成するため、光学異方性ピンチ溶
液の濃度、粘度等を制御１５、繊維周面への付着を均一
かつ均質にする必要がある。付着方法としては溶液中に
繊維を含浸させる方法が用いられ、溶液の濃度は含浸温
度にもよるが、通常は５０チ以下でよい。

次に、ピンチ溶液を付着せしめた炭素繊維から、溶剤を
除去するため、５００℃以下の温度で該炭素繊維を処理
する。更に、必要があれば過剰に付着【、たピッチを溶
剤で洗い流して、本発明の目的とする高強度高伸度の炭
素繊維を得る。

発明の効果 このようにして得られた炭素繊維は、図の透過電子顕微
鏡写真によって明らかな如（基体の炭素繊維の表面をピ
ッチ層が薄く均一に被覆ｊ、た構造をとっており、この
ものは、驚（べきことに強伸度が著るしく向上した繊維
となっている。そして該繊維は、合成樹脂。

金属、ゴム等との接着性も改良されており、複合材と１
．たときの強度も向上する。

Ｌ−たがって、本発明方法により得られた炭素繊維は、
強度及び伸度が高く、ゴム、樹脂。

金属等の補強材をはじめ種々の用途に広く使用すること
ができる。

実施例 以下、実施例をあげて本発明を更に詳細に説明する。

実施例１〜４゜ （１）光学異方性かつ可溶性のピッチの調製コールター
ルピッチ７００ｔとテトラへイドｐキノリン２１００ｆ
を攪拌機を備えた５ｔオートクレーブに仕込み４５０℃
で１時間処理し、−過した後、テトラハイドルキノリン
とキノリンを主体とする溶剤を留去し、更に４６０℃。

１０　Ｔｏｒｒで２５分間熱処理を施して、ＱＩ＝４０
％、ｍｐ＝２８０℃の光学異方性ピッチを２３０１得た
。このものの光学異方性量は反射型偏光顕微錠測定より
９０チ以上であった。

前記ピッチをキノリン１０００ｆ　Ｋ　１００℃で溶解
、濾過１−て、光学異方性でかつキノリン可溶性のピッ
チ溶液を調製１．た。

この溶液よりキノリンを留去したピンチは光学異方性で
あった。

（２）　　炭素繊維の処理 高強力型ＰＡＮ系炭素炭素繊維レカＪＴ−４００（登録
商標）を６８チＨＮＯ，液中１２０℃で時間を変えて処
理し、イオン交換水で水洗後乾燥した。得られた炭素繊
維束な光学異方性がつキノリン可溶性のピッチ溶液に真
空含浸（、た後、取出し、キノリンを除去するために３
８０℃５分間減圧処理した。

このように（、て得られた繊維束から過剰に付着したピ
ッチを除去するためキノリン洗浄及び７セトン洗浄を行
ってピッチ層厚さ０．３μのピッチ被ｙ繊維束を製造【
７た。これらの平均単繊維引張物性を後掲の表−１に示
１．た。

比較例１ 高強力ｍ、　Ｐ　Ａ　Ｎ系炭素繊維をア七トン洗浄した
後、酸処理を行うことな（実施例１と同様にしてピッチ
溶液な含浸処理［、た。得られた繊維の物性を表−１の
比較例１の欄に示した。

比較例２〜４ 実施例１と同様のＰＡＮ系炭素炭素繊維施例１と同じよ
５に硝酸処理した（但（、ピッチ溶液の含浸は行わなか
った）。得られた繊維の物性を表−１の比較例２〜４の
欄に示した。

表　　−１

【図面の簡単な説明】

図は、本発明方法により硝酸処理した後ピッチ処理をし
たＰＡＮ系炭素炭素繊維過電子顕微鏡写真であり、この
繊維は厚さ０．５μ以下のピッチ層が表層を被覆してい
ることが観察される。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素繊維の表面をあらかじめ酸化処理したのち、
   光学異方性でかつ溶剤可溶性のピッチの溶液を均一に付
   着せしめ、次いで溶剤を除去し該炭素繊維の周面に厚さ
   １．５μ以下の前記ピッチからなる表層を形成せしめる
   ことを特徴とする高強力高伸度炭素繊維の製造法。
2. （２）酸化処理を薬液で行う特許請求の範囲第１項記載
   の製造法。
3. （３）炭素繊維がポリアクリロニトリル系炭素繊維であ
   る特許請求の範囲第１項記載の製造法。