碳纤维束的制造方法_3

文档序号:8491371阅读:来源:国知局
>[0069] 另外,供给于上述等离子体处理的纤维束A的密度为1. 50g/cm3以上1. 70g/cm3以 下的范围内的情况下,波长240nm处的吸光度优选为0.20以下。如果该吸光度为0.20以 下,那么纤维表面的附着物被充分地去除,在其后的碳化处理中抑制纤维束的单纤维彼此 的熔接,碳纤维束的强度变得优异。该吸光度进一步优选为0.10以下。该吸光度的下限越 小则越优选,但没有特别限制。另外,波长278nm处的吸光度优选为1.0以下。如果该吸光 度为0. 15以下,那么纤维表面的附着物被充分地去除,在其后的碳化处理中抑制纤维束的 单纤维彼此的熔接,碳纤维束的强度变得优异。该吸光度进一步优选为0.10以下。该吸光 度的下限越小则越优选,没有特别限制。
[0070] 在进行了预氧化处理之后的纤维束的表面,存在有:源自前体纤维、油剂的热分解 产物附着于纤维束而成的焦油状附着物、由低结晶性碳化物形成的附着物(以下,简称为 "微粒")、或者该纤维束因热损伤或者机械损伤而产生的在强度上脆弱的非均质结构(以 下,简称为"凹坑")。该脆弱部一般是由结晶性比较低的、散乱了的结构的碳材料构成。这 些纤维表面上的微粒、凹坑的部分在最终获得的碳纤维的表面作为微粒状附着物、凹坑而 残留。这些附着物、凹坑减弱碳纤维与基体树脂的结合,或者在碳纤维与基体树脂的界面产 生空隙。如果将负荷施加于由这样的碳纤维和基体树脂形成的复合制品,则容易在上述结 合弱的部分、空隙引起应力集中,容易变成破坏引发点。即,进行了预氧化处理之后的纤维 束的表面上存在的微粒以及凹坑成为降低复合制品的品质的原因。
[0071] 关于上述进行了等离子体处理的前碳化纤维束,该纤维束的表面上存在的单纤维 的表面的每100ym2( = 10ymX10ym)面积上存在的、尺寸为1ym以上的凹坑或微粒的个 数的合计优选为5个以下,更优选为3个以下。如果上述凹坑或微粒的个数的合计为5个 以下,那么可抑制在碳化处理中的纤维束的单纤维彼此的熔接、碳纤维束强度的降低。尺寸 为1ym以上的凹坑或微粒是指最短直径为1ym以上的凹坑或微粒。凹坑或微粒的尺寸的 上限没有特别,但是一般为5ym。关于凹坑或微粒的个数,可使用电子显微镜,从相对于单 纤维的纤维轴方向垂直的方向观察纤维表面,从而测定。关于凹坑或微粒的个数,可通过将 纤维表面上的任意的3部位设为测定部位,由3部位的测定个数的平均值表示。
[0072]<发明[2]以及发明[3] >
[0073] 本发明[2]的特征在于,其为:将碳纤维前体丙烯腈纤维束加热而进行预氧化处 理,然后,将密度制成1. 30g/cm3以上1. 70g/cm3以下的范围内而得到纤维束C,对该纤维束 C进行碳化处理的碳纤维束的制造方法,关于供给于上述碳化处理的纤维束C,通过以下的 测定法测定的吸光度满足以下的"条件1"和/或"条件2"。
[0074] 条件1 :波长240nm处的吸光度为1. 5以下。
[0075] 条件2 :波长278nm处的吸光度为1. 0以下。
[0076] <测定法>
[0077] 将纤维束2. 0g以及作为浸渍液的氯仿18. 0g加入至容量100ml的烧杯内。接着 使用超声波处理装置,以输出100W、频率40KHz对该浸渍液进行30分钟超声波处理。在超 声波处理后,从该浸渍液取出纤维束,将所获得的浸渍液制成吸光度测定用的样品液。使用 分光光度计和石英比色皿(比色皿长1〇_),在分光光度计的样品侧设置上述样品液,在参 比侧设置氯仿,在波长200~350nm的范围内进行吸光度测定。
[0078] 本发明[3]的特征在于,其为:将碳纤维前体丙烯腈纤维束加热而进行预氧化处 理,然后,将密度制成1. 30g/cm3以上1. 70g/cm3以下的范围内而得到纤维束C,对该纤维束 C进行碳化处理的碳纤维束的制造方法,供给于上述碳化处理的纤维束C的表面上存在的 单纤维的表面的每100ym2面积中存在的、尺寸为1ym以上的凹坑或微粒的个数的合计为 5个以下。
[0079] 在发明[2]或者发明[3]中,可与发明[1]的情况同样地进行预氧化处理以及前 碳化处理。
[0080]〈紫外线处理〉
[0081] 以上,作为供给于碳化处理的纤维束的表面上的附着物的去除方法,虽然对等离 子体处理进行了说明,但是可采用紫外线处理来替代等离子体处理。即,关于供给于碳化处 理的纤维束,可通过进行在气相中接触等离子体气体的等离子体处理、或者在气相中照射 紫外线的紫外线处理而获得。
[0082] 上述紫外线处理中的紫外线是波长为10~400nm的范围内的不可见光线的电磁 波,其能量可充分地将纤维束的表面上的附着物有效率地分解、去除。因此,可通过将紫外 线照射在预氧化纤维束的表面,从而去除该纤维的表面的附着物。可通过在氧气存在下进 行上述紫外线处理,从而有效率地去除该纤维的表面的附着物。
[0083] 紫外线进一步大致划分为波长1~10nm的范围内的极紫外线、10~200nm的范围 内的远紫外线、200~380nm的范围内的近紫外线,没有特别限定,但是从抑制预氧化纤维 束的损伤的观点考虑,优选使用远紫外线区域、或者近紫外线区域的紫外线。
[0084] 在上述紫外线处理中照射的紫外线的每单位面积的光量优选为3mW/cm2以上 lOmW/cm 2以下的范围内。如果为3mW/cm2以上,那么获得利用紫外线处理的附着物去除效 果,如果为lOmW/cm 2以下,那么不存在工序障碍(绒毛产生)的担心。
[0085] 在上述紫外线处理中,可通过将进行了紫外线处理的纤维束的上述密度制成 1. 30g/cm3以上1. 50g/cm3以下的范围内,从而有效率地去除纤维的表面的附着物。
[0086] 关于上述纤维密度为1. 30g/cm3以上1. 50g/cm3以上的范围内的纤维束,可通过将 前体纤维束在200°C以上300°C以下的范围内的氧化性气氛中,在拉紧或者拉伸条件下加 热而进行预氧化处理,从而获得。上述纤维密度为1. 30g/cm3以上的纤维束是充分地进行了 预氧化的纤维束,因而可在其后进行的非活性气体气氛下的前碳化处理以及碳化处理等高 温加热处理时,抑制单纤维彼此的熔接,稳定地生产碳纤维束。上述纤维密度为1. 50g/cm3 以下的纤维束是适度地保持了氧气向纤维束内部的导入的纤维束,因而可使最终获得的碳 纤维的内部结构致密,可获得性能优异的碳纤维束。从经济性的方面考虑,上述纤维密度更 优选为1. 45g/cm3以下。
[0087]〈碳化处理〉
[0088] 可通过对于由上述方法获得的进行了等离子体处理之后的纤维束、或者进行了紫 外线处理之后的纤维束进行碳化处理,从而获得碳纤维束。
[0089] 作为碳化处理的条件,在超过1000°C且3000°C以下的范围内的非活性气氛中,从 超过1000°C且1200°C以下的范围内的温度区域起,以500°C /分钟以下、优选以300°C /分 钟以下的升温速度,升温至最高温度1200~3000°C从而进行碳化处理,这对于提高碳纤维 的机械特性而言是有效的。关于气氛,可采用氮气、氩气、氦气等公知的非活性气氛,但是从 经济性的方面考虑,优选为氮气。
[0090] 也可将通过这样的操作而获得的碳纤维束进一步在最高温度为2500~3000°C的 范围内的温度区域加热而制成石墨化纤维束。
[0091] 对于这样地获得的碳纤维束或者石墨化纤维束,优选利用以往公知的在电解液中 的电解氧化处理、或者在气相中或液相中的氧化处理,将其表面状态改性,从而提高复合材 料中的碳纤维或者石墨化纤维与基体树脂的亲和性、粘接性。进一步,可根据需要,利用以 往公知的方法将施胶剂付与碳纤维束或者石墨化纤维束。
[0092] 实施例
[0093] 以下,通过实施例来更具体地说明本发明。予以说明,评价方法如以下那样。
[0094] [1?吸光度]
[0095] 按照上述方法,使用以下的装置以及溶剂而测定吸光度。
[0096] 超声波洗涤装置:IUCHI制、VS-200(制品名)。
[0097] 分光光度计:HITACHI制、U-3300(制品名)。
[0098] 氯仿:分光分析用99. 8 %氯仿(和光纯药制)。
[0099] 关于吸光度测定,首先进行使用了氯仿的参比测定,将规定的波长(240nm或 278nm)下的透射度设为I;。接着,使用样品液,通过同样的方法进行测定,将所获得的透射 度设为T。将通过下述式算出的吸光度A设为表示纤维表面的附着物的附着量的指标。
[0100] 吸光度 A =-log1Q(T/T0)
[0101] 此处,240nm附近的吸光度表示源自有机硅化合物的峰,278nm附近的吸光度表示 源自前体纤维束的峰。
[0102] [2.树脂含浸丝束特性]
[0103] 丝束强度以及丝束弹性模量依照JIS R7608中记载的试验法测定。
[0104] [3.前碳化纤维束的纤维表面每100 ym2中的附着物数]
[0105] 将进行了等离子体处理的前碳化纤维束装载于试样台,利用扫描型电子显微镜 (JSM-5300、日本电子(株)制)以加速电压15kV、倍率5000倍观察单纤维的表面。根据所拍 摄的图像,选择单纤维的表面的任意的3部位,测定各部位的每100 y m2 ( = 10 y mX 10 y m) 面积中所含的、尺寸1 um以上的凹坑或微粒的个数的合计。算出3部位的测定的平均值, 表示为"异物量"。
[0106] [4.预氧化纤维束或者前碳化纤维束的分散试验]
[0107] 将纤维束切断而获得长度3mm的样品。向容量100ml的烧杯内加入氯仿50ml以 及该样品,利用搅拌机搅拌10分钟,从而将纤维束分散于氯仿中。然后,计测每12000 (12K) 长丝(filament)的单纤维彼此粘接着的数量(纤维集合体的数量),将其数量设为分散试 验的结果。
[0108][实施例1]
[0109] 使用由丙烯腈单元96摩尔%、丙烯酰胺单元3摩尔%、以及甲基丙烯酸单元1摩 尔%形成的共聚物,制成了该共聚物的浓度为20%质量的二甲基乙酰胺(DMAc)溶液。使该 溶液(纺丝原液)穿过孔径60 y m、孔数12000的纺丝喷丝头而喷出到温度35°C、浓度67% 质量的DMAc水溶液中,进行凝固,制成了凝固纤维束。接着,将凝固纤维束一边在水洗槽中 进行脱溶剂一边拉伸为5. 4倍而制成了膨润状态的前体纤维束。然后,将该膨润状态的前 体纤维束浸渍于装满有包含氨基改性有机硅油剂的处理液的油剂处理槽中,
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