JP2932582B2 - 炭素繊維の表面改質方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、炭素繊維の表面改質方法に関する。

（従来の技術） 炭素繊維は、“実質的に炭素元素だけからなる繊維状
の炭素材料”であり、物質としての炭素と形態としての
繊維に由来する多様な特性をあわせもつ特異な材料であ
る。すなわち、耐熱性，化学安定性，導電性，熱伝導
性，摺動特性，生体親和性などの炭素材料に固有の特性
を持っている。また、繊維状に賦形することによって得
られる特性の第一は柔軟性であり繊維構造が賦与された
場合には高剛性，寸法安定性などの特性も発現される。

このような炭素繊維はその耐熱性、軽量、高剛性など
の多くの優れた特性を利用して傘などの日用品やラケッ
トなどのスポーツ用具から航空機や人工衛星の構造材料
までのほとんどの産業や民生の分野で巾広く使用されて
いる。また、合成繊維とは異なり、糸や、糸だけからな
る中間基材の形で使用されることは少なく、大半は複合
材料の形で使用されている。

しかし、炭素化あるいは黒鉛化を経て得られる炭素繊
維は表面の濡れ性が悪くマトリクス樹脂との接着性が小
さい。そこで、接着性改良のための繊維の濡れ性向上の
方法としては、繊維を化学的に処理して官能基を導入す
る方法、表面に接着性のよい物質を固着させる方法など
が検討されている。

後者においては炭化ケイ素のウイスカを成長させるこ
とが試みられ改善効果があると報告されている。しかし
ながら、数千本の単繊維に均一にウイスカを成長させる
ことが難しいうえ処理に時間がかかるため、この方法は
実用されていない。

また、前者においては酸化処理が通常用いられてお
り、表面に水酸基、カルボニル基、カルボキシル基が形
成される他に、表面の緻密層が除去される、表面積が大
きくなる、表面に凹凸が生じるなどの変化が濡れ性の向
上，接着性改良に効果を表わす。

また、そのほかの化学的手法の一つとしてフッ素ガス
を用いて炭素材とマトリクスとの親和性を増す方法が報
告されている（特開昭60−191011号公報）。

（発明が解決しようとする課題） 上記酸化処理においては、表面処理の程度を強くして
も活性点の量は処理の程度に比例して増加するわけでな
く、また表面の粗化は欠陥の導入に他ならずより一層の
濡れ性の改善が求められている。

（課題を解決するための手段） 本発明者らは炭素繊維とマトリクスとの親和力を向上
させる目的で、種々検討を行ない、炭素繊維のフッ素化
とアルカリ処理とを併用することにより、著しく濡れ性
が向上することを見いだし、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、炭素繊維の表面をフッ素化処理
し、ついでアルカリで処理することを特徴とする炭素繊
維の表面改質方法を要旨とする。

以下、本発明を詳細に説明する。まず、本発明におい
て用いられる炭素繊維は、公知の各種原料から製造しう
ることができ、たとえば、石炭タールピッチ，石油ピッ
チ，ポリアクリロニトリル，セルロース，ポリビニルア
ルコール等から製造され、炭素化処理された炭素繊維も
しくは黒鉛化処理された黒鉛化繊維、又は気相法による
ウイスカ等も用いることができる。

本発明におけるフッ素化処理は、フッ素ガスにより行
なわれる。その温度は90℃以下、望ましくは30℃以下の
Ｃ−Ｆの共有結合を十分形成しない温度域が好適であ
る。また、フッ素化処理時間は炭素材料に均一にフッ素
が供給されれば短時間の処理でよく、時間が長くなって
もそれ相応の効果は期待できないため通常は１〜30分の
処理時間であり、より好ましくは10分以下である。

フッ素ガスのフッ素分圧は加圧〜減圧まで特に制限な
いが、好ましくは1mmHg〜50mmHgで処理するのがよい。

また、フッ素ガスとしてはそれ単独で用いても、窒
素、アルゴンなどの不活性ガスを混合しても用いること
ができる。更に、酸素等のガスを含んでいても用いるこ
とが出来る。

本発明においては、上記フッ素化処理後に、炭素繊維
の表面をアルカリ処理する。

アルカリとしては、カリウム、ナトリウム等のアルカ
リ金属の水酸化物、炭酸塩、バリウム等のアルカリ土金
属の水酸化物等、溶液中で水酸イオンを形成するものが
挙げられる。

これらのアルカリの濃度は通常1N以下、好適には0.1
〜0.001Nで用いられる。

上記アルカリ処理は、前段のフッ素化処理の程度、ア
ルカリ濃度によっても異なるが、通常室温〜100℃程度
の温度で、数秒〜数日間の条件から選択される。

本発明方法においては、上記フッ素化処理の前後に、
各種の薬液酸化もしくは電解酸化等の液相酸化又は気相
酸化を行ない、ついで上記のアルカリ処理を行うことも
できる。

本発明により表面改質された炭素繊維は、エポキシ樹
脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポ
リイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルエーテ
ルケトン樹脂等の熱硬化及び熱可塑性樹脂との接着性が
向上し、複合材料用の繊維強化材として有用である。

（実施例） 以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、
本発明の範囲はその要旨を越えない限り実施例に限定さ
れるものではない。

実施例１〜４及び比較例１〜３ ピッチ系炭素繊維（1500℃焼成）約0.1gを、フッ素化
処理用反応器内に入れ、容器内を真空に保った後、フッ
素ガスを導入し、表１に示すフッ素化条件で処理した。
ついで、得られたフッ素化処理炭素繊維を表１に示す条
件でアルカリで処理し、改質炭素繊維を得た。

これらの改質炭素繊維の水に対する濡れ性の尺度とし
てウイルヘルミイ法による後退接触角の測定を行った
（測定装置：島津自動接触角測定装置“ST−1S"）。測
定は５回行い、その平均値を表１に示す。

（発明の効果） 本発明方法によれば、表面の濡れ性が向上し、経時的
にも安定な炭素繊維を得ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−191011（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−149968（ＪＰ，Ａ) 特公 昭49−38954（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) D06M 11/00 - 11/84

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭素繊維の表面をフッ素化処理し、ついで
   アルカリで処理することを特徴とする炭素繊維の表面改
   質方法。
2. 【請求項２】フッ素化処理を約90℃以下の温度で行なう
   請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】アルカリの濃度が1N以下である請求項１記
   載の方法。