JP4936588B2 - Carbon fiber for metal oxide coating and method for producing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物理的あるいは化学的な反応により金属酸化物を炭素繊維表面にコーティングさせるのに適した炭素繊維、同ストランド、炭素繊維組織構造体、及びそれらの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
炭素繊維にプラスチック、セラミックス、金属のような異種の素材を単にコーティングして複合材料を製造する技術は比較的基本的な技術であり、前記技術を用いてこれらをコーティングした炭素繊維も従来公知のものである。
【0003】
近年、炭素繊維強化プラスチックのような複合材料の機能の進歩と共に、単に強度の改善を求めるに止まらず、繊維基材表面に別機能を有する材料をコーティングさせて、両者の特性を兼備した高機能又は多機能繊維を開発する試みがなされており、実際種々の複合炭素繊維が開発されている。
【0004】
このような複合炭素繊維は、複合炭素繊維に用いられる炭素繊維自体の高い強度や弾性率を生かす用途を持つだけでなく、コーティングした異種の素材の持つ物理的性質や機能性を兼備するものである。
【0005】
一方、金属酸化物は、磁性、透磁率性、超伝導性に優れ、更に触媒作用等も有するので、各種産業分野で広く利用されている。中でも、磁性酸化物は磁気テープなどの磁気記録媒体用として実用化されているだけでなく、導電性や表面吸着能、電磁波吸収能もあり、幅広い用途が期待されるものである。
【0006】
特に、昨今の情報通信機器の高度な発達により、外界には多種多様の電磁波が飛び交っており、これに関連してコンピューターや制御装置を誤作動させる電磁波障害が大きな社会問題になっている。このような電磁波障害を防止するため、電磁波吸収体として磁性酸化物を複合させた各種複合材料の開発が進められている。
【0007】
磁性酸化物は広い周波数領域で電磁波を吸収する機能を有するので、炭素繊維と組み合わせることで、機械的強度と電磁波吸収特性を兼備した成形体を実現できるのではないかと期待されている。
【0008】
炭素材料に金属酸化物をコーティングする技術は、特開平10ー208541号等で公知である。しかし、従来技術による場合は、炭素繊維表面に強固かつ均一に多量の金属酸化物をコーティングすることは難しく、繊維一本一本に均一且つ一定の付着量で金属酸化物をコーティングすることのできる、表面状態がコントロールされた炭素繊維も存在しない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、金属酸化物を均一かつ多量にコーティングする事のできる炭素繊維を製造するために種々検討した結果、炭素含有率の高い炭素繊維において、ESCA法により測定されるO1S/C1Sのピーク比、炭素繊維表面に生成する官能基であるカルボキシル基又は水酸基の当量、カルボキシル基/水酸基の比が炭素繊維表面に対する金属酸化物のコーティング性に重要な影響を持つことを知見し、その結果本発明を完成するに至った。
【0010】
従って、本発明の目的とするところは、炭素繊維の表面状態をコントロールすることにより、金属酸化物を炭素繊維表面に均一且つ任意の付着量で強固にコーティングできる金属酸化物コーティング用炭素繊維及びその製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、以下に記載するものである。
【0012】
〔1〕 炭素含有率が90%以上、ESCA法により測定されるピーク比O1S/C1Sが0.1〜0.5、繊維表面のカルボキシル基及び水酸基が0.5μeq/g以上、且つカルボキシル基/水酸基が1以上である金属酸化物コーティング用炭素繊維。
【0013】
〔2〕 フィラメント状に形成してなる前記〔1〕記載の金属酸化物コーティング用炭素繊維。
【0014】
〔3〕 長さ1〜100mmのファイバー状に形成してなる前記〔1〕に記載の金属酸化物コーティング用炭素繊維。
【0015】
〔4〕 直径が3〜10μm、引っ張り荷重が1.5g以上、引っ張り伸度が0.5%以上、体積抵抗率が0.1Ω・cm以下である前記〔1〕に記載の金属酸化物コーティング用炭素繊維。
【0016】
〔5〕 ポリアクリロニトリル繊維の炭素化処理によって製造してなる前記〔1〕に記載の金属酸化物コーティング用炭素繊維。
【0017】
〔6〕 水を含む粘性物資によりサイズ処理してなる前記〔1〕記載の金属酸化物コーティング用炭素繊維。
【0018】
〔7〕 前記〔2〕記載のフィラメントを100〜100,000本集束してなるストランドであって、前記ストランドの引っ張り強度が200kgf/mm2以上、引っ張り弾性率が20tonf/mm2以上である金属酸化物コーティング用炭素繊維ストランド。
【0019】
〔8〕 前記〔3〕に記載のファイバー状金属酸化物コーティング用炭素繊維又は前記〔7〕に記載の金属酸化物コーティング用炭素繊維ストランドを用いて構成してなることを特徴とする金属酸化物コーティング用炭素繊維組織構造体。
【0020】
〔9〕 金属酸化物コーティング用炭素繊維構造体が、織物、不織布、合成紙、又はフェルトである前記〔8〕に記載の金属酸化物コーティング用炭素繊維組織構造体。
【0021】
〔10〕 炭素繊維を酸化処理する金属酸化物コーティング用炭素繊維の製造方法において、酸化処理が炭素繊維に電流を流しながら硫酸塩の水溶液中を通過させるものであることを特徴とする炭素含有率が90%以上、ESCA法により測定されるピーク比O1S/C1Sが0.1〜0.5、繊維表面のカルボキシル基及び水酸基が0.5μeq/g以上、且つカルボキシル基/水酸基が1以上である金属酸化物コーティング用炭素繊維の製造方法。
【0022】
〔11〕 前記〔7〕に記載のストランドを長さ1〜100mmにカットする事を特徴とする金属酸化物コーティング用炭素繊維チョップドファイバーの製造方法。
【0023】
以下、本発明を詳細に説明する。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明の金属酸化物コーティング用炭素繊維は、炭素繊維の表面を酸化処理して製造するものである。本発明の金属酸化物コーティング用炭素繊維の製造原料となる炭素繊維としては、フェノール樹脂、レーヨン、ポリアクリロニトリル等の高分子繊維、石油系ピッチ、炭素系ピッチ、液晶系ピッチ等のピッチ系繊維等を原料とする炭素繊維の何れも使用でき、特に限定されるものではない。しかし、製造の容易さ及び得られる品質の安定性等の観点から、主としてポリアクリロニトリル繊維を不活性ガス雰囲気下、1000〜3000℃にて焼成して作られるアクリル系の炭素繊維が好ましい。
【0025】
(プリカーサー)
アクリル系の炭素繊維の原料となるプリカーサーはポリアクリロニトリル系繊維(ポリアクリロニトリル、及び極性基を有する単量体を共重合させたポリアクリロニトリル)である。このプリカーサーは、ポリアクリロニトリルの濃厚溶液を用いて、通常の湿式、乾式、又は乾・湿式紡糸方法により、及び通常の紡糸条件により製造したものが使用できる。これらのポリアクリロニトリル系繊維自体は公知のものである。
【0026】
紡糸の際に用いるポリアクリロニトリルの溶剤としては、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、エチレンカーボネート等の有機溶媒、また硝酸、ロダン塩、塩化亜鉛などの水溶液が主として用いられる。
【0027】
特に、塩化亜鉛の水溶液を用いたポリマー溶液から紡糸したプリカーサーはポリマー分子の配向性が高く、品質が良好で伸度の高い炭素繊維が得られるので好ましいものである。この紡糸方法自体は公知のものである。
【0028】
溶剤に塩化亜鉛水溶液を用いて紡糸したポリアクリロニトリル繊維を原料とするプリカーサー中には、亜鉛成分が10〜100ppm残存することが金属分析等の手段により確認されている。プリカーサー中に10〜100ppm残存する亜鉛成分は、プリカーサーの焼成により炭素繊維を製造する過程で生成する炭素繊維中の炭素網面の配向性を乱すことなく、且つ炭素網面の成長を促進させて、高性能の炭素繊維を生成させる。
【0029】
焼成後に得られる炭素繊維中には、特定成分として亜鉛が約20〜200ppm含まれている。この亜鉛成分は後述する炭素繊維の表面処理工程あるいは乾燥処理工程を経ても炭素繊維の性能を低下させることがなく、逆に本発明の目的製品である金属酸化物のコーティング用炭素繊維に好ましい性質を与える。
【0030】
上記プリカーサーは、0.5〜3デニールで広角X線回折による配向度90%以上のが好ましい。
【0031】
プリカーサーに延伸性や集束性を付与し、作業性を向上させるため、プリカーサー表面に油剤を0.01〜1%付着させることが好ましい。油剤としては、アミノシリコーン系、リン酸エステル系、ポリエチレングリコール変性シリコーン系、脂肪族エステル系、グリシジルエーテル系、芳香族エステル系、複合エステル系、フッ化リン酸エステル系等の単独あるいは二種類以上の混合物を用いることができる。
【0032】
(耐炎繊維)
上記のようにして調製したプリカーサーであるアクリロニトリル繊維を、空気中200〜300℃において緊張下で熱処理することにより、比重1.3〜1.4の空気中で燃えない耐炎繊維を得る。
【0033】
(原料炭素繊維)
その後、一定の張力下、不活性ガス雰囲気中で1,000℃〜3,000℃で耐炎繊維を加熱することにより炭素化させ、これにより原料炭素繊維を得る。
【0034】
特に高強度の原料炭素繊維を得るためには、1,000〜3,000℃の炭素化過程において、炭素繊維ストランドのテンションバランスと炭素化炉通過中の昇温勾配に注意する必要がある。これらの条件は当業者に公知の事項である。黒鉛性の高い原料炭素繊維は金属酸化物コーティング用炭素繊維の原料として、性能及びコスト面で適さないため、炭素化温度としては1,000〜2,000℃が好ましい。
【0035】
このようにして得られる原料炭素繊維は、単繊維直径が3〜10μm、単繊維フィラメントの引っ張り荷重が1.5g以上、引っ張り伸度が0.5%以上、体積抵抗率が0.1Ω・cm以下、繊維比重1.6〜2.0のものが好ましい。
【0036】
また、上記原料炭素繊維(単繊維フィラメント)を100〜100,000本集束させた炭素繊維ストランドは、引っ張り強度200kgf/mm2以上、引っ張り弾性率20tonf/mm2以上のものが好ましい。
【0037】
(表面処理)
本発明においては、次いで上記原料炭素繊維に表面処理を施して炭素繊維の表面を酸化するものである。即ち、上述のようにプリカーサーを1000〜3000℃で焼成して不活性ガス雰囲気下で400℃以下の温度まで冷却して得られる原料炭素繊維、又は予め製造して準備してあった原料炭素繊維を表面処理工程に送り、この工程で炭素繊維表面にカルボキシル基や水酸基等の官能基を酸化反応により生成させるものである。
【0038】
表面処理方法としては、硫酸、硝酸等の強酸、あるいは強酸の塩、酢酸、次亜塩素酸等の弱酸の塩、または水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ、あるいはアルカリの塩等の溶液に原料炭素繊維又は炭素繊維束を浸漬処理する方法が例示できる。また、この際に炭素繊維に電流を流し、電解酸化を行わせる方法も有効である。特に、炭素繊維に電流を流しながら硫酸塩の水溶液中を通過させる方法は、表面処理方法として好ましいものである。
【0039】
この場合100c/g以下、特に5〜50c/gの電気量で原料炭素繊維に電気を流しながら硫酸塩の水溶液を通過させて得られる炭素繊維は、表面処理条件が温和なため、後述するO1S/C1Sピーク比や官能基量をコントロールする上で特に好ましいものである。
【0040】
硫酸塩としては、硫酸ナトリウム、硫酸水素ナトリウム、硫酸アンモニウム、硫酸水素アンモニウム等が例示できる。硫酸塩濃度としては1〜15質量%が好ましい。
【0041】
あるいは、オゾンやハロゲン等の酸化性気体に炭素繊維又は炭素繊維束を接触させて酸化処理を行わせる方法も例示できる。
【0042】
更に、炭素化工程中の炭素繊維に400℃を越える温度の高温空気を接触させると、炭素繊維が空気中の酸素と酸化反応を起こすので、この方法でも表面処理ができる。
【0043】
本発明においては、原料炭素繊維に上記酸化処理を施すことにより、原料炭素繊維の表面に官能基を導入して金属酸化物コーティング用炭素繊維を製造するものであるが、その導入量は以下に示す範囲のものである。
【0044】
a.ESCA法により測定されるO1S/C1Sのピーク比を0.1〜0.5、好ましくは0.2〜0.4の範囲内とする
b.中和滴定により求められる炭素繊維表面に生成するカルボキシル基及び水酸基(酸性官能基)の当量は、共に0.5μeq/g以上、好ましくは1〜25μeq/gとする
c.カルボキシル基/水酸基の当量比を1以上、好ましくは1〜10とする
導入量の調整は、処理溶液の濃度、温度、電気量、または気体の濃度、処理時間等を適宜設定することにより行う。
【0045】
炭素繊維の表面処理において、カルボキシル基/水酸基の当量比を1以上とすることにより、繊維表面に対する金属酸化物の被膜性が増し、均一にコーティングできる。
【0046】
炭素繊維表面に生成するカルボキシル基とフェノール性水酸基(酸性官能基)の当量は、過剰のアルカリ溶液に炭素繊維を浸漬してアルカリと酸性官能基とを反応させ、その後アルカリ溶液を酸で逆滴定することにより算出できる。酸性官能基としてはカルボキシル基とフェノール性水酸基とが存在するものと考えられる。水酸化ナトリウムはカルボキシル基とフェノール性水酸基の両者と反応する。しかし、炭酸水素ナトリウムはカルボキシル基とのみ反応する。水酸化ナトリウム溶液と炭酸ナトリウム溶液とを用いて逆滴定することにより両官能基の当量を定量できる。
【0047】
また、後述する様に炭素繊維表面に金属酸化物をコーティングする場合、炭素繊維表面の表面処理の程度に比例して、金属酸化物の前駆体物質あるいは金属酸化物そのものが炭素繊維表面に配位あるいは付着し易くなる傾向がある。従って、炭素繊維のESCA法により測定されるO1S/C1Sのピーク比が0.1より小さい場合、炭素繊維上への金属酸化物のコーティング生成量が少なく且つ容易に脱落しやすい傾向となり、好ましくない。
【0048】
O1S/C1Sのピーク比が0.5より大きい場合は、過度に表面処理が施された状態であり、この場合は炭素繊維そのものの基本的な機械的特性を損ねており、金属酸化物をコーティングした場合、金属酸化物と炭素繊維との接着強度が低いものとなり好ましくない。
【0049】
逆に、O1S/C1Sのピーク比をコントロールすることにより、金属酸化物のコーティング量を制御することもできる。
【0050】
(洗浄処理)
表面処理された炭素繊維は、次いで必要により洗浄処理が施される。これにより、前記表面処理の際に炭素繊維表面に付着する酸、アルカリ、イオン等の残留成分を除去できる。洗浄は水洗が好ましい。洗浄水としてはイオン交換水が好ましく、特に水中の全金属イオン成分が50ppm以下の水を用いることが好ましい。全金属イオン成分の少ない水を用いることにより、洗浄の際に炭素繊維の表面に生成した官能基の活性低下を防止できる。
【0051】
洗浄後、炭素繊維を乾燥することが好ましい。乾燥は、炭素繊維の水分率が0.5質量%以下になるようにすることが好ましい。
【0052】
これにより、本発明の金属酸化物コーティング用炭素繊維を得る。
【0053】
本発明の金属酸化物コーティング用炭素繊維の形態としては、短繊維、フィラメント等の種々の形態の単繊維であっても、この単繊維が集束して構成されたストランドあっても良い。また、炭素繊維を長さ1〜100mmにカットしたチョップドファイバーであっても良い。チョップドファイバーはストランドを切断することにより簡単に製造できる。
【0054】
乾燥したフィラメントを100〜100,000本以上束ねた炭素繊維束は、本来ストランドのまとまりが悪く、風等により容易に広るため、取り扱いが難しい。従って、水、あるいは高級アルコールのような油類、あるいはエポキシ樹脂のような粘性のある物質を集束剤として炭素繊維に対して1〜10質量%付着させることにより、ストランドがまとめ易くなり、その取り扱い性が改善される。
【0055】
また、用途によっては親水性の集束剤として、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリエチレングリコール(PEG)等の水溶性高分子物質を用いても良い。これらの集束剤は、金属酸化物をコーティングする前に除去することが好ましい。
【0056】
(金属酸化物のコーティング)
上述のようにして製造した本発明の金属酸化物コーティング用炭素繊維の表面に金属酸化物をコーティングする方法としては、サイズ剤のような糊状物質に金属酸化物を混ぜ込んでサイジングする方法、金属酸化物の前駆体溶液でメッキする方法、CVDのような化学蒸着による方法などがある。
【0057】
更に、コーティング状態の適正化や、連続化によるコストダウンを考慮した場合、金属酸化物の前駆体溶液に本発明の炭素繊維を浸し、金属イオンを炭素繊維表面に付着させた後加熱処理することにより、炭素繊維表面に金属酸化物を生成させる方法が好ましい。加熱処理は空気中で200〜2000℃で30〜300分間保持することにより行うことが好ましい。
【0058】
本発明の炭素繊維は上記何れの方法でも、その表面に金属酸化物をコーティングすることができる。
【0059】
サイジングによりコーティングする金属酸化物としては、酸化鉄、酸化チタン、酸化ケイ素等が好ましい。
【0060】
メッキによりコーティングする金属酸化物前駆体としては、塩化鉄、塩化ニッケル、塩化コバルト、硫酸チタン等が好ましい。
【0061】
化学蒸着によりコーティングする金属酸化物又はその前駆体としては、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、酸化アルミニウム等が好ましい。
【0062】
炭素繊維に付着させる金属イオンとしてはFe、Cr、Mn、Zn、Ni、Si等のイオン等が好ましい。
【0063】
金属酸化物のコーティング量は、繊維質量を基準(100%)として、その1〜100質量%が好ましく、特に10〜50質量%が好ましい。
【0064】
なお、本発明の炭素繊維を用いて、織物、不織布、合成紙、フェルトなどの炭素繊維組織構造体を作製することができる。炭素繊維組織構造体に上記の方法により金属酸化物を付着させることができる。
【0065】
更に、本発明炭素繊維に、ストランドの引っ張り弾性率が15tonf/mm2未満の低弾性率炭素繊維、あるいは引っ張り弾性率が40tonf/mm2以上の高強度・高弾性率の炭素繊維を併用することができる。また炭素繊維の他に、以下の強化繊維を高伸度炭素繊維と併用することができる。強化繊維としては無機、有機繊維の何れでも良く、例えば天然高分子、合成高分子の繊維の他、ガラス繊維、芳香族アラミド繊維、芳香族ポリアミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維を併用することができる。いずれも引っ張り伸度が2.0%以上のものが好ましい。
【0066】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する。
【0067】
炭素繊維表面のカルボキシル基とフェノール性水酸基との当量は以下の方法により求めた。
【0068】
炭素繊維を約5cmに切り、その約3gを0.1N塩酸に浸漬させて一昼夜放置し、塩や環状の形態で存在する酸性官能基を遊離させる。その後、純水で炭素繊維を中性になるまで洗浄する。中性の炭素繊維を三角フラスコに入れ、純水80mlを加え、脱気操作を30分間行った後、0.05Nの水酸化ナトリウム溶液又は炭酸水素ナトリウム溶液を1ml加え、三角フラスコ内を窒素置換して密閉状態で一昼夜放置する。
【0069】
その後、三角フラスコ内の炭素繊維を純水で十分洗浄し、その洗浄水を0.01Nの塩酸標準液で逆滴定(電位差滴定)する。
【0070】
一方、同様に操作してブランク値を得る。
【0071】
カルボキシル基とフェノール性水酸基量は、以下の計算式から算出する。
【0072】
【数1】
カルボキシル基量(μeq/g)=1000(V0−V1)・t/p (1)
全酸性基量(μeq/g) =1000(V0−V2)・t/p (2)
フェノール性水酸基量(μeq/g)=(2)−(1) (3)
V0 :ブランクの滴定量(ml)
V1 :炭酸水素ナトリウムを加えた洗浄水の滴定量(ml)
V2 :水酸化ナトリウムを加えた洗浄水の滴定量(ml)
t :滴定塩酸濃度(0.01N)
p :採取炭素繊維質量(g)
実施例1
糸の太さが1.0デニールの単繊維フィラメントを12,000本集めて構成したアクリロニトリル繊維ストランドを、空気中280℃で耐炎化させた後、1,400℃で炭素化処理を行った。引き続き、このストランドを5質量%の硫酸アンモニウム水溶液中に連続して浸漬させ、炭素繊維に15c/gの電気量で通電しながら、2分間の滞留時間で表面処理を施した。
【0073】
次いで、全金属イオン成分が10ppm以下のイオン交換水を用いて水洗後、乾燥して水分量が0.1質量%の金属酸化物コーティング用炭素繊維を得た。
【0074】
表1に、得られた炭素繊維の性能を示す。
【0075】
この炭素繊維を1g採取し、塩化鉄/塩化ニッケル/尿素が0.02M/0.01M/0.1Mの溶液100ccに浸し、50気圧の窒素雰囲気下でマイクロ波を照射して200℃まで加熱し、その状態で30分間保った。冷却・水洗・乾燥して得られた繊維は、茶色に変色しており、磁性が認められた。
【0076】
広角X線回折より、繊維表面にはNiフェライトがコーティングされていることが確認できた。処理前後の質量変化より算出したコーティング量は5質量%であった。
【0077】
この繊維の表面状態を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察したところ、図2のSEM写真に示すように、Niフェライトと思われる物質が繊維表面に均一にコーティングされている状態が観察された。これらの結果から、実施例1の条件で製造した炭素繊維は、表1に示すように、金属酸化物のコーティングに適した炭素繊維であることが確認された。
【0078】
なお、コーティング処理前の炭素繊維のSEM写真を、図1に示す。
【0079】
実施例2〜3
表1に示すように、炭素繊維の製造条件、表面処理条件を変更し、実施例1と同様に炭素繊維表面に金属酸化物をコーティングさせ、金属酸化物のコーティング量と状態を検討した。その結果、これらの炭素繊維は、金属酸化物のコーティングに適した炭素繊維であることが確認された。
【0080】
実施例4
糸の太さが1.0デニールの単繊維フィラメントを6,000本集めて構成したアクリロニトリル繊維ストランドを、空気中260℃で耐炎化させた後、1,350℃で炭素化処理を行った。引き続き、このストランドを5質量%の硫酸アンモニウム水溶液中に連続して浸漬させ、炭素繊維に10c/gの電気量で通電しながら、2分間の滞留時間で表面処理を施した。
【0081】
次いで、全金属イオン成分が10ppm以下のイオン交換水を用いて水洗後、乾燥して水分量が0.1質量%の金属酸化物コーティング用炭素繊維を得た。表1に、得られた炭素繊維の性能を示す。
【0082】
この炭素繊維を1g採取し、50mlの50質量%硫酸チタン水溶液に浸漬した後、50%アンモニア水をpH7になるまで徐々に添加した。粥状になった溶液から炭素繊維を取出し、水洗、乾燥し、540℃で3時間乾燥させた。繊維の色は殆ど変化がなく、黒色であった。広角X線回折より、繊維表面には酸化チタンがコーティングされていることが確認できた。処理前後の質量変化から算出したコーティング量は5質量%であった。
【0083】
比較例1
実施例1と同じ条件で製造した炭素繊維ではあるが、表面処理を施さない炭素繊維を作製した。この繊維はO1S/C1S値が0.05であり、炭素繊維表面にカルボキシル基等の官能基の相対的な当量数が少ないことが確認された(表2)。
【0084】
この炭素繊維に、実施例1と同じ条件で金属酸化物をコーティングさせた。この繊維への金属酸化物のコーティング量は0.5質量%と少なく、図4のSEM写真のように疎なコーティング状態であることが確認され、この炭素繊維は、金属酸化物のコーティングに適さない炭素繊維であることが確認された。
【0085】
なお、コーティング処理前の炭素繊維のSEM写真を図3に示す。
【0086】
【表1】
【0087】
【表2】
【0088】
【発明の効果】
本発明の金属酸化物コーティング用炭素繊維は、上記のように構成したので、各種金属酸化物を均一、強固、かつ多量にコーティングすることができる。
【0089】
また、本発明の金属酸化物コーティング用炭素繊維を用いて製造する金属酸化物をコーティングした炭素繊維は、炭素繊維が本来有している高強度・高弾性率等の好ましい性能を損なうことなく、金属酸化物の特性を具備することができる。
【0090】
特に、金属酸化物として磁性、透磁率性、超伝導性等を示すものを用いる場合は、得られる金属酸化物をコーティングした炭素繊維は、高強度・高弾性率と、磁性等の優れた性質とを兼備するものとなる。従って、本発明の金属酸化物コーティング用炭素繊維を用いて金属酸化物をコーティングした炭素繊維組織構造体を製造する場合は、このものは機械的性質の改善効果と電磁波吸収効果等とを効率良く発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1で得られた金属酸化物のコーティング前の炭素繊維の図面代用走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。A、B及びCは、炭素繊維断面の、それぞれ、倍率×5000、×8000及び×30000のSEM写真である。D、E、F及びGは、炭素繊維側面の、それぞれ、倍率×1000、×3500、×10000及び×30000のSEM写真である。
【図2】実施例1で得られた金属酸化物のコーティング後の炭素繊維の図面代用走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。A、B及びCは、炭素繊維断面の、それぞれ、倍率×5000、×8000及び×30000のSEM写真である。D、E、F及びGは、炭素繊維側面の、それぞれ、倍率×1000、×3500、×10000及び×30000のSEM写真である。
【図3】比較例1で得られた金属酸化物のコーティング前の炭素繊維の図面代用走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。A、B及びCは、炭素繊維断面の、それぞれ、倍率×5000、×8000及び×30000のSEM写真である。D、E、F及びGは、炭素繊維側面の、それぞれ、倍率×1000、×3500、×10000及び×30000のSEM写真である。
【図4】比較例1で得られた金属酸化物のコーティング後の炭素繊維の図面代用走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。A、B及びCは、炭素繊維断面の、それぞれ、倍率×5000、×8000及び×30000のSEM写真である。D、E、F及びGは、炭素繊維側面の、それぞれ、倍率×1000、×3500、×10000及び×30000のSEM写真である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon fiber suitable for coating a metal fiber surface with a metal oxide by a physical or chemical reaction, the same strand, a carbon fiber tissue structure, and a method for producing them.
[0002]
[Prior art]
The technology of simply manufacturing a composite material by simply coating different materials such as plastics, ceramics, and metals on carbon fibers is a relatively basic technology, and carbon fibers coated with these using the above technology are also well known in the art. Is.
[0003]
In recent years, with the advancement of functions of composite materials such as carbon fiber reinforced plastics, it is not only a matter of demanding improvement in strength, but a high-functionality that combines the characteristics of both by coating materials with different functions on the fiber substrate surface Alternatively, attempts have been made to develop multifunctional fibers, and various composite carbon fibers have actually been developed.
[0004]
Such composite carbon fibers not only have applications that make use of the high strength and elastic modulus of the carbon fibers themselves used in composite carbon fibers, but also combine the physical properties and functionality of different types of coated materials. is there.
[0005]
On the other hand, metal oxides are widely used in various industrial fields because they are excellent in magnetism, magnetic permeability and superconductivity, and also have catalytic action. Among these, magnetic oxides are not only put into practical use for magnetic recording media such as magnetic tapes, but also have conductivity, surface adsorption ability, and electromagnetic wave absorption ability, and are expected to be used in a wide range of applications.
[0006]
In particular, due to the recent development of information communication equipment, a wide variety of electromagnetic waves are flying around in the outside world, and electromagnetic interference that causes a computer or a control device to malfunction is a major social problem. In order to prevent such electromagnetic interference, various composite materials in which a magnetic oxide is combined as an electromagnetic wave absorber are being developed.
[0007]
Since the magnetic oxide has a function of absorbing electromagnetic waves in a wide frequency range, it is expected that a molded body having both mechanical strength and electromagnetic wave absorption characteristics can be realized by combining with carbon fibers.
[0008]
A technique for coating a carbon material with a metal oxide is known from Japanese Patent Laid-Open No. 10-208541. However, according to the prior art, it is difficult to coat a large amount of metal oxide firmly and uniformly on the surface of the carbon fiber, and it is possible to coat the metal oxide with a uniform and constant adhesion amount on each fiber. There is no carbon fiber whose surface condition is controlled.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As a result of various studies to produce carbon fibers that can be coated uniformly and in large quantities with metal oxides, the present inventors have found that carbon fibers having a high carbon content are measured by the ESCA method.1S/ C1SThe peak ratio, the equivalent of carboxyl groups or hydroxyl groups that are functional groups formed on the carbon fiber surface, and the ratio of carboxyl group / hydroxyl group has an important effect on the coating properties of metal oxides on the carbon fiber surface. As a result, the present invention has been completed.
[0010]
Therefore, the object of the present invention is to control the surface state of the carbon fiber so that the metal oxide can be uniformly coated on the carbon fiber surface uniformly and with an arbitrary amount of adhesion, and the carbon fiber for coating the metal oxide. It is to provide a manufacturing method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for achieving the above object is described below.
[0012]
[1] Peak ratio O measured by ESCA method with a carbon content of 90% or more1S/ C1SIs a carbon fiber for metal oxide coating, having a carboxyl group and hydroxyl group on the fiber surface of 0.5 μeq / g or more and a carboxyl group / hydroxyl group of 1 or more.
[0013]
[2] The carbon fiber for metal oxide coating according to [1], which is formed in a filament shape.
[0014]
[3] The carbon fiber for metal oxide coating according to [1], which is formed in a fiber shape having a length of 1 to 100 mm.
[0015]
[4] The metal oxide coating according to [1], having a diameter of 3 to 10 μm, a tensile load of 1.5 g or more, a tensile elongation of 0.5% or more, and a volume resistivity of 0.1 Ω · cm or less. Carbon fiber for use.
[0016]
[5] The carbon fiber for metal oxide coating according to [1], which is produced by carbonization treatment of polyacrylonitrile fiber.
[0017]
[6] The carbon fiber for metal oxide coating according to [1], which is sized by a viscous material containing water.
[0018]
[7] A strand formed by concentrating 100 to 100,000 filaments according to [2], wherein the strand has a tensile strength of 200 kgf / mm.2As described above, the tensile elastic modulus is 20 tonf / mm2This is the carbon fiber strand for metal oxide coating.
[0019]
[8] A metal oxide comprising the carbon fiber for coating a fiber-like metal oxide according to [3] or the carbon fiber strand for coating a metal oxide according to [7]. Carbon fiber structure for coating.
[0020]
[9] The carbon fiber structure for metal oxide coating according to [8], wherein the carbon fiber structure for metal oxide coating is a woven fabric, a nonwoven fabric, synthetic paper, or felt.
[0021]
[10] In the method for producing a metal oxide coating carbon fiber for oxidizing a carbon fiber, the oxidation treatment allows the carbon fiber to pass through an aqueous solution of sulfate while passing an electric current through the carbon fiber. 90% or more, peak ratio O measured by ESCA method1S/ C1SIs 0.1 to 0.5, the carboxyl group and hydroxyl group on the fiber surface is 0.5 μeq / g or more, and the method for producing carbon fiber for metal oxide coating having carboxyl group / hydroxyl group of 1 or more.
[0022]
[11] A method for producing carbon fiber chopped fiber for metal oxide coating, wherein the strand according to [7] is cut into a length of 1 to 100 mm.
[0023]
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The carbon fiber for metal oxide coating of the present invention is produced by oxidizing the surface of the carbon fiber. Examples of the carbon fiber used as the raw material for producing the carbon fiber for metal oxide coating of the present invention include polymer fibers such as phenol resin, rayon, polyacrylonitrile, and pitch fibers such as petroleum pitch, carbon pitch, and liquid crystal pitch. Any of the carbon fibers that are used as a raw material can be used, and is not particularly limited. However, from the viewpoints of ease of production, stability of the quality to be obtained, and the like, acrylic carbon fibers that are mainly made by baking polyacrylonitrile fibers at 1000 to 3000 ° C. in an inert gas atmosphere are preferable.
[0025]
(Precursor)
The precursor used as a raw material for the acrylic carbon fiber is polyacrylonitrile fiber (polyacrylonitrile and polyacrylonitrile obtained by copolymerizing a monomer having a polar group). As this precursor, a precursor prepared by using a concentrated solution of polyacrylonitrile by a normal wet, dry, or dry / wet spinning method and under normal spinning conditions can be used. These polyacrylonitrile fibers themselves are known.
[0026]
As the polyacrylonitrile solvent used for spinning, organic solvents such as dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, and ethylene carbonate, and aqueous solutions such as nitric acid, rhodan salts, and zinc chloride are mainly used.
[0027]
In particular, a precursor spun from a polymer solution using an aqueous solution of zinc chloride is preferable because the orientation of polymer molecules is high, and a carbon fiber having good quality and high elongation can be obtained. This spinning method itself is known.
[0028]
It has been confirmed by means of metal analysis or the like that 10 to 100 ppm of the zinc component remains in the precursor made of polyacrylonitrile fiber spun using a zinc chloride aqueous solution as a solvent. The zinc component remaining at 10 to 100 ppm in the precursor promotes the growth of the carbon network surface without disturbing the orientation of the carbon network surface in the carbon fiber produced in the process of producing the carbon fiber by firing the precursor. To produce high performance carbon fiber.
[0029]
The carbon fiber obtained after firing contains about 20 to 200 ppm of zinc as a specific component. This zinc component does not deteriorate the performance of the carbon fiber even after the surface treatment process or the drying process of the carbon fiber, which will be described later. give.
[0030]
The precursor is preferably 0.5 to 3 denier and has an orientation degree of 90% or more by wide-angle X-ray diffraction.
[0031]
In order to impart stretchability and convergence to the precursor and improve workability, it is preferable to attach 0.01 to 1% of an oil agent to the precursor surface. As the oil agent, amino silicone, phosphate ester, polyethylene glycol modified silicone, aliphatic ester, glycidyl ether, aromatic ester, composite ester, fluorophosphate ester, etc. alone or in combination Can be used.
[0032]
(Flame resistant fiber)
The acrylonitrile fiber, which is a precursor prepared as described above, is heat-treated in air at 200 to 300 ° C. under tension, thereby obtaining a flame resistant fiber having a specific gravity of 1.3 to 1.4 that does not burn in air.
[0033]
(Raw carbon fiber)
Thereafter, the flame resistant fiber is heated at 1,000 ° C. to 3,000 ° C. in an inert gas atmosphere under a certain tension to be carbonized, thereby obtaining a raw carbon fiber.
[0034]
In particular, in order to obtain high-strength raw material carbon fibers, it is necessary to pay attention to the tension balance of the carbon fiber strands and the temperature gradient during passage through the carbonization furnace in the carbonization process at 1,000 to 3,000 ° C. These conditions are known to those skilled in the art. Since carbon fiber having high graphitic properties is not suitable as a raw material for carbon fiber for metal oxide coating in terms of performance and cost, the carbonization temperature is preferably 1,000 to 2,000 ° C.
[0035]
The raw carbon fiber thus obtained has a single fiber diameter of 3 to 10 μm, a tensile load of the single fiber filament of 1.5 g or more, a tensile elongation of 0.5% or more, and a volume resistivity of 0.1 Ω · cm. Hereinafter, those having a fiber specific gravity of 1.6 to 2.0 are preferred.
[0036]
Further, the carbon fiber strand obtained by bundling 100 to 100,000 raw carbon fibers (single fiber filaments) has a tensile strength of 200 kgf / mm.2As described above, tensile elastic modulus 20 ton / mm2The above is preferable.
[0037]
(surface treatment)
In the present invention, the raw carbon fiber is then subjected to a surface treatment to oxidize the surface of the carbon fiber. That is, as described above, the precursor carbon fiber obtained by firing the precursor at 1000 to 3000 ° C. and cooling it to a temperature of 400 ° C. or less in an inert gas atmosphere, or the precursor carbon fiber prepared and prepared in advance. Is sent to the surface treatment step, and in this step, functional groups such as carboxyl groups and hydroxyl groups are generated on the carbon fiber surface by an oxidation reaction.
[0038]
Surface treatment methods include strong acids such as sulfuric acid and nitric acid, salts of strong acids, salts of weak acids such as acetic acid and hypochlorous acid, alkalis such as sodium hydroxide and potassium hydroxide, or solutions of alkali salts. The method of immersing raw material carbon fiber or a carbon fiber bundle can be illustrated. In this case, it is also effective to apply an electric current to the carbon fiber to perform electrolytic oxidation. In particular, a method of passing a carbon fiber through an aqueous solution of sulfate while passing an electric current is a preferable surface treatment method.
[0039]
In this case, the carbon fiber obtained by passing an aqueous solution of sulfate while flowing electricity to the raw material carbon fiber at an electric quantity of 100 c / g or less, in particular 5 to 50 c / g, is mild in surface treatment conditions.1S/ C1SThis is particularly preferable for controlling the peak ratio and the amount of functional groups.
[0040]
Examples of the sulfate include sodium sulfate, sodium hydrogen sulfate, ammonium sulfate, and ammonium hydrogen sulfate. The sulfate concentration is preferably 1 to 15% by mass.
[0041]
Or the method of making carbon fiber or a carbon fiber bundle contact oxidizing gases, such as ozone and halogen, and performing an oxidation process can also be illustrated.
[0042]
Further, when high-temperature air having a temperature exceeding 400 ° C. is brought into contact with the carbon fiber in the carbonization process, the carbon fiber causes an oxidation reaction with oxygen in the air.
[0043]
In the present invention, the carbon fiber for metal oxide coating is produced by introducing the functional group to the surface of the raw carbon fiber by subjecting the raw carbon fiber to the above oxidation treatment. It is within the range shown.
[0044]
a. O measured by ESCA method1S/ C1SThe peak ratio is 0.1 to 0.5, preferably 0.2 to 0.4.
b. The equivalents of carboxyl groups and hydroxyl groups (acidic functional groups) generated on the carbon fiber surface determined by neutralization titration are both 0.5 μeq / g or more, preferably 1 to 25 μeq / g.
c. The equivalent ratio of carboxyl group / hydroxyl group is 1 or more, preferably 1-10.
The introduction amount is adjusted by appropriately setting the concentration, temperature, amount of electricity, or gas concentration, treatment time, etc. of the treatment solution.
[0045]
In the surface treatment of carbon fiber, by setting the equivalent ratio of carboxyl group / hydroxyl to 1 or more, the coating property of the metal oxide on the fiber surface is increased and uniform coating is possible.
[0046]
The equivalent of the carboxyl group and phenolic hydroxyl group (acidic functional group) generated on the surface of the carbon fiber is obtained by immersing the carbon fiber in an excess alkaline solution to react the alkali with the acidic functional group, and then back titrating the alkaline solution with an acid. This can be calculated. It is considered that a carboxyl group and a phenolic hydroxyl group exist as the acidic functional group. Sodium hydroxide reacts with both carboxyl groups and phenolic hydroxyl groups. However, sodium bicarbonate reacts only with carboxyl groups. The equivalent of both functional groups can be quantified by back titrating with a sodium hydroxide solution and a sodium carbonate solution.
[0047]
As described later, when a metal oxide is coated on the surface of the carbon fiber, the precursor material of the metal oxide or the metal oxide itself is coordinated on the surface of the carbon fiber in proportion to the degree of the surface treatment of the carbon fiber surface. Or it tends to adhere easily. Therefore, O measured by the ESCA method of carbon fiber.1S/ C1SIf the peak ratio is less than 0.1, the amount of metal oxide coating formed on the carbon fiber is small and tends to easily fall off, which is not preferable.
[0048]
O1S/ C1SWhen the peak ratio of is larger than 0.5, it is in a state where the surface treatment is excessively performed, in this case, the basic mechanical properties of the carbon fiber itself are impaired, and when the metal oxide is coated, This is not preferable because the adhesive strength between the metal oxide and the carbon fiber is low.
[0049]
Conversely, O1S/ C1SBy controlling the peak ratio, the coating amount of the metal oxide can also be controlled.
[0050]
(Cleaning process)
The surface-treated carbon fiber is then subjected to a cleaning treatment if necessary. Thereby, it is possible to remove residual components such as acid, alkali, and ions attached to the carbon fiber surface during the surface treatment. Washing is preferably water washing. As the washing water, ion-exchanged water is preferable, and water having a total metal ion component in water of 50 ppm or less is particularly preferable. By using water with a small amount of all metal ion components, it is possible to prevent a decrease in the activity of functional groups generated on the surface of the carbon fiber during washing.
[0051]
After washing, the carbon fiber is preferably dried. The drying is preferably performed so that the moisture content of the carbon fiber is 0.5% by mass or less.
[0052]
Thereby, the carbon fiber for metal oxide coating of this invention is obtained.
[0053]
The form of the carbon fiber for metal oxide coating of the present invention may be a single fiber of various forms such as a short fiber or a filament, or a strand formed by converging the single fibers. Moreover, the chopped fiber which cut the carbon fiber into 1-100 mm in length may be sufficient. Chopped fibers can be easily manufactured by cutting the strands.
[0054]
Carbon fiber bundles in which 100 to 100,000 dried filaments are bundled are inherently poorly organized in strands and easily spread by wind or the like, and are difficult to handle. Therefore, by attaching 1 to 10% by mass of water or oils such as higher alcohol, or a viscous substance such as epoxy resin as a sizing agent to the carbon fiber, the strands can be easily bundled and handled. Improved.
[0055]
Depending on the application, a water-soluble polymer substance such as polyvinyl alcohol (PVA) or polyethylene glycol (PEG) may be used as a hydrophilic sizing agent. These sizing agents are preferably removed prior to coating the metal oxide.
[0056]
(Metal oxide coating)
As a method of coating a metal oxide on the surface of the carbon fiber for metal oxide coating of the present invention produced as described above, a method of sizing by mixing a metal oxide into a paste-like substance such as a sizing agent, There are a method of plating with a precursor solution of a metal oxide, a method of chemical vapor deposition such as CVD, and the like.
[0057]
Furthermore, when considering cost reduction due to optimization of the coating state or continuation, the carbon fiber of the present invention is immersed in a metal oxide precursor solution, and metal ions are attached to the surface of the carbon fiber, followed by heat treatment. Thus, a method of generating a metal oxide on the carbon fiber surface is preferable. It is preferable to perform heat processing by hold | maintaining at 200-2000 degreeC for 30 to 300 minutes in the air.
[0058]
The carbon fiber of the present invention can be coated with a metal oxide on the surface by any of the above methods.
[0059]
As the metal oxide to be coated by sizing, iron oxide, titanium oxide, silicon oxide and the like are preferable.
[0060]
As the metal oxide precursor to be coated by plating, iron chloride, nickel chloride, cobalt chloride, titanium sulfate and the like are preferable.
[0061]
As the metal oxide or precursor thereof coated by chemical vapor deposition, magnesium oxide, beryllium oxide, aluminum oxide or the like is preferable.
[0062]
As the metal ions to be attached to the carbon fibers, ions such as Fe, Cr, Mn, Zn, Ni, and Si are preferable.
[0063]
The coating amount of the metal oxide is preferably 1 to 100% by mass, particularly preferably 10 to 50% by mass, based on the fiber mass (100%).
[0064]
In addition, carbon fiber structure structures, such as a textile fabric, a nonwoven fabric, a synthetic paper, and a felt, can be produced using the carbon fiber of this invention. The metal oxide can be attached to the carbon fiber structure by the above method.
[0065]
Further, the carbon fiber of the present invention has a strand tensile modulus of 15 tonf / mm.2Low elastic modulus carbon fiber of less than or a tensile elastic modulus of 40 ton / mm2The above high strength and high modulus carbon fibers can be used in combination. In addition to carbon fibers, the following reinforcing fibers can be used in combination with high elongation carbon fibers. Reinforcing fibers may be either inorganic or organic fibers. For example, in addition to natural and synthetic polymer fibers, glass fibers, aromatic aramid fibers, aromatic polyamide fibers, boron fibers, alumina fibers, and silicon carbide fibers are used in combination. can do. In any case, those having a tensile elongation of 2.0% or more are preferred.
[0066]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[0067]
The equivalent of the carboxyl group on the carbon fiber surface and the phenolic hydroxyl group was determined by the following method.
[0068]
The carbon fiber is cut into about 5 cm and about 3 g of the carbon fiber is immersed in 0.1N hydrochloric acid and left overnight to liberate acidic functional groups present in the form of salts and rings. Thereafter, the carbon fiber is washed with pure water until neutral. Put neutral carbon fiber in Erlenmeyer flask, add 80 ml of pure water, perform deaeration for 30 minutes, add 1 ml of 0.05N sodium hydroxide solution or sodium hydrogen carbonate solution, and replace the Erlenmeyer flask with nitrogen. Then leave it in a sealed state for a whole day and night.
[0069]
Thereafter, the carbon fibers in the Erlenmeyer flask are sufficiently washed with pure water, and the wash water is subjected to back titration (potentiometric titration) with 0.01N hydrochloric acid standard solution.
[0070]
On the other hand, the same operation is performed to obtain a blank value.
[0071]
The amount of carboxyl group and phenolic hydroxyl group is calculated from the following formula.
[0072]
[Expression 1]
Amount of carboxyl groups (μeq / g) = 1000 (V0-V1) ・ T / p (1)
Total amount of acidic groups (μeq / g) = 1000 (V0-V2) ・ T / p (2)
Phenolic hydroxyl group content (μeq / g) = (2)-(1) (3)
V0: Blank titration (ml)
V1: Titration volume of washing water with sodium bicarbonate (ml)
V2: Titration volume of washing water with sodium hydroxide added (ml)
t: Titration hydrochloric acid concentration (0.01N)
p: Mass of collected carbon fiber (g)
Example 1
An acrylonitrile fiber strand constituted by collecting 12,000 single fiber filaments having a thread thickness of 1.0 denier was flame-resistant in air at 280 ° C. and then carbonized at 1,400 ° C. Subsequently, the strand was continuously immersed in a 5% by mass ammonium sulfate aqueous solution, and the carbon fiber was subjected to a surface treatment with a residence time of 2 minutes while being energized with an electric amount of 15 c / g.
[0073]
Subsequently, after washing with ion-exchanged water having a total metal ion component of 10 ppm or less and drying, a carbon fiber for metal oxide coating having a water content of 0.1% by mass was obtained.
[0074]
Table 1 shows the performance of the obtained carbon fibers.
[0075]
1 g of this carbon fiber was sampled, immersed in 100 cc of a 0.02M / 0.01M / 0.1M solution of iron chloride / nickel chloride / urea, and heated to 200 ° C. by irradiation with microwaves in a nitrogen atmosphere at 50 atm. And kept in that state for 30 minutes. The fiber obtained by cooling, washing with water and drying was discolored brown and magnetism was observed.
[0076]
Wide-angle X-ray diffraction confirmed that Ni ferrite was coated on the fiber surface. The coating amount calculated from the mass change before and after the treatment was 5% by mass.
[0077]
When the surface state of the fiber was observed with a scanning electron microscope (SEM), as shown in the SEM photograph of FIG. 2, a state in which a substance considered to be Ni ferrite was uniformly coated on the fiber surface was observed. From these results, as shown in Table 1, it was confirmed that the carbon fiber produced under the conditions of Example 1 was a carbon fiber suitable for coating with a metal oxide.
[0078]
In addition, the SEM photograph of the carbon fiber before a coating process is shown in FIG.
[0079]
Example 23
As shown in Table 1, the carbon fiber production conditions and the surface treatment conditions were changed, and the surface of the carbon fiber was coated with a metal oxide in the same manner as in Example 1, and the coating amount and state of the metal oxide were examined. As a result, these carbon fibers were confirmed to be carbon fibers suitable for metal oxide coating.
[0080]
Example4
An acrylonitrile fiber strand composed of 6,000 single fiber filaments having a thread thickness of 1.0 denier was flame-resistant at 260 ° C. in air and then carbonized at 1,350 ° C. Subsequently, the strand was continuously immersed in a 5% by mass ammonium sulfate aqueous solution, and the carbon fiber was subjected to a surface treatment with a residence time of 2 minutes while being energized with an electric amount of 10 c / g.
[0081]
Subsequently, after washing with ion-exchanged water having a total metal ion component of 10 ppm or less and drying, a carbon fiber for metal oxide coating having a water content of 0.1% by mass was obtained. Table 1 shows the performance of the obtained carbon fibers.
[0082]
1 g of this carbon fiber was sampled and immersed in 50 ml of 50 mass% titanium sulfate aqueous solution, and then 50% ammonia water was gradually added until pH 7 was reached. Carbon fiber was taken out from the solution in the form of a bowl, washed with water, dried, and dried at 540 ° C. for 3 hours. The color of the fiber was almost unchanged and black. Wide-angle X-ray diffraction confirmed that the fiber surface was coated with titanium oxide. The coating amount calculated from the mass change before and after the treatment was 5% by mass.
[0083]
Comparative Example 1
Although it was the carbon fiber manufactured on the same conditions as Example 1, the carbon fiber which does not give surface treatment was produced. This fiber is O1S/ C1SThe value was 0.05, and it was confirmed that the relative equivalent number of functional groups such as carboxyl groups on the carbon fiber surface was small (Table 2).
[0084]
This carbon fiber was coated with a metal oxide under the same conditions as in Example 1. The coating amount of the metal oxide on the fiber is as small as 0.5% by mass, and it is confirmed that the coating state is sparse as shown in the SEM photograph of FIG. 4, and the carbon fiber is suitable for coating of the metal oxide. It was confirmed that there was no carbon fiber.
[0085]
In addition, the SEM photograph of the carbon fiber before a coating process is shown in FIG.
[0086]
[Table 1]
[0087]
[Table 2]
[0088]
【The invention's effect】
Since the carbon fiber for metal oxide coating of the present invention is configured as described above, various metal oxides can be coated uniformly, firmly and in large quantities.
[0089]
Further, the carbon fiber coated with the metal oxide produced using the carbon fiber for metal oxide coating of the present invention, without impairing the preferable performance such as high strength and high elastic modulus inherent in the carbon fiber, It can have the characteristics of a metal oxide.
[0090]
In particular, when using metal oxides that exhibit magnetism, magnetic permeability, superconductivity, etc., the carbon fiber coated with the resulting metal oxide has excellent properties such as high strength and high elastic modulus and magnetism. And will be combined. Therefore, when producing a carbon fiber textured structure coated with a metal oxide using the carbon fiber for metal oxide coating of the present invention, this effectively improves the mechanical properties and the electromagnetic wave absorption effect. It can be demonstrated.
[Brief description of the drawings]
1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph substituting for a drawing of a carbon fiber before coating with a metal oxide obtained in Example 1. FIG. A, B, and C are SEM photographs of carbon fiber cross-sections at magnifications of × 5000, × 8000, and × 30000, respectively. D, E, F, and G are SEM photographs of the magnification of x1000, x3500, x10000, and x30000, respectively, on the carbon fiber side surface.
2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph substituting for a drawing of the carbon fiber after coating with the metal oxide obtained in Example 1. FIG. A, B, and C are SEM photographs of carbon fiber cross-sections at magnifications of × 5000, × 8000, and × 30000, respectively. D, E, F, and G are SEM photographs of the magnification of x1000, x3500, x10000, and x30000, respectively, on the carbon fiber side surface.
FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph substituting for a drawing of the carbon fiber obtained in Comparative Example 1 before coating with the metal oxide. A, B, and C are SEM photographs of carbon fiber cross-sections at magnifications of × 5000, × 8000, and × 30000, respectively. D, E, F, and G are SEM photographs of the magnification of x1000, x3500, x10000, and x30000, respectively, on the carbon fiber side surface.
4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph substituting for a drawing of a carbon fiber coated with a metal oxide obtained in Comparative Example 1. FIG. A, B, and C are SEM photographs of carbon fiber cross-sections at magnifications of × 5000, × 8000, and × 30000, respectively. D, E, F, and G are SEM photographs of the magnification of x1000, x3500, x10000, and x30000, respectively, on the carbon fiber side surface.
Claims (11)
ド。A strand formed by concentrating 100 to 100,000 filaments according to claim 2, wherein the strand has a tensile strength of 200 kgf / mm 2 or more and a tensile elastic modulus of 20 tof / mm 2 or more. Carbon fiber strand.
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