JP6522971B2 - Method of manufacturing fiber bundle - Google Patents
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Description
本発明は、被処理繊維束を表面処理する工程を有する繊維束の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a fiber bundle, which comprises the step of surface-treating a treated fiber bundle.
炭素繊維やガラス繊維などの強化繊維は、優れた比強度及び比弾性率を有し、軽量性に優れるため、熱硬化性及び熱可塑性樹脂の強化繊維として、従来のスポーツ・一般産業用途だけでなく、航空・宇宙用途、自動車用途など広く利用されている。利用用途が拡大されるにつれ、繊維強化樹脂複合材料(以下コンポジットと称する)には、さらに高い性能が求められている。 Reinforcing fibers such as carbon fiber and glass fiber have excellent specific strength and specific elastic modulus, and are excellent in lightness. Therefore, they can be used only for conventional sports and general industrial applications as reinforcing fibers for thermosetting and thermoplastic resins. It is widely used for aerospace and space applications, automotive applications and so on. As applications for use are expanded, fiber-reinforced resin composites (hereinafter referred to as composites) are required to have higher performance.
コンポジットの性能は、使用する強化繊維とマトリクス樹脂の力学的特性の違いだけで
なく、強化繊維と樹脂の接着性など界面特性の違いによっても異なる。しかし、強化繊維、中でも炭素繊維は、マトリクス樹脂との表面エネルギーの違いなどから、樹脂に対する濡れ性が低く、樹脂との接着性が低い。そのため、表面酸化処理により、繊維束表面に水酸基やカルボキシル基などの官能基を導入し、樹脂との接着性を改善している。
The performance of the composite depends not only on the difference in mechanical properties between the reinforcing fiber and the matrix resin used, but also on the difference in interface properties such as the adhesion between the reinforcing fiber and the resin. However, due to the difference in surface energy with the matrix resin, the reinforcing fiber, in particular, the carbon fiber, has low wettability to the resin and low adhesiveness to the resin. Therefore, the surface oxidation treatment introduces functional groups such as hydroxyl groups and carboxyl groups on the surface of the fiber bundle to improve the adhesion to the resin.
繊維束を表面酸化処理する方法としては、電解酸化処理や薬液酸化処理などの液相酸化処理や、気相酸化処理が知られているが、電解酸化処理がその処理のしやすさから、工業的に広く実施されている。しかしながら、電解酸化処理や薬液酸化処理などの液相酸化処理によって繊維束を表面処理する方法では、表面処理後に繊維束に付着した電解液などの薬液を洗浄する必要があり、製造装置が大型になったり、製造コストが増加したりすることがある。また、処理後に繊維束に薬液が不純物として残存することで、コンポジットの物性に悪影響を与える懸念もある。 As a method of surface oxidation treatment of the fiber bundle, liquid phase oxidation treatment such as electrolytic oxidation treatment or chemical solution oxidation treatment, or vapor phase oxidation treatment is known, but electrolytic oxidation treatment is industrial because it is easy to be treated. Widely implemented. However, in the method of surface treatment of the fiber bundle by liquid phase oxidation treatment such as electrolytic oxidation treatment or chemical solution oxidation treatment, it is necessary to wash the chemical solution such as electrolyte adhering to the fiber bundle after the surface treatment. And manufacturing costs may increase. In addition, there is a concern that the physical properties of the composite may be adversely affected by the chemical solution remaining as an impurity in the fiber bundle after the treatment.
これに対し、酸化性気体を用いた気相酸化処理では、処理後の繊維に薬液が残存せず、また薬液や廃液などの処分も必要ないため、環境負荷が小さく、またコスト的にも有利である。
酸化性気体を用いた表面処理方法としては、酸化性気体を含む気体中での加熱、プラズマや電磁波を利用した方法等が知られている。例えば、特許文献1では、炭素濃度15〜30質量%の酸化性雰囲気中で600〜800℃で加熱処理を行う方法が提案されているが、かかる条件では炭素繊維に対する酸化作用は不十分である。
On the other hand, in the gas phase oxidation process using an oxidizing gas, no chemical solution remains in the treated fiber and no disposal of the chemical solution or waste liquid is required, so the environmental load is small and the cost is also advantageous. It is.
As a surface treatment method using an oxidizing gas, heating in a gas containing an oxidizing gas, a method using plasma or an electromagnetic wave, etc. are known. For example, Patent Document 1 proposes a method of performing heat treatment at 600 to 800 ° C. in an oxidizing atmosphere having a carbon concentration of 15 to 30% by mass, but under such conditions the oxidizing action on carbon fibers is insufficient .
特許文献2では、酸化性気体であるオゾンを用いた気相酸化による表面処理方法が提案されている。しかし、オゾンは非常に分解し易く、特に高温ほど分解が激しいため低温で処理されるが、このような処理では酸化反応はきわめて遅くなり、酸化作用は不十分である。また、特許文献3には、オゾンが溶存した溶液を用いた表面処理方法が提案されている。しかし、特許文献3で開示される処理方法においても、その酸化作用は依然満足できるものはでない。
その為、処理後の繊維束に薬液を残存させること無く、なおかつ効率的に表面酸化処理を行うことができる表面処理された繊維束の製造方法が求められている。
Patent Document 2 proposes a surface treatment method by gas phase oxidation using ozone which is an oxidizing gas. However, ozone is very easily decomposed, and particularly at high temperatures, decomposition is severe, so ozone is treated at a low temperature, but in such treatment, the oxidation reaction becomes extremely slow and the oxidation action is insufficient. Further, Patent Document 3 proposes a surface treatment method using a solution in which ozone is dissolved. However, even in the processing method disclosed in Patent Document 3, the oxidation action is still not satisfactory.
Therefore, there is a need for a method for producing a surface-treated fiber bundle that can perform surface oxidation treatment efficiently without leaving a chemical solution in the treated fiber bundle.
本発明の目的は、処理後の繊維束に薬液を残存させること無く、効率良く被処理繊維束の表面を処理することができる、繊維束の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for producing a fiber bundle, which can efficiently treat the surface of the treated fiber bundle without leaving the chemical solution in the treated fiber bundle.
本発明の繊維束の製造方法は、被処理繊維束を処理溶液が満たされた溶液槽に浸漬し、繊維束を処理する繊維束の製造方法であって、前記処理溶液が、粒子径が1000nm以下の気泡を有する処理溶液である繊維束の製造方法である。前記気泡は反応性気体を含む気泡であることが好ましく、反応性気体としてはオゾンが好ましい。また、前記処理溶液に含まれる気泡の数は0.1×107個/mL以上であることが好ましい。
本発明においては、前記溶液槽中で前記気泡を破裂させる工程を含むことが好ましく、処理溶液が反応性気体を0.1〜120ppmの濃度で溶存した反応性溶液であることも好ましい。本発明で用いる被処理繊維束としては炭素繊維束が好ましく用いられる。
The method for producing a fiber bundle of the present invention is a method for producing a fiber bundle in which a fiber bundle is treated by immersing a treated fiber bundle in a solution tank filled with a treatment solution, and the treatment solution has a particle diameter of 1000 nm. It is a manufacturing method of the fiber bundle which is a processing solution which has the following air bubbles. The bubble is preferably a bubble containing a reactive gas, and ozone is preferred as the reactive gas. Further, the number of bubbles contained in the treatment solution is preferably 0.1 × 10 7 cells / mL or more.
In the present invention, it is preferable to include the step of rupturing the air bubbles in the solution tank, and it is also preferable that the treatment solution is a reactive solution in which a reactive gas is dissolved at a concentration of 0.1 to 120 ppm. A carbon fiber bundle is preferably used as the treated fiber bundle used in the present invention.
本発明の炭素繊維束は、X線光電子分光法により求められる繊維表面の酸素原子と炭素原子の存在量比(O/C)が20%以上であり、X線光電子分光法により結合エネルギー値0〜1100eVの領域で測定される炭素原子と酸素原子以外の原子の存在量の、炭素原子の存在量に対する比が0〜3%である炭素繊維束である。 The carbon fiber bundle of the present invention has an oxygen atom / carbon atom abundance ratio (O / C) of 20% or more as determined by X-ray photoelectron spectroscopy, and has a binding energy value of 0 by X-ray photoelectron spectroscopy. It is a carbon fiber bundle in which the ratio of the abundance of atoms other than carbon atoms and oxygen atoms measured in the region of ̃1100 eV to the abundance of carbon atoms is 0 to 3%.
本発明の繊維束の製造方法を用いると、処理後の繊維束に薬液を残存させること無く、効率よく表面処理された繊維束を得ることができる。
本発明の炭素繊維束は、繊維表面の酸素濃度が高く、かつ異種元素が少ないため、本発明の炭素繊維束を強化繊維として用いると、繊維と樹脂の界面接着性に優れ、高い性能を有するコンポジットを得ることができる。
By using the method for producing a fiber bundle of the present invention, it is possible to efficiently obtain a surface-treated fiber bundle without leaving a chemical solution in the treated fiber bundle.
Since the carbon fiber bundle of the present invention has a high oxygen concentration on the fiber surface and is low in different elements, when the carbon fiber bundle of the present invention is used as a reinforcing fiber, the interface adhesion between fiber and resin is excellent and has high performance. You can get a composite.
本発明の繊維束の製造方法は、被処理繊維束を処理溶液が満たされた溶液槽に浸漬し、被処理繊維束を処理する繊維束の製造方法であって、前記処理溶液が、粒子径が1000nm以下の気泡を有する処理溶液である繊維束の製造方法である。
粒子径が1000nm以下の気泡を有する処理溶液は高い処理活性を有しているため、高い処理効率で繊維束表面を酸化処理することができ、効率よく表面処理された繊維束を得ることができる。本発明において、粒子径1000nm以下の気泡の平均粒子径(数平均粒子径)は好ましくは、10〜500nmであり、より好ましくは、50〜300nmである。
The method for producing a fiber bundle of the present invention is a method for producing a fiber bundle, wherein the treated fiber bundle is immersed in a solution tank filled with a treatment solution to treat the treated fiber bundle, and the treatment solution has a particle diameter Is a method for producing a fiber bundle, which is a treatment solution having air bubbles of 1000 nm or less.
Since the treatment solution having air bubbles with a particle diameter of 1000 nm or less has high treatment activity, it is possible to oxidize the fiber bundle surface with high treatment efficiency, and to obtain a surface-treated fiber bundle efficiently. . In the present invention, the average particle size (number average particle size) of air bubbles having a particle size of 1000 nm or less is preferably 10 to 500 nm, more preferably 50 to 300 nm.
本発明において、処理溶液に含まれる単位体積あたりの粒子径1000nm以下の気泡の数は0.1×107個/mL以上であることが好ましく、1×107個/mL以上であることがより好ましく、5×107〜1×1010個/mLであることがさらに好ましい。
粒子径が1000nm以下の気泡を含む処理溶液は、公知の微細気泡発生装置を使用して調製することができる。公知の微細気泡発生装置としては、例えば、株式会社アスプ製超微細気泡発生装置ASK3型、エンバイロ・ビジョン株式会社製マイクロバブル・ナノバブル発生装置「YJノズル」などが挙げられる。
In the present invention, the number of bubbles having a particle diameter of 1000 nm or less per unit volume contained in the treatment solution is preferably 0.1 × 10 7 cells / mL or more, and 1 × 10 7 cells / mL or more More preferably, it is 5 × 10 7 to 1 × 10 10 cells / mL.
The processing solution containing air bubbles having a particle size of 1000 nm or less can be prepared using a known micro air bubble generator. As a well-known micro-bubble generator, for example, an ultra-fine micro-bubble generator ASK3 type manufactured by Asp, a micro-bubble nano-bubble generator "YJ nozzle" manufactured by Enviro-Vision, etc. may be mentioned.
本発明において、1000nm以下の気泡に含まれる気体としては、特に制限はなく、例えば酸化性気体や還元性気体などの反応性気体や、不活性気体を用いることができる。気泡に含まれる気体として、反応性気体を用いることで、気体の性質に応じた表面処理効果を得ることができる。例えば、反応性気体として酸化性気体を用いることで、繊維束表面を酸化処理することができ、反応性気体として還元性気体を用いることで繊維束表面を還元処理することができる。一方、気泡に含まれる気体として不活性気体を用いた場合でも、繊維束表面の異物の除去などの表面処理効果を得ることができる。本発明の繊維束の製造方法は、気泡に含まれる気体として、反応性気体、中でも酸化性気体を用いた場合により効果的である。 In the present invention, the gas contained in the air bubble of 1000 nm or less is not particularly limited, and, for example, reactive gas such as oxidizing gas and reducing gas, and inert gas can be used. By using a reactive gas as the gas contained in the bubbles, it is possible to obtain a surface treatment effect according to the nature of the gas. For example, the surface of the fiber bundle can be oxidized by using an oxidizing gas as the reactive gas, and the surface of the fiber bundle can be reduced by using a reducing gas as the reactive gas. On the other hand, even when an inert gas is used as the gas contained in the bubbles, a surface treatment effect such as removal of foreign matter on the surface of the fiber bundle can be obtained. The method for producing a fiber bundle of the present invention is more effective when a reactive gas, in particular an oxidizing gas, is used as the gas contained in the air bubbles.
酸化性気体としては、例えば、オゾン、一酸化窒素、二酸化窒素、亜酸化窒素、三酸化二窒素、四酸化二窒素、五酸化二窒素、一酸化硫黄、二酸化硫黄、三酸化硫黄、酸素などが挙げられる。好ましくは、反応活性が高く、かつ、酸素以外の元素を含まないオゾンである。還元性気体としては、例えば、水素、一酸化炭素、硫化水素などが挙げられる。不活性気体としては、例えば、アルゴン、ヘリウム、ネオンなどの希ガスや窒素などが挙げられる。中でもアルゴンまたは窒素を用いることが好ましい。 Examples of oxidizing gases include ozone, nitrogen monoxide, nitrogen dioxide, nitrous oxide, nitrous oxide, nitrous oxide, nitrous oxide, nitrous oxide, sulfur monoxide, sulfur dioxide, sulfur trioxide, oxygen, etc. It can be mentioned. Preferably, it is ozone which has high reaction activity and does not contain any element other than oxygen. As a reducing gas, hydrogen, carbon monoxide, hydrogen sulfide etc. are mentioned, for example. Examples of the inert gas include rare gases such as argon, helium and neon, and nitrogen. Among them, it is preferable to use argon or nitrogen.
本発明において用いる反応性気体には、表面処理の反応を調節するために不活性気体が含まれていてもよい。本発明において不活性気体は、全気体の体積に対して0〜80vol%であることが好ましく、より好ましくは0〜30vol%であり、0.1〜20vol%であることが更に好ましい。 The reactive gas used in the present invention may contain an inert gas to control the surface treatment reaction. In the present invention, the inert gas is preferably 0 to 80 vol%, more preferably 0 to 30 vol%, and still more preferably 0.1 to 20 vol% based on the volume of the total gas.
本発明において、処理溶液は、前記気泡とは別に反応性気体が0.1〜120ppmの質量濃度で溶存した処理溶液であることが好ましい。処理溶液中に溶存している反応性気体濃度を0.1〜120ppmとすることでより効率的に表面処理を行うことができる。反応性気体の濃度が低すぎる場合、表面処理効果が低くなる傾向がある。一方、反応性気体の濃度は高い方が表面処理効果は高くはなるが、濃度が高くなりすぎると反応性気体の供給量の増加量に対して十分な処理効果の増加は見られなくなる傾向がある。反応性溶液の溶媒としては、水や、電解質溶液や酸化性溶液などの液相酸化用溶液などが挙げられるが、中でも水が好ましく、特に不純物の少ない、蒸留水や脱イオン水、純水が好ましい。 In the present invention, the treatment solution is preferably a treatment solution in which a reactive gas is dissolved at a mass concentration of 0.1 to 120 ppm separately from the bubbles. Surface treatment can be performed more efficiently by setting the concentration of the reactive gas dissolved in the treatment solution to 0.1 to 120 ppm. When the concentration of the reactive gas is too low, the surface treatment effect tends to be low. On the other hand, the higher the concentration of the reactive gas, the higher the surface treatment effect. However, if the concentration is too high, there is a tendency that no sufficient increase in the treatment effect can be seen with respect to the increase of the reactive gas supply amount. is there. Examples of the solvent for the reactive solution include water and solutions for liquid phase oxidation such as electrolyte solution and oxidizing solution. Among them, water is preferable, and distilled water, deionized water, and pure water with few impurities are particularly preferable. preferable.
本発明において処理時間は特に限定されないが、反応の均一性、生産性の観点から0.1〜60分であることが好ましい。
また、繊維束を表面処理する際の処理温度は特に制限されないが、処理溶液の温度が−30〜30℃であることが好ましく、−25〜20℃であることがより好ましい。処理温度が高くなりすぎる場合、気泡や溶液に溶存した反応性気体が分解したり、溶液中から外気へ放出されたりしやすくなり、表面処理の効率が低下しやすい傾向にある。
In the present invention, the treatment time is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 60 minutes from the viewpoint of uniformity of reaction and productivity.
Further, the treatment temperature at the time of surface treatment of the fiber bundle is not particularly limited, but the temperature of the treatment solution is preferably -30 to 30 ° C, and more preferably -25 to 20 ° C. If the treatment temperature becomes too high, bubbles or reactive gases dissolved in the solution are likely to be decomposed or released from the solution into the open air, and the efficiency of surface treatment tends to decrease.
本発明においては、前記溶液槽中で前記気泡を破裂させる工程を有することが好ましい。溶液槽中で気泡を破裂させることで、繊維束の表面処理効果がより高まる。溶液槽中で気泡を破裂させる方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、繊維束もしくは溶液槽に対して、直接的もしくは間接的に、超音波照射、振動の付与、通電処理を行う方法や、処理溶液の攪拌処理などが挙げられ、直接的もしくは間接的に繊維束に対して超音波照射、振動の付与、通電処理を行う方法が、繊維束の周囲に存在する気泡をより選択的に弾けさせることができるため好ましい。また、超音波照射が、得られる繊維束の品位の観点から、好ましい。 In the present invention, it is preferable to have the step of rupturing the air bubbles in the solution tank. By bursting the air bubbles in the solution tank, the surface treatment effect of the fiber bundle is further enhanced. The method of rupturing the air bubble in the solution tank is not particularly limited. For example, ultrasonic irradiation, application of vibration, application of electric current, directly or indirectly to the fiber bundle or the solution tank may be used. The method of conducting the treatment, the stirring treatment of the treatment solution, etc. may be mentioned, and the method of performing ultrasonic irradiation, vibration application and energization treatment to the fiber bundle directly or indirectly makes the air bubbles around the fiber bundle It is preferable because it can be selectively repelled. Moreover, ultrasonic irradiation is preferable from the viewpoint of the quality of the fiber bundle to be obtained.
本発明においては、表面処理後に繊維束を100〜250℃で乾燥処理することが好ましい。乾燥処理を行うことで繊維束表面に付着した気体を除去することができる。
本発明の製造方法は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維など、公知の繊維束を制限無く表面処理することができる。中でも、炭素繊維の表面処理に好ましく用いることができる。本発明では、PAN系、ピッチ系など、公知の炭素繊維を制限なく表面処理することができる。本発明で用いる炭素繊維としては、得られるコンポジット物性の面から、PAN系の炭素繊維を用いることが好ましい。
In the present invention, it is preferable to dry the fiber bundle at 100 to 250 ° C. after the surface treatment. The drying process can remove the gas attached to the surface of the fiber bundle.
The production method of the present invention can surface-treat known fiber bundles such as carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, polyester fibers without limitation. Among them, it can be preferably used for surface treatment of carbon fibers. In the present invention, known carbon fibers such as PAN-based and pitch-based can be surface-treated without limitation. As a carbon fiber used by this invention, it is preferable to use a PAN-type carbon fiber from the surface of the composite physical property obtained.
本発明で用いる繊維束の繊度は、特に制限されるものではないが、単繊維繊度が好ましくは0.1〜50dtex、より好ましくは0.5〜2.0dtexであり、繊維束の総繊度が10〜500000texであることが好ましく、より好ましくは150〜10000texである。本発明で用いる繊維束のフィラメント数は、好ましくは1000〜100000本、さらに好ましくは3000〜50000本である。また、製造効率の面からは、12000本以上がより好ましく、24000本以上がさらに好ましい。 The fineness of the fiber bundle used in the present invention is not particularly limited, but the single fiber fineness is preferably 0.1 to 50 dtex, more preferably 0.5 to 2.0 dtex, and the total fineness of the fiber bundle is It is preferably 10 to 500,000 tex, more preferably 150 to 10,000 tex. The number of filaments of the fiber bundle used in the present invention is preferably 1,000 to 100,000, more preferably 3,000 to 50,000. Further, from the viewpoint of production efficiency, 12000 or more is more preferable, and 24000 or more is even more preferable.
本発明においては、被処理繊維束に対して、公知の技術を用いて、拡幅処理や予備酸化処理などの前処理をしても良い。
上述のような本発明の繊維束の製造方法は、電解液などの薬液を必要としないため、処理後の繊維に薬液が残存せず、また薬液や廃液などの処分も必要ない。そのため、環境への負荷が低く、且つ効率よく繊維束の表面処理を行なうことができる。
In the present invention, the treated fiber bundle may be subjected to pretreatment such as widening treatment or preliminary oxidation treatment using a known technique.
The method for producing a fiber bundle of the present invention as described above does not require a chemical solution such as an electrolytic solution, so that the chemical solution does not remain in the treated fiber, and no disposal of the chemical solution or waste liquid is required. Therefore, the load on the environment is low, and the surface treatment of the fiber bundle can be performed efficiently.
本発明の製造方法は、PAN系、ピッチ系など、公知の炭素繊維を制限なく表面処理することができるが、本発明で用いる炭素繊維としては、得られるコンポジット物性の面から、PAN系の炭素繊維を用いることが好ましい。PAN系の炭素繊維は、例えば、以下の方法により製造することができる。
アクリロニトリルを90質量%以上、好ましくは95質量%以上含有する単量体を重合して得られる紡糸溶液を、紡糸した後、水洗・乾燥・延伸して得られるPAN繊維が前駆体繊維として用いられる。前駆体繊維のフィラメント数は、製造効率の面では1000フィラメント以上が好ましく、12000フィラメント以上がより好ましい。
The production method of the present invention can surface-treat known carbon fibers such as PAN-based and pitch-based without limitation, but as carbon fibers used in the present invention, PAN-based carbon can be obtained from the viewpoint of the composite physical properties to be obtained. It is preferred to use fibers. The PAN-based carbon fiber can be produced, for example, by the following method.
After spinning a spinning solution obtained by polymerizing a monomer containing 90 mass% or more, preferably 95 mass% or more of acrylonitrile, PAN fiber obtained by washing with water, drying and drawing is used as a precursor fiber . The number of filaments of the precursor fiber is preferably 1000 filaments or more, and more preferably 12000 filaments or more in terms of production efficiency.
かかる前駆体繊維を、加熱空気中200〜300℃で10〜100分間耐炎化処理することで耐炎化繊維が得られる。耐炎化処理では、前駆体繊維を延伸倍率0.90〜1.20の範囲で延伸することが好ましい。
さらに得られた耐炎化繊維を、300℃〜1000℃で低温炭素化した後、1000〜2000℃で高温炭素化する二段階の炭素化工程を経て、緻密な内部構造をもつ炭素繊維が得られる。より高い弾性率が求められる場合は、さらに2000〜3000℃の高温で黒鉛化処理を行ってもよい。
The precursor fiber is subjected to a flameproofing treatment in heated air at 200 to 300 ° C. for 10 to 100 minutes to obtain a flameproofed fiber. In the flameproofing process, it is preferable to draw the precursor fiber in the range of a draw ratio of 0.90 to 1.20.
Furthermore, after carbonizing the obtained flame resistant fiber at low temperature from 300 ° C. to 1000 ° C., carbon fiber having a dense internal structure can be obtained through a two-step carbonization process of carbonizing at high temperature from 1000 to 2000 ° C. . When a higher elastic modulus is required, graphitization may be further performed at a high temperature of 2000 to 3000 ° C.
このようにして得られた炭素繊維束を被処理繊維束とし、気泡に含まれる気体を酸化性気体として、上述のような本発明の繊維束の製造方法を用いることで、薬液の残存が少なく、効率よく表面処理された高い表面酸素濃度を有する本発明の炭素繊維束を得ることができる。炭素繊維束の酸化処理の度合いは、繊維表面の酸素濃度で評価され、具体的には、X線光電子分光法により求められる繊維表面の酸素原子と炭素原子の存在量比(O/C)が20%以上である事が好ましい。O/Cの値が大きいほど、炭素繊維と樹脂との接着性が高く、炭素繊維を用いて得られる複合材料の強度が向上する。また、炭素繊維表面に炭素原子と酸素原子以外の異種元素が存在すると、炭素繊維と樹脂との接着性が低下しやすい傾向にあるため、炭素繊維表面の炭素原子と酸素原子以外の異種元素は少ないことが好ましい。具体的には、X線光電子分光法により結合エネルギー値0〜1100eVの領域で測定される炭素原子と酸素原子以外の原子の存在量の炭素原子の存在量に対する比が0〜3%であることが好ましい。本発明の繊維束の製造方法を用いると、薬液の残存を少なくすることができるため、異種元素は少ない炭素繊維を得ることができる。 By using the carbon fiber bundle thus obtained as the treated fiber bundle and the gas contained in the air bubbles as the oxidizing gas, the use of the method for producing a fiber bundle of the present invention as described above results in little residual chemical solution. It is possible to obtain the carbon fiber bundle of the present invention having high surface oxygen concentration which is efficiently surface-treated. The degree of oxidation treatment of the carbon fiber bundle is evaluated by the oxygen concentration on the fiber surface, and specifically, the abundance ratio (O / C) of oxygen atom to carbon atom on the fiber surface determined by X-ray photoelectron spectroscopy is It is preferable that it is 20% or more. The larger the value of O / C, the higher the adhesion between the carbon fiber and the resin, and the higher the strength of the composite material obtained using the carbon fiber. In addition, if different elements other than carbon atom and oxygen atom exist on the carbon fiber surface, the adhesion between the carbon fiber and the resin tends to decrease, so the different elements other than carbon atom and oxygen atom on the carbon fiber surface are It is preferable that the amount be small. Specifically, the ratio of the amount of carbon atoms to the amount of atoms other than oxygen atoms to the amount of carbon atoms measured in the region of binding energy value 0 to 1100 eV by X-ray photoelectron spectroscopy is 0 to 3% Is preferred. When the method for producing a fiber bundle of the present invention is used, the remaining chemical solution can be reduced, and therefore, carbon fibers containing a small amount of different elements can be obtained.
本発明の炭素繊維束は、繊維表面の酸素濃度が高く、かつ異種元素が少ないため、樹脂に対する濡れ性が高く、樹脂との接着性に優れている。そのため、本発明の炭素繊維束を強化繊維として用いると、界面接着性が高く、高い性能を有するコンポジットを得ることができる。 The carbon fiber bundle of the present invention has a high oxygen concentration on the surface of the fiber and a small amount of different elements, so the wettability to the resin is high and the adhesiveness to the resin is excellent. Therefore, when the carbon fiber bundle of the present invention is used as a reinforcing fiber, a composite having high interfacial adhesion and high performance can be obtained.
本発明において繊維束には、上述の本発明の製造方法により表面処理を行った後、必要に応じてサイジング処理が施されることが好ましい。サイジング方法は、従来公知の方法で行うことができ、サイジング剤は、用途に即して適宜組成を変更して使用し、繊維束に付着させた後に、乾燥させることが好ましい。サイジング剤の付着量は0.1〜3.0%が好ましく、さらに好ましくは0.1〜1.5%である。サイジング剤の付着量が多すぎると、繊維束の開繊性が低下し、マトリクス樹脂の繊維束内部への含浸不良を引き起こしやすい傾向がある。 In the present invention, it is preferable that the fiber bundle is subjected to a surface treatment according to the above-mentioned production method of the present invention and then subjected to a sizing treatment as required. The sizing method can be performed by a conventionally known method, and the sizing agent is preferably used after changing the composition appropriately in accordance with the application, adhering to a fiber bundle, and then drying. The adhesion amount of the sizing agent is preferably 0.1 to 3.0%, more preferably 0.1 to 1.5%. If the adhesion amount of the sizing agent is too large, the openability of the fiber bundle may be reduced, and the matrix resin may tend to cause poor impregnation into the fiber bundle.
一般に、サイジング剤の付着量が少ないと、サイジング剤が付着していない部分ができ、均一性を保つことが難しいという問題がある。しかし、本発明によって製造される繊維束は、表面官能基が均一に形成されており、繊維表面の濡れ性は一様に改善されているため、少量の付着量でも、ムラなく均一にサイジング剤を付着することができる。
このようにして得られる表面処理された繊維束、特に炭素繊維束は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などの強化繊維として、スポーツ用途、レジャー用途、一般産業用途、航空・宇宙用途、自動車用途などに広く利用できる。
In general, when the amount of the attached sizing agent is small, there is a problem that a portion to which the sizing agent is not attached is formed, and it is difficult to maintain uniformity. However, the fiber bundle produced according to the present invention has uniformly formed surface functional groups, and the wettability of the fiber surface is uniformly improved. Therefore, even with a small amount of adhesion, the sizing agent is uniformly uniform. Can be attached.
The surface-treated fiber bundle thus obtained, in particular a carbon fiber bundle, is used as a reinforcing fiber for thermoplastic resin, thermosetting resin, etc., in sports applications, leisure applications, general industrial applications, aerospace applications, automotive applications It can be widely used.
本発明の製造方法により得られた繊維束を用い、マトリックス樹脂と組み合わせ、例えば、オートクレーブ成形、プレス成形、樹脂トランスファー成形、フィラメントワインディング成形など、公知の手段・方法により複合材料が得られる。
マトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂が用いられる。熱硬化性マトリックス樹脂の具体例として、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、マレイミド樹脂とシアン酸エステル樹脂の予備重合樹脂、ビスマレイミド樹脂、アセチレン末端を有するポリイミド樹脂及びポリイソイミド樹脂、ナジック酸末端を有するポリイミド樹脂等を挙げることができる。これらは1種又は2種以上の混合物として用いることもできる。中でも、耐熱性、弾性率、耐薬品性に優れたエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂が、特に好ましい。これらの熱硬化性樹脂には、硬化剤、硬化促進剤以外に、通常用いられる着色剤や各種添加剤等が含まれていてもよい。
Using the fiber bundle obtained by the production method of the present invention, a composite material can be obtained by a known means or method such as autoclave molding, press molding, resin transfer molding, filament winding molding, etc. in combination with a matrix resin.
As the matrix resin, a thermosetting resin or a thermoplastic resin is used. Specific examples of the thermosetting matrix resin include epoxy resin, unsaturated polyester resin, phenol resin, vinyl ester resin, cyanate ester resin, urethane acrylate resin, phenoxy resin, alkyd resin, urethane resin, maleimide resin and cyanate ester resin And a polyimide resin having a bismaleimide resin, a polyimide resin having an acetylene end, a polyisoimide resin, a polyimide resin having a nadic acid end, and the like. These can also be used as 1 type, or 2 or more types of mixtures. Among them, epoxy resins and vinyl ester resins excellent in heat resistance, elastic modulus and chemical resistance are particularly preferable. These thermosetting resins may contain, in addition to the curing agent and the curing accelerator, commonly used coloring agents, various additives, and the like.
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリアミド、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンオキシド、熱可塑性ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリアクリロニトリル、ポリアラミド、ポリベンズイミダゾール等が挙げられる。
複合材料中に占める樹脂組成物の含有率は、10〜90重量%、好ましくは20〜60重量%、更に好ましくは25〜45重量%である。
As a thermoplastic resin, for example, polypropylene, polysulfone, polyether sulfone, polyether ketone, polyether ether ketone, aromatic polyamide, aromatic polyester, aromatic polycarbonate, polyether imide, polyarylene oxide, thermoplastic polyimide, polyamide And polyamide imide, polyacetal, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyacrylonitrile, polyaramid, polybenzimidazole and the like.
The content of the resin composition in the composite material is 10 to 90% by weight, preferably 20 to 60% by weight, and more preferably 25 to 45% by weight.
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。各実施例及び比較例における各繊維の物性の評価方法は以下の方法によった。 Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples. The evaluation method of the physical property of each fiber in each example and comparative example was based on the following method.
<気泡発生装置>
気泡発生装置としては、株式会社アルプ製超微細気泡発生装置ASK3型を用いた。
<Air bubble generator>
As a bubble generation device, a super fine bubble generation device ASK3 type manufactured by Alp Co., Ltd. was used.
<気泡の粒子径>
粒子径1000nm以下の気泡(ナノバブル)の粒子径および単位体積あたりの気泡の数(個/mL)はナノサイト社製ナノ粒子解析装置で測定した。ナノバブルの平均粒子径は、粒子径40〜1000nmの測定範囲において数平均粒子径を求めた。
1000nmを超える気泡(マイクロバブル)の粒子径は、シスメックス社製レーザー微粒子計測器を用い、D50平均粒子径を求めた。
<Particle size of air bubble>
The particle diameter of bubbles (nano bubbles) having a particle diameter of 1000 nm or less and the number of bubbles per unit volume (number / mL) were measured by a nano particle analysis apparatus manufactured by Nanosite. The average particle size of the nanobubbles was determined as the number average particle size in the measurement range of the particle size of 40 to 1000 nm.
Particle size of the bubble (microbubble) exceeding 1000nm is used Sysmex Corp. laser particle measuring instrument to determine the D 50 average particle size.
<炭素繊維表面の原子存在量比>
炭素繊維表面の原子の存在量比は、X線光電子分光計(日本電子株式会社製ESCA JPS−9000MX)を用いて、X線光電子分光法により、次の手順に従って測定した。炭素繊維を切り出し、ステンレス製試料支持台上に拡げて並べた後、光電子脱出角度を90度に設定した。X線源としてMgKαを用い、試料チャンバー内は1×10−6Paの真空度に保った。初めに結合エネルギー値0〜1100eVの範囲で測定(ワイドスキャン)を行い、観測されるスペクトルのピーク位置を確認し、炭素繊維表面に存在する原子を同定した。次いで検出されたそれぞれのピークについて精密測定(ナロースキャン)を行い、ピーク面積比および装置固有の感度補正値を用いて、それぞれの原子の存在量比を算出した。測定時の帯電に伴うピークの補正は、C1sの主ピークの結合エネルギー値B.E.を284.6eVに合わせた。検出された各元素に由来するピーク面積は、以下の範囲で直線のベースラインを引き求めた。
O原子:528〜540eV (O1s)
C原子:282〜292eV (C1s)
N原子:394〜406eV (N1s)
Si原子:96〜108eV (Si2p)
<Atom abundance ratio of carbon fiber surface>
The abundance ratio of atoms on the surface of the carbon fiber was measured by X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure using an X-ray photoelectron spectrometer (ESCA JPS-9000MX manufactured by Nippon Denshi Co., Ltd.). After carbon fibers were cut out and spread and arranged on a stainless steel sample support stand, the photoelectron escape angle was set to 90 degrees. MgK α was used as an X-ray source, and the inside of the sample chamber was kept at a vacuum of 1 × 10 −6 Pa. First, measurement (wide scan) was performed in a binding energy value of 0 to 1100 eV, peak positions of observed spectra were confirmed, and atoms present on the surface of carbon fiber were identified. Next, precise measurement (narrow scan) was performed for each detected peak, and the abundance ratio of each atom was calculated using the peak area ratio and the sensitivity correction value unique to the device. The correction of the peaks associated with charging during measurement is the binding energy value B.1 of the main peak of C 1s . E. Was set to 284.6 eV. The peak area derived from each of the detected elements was obtained by drawing a straight baseline in the following range.
O atom: 528 to 540 eV (O 1s )
C atom: 282-292 eV (C 1s )
N atom: 394 to 406 eV (N 1s )
Si atom: 96 to 108 eV (Si 2 p )
<サイズ剤付着量(燃焼法)>
炭素繊維束5mを取り出して、重量W1を測定する。窒素雰囲気下中で450℃、60分の条件で燃焼させ、室温まで戻した後に再度重量W2を測定し、下記式にてサイズ付着量を求めた。
サイズ付着量%=((W1−W2)/W1)×100
<Size agent adhesion amount (combustion method)>
Remove the carbon fiber bundle 5 m, to measure the weight W 1. After burning at 450 ° C. for 60 minutes in a nitrogen atmosphere and returning to room temperature, the weight W 2 was measured again, and the amount of attached size was determined by the following equation.
Size adhesion amount% = ((W 1 −W 2 ) / W 1 ) × 100
<ストランド強度測定>
JIS R 7608に準じてエポキシ樹脂含浸ストランドの引張強度および引張弾性率を測定した。
<Strand strength measurement>
The tensile strength and the tensile elastic modulus of the epoxy resin impregnated strand were measured according to JIS R 7608.
<実施例1>
前駆体繊維であるPAN繊維ストランド(単繊維繊度0.7dtex,フィラメント数24000)を空気中で、繊維比重1.35になるまで耐炎化処理し、次に窒素ガス雰囲気中、最高温度650℃で低温炭化させた。その後、窒素雰囲気下1300℃で高温炭素化させて炭素繊維を製造した。得られた表面処理を行っていない炭素繊維の表面の原子存在量比をX線光電子分光計を用いて測定したところ、C原子、O原子、N原子、Si原子が検出され、C原子に対するO原子の存在量(表面酸素濃度(O/C))は、2.6%であり、C、O以外の異種元素であるN原子とSi原子の存在量のC原子に対する存在量(異種元素存在比)は、3.9%(N/C:2.4%、Si/C:1.5%)であった。
引き続き未表面処理の炭素繊維を、オゾンが溶存した処理溶液を満たした溶液槽に浸漬し、5分間表面処理を行った。処理溶液のオゾン濃度(質量濃度)は8ppmであり、オゾンガスを400ppm含む粒子径1000nm以下の気泡の存在量は、26×107個/mLであり、粒子径1000nm以下の気泡の平均粒子径は190nmであった。
Example 1
Precursor fiber PAN fiber strands (single fiber fineness 0.7 dtex, filament number 24000) are flameproofed to a fiber specific gravity of 1.35 in air, then in nitrogen gas atmosphere at a maximum temperature of 650 ° C. Low temperature carbonized. Thereafter, high temperature carbonization was performed at 1300 ° C. under a nitrogen atmosphere to produce a carbon fiber. When the atomic abundance ratio of the surface of the obtained carbon fiber not subjected to the surface treatment is measured using an X-ray photoelectron spectrometer, C atoms, O atoms, N atoms, Si atoms are detected, and O atoms relative to C atoms are detected. The amount of atoms (surface oxygen concentration (O / C)) is 2.6%, and the amounts of N atoms and Si atoms which are different elements other than C and O with respect to C atoms (different elements exist) The ratio was 3.9% (N / C: 2.4%, Si / C: 1.5%).
Subsequently, the non-surface-treated carbon fiber was immersed in a solution bath filled with a treatment solution in which ozone was dissolved, and surface treatment was performed for 5 minutes. The ozone concentration (mass concentration) of the treatment solution is 8 ppm, the amount of bubbles with a particle diameter of 1000 nm or less containing 400 ppm of ozone gas is 26 × 10 7 cells / mL, and the average particle diameter of the bubbles with a particle diameter of 1000 nm or less is It was 190 nm.
なお、オゾンが溶存した処理溶液はオゾン発生器(株式会社アクエア製オスカー)より発生した400ppm(体積濃度)のオゾンガスを純水中に爆気させ、純水中にオゾンを溶解させた後、気泡発生装置を用い、粒子径1000nm以下の気泡を吹き込み調製した。オゾン濃度はオゾン濃度センサー(溶存オゾン測定タイプ)を用いて測定した。
得られた炭素繊維の表面の原子存在量比を、X線光電子分光計を用いて測定したところ、C原子、O原子、N原子、Si原子が検出され、O/Cは27%であり、表面処理により繊維表面のO/Cの向上が認められ、炭素繊維表面が酸化されていることが確認できた。一方、異種元素存在比は、2.3%(N/C:1.3%、Si/C:1.0%)であった。
処理後の炭素繊維に、ビスフェノールA型エポキシ樹脂を主成分とするサイズ剤でサイズ剤付着量が1.0wt%となるようサイズ剤浴の濃度を調節してサイジング処理を行ない、炭素繊維束のストランド引張強度を測定したところ4980MPaと良好な強度を示した。
The treatment solution in which ozone is dissolved causes 400 ppm (volume concentration) of ozone gas generated from an ozone generator (Oscar manufactured by Aquoa) to be detonated in pure water to dissolve ozone in pure water, and then bubbles are generated. Using a generator, air bubbles having a particle diameter of 1000 nm or less were blown and prepared. The ozone concentration was measured using an ozone concentration sensor (dissolved ozone measurement type).
When the atomic abundance ratio of the surface of the obtained carbon fiber is measured using an X-ray photoelectron spectrometer, C atoms, O atoms, N atoms, and Si atoms are detected, and O / C is 27%, The surface treatment improved the O / C of the fiber surface, confirming that the carbon fiber surface was oxidized. On the other hand, the different element existence ratio was 2.3% (N / C: 1.3%, Si / C: 1.0%).
The treated carbon fiber is sized using a sizing agent based on bisphenol A epoxy resin as the main component, and the sizing agent bath concentration is adjusted to 1.0 wt% to obtain a carbon fiber bundle. When the strand tensile strength was measured, it showed a good strength of 4980 MPa.
<実施例2>
実施例1と同様にして得られた未表面処理の炭素繊維を、処理溶液を満たした溶液槽に浸漬し、5分間表面処理を行った。処理溶液中の1000nm以下の気泡の平均粒子径は170nmであり、処理溶液中の1000nm以下の気泡の存在量は24×107個/mLであった。実施例2においては、被処理繊維束を溶液槽に浸漬させている間に、45Hzの超音波を1分間隔で10秒間ずつ炭素繊維束に照射し、溶液中の気泡を破裂させた。
得られた炭素繊維のO/Cを測定したところ、40%であり、超音波照射を行っていない実施例1よりもさらに繊維表面のO/Cの向上が認められた。一方、異種元素存在比は、1.7%(N/C:0.9%、Si/C:0.8%)であった。
処理後の炭素繊維に、実施例1と同様にしてサイジング処理を行ない、炭素繊維束のストランド引張強度を測定したところ5200MPaと良好な強度を示した。
Example 2
The unsurface-treated carbon fiber obtained in the same manner as in Example 1 was immersed in a solution bath filled with the treatment solution, and surface treatment was performed for 5 minutes. The average particle size of bubbles of 1000 nm or less in the treatment solution was 170 nm, and the amount of bubbles of 1000 nm or less in the treatment solution was 24 × 10 7 cells / mL. In Example 2, while immersing the treated fiber bundle in the solution tank, the carbon fiber bundle was irradiated with ultrasonic waves of 45 Hz for 10 seconds at 1 minute intervals to rupture bubbles in the solution.
When O / C of the obtained carbon fiber was measured, it was 40% and the improvement of O / C of the fiber surface was further recognized rather than Example 1 which has not performed ultrasonic irradiation. On the other hand, the different element existence ratio was 1.7% (N / C: 0.9%, Si / C: 0.8%).
The carbon fiber after the treatment was subjected to sizing treatment in the same manner as in Example 1, and the strand tensile strength of the carbon fiber bundle was measured, and as a result, it showed a good strength of 5200 MPa.
<実施例3>
表面処理時間を2分間に変更した以外、実施例2と同様の方法で表面処理された炭素繊維束を得た。
得られた炭素繊維のO/Cを測定したところ、22%であり、繊維表面のO/Cの向上が認められた。一方、異種元素存在比は、1.8%(N/C:0.8%、Si/C:1.0%)であった。
処理後の炭素繊維に、実施例1と同様にしてサイジング処理を行ない、炭素繊維束のストランド引張強度を測定したところ5220MPaと良好な強度を示した。
Example 3
A surface-treated carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 2 except that the surface treatment time was changed to 2 minutes.
When O / C of the obtained carbon fiber was measured, it was 22% and the improvement of O / C of the fiber surface was recognized. On the other hand, the dissimilar element existence ratio was 1.8% (N / C: 0.8%, Si / C: 1.0%).
The carbon fiber after the treatment was subjected to sizing treatment in the same manner as in Example 1, and the strand tensile strength of the carbon fiber bundle was measured, and as a result, it showed a good strength of 5220 MPa.
<実施例4>
超音波間断なく照射し続けた以外は実施例2と同様の方法にて表面処理を行い、O/Cの炭素繊維を得た。
得られた炭素繊維のO/Cを測定したところ、43%であり、実施例2よりもさらに繊維表面のO/Cの向上が認められた。一方、異種元素存在比は、1.7%(N/C:0.8%、Si/C:0.9%)であった。
処理後の炭素繊維に、実施例1と同様にしてサイジング処理を行ない、炭素繊維束のストランド引張強度を測定したところ4880MPaであった。
Example 4
The surface treatment was performed in the same manner as in Example 2 except that irradiation was continued without interruption of ultrasonic waves, to obtain O / C carbon fibers.
When O / C of the obtained carbon fiber was measured, it was 43% and the improvement of O / C of the fiber surface was further recognized rather than Example 2. On the other hand, the different element existence ratio was 1.7% (N / C: 0.8%, Si / C: 0.9%).
The carbon fiber after the treatment was subjected to sizing treatment in the same manner as in Example 1, and the strand tensile strength of the carbon fiber bundle was measured and found to be 4880 MPa.
<比較例1>
実施例1と同様に、前駆体繊維であるPAN繊維ストランド(単繊維繊度0.7dtex,フィラメント数24000)を空気中で、繊維比重1.35になるまで耐炎化処理し、次に窒素ガス雰囲気中、最高温度650℃で低温炭化させた。その後、窒素雰囲気下1300℃で高温炭素化させて炭素繊維を製造した。得られた表面処理を行っていない炭素繊維の表面の原子存在量比を、X線光電子分光計を用いて測定したところ、C原子、O原子、N原子、Si原子が検出され、C原子に対するO原子の存在量(表面酸素濃度(O/C))は、2.6%であり、C、O以外の異種元素であるN原子とSi原子の存在量のC原子に対する存在量(異種元素存在比)は、3.9%であった。
未表面処理の炭素繊維に、表面処理を行わないまま、ビスフェノールA型エポキシ樹脂を主成分とするサイズ剤でサイズ剤付着量が1.0wt%となるようサイズ剤浴の濃度を調節してサイジング処理を行った。得られた炭素繊維束のストランド引張強度は4520MPaであり、実施例1〜4と比較して低いものであった。
Comparative Example 1
In the same manner as in Example 1, PAN fiber strands (single fiber fineness 0.7 dtex, number of filaments 24000), which are precursor fibers, are flameproofed in air to a fiber specific gravity of 1.35, and then a nitrogen gas atmosphere Medium, low temperature carbonized at a maximum temperature of 650 ° C. Thereafter, high temperature carbonization was performed at 1300 ° C. under a nitrogen atmosphere to produce a carbon fiber. When the atomic abundance ratio of the surface of the obtained carbon fiber not subjected to the surface treatment is measured using an X-ray photoelectron spectrometer, C atoms, O atoms, N atoms, Si atoms are detected, The abundance of O atoms (surface oxygen concentration (O / C)) is 2.6%, and the abundance of N atoms and Si atoms which are different elements other than C and O with respect to C atoms (different elements The abundance ratio) was 3.9%.
Sizing is performed by adjusting the concentration of the sizing agent bath so that the sizing agent adhesion amount is 1.0 wt% with a sizing agent whose main component is bisphenol A epoxy resin without performing surface treatment on unsurface-treated carbon fibers. I did the processing. The strand tensile strength of the obtained carbon fiber bundle was 4520 MPa, which was lower than those of Examples 1 to 4.
<比較例2>
処理溶液を調製する際に、気泡を吹き込まず、表面処理溶液として粒子径1000nm以下の気泡を含まないオゾン濃度8ppmのオゾン溶存溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、炭素繊維の表面酸化処理を行った。得られた炭素繊維のO/Cを測定したところ、13%であり、繊維表面はほとんど酸化されていなかった。一方、異種元素存在比は3.4%(N/C:2.1%、Si/C:1.3%)であった。
処理後の炭素繊維に、実施例1と同様にしてサイジング処理を行い、炭素繊維束のストランド引張強度を測定したところ、4610MPaであり、実施例1〜4と比較して低いものであった。
Comparative Example 2
When preparing the treatment solution, carbon fibers were prepared in the same manner as in Example 1, except that an ozone dissolved solution having an ozone concentration of 8 ppm containing no bubbles having a particle diameter of 1000 nm or less was used as the surface treatment solution without blowing air bubbles. Surface oxidation treatment was performed. The O / C of the obtained carbon fiber was measured to be 13%, and the fiber surface was hardly oxidized. On the other hand, the dissimilar element existence ratio was 3.4% (N / C: 2.1%, Si / C: 1.3%).
The carbon fiber after the treatment was subjected to sizing treatment in the same manner as in Example 1, and the strand tensile strength of the carbon fiber bundle was measured to be 4610 MPa, which was lower than in Examples 1 to 4.
<比較例3>
処理溶液を調製する際に、粒子径1000nm以下の気泡の替わりに、粒子径1000nmを超えるマイクロバブルを吹き込み、処理溶液として粒子径1000nm以下の気泡を含まないオゾン濃度8ppmのオゾン溶存溶液を用いた以外は、実施例1と同様にして、炭素繊維の表面酸化処理を行った。なお、比較例3で用いた酸化性溶液中の気泡の平均粒子径は、5000nmであった。得られた炭素繊維のO/Cを測定したところ、15%であり、繊維表面はほとんど酸化されていなかった。一方、異種元素存在比は3.2%(N/C:1.9%、Si/C:1.3%)であった。
処理後の炭素繊維に、実施例1と同様にしてサイジング処理を行い、炭素繊維束のストランド引張強度を測定したところ、4640MPaであり、実施例1〜4と比較して低いものであった。
Comparative Example 3
When preparing the treatment solution, instead of air bubbles having a particle diameter of 1000 nm or less, microbubbles having a particle diameter of 1000 nm were blown, and an ozone dissolved solution having an ozone concentration of 8 ppm containing no air bubbles having a particle diameter of 1000 nm or less was used as a treatment solution. The surface oxidation treatment of the carbon fiber was performed in the same manner as in Example 1 except for the above. The average particle size of air bubbles in the oxidizing solution used in Comparative Example 3 was 5000 nm. The O / C of the obtained carbon fiber was measured to be 15%, and the fiber surface was hardly oxidized. On the other hand, the dissimilar element existence ratio was 3.2% (N / C: 1.9%, Si / C: 1.3%).
The carbon fiber after the treatment was subjected to sizing treatment in the same manner as in Example 1, and the strand tensile strength of the carbon fiber bundle was measured, and it was 4640 MPa, which was lower than Examples 1-4.
<比較例4>
実施例1と同様にして得られた未表面処理の炭素繊維に、電解質溶液として6.3質量%の硝酸水溶液を用い、電気量が50クーロン/gの条件で電解処理した。得られた炭素繊維のO/Cを測定したところ、23%であり。一方、異種元素存在比は、5.7%(N/C:4.3%、Si/C:1.4%)と実施例1〜4と比較して高く、特に処理薬液に由来する窒素原子が多く検出された。
Comparative Example 4
The unsurface-treated carbon fiber obtained in the same manner as in Example 1 was subjected to an electrolytic treatment using a 6.3 mass% nitric acid aqueous solution as an electrolyte solution under the condition of an electric charge of 50 coulomb / g. The O / C of the obtained carbon fiber is 23%. On the other hand, the foreign element abundance ratio is high as compared to Examples 1 to 4 with 5.7% (N / C: 4.3%, Si / C: 1.4%), particularly nitrogen derived from the treatment solution Many atoms were detected.
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