JP6893638B2 - Surface-treated carbon fiber, its manufacturing method and carbon fiber reinforced resin composite - Google Patents
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Description
本発明は、炭素繊維強化樹脂複合体に使用することのできる、表面処理された炭素繊維およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、炭素繊維に対して親和性の低い樹脂に対しても、親和性を付与することのできる炭素繊維、およびそのような炭素繊維を簡便に製造する方法に関する。 The present invention relates to a surface-treated carbon fiber and a method for producing the same, which can be used for a carbon fiber reinforced resin composite. More specifically, the present invention relates to carbon fibers capable of imparting affinity to a resin having a low affinity for carbon fibers, and a method for easily producing such carbon fibers.
炭素繊維強化樹脂複合体(CFRP)は、軽量で強度に優れる等の利点を有することから、航空宇宙、輸送機械(自動車、船舶)、土木建築、産業装置、スポーツなど幅広い分野で成形材料として使用されている。CFRPにおいてマトリクスとして使用されている樹脂の約9割はエポキシ樹脂である。ガラス繊維強化樹脂複合体(GFRP)では、エポキシ樹脂と並んで不飽和ポリエステル樹脂やビニルエステル樹脂が多く使用されているが、CFRPでは不飽和ポリエステル樹脂やビニルエステル樹脂がほとんど使用されていない。 Carbon fiber reinforced resin composite (CFRP) has advantages such as light weight and excellent strength, so it is used as a molding material in a wide range of fields such as aerospace, transportation machinery (automobiles, ships), civil engineering and construction, industrial equipment, and sports. Has been done. About 90% of the resin used as a matrix in CFRP is epoxy resin. In the glass fiber reinforced resin composite (GFRP), unsaturated polyester resin and vinyl ester resin are often used along with epoxy resin, but in CFRP, unsaturated polyester resin and vinyl ester resin are hardly used.
その一番の要因は炭素繊維と不飽和ポリエステル樹脂およびビニルエステル樹脂の密着力の低さにある。そのため、ガラス繊維と同様に樹脂複合体を製造しても、炭素繊維と樹脂との界面で剥離が生じ易くなるなどして十分な強度が得られない。しかし、不飽和ポリエステル樹脂およびビニルエステル樹脂はエポキシ樹脂に比べて成形サイクルが速く、製造コストの低減が可能となることから、これら樹脂をCFRPに適用する検討は種々行われている。 The main factor is the low adhesion between carbon fiber and unsaturated polyester resin and vinyl ester resin. Therefore, even if the resin composite is produced in the same manner as the glass fiber, sufficient strength cannot be obtained because peeling is likely to occur at the interface between the carbon fiber and the resin. However, unsaturated polyester resins and vinyl ester resins have a faster molding cycle than epoxy resins and can reduce manufacturing costs. Therefore, various studies have been conducted on applying these resins to CFRP.
炭素繊維と不飽和ポリエステル樹脂およびビニルエステル樹脂との密着力を上げる試みとして、炭素繊維を酸化して表面に水酸基を発生させ、その上にサイジング剤として樹脂等を付着させる手法が盛んに研究されてきた(特許文献1〜4等)。しかし、この方法では十分な成果が上がっていない。 As an attempt to improve the adhesion between carbon fiber and unsaturated polyester resin and vinyl ester resin, a method of oxidizing carbon fiber to generate hydroxyl groups on the surface and adhering resin etc. as a sizing agent on it has been actively studied. (Patent Documents 1 to 4 etc.). However, this method has not been sufficiently successful.
炭素繊維を金属めっきすることで、炭素繊維の表面改質を行うことも提案されている(特許文献5および6)。さらにそのめっきの前処理もいくつかの方法が提案されている(特許文献7および8)。
しかし、いずれも炭素繊維の処理工程が煩雑であり、複合体の製造コストの低減を達成するには十分とはいえない。
It has also been proposed to modify the surface of carbon fibers by metal plating the carbon fibers (Patent Documents 5 and 6). Further, several methods have been proposed for the pretreatment of the plating (Patent Documents 7 and 8).
However, in each case, the carbon fiber processing process is complicated, and it cannot be said that it is sufficient to achieve a reduction in the production cost of the complex.
本発明の目的は、炭素繊維との密着性が十分ではない不飽和ポリエステル樹脂やビニルエステル樹脂をマトリクスとして用いた炭素繊維強化樹脂複合体(CFRP)にも使用できる、表面改質された炭素繊維、およびその炭素繊維を簡便に製造できる方法を提供することにある。本発明の他の目的は、前記炭素繊維を含む炭素繊維強化樹脂複合体を提供することにある。 An object of the present invention is a surface-modified carbon fiber that can also be used for a carbon fiber reinforced resin composite (CFRP) using an unsaturated polyester resin or vinyl ester resin having insufficient adhesion to carbon fibers as a matrix. , And a method for easily producing the carbon fiber thereof. Another object of the present invention is to provide a carbon fiber reinforced resin composite containing the carbon fibers.
本発明は以下を提供するものである。
[1]炭素繊維をSn2+を含む水溶液に接触後、Pd2+を含む水溶液に接触させるか、炭素繊維をSn2+とPd2+を含むコロイド液に接触させることにより、炭素繊維表面にスズおよびパラジウムを付着させる工程1、および
炭素繊維表面に付着したスズおよびパラジウムにシランカップリング剤を結合させる工程2
を含むことを特徴とする表面処理された炭素繊維の製造方法。
[2]前記Sn2+を含む水溶液は、Sn2+濃度が0.01〜5モル/リットル、pHが4以下であり、前記Pd2+を含む水溶液は、Pd2+濃度が0.5〜3ミリモル/リットル、pHが4以下である前記1に記載の製造方法。
[3]前記Sn2+を含む水溶液がセンシタイザー/アクチベイター法で用いるセンシタイジング液であり、前記Pd2+を含む水溶液がセンシタイザー/アクチベイター法で用いるアクチベイティング液である前記1に記載の製造方法。
[4]Sn2+とPd2+を含む前記コロイド液は、Sn2+濃度が0.01〜5モル/リットル、Pd2+濃度が0.5〜3ミリモル/リットル、pHが4以下である前記1に記載の製造方法。
[5]Sn2+とPd2+を含む前記コロイド液がキャタライザー/アクセラレータ法で用いるキャタライジング液である前記1に記載の製造方法。
[6]前記工程1と前記工程2の間に、前記工程1により得られた表面にスズおよびパラジウムが付着した炭素繊維を加熱するか、または通電することにより、スズおよびパラジウムを炭素繊維表面に固定させる工程を有し、前記工程2は炭素繊維表面に固定されたスズおよびパラジウムに対しシランカップリング剤を結合させる工程である前記1から5のいずれかに記載の製造方法。
[7]前記加熱が、不活性ガス中250℃から1000℃で30秒以上行うものであり、前記通電が電解液中で炭素繊維を陰極にし1〜1000クーロン/g通電する前記6に記載の製造方法。
[8]前記表面処理された炭素繊維が、炭素繊維強化樹脂複合体用である前記1から7のいずれかに記載の製造方法。
[9]炭素繊維強化樹脂複合体用における樹脂が、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂である前記8に記載の製造方法。
[10]前記熱硬化性樹脂が、不飽和ポリエステル樹脂またはビニルエステル樹脂である前記9に記載の製造方法。
[11]前記1から10のいずれかに記載の方法により得られた表面処理された炭素繊維と樹脂とを組み合わせて成形する工程を含む炭素繊維強化樹脂複合体成形品の製造方法。
[12]前記1から10のいずれかに記載の方法により得られた表面処理された炭素繊維に樹脂を含浸させる工程を含むシート状プリプレグの製造方法。
[13]炭素繊維表面にスズおよびパラジウムが付着し、そのスズおよびパラジウムにシランカップリング剤が結合してなることを特徴とする炭素繊維。
[14]前記のスズおよびパラジウムの合計量が炭素繊維100質量部に対して0.02〜2質量部である前記13に記載の炭素繊維。
[15]炭素繊維強化樹脂複合体用である前記13または14に記載の炭素繊維。
[16]前記13から15のいずれかに記載の炭素繊維と樹脂を含む炭素繊維強化樹脂複合体。
[17]前記樹脂が不飽和ポリエステル樹脂またはビニルエステル樹脂である前記16に記載の炭素繊維強化樹脂複合体。
The present invention provides the following.
[1] The carbon fiber surface is contacted with an aqueous solution containing Sn 2+ and then with an aqueous solution containing Pd 2+ , or by contacting the carbon fiber with a colloidal solution containing Sn 2+ and Pd 2+. Step 1 of adhering tin and palladium to the carbon fiber surface, and step 2 of binding the silane coupling agent to tin and palladium adhering to the carbon fiber surface.
A method for producing surface-treated carbon fibers, which comprises.
[2] an aqueous solution containing the Sn 2+ is, Sn 2+ concentration is at 0.01 to 5 mol / l, pH of 4 or less, an aqueous solution containing the Pd 2+ is, Pd 2+ concentration 0.5 The production method according to 1 above, wherein the pH is ~ 3 mmol / liter and the pH is 4 or less.
[3] The aqueous solution containing Sn 2+ is the sensitizing liquid used in the sensitizer / activator method, and the aqueous solution containing Pd 2+ is the activating liquid used in the sensitizer / activator method. The manufacturing method described in.
[4] The colloidal solution containing Sn 2+ and Pd 2+ has a Sn 2+ concentration of 0.01 to 5 mol / liter, a Pd 2+ concentration of 0.5 to 3 mmol / liter, and a pH of 4 or less. The production method according to 1 above.
[5] The production method according to 1 above, wherein the colloidal liquid containing Sn 2+ and Pd 2+ is a catalyzing liquid used in the catalyzer / accelerator method.
[6] Between the step 1 and the step 2, the carbon fiber having tin and palladium adhered to the surface obtained in the step 1 is heated or energized to transfer tin and palladium to the carbon fiber surface. The production method according to any one of 1 to 5 above, which comprises a step of fixing, wherein the step 2 is a step of binding a silane coupling agent to tin and palladium fixed on the surface of carbon fibers.
[7] The above-mentioned 6 in which the heating is carried out in an inert gas at 250 ° C. to 1000 ° C. for 30 seconds or more, and the energization is carried out in an electrolytic solution with carbon fibers as a cathode and 1 to 1000 coulombs / g is energized. Production method.
[8] The production method according to any one of 1 to 7 above, wherein the surface-treated carbon fiber is for a carbon fiber reinforced resin composite.
[9] The production method according to 8 above, wherein the resin for the carbon fiber reinforced resin composite is a thermoplastic resin or a thermosetting resin.
[10] The production method according to 9 above, wherein the thermosetting resin is an unsaturated polyester resin or a vinyl ester resin.
[11] A method for producing a carbon fiber reinforced resin composite molded product, which comprises a step of combining and molding the surface-treated carbon fiber obtained by the method according to any one of 1 to 10 and a resin.
[12] A method for producing a sheet-shaped prepreg, which comprises a step of impregnating the surface-treated carbon fiber obtained by the method according to any one of 1 to 10 with a resin.
[13] A carbon fiber characterized in that tin and palladium adhere to the surface of the carbon fiber, and a silane coupling agent is bonded to the tin and palladium.
[14] The carbon fiber according to 13 above, wherein the total amount of tin and palladium is 0.02 to 2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber.
[15] The carbon fiber according to 13 or 14, which is used for a carbon fiber reinforced resin composite.
[16] A carbon fiber reinforced resin composite containing the carbon fiber and the resin according to any one of 13 to 15.
[17] The carbon fiber reinforced resin composite according to 16, wherein the resin is an unsaturated polyester resin or a vinyl ester resin.
本発明によれば、炭素繊維との密着性が十分ではない不飽和ポリエステル樹脂やビニルエステル樹脂をマトリクスとして用いた炭素繊維強化樹脂複合体(CFRP)に特に好ましく使用できる炭素繊維を簡便に製造することができる。この炭素繊維は樹脂との密着性は優れることから、この炭素繊維を用いたCFRPは優れた物性を有する。また、これらの樹脂はエポキシ樹脂よりも成形サイクルが速いため、エポキシ樹脂を用いたCFRPよりも製造コストを抑制することが可能である。 According to the present invention, carbon fibers that can be particularly preferably used for a carbon fiber reinforced resin composite (CFRP) using an unsaturated polyester resin or vinyl ester resin having insufficient adhesion to carbon fibers as a matrix can be easily produced. be able to. Since this carbon fiber has excellent adhesion to a resin, CFRP using this carbon fiber has excellent physical properties. Moreover, since these resins have a faster molding cycle than epoxy resins, it is possible to reduce the manufacturing cost as compared with CFRP using epoxy resins.
本発明の一実施態様における炭素繊維強化樹脂複合体のために好ましく使用できる表面処理された炭素繊維の製造方法は以下の工程を有する。
(工程1)炭素繊維をSn2+を含む水溶液に接触後、Pd2+を含む水溶液に接触させるか、炭素繊維をSn2+とPd2+を含むコロイド液に接触させることにより、炭素繊維表面にスズおよびパラジウムを付着させる工程。
(工程2)炭素繊維表面に付着したスズおよびパラジウムにシランカップリング剤を結合させる工程。
The method for producing a surface-treated carbon fiber that can be preferably used for the carbon fiber reinforced resin composite in one embodiment of the present invention has the following steps.
(Step 1) Carbon fibers are contacted with an aqueous solution containing Sn 2+ and then with an aqueous solution containing Pd 2+ , or by contacting the carbon fibers with a colloidal solution containing Sn 2+ and Pd 2+. The process of adhering tin and palladium to the surface.
(Step 2) A step of binding a silane coupling agent to tin and palladium adhering to the surface of carbon fibers.
工程1では炭素繊維表面にスズおよびパラジウムを付着させる。
その方法の好ましい実施態様としては、炭素繊維をSn2+を含む水溶液に接触後、Pd2+を含む水溶液に接触させるか、炭素繊維をSn2+とPd2+を含むコロイド液に接触させる。
In step 1, tin and palladium are attached to the surface of the carbon fiber.
In a preferred embodiment of the method, the carbon fibers are contacted with an aqueous solution containing Sn 2+ and then with an aqueous solution containing Pd 2+ , or the carbon fibers are brought into contact with a colloidal solution containing Sn 2+ and Pd 2+. ..
前記Sn2+を含む水溶液としては、Sn2+濃度が0.01〜5モル/リットル、pHが4以下の水溶液が挙げられ、例えば、塩化スズ、硫酸スズ、酢酸スズなどと塩酸、硫酸、酢酸などを含む。前記Pd2+を含む水溶液は、Pd2+濃度が0.5〜3ミリモル/リットル、pHが4以下の水溶液が挙げられ、例えば塩化パラジウム、硫酸パラジウム、酢酸パラジウムなどと塩酸、硫酸、酢酸などを含む。pHはいずれの溶液も2以下が好ましい。
Sn2+濃度はヨウ素滴定法で測定することができ、Pd2+濃度は原子吸光法またはICP発光分析法で測定することができる。pHは市販の測定計を用いて室温で測定する。具体的な測定方法は実施例の欄に記載する通りである。
Examples of the aqueous solution containing Sn 2+ include an aqueous solution having a Sn 2+ concentration of 0.01 to 5 mol / liter and a pH of 4 or less. Contains acetic acid and the like. Examples of the aqueous solution containing Pd 2+ include aqueous solutions having a Pd 2+ concentration of 0.5 to 3 mmol / liter and a pH of 4 or less, such as palladium chloride, palladium sulfate, palladium acetate and the like, and hydrochloric acid, sulfuric acid, acetic acid and the like. including. The pH of each solution is preferably 2 or less.
The Sn 2+ concentration can be measured by the iodine titration method, and the Pd 2+ concentration can be measured by the atomic absorption method or ICP emission spectrometry. The pH is measured at room temperature using a commercially available measuring meter. The specific measurement method is as described in the column of Examples.
炭素繊維の前記水溶液への接触は、炭素繊維を前記水溶液に浸漬することが好ましい。具体的な浸漬の方法としては、例えば、10〜50℃、好ましくは20〜30℃の環境下、炭素繊維をSn2+を含む水溶液に20秒〜10分程度浸漬後、その水溶液から炭素繊維を引上げ、Pd2+を含む水溶液に同環境下で10秒から5分程度浸漬することができる。Sn2+を含む水溶液から炭素繊維を引上げた後、軽く水洗しても良い。 For the contact of the carbon fibers with the aqueous solution, it is preferable to immerse the carbon fibers in the aqueous solution. As a specific dipping method, for example, in an environment of 10 to 50 ° C., preferably 20 to 30 ° C., the carbon fiber is immersed in an aqueous solution containing Sn 2+ for about 20 seconds to 10 minutes, and then the carbon fiber is used from the aqueous solution. Can be immersed in an aqueous solution containing Pd 2+ in the same environment for about 10 seconds to 5 minutes. After pulling up the carbon fiber from the aqueous solution containing Sn 2+, it may be washed lightly with water.
また、前記Sn2+を含む水溶液としては、センシタイザー/アクチベイター法で用いるセンシタイジング液を用いることができ、前記Pd2+を含む水溶液としては、センシタイザー/アクチベイター法で用いるアクチベイティング液を用いることができる。センシタイジング液およびアクチベイティング液は市販のものが特に制限なく使用できる。炭素繊維との接触方法も制限はなく、例えば上記と同様に行うことができる。 Further, as the aqueous solution containing Sn 2+ , the sensitizing solution used in the sensitizer / activator method can be used, and as the aqueous solution containing Pd 2+, the activator used in the sensitizer / activator method can be used. A ting liquid can be used. Commercially available sensitizing liquids and activating liquids can be used without particular limitation. The contact method with the carbon fiber is also not limited, and can be performed in the same manner as described above, for example.
前記のSn2+とPd2+を含むコロイド液としては、Sn2+濃度が0.01〜5モル/リットル、Pd2+濃度が0.5〜3ミリモル/リットル、pHが4以下のコロイド液が挙げられ、pH調整には例えば塩酸、硫酸、酢酸を使用することができる。 The colloidal solution containing Sn 2+ and Pd 2+ has a Sn 2+ concentration of 0.01 to 5 mol / liter, a Pd 2+ concentration of 0.5 to 3 mmol / liter, and a pH of 4 or less. Liquids are mentioned, and for example, hydrochloric acid, sulfuric acid, and acetic acid can be used for pH adjustment.
炭素繊維の前記コロイド液の接触は、炭素繊維を前記コロイド液に浸漬することが好ましい。具体的な浸漬の方法としては、例えば10〜60℃、好ましくは30〜40℃の環境下、炭素繊維を前記コロイド液に2分〜5分程度浸漬することができる。 For the contact of the carbon fiber with the colloidal liquid, it is preferable to immerse the carbon fiber in the colloidal liquid. As a specific method of immersion, the carbon fibers can be immersed in the colloidal solution for about 2 to 5 minutes in an environment of, for example, 10 to 60 ° C., preferably 30 to 40 ° C.
また、前記コロイド液としては、キャタライザー/アクセラレータ法で用いるキャタライジング液を用いることができる。キャタライジング液は市販のものが特に制限なく使用できる。炭素繊維との接触方法も制限はなく、例えば上記と同様に行うことができる。キャタライザー/アクセラレータ法では、キャタライジング液との接触後にアクセラレータ処理を行うが、アクセラレータ処理は過剰なスズイオンを溶解除去することを主目的とするものであり、次工程においてシランカップリング剤で処理を行う本発明においてはアクセラレータ処理は必ずしも必要ではない。 Further, as the colloidal liquid, a catalyzing liquid used in the catalyzer / accelerator method can be used. Commercially available catalyzing liquid can be used without particular limitation. The contact method with the carbon fiber is also not limited, and can be performed in the same manner as described above, for example. In the catalyzer / accelerator method, the accelerator treatment is performed after contact with the catalyzing liquid, but the main purpose of the accelerator treatment is to dissolve and remove excess tin ions, and the treatment is performed with a silane coupling agent in the next step. Accelerator processing is not always necessary in the present invention.
本発明の一実施態様で使用する原料としての炭素繊維は、PAN(ポリアクリロニトリル)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維などが制限なく使用でき、これらは組み合わせて使用することもできる。
表面処理を行いやすいものは糸状(トゥ、フィラメント)であり、表面処理してからクロスやチョップに加工されることもある。市販の炭素繊維糸は直径5μm〜20μmの炭素単繊維を300〜1000本束ね1単位の糸とし、数kmから数百kmを1巻きとして供給される。また、加工後にサイジング処理を行い、毛羽立ちや糸切れの防止することも可能である。
市販のものを使用する場合は、サイジング処理等がされているものに対しては、サイジング剤を除去してから本発明の工程に供することができる。サイジング剤の除去は、例えばアセトン、メチルエチルケトン(MEK)等の溶剤による洗浄や、不活性気体(窒素、アルゴン等)中で350〜600℃に加熱しサイジング剤を分解することにより行う。
As the carbon fiber as a raw material used in one embodiment of the present invention, PAN (polyacrylonitrile) -based carbon fiber, pitch-based carbon fiber and the like can be used without limitation, and these can also be used in combination.
Those that are easy to perform surface treatment are filaments (toe, filament), and may be processed into cloth or chops after surface treatment. Commercially available carbon fiber yarns are supplied by bundling 300 to 1000 single carbon fibers having a diameter of 5 μm to 20 μm into one unit yarn, and supplying several km to several hundred km as one roll. It is also possible to prevent fluffing and thread breakage by performing a sizing treatment after processing.
When a commercially available product is used, it can be used in the process of the present invention after the sizing agent has been removed from the product that has been subjected to a sizing treatment or the like. The sizing agent is removed by, for example, washing with a solvent such as acetone or methyl ethyl ketone (MEK), or heating to 350 to 600 ° C. in an inert gas (nitrogen, argon, etc.) to decompose the sizing agent.
工程1においては、触媒金属としてのスズおよびパラジウム成分の付着量に応じて炭素繊維の表面改質効果が変化することから、希望する改質効果に沿うようにスズおよびパラジウム成分の付着量を調整する。この調整は、各溶液の選択、浸漬時間等によって行うことができるが、さらにこの工程1に先だって炭素繊維の表面前処理を行うことによっても調整が可能である。
炭素繊維表面に付着させるスズおよびパラジウムの合計量は、炭素繊維100質量部に対して0.02〜2質量部が好ましく、0.05〜1質量部がより好ましい。付着したスズおよびパラジウムの合計量の測定は、スズおよびパラジウムが付着した炭素繊維を硫酸及び硝酸に浸漬することにより付着金属を溶解させ、得られた溶液をICP発光分析することにより行うことができる。
In step 1, since the surface modification effect of the carbon fiber changes according to the amount of tin and palladium components attached as the catalyst metal, the amount of tin and palladium components attached is adjusted so as to meet the desired modification effect. To do. This adjustment can be performed by selecting each solution, immersion time, etc., but can also be performed by performing surface pretreatment of carbon fibers prior to this step 1.
The total amount of tin and palladium adhering to the surface of the carbon fiber is preferably 0.02 to 2 parts by mass, more preferably 0.05 to 1 part by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber. The total amount of tin and palladium attached can be measured by immersing the carbon fibers to which tin and palladium are attached in sulfuric acid and nitric acid to dissolve the attached metal, and then analyzing the obtained solution by ICP emission analysis. ..
工程1に先だって行う炭素繊維の表面前処理としては、炭素繊維の表面の親水性を高める処理、炭素繊維の表面に凹凸を付与する処理などがある。この処理としては、クロム酸、過酸化水素などの酸化性溶液によるエッチング処理、電解液中で繊維を陽極にして電気を通す電解酸化処理などが挙げられる。中でも、塩酸、硝酸等の酸水溶液やアンモニウム化合物等のアルカリ水溶液を電解液とした電解酸化処理は効率がよく残留イオン物質が少ないので好ましい。 The surface pretreatment of the carbon fiber performed prior to the step 1 includes a treatment for increasing the hydrophilicity of the surface of the carbon fiber, a treatment for imparting irregularities on the surface of the carbon fiber, and the like. Examples of this treatment include an etching treatment with an oxidizing solution such as chromic acid and hydrogen peroxide, and an electrolytic oxidation treatment in which a fiber is used as an anode in an electrolytic solution to conduct electricity. Above all, the electrolytic oxidation treatment using an acid aqueous solution such as hydrochloric acid or nitric acid or an alkaline aqueous solution such as an ammonium compound as an electrolytic solution is preferable because it is efficient and contains a small amount of residual ionic substances.
工程1により表面にスズおよびパラジウムが付着した炭素繊維は、そのまま工程2に供することができるが、前記工程1と前記工程2の間に、前記工程1により得られた表面にスズおよびパラジウムが付着した炭素繊維を加熱するか、または通電することにより、スズおよびパラジウムを炭素繊維表面に固定させる工程を設けることもできる。この場合、前記工程2は炭素繊維表面に固定されたスズおよびパラジウムに対しシランカップリング剤を結合させる工程となる。 The carbon fibers having tin and palladium attached to the surface in step 1 can be used as they are in step 2, but tin and palladium are attached to the surface obtained in step 1 between the steps 1 and 2. It is also possible to provide a step of fixing tin and palladium to the surface of the carbon fiber by heating or energizing the carbon fiber. In this case, the step 2 is a step of binding the silane coupling agent to tin and palladium fixed on the surface of the carbon fiber.
ここで、固定とはスズおよびパラジウムが1M程度の酸水溶液やアルカリ水溶液中で溶解せず、擦った程度では剥がれ落ちない程度に固着した状態を意味する。
工程1による付着状態で後述の工程2であるシランカップリング剤との結合を行い、得られた炭素繊維を用いて炭素繊維強化樹脂複合体を製造した場合と、上記工程による固定状態で後述の工程2であるシランカップリング剤との結合を行い、得られた炭素繊維を用いて炭素繊維強化樹脂複合体を製造した場合とでは、後者の方が、樹脂と炭素繊維との密着性がより一層向上するため好ましい。密着性はそれぞれの複合体における破壊試験での電子顕微鏡観察において見て取ることができる(実施例参照)。
Here, fixing means a state in which tin and palladium are not dissolved in an acid aqueous solution or an alkaline aqueous solution of about 1 M and are fixed to such an extent that they do not come off when rubbed.
The case where the carbon fiber reinforced resin composite is produced by using the obtained carbon fiber by bonding with the silane coupling agent which is the step 2 described later in the adhered state by the step 1, and the case where the carbon fiber reinforced resin composite is manufactured by the above step, will be described later. In the latter case, the adhesion between the resin and the carbon fiber is better than in the case where the carbon fiber reinforced resin composite is produced by performing the bonding with the silane coupling agent in step 2 and using the obtained carbon fiber. It is preferable because it is further improved. Adhesion can be seen in electron microscopic observations in fracture tests on each complex (see Examples).
固定化するために行う加熱は、例えば250〜1000℃の温度で30秒以上維持することにより行うことができる。好ましい温度は300〜900℃、より好ましくは300〜500℃であり、好ましい時間は40秒〜5分、より好ましくは1〜2分である。温度が低すぎたり、時間が短すぎると固定が十分に行われないことがある。時間が長すぎると、付着したスズおよびパラジウムが炭素繊維中に浸透したり、逆に飛散してしまい金属が炭素繊維表面に存在しなくなることがある。また、温度が高すぎると炭素繊維の結晶性が変化することがあり、炭素繊維の引張強度、弾性率などの性能が変わってしまい目的の炭素繊維の性能と異なる炭素繊維になることがある。加熱は、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスの存在下で行うことが好ましい。 The heating performed for immobilization can be performed, for example, by maintaining the temperature at 250 to 1000 ° C. for 30 seconds or longer. The preferred temperature is 300 to 900 ° C., more preferably 300 to 500 ° C., and the preferred time is 40 seconds to 5 minutes, more preferably 1 to 2 minutes. Fixation may not be sufficient if the temperature is too low or the time is too short. If the time is too long, the attached tin and palladium may permeate into the carbon fiber or, conversely, scatter and the metal may not be present on the surface of the carbon fiber. Further, if the temperature is too high, the crystallinity of the carbon fiber may change, and the performance such as the tensile strength and elastic modulus of the carbon fiber may change, resulting in a carbon fiber different from the performance of the target carbon fiber. The heating is preferably performed in the presence of an inert gas such as nitrogen gas or argon gas.
通電は、炭素繊維を陰極に繋いで電解液中で行うことができる。陽極としては炭素、タングステン、チタンなどが使用できる。電解液としては酸水溶液、アルカリ水溶液のどちらでも使用可能であるが、付着したスズおよびパラジウムがより溶出しにくいアルカリ水溶液が好ましく、通電により金属残渣が発生しない炭酸水素アンモニウム水溶液や炭酸アンモニウム水溶液が特に好ましい。その濃度は通電に適切な範囲であれば特に制限はないが、例えば0.1〜5M、好ましくは0.3〜1Mである。
通電量は1〜1000クーロン/gで行うことができ、より好ましくは10〜500クーロン/gである(電気量(クーロン)=電圧(アンペア)×時間(秒))。
The energization can be performed in the electrolytic solution by connecting the carbon fibers to the cathode. Carbon, tungsten, titanium or the like can be used as the anode. As the electrolytic solution, either an acid aqueous solution or an alkaline aqueous solution can be used, but an alkaline aqueous solution in which attached tin and palladium are less likely to elute is preferable, and an ammonium hydrogen carbonate aqueous solution and an ammonium carbonate aqueous solution in which no metal residue is generated by energization are particularly preferable. preferable. The concentration is not particularly limited as long as it is within an appropriate range for energization, but is, for example, 0.1 to 5 M, preferably 0.3 to 1 M.
The energization amount can be 1 to 1000 coulombs / g, more preferably 10 to 500 coulombs / g (electric energy (coulombs) = voltage (ampere) x time (seconds)).
工程2では、炭素繊維の表面に付着または固定されたスズおよびパラジウムにシランカップリング剤を結合させる。シランカップリング剤を結合させることにより、炭素繊維と樹脂の親和性・密着性をシランカップリング剤を介して高めることができる。
シランカップリング剤はガラス繊維に対しては親和性が高く、ガラス繊維にシランカップリング剤を結合させることにより、ガラス繊維と樹脂との密着性を向上させ、繊維強化樹脂複合体の物性を向上させることが可能である。しかし、シランカップリング剤は炭素繊維(グラファイト)に対する効果が非常に低く(月刊プラスチックスエージ,2014年4月号,72〜76頁)、ガラス繊維と同様に処理を行っても繊維強化樹脂複合体の物性を向上させることは難しい。
In step 2, the silane coupling agent is bound to tin and palladium attached or fixed to the surface of the carbon fiber. By binding the silane coupling agent, the affinity and adhesion between the carbon fiber and the resin can be enhanced via the silane coupling agent.
The silane coupling agent has a high affinity for glass fibers, and by binding the silane coupling agent to the glass fibers, the adhesion between the glass fibers and the resin is improved, and the physical properties of the fiber reinforced resin composite are improved. It is possible to make it. However, the silane coupling agent has a very low effect on carbon fiber (graphite) (Monthly Plastic Sage, April 2014, pp. 72-76), and even if it is treated in the same manner as glass fiber, it is a fiber reinforced resin composite. It is difficult to improve the physical properties of.
炭素繊維にシランカップリング剤を適用する場合、炭素繊維表面が金属めっきされていれば、その金属とシランカップリング剤を結合させることができ、それにより樹脂に対する親和性を向上することができる。しかし、炭素繊維への金属めっき処理は煩雑でありコスト高につながる。本発明の一実施態様においては、炭素繊維に対して工程1または工程1とその後のスズまたはパラジウムの固定化処理を行うことにより、炭素繊維に対するシランカップリング剤の結合力(親和性、密着性等)を大幅に高める。工程1の処理は、めっき前処理としても知られているが、本発明においてはめっき自体は行わないため、操作が簡便であるとの利点がある。 When a silane coupling agent is applied to carbon fibers, if the surface of the carbon fibers is metal-plated, the metal can be bonded to the silane coupling agent, thereby improving the affinity for the resin. However, the metal plating process on carbon fibers is complicated and leads to high cost. In one embodiment of the present invention, by performing step 1 or step 1 and the subsequent immobilization treatment of tin or palladium on the carbon fibers, the binding force (affinity, adhesion) of the silane coupling agent to the carbon fibers. Etc.) is greatly increased. The treatment of step 1 is also known as plating pretreatment, but in the present invention, plating itself is not performed, so that there is an advantage that the operation is simple.
シランカップリング剤としては、例えば、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、多官能型アクリルシラン、多官能基型エポキシシランなどが挙げられ、これらは単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。好ましいシランカップリング剤としては,例えば3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、多官能型アクリルシランが挙げられる。
シランカップリング剤を結合させるには、シランカップリング剤を1〜10質量%添加したアルコールまたは水−アルコール混合溶液に炭素繊維を1分から1日浸漬した後乾燥させる方法や、上記液を炭素繊維に噴霧して十分付着させたのち乾燥させる方法が挙げられる。アルコールとしてはメタノール、エタノールなどの低級アルコールが好ましく使用できる。シランカップリング剤を炭素繊維に結合させる量は、炭素繊維100質量部に対して0.1〜10質量部が好ましく、より好ましくは0.5〜2質量部である。
Examples of the silane coupling agent include 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, and 3-methacryloxypropyl. Methyldiethoxysilane, N-2- (aminoethyl) -3-aminopropyltrimethoxysilane, N-2- (aminoethyl) -3-aminopropyltriethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3 − Glycydoxypropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropyltriethoxysilane, polyfunctional acrylicsilane, polyfunctional group epoxysilane, etc., which may be used alone or in combination of two. The above can be used in combination. Preferred silane coupling agents include, for example, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane and polyfunctional acrylic silane.
To bond the silane coupling agent, a method of immersing the carbon fiber in an alcohol or a water-alcohol mixed solution to which 1 to 10% by mass of the silane coupling agent is added and then drying the carbon fiber for 1 minute to 1 day, or a method of drying the above solution with the carbon fiber. There is a method of spraying the silane to allow it to adhere sufficiently and then drying it. As the alcohol, lower alcohols such as methanol and ethanol can be preferably used. The amount of the silane coupling agent bonded to the carbon fibers is preferably 0.1 to 10 parts by mass, more preferably 0.5 to 2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon fibers.
得られた炭素繊維は樹脂との複合体(炭素繊維強化樹脂複合体)の製造に好ましく使用できる。樹脂は、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれかが使用できる。これらは混合して用いることもできる。
熱可塑性樹脂としては、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリオレフィン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィドなどが好適に使用される。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂,MMA樹脂(メチルメタクリレート樹脂)、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などが好適に使用される。これらは単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。
複合体中の炭素繊維の量は10〜90質量%が好ましく、より好ましくは、20〜60%であり、その量は、複合体の用途や形態によって適宜選択できる。
The obtained carbon fiber can be preferably used for producing a composite with a resin (carbon fiber reinforced resin composite). As the resin, either a thermoplastic resin or a thermosetting resin can be used. These can also be mixed and used.
As the thermoplastic resin, polycarbonate, polyethylene terephthalate, nylon, polyolefin, polyetheretherketone, polyphenylene sulfide and the like are preferably used. As the thermosetting resin, an epoxy resin, a vinyl ester resin, an MMA resin (methyl methacrylate resin), an unsaturated polyester resin, a phenol resin and the like are preferably used. These can be used alone or in combination of two or more.
The amount of carbon fibers in the complex is preferably 10 to 90% by mass, more preferably 20 to 60%, and the amount can be appropriately selected depending on the use and form of the complex.
本発明の一実施態様における炭素繊維は、その表面にシランカップリング剤が強固に結合していることから、前記シランカップリング剤との親和性を有する樹脂との複合体とした場合、特に炭素繊維に対して親和性の低い樹脂と複合体にした場合でも、樹脂と炭素繊維の密着性に優れ、良好な物性を有する複合体となる。そのような樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂が挙げられる。 Since the carbon fiber in one embodiment of the present invention has a silane coupling agent firmly bonded to its surface, carbon is particularly carbon when it is formed into a composite with a resin having an affinity for the silane coupling agent. Even when a composite is formed with a resin having a low affinity for fibers, the composite has excellent adhesion between the resin and carbon fibers and has good physical properties. Examples of such resins include thermosetting resins such as unsaturated polyester resins and vinyl ester resins.
炭素繊維と樹脂との複合体の製造方法としては、従来から知られた方法が特に制限なく使用される。炭素繊維と樹脂とを溶融混練してもよいし、プリプレグに成形することもでき、用途に合致した製造方法および成形方法を選択すれば良い。具体的な成形方法としては、フィラメントワインド成形、引抜成形、ハンドレイアップ成形、レジントランスファー成形、レジンインジェクション成形、プレス成形、オートクレイブ成形、スプレーアップ成形などが挙げられ、炭素繊維は糸のままか、クロス加工またはチョップ加工して使用される。またプリプレグを先に作製し、これらの成形方法に供与することもできる。 As a method for producing a composite of carbon fiber and resin, a conventionally known method is used without particular limitation. The carbon fiber and the resin may be melt-kneaded or molded into a prepreg, and a manufacturing method and a molding method suitable for the intended use may be selected. Specific molding methods include filament wind molding, drawing molding, hand lay-up molding, resin transfer molding, resin injection molding, press molding, autoclave molding, spray-up molding, etc. , Cross-processed or chopped. It is also possible to prepare the prepreg first and provide it to these molding methods.
本発明の一実施態様における炭素繊維は、炭素繊維表面にスズおよびパラジウムが付着し、そのスズおよびパラジウムにシランカップリング剤が結合してなる。炭素繊維には直接シランカップリング剤が結合しにくいが、炭素繊維表面に付着させたスズおよびパラジウムを介して結合することにより、シランカップリング剤が炭素繊維表面に良好に接着する。
炭素繊維表面に付着しているスズおよびパラジウムの合計量は、炭素繊維100質量部に対して0.02〜2質量部が好ましく、0.05〜1質量部がより好ましい。付着したスズおよびパラジウムの合計量の測定方法は、前述と同様の方法により測定することができる。
シランカップリング剤の結合量は炭素繊維100質量部に対して0.1〜10質量部が好ましく、より好ましくは0.5〜2質量部である。
このような炭素繊維は例えば上記の方法により製造することができ、上記と同様に炭素繊維強化樹脂複合体用の炭素繊維として使用することができる。
The carbon fiber in one embodiment of the present invention comprises tin and palladium attached to the surface of the carbon fiber, and a silane coupling agent bonded to the tin and palladium. Although it is difficult for the silane coupling agent to directly bond to the carbon fiber, the silane coupling agent adheres well to the carbon fiber surface by binding via tin and palladium attached to the carbon fiber surface.
The total amount of tin and palladium adhering to the surface of the carbon fiber is preferably 0.02 to 2 parts by mass, more preferably 0.05 to 1 part by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber. The method for measuring the total amount of attached tin and palladium can be measured by the same method as described above.
The amount of the silane coupling agent bonded is preferably 0.1 to 10 parts by mass, more preferably 0.5 to 2 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber.
Such carbon fibers can be produced, for example, by the above method, and can be used as carbon fibers for a carbon fiber reinforced resin composite in the same manner as described above.
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに説明するが、本発明はこれらの記載により何らの限定を受けるものではない。
用いた試薬のSn2+濃度、Pd2+濃度及びpHと、スズとパラジウムの付着量は次のようにして測定した。
(1)Sn2+濃度
Sn2+を含む水溶液5mlに6mol/L塩酸溶液20mlと純水100mlを加える。これに指示薬として1%でんぷん溶液を加え、0.05mol/Lヨウ素標準溶液にて滴定する。溶液の色が半透明褐色から濁った紺色になった点を終点とする。滴下したヨウ素量からSn2+の量を定量し、Sn2+濃度を算出する。
(2)Pd2+濃度
Pd2+を含む水溶液5mlに6mol/L塩酸溶液20mlを加え十分に撹拌した後、さらに純水50mlを加え撹拌する。次いで、35%過酸化水素水5mlを加え撹拌する。混合液の液量が50mlになるまで加熱し水分を蒸発させ、室温に冷却後、純水で100mlまで希釈する。得られた溶液を用いて原子吸光法またはICP発光法にてPd2+濃度を測定する。
(3)pH
マルチ水質計(MM-60R:東亜ディーケーケー社製)により室温(23℃)にて測定する。
Hereinafter, the present invention will be further described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited by these descriptions.
The Sn 2+ concentration, Pd 2+ concentration and pH of the reagents used, and the amount of tin and palladium adhered to each other were measured as follows.
(1) Sn 2+ concentration To 5 ml of an aqueous solution containing Sn 2+ , 20 ml of a 6 mol / L hydrochloric acid solution and 100 ml of pure water are added. A 1% starch solution is added as an indicator to this, and titration is performed with a 0.05 mol / L iodine standard solution. The end point is the point where the color of the solution changes from translucent brown to turbid dark blue. The amount of Sn 2+ is quantified from the amount of iodine dropped, and the Sn 2+ concentration is calculated.
(2) Pd 2+ concentration 20 ml of a 6 mol / L hydrochloric acid solution is added to 5 ml of an aqueous solution containing Pd 2+ and the mixture is sufficiently stirred, and then 50 ml of pure water is further added and stirred. Then, 5 ml of 35% hydrogen peroxide solution is added and stirred. The mixture is heated until the volume of the mixture reaches 50 ml to evaporate the water content, cooled to room temperature, and then diluted with pure water to 100 ml. The Pd 2+ concentration is measured by atomic absorption spectrometry or ICP emission spectrometry using the obtained solution.
(3) pH
Measure at room temperature (23 ° C) with a multi-water quality meter (MM-60R: manufactured by DKK-TOA CORPORATION).
実施例1
炭素繊維(T−700SC 12K;東レ株式会社製)15cm(約0.1g)を窒素ガス雰囲気下、500℃で1時間加熱してサイジング剤を除去した。その後、0.5MのNH4HCO3水溶液中で炭素繊維を陽極として30クーロン/gになるよう通電して電解酸化を行い、得られた炭素繊維を水で洗浄し、炭素繊維の表面前処理を行った。
得られた炭素繊維をセンシタイジング液(センシタイザー;奥野製薬工業株式会社製)100mlを精製水で1Lにした液に25℃、3分間浸漬し、水で十分にすすいだ後、アクチベイティング液(アクチベーター;奥野製薬工業株式会社製)50mlを精製水で1Lにした液に30℃、1分間浸漬し、水で十分すすぐことで、炭素繊維表面にSnおよびPdを付着させた。
なお、センシタイジング液として用いたセンシタイザー(奥野製薬工業株式会社製)のSn2+濃度は0.05mol/L、pHは0.8であり、アクチベイティング液として用いたアクチベーター(奥野製薬工業株式会社製)のPd2+濃度は0.9mmol/L、pHは0.12であった。
また、付着したスズおよびパラジウムの合計量は炭素繊維100質量部に対して0.3質量部であった。その測定は、スズおよびパラジウムが付着した炭素繊維を硫酸及び硝酸に浸漬することにより付着金属を溶解させ、得られた溶液をICP発光分析することにより行った。
得られた炭素繊維を3質量%のシランカップリング剤(KBM−503;信越化学工業株式会社製)を含むエタノール溶液中に浸漬させた後、110℃で15分間乾燥することにより、実施例1の炭素繊維を得た。
Example 1
A 15 cm (about 0.1 g) carbon fiber (T-700SC 12K; manufactured by Toray Industries, Inc.) was heated at 500 ° C. for 1 hour in a nitrogen gas atmosphere to remove the sizing agent. Then, in a 0.5 M NH 4 HCO 3 aqueous solution, the carbon fiber was used as an anode and electrolyzed by energizing the carbon fiber to 30 coulon / g, and the obtained carbon fiber was washed with water to pretreat the surface of the carbon fiber. Was done.
The obtained carbon fiber is immersed in 100 ml of a sensitizing solution (sensitizer; manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) in 1 L of purified water at 25 ° C. for 3 minutes, rinsed thoroughly with water, and then activated. Sn and Pd were adhered to the carbon fiber surface by immersing 50 ml of a liquid (activator; manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) in 1 L of purified water at 30 ° C. for 1 minute and rinsing thoroughly with water.
The sensitizer (manufactured by Okuno Pharmaceutical Industry Co., Ltd.) used as the sensitizing liquid had a Sn 2+ concentration of 0.05 mol / L and a pH of 0.8, and the activator (Okuno) used as the activating liquid. The Pd 2+ concentration of (manufactured by Pharmaceutical Industry Co., Ltd.) was 0.9 mmol / L, and the pH was 0.12.
The total amount of attached tin and palladium was 0.3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of carbon fiber. The measurement was carried out by immersing the carbon fiber to which tin and palladium were attached in sulfuric acid and nitric acid to dissolve the attached metal, and then performing ICP emission analysis of the obtained solution.
Example 1 was obtained by immersing the obtained carbon fibers in an ethanol solution containing 3% by mass of a silane coupling agent (KBM-503; manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) and then drying at 110 ° C. for 15 minutes. Carbon fiber was obtained.
実施例2
実施例1と同様にしてサイジング剤の除去、電解酸化、および水洗した炭素繊維を、キャタリスト液(キャタリストC−7;奥野製薬工業株式会社製)20mlと35%塩酸200mlとを精製水で1Lにした溶液に32℃で3分間浸漬した。得られた炭素繊維を水で十分すすぎ、炭素繊維表面にSnおよびPdを付着させた。
なお、キャタリスト液として用いたキャタリストC−7(奥野製薬工業株式会社製)のSn2+濃度は0.03mol/L、Pd2+濃度は0.8mmol/L、pHは0.5であった。
次いで、炭素繊維を10質量%のシランカップリング剤(KBM−5103;信越化学工業株式会社製)エタノール溶液に浸漬させた後、110℃で15分間乾燥することにより、実施例2の炭素繊維を得た。
Example 2
The carbon fibers from which the sizing agent was removed, electrolytically oxidized, and washed with water in the same manner as in Example 1 were mixed with 20 ml of a catalyst solution (Catalist C-7; manufactured by Okuno Pharmaceutical Industry Co., Ltd.) and 200 ml of 35% hydrochloric acid with purified water. It was immersed in 1 L of the solution at 32 ° C. for 3 minutes. The obtained carbon fibers were thoroughly rinsed with water to allow Sn and Pd to adhere to the surface of the carbon fibers.
The Sn 2+ concentration of Catalyst C-7 (manufactured by Okuno Pharmaceutical Industry Co., Ltd.) used as the catalyst solution was 0.03 mol / L, the Pd 2+ concentration was 0.8 mmol / L, and the pH was 0.5. there were.
Next, the carbon fibers of Example 2 were obtained by immersing the carbon fibers in a 10% by mass silane coupling agent (KBM-5103; manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) ethanol solution and then drying at 110 ° C. for 15 minutes. Obtained.
実施例3
実施例1と同様にしてサイジング剤の除去、電解酸化、および水洗した炭素繊維を、前記のセンシタイジング液(センシタイザー;奥野製薬工業株式会社製)100mlを精製水で1Lにした液に25℃、3分間浸漬し、水で十分にすすいだ後、前記のアクチベイティング液(アクチベーター;奥野製薬工業株式会社製)50mlを精製水で1Lにした液に30℃、1分間浸漬し、水で十分すすぐことで、炭素繊維表面にSnおよびPdを付着させた。
その後、0.5MのNH4HCO3水溶液中、得られた炭素繊維を陰極として100クーロン/gとなるよう通電し(1A,10秒)、次いで得られた炭素繊維を水で洗浄した。これによりSnおよびPdを炭素繊維表面上に固定化した。
得られた炭素繊維を3質量%のシランカップリング剤(KR−513;信越化学工業株式会社製)を含むエタノール溶液中に浸漬させた後、110℃で15分間乾燥することにより、実施例3の炭素繊維を得た。
また、付着したスズおよびパラジウムの合計量を実施例1と同様に測定したところ、炭素繊維100質量部に対して0.3質量部であった。
Example 3
The carbon fibers from which the sizing agent was removed, electrolytically oxidized, and washed with water in the same manner as in Example 1 were added to a solution prepared by adding 100 ml of the sensitizing solution (sensitizer; manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) to 1 L of purified water. After immersing at ° C. for 3 minutes and rinsing thoroughly with water, 50 ml of the above-mentioned activating liquid (activator; manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) was immersed in 1 L of purified water at 30 ° C. for 1 minute. By rinsing thoroughly with water, Sn and Pd were attached to the surface of the carbon fibers.
Then, in a 0.5 M aqueous solution of NH 4 HCO 3 , the obtained carbon fibers were used as a cathode and energized to 100 coulombs / g (1 A, 10 seconds), and then the obtained carbon fibers were washed with water. As a result, Sn and Pd were immobilized on the surface of the carbon fiber.
Example 3 is obtained by immersing the obtained carbon fibers in an ethanol solution containing 3% by mass of a silane coupling agent (KR-513; manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) and then drying at 110 ° C. for 15 minutes. Carbon fiber was obtained.
Moreover, when the total amount of attached tin and palladium was measured in the same manner as in Example 1, it was 0.3 parts by mass with respect to 100 parts by mass of carbon fibers.
実施例4
実施例1と同様にしてサイジング剤の除去、電解酸化、および水洗した炭素繊維を、前記のキャタリスト液(キャタリストC−7;奥野製薬工業株式会社製)20mlと35%塩酸200mlとを精製水で1Lにした溶液に32℃で3分間浸漬した。得られた炭素繊維を水で十分すすぎ、炭素繊維表面にSnおよびPdを付着させた。
その後、窒素ガス雰囲気下、600℃で1分間加熱した後、冷却し、SnおよびPdを炭素繊維表面上に固定化した。
次いで、炭素繊維を10質量%のシランカップリング剤(KBM−5103;信越化学工業株式会社製)エタノール溶液に浸漬させた後、110℃で15分間乾燥することにより、実施例4の炭素繊維を得た。
Example 4
20 ml of the above-mentioned catalyst solution (Catalist C-7; manufactured by Okuno Pharmaceutical Industry Co., Ltd.) and 200 ml of 35% hydrochloric acid are purified from the carbon fibers obtained by removing the sizing agent, electrolytically oxidizing, and washing with water in the same manner as in Example 1. It was immersed in a solution made up of 1 L of water at 32 ° C. for 3 minutes. The obtained carbon fibers were thoroughly rinsed with water to allow Sn and Pd to adhere to the surface of the carbon fibers.
Then, it was heated at 600 ° C. for 1 minute in a nitrogen gas atmosphere and then cooled to immobilize Sn and Pd on the carbon fiber surface.
Next, the carbon fibers of Example 4 were obtained by immersing the carbon fibers in a 10% by mass silane coupling agent (KBM-5103; manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) ethanol solution and then drying at 110 ° C. for 15 minutes. Obtained.
比較例1
実施例1と同様にしてサイジング剤の除去、電解酸化、および水洗し、比較例1の炭素繊維を得た。
Comparative Example 1
The sizing agent was removed, electrolytically oxidized, and washed with water in the same manner as in Example 1 to obtain carbon fibers of Comparative Example 1.
比較例2
シランカップリング剤のエタノール溶液に浸漬させる操作を行わない以外は実施例3と同様の操作を行い、比較例2の炭素繊維を得た。
Comparative Example 2
The same operation as in Example 3 was carried out except that the operation of immersing the silane coupling agent in the ethanol solution was not carried out to obtain the carbon fibers of Comparative Example 2.
比較例3
実施例1と同様にしてサイジング剤の除去、電解酸化、および水洗し、得られた炭素繊維を3質量%のシランカップリング剤(KBM−503;信越化学工業株式会社製)エタノール溶液に浸漬させた後、110℃で15分間乾燥することにより、比較例3の炭素繊維を得た。
Comparative Example 3
The sizing agent was removed, electrolytically oxidized, and washed with water in the same manner as in Example 1, and the obtained carbon fibers were immersed in a 3% by mass silane coupling agent (KBM-503; manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) ethanol solution. Then, it was dried at 110 ° C. for 15 minutes to obtain carbon fibers of Comparative Example 3.
炭素繊維強化樹脂複合体における炭素繊維と樹脂との密着性評価
ビニルエステル樹脂(リポキシ(登録商標)R802;昭和電工株式会社製)100質量部、硬化剤として55質量%メチルエチルケトンパーオキサイト(MEKPO)1.0質量部、硬化促進剤としてコバルトN(昭和電工株式会社製)0.3質量部をガラス棒で混合し、樹脂組成物を得た。
得られた樹脂組成物1gを実施例および比較例で得た炭素繊維0.1gに含浸させ、余計な樹脂分を除き常温で1時間硬化後、130℃2時間後硬化させ、厚さ0.3mm、長さ100mm、幅10mm程度の炭素繊維強化樹脂複合体を得た。得られた炭素繊維強化樹脂複合体の炭素繊維量は約20質量%である。この樹脂複合体を折り曲げて破断させ、破断面をSEM観察した。
実施例1〜4および比較例1〜3の炭素繊維を用いた場合のSEMをそれぞれ図1〜7に示し、SEMでの炭素繊維と樹脂との密着性評価を表1に示す。表1中の評価において、〇は破断面で炭素繊維と樹脂が密着していることにより樹脂が炭素繊維表面で剥がれていない部分が観察できるもの、◎は前記剥がれていない部分が〇よりも相当に多いものを示し、×は樹脂のほとんどが炭素繊維表面で剥がれているものを示す。
Evaluation of Adhesion between Carbon Fiber and Resin in Carbon Fiber Reinforced Resin Composite 100 parts by mass of vinyl ester resin (Lipoxy (registered trademark) R802; manufactured by Showa Denko Co., Ltd.), 55 mass% methyl ethyl ketone peroxide (MEKPO) as a curing agent 1.0 part by mass and 0.3 part by mass of cobalt N (manufactured by Showa Denko Co., Ltd.) as a curing accelerator were mixed with a glass rod to obtain a resin composition.
1 g of the obtained resin composition was impregnated with 0.1 g of carbon fibers obtained in Examples and Comparative Examples, cured at room temperature for 1 hour, cured after 2 hours at 130 ° C. to remove excess resin, and the thickness was 0. A carbon fiber reinforced resin composite having a length of about 3 mm, a length of 100 mm, and a width of about 10 mm was obtained. The amount of carbon fiber in the obtained carbon fiber reinforced resin composite is about 20% by mass. This resin complex was bent and broken, and the fracture surface was observed by SEM.
The SEMs when the carbon fibers of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 are used are shown in FIGS. 1 to 7, respectively, and the evaluation of the adhesion between the carbon fibers and the resin by the SEM is shown in Table 1. In the evaluation in Table 1, ◯ indicates that the part where the resin is not peeled off on the surface of the carbon fiber can be observed because the carbon fiber and the resin are in close contact with each other in the fracture surface, and ◎ indicates that the part where the resin is not peeled off is equivalent to Indicates that most of the resin is peeled off on the surface of the carbon fiber.
マイクロドロップレット法による密着性試験
実施例及び比較例で得られた炭素繊維よりそれぞれ炭素単繊維1本を取り出し、SEM観察と同じ樹脂組成配合物を炭素単繊維表面に球状に付着させ、130℃で2時間硬化させてマイクロドロップレット試験片を作製した。樹脂付着単繊維をマイクロドロップレット測定装置にセットし、樹脂付着単繊維の樹脂部をブレードで挟み、0.06mm/minの速度で単繊維から付着樹脂を引き抜き、最大引抜荷重Fmaxを測定、下記式より界面強度τを算出した。
(式)τ=Fmax/(dπL)
Fmax:最大引抜荷重、d:炭素単繊維径、L:付着球状樹脂の引抜方向直径
測定はそれぞれ20回ずつ行い、その平均値を採用した。なお、試験片の樹脂の球径はできるだけ50μmに近いものを用いたが、20個の試験片の樹脂の球径の最小は20μm、最大は80μmであった。
Adhesion test by microdroplet method One carbon monofiber was taken out from each of the carbon fibers obtained in Examples and Comparative Examples, and the same resin composition formulation as in SEM observation was adhered to the surface of the carbon monofiber in a spherical shape at 130 ° C. A microdroplet test piece was prepared by curing for 2 hours. Set the resin-attached single fiber in the microdroplet measuring device, sandwich the resin part of the resin-attached single fiber with a blade, pull out the attached resin from the single fiber at a speed of 0.06 mm / min, and measure the maximum withdrawal load Fmax. The interfacial strength τ was calculated from the formula.
(Equation) τ = Fmax / (dπL)
Fmax: maximum drawing load, d: carbon single fiber diameter, L: diameter in drawing direction of the adhered spherical resin were measured 20 times each, and the average value was adopted. The resin sphere diameter of the test pieces was as close to 50 μm as possible, but the minimum resin sphere diameter of the 20 test pieces was 20 μm and the maximum was 80 μm.
Claims (17)
炭素繊維表面に付着したスズおよびパラジウムにシランカップリング剤を結合させる工程2
を含むことを特徴とする表面処理された炭素繊維の製造方法。 By contacting the carbon fibers with an aqueous solution containing Sn 2+ and then with an aqueous solution containing Pd 2+ , or by contacting the carbon fibers with a colloidal solution containing Sn 2+ and Pd 2+ , tin and tin and the surface of the carbon fibers can be contacted. Step 1 of adhering palladium and step 2 of bonding a silane coupling agent to tin and palladium adhering to the carbon fiber surface.
A method for producing surface-treated carbon fibers, which comprises.
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