JPS58132168A - 改良された炭素繊維束の表面電解処理法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は改良された炭素繊射：束の表ｉ’ｌ！電り′処
理法に係り、さらに詳しくは、該炭素繊維束。

特に単糸繊維本数の多い繊維束を多数本、−挙に表面電
解処理する場合に、繊維束を構成する単繊維個々の表面
電解処Ｐ１ｆか均一であり、その結果として炭素級、維
を補強紙紐とする複合材料の物性を安定、かつ一定する
炭素衿維東をＩｊ、える方法に関する。

再生セルロース、ポリアクリロニトリル、ピッチなどか
らなる繊維を醇化熱処理し、炭素化乃至黒鉛化すること
によって（４Ｊられる炭素繊維はその高強度、高弾性率
、特に比強１ｒｌ’　、比弾性率か大きいという力学的
特性に基づき、複合材料（コンポジット）の補強用厭紹
として極めて優れた性能を有する。この炭素絨紗を補強
用繊維とする複合材料は航空、宇宙用ｉ、（：或いは自
動車、船舶等の輸送槙わルにおける軽１・；化もしくは
燃費低減の要請から、それらの構造材料として広く、大
量に使用されようとしている。

しかしながら、炭素繊維の秀れた力学的性質を捨金材料
に十分灰吹させるためには複合材料の母材（マ）　ＩＪ
ラックスと炭素繊維とが十分に接着し一体化する必要が
あるが一般に炭素繊維は何らかの表面処理を行わないと
マトリックスに対する接着性が十分でなく、マドソック
スからの〃すぬけ〃が起り易く、複合材料としての曲げ
あるいは剪断強度が低くなり十分な補強効果を発揮しな
い。

そこで、従来から炭素繊維には酸化剤による湿式酸化処
理、ヒートクリーニング、気相酸化。

ウィスカライジングおよび電解処理などの各種の表面処
理が施されているが、これらの中でも電気分解により陽
極に酸素を生成する電解質溶液中で炭素繊維を陽極とし
て炭素繊維を電解酸化処理する方法がその簡便性、並び
に強度低下が少ないという利点から広く採用されている
。

しかるに、この炭素繊維の表面電解処理において単糸繊
維本数の多い炭素繊維束を複数本同時に電解処理すると
、炭素繊維束もしくは繊維へ 束を構成する単糸間における表面処理が不均一化し易く
、最終製品の複合材ｒ１の力学的性質に影響を及ぼすこ
とが判明した。すなわち、炭素繊維の表面電解処理にお
いては電、勉液中を陽極として走行する炭素繊維表面で
発生期の１１．・素が発生し、他方、電解液中の陰極で
は雪解質のイオン種によって異なるが各種の気体たとえ
ば水素や酸素、アンモニアなどが発生する。

この陰極ｉ発生する気体は炭素繊維表面の酸化に対して
は効果を示さないばかりでなく、電解液中で気泡となっ
て上昇し、炭素＃＆維衣表面吸着されるとこの気泡は電
気的に絶縁性であるためにこの気泡が付着した部分だけ
は電流が流れなくなり、炭素繊維表面の電解処理を不均
一化するのである。

このような１鴫極から発生する気体による表面電解処理
の不均一化を防止する方法として、特公昭５６−１’７
４６５号公報には、上記電解処理を分解電圧以下で行な
い、陰極から気体の発。

生そのものを防止する方法がト：】示されているが、こ
の方法は炭素繊維の表面電解が不十分となるだけでなく
、電解処理能力を低下させ工業的な方法ではない。さら
に、大垣の炭素繊維の表面′市解処理を行うためには、
単糸本数の多い炭素繊維束を複数本同時に電解処理する
ことが望まれるが、単糸本数の多い炭素繊維束を複数本
特に数十本の繊維束を一挙に電解処理するときは陰極か
ら発生する気体が該炭素繊維束の内外部に大量に付着し
、効率的電解酸化が著しく難しくなり処理能力は必ずし
も向上しないし、この付着した気泡を除去するために、
炭素繊維束を振動させたり、電解液を攪拌したりすると
電解処理時に炭素繊維束に毛羽が生じたり、単糸乱れが
大きくなり開繊性が損われている問題があることが判明
した。

本発明の目的の目的は上記欠点のない改良された炭素繊
維束の表面電解処理法、特に単糸本数の多い炭素繊維束
を多数本同時に電解処理し、かつ均一でトのない炭素繊
維束の電解処理法をによる悪影響がなく、大量の炭素繊
維を処理することができる電解処理法を提供するにある
。

このような本発門の目的は前記特許請求の範囲に記載し
た発明により達成することができる。

本発明の特徴は炭素繊維束を表面電解処理するに際して
、予しめ特定の前処理を該炭素繊維束に施こすことがあ
るが、この前処理剤としては電解質に対して化学的に安
定で混和性を有するもの、たとえば電解質含有水溶液、
界面活性剤含有水溶液などがあり、さらに具体的には電
解質としてｉ硫酸、硝酸、塩削などの無機塩類。

苛性アルカリ、アンモニアなどのアルカリ類。

アルカリ金属、アルカリ土金鵬、アンモニウム塩の０．
０１〜１モル％濃度水溶液、界面活性剤としてはノニオ
ン系活性剤たとえば、脂肪かり。

脂肪族アルコールのエチレンオキサイド付加物の０．１
〜５％水溶液が用いられる。またはこのような電解質、
界面活性剤を含有しない単なる水でもよい。これらの前
処理液の濃度は処理剤の種類によって異なるが濃度が余
りに大きすぎると電解質水溶液の汚染が早くなるので好
ましくない。

このような点から本発明の前処理剤としては電解質その
もの、特に電解液と同一成分、同一組成、のものが好ま
しい。また、この前処理浴の湿度も特に限定されないが
通常常温〜７０℃の範１７１（にするのかよい。

さらにこの前処理における炭素繊維束の浸漬時間は電解
浴中を走行する炭素繊維束の速度および浸ｌ＆長に関係
するが、炭素繊維束の走行速度が１〜２０ｍ／分であり
、浸漬長が約０．０５〜１ｍの場合、０２〜２０秒間の
範囲とするのがよい。もちろんこれらの走行速度、浸漬
長および浸漬時間は前処理剤の種類により前記範１ｊｌ
ｉ内で本発明の目的に応じて選択すべきである。

なお、［）【Ｉ処理浴の機械的攪拌は処理効果を大きく
するがこの場合に炭素繊維束を構成する単繊維が絡み合
い、１ｊｔｊＨＲ，性を悪化させるような強い機械的Ｙ
、を拌は避けるのがよい。

この前処理浴において炭素繊維束に電流を通しることに
より炭素繊維束にａまれる気泡をより効果的に除去する
ことができる。もちろん、この前処刑が第１段電解処理
となるようにしてもよいが、必ずしも表向電解処理効呆
を奏さない軽度の電流を流しても効果がある。

また処理されるべき炭素繊維束としては単繊維本数が少
くとも５００本、好ましくは１０００〜２００．　ＯＯ
０本の範囲内であって、このような炭素繊維束を少くと
も１０−１０００本同時に電解処理する際に本発明方法
は格段の効果を奏する。すなわち、単糸本数が５００本
より少ない繊維束では炭素繊維束中に含まれ゛る空気な
どのガスが少なく電解液の浸漬長をコントロールするこ
とにより十分除去可能であり格別効果上の差はないが処
理址が小さくメリットは小さい。他方繊維束本数が前記
Ｋｉ　ｖｌｔ外になると前＆＋、１埋効果が低下したり
、電解液中の繊維束の走行安定性の確保か難しくなった
り或いは前処理時間を大きくしないと効果が十分発揮せ
ず、処理速度が低下するなどの問題がある。

次に、このような前処理を施した炭素Ｉｔ　ａ束は、；
な前処理液か炭素繊糸）・束に付着し、ｔｌｌ’ｌ成炭
素級維表面を湿潤させている状態で電解液中に導入して
表面′市肪処理する、すなわち、前処理と表向電解処理
とは連続化されている必要がある。

特に前処理された炭素繊維束はＭｆＪ処理液のピック・
アップＢ（が繊維束重り；当り少なくとも２０％、好ま
しくは３０〜３００％である間に′ｆ４（解処１（１・
洛中に尋人するのかよく、このピック・アップ扇が２０
％以下になると前処理後電解浴中に６人されるまでに炭
素繊維束か空気を持ち込み易く、電解処理の不均一化を
もたらした、電Ｉｎ　４処理時間を長くする必要が生じ
たりするので好ましくない。

前記前処理された炭素オ、：賢糾束の電解処理法として
＆１公知の方法を採用することができるか、好ましくは
ａｉｐイ処ｐＨｊされる袂数本の炭素繊維束の金山（Ｗ
）を市九゛槽底部に設けられた陰極板のｒｌ（ＷＯ）よ
りも小さくＬ（ｗ＜ｗｏ）、該陰極板の長さくＬＯ）に
対する炭素ｌＩｋ糾束の浸漬長（Ｌ）の比（Ｌ／ＬＯ）
をｌ〜２とし、かつ電解液中における炭素緯」（１゛束
と陰極板との相対間隔を５〜３０（１の範囲内に設定し
て電解処理するのがよい。

すなわち、本発明のように単繊紹°本ｐ、の多い初数本
の炭素組糸１軛束を電解処Ｐ；！する際に訃、炭素繊維
束の全中（Ｖ／）が陰極板のＩｌｌ　（Ｗｏ　）よりも
小さくする繊維束相互間の表面処理効果が不、）４５．
−になり易い。したがって蝮数本の炭素繊維束の全ｒｊ
Ｊ（Ｖ／）は陰極板の１７　（Ｗ　ｏ　）よりも小さく
、好ましくはＷ　＝　　Ｗ　＋　０．　５　　ａｎ 以内にするのかよ−い。

また、炭素繊糸１：１束の浸漬長（Ｌ）は陰極板のトを
さくＬＯ）に対して１乃至２倍以内にしないと雷ｌｌν
１港中を走行する炭素Ｘム（細束の撮画により炭素繊維
束と陰極板との相対間隔が変動し、その結果と［７て炭
素繊維束あるいは繊し束を構成する単繊維相互間に流れ
る電解電流を変動さセる原因となり易くなるので榛好ま
しくない。

このようなＦｆ点からすると、炭素ＩＰ、維束と陰＄１
＋ｉ板との相対間隔は柚・めで重要であり、この相対間
隔が５ｃｍよりも小さくなると走行する炭素繊剤束の４
Ｊ＋ｉ４動が該炭素糾：維束に流れる電流を変動させ不
均一電解処理の原因になるし、他方３０国を越えると電
流の分布は均一になるが繊細２束と陰和・・板との間に
おける電圧降下が大きくなり、たとえば電Ｙ（−降下が
５０Ｖ以上にもなることがあり、１１鳳≦′市などのト
ラブルを生じるので好ましくないのである。

以下、本発明を図面にもとづきさらに具体的に、１・τ
１明する。

第１図は本５【′＝明に用いる前ｙｌ：、　Ｂｈ工程を
電Ｍ処理稀に連結した％　Ｍ’処理槽の１も１」を示す
模式新曲ド１であり、図においては、（１）は炭素１＆
　Ｈｔ束。

（ン）は［）す処理槽Ａ１．陽極槽、（３）は電解液槽
、（４）は貯＋１１１す、（５）はポンプ、（６）は陽
極電流入力端子、（７）は貯槽　、（８）はポンプ、（
９）は電源、Ｏｏ）は陰極板を示す。

図において、炭素繊維束（１）はポンプ（５）によって
ｆ１ｒＪ処理剤の貯槽（４）と＋’＋’ｒｉ処Ｐ１′槽
（２）との］１１］を１″ＩｉＨ処理剤が循環せしめら
れている前処１’ｊｌ槽（２）に浸漬される。前処”ｌ
Ｌ槽（２）の前処理ｉイ（はオーバー７０−してもよく
、このＮＨ，合オーバーフローシタ前処理液は貯槽（４
）に集められ、ポンプ（５）で循環される。また、ポン
プ（５）から供給される前処理液は炭素繊維束（１）に
前処理液を直拉接Ｆ（−ｊ：せしめ、糾、維束中の気体
ト去を強化することかできる。

次に、この前処理槽（２）を出た炭素繊維束（１）は矢
印方向に走行して、湿潤したまま爾１引槽（３）に導入
され電解処理を受ける。この電解槽（３）には重色１液
の貯槽（７）からポンプ（８）によって電Ｉｆ　ｌａが
電解槽（３）及び陽極電流入力端子に供給され、供給さ
れた電解ａ化に槽（３）及び（６）内てオーバーフロー
して糟の両端部からパイプをｊｌｌ、じて貯槽（７）内
にや６Ｎされる。また、陽極’ｉＪＬがｒ入力端子（６
）と同極板（ｌＯ）は電源（９）で結ばれ、陽極電流入
力端子を非直接的に走行した炭素繊糸、・。束（１）が
陽極になるの金１１Ｊ　（Ｗ）　、と陰極板の巾（ＷＯ
）、炭素わし細束の浸ＩＬＴ長（Ｌ）、陰極板の長さく
Ｌｏ）、炭素繊維束と陰極力、４７ｉ子、（３）は電解
槽、（９）は電源、００）は陰極仏を　′示す〇 万端Ｆ（２）を電１１１１ｉ　（９）により′心気的に
接続した？Ｉ１１解装置に導かれ、該Ｗｉ触’　ｆ＊　
（３）内に満たされた重色・故にｒＪｌｌ“ｔされ電解
液中では陽極として走行する。

この場合、炭素ｐｌＡ’ｔ　Ｋ・ｉ：束（１）のｒｌ　
（ｗ）は陰極板（１０）　（７，１ｒｌＪ（Ｗｏ）より
も小さく、重色″、液中を走行する炭素緘長甜訂醒極板
（１ｏ）の 細巾（１）の長さくＬｏ）に対して１〜２倍の長さに設
へ ′ｌｉ！され、かつ’？Ｉｔ　１１；ど液中における陰
極板（１ｏ）と炭素ｉｊＱ　ｔ：、イｊＨｌ、ｉ　（１
）との相対間隔（Ｄ）　ハ５〜３０　ｃｍ　（７）ｉｉ
ｊ　９１１　内る。すなわち、２個の電解槽を直列に配
置’にシ、全体の電解々ハ１理の２０％を越えないざ・
・１し１（内て予備的に電解させる方法である。

本う６明によれば炭素繊細束の１、而’ｒ＋；　ｖＩ（
処理に際して次のよう４「効果か得られる。

（１）　　前処理によって炭素紙組型を＋、’、成する
単繊維相互間の空気か除去され、しかも炭素繊維そのも
のの表面が０１１処理液によって十分に湿潤されている
のでクイ解処理時に炭素ｆｌｕ　）！！束全全体均一に
電解液を１と触し、結末としてむらのない均一な表面電
解処理することかできる。

（２）　　特に炭素都２維束を構成する単繊維本夛・が
多く、炭素繊維束そのものの本数を多くして大量の炭素
繊維を表面電解処理するときに、上記炭素紛糾８束に含
有される気体の悲影響は急激に増大するか、本発明によ
れは甲わし、維本数東 を５００本以上、かつこのような炭素繊維を１０本以上
同時に表面電解処理するこ・とが可能となり、工業的意
２、は極めて大きい。

（３）　　本発明により、表向電解々ルＦ’ｌされた炭
素糾紐束はその表面処理が均一化されているために、サ
イジング剤およびマトリックス樹脂の付着ムラが少なく
、品質の安定した高性能後合拐料とすることができる。

実施例 ポリアクリロニトリルより成るマルチフィラメント（単
糸デニール１ｄ６ｏｏｏｆ１１）を常法により焼成して
得られた炭素繊維束を５０本並べて走行させ同時に電解
表面処理を行った。電解槽としては第２図に模式的に示
したような装置を用いた。各部の代表寸法は、Ｌ＝　ｌ
　ｍ　、　Ｌｏ＝　Ｏ，’７　ｍ　。

］）＝　２０　ｃｌｌ、ｌ１ｌｌｌｏ＝　５２　ｃｍと
した。なおＷは繊維束を平均１１の間隔で平行に並べた
ので、平均的には４９ａＩ＋となるが、８ｍ／分の速度
で走行させ観察測定したところ、繊維束の幅は４７〜５
０ｇ、の間で変Ｑｇｌ　Ｌでいることがゎがった。従っ
て上記Ｗ　ｏ　＝　５２１であれば繊維束は陰極板の端
よりはみ出ることはない。

更に前記槽の前に前処理槽を設けた。該前処理槽軛も第
１図■に示したようなオーバーフロ一方式であり、浸漬
長は２５ａ１１とした。即ち浸漬時間は約２秒である。

前処理槽及び電解槽にはそれぞれ０．０５規定の硫酸水
溶液を用い電流０．８　Ａ　／本の直流電流を炭素繊維
束が陽極となるように通じて電解表面処理を行った。

得られた５０本の炭素繊維束をそれぞれエポキシ樹脂（
シェル製エピコー）８２８　）を用いて繊維体積含有率
６０％となるようにして複合材試験片を常法により作製
し、層間剪断強度を測定した０上記５０本の繊維束の平
均値はａ、　３　ｋｇ　／ｍ″であったが、個々の層間
剪断強度の変動を確認したところ’７．５　ｋｇ　／　
、’から８．　’７　ｋｇ　／□翼の間で変動している
ことが確認され、全変動幅は１．２　ｋｇ　／　ｗ”で
あった。

一方、前処理槽を用いずに同様の処ｐｐを行い、上記に
準じて５０本の炭素繊維束を１・苔取し、評価したとこ
ろ平均値はＢ−２ｋｇ　／　１１１１”とほぼ同じ値を
示したが、変動幅が２．５　ｋｇ　／♂と約２倍に大き
くなっており、本発明の方法により品質の均一性が向上
していることが確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる炭素繊維束の前処理槽を連結し
た電解処理槽の１例を示す模式断面図、第２図および第
３図は本発明の電解処理における炭素＃＆維紐束全型（
旬、陰極板の巾、炭素繊維束の浸漬長（Ｌ）、陰極板の
長さくｒ、ｏ）、該繊維束と陰極板との相対間隔（Ｄ）
などの位置関係を示す松式断面図である。 特許出ル「１人　東し株式会社 鍔Ｉ　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　炭素紙約：束を表面電解処理して、その表面
   を改？ｆするに除して、電解液に対して混和性であり、
   かつ化学的に反応性を有しない液体を用いて、該炭素繊
   維束を予備的に処理した後、該炭素繊維束を前記液体で
   湿潤させたまま、′「Ｕ解液中に導入し電解処理するこ
   とを特徴とする改良された炭素ｋｋ維束の表面電解処理
   法。
2. （２）′Ｐ、′ｒ許小゛ノ求の釘イ、囲第１項において
   、電解浴中における炭素繊維束の全中（ｌ＃）か陰極板
   の巾（Ｗｏ）よりも小さく、該繊維束の浸漬長（Ｌ）と
   陰極板の長さくり、）との比（Ｌ／Ｌｏ）が１〜２であ
   り、かつ詠繊糺束と陰極板との相対間隔ＣＤ）が５〜３
   ０ｆｍである改良された炭素繊維束の表向電解如月・法
   。