碳纤维束及其制造方法技术

本发明专利技术的目的在于提供可得到拉伸强度高的碳纤维复合材料的碳纤维束及其制造方法。为了实现上述目的，本发明专利技术的碳纤维束具有以下的结构。即，碳纤维束，其线束弹性模量为265～300GPa，线束强度为6.0GPa以上，结节强度为820N/mm

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】碳纤维束及其制造方法
本专利技术涉及碳纤维束及其制造方法。
技术介绍
作为复合材料用的增强纤维，碳纤维的用途已扩展到各个方面，制成复合材料时，强烈要求呈现出高的拉伸强度。通常而言，为了在制成复合材料时呈现出优异的拉伸强度，碳纤维束的线束强度·线束弹性模量高是重要的，主要生产的是长丝数少于30000根的碳纤维束。对于碳纤维这样的脆性材料而言，根据格里菲斯公式，通过减小碳纤维的缺陷尺寸或者提高碳纤维的断裂韧性值，能够提高碳纤维束的线束强度。特别地，碳纤维的断裂韧性值的改善在能够以不依赖碳纤维的缺陷尺寸的状态的方式提高碳纤维束的线束强度方面是有效的(专利文献1)。此外，碳纤维的断裂韧性值的改善在能够有效地提高使用其而得到的碳纤维复合材料的拉伸强度、减少使复合材料的拉伸强度降低的绒毛方面也是有效的。迄今为止，作为使碳纤维束的线束强度和线束弹性模量提高的方法，提出了：通过在耐燃化工序中使用温度不同的多个炉，从而使耐燃化温度高温化的方法；在由多个炉构成的耐燃化炉中，使从各炉通过的碳纤维前体纤维根据其密度而伸长的方法(专利文献2～5)。另外，提出了进行温度控制的方法，该温度控制中，将耐燃化工序的温度控制区域数设为2～3并赋予区域间的温度差(专利文献6)。另外，提出了生产率优异且长丝数多的碳纤维束(专利文献7～9)。此外，提出了结节强度高的碳纤维束，其反映出纤维轴向以外的机械性能，并在伪各向同性材料中呈现出充分的机械性能(专利文献10、11)。现有技术文献专利文献专利文献1：国际公开第97/45576号专利文献2：日本特开昭58-163729号公报专利文献3：日本特开平6-294020号公报专利文献4：日本特开昭62-257422号公报专利文献5：日本特开2013-23778号公报专利文献6：日本特开2012-82541号公报专利文献7：日本特开2005-113296号公报专利文献8：日本特开2005-60871号公报专利文献9：日本特开2012-154000号公报专利文献10：日本特开2015-96664号公报专利文献11：国际公开第2013/522035号公报
技术实现思路
专利技术要解决的课题提高碳纤维的断裂韧性值是重要的，为了提高断裂韧性值，本质上控制碳纤维的微细结构是重要的。专利文献1的提案仅旨在控制硅氧烷油剂、单纤维纤度及内外结构差，通过碳纤维的表面缺陷控制或微细结构分布控制来实现物性改善，并非旨在实现微细结构本身的改善。专利文献2的提案是将耐燃化工序的温度控制区域数设为2～3，并想要在各区域中尽可能地于高温进行处理，但其处理时间需要44～60分钟的时间，无法实现碳纤维的微细结构区域的控制。专利文献3的提案是将耐燃化工序的温度控制区域数设为2～3，并延长在高温区域的热处理时间，由此进行短时间的耐燃化，因此高温时的耐燃化时间长，无法进行耐燃化初期的纤维的结构控制，是不充分的。专利文献4的提案需要3～6个炉以在耐燃化炉中将伸长程度设定为多段或缩短耐燃化时间，但无法实现能够令人满意的碳纤维的微细结构控制。专利文献5的提案是在耐燃化工序中途的纤维比重为1.27以上之后于280～400℃进行热处理10～120秒，但仅仅将最终阶段高温化无法实现能够令人满意的碳纤维的微细结构控制。专利文献6的提案是将第1耐燃化炉后的耐燃丝比重控制在1.27以上，无法实现能够令人满意的微细结构控制。专利文献7的提案是从孔数多的喷嘴进行湿式纺丝，控制制丝工序的拉伸比率，但线束强度的水平低，无法得到呈现优异的拉伸强度的复合材料。专利文献8的提案是将长丝数多的碳纤维前体纤维束效率良好地进行耐燃化的方法，但线束强度的水平低，无法得到呈现优异的拉伸强度的复合材料。专利文献9的提案中，虽然长丝数多，但退绕时的丝宽度稳定，因此适合用于长丝缠绕成型，但未进行如控制碳纤维束的断裂韧性值这样的微细结构控制，也未提及结节强度、其变异系数。专利文献10的提案中记述了通过主要调节碳纤维束的表面处理、上浆剂来提高结节强度，但未提及碳纤维束的长丝数，在实施例中也仅为24000根。当为了提高碳纤维束的均匀性而增加碳纤维束的长丝数时，结节强度会降低，因此无法兼顾碳纤维束的长丝数和结节强度。专利文献11的提案中记述了通过主要调节耐燃化条件，从而即使长丝数多、纤维直径大，结节强度也高，但是实施例的结节强度为510N/mm2以下，并不充分。为了解决上述课题，本专利技术的目的在于提供能够得到拉伸强度高的碳纤维复合材料的碳纤维束及其制造方法。用于解决课题的手段本申请专利技术人发现通过使长丝数增加并大幅提高生产效率、并且使热处理均匀化、提高单纤维的断裂韧性值，从而将线束强度提高至以往的碳纤维束无法达到的水准，并且得到品质优异的碳纤维束的方法，从而完成了本专利技术。为实现上述目的，本专利技术的碳纤维束具有以下特征。即，碳纤维束，其线束弹性模量为265～300GPa，线束强度为6.0GPa以上，结节强度为820N/mm2以上，并且长丝数为30000根以上。另外，作为本专利技术的优选方式，可举出：结节强度为900N/mm2以上；以结节强度的标准偏差与平均值之比表示的变异系数为6％以下、更优选为5％以下；d/W与线束弹性模量E之积E×d/W为13.0GPa以上，E×d/W的威布尔图中的威布尔形状系数m为12以上，所述d/W为单纤维直径d与利用单纤维线圈法评价的即将断裂前的线圈宽度W之比；平均可撕裂距离为600～900mm。所述碳纤维束通过下述碳纤维束的制造方法可合适地得到，所述制造方法具有下述工序：第1耐燃化工序，其中，对长丝数为30000根以上、平均可撕裂距离为400～800mm的聚丙烯腈系碳纤维前体纤维束进行耐燃化8～25分钟，直至红外光谱中的1453cm-1的峰强度相对于1370cm-1的峰强度之比落入0.98～1.10的范围内；第2耐燃化工序，其中，对在第1耐燃化工序中得到的纤维束进行耐燃化20～35分钟，直至红外光谱中的1453cm-1的峰强度相对于1370cm-1的峰强度之比落入0.60～0.65的范围内、并且红外光谱中的1254cm-1的峰强度相对于1370cm-1的峰强度之比落入0.50～0.65的范围内；预碳化工序，其中，在最高温度为500～1000℃的非活性气氛中，将拉伸倍率设为1.00～1.10而对在第2耐燃化工序中得到的纤维束进行预碳化；及碳化工序，其中，在最高温度为1000～2000℃的非活性气氛中，对该预碳化工序中得到的纤维束进行碳化。专利技术的效果本专利技术的碳纤维束为能够得到即使使用长丝数多的碳纤维束也呈现出优异拉伸强度的高性能碳纤维增强复合材料的碳纤维束。另外，根据本专利技术的碳纤维束的制造方法，可得到本专利技术的碳纤维束。附图说明[图1]为示出平均可撕裂距离的测定方法的图。具体实施方式对于本专利技术的碳纤维束而言，线束弹性模量为265～300GPa，线束强度为6.0GPa以上，结节强度为820N/mm2以上，并且长丝数为30000根以上。本专利技术的碳纤维束的长丝数为30000根以上。上述长丝数优选为35000根以上。通过长丝缠绕来制造复合材料时，生产率取决于纤维束的行进速度和长丝数，因此通过增多长丝数而能够效率良好地制造复合材料。若长丝数为30000根以上，则从生产率的观点考虑能够令人满意。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.碳纤维束，其线束弹性模量为265～300GPa，线束强度为6.0GPa以上，结节强度为820N/mm2以上，并且长丝数为30000根以上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.24 JP 2016-1029811.碳纤维束，其线束弹性模量为265～300GPa，线束强度为6.0GPa以上，结节强度为820N/mm2以上，并且长丝数为30000根以上。2.如权利要求1所述的碳纤维束，其中，结节强度为900N/mm2以上。3.如权利要求1或2所述的碳纤维束，其中，以结节强度的标准偏差与平均值之比表示的变异系数为6％以下。4.如权利要求1或2所述的碳纤维束，其中，以结节强度的标准偏差与平均值之比表示的变异系数为5％以下。5.如权利要求1～4中任一项所述的碳纤维束，其中，d/W与线束弹性模量E之积E×d/W为13.0GPa以上，E×d/W的威布尔图中的威布尔形状系数m为12以上，所述d/W为单纤维直径d与利用单纤维线圈法评价的即将断裂前的线圈宽度W之比。6.如权利要求1～5中任一项所述的碳纤维束，其中，平均可撕裂距离为600～900mm。7.碳纤维束的制造方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：松本直浩，山下乔昭，田中文彦，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP