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炭素繊維、および炭素繊維の製造方法 新技術説明会

国内特許コード P180014919
整理番号 GI-H29-47
掲載日 2018年4月27日
出願番号 特願2018-038091
公開番号 特開2019-151949
出願日 平成30年3月2日(2018.3.2)
公開日 令和元年9月12日(2019.9.12)
発明者
  • 武野 明義
  • 高橋 紳矢
  • 石田 大己
出願人
  • 国立大学法人東海国立大学機構
発明の名称 炭素繊維、および炭素繊維の製造方法 新技術説明会
発明の概要 【課題】本発明の課題は、炭素繊維の表面にマトリクス樹脂に対する接着性に優れた官能基を効率的に付与した炭素繊維を提供し、さらに、その製造方法について提案することである。
【解決手段】水中で炭素繊維を正極側として使用すると共に、マイクロバブルを炭素繊維の表面に作用させつつ電圧を印加することにより、表面がマトリクス樹脂との接着性に優れた炭素繊維の製造方法。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要

炭素繊維とマトリクス樹脂とから成る炭素繊維強化複合材(以下、単に「複合材料」ともいう)は、強度・弾性率に優れる上、軽量であるため、自動車部材、航空機部材、船舶部材およびスポーツ用品等の多くの分野で利用されている。複合材料で製造された製品の性能は、強度を発揮する炭素繊維とその周囲に配置されるマトリクス樹脂との接着状態によって大きく変動する。

製品の性能向上、特に強度の向上には、元来マトリクス樹脂に対する濡れ性が低い炭素繊維を、如何にして相溶性を高めることができるかに係っていると言っても過言ではない。

この濡れ性向上(炭素繊維とマトリクス樹脂との接着性向上といっても良い)のため、炭素繊維の表面処理として、酸化処理(電解酸化、薬液による酸化、空気酸化など)を施し、炭素繊維の表面にカルボキシル基や、水酸基といった酸素含有官能基の導入する方法がある。例えば、アルカリ性電解質溶液中で通電処理する方法(特許文献1)がある。但しこのような方法には、接着性の向上を目的として電解処理量を増やすと、炭素繊維表面により多くの酸素含有官能基を導入できるものの、過剰に酸化された脆い層が表面に生成し、却って接着性を低下させる、という課題があった。

そこで、アルカリ性水溶液中で電解処理した後に、酸性水溶液中で電解処理し、その際に特定の条件下で電解処理を行うと、前記の炭素繊維表面の脆弱化が押さえられるとの提案(特許文献2)がなされている。ただ、電解処理を何度も繰り返すなど改良の余地が残るものであった。

その他、酸素濃度21~25容量%の酸化性雰囲気にて、550~750℃で0.2~1.0分間加熱する気相酸化法(特許文献3)が提案されている。この方法によれば、オゾンやプラズマを使用する必要がないので、効率が良く工業的規模で行うことができるというものである。しかし、高温下での処理が必要なために、表面処理としてはエネルギー消費の大きなものとなろう。

また、大気圧下において、炭素繊維の表面にプラズマ化した反応性ガス(窒素及び酸素の混合ガス)を吹き付けてプラズマ処理する方法(特許文献4)もある。この方法によれば表面処理後の炭素繊維を洗浄する必要がなく、炭素繊維の形態が短繊維であっても連続的に処理を施すことが可能である。ただ、反応性ガスを吹き付けるに際して炭素繊維の配置等の状態によっては、表面全体を均一に処理することは困難となる場合がある。

産業上の利用分野

本発明は、近年、自動車用・航空機用への利用が注目され、従来からは釣り竿やゴルフクラブのシャフト等にも利用されてきた炭素繊維強化複合材料を得るための炭素繊維、および炭素繊維と樹脂との接着性向上のための表面改質を含む炭素繊維の製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
水中で炭素繊維を正極側として使用すると共に、マイクロバブルを炭素繊維の表面に作用させつつ電圧を印加することにより、表面がマトリクス樹脂との接着性に優れた炭素繊維の製造方法。

【請求項2】
前記マイクロバブルが、酸素、オゾン、窒素、アルゴン、空気またはこれらの混合ガスから選択されることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。

【請求項3】
前記水の電気伝導率が0.1mS/m(25℃)以下であり、電圧が、10~40Vの範囲で印加することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。

【請求項4】
前記請求項1乃至3のいずれかに記載の方法により製造された炭素繊維であって、
X線光電子分光分析法(XPS)で測定される表面における炭素原子数に対する酸素原子数の比(O/C)が、0.06~0.12の範囲である炭素繊維。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2018038091thum.jpg
出願権利状態 公開
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