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JP2020190040A - Surface treatment method for carbonized fiber, method for producing carbon fiber, and surface treatment device - Google Patents

Surface treatment method for carbonized fiber, method for producing carbon fiber, and surface treatment device Download PDF

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JP2020190040A JP2019094013A JP2019094013A JP2020190040A JP 2020190040 A JP2020190040 A JP 2020190040A JP 2019094013 A JP2019094013 A JP 2019094013A JP 2019094013 A JP2019094013 A JP 2019094013A JP 2020190040 A JP2020190040 A JP 2020190040A
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Abstract

To provide a surface treatment method for carbonized fiber having an increased treatment capability.SOLUTION: A surface treatment method for carbonized fiber has an irradiation step for irradiating carbonized fiber 1d with atmospheric pressure plasma, and a contact step for bringing the carbonized fiber into contact with ozone gas, which is a by-product of the atmospheric pressure plasma.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、炭素化された繊維の表面の濡れ性を改善するための表面処理に関する。 The present invention relates to a surface treatment for improving the wettability of the surface of carbonized fibers.

表面処理として、例えば、気相酸化処理、液相酸化処理、電解酸化処理などがあり、気相酸化処理の一方法として種々のガスをプラズマ化して表面処理する方法が提案されている(例えば、特許文献1,2)。 As the surface treatment, for example, there are gas phase oxidation treatment, liquid phase oxidation treatment, electrolytic oxidation treatment and the like, and as one method of the gas phase oxidation treatment, a method of converting various gases into plasma and surface treatment has been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2).

特開2016−078258号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-07828 特開2018−115395号公報JP-A-2018-115395

上記の特許文献の技術により炭素化された繊維の表面は改善されるが、より高い処理能力の表面処理方法が望まれている。 Although the surface of carbonized fibers is improved by the techniques of the above patent documents, a surface treatment method having a higher treatment capacity is desired.

本発明は、上記した課題に鑑み、高い処理能力の表面処理方法及び炭素繊維の製造方法並びに表面処理装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a surface treatment method having a high processing capacity, a method for producing carbon fibers, and a surface treatment apparatus.

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る炭素化された繊維の表面処理方法は、炭素化された繊維にプラズマを照射する照射工程と、前記プラズマで副生するオゾンガスを接触させる接触工程とを含む。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る炭素繊維の製造方法は、耐炎化繊維を炭素化してなる炭素繊維の製造方法において、前記耐炎化繊維を炭素化する炭素化工程と、炭素化された繊維の表面を改質する表面処理工程とを含み、前記表面処理工程では、上記の表面処理方法により前記表面の改質を行う。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る炭素化された繊維の表面処理装置は、走行する炭素化された繊維の表面を改質する表面処理装置において、前記炭素化された繊維の走行方向に延伸する筒状の筒部と、前記筒部の長手方向の中間部分に設けられ且つプラズマを照射する照射部とを有し、前記筒部内では、前記照射部で照射するプラズマで副生するオゾンガスが走行中の前記炭素化された繊維と接触する。
In order to achieve the above object, the surface treatment method for carbonized fibers according to one aspect of the present invention is to bring the carbonized fibers into contact with an irradiation step of irradiating the carbonized fibers with plasma and ozone gas produced as a by-product of the plasma. Includes contact steps.
In order to achieve the above object, the method for producing carbon fiber according to one aspect of the present invention includes a carbonization step for carbonizing the flame-resistant fiber and a carbonization step for carbonizing the flame-resistant fiber in the method for producing carbon fiber obtained by carbonizing the flame-resistant fiber. The surface treatment step includes a surface treatment step of modifying the surface of the carbonized fiber, and in the surface treatment step, the surface is modified by the above surface treatment method.
In order to achieve the above object, the carbonized fiber surface treatment device according to one aspect of the present invention is a surface treatment device for modifying the surface of a running carbonized fiber, wherein the carbonized fiber is used. It has a tubular tubular portion extending in the traveling direction of the above, and an irradiation portion provided in an intermediate portion in the longitudinal direction of the tubular portion and irradiating plasma. In the tubular portion, the plasma irradiated by the irradiation portion is used. By-product ozone gas comes into contact with the carbonized fibers in motion.

本発明の一態様に係る表面処理方法、製造方法及び表面処理装置は、表面処理能力を相対的に向上させることができる。 The surface treatment method, the manufacturing method, and the surface treatment apparatus according to one aspect of the present invention can relatively improve the surface treatment capacity.

炭素繊維の製造工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the manufacturing process of carbon fiber. 表面処理装置の概略図である。It is the schematic of the surface treatment apparatus. オゾンガス濃度と繊維の表面酸素濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the ozone gas concentration and the surface oxygen concentration of a fiber.

<<概要>>
本発明の一態様に係る炭素化された繊維の表面処理方法は、炭素化された繊維にプラズマを照射する照射工程と、前記プラズマで副生するオゾンガスを接触させる接触工程とを含む。
なお、プラズマ照射とオゾンガスの組み合わせは、大気圧プラズマの場合、下記の文献1、文献2中に記載の反応のように、プラズマの原料ガス中のラジカル化していない酸素、或いは大気中の酸素に対して酸素ラジカルが接触することでオゾンを発生させる場合があるが、表面改質に寄与させたいラジカルがオゾンにより消費され酸素へと変換されたり、酸素へと変換される際に生じる酸素ラジカルがプラズマ中の電子のエネルギを奪うことが知られており、副生したオゾンを含むガスは速やかに系外へ排出されるのが一般的である。
文献1:神原信志著、「大気圧プラズマ反応工学ハンドブック」、株式会社エヌ・ティー・エス、2013年7月1日発行
文献2:杉光英俊著、「オゾンの基礎と応用」、株式会社光琳、1996年2月発行
<< Overview >>
The method for surface-treating carbonized fibers according to one aspect of the present invention includes an irradiation step of irradiating the carbonized fibers with plasma and a contact step of contacting the ozone gas produced as a by-product of the plasma.
In the case of atmospheric pressure plasma, the combination of plasma irradiation and ozone gas can be applied to non-radical oxygen in the raw material gas of plasma or oxygen in the atmosphere as in the reactions described in Documents 1 and 2 below. On the other hand, ozone may be generated by contact with oxygen radicals, but the oxygen radicals generated when the radicals that want to contribute to surface modification are consumed by ozone and converted to oxygen or converted to oxygen are generated. It is known to deprive the energy of electrons in the plasma, and it is common that the gas containing ozone produced as a by-product is rapidly discharged to the outside of the system.
Reference 1: Nobushi Kanbara, "Handbook of Atmospheric Pressure Plasma Reaction Engineering", NTS Co., Ltd., published on July 1, 2013 Reference 2: Hidetoshi Sugimitsu, "Basics and Applications of Ozone", Co., Ltd. Korin, published in February 1996

本発明の一態様に係る炭素化された繊維の表面処理方法は、炭素化された繊維にプラズマを照射する照射工程と、前記プラズマで副生するオゾンガスを接触させる接触工程とを含む。
本発明の別態様に係る炭素化された繊維の表面処理方法において、前記炭素化された繊維の表面処理は表面処理装置内を前記炭素化された繊維が走行することで行われ、前記接触工程は、前記プラズマを照射する位置に対して前記炭素化された繊維の走行方向の上流側と下流側とで行われ、炭素繊維質量あたりのオゾンガス曝露時間が15〜1,000,000sec/gである。これにより、表面処理能力を相対的に効率よく向上させることができる。
本発明の別態様に係る炭素化された繊維の表面処理方法において、前記表面処理装置は、前記炭素化された繊維の走行方向に延伸する筒状の筒部と、前記筒部の長手方向の中間部分に設けられ且つ前記プラズマを照射する照射部とを有し、前記炭素化された繊維は前筒部内を走行し、前記筒部における前記照射部の上流側の入り口での前記オゾンガス濃度が20〜200ppmである。これにより、照射されたプラズマを有効に利用でき、オゾンガス発生装置を新たに追加することなく実施できる。
本発明の別態様に係る炭素化された繊維の表面処理方法において、前記筒部を同時に通過するすべての炭素化された繊維の合計の横断面積に対して、前記筒部の横断面積が5〜4×10倍の内部空間を有する。これにより、多くの種類の炭素化された繊維の表面処理に適用できる。
The method for surface-treating carbonized fibers according to one aspect of the present invention includes an irradiation step of irradiating the carbonized fibers with plasma and a contact step of contacting the ozone gas produced as a by-product of the plasma.
In the method for surface-treating carbonized fibers according to another aspect of the present invention, the surface treatment of the carbonized fibers is performed by running the carbonized fibers in the surface treatment apparatus, and the contact step. Is performed on the upstream side and the downstream side in the traveling direction of the carbonized fiber with respect to the position where the plasma is irradiated, and the ozone gas exposure time per carbon fiber mass is 15 to 1,000,000 sec / g. is there. As a result, the surface treatment capacity can be improved relatively efficiently.
In the method for surface-treating carbonized fibers according to another aspect of the present invention, the surface treatment apparatus includes a tubular tubular portion extending in the traveling direction of the carbonized fibers and a longitudinal direction of the tubular portion. The carbonized fiber has an irradiation portion provided in the intermediate portion and irradiates the plasma, and the carbonized fiber runs in the front cylinder portion, and the ozone gas concentration at the upstream entrance of the irradiation portion in the cylinder portion is increased. It is 20 to 200 ppm. As a result, the irradiated plasma can be effectively used, and it can be carried out without adding a new ozone gas generator.
In the method for surface-treating carbonized fibers according to another aspect of the present invention, the cross-sectional area of the tubular portion is 5 to 5 with respect to the total cross-sectional area of all carbonized fibers passing through the tubular portion at the same time. It has 4 × 10 4 times the internal space. This makes it applicable to the surface treatment of many types of carbonized fibers.

本発明の一態様に係る炭素繊維の製造方法は、耐炎化繊維を炭素化してなる炭素繊維の製造方法において、前記耐炎化繊維を炭素化する炭素化工程と、炭素化された繊維の表面を改質する表面処理工程とを含み、前記表面処理工程では、上記の表面処理方法により前記表面の改質を行う。これにより、相対的に表面処理能力が向上し、効率よく炭素繊維を製造できる。 The method for producing carbon fiber according to one aspect of the present invention is a method for producing carbon fiber obtained by carbonizing flame-resistant fiber, wherein the carbonization step of carbonizing the flame-resistant fiber and the surface of the carbonized fiber are used. The surface treatment step includes the surface treatment step of modifying the surface, and the surface is modified by the above surface treatment method. As a result, the surface treatment capacity is relatively improved, and carbon fibers can be efficiently produced.

本発明の一態様に係る表面処理装置は、走行する炭素化された繊維の表面を改質する表面処理装置において、前記炭素化された繊維の走行方向に延伸する筒状の筒部と、前記筒部の長手方向の中間部分に設けられ且つプラズマを照射する照射部とを有し、前記筒部内では、前記照射部で照射するプラズマで副生するオゾンガスが走行中の前記炭素化された繊維と接触する。これにより、相対的に表面処理能力が向上した表面処理装置が得られる。
本発明の別態様に係る表面処理装置は、前記筒部の横断面形状が円形状又は矩形状である。これにより、簡単な構造で処理能力を向上させることができる。
本発明の別態様に係る表面処理装置は、前記筒部を通過するすべての炭素化された繊維の合計の横断面積に対して、前記筒部の横断面積が5〜4×10倍の内部空間を有する。これにより、多くの種類の炭素化された繊維の表面処理に使用できる。
本発明の別態様に係る表面処理装置は、前記照射部においてプラズマを照射するための照射口がスリット、円又は楕円、多角形のうちから選ばれる形状である。これにより、簡単な構造で処理能力を高めることができる。
The surface treatment device according to one aspect of the present invention is a surface treatment device that modifies the surface of a running carbonized fiber, wherein the surface treatment device extends in the running direction of the carbonized fiber and the tubular portion. The carbonized fiber provided in the middle portion in the longitudinal direction of the tubular portion and having an irradiation portion for irradiating plasma, and in the tubular portion, ozone gas produced as a by-product of the plasma irradiated by the irradiation portion is running. Contact with. As a result, a surface treatment apparatus having a relatively improved surface treatment capacity can be obtained.
In the surface treatment apparatus according to another aspect of the present invention, the cross-sectional shape of the tubular portion is circular or rectangular. As a result, the processing capacity can be improved with a simple structure.
In the surface treatment apparatus according to another aspect of the present invention, the cross-sectional area of the tubular portion is 5 to 4 × 10 4 times the total cross-sectional area of all carbonized fibers passing through the tubular portion. Has space. This allows it to be used for surface treatment of many types of carbonized fibers.
In the surface treatment apparatus according to another aspect of the present invention, the irradiation port for irradiating plasma in the irradiation unit has a shape selected from slits, circles or ellipses, and polygons. As a result, the processing capacity can be increased with a simple structure.

<実施形態>
一実施形態の表面処理装置を利用した表面処理方法、炭素繊維の製造方法について説明する。ここでは、前駆体繊維の一例であるアクリロニトリル系繊維を用いる。
<Embodiment>
A surface treatment method using the surface treatment apparatus of one embodiment and a method for producing carbon fibers will be described. Here, acrylonitrile-based fiber, which is an example of precursor fiber, is used.

1.炭素繊維の製造工程
図1は、炭素繊維の製造工程を示す概略図である。
1. 1. Carbon Fiber Manufacturing Process FIG. 1 is a schematic view showing a carbon fiber manufacturing process.

炭素繊維は、前駆体繊維であるプリカーサを用いて製造される。1本のプリカーサは、複数本、例えば、12,000本のフィラメントが束になったものである。場合によっては、前駆体繊維束や炭素繊維束ということもある。
プリカーサ1aは、アクリロニトリルを90質量%以上含有する単量体を重合した紡糸溶液を湿式紡糸法又は乾湿式紡糸法において紡糸した後、水洗・乾燥・延伸して得られる。なお、共重合する単量体としては、アクリル酸アルキル、メタクリル酸アルキル、アクリル酸、アクリルアミド、イタコン酸、マレイン酸等が利用される。
通常、プリカーサ1aを製造する速さと、プリカーサ1aを炭素化して炭素繊維を製造する速さが異なる。このため、製造されたプリカーサ1aは、一旦、カートンに収容されたり、ボビンに巻き取られたりする。
Carbon fibers are produced using precursor fibers, precursor fibers. One precursor is a bundle of a plurality of filaments, for example, 12,000 filaments. In some cases, it may be a precursor fiber bundle or a carbon fiber bundle.
The precursor 1a is obtained by spinning a spinning solution obtained by polymerizing a monomer containing 90% by mass or more of acrylonitrile by a wet spinning method or a dry wet spinning method, and then washing, drying and stretching. As the monomer to be copolymerized, alkyl acrylate, alkyl methacrylate, acrylic acid, acrylamide, itaconic acid, maleic acid and the like are used.
Usually, the speed at which the precursor 1a is produced and the speed at which the precursor 1a is carbonized to produce carbon fibers are different. Therefore, the manufactured precursor 1a is once housed in a carton or wound up on a bobbin.

プリカーサ1aは、図1に示すように、例えばボビン30から引き出され、下流側に向かって走行する。その途中で、各種の処理がなされて、炭素繊維としてボビン39に巻き取られる。
炭素繊維は、図1に示すように、プリカーサ1aを耐炎化する耐炎化工程と、耐炎化された繊維(以下、「耐炎化繊維」という)1bを延伸させながら炭素化する炭素化工程と、炭素化された繊維1dの表面を改善する表面処理工程と、表面が改善された繊維(以下、「表面処理された繊維」ともいう)1eに樹脂を付着させるサイジング工程と、樹脂が付着した繊維1fを乾燥させる乾燥工程とを経て製造される。乾燥された繊維1gは、炭素繊維1gとしてボビン39に巻き取られる。なお、炭素繊維は炭素化された繊維に対して少なくとも表面処理を施した繊維であり、炭素化工程を終え且つ表面処理工程を経ていない炭素化された繊維と区別する。
ここで、プリカーサ1aを耐炎化する処理を耐炎化処理、耐炎化繊維1bを炭素化する処理を炭素化処理、炭素化された繊維1dの表面を改善する処理を表面処理、表面処理された繊維1eに樹脂を付着させる処理をサイジング処理、樹脂が付着した繊維1fを乾燥させる処理を乾燥処理とそれぞれいう。以下、処理、工程について説明する。
As shown in FIG. 1, the precursor 1a is pulled out from, for example, the bobbin 30 and travels toward the downstream side. On the way, various treatments are performed and the carbon fibers are wound around the bobbin 39.
As shown in FIG. 1, the carbon fiber has a flame-resistant step of making the precursor 1a flame-resistant, and a carbonization step of carbonizing the flame-resistant fiber (hereinafter referred to as “flame-resistant fiber”) 1b while stretching it. A surface treatment step for improving the surface of the carbonized fiber 1d, a sizing step for attaching a resin to the surface-improved fiber (hereinafter, also referred to as “surface-treated fiber”) 1e, and a fiber to which the resin is attached. It is manufactured through a drying step of drying 1f. 1 g of the dried fiber is wound around the bobbin 39 as 1 g of carbon fiber. The carbon fiber is a fiber that has been subjected to at least a surface treatment on the carbonized fiber, and is distinguished from a carbonized fiber that has completed the carbonization step and has not undergone the surface treatment step.
Here, the treatment for making the precursor 1a flame-resistant is the flame-resistant treatment, the treatment for carbonizing the flame-resistant fiber 1b is the carbonization treatment, the treatment for improving the surface of the carbonized fiber 1d is the surface treatment, and the surface-treated fiber. The process of attaching the resin to 1e is called a sizing process, and the process of drying the fiber 1f to which the resin is attached is called a drying process. The processing and process will be described below.

(1)耐炎化工程(耐炎化処理)
耐炎化工程は、炉内が200[℃]〜350[℃]の酸化性雰囲気に設定された耐炎化炉3を利用して行う。具体的には、耐炎化は、空気雰囲気中の耐炎化炉3内をプリカーサ1aが1回又は複数回通過することで行われる。なお、酸化性雰囲気は、酸素、二酸化窒素等を含んでいてもよい。
耐炎化工程中のプリカーサ1aは、製造する炭素繊維に合わせて所定の張力で延伸される。耐炎化工程での延伸倍率は、例えば、0.7〜1.3の範囲内である。プリカーサ1aの延伸は複数のローラにより行われる。例えば、延伸は、耐炎化炉3の入口の2個のローラ5,7や出口の3個のローラ9,11,13により行われる。
(1) Flame resistance process (flame resistance treatment)
The flameproofing step is performed using the flameproofing furnace 3 in which the inside of the furnace is set to an oxidizing atmosphere of 200 [° C.] to 350 [° C.]. Specifically, flame resistance is achieved by passing the precursor 1a once or a plurality of times in the flame resistance furnace 3 in an air atmosphere. The oxidizing atmosphere may contain oxygen, nitrogen dioxide and the like.
The precursor 1a in the flame resistance step is stretched with a predetermined tension according to the carbon fiber to be produced. The draw ratio in the flame resistance step is, for example, in the range of 0.7 to 1.3. Stretching of the precursor 1a is performed by a plurality of rollers. For example, stretching is performed by two rollers 5 and 7 at the inlet of the flameproof furnace 3 and three rollers 9, 11 and 13 at the outlet.

(2)炭素化工程(炭素化処理)
炭素化工程は、耐炎化繊維1bを加熱することで熱分解反応を生じさせて炭素化を行う工程であり、不活性雰囲気中で、最高温度が300〜1,800[℃]で処理される。
炭素化は、耐炎化繊維1bが第1の炭素化炉15を通過し、さらに、第1の炭素化炉15を通過した繊維1cが第2の炭素化炉17を通過することで行われる。
ここで、第1の炭素化炉15で行われる炭素化を「第1の炭素化」や「第1の炭素化工程」とし、同様に、第2の炭素化炉17で行われる炭素化を「第2の炭素化」や「第2の炭素化工程」とする。
(2) Carbonization process (carbonization treatment)
The carbonization step is a step of causing a thermal decomposition reaction by heating the flame-resistant fiber 1b to carry out carbonization, and is treated at a maximum temperature of 300 to 1,800 [° C.] in an inert atmosphere. ..
Carbonization is performed by the flame-resistant fiber 1b passing through the first carbonization furnace 15 and the fiber 1c passing through the first carbonization furnace 15 passing through the second carbonization furnace 17.
Here, the carbonization performed in the first carbonization furnace 15 is referred to as "first carbonization" or "first carbonization step", and similarly, the carbonization performed in the second carbonization furnace 17 is referred to as "first carbonization". It is referred to as "second carbonization" or "second carbonization step".

第1の炭素化は例えば最高温度が300〜800[℃]で処理され、第2の炭素化は例えば最高温度が500〜1,800[℃]で処理される。炭素化工程の加熱には、例えば、電気ヒータ、マイクロ波、プラズマ等が利用される。 The first carbonization is treated, for example, at a maximum temperature of 300 to 800 [° C.], and the second carbonization is processed, for example, at a maximum temperature of 500 to 1,800 [° C.]. For heating in the carbonization step, for example, an electric heater, microwave, plasma, or the like is used.

第1の炭素化炉15と第2の炭素化炉17とは互いに独立した形態で設けられ、各炭素化炉15,17の間には繊維の張力を調整する調整手段を設けることができる。
第1の炭素化炉15の入口側にはローラ19が、第1の炭素化炉15と第2の炭素化炉17との間にはローラ21が、第2の炭素化炉17の出口側にはローラ23がそれぞれ設けられている。
具体的には、第1の炭素化工程では50〜200[g/dtex]、第2の炭素化工程では200〜1,000[g/dtex]のテンションを負荷することが好ましい。この範囲でテンションを負荷することで、より強度の高い炭素繊維1gを得ることができる。なお、炭素化された繊維1dの密度は1.77〜1.82[g/cm]であることが好ましい。
The first carbonization furnace 15 and the second carbonization furnace 17 are provided in a form independent of each other, and an adjusting means for adjusting the tension of the fibers can be provided between the carbonization furnaces 15 and 17.
A roller 19 is located on the inlet side of the first carbonization furnace 15, a roller 21 is located between the first carbonization furnace 15 and the second carbonization furnace 17, and a roller 21 is located on the outlet side of the second carbonization furnace 17. Each of the rollers 23 is provided.
Specifically, it is preferable to apply a tension of 50 to 200 [g / dtex] in the first carbonization step and 200 to 1,000 [g / dtex] in the second carbonization step. By applying tension in this range, 1 g of carbon fiber having higher strength can be obtained. The density of the carbonized fiber 1d is preferably 1.77 to 1.82 [g / cm 3 ].

(3)表面処理工程(表面処理)
表面処理工程は、炭素化された繊維1dが表面処理装置25内を通過することで行われる。表面処理装置25の出口側にはローラ26が設けられている。表面処理することで、炭素繊維1gを利用して複合材料とした場合、炭素繊維1gとマトリックス樹脂との親和性や接着性が向上する。
表面処理は、一般に炭素化された繊維1dの表面を酸化することにより行われる。表面処理として大気圧プラズマが利用されている。なお、表面処理装置25については後述する。
(3) Surface treatment process (surface treatment)
The surface treatment step is performed by passing the carbonized fiber 1d through the surface treatment device 25. A roller 26 is provided on the outlet side of the surface treatment device 25. By surface treatment, when 1 g of carbon fiber is used as a composite material, the affinity and adhesiveness between 1 g of carbon fiber and the matrix resin are improved.
The surface treatment is generally performed by oxidizing the surface of the carbonized fiber 1d. Atmospheric pressure plasma is used as a surface treatment. The surface treatment device 25 will be described later.

(4)サイジング工程(サイジング処理)
サイジング工程は、例えば、表面処理された繊維1eが樹脂液29内を通過することで行われる。樹脂液29は、樹脂浴27に貯留されている。サイジング工程により、表面処理された繊維1eの収束性が高まる。
サイジング工程中の表面処理された繊維1eは、樹脂浴27の内部や樹脂浴27の周辺に配された複数のローラ31,33等により走行方向を変更しながら樹脂液29内を通過する。樹脂液29は、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等を溶剤に溶解させた液やエマルション液が利用される。
(4) Sizing process (sizing process)
The sizing step is performed, for example, by passing the surface-treated fiber 1e through the resin liquid 29. The resin liquid 29 is stored in the resin bath 27. The sizing step enhances the convergence of the surface-treated fibers 1e.
The surface-treated fibers 1e in the sizing step pass through the resin liquid 29 while changing the traveling direction by a plurality of rollers 31, 33 and the like arranged inside the resin bath 27 and around the resin bath 27. As the resin liquid 29, for example, a liquid or an emulsion liquid in which an epoxy resin, a urethane resin, a phenol resin, a vinyl ester resin, an unsaturated polyester resin or the like is dissolved in a solvent is used.

(5)乾燥工程(乾燥処理)
乾燥工程は、繊維1fが乾燥炉35内を通過することで行われる。なお、乾燥した繊維1gは、乾燥炉35の下流側のローラ37を介してボビン39に巻き取られる(巻取工程である。)。
(5) Drying process (drying process)
The drying step is performed by passing the fiber 1f through the drying furnace 35. The dried fiber 1 g is wound around the bobbin 39 via a roller 37 on the downstream side of the drying furnace 35 (this is a winding step).

2.表面処理装置
表面処理装置25は、図2に示すように、炭素化された繊維1dの走行方向に延伸する筒状の筒部251と、筒部251の長手方向の中間部分に設けられ且つ大気圧プラズマを照射する照射部255とを有する。なお、炭素化された繊維1dは筒部251内を走行する。
2. 2. Surface treatment device As shown in FIG. 2, the surface treatment device 25 is provided and large in the middle portion between the tubular portion 251 extending in the traveling direction of the carbonized fiber 1d and the tubular portion 251 in the longitudinal direction. It has an irradiation unit 255 for irradiating pressure plasma. The carbonized fiber 1d runs in the tubular portion 251.

(1)筒部
筒部251は、例えば、円形状、楕円形状、長円形状の無角形状、矩形状、方形状、六角形等の多角形状等の横断面形状を有する。なお、筒部251は、照射部255で生成したプラズマにより副生したオゾンガスを貯留する機能を有する。
筒部251の全長(上流側と下流側との合計である)は、走行する炭素化された繊維1dが内部に滞在する時間が0.1〜10分間の範囲内となるように設定されている。なお、筒部251内に炭素化された繊維1dが滞在する間に、プラズマの照射は1回行われてもよいし、複数回行われてもよい。複数回行う場合、走行方向に照射部を複数配置することで実施できる。
(1) Cylinder portion The tubular portion 251 has, for example, a cross-sectional shape such as a circular shape, an elliptical shape, an oval shape polled shape, a rectangular shape, a square shape, a hexagonal shape, or the like. The tubular portion 251 has a function of storing ozone gas produced as a by-product by the plasma generated by the irradiation unit 255.
The total length of the tubular portion 251 (the total of the upstream side and the downstream side) is set so that the traveling carbonized fiber 1d stays inside within a range of 0.1 to 10 minutes. There is. The plasma irradiation may be performed once or a plurality of times while the carbonized fiber 1d stays in the tubular portion 251. When it is performed a plurality of times, it can be performed by arranging a plurality of irradiation units in the traveling direction.

筒部251は、照射部255で生成したプラズマにより副生したオゾンガスが拡散するのを規制する機能を有する。換言すると、筒部251はオゾンガスの流路を規制する機能を有する。筒部251の上流側の炭素化された繊維1dの入り口でのオゾン濃度は20〜200[ppm]が好ましい。これにより、筒部251の内部を走行する炭素化された繊維1dは、プラズマ照射を受けると共にオゾンガスに暴露されることとなり、効率よく表面処理される。
なお、オゾンガスの濃度は、20〜200[ppm]となるように、筒部251や照射部255が設定されている。具体的には、筒部251では長さや太さ等の寸法であり、照射部255では供給ガスの濃度、電極の印加電圧等である。
The tubular portion 251 has a function of regulating the diffusion of ozone gas produced as a by-product by the plasma generated by the irradiation portion 255. In other words, the tubular portion 251 has a function of regulating the flow path of ozone gas. The ozone concentration at the inlet of the carbonized fiber 1d on the upstream side of the tubular portion 251 is preferably 20 to 200 [ppm]. As a result, the carbonized fiber 1d traveling inside the tubular portion 251 is exposed to plasma irradiation and ozone gas, and is efficiently surface-treated.
The cylinder portion 251 and the irradiation portion 255 are set so that the concentration of ozone gas is 20 to 200 [ppm]. Specifically, the tubular portion 251 has dimensions such as length and thickness, and the irradiation portion 255 has the concentration of supply gas, the voltage applied to the electrodes, and the like.

筒部251の走行方向の全長は、照射部255の走行方向の寸法に対して、100〜10,000倍が好ましく、200〜2,000倍がより好ましい。筒部251の全長は、筒部251におけるプラズマ照射方向の寸法に対して、20〜2,000倍が好ましく、40〜400倍がより好ましい。筒部251の全長は、走行方向に100〜10,000[mm]が好ましく、200〜2,000[mm]がより好ましい。なお、照射部255の走行方向の寸法については後述する。
ここでの筒部251は、その長手方向の中央(中間部分)に貫通孔253を有し、当該貫通孔253を利用して照射部255から大気圧プラズマが筒部251内に照射される。
筒部251は、横断面において、走行するすべての炭素化された繊維1dの合計の断面積に対して、5〜4×10倍の内部空間を有する。
The total length of the tubular portion 251 in the traveling direction is preferably 100 to 10,000 times, more preferably 200 to 2,000 times, the dimension of the irradiation unit 255 in the traveling direction. The total length of the tubular portion 251 is preferably 20 to 2,000 times, more preferably 40 to 400 times, the dimension in the plasma irradiation direction of the tubular portion 251. The total length of the tubular portion 251 is preferably 100 to 10,000 [mm] in the traveling direction, and more preferably 200 to 2,000 [mm]. The dimensions of the irradiation unit 255 in the traveling direction will be described later.
Here, the tubular portion 251 has a through hole 253 in the center (intermediate portion) in the longitudinal direction thereof, and the atmospheric pressure plasma is irradiated into the tubular portion 251 from the irradiation unit 255 using the through hole 253.
The tubular portion 251 has an internal space of 5 to 4 × 10 4 times the total cross-sectional area of all the carbonized fibers 1d running in the cross section.

貫通孔253は、スリット形状、円形状又は楕円形状、或いは5角形等の多角形をしている。スリット形状は、炭素化された繊維1dの走行方向と交差する方向、又は走行方向と平行な方向に延伸してもよい。貫通孔253は、1個でもよく、複数個でもよく、走行する炭素化された繊維1dの本数に対応して適宜決定すればよい。
なお、貫通孔253は、プラズマ発生部からみると、当該貫通孔253を介して炭素化された繊維1dが見える状態で設けられることが好ましい。
The through hole 253 has a slit shape, a circular shape, an elliptical shape, or a polygonal shape such as a pentagon. The slit shape may be stretched in a direction intersecting the traveling direction of the carbonized fiber 1d or in a direction parallel to the traveling direction. The number of through holes 253 may be one or a plurality, and may be appropriately determined according to the number of carbonized fibers 1d to be run.
It is preferable that the through hole 253 is provided so that the carbonized fiber 1d can be seen through the through hole 253 when viewed from the plasma generating portion.

(2)照射部
照射部255は、例えば、誘電体バリア放電を利用している。照射部255は、少なくとも一方の電極に誘電体が配される一対の電極と、一対の電極の周辺に酸化性ガスを供給するノズルとを備え、ノズルから供給される酸化性ガス(例えば、酸素である)中であって大気圧下で一対の電極により放電させることで、プラズマを発生させる。
一対の電極として、例えば、平板状の対向電極(平行平板電極)を利用している。対向電極は、例えば、炭素化された繊維1dの走行方向と交差する方向、又は走行方向と平行な方向に延伸する状態で、配置されている。
発生したプラズマは、ノズルからのガスにより筒部251の貫通孔(照射口)253から内部へと照射される。これにより、筒部251の内部を走行する炭素化された繊維1dに対して大気圧プラズマが照射される。
(2) Irradiation unit The irradiation unit 255 uses, for example, a dielectric barrier discharge. The irradiation unit 255 includes a pair of electrodes in which a dielectric is arranged on at least one electrode, and a nozzle for supplying an oxidizing gas around the pair of electrodes, and the oxidizing gas supplied from the nozzle (for example, oxygen). Plasma is generated by discharging with a pair of electrodes under atmospheric pressure.
As a pair of electrodes, for example, a flat plate-shaped counter electrode (parallel flat plate electrode) is used. The counter electrode is arranged in a state of being stretched in a direction intersecting the traveling direction of the carbonized fiber 1d or in a direction parallel to the traveling direction, for example.
The generated plasma is irradiated from the through hole (irradiation port) 253 of the tubular portion 251 to the inside by the gas from the nozzle. As a result, the carbonized fiber 1d traveling inside the tubular portion 251 is irradiated with atmospheric pressure plasma.

(3)照射部の走行方向の長さ
照射部255の走行方向の長さは、炭素化された繊維がプラズマ照射される領域における走行方向の長さとしている。照射部の長さは、プラズマを発生する構成、プラズマを炭素化された繊維に照射する構成等によって異なる。
スリット等の貫通孔を介してプラズマが照射される場合は、貫通孔の走行方向の最大寸法が照射部の長さとなる。対向電極が筒部内であって炭素化された繊維が電極間を通過しない位置に配され且つ炭素化された繊維と逆側からガスを炭素化された繊維に向けて吹き付ける場合は、対向電極における走行方向の寸法が長さとなる。対向電極が筒部内であって走行方向と平行に配された状態で炭素化された繊維が対向電極間を走行する場合、対向電極の走行方向の寸法が長さとなる。
(3) Length in the traveling direction of the irradiation unit The length in the traveling direction of the irradiation unit 255 is the length in the traveling direction in the region where the carbonized fibers are irradiated with plasma. The length of the irradiated portion varies depending on the configuration for generating plasma, the configuration for irradiating the carbonized fiber with plasma, and the like.
When plasma is irradiated through a through hole such as a slit, the maximum dimension of the through hole in the traveling direction is the length of the irradiated portion. When the counter electrode is arranged in the cylinder portion so that the carbonized fiber does not pass between the electrodes and the gas is sprayed toward the carbonized fiber from the opposite side to the carbonized fiber, the counter electrode is used. The dimension in the traveling direction is the length. When the carbonized fibers travel between the counter electrodes with the counter electrodes in the tubular portion and arranged parallel to the traveling direction, the dimension of the counter electrode in the traveling direction becomes the length.

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
ここでは、炭素化された繊維1dを表面処理する表面処理工程について説明する。
まず、実施例及び比較例に先立ち、下記に示す材料を準備した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples as long as the gist of the present invention is not exceeded.
Here, a surface treatment step for surface-treating the carbonized fiber 1d will be described.
First, the materials shown below were prepared prior to Examples and Comparative Examples.

<炭素化された繊維1d>
炭素化された繊維1dは、24,000本の前駆体繊維(プリカーサ)1aを酸化性雰囲気中で200〜350[℃]で処理する耐炎化工程を経た後に、不活性雰囲気中で温度が300〜800[℃]の第1の炭素化工程と温度が500〜1,800[℃]の第2の炭素化工程を経て製造された繊維である。
炭素化された繊維1dの密度は1.5〜1.9[g/cm]であり、繊維1dの直径は10[μm]であり、繊維1dの表面の酸素濃度は4[%]であった。
<Carbonized fiber 1d>
The carbonized fiber 1d has a temperature of 300 in an inert atmosphere after undergoing a flame resistance step of treating 24,000 precursor fibers (plicasa) 1a in an oxidizing atmosphere at 200 to 350 [° C.]. The fiber is produced through a first carbonization step of about 800 [° C.] and a second carbonization step of a temperature of 500 to 1,800 [° C.].
The density of the carbonized fiber 1d is 1.5 to 1.9 [g / cm 3 ], the diameter of the fiber 1d is 10 [μm], and the oxygen concentration on the surface of the fiber 1d is 4 [%]. there were.

<表面酸素濃度(O/C)>
表面処理後の表面処理された繊維(1e)の表面酸素濃度(O/C)は、次の手順に従ってXPS(ESCA)によって求めることができる。測定には、日本電子株式会社社製X線光電子分光装置ESCA JPS−9000MXを使用した。繊維をカットしてステンレス製の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、X線源としてMgKαを用い、試料チャンバー内を1×10−6[Pa]の真空度に保った。
測定時の帯電に伴うピークの補正として、まずC1sの主ピークの結合エネルギ値B.E.を284.6[eV]に合わせる。O1sピーク面積は、528〜540[eV]の範囲で直線のベースラインを引くことにより求め、C1sピーク面積は、282〜292[eV]の範囲で直線のベースラインを引くことにより求めた。炭素繊維表面の表面酸素濃度O/Cは、上記O1sピーク面積とC1sピーク面積の比で計算して求めた。
<Surface oxygen concentration (O / C)>
The surface oxygen concentration (O / C) of the surface-treated fiber (1e) after the surface treatment can be determined by XPS (ESCA) according to the following procedure. For the measurement, an X-ray photoelectron spectrometer ESCA JPS-9000MX manufactured by JEOL Ltd. was used. After cutting the fibers and arranging them on a stainless steel sample support, the photoelectron escape angle was set to 90 degrees, MgKα was used as the X-ray source, and the inside of the sample chamber was 1 × 10-6 [Pa]. The degree of vacuum was maintained.
To correct the peak associated with charging during measurement, first, the binding energy value of the main peak of C1s B. E. To 284.6 [eV]. The O1s peak area was determined by drawing a straight baseline in the range of 528 to 540 [eV], and the C1s peak area was determined by drawing a straight baseline in the range of 282-292 [eV]. The surface oxygen concentration O / C on the surface of the carbon fiber was calculated and obtained by the ratio of the O1s peak area and the C1s peak area.

<オゾンガス濃度>
株式会社ガステック製の濃度4〜400[ppm]用のオゾンガス測定用検知管「18M」を、専用ガス吸引器「GV−110S」にセットし、筒部251にあけた直径3[mm]の孔に検知管を差し込み、吸引器のハンドルを引くことでガスを検知管へ導入する。オゾン濃度に応じて検知管の色が変化するため、それをオゾンガス濃度として読み取っている。なお、オゾンガスの温度は、プラズマが照射されている領域に温度検出端を照射部又はその周辺部に設けられた孔から挿入して測定している。
<Ozone gas concentration>
A detector tube "18M" for measuring ozone gas for a concentration of 4 to 400 [ppm] manufactured by Gastec Co., Ltd. is set in a dedicated gas suction device "GV-110S" and has a diameter of 3 [mm] opened in the cylinder 251. Insert the detector tube into the hole and pull the handle of the aspirator to introduce the gas into the detector tube. Since the color of the detector tube changes according to the ozone concentration, it is read as the ozone gas concentration. The temperature of ozone gas is measured by inserting a temperature detection end into a region irradiated with plasma through a hole provided in the irradiation portion or a peripheral portion thereof.

<表面処理>
表面処理装置25は筒部251と照射部255とを有する。照射部255としてリモート式大気圧プラズマ表面処理装置を1台利用し、当該1台の照射部255の上流側に600[mm]の上流側筒部と、下流側に300[mm]の下流側筒部とを有する。これらの筒部の断面形状は矩形とし、投入している繊維の全断面積に対する筒部の内部空間の断面積の比は40である。
表面処理装置25は、照射部255のノズルから供給する酸化性ガス中の酸素濃度を変化させることで、プラズマ発生時に副生するオゾンガスの濃度を調整する。なお、酸素濃度の調整は、窒素と酸素とを含む酸化性ガスにおいて酸素の濃度を調整することで行われる。
表面処理装置25(筒部251)内を走行する炭素化された繊維1dの速度を調整することで、プラズマ照射時間(プラズマ暴露時間)や、オゾンガスの暴露時間を調整できる。
<Surface treatment>
The surface treatment device 25 has a tubular portion 251 and an irradiation portion 255. One remote atmospheric pressure plasma surface treatment device is used as the irradiation unit 255, and the upstream side cylinder of 600 [mm] is on the upstream side of the one irradiation unit 255, and the downstream side of 300 [mm] is on the downstream side. It has a tubular part. The cross-sectional shape of these cylinders is rectangular, and the ratio of the cross-sectional area of the internal space of the cylinder to the total cross-sectional area of the inserted fibers is 40.
The surface treatment device 25 adjusts the concentration of ozone gas produced as a by-product when plasma is generated by changing the oxygen concentration in the oxidizing gas supplied from the nozzle of the irradiation unit 255. The oxygen concentration is adjusted by adjusting the oxygen concentration in an oxidizing gas containing nitrogen and oxygen.
By adjusting the speed of the carbonized fiber 1d traveling in the surface treatment device 25 (cylinder portion 251), the plasma irradiation time (plasma exposure time) and the ozone gas exposure time can be adjusted.

〔実施例1〕
炭素化された繊維1dをプラズマ照射とオゾンガスとにより表面処理した。照射部255の電極への印加電圧は30,000[V]である。炭素化された繊維1dの走行速度は1.2[m/min]であり、照射時間は0.1[秒]であった(炭素化された繊維1dが照射部255を通過する時間でもある)。
電極の周辺に供給する酸化性ガス(キャリアガスともいう)中の酸素濃度は0.15[Vol%]であった。プラズマにより副生したオゾンガスのオゾン濃度は40[ppm]で、ガス温度は70[℃]であった。オゾンガス暴露時間は合計で45[秒]であり、照射部255の上流側での暴露時間が30[秒]であり、下流側の暴露時間が15[秒]であった。
上記の表面処理を実施した表面処理された繊維1eの表面酸素濃度(O/C)は16[%]であった。
表面処理条件及び表面処理された繊維1eの表面酸素濃度を表1に纏めて示した。なお、オゾンガスの温度は照射部255又はその付近に設けた直径3mmの孔から温度検出端を挿入し、プラズマが照射されている領域で測定した。
[Example 1]
The carbonized fiber 1d was surface-treated by plasma irradiation and ozone gas. The voltage applied to the electrodes of the irradiation unit 255 is 30,000 [V]. The traveling speed of the carbonized fiber 1d was 1.2 [m / min], and the irradiation time was 0.1 [second] (which is also the time for the carbonized fiber 1d to pass through the irradiation unit 255. ).
The oxygen concentration in the oxidizing gas (also referred to as carrier gas) supplied to the periphery of the electrode was 0.15 [Vol%]. The ozone concentration of the ozone gas produced by plasma was 40 [ppm], and the gas temperature was 70 [° C.]. The total ozone gas exposure time was 45 [seconds], the exposure time on the upstream side of the irradiation unit 255 was 30 [seconds], and the exposure time on the downstream side was 15 [seconds].
The surface oxygen concentration (O / C) of the surface-treated fiber 1e subjected to the above surface treatment was 16 [%].
Table 1 summarizes the surface treatment conditions and the surface oxygen concentration of the surface-treated fiber 1e. The temperature of ozone gas was measured in a region irradiated with plasma by inserting a temperature detection end through a hole having a diameter of 3 mm provided in or near the irradiation unit 255.

〔実施例2〕
キャリアガス中の酸素濃度を0.5[Vol%]に変更した以外は実施例1と同様の条件にして、炭素化された繊維1dに対して表面処理した。なお、酸素濃度の変更によりオゾン濃度が100[ppm]となった。実施例2の表面処理条件及び表面処理された繊維1eの表面酸素濃度を表1に纏めて示した。
[Example 2]
The carbonized fiber 1d was surface-treated under the same conditions as in Example 1 except that the oxygen concentration in the carrier gas was changed to 0.5 [Vol%]. By changing the oxygen concentration, the ozone concentration became 100 [ppm]. The surface treatment conditions of Example 2 and the surface oxygen concentration of the surface-treated fiber 1e are summarized in Table 1.

〔実施例3〕
キャリアガス中の酸素濃度を1.0[Vol%]に変更した以外は実施例1と同様の条件にして、炭素化された繊維1dに対して表面処理した。なお、酸素濃度の変更によりオゾン濃度が160[ppm]となった。実施例3の表面処理条件及び表面処理された繊維1eの表面酸素濃度を表1に纏めて示した。
[Example 3]
The carbonized fiber 1d was surface-treated under the same conditions as in Example 1 except that the oxygen concentration in the carrier gas was changed to 1.0 [Vol%]. By changing the oxygen concentration, the ozone concentration became 160 [ppm]. The surface treatment conditions of Example 3 and the surface oxygen concentration of the surface-treated fiber 1e are summarized in Table 1.

〔比較例1〕
炭素化された繊維1dをプラズマ照射により表面処理した。具体的には、筒部251を取り外した表面処理装置を利用した。
照射部255の電極への印加電圧、炭素化された繊維1dの走行速度、プラズマ照射時間は実施例1と同じであった。
キャリアガス中の酸素濃度は0.15[Vol%]であり、プラズマにより副生したオゾンガスのオゾン濃度は40[ppm]で、ガス温度は70[℃]であった。
炭素化された繊維1dは、プラズマ照射を受ける際に、当該プラズマにより副生したオゾンガス中を走行するためにオゾンガス暴露時間を照射時間である0.1[sec]とした。
上記の表面処理を実施した表面処理された繊維1eの表面酸素濃度(O/C)は13[%]であった。比較例1の表面処理条件及び表面処理された繊維1eの表面酸素濃度を表1に纏めて示した。
〔比較例2〕
キャリアガス中の酸素濃度を0.5[Vol%]に変更した以外は比較例1と同様の条件にして、炭素化された繊維1dに対して表面処理した。なお、酸素濃度の変更によりオゾン濃度が100[ppm]となった。比較例2の表面処理条件及び表面処理された繊維1eの表面酸素濃度を表1に纏めて示した。
[Comparative Example 1]
The carbonized fiber 1d was surface-treated by plasma irradiation. Specifically, a surface treatment device from which the tubular portion 251 was removed was used.
The voltage applied to the electrode of the irradiation unit 255, the traveling speed of the carbonized fiber 1d, and the plasma irradiation time were the same as in Example 1.
The oxygen concentration in the carrier gas was 0.15 [Vol%], the ozone concentration of the ozone gas produced by plasma was 40 [ppm], and the gas temperature was 70 [° C.].
When the carbonized fiber 1d was irradiated with plasma, the ozone gas exposure time was set to 0.1 [sec], which is the irradiation time, in order to travel in the ozone gas produced by the plasma.
The surface oxygen concentration (O / C) of the surface-treated fiber 1e subjected to the above surface treatment was 13 [%]. Table 1 summarizes the surface treatment conditions of Comparative Example 1 and the surface oxygen concentration of the surface-treated fiber 1e.
[Comparative Example 2]
The carbonized fiber 1d was surface-treated under the same conditions as in Comparative Example 1 except that the oxygen concentration in the carrier gas was changed to 0.5 [Vol%]. By changing the oxygen concentration, the ozone concentration became 100 [ppm]. Table 1 summarizes the surface treatment conditions of Comparative Example 2 and the surface oxygen concentration of the surface-treated fiber 1e.

〔比較例3〕
キャリアガス中の酸素濃度を1.0[Vol%]に変更した以外は比較例1と同様の条件にして、炭素化された繊維1dに対して表面処理した。なお、酸素濃度の変更によりオゾン濃度が160[ppm]となった。実施例3の表面処理条件及び表面処理された繊維1eの表面酸素濃度を表1に纏めて示した。
〔参考例〕
炭素化された繊維1dに対して表面処理をしていない場合の表面酸素濃度を表1に併せて示した。
[Comparative Example 3]
The carbonized fiber 1d was surface-treated under the same conditions as in Comparative Example 1 except that the oxygen concentration in the carrier gas was changed to 1.0 [Vol%]. By changing the oxygen concentration, the ozone concentration became 160 [ppm]. The surface treatment conditions of Example 3 and the surface oxygen concentration of the surface-treated fiber 1e are summarized in Table 1.
[Reference example]
Table 1 also shows the surface oxygen concentration of the carbonized fiber 1d when no surface treatment was performed.

Figure 2020190040

表1の実施例及び比較例の結果から、オゾンガス濃度と表面酸素濃度との関係を図3に示す。
Figure 2020190040

From the results of Examples and Comparative Examples in Table 1, the relationship between the ozone gas concentration and the surface oxygen concentration is shown in FIG.

<オゾンガスの暴露>
オゾンガスの濃度が40[ppm]で暴露時間が45[sec]の実施例1は、同じオゾンガス濃度であって暴露時間が0.1[sec]の比較例1に対して、表面酸素濃度が23[%]改善した。
同様に、オゾンガスの濃度が100[ppm]で暴露時間が45[sec]の実施例2は、同じオゾンガス濃度であって暴露時間が0.1[sec]の比較例2に対して、表面酸素濃度が14[%]改善し、オゾンガスの濃度が160[ppm]で暴露時間が45[sec]の実施例3は、同じオゾンガス濃度であって暴露時間が0.1[sec]の比較例3に対して、表面酸素濃度が27[%]改善した。
このように、オゾンガス中を炭素化された繊維1dを走行させることで、繊維の表面酸素濃度を改善できた。
炭素繊維質量あたりのオゾンガス曝露時間は、処理対象の繊維の処理量(暴露される繊維の本数)、処理対象の繊維の走行速度、処理対象の繊維の銘柄(繊度)等を考慮したものである。
より具体的には、オゾンガスの暴露があれば表面酸素濃度が向上しており、暴露時間の上限はとくにない。但し、実際の生産性を考慮すると、暴露時間の上限は10minである。また、繊維の走行速度は、実際の生産性を考慮すると、0.01〜0.2[m/sec]であり、機台幅(走行方向の寸法)に対する処理量は、2〜200[本/m]である。これらのパラメータを考慮すると、炭素繊維質量あたりのオゾンガス曝露時間は、15〜1,000,000[sec/g]の範囲が好ましい。
また、導糸のし易さなどの生産性を考慮すると前記筒部を同時に通過するすべての炭素化された繊維の合計の横断面積に対して、前記筒部の横断面積が5〜4×10倍の内部空間を有することが好ましい。
<Exposure of ozone gas>
Example 1 having an ozone gas concentration of 40 [ppm] and an exposure time of 45 [sec] has a surface oxygen concentration of 23 as compared with Comparative Example 1 having the same ozone gas concentration and an exposure time of 0.1 [sec]. [%] Improved.
Similarly, Example 2 having an ozone gas concentration of 100 [ppm] and an exposure time of 45 [sec] has surface oxygen as opposed to Comparative Example 2 having the same ozone gas concentration and an exposure time of 0.1 [sec]. Example 3 in which the concentration was improved by 14 [%], the ozone gas concentration was 160 [ppm], and the exposure time was 45 [sec] was compared with Comparative Example 3 in which the ozone gas concentration was the same and the exposure time was 0.1 [sec]. On the other hand, the surface oxygen concentration was improved by 27 [%].
In this way, by running the carbonized fiber 1d in the ozone gas, the surface oxygen concentration of the fiber could be improved.
The ozone gas exposure time per carbon fiber mass takes into consideration the treated amount of the fiber to be treated (the number of exposed fibers), the traveling speed of the fiber to be treated, the brand (fineness) of the fiber to be treated, and the like. ..
More specifically, if there is exposure to ozone gas, the surface oxygen concentration is improved, and there is no particular upper limit to the exposure time. However, considering the actual productivity, the upper limit of the exposure time is 10 min. Further, the traveling speed of the fiber is 0.01 to 0.2 [m / sec] in consideration of the actual productivity, and the processing amount with respect to the machine base width (dimension in the traveling direction) is 2 to 200 [lines]. / M]. Considering these parameters, the ozone gas exposure time per carbon fiber mass is preferably in the range of 15 to 1,000,000 [sec / g].
In addition, considering productivity such as ease of yarn conduction, the cross-sectional area of the tubular portion is 5 to 4 × 10 with respect to the total cross-sectional area of all carbonized fibers that pass through the tubular portion at the same time. It is preferable to have four times as much internal space.

オゾンガスはプラズマ発生により副生されるため、オゾンガス発生用のエネルギを要しない。つまり、プラズマ発生時に副生するオゾンガスを有効に利用することで、単なるプラズマ照射による表面処理に対して、同じエネルギで表面酸素濃度を高めることができる。
また、表面処理装置は、照射部255に筒部251を設けるという簡単な構造で表面酸素濃度を改善できる。なお、筒部251の長手方向の長さを調整することで、オゾンガスの暴露時間を調整することができ、炭素化された繊維1dの走行速度を変更することなく、暴露時間を調整できる。
Since ozone gas is produced as a by-product by plasma generation, it does not require energy for generating ozone gas. That is, by effectively utilizing the ozone gas produced as a by-product when plasma is generated, the surface oxygen concentration can be increased with the same energy as compared with the surface treatment by mere plasma irradiation.
Further, the surface treatment apparatus can improve the surface oxygen concentration by a simple structure in which the cylinder portion 251 is provided in the irradiation portion 255. By adjusting the length of the tubular portion 251 in the longitudinal direction, the exposure time of ozone gas can be adjusted, and the exposure time can be adjusted without changing the traveling speed of the carbonized fiber 1d.

<オゾンガス濃度>
実施例1−3において、図3に示すように、オゾンガス濃度が100[ppm]のときに表面酸素濃度が最大であった。なお、オゾンガスの暴露時間が0.1[sec]の比較例1−3においてもオゾンガス濃度が100[ppm]のときに表面酸素濃度が最大であった。
この理由は、オゾンガスの濃度が高くなりすぎる(例えば160[ppm]である)と、オゾンガス中の酸素ラジカル同士の衝突が増えて酸素ラジカルの平均自由工程が減少し、オゾンガスの濃度が低くなりすぎる(例えば40[ppm]である)と、酸素ラジカルの密度が低くなると考えられる。
<Ozone gas concentration>
In Examples 1-3, as shown in FIG. 3, the surface oxygen concentration was the maximum when the ozone gas concentration was 100 [ppm]. Even in Comparative Example 1-3 in which the exposure time of ozone gas was 0.1 [sec], the surface oxygen concentration was the maximum when the ozone gas concentration was 100 [ppm].
The reason for this is that if the concentration of ozone gas becomes too high (for example, 160 [ppm]), the collision between oxygen radicals in the ozone gas increases, the average free process of oxygen radicals decreases, and the concentration of ozone gas becomes too low. (For example, 40 [ppm]), the density of oxygen radicals is considered to be low.

<<変形例>>
以上、実施形態に基づいて説明したが、本発明は実施形態に限られない。例えば、以下で説明する変形例と実施形態の何れかを適宜組み合わせてもよいし、複数の変形例を適宜組み合わせてもよい。
<< Modification example >>
Although the above description is based on the embodiment, the present invention is not limited to the embodiment. For example, any of the modified examples and the embodiments described below may be appropriately combined, or a plurality of modified examples may be appropriately combined.

実施形態では、フィラメント数が12,000本の炭素繊維の製造方法について説明したが、フィラメント数が3,000本、6,000本、24,000本等の他の本数の前駆体繊維を利用した炭素化された繊維の表面処理方法や炭素繊維の製造方法にも適用できる。
実施形態では、炭素化工程を含んだ炭素繊維の製造方法について説明したが、例えば、表面処理工程前に、さらに黒鉛化処理を行ってもよい。つまり、実施形態では、主に汎用品(弾性率240[GPa])の炭素繊維の製造方法について説明したが、表面処理工程は、高弾性品、中弾性高強度品等の高性能品の炭素繊維用の炭素化された繊維にも利用できる。当然に、高性能品の炭素繊維の製造方法にも利用できる。
In the embodiment, a method for producing carbon fibers having 12,000 filaments has been described, but other precursor fibers having 3,000 filaments, 6,000, 24,000 filaments, etc. are used. It can also be applied to a method for surface treatment of carbonized fibers and a method for producing carbon fibers.
In the embodiment, the method for producing the carbon fiber including the carbonization step has been described, but for example, the graphitization treatment may be further performed before the surface treatment step. That is, in the embodiment, the method for producing carbon fiber of a general-purpose product (elastic modulus 240 [GPa]) has been mainly described, but the surface treatment step is performed on carbon of a high-performance product such as a high-elasticity product and a medium-elasticity high-strength product. It can also be used for carbonized fibers for fibers. Naturally, it can also be used as a method for producing high-performance carbon fiber.

実施形態の照射部255は、平行平板電極を利用しているが、例えば、同軸円筒電極等を利用してもよい。また、照射部255は、プラズマを発生させるために、誘電体バリア放電を利用しているが、例えば、コロナ放電、大気圧グロー放電等の他の手段を利用してもよい。
実施形態の照射部255は、筒部251の外部で発生したプラズマを貫通孔253から内部に吹き込んでいるが、例えば、一対の電極を筒部内に配置し、一対の電極間を炭素化された繊維が走行するようにしてもよい。
The irradiation unit 255 of the embodiment uses a parallel flat plate electrode, but for example, a coaxial cylindrical electrode or the like may be used. Further, although the irradiation unit 255 uses a dielectric barrier discharge to generate plasma, other means such as corona discharge and atmospheric pressure glow discharge may be used.
The irradiation unit 255 of the embodiment blows plasma generated outside the cylinder portion 251 into the inside through the through hole 253. For example, a pair of electrodes are arranged inside the cylinder portion, and the space between the pair of electrodes is carbonized. The fibers may be allowed to run.

実施例では、1個の照射部255を有していたが、炭素化された繊維の走行方向に複数個配してもよい。 In the embodiment, one irradiation unit 255 is provided, but a plurality of carbonized fibers may be arranged in the traveling direction.

1 繊維
1a プリカーサ
1b 耐炎化繊維
1d 炭素化された繊維
25 表面処理装置
251 筒部
255 照射部
1 Fiber 1a Precursor 1b Flame resistant fiber 1d Carbonized fiber 25 Surface treatment device 251 Cylinder part 255 Irradiation part

Claims (9)

炭素化された繊維にプラズマを照射する照射工程と、
前記プラズマで副生するオゾンガスを接触させる接触工程と
を含む炭素化された繊維の表面処理方法。
An irradiation process that irradiates carbonized fibers with plasma,
A method for surface treatment of carbonized fibers, which comprises a contact step of contacting ozone gas produced as a by-product of the plasma.
前記炭素化された繊維の表面処理は表面処理装置内を前記炭素化された繊維が走行することで行われ、
前記接触工程は、前記プラズマを照射する位置に対して前記炭素化された繊維の走行方向の上流側と下流側とで行われ、炭素繊維質量あたりのオゾンガス曝露時間が15〜1,000,000sec/gである
請求項1に記載の表面処理方法。
The surface treatment of the carbonized fiber is performed by running the carbonized fiber in the surface treatment device.
The contact step is performed on the upstream side and the downstream side in the traveling direction of the carbonized fiber with respect to the position where the plasma is irradiated, and the ozone gas exposure time per carbon fiber mass is 15 to 1,000,000 sec. The surface treatment method according to claim 1, wherein / g.
前記表面処理装置は、前記炭素化された繊維の走行方向に延伸する筒状の筒部と、前記筒部の長手方向の中間部分に設けられ且つ前記プラズマを照射する照射部とを有し、
前記炭素化された繊維は前筒部内を走行し、
前記筒部における前記照射部の上流側の入り口での前記オゾンガス濃度が20〜200ppmである
請求項2に記載の表面処理方法。
The surface treatment apparatus has a tubular tubular portion extending in the traveling direction of the carbonized fiber, and an irradiation portion provided in an intermediate portion in the longitudinal direction of the tubular portion and irradiating the plasma.
The carbonized fiber runs in the front cylinder portion and runs inside the front cylinder portion.
The surface treatment method according to claim 2, wherein the ozone gas concentration at the upstream entrance of the irradiation portion in the cylinder portion is 20 to 200 ppm.
前記筒部を同時に通過するすべての炭素化された繊維の合計の横断面積に対して、前記筒部の横断面積が5〜4×10倍の内部空間を有する
請求項3に記載の表面処理方法。
The surface treatment according to claim 3, wherein the cross-sectional area of the tubular portion has an internal space of 5 to 4 × 10 4 times the total cross-sectional area of all carbonized fibers passing through the tubular portion at the same time. Method.
耐炎化繊維を炭素化してなる炭素繊維の製造方法において、
前記耐炎化繊維を炭素化する炭素化工程と、
炭素化された繊維の表面を改質する表面処理工程と
を含み、
前記表面処理工程では、請求項1〜4の何れか1項に記載の表面処理方法により前記表面の改質を行う
炭素繊維の製造方法。
In the method for producing carbon fiber obtained by carbonizing flame-resistant fiber,
The carbonization step of carbonizing the flame-resistant fiber and
Including a surface treatment step to modify the surface of carbonized fiber,
A method for producing carbon fibers, wherein in the surface treatment step, the surface is modified by the surface treatment method according to any one of claims 1 to 4.
走行する炭素化された繊維の表面を改質する表面処理装置において、
前記炭素化された繊維の走行方向に延伸する筒状の筒部と、
前記筒部の長手方向の中間部分に設けられ且つプラズマを照射する照射部と
を有し、
前記筒部内では、前記照射部で照射するプラズマで副生するオゾンガスが走行中の前記炭素化された繊維と接触する
表面処理装置。
In a surface treatment device that modifies the surface of running carbonized fibers
A tubular tubular portion extending in the traveling direction of the carbonized fiber and a tubular portion
It has an irradiation portion provided in the middle portion in the longitudinal direction of the cylinder portion and irradiates plasma.
A surface treatment device in which the ozone gas produced as a by-product of the plasma irradiated by the irradiation unit comes into contact with the running carbonized fibers in the cylinder portion.
前記筒部の横断面形状が円形状又は矩形状である
請求項6に記載の表面処理装置。
The surface treatment apparatus according to claim 6, wherein the cross-sectional shape of the tubular portion is circular or rectangular.
前記筒部を通過するすべての炭素化された繊維の合計の横断面積に対して、前記筒部の横断面積が5〜4×10倍の内部空間を有する
請求項6又は7に記載の表面処理装置。
The surface according to claim 6 or 7, wherein the cross-sectional area of the tubular portion has an internal space 5 to 4 × 10 4 times the total cross-sectional area of all carbonized fibers passing through the tubular portion. Processing equipment.
前記照射部においてプラズマを照射するための照射口がスリット、円又は楕円、多角形のうちから選ばれる形状である
請求項6〜8の何れか1項に記載の表面処理装置。
The surface treatment apparatus according to any one of claims 6 to 8, wherein the irradiation port for irradiating plasma in the irradiation unit has a shape selected from a slit, a circle, an ellipse, and a polygon.
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