JP2023003361A - Light-weight carbon fiber, light-weight carbon fiber strand, carbon fiber fiber-reinforced composite material, manufacturing method thereof, and microwave oven - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、軽量炭素繊維、軽量炭素繊維ストランド、炭素繊維強化複合材料、及びこれらの製造方法、並びにマイクロ波加熱炉に関する。詳しくは、浮沈法による密度が1.60~1.75[g/cm3]である軽量炭素繊維、軽量炭素繊維ストランド、炭素繊維強化複合材料、及びこれらの製造方法、並びにこの製造に特に適した構造を有するマイクロ波加熱炉に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to lightweight carbon fibers, lightweight carbon fiber strands, carbon fiber reinforced composite materials, production methods thereof, and microwave heating furnaces. Specifically, a lightweight carbon fiber, a lightweight carbon fiber strand, a carbon fiber reinforced composite material having a density of 1.60 to 1.75 [g/cm 3 ] by the floating and sinking method, a method for producing the same, and a method particularly suitable for the production It relates to a microwave heating furnace having a structure.
炭素繊維は、他の繊維と比較して優れた比強度及び比弾性率を有しており、その軽量性及び優れた機械的特性を利用して、樹脂と複合化する補強繊維等として広く工業的に利用されている。 Carbon fiber has excellent specific strength and specific modulus compared to other fibers, and is widely used in industry as a reinforcing fiber that is compounded with resin, taking advantage of its light weight and excellent mechanical properties. used for purposes.
従来、炭素繊維は次のように製造されている。先ず、前駆体繊維を加熱空気中230~260℃で30~100分間加熱することにより耐炎化処理される。この耐炎化処理により、アクリル系繊維の環化反応を生じさせ、酸素結合量を増加させて耐炎化繊維を得る。この耐炎化繊維は、例えば、窒素雰囲気下、300~800℃の焼成炉を用いて温度勾配をかけながら炭素化される(第一炭素化処理)。次いで、窒素雰囲気下で800~2100℃の焼成炉を用いて温度勾配をかけながらさらに炭素化される(第二炭素化処理)。このように、炭素繊維は加熱された焼成炉内で、耐炎化繊維をその外部から加熱することによって製造されている。 Conventionally, carbon fibers are manufactured as follows. First, the precursor fiber is flameproofed by heating it in heated air at 230-260° C. for 30-100 minutes. This flameproofing treatment causes a cyclization reaction of the acrylic fiber to increase the amount of oxygen bonds to obtain a flameproof fiber. This flameproof fiber is carbonized, for example, in a nitrogen atmosphere using a firing furnace at 300 to 800° C. while applying a temperature gradient (first carbonization treatment). Then, it is further carbonized in a nitrogen atmosphere using a firing furnace at 800 to 2100° C. while applying a temperature gradient (second carbonization treatment). Thus, carbon fibers are produced by externally heating flameproof fibers in a heated kiln.
このように製造される炭素繊維は、通常1.8~2.2[g/cm3]程度の密度を有するが、更なる軽量化が試みられている。 Carbon fibers produced in this way usually have a density of about 1.8 to 2.2 [g/cm 3 ], but efforts are being made to further reduce their weight.
非特許文献1には、中空構造を有する密度が1.2g/cm3程度(中空部を含む見掛け密度)の軽量炭素繊維が開示されている。しかし、中空構造の炭素繊維は、弾性率は優れるものの強度が不十分である。また、この炭素繊維は、中空部を除外した真の密度は1.85g/cm3程度である。 Non-Patent Document 1 discloses a lightweight carbon fiber having a hollow structure and a density of about 1.2 g/cm 3 (apparent density including the hollow portion). However, hollow-structured carbon fibers have an excellent elastic modulus but are insufficient in strength. In addition, this carbon fiber has a true density of about 1.85 g/cm 3 excluding the hollow portion.
特許文献1には、密度が1.75g/cm3以下であり、樹脂含浸ストランド強度および弾性率がそれぞれ650kgf/mm2以上および35t/mm3以上である炭素繊維が開示されている。 Patent Document 1 discloses a carbon fiber having a density of 1.75 g/cm 3 or less, and a resin-impregnated strand strength and elastic modulus of 650 kgf/mm 2 or more and 35 t/mm 3 or more, respectively.
特許文献2には、密度が1.79g/cm3以下であり、La≧1[nm]であり、引張弾性率TM[GPa]が170≦TM≦230の場合、La≦ -0.5+0.01×TM [nm]である炭素繊維が開示されている。 In Patent Document 2, when the density is 1.79 g/cm 3 or less, La≧1 [nm], and the tensile elastic modulus TM [GPa] is 170≦TM≦230, La≦−0.5+0. 01×TM [nm] are disclosed.
非特許文献2には、比重1.5~1.6、引張強度が0.5~0.7GPa、引張弾性率が20~30GPaである炭素繊維が開示されている。 Non-Patent Document 2 discloses a carbon fiber having a specific gravity of 1.5 to 1.6, a tensile strength of 0.5 to 0.7 GPa, and a tensile modulus of elasticity of 20 to 30 GPa.
以上のように、軽量であり、且つ引張強度及び引張弾性率の何れもが優れる炭素繊維は得られていないのが現状である。
As described above, the current situation is that no carbon fiber that is lightweight and excellent in both tensile strength and tensile modulus has been obtained.
本発明の課題は、軽量であり、且つ引張強度及び引張弾性率の何れもが優れる軽量炭素繊維、軽量炭素繊維ストランド、炭素繊維強化複合材料、及びこれらの製造方法、並びにマイクロ波加熱炉を提供することである。
An object of the present invention is to provide a lightweight carbon fiber, a lightweight carbon fiber strand, a carbon fiber reinforced composite material, a manufacturing method thereof, and a microwave heating furnace, which are lightweight and excellent in both tensile strength and tensile modulus. It is to be.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、被加熱繊維を所定の条件でマイクロ波加熱して炭素化することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies aimed at solving the above problems, the present inventors found that the above problems can be solved by carbonizing the fibers to be heated under predetermined conditions by microwave heating. Arrived.
上記課題を解決する本発明は以下に記載するとおりである。 The present invention for solving the above problems is as described below.
〔1〕 浮沈法による密度が1.60~1.75[g/cm3]、引張強度が3.00[GPa]以上、引張弾性率が200[GPa]以上、比強度が1.50~2.50[MNm/kg]、比弾性率が120~150[MNm/kg]であることを特徴とするポリアクリロニトリル系の軽量炭素繊維。 [1] Density by floating and sinking method of 1.60 to 1.75 [g/cm 3 ], tensile strength of 3.00 [GPa] or more, tensile modulus of elasticity of 200 [GPa] or more, specific strength of 1.50 or more 2. A lightweight polyacrylonitrile-based carbon fiber characterized by having a specific elastic modulus of 2.50 [MNm/kg] and a specific elastic modulus of 120 to 150 [MNm/kg].
〔2〕 結晶サイズLaが1.80~3.00[nm]である〔1〕に記載の軽量炭素繊維。 [2] The lightweight carbon fiber according to [1], wherein the crystal size La is 1.80 to 3.00 [nm].
〔3〕 結晶サイズLcが1.00~3.00[nm]である〔1〕又は〔2〕に記載の軽量炭素繊維。 [3] The lightweight carbon fiber according to [1] or [2], which has a crystal size Lc of 1.00 to 3.00 [nm].
〔4〕 中実構造を有する〔1〕乃至〔3〕の何れかに記載の軽量炭素繊維。 [4] The lightweight carbon fiber according to any one of [1] to [3], which has a solid structure.
〔5〕 フィラメントの状態で測定するヘリウム充填法による炭素繊維密度(A)[g/cm3]と、該フィラメントを体積平均粒子径0.2~0.5μmに粉砕した後に測定するヘリウム充填法による炭素繊維密度(B)[g/cm3]とが下記式(1)
1.15 > A/B > 1.03 ・・・式(1)
を満たす〔1〕乃至〔4〕の何れかに記載の軽量炭素繊維。
[5] Carbon fiber density (A) [g/cm 3 ] by helium filling method measured in filament state, and helium filling method measured after pulverizing the filament to a volume average particle size of 0.2 to 0.5 μm. The carbon fiber density (B) [g/cm 3 ] by the following formula (1)
1.15>A/B>1.03 Expression (1)
The lightweight carbon fiber according to any one of [1] to [4], which satisfies
〔6〕 〔1〕乃至〔5〕の何れかに記載の軽量炭素繊維から成り、繊度が1000[tex]以上であることを特徴とする軽量炭素繊維ストランド。 [6] A lightweight carbon fiber strand comprising the lightweight carbon fiber according to any one of [1] to [5] and having a fineness of 1000 [tex] or more.
上記〔1〕に記載の軽量炭素繊維は、浮沈法による密度が1.60~1.75[g/cm3]と軽量でありながら、引張強度が3.00[GPa]以上、引張弾性率が200[GPa]以上という高い物性を有する。
この軽量炭素繊維は、結晶サイズLaが1.80~3.00[nm]であることが好ましく(上記〔2〕)、結晶サイズLcが1.00~3.00[nm]であることが好ましい(上記〔3〕)。
また、この軽量炭素繊維は、中空構造ではなく中実構造を有することが好ましい(上記〔4〕)。
さらに、この軽量炭素繊維は、フィラメントの状態で測定した密度と、該フィラメントを所定粒度に粉砕した状態で測定した密度と、が所定の範囲にあることが好ましい(上記〔5〕)。
この軽量炭素繊維は、複数本が束ねられて成るストランドであっても良い(上記〔6〕)。
The lightweight carbon fiber described in [1] above has a density of 1.60 to 1.75 [g/cm 3 ] according to the floating-sink method, which is lightweight, yet has a tensile strength of 3.00 [GPa] or more, and a tensile modulus of elasticity of 3.00 [GPa] or more. has high physical properties of 200 [GPa] or more.
The lightweight carbon fiber preferably has a crystal size La of 1.80 to 3.00 [nm] ([2] above), and a crystal size Lc of 1.00 to 3.00 [nm]. It is preferable (above [3]).
Also, the lightweight carbon fiber preferably has a solid structure rather than a hollow structure ([4] above).
Furthermore, it is preferable that the density of the lightweight carbon fiber measured in the filament state and the density measured in the state of pulverizing the filament to a predetermined particle size fall within a predetermined range ([5] above).
This lightweight carbon fiber may be a strand formed by bundling a plurality of fibers (above [6]).
〔7〕 〔1〕乃至〔6〕の何れかに記載の軽量炭素繊維又は軽量炭素繊維ストランドを含んで成る炭素繊維強化複合材料。 [7] A carbon fiber reinforced composite material comprising the lightweight carbon fiber or lightweight carbon fiber strand according to any one of [1] to [6].
〔8〕 マイクロ波加熱炉内に被加熱繊維を走行させながら、前記マイクロ波加熱炉内にマイクロ波を導入して前記被加熱繊維にマイクロ波を直接照射することにより、前記被加熱繊維を加熱する炭素繊維の製造方法であって、
前記被加熱繊維の加熱手段として、前記被加熱繊維に対するマイクロ波の直接照射以外の加熱手段をさらに用いて加熱することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
[8] Directly irradiating the fibers to be heated with microwaves by introducing microwaves into the microwave heating furnace while running the fibers to be heated in the microwave heating furnace, thereby heating the fibers to be heated. A method for producing a carbon fiber that
A method for producing carbon fibers, wherein the fibers to be heated are heated by using a heating means other than direct irradiation of microwaves to the fibers to be heated.
〔9〕 前記加熱手段が、マイクロ波加熱炉内の一部に配設されたマイクロ波吸収管内に前記被加熱繊維を走行させながら、前記マイクロ波加熱炉内にマイクロ波を導入することにより前記マイクロ波吸収管を発熱させて前記被加熱繊維を加熱する加熱手段である〔8〕に記載の炭素繊維の製造方法。 [9] The heating means introduces microwaves into the microwave heating furnace while causing the fibers to be heated to run in a microwave absorption tube disposed in a portion of the microwave heating furnace. The method for producing carbon fiber according to [8], wherein the heating means heats the fiber to be heated by heating the microwave absorption tube.
〔10〕 前記マイクロ波加熱炉の一端側にマイクロ波吸収管を配設し、前記マイクロ波吸収管を発熱させて前記被加熱繊維を予備加熱した後、前記被加熱繊維にマイクロ波を直接照射する〔9〕に記載の炭素繊維の製造方法。 [10] A microwave absorbing tube is provided at one end of the microwave heating furnace, and after preheating the fibers to be heated by heating the microwave absorbing tube, the fibers to be heated are directly irradiated with microwaves. The method for producing carbon fiber according to [9].
〔11〕 〔8〕乃至〔10〕の何れかに記載の製造方法により得られる炭素繊維。 [11] A carbon fiber obtained by the production method according to any one of [8] to [10].
〔12〕 〔11〕に記載の炭素繊維を含んで成る炭素繊維強化複合材料。 [12] A carbon fiber-reinforced composite material comprising the carbon fiber of [11].
〔13〕 マイクロ波加熱炉内の一端側に、筒状のマイクロ波吸収管を設け、被加熱繊維が前記マイクロ波吸収管内を走行するように構成されて成るマイクロ波加熱炉であって、
前記マイクロ波加熱炉内にマイクロ波を導入することにより、前記マイクロ波吸収管を発熱させて前記マイクロ波吸収管内を走行する被加熱繊維を予備加熱した後、前記マイクロ波吸収管外で前記被加熱繊維にマイクロ波を直接照射してさらに加熱するように構成されていることを特徴とするマイクロ波加熱炉。
[13] A microwave heating furnace comprising a tubular microwave absorption tube provided at one end of the microwave heating furnace, and a fiber to be heated running in the microwave absorption tube,
By introducing microwaves into the microwave heating furnace, the microwave absorbing tube is heated to preheat the fibers to be heated running in the microwave absorbing tube, and then the coated fiber is heated outside the microwave absorbing tube. A microwave heating furnace characterized in that it is configured to directly irradiate heating fibers with microwaves to further heat them.
本発明の軽量炭素繊維は、軽量且つ高強度であるため、これを用いて製造する炭素繊維強化複合材料を従来よりも軽量化できる。
Since the lightweight carbon fiber of the present invention is lightweight and has high strength, it is possible to reduce the weight of the carbon fiber reinforced composite material produced by using it.
以下、本発明の軽量炭素繊維等について詳細に説明する。なお、本発明において、密度は25℃における値を意味する。 The lightweight carbon fiber and the like of the present invention will be described in detail below. In addition, in this invention, a density means the value in 25 degreeC.
(1) 軽量炭素繊維
本発明の軽量炭素繊維は、浮沈法による密度が1.60~1.75[g/cm3]、引張強度が3.00[GPa]以上、引張弾性率が200[GPa]以上、比強度が1.50~2.50[MNm/kg]、比弾性率が120~150[MNm/kg]であるポリアクリロニトリル系の軽量炭素繊維である。
(1) Lightweight carbon fiber The lightweight carbon fiber of the present invention has a density of 1.60 to 1.75 [g/cm 3 ], a tensile strength of 3.00 [GPa] or more, and a tensile modulus of elasticity of 200 [ GPa] or more, a specific strength of 1.50 to 2.50 [MNm/kg], and a specific elastic modulus of 120 to 150 [MNm/kg].
本発明の軽量炭素繊維は、浮沈法による密度が1.60~1.75[g/cm3]であり、1.62~1.73[g/cm3]であることが好ましく、1.63~1.72[g/cm3]であることがより好ましい。1.75[g/cm3]を超える場合、軽量化が不十分である。1.60[g/cm3]未満である場合、炭素繊維が中空構造となったり、繊維内部に大きなボイドが形成されたりして、引張強度が低下し易くなる。 The lightweight carbon fiber of the present invention has a density of 1.60 to 1.75 [g/cm 3 ], preferably 1.62 to 1.73 [g/cm 3 ], as measured by a floating/sinking method. It is more preferably 63 to 1.72 [g/cm 3 ]. If it exceeds 1.75 [g/cm 3 ], weight reduction is insufficient. If it is less than 1.60 [g/cm 3 ], the carbon fiber will have a hollow structure, or large voids will be formed inside the fiber, and the tensile strength will tend to decrease.
本発明の軽量炭素繊維は、後述の樹脂含浸法により測定されるストランド引張強度が3.00[GPa]以上であり、3.05~5.00[GPa]であることが好ましく、3.50~4.50[GPa]であることが特に好ましい。引張強度が3.00[GPa]未満である場合、炭素繊維強化複合材料の物性が十分に高くならない場合がある。 The lightweight carbon fiber of the present invention has a strand tensile strength of 3.00 [GPa] or more, preferably 3.05 to 5.00 [GPa], measured by a resin impregnation method described later, and 3.50 It is particularly preferable to be up to 4.50 [GPa]. If the tensile strength is less than 3.00 [GPa], the physical properties of the carbon fiber reinforced composite material may not be sufficiently high.
本発明の軽量炭素繊維は、後述の樹脂含浸法により測定されるストランド引張弾性率200[GPa]以上であり、205~300[GPa]であることが好ましく、210~250[GPa]であることがより好ましい。引張弾性率が200[GPa]未満である場合、炭素繊維強化複合材料の物性が十分に高くならない場合がある。 The lightweight carbon fiber of the present invention has a strand tensile elastic modulus of 200 [GPa] or more, preferably 205 to 300 [GPa], and more preferably 210 to 250 [GPa], as measured by the resin impregnation method described later. is more preferred. If the tensile modulus is less than 200 [GPa], the physical properties of the carbon fiber reinforced composite material may not be sufficiently high.
本発明の軽量炭素繊維は、比強度が1.50~2.50[MNm/kg]であり、1.70~2.50[MNm/kg]であることが好ましく、1.80~2.40[MNm/kg]であることがより好ましい。なお、比強度は、上記の後述の樹脂含浸法により測定されるストランド引張強度[GPa]を浮沈法による密度[g/cm3]で除した値である。 The lightweight carbon fiber of the present invention has a specific strength of 1.50 to 2.50 [MNm/kg], preferably 1.70 to 2.50 [MNm/kg], and 1.80 to 2.50 [MNm/kg]. It is more preferably 40 [MNm/kg]. The specific strength is a value obtained by dividing the strand tensile strength [GPa] measured by the resin impregnation method described later by the density [g/cm 3 ] by the floating and sinking method.
本発明の軽量炭素繊維は、比弾性率が120~150[MNm/kg]であり、124~146[MNm/kg]であることが好ましく、126~144[MNm/kg]であることがより好ましい。なお、比強度は、上記の後述の樹脂含浸法により測定されるストランド引張弾性率[GPa]を浮沈法による密度[g/cm3]で除した値である。 The lightweight carbon fiber of the present invention has a specific elastic modulus of 120 to 150 [MNm/kg], preferably 124 to 146 [MNm/kg], more preferably 126 to 144 [MNm/kg]. preferable. The specific strength is a value obtained by dividing the strand tensile elastic modulus [GPa] measured by the resin impregnation method described later by the density [g/cm 3 ] by the floating and sinking method.
本発明の軽量炭素繊維は、結晶サイズLaが1.80~3.00[nm]であることが好ましく、2.12~2.81[nm]であることがより好ましく、2.25~2.80[nm]であることがより好ましい。Laが上記の範囲外である場合、引張強度や引張弾性率が低下し易い。 The lightweight carbon fiber of the present invention preferably has a crystal size La of 1.80 to 3.00 [nm], more preferably 2.12 to 2.81 [nm], more preferably 2.25 to 2.81 [nm]. It is more preferably 0.80 [nm]. If La is outside the above range, the tensile strength and tensile modulus are likely to decrease.
本発明の軽量炭素繊維は、結晶サイズLcが1.00~3.00[nm]であることが好ましく、1.20~2.20[nm]であることがより好ましく、1.40~2.00[nm]であることがより好ましい。Lcが上記の範囲外である場合、引張強度や引張弾性率が低下し易い。 The lightweight carbon fiber of the present invention preferably has a crystal size Lc of 1.00 to 3.00 [nm], more preferably 1.20 to 2.20 [nm], and more preferably 1.40 to 2.0 [nm]. It is more preferably 0.00 [nm]. If Lc is outside the above range, the tensile strength and tensile modulus are likely to decrease.
本発明の軽量炭素繊維は、中実構造を有することが好ましい。本発明において、中実構造とは、フィラメントの断面において、フィラメント径の1/20以上の直径を有する空洞を有さないことを意味する。
中空構造を有する炭素繊維は、軽量にはなるが、引張強度が十分に高くならない。
The lightweight carbon fibers of the present invention preferably have a solid structure. In the present invention, a solid structure means that the cross section of the filament does not have a cavity having a diameter of 1/20 or more of the filament diameter.
A carbon fiber having a hollow structure is lightweight, but does not have a sufficiently high tensile strength.
本発明の軽量炭素繊維は、フィラメントの状態で測定するヘリウム充填法による炭素繊維密度(A)[g/cm3]と、該フィラメントを体積平均粒子径0.2~0.5μmに凍結粉砕した後に測定するヘリウム充填法による炭素繊維密度(B)[g/cm3]とが下記式(1)
1.15 > A/B > 1.03 ・・・式(1)
を満たすことが好ましい。
1.15以上である場合、炭素繊維が中空構造であるか、炭素繊維内部に大きいボイドが多く存在しているため、炭素繊維の引張強度が低下し易い。1.03以下である場合、浮沈法による密度が十分に低くならない場合がある。
The lightweight carbon fiber of the present invention has a carbon fiber density (A) [g/cm 3 ] measured by the helium filling method measured in the state of a filament, and freeze-pulverized the filament to a volume average particle size of 0.2 to 0.5 μm. The carbon fiber density (B) [g/cm 3 ] by the helium filling method to be measured later is expressed by the following formula (1)
1.15>A/B>1.03 Expression (1)
is preferably satisfied.
If it is 1.15 or more, the carbon fiber has a hollow structure or many large voids are present inside the carbon fiber, so the tensile strength of the carbon fiber tends to decrease. If it is 1.03 or less, the density by the floating-sinking method may not be sufficiently low.
凍結粉砕は液体窒素中、ボールミル粉砕により行う。凍結粉砕は炭素繊維の体積平均粒子径が0.2~0.5μmとなるまで行う。0.5μmを超える場合は、繊維内部のボイドが十分に露出しない。 Freeze pulverization is performed by ball mill pulverization in liquid nitrogen. Freeze pulverization is performed until the volume average particle size of the carbon fibers reaches 0.2 to 0.5 μm. If it exceeds 0.5 μm, voids inside the fiber are not sufficiently exposed.
本発明の軽量炭素繊維は、炭素含有率が90~98[質量%]であることが好ましく、91~96[質量%]であることがより好ましく、91~95[質量%]であることがさらに好ましい。 The lightweight carbon fiber of the present invention preferably has a carbon content of 90 to 98 [mass%], more preferably 91 to 96 [mass%], and more preferably 91 to 95 [mass%]. More preferred.
(2) 軽量炭素繊維ストランド
本発明の軽量炭素繊維は、複数本を束ねたストランドであっても良い。ストランドの繊度は1000[tex]以上であることが好ましく、1600[tex]以上であることがより好ましい。
(2) Lightweight carbon fiber strand The lightweight carbon fiber of the present invention may be a strand in which a plurality of fibers are bundled. The fineness of the strand is preferably 1000 [tex] or more, more preferably 1600 [tex] or more.
本発明の軽量炭素繊維は、繊維長が10[cm]以上の連続繊維であることが好ましく、1[m]以上の連続繊維であることがより好ましい。 The lightweight carbon fibers of the present invention are preferably continuous fibers having a fiber length of 10 [cm] or more, more preferably 1 [m] or more.
(3) 軽量炭素繊維又は軽量炭素繊維ストランドの製造方法
本発明の軽量炭素繊維又は軽量炭素繊維ストランドは、被加熱繊維に対して所定条件でマイクロ波を照射して加熱することにより製造することができる。
(3) Method for producing lightweight carbon fiber or lightweight carbon fiber strand The lightweight carbon fiber or lightweight carbon fiber strand of the present invention can be produced by heating the fiber to be heated by irradiating it with microwaves under predetermined conditions. can.
被加熱繊維は、ポリアクリロニトリル系耐炎化繊維であり、その炭素含有量は66~72[質量%]であることが好ましく、67~71[質量%]であることがより好ましい。ポリアクリロニトリル系耐炎化繊維は通常、前駆体繊維であるPAN系繊維を耐炎化処理することにより製造される。 The fibers to be heated are polyacrylonitrile-based flameproof fibers, and the carbon content thereof is preferably 66 to 72 [mass %], more preferably 67 to 71 [mass %]. Polyacrylonitrile-based flame-resistant fibers are usually produced by subjecting PAN-based fibers, which are precursor fibers, to a flame-resistant treatment.
〈原料繊維〉
原料繊維としては、アクリロニトリルを単独重合し、又はアクリロニトリルを90[質量%]以上、好ましくは95[質量%]以上含有する単量体組成物を共重合して得られる紡糸溶液を、湿式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PAN系繊維を用いることができる。共重合する単量体としては、アクリル酸メチル、イタコン酸、メタクリル酸メチル、メタクリル酸、アクリル酸等のような極性を有する単量体が好ましい。
<Raw material fiber>
As the raw material fiber, a spinning solution obtained by homopolymerizing acrylonitrile or copolymerizing a monomer composition containing 90 [mass %] or more, preferably 95 [mass %] or more of acrylonitrile, is wet-type or dry-wet. A PAN-based fiber obtained by washing, drying and drawing after spinning in a spinning method can be used. Monomers to be copolymerized are preferably polar monomers such as methyl acrylate, itaconic acid, methyl methacrylate, methacrylic acid and acrylic acid.
炭素繊維の前駆体繊維である原料繊維は、束ねられて前駆体繊維ストランドが形成される。前駆体繊維ストランドの単繊維数は、製造効率の面では1000~48000本が好ましく、3000~24000本がより好ましい。 Raw fibers, which are precursor fibers of carbon fibers, are bundled to form precursor fiber strands. The number of single fibers in the precursor fiber strand is preferably 1,000 to 48,000, more preferably 3,000 to 24,000 in terms of production efficiency.
〈耐炎化〉
上記PAN系繊維を前駆体繊維とし、この繊維を加熱空気中で200~300℃、10~100分間酸化させることにより耐炎化処理される。この耐炎化処理により、PAN系繊維の分子内環化反応が起き、さらに酸素結合量が増加し、耐炎化繊維が得られる。この耐炎化処理工程においては、PAN系繊維は延伸倍率0.90~1.20の範囲で延伸することが好ましい。また、耐炎化処理を行った後、不活性雰囲気中、好ましくは窒素雰囲気中500~1000℃の温度で予備炭素化処理を行ってもよい。かかる処理を行うことで、被加熱繊維の炭素含有量を適切な範囲に調整することができる。
<Flame resistant>
The above PAN-based fiber is used as a precursor fiber, and this fiber is oxidized in heated air at 200 to 300° C. for 10 to 100 minutes to be flameproofed. This flameproofing treatment causes an intramolecular cyclization reaction of the PAN-based fiber, further increasing the amount of oxygen bonding, and obtaining a flameproof fiber. In this flameproofing treatment step, the PAN-based fiber is preferably drawn at a draw ratio of 0.90 to 1.20. Further, after performing the flameproofing treatment, a preliminary carbonization treatment may be performed at a temperature of 500 to 1000° C. in an inert atmosphere, preferably in a nitrogen atmosphere. By performing such treatment, the carbon content of the fiber to be heated can be adjusted to an appropriate range.
〈炭素化〉
本発明の軽量炭素繊維は、被加熱繊維である上記PAN系耐炎化繊維を所定条件でマイクロ波加熱することによって製造できる。
<Carbonization>
The lightweight carbon fiber of the present invention can be produced by subjecting the PAN-based flameproof fiber, which is the fiber to be heated, to microwave heating under predetermined conditions.
マイクロ波の周波数は、特に限定されないが、一般的に915MHzや2.45GHzが用いられる。マイクロ波発振器の出力は、特に限定されないが、300~2400Wが適当であり、500~2000Wがより適当である。 Although the frequency of microwaves is not particularly limited, 915 MHz and 2.45 GHz are generally used. The output of the microwave oscillator is not particularly limited, but 300 to 2400W is suitable, and 500 to 2000W is more suitable.
本発明の軽量炭素繊維を得るための製造条件としては、加熱によって被加熱繊維が炭素繊維に変化するまでの時間が特に重要となる。この時間を調整する方法としては、マイクロ波の共振長さを変更する方法や、マイクロ波以外の加熱手段を併用する方法、電界加熱と磁界加熱とを併用する方法が例示される。 As a production condition for obtaining the lightweight carbon fiber of the present invention, the time required for the heated fiber to change into carbon fiber by heating is particularly important. Examples of methods for adjusting this time include a method of changing the resonance length of microwaves, a method of using heating means other than microwaves, and a method of using both electric field heating and magnetic field heating.
マイクロ波の共振長さを変更することにより、被加熱繊維から炭素繊維へと変化するまでの時間を調整することができ、得られる炭素繊維の密度やLa、Lcを調整することができる。当該条件は、マイクロ波の共振長さを変更して炭素繊維を製造し、その密度やLa、Lcを測定することにより決定することができる。 By changing the resonance length of the microwave, it is possible to adjust the time required for the heated fibers to change to carbon fibers, and to adjust the density, La, and Lc of the obtained carbon fibers. The conditions can be determined by changing the resonance length of microwaves to produce carbon fibers and measuring their densities, La, and Lc.
被加熱繊維の炭素化に当たっては、マイクロ波以外の加熱手段を併用することも好ましい。具体的には、電気ヒーター、プラズマ等を利用して加熱できる。また、マイクロ波加熱炉内の一端側に、マイクロ波吸収体を設け、被加熱繊維がマイクロ波吸収体付近を走行するように構成されて成るマイクロ波加熱炉を用いて、マイクロ波加熱炉内でマイクロ波吸収体を介して加熱した後、被加熱繊維にマイクロ波を直接照射してさらに加熱するようにすることも好ましい。この際、マイクロ波吸収体は、筒状のマイクロ波吸収管を用いて、この管内を被加熱繊維が走行するように構成することが好ましい。マイクロ波吸収体の材質としては、炭化ケイ素、窒化ケイ素、カーボン粒子含有樹脂、軟磁性金属粒子含有樹脂等が例示される。マイクロ波以外の加熱を併用することにより、結晶子サイズLaを制御し易くなる。マイクロ波吸収体の内壁と被加熱繊維とは、1~50[mm]離間していることが好ましく、3~30[mm]離間していることがさらに好ましく、5~20[mm]離間していることがさらに好ましい。なお、マイクロ波吸収体の内壁と被加熱繊維の離間距離は、マイクロ波吸収体の内壁と、被加熱繊維束の繊維軸に垂直な方向の断面(横断面)の中心点との距離をいう。また、断熱効率の観点から、下記マイクロ波吸収管21の内壁と、繊維束の外周との距離は、0.1~50[mm]であることが好ましく、より好ましくは、1~20[mm]である。
In carbonizing the fibers to be heated, it is also preferable to use heating means other than microwaves. Specifically, it can be heated using an electric heater, plasma, or the like. Further, a microwave heating furnace is provided with a microwave absorber on one end side in the microwave heating furnace, and the fibers to be heated are configured to run near the microwave absorber. It is also preferable to heat the fiber through the microwave absorber in step 1 and then directly irradiate the fiber to be heated with microwaves to further heat the fiber. In this case, it is preferable that the microwave absorber uses a tubular microwave absorption tube, and is configured such that the fibers to be heated run inside the tube. Silicon carbide, silicon nitride, carbon particle-containing resin, soft magnetic metal particle-containing resin, etc. are exemplified as the material of the microwave absorber. The combined use of heating other than microwaves makes it easier to control the crystallite size La. The inner wall of the microwave absorber and the heated fiber are preferably separated by 1 to 50 [mm], more preferably by 3 to 30 [mm], and further by 5 to 20 [mm]. More preferably. The distance between the inner wall of the microwave absorber and the heated fiber refers to the distance between the inner wall of the microwave absorber and the center point of the cross section (cross section) of the heated fiber bundle in the direction perpendicular to the fiber axis. . From the viewpoint of heat insulation efficiency, the distance between the inner wall of the
また、マイクロ波による加熱は、電界加熱及び磁界加熱を併用することもできる。これらを併用する方法としては、複数のマイクロ波加熱炉を用いて加熱する方法や、マイクロ波加熱炉の炉体の軸心に対して被加熱繊維を斜めに走行させる方法等が挙げられる。 Electric field heating and magnetic field heating can also be used together for heating by microwaves. As a method of using these together, a method of heating using a plurality of microwave heating furnaces, a method of running the fiber to be heated obliquely with respect to the axis of the furnace body of the microwave heating furnace, and the like can be mentioned.
(4) マイクロ波加熱炉
本発明のマイクロ波加熱炉は、マイクロ波加熱炉内の一端側に、筒状のマイクロ波吸収管を設け、被加熱繊維が該マイクロ波吸収管内を走行するように構成されて成り、該マイクロ波加熱炉内にマイクロ波を導入することにより、該マイクロ波吸収管を加熱して該マイクロ波吸収管内を走行する被加熱繊維を予備加熱した後、該マイクロ波吸収管外で被加熱繊維にマイクロ波を直接照射してさらに加熱するように構成されている。
(4) Microwave heating furnace In the microwave heating furnace of the present invention, a cylindrical microwave absorption tube is provided at one end of the microwave heating furnace, and the fibers to be heated run inside the microwave absorption tube. By introducing microwaves into the microwave heating furnace, the microwave absorption tube is heated to preheat the fibers to be heated running in the microwave absorption tube, and then the microwave absorption It is configured to directly irradiate microwaves to the fibers to be heated outside the tube to further heat them.
図1は、本発明のマイクロ波加熱炉の一構成例を示す説明図である。図1中、100はマイクロ波加熱炉であり、11はマイクロ波発振器である。マイクロ波発振器11には、接続導波管12の一端が接続されており、接続導波管12の他端は炭素化炉17の一端に接続されている。この接続導波管12には、マイクロ波発振器11側から順にサーキュレータ13及び整合器15が介装されている。
FIG. 1 is an explanatory view showing one structural example of the microwave heating furnace of the present invention. In FIG. 1, 100 is a microwave heating furnace and 11 is a microwave oscillator. One end of the
炭素化炉17は、一端が閉塞し、他端が接続導波管12と結合している。炭素化炉17は導波管から成る。炭素化炉17の一端には、被加熱繊維を炭素化炉内に導入する繊維導入口17aが形成されており、他端には、炭素化処理された繊維を取り出す繊維導出口17bが形成されている。炭素化炉17の繊維導出口17b側の内端部には短絡板17cが配設されている。炭素化炉17の繊維導入口17a側には、筒状のマイクロ波吸収管21が配設されている。サーキュレータ13には、接続導波管14の一端が接続されており、接続導波管14の他端にはダミーロード19が接続されている。
One end of the
次に、このマイクロ波加熱炉100の動作について説明する。図1中、31bは被加熱繊維であり、不図示の繊維搬送手段によって、接続導波管12に形成された導入口22aを通って繊維導入口17aから炭素化炉17内のマイクロ波吸収管21内を通って炭素化炉17内に導入される。マイクロ波発振器11が発振するマイクロ波は、接続導波管12内を通って炭素化炉17内に導入される。炭素化炉17内に到達したマイクロ波は、短絡板17cで反射して整合器15を経由してサーキュレータ13に到達する。また、炭素化炉17内に導入されたマイクロ波は、マイクロ波吸収管21に吸収され、当該マイクロ波吸収管21を発熱させる。この発熱により、被加熱繊維31bは予備加熱される。反射されたマイクロ波(以下、「反射波」ともいう)は、サーキュレータ13で方向が変えられ、接続導波管14を通ってダミーロード19で吸収される。このとき、整合器15を用いて整合器15と短絡板17cとの間で整合がとられ、炭素化炉17内に定在波が生じる。この定在波によって被加熱繊維31bは炭素化され、炭素繊維31cとなる。なお、このとき、炭素化炉17内は常圧であり、且つ不図示の不活性ガス供給手段によって不活性雰囲気となっている。炭素繊維31cは、不図示の繊維搬送手段により、繊維導出口17bを通って炭素化炉17外に導出される。被加熱繊維を繊維導入口17aから炭素化炉17内に連続的に導入し、炭素化炉17内で被加熱繊維にマイクロ波を照射して炭素化し、繊維導出口17bから連続的に導出することにより、連続的に炭素繊維を製造することができる。繊維導出口17bから導出された炭素繊維は、必要に応じて表面処理やサイズ処理が行われる。表面処理やサイズ処理の方法は、公知の方法に従えばよい。
Next, the operation of this
(5) 繊維強化複合材料
本発明の繊維強化複合材料は、上記の軽量炭素繊維を含んで構成される。
マトリックス樹脂としては公知の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。
繊維強化複合材料の製造方法は公知の方法を採用できる。
本発明の繊維強化複合材料は、通常の炭素繊維を用いた繊維強化複合材料と比較して、諸性能を一定とした場合、5~15[%]軽量化することができる。
(5) Fiber Reinforced Composite Material The fiber reinforced composite material of the present invention contains the above lightweight carbon fibers.
A known thermosetting resin or thermoplastic resin can be used as the matrix resin.
A known method can be adopted as a method for producing the fiber-reinforced composite material.
The fiber-reinforced composite material of the present invention can be reduced in weight by 5 to 15 [%] compared to a fiber-reinforced composite material using ordinary carbon fibers, provided that various performances are kept constant.
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。各実施例、比較例における繊維の物性の評価は、以下の方法によった。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples. The physical properties of the fibers in each example and comparative example were evaluated by the following methods.
[1] ストランド強度、弾性率
JIS R 7608に準じて、硬化エポキシ樹脂含浸ストランドの引張強度及び引張弾性率を測定した。
[1] Strand strength and elastic modulus The tensile strength and tensile elastic modulus of the cured epoxy resin-impregnated strand were measured according to JIS R 7608.
[2] 結晶Lc、La
結晶サイズLc、Laの測定は、株式会社リガク製X線回折装置RINT2000を用い、繊維をセットした試料台を取り付けて透過法にて実施される。X線には、加速電圧40(kV)、電流30(mA)で発生させたCuKα線が使用される。試料の向きは、結晶サイズLcの測定の際には、繊維束の繊維軸方向を赤道面に対して垂直な状態とし、結晶サイズLaの測定の際には、繊維束の繊維軸方向を赤道面に対して平行な状態とする。また、それぞれ回折角2θが10°から60°の範囲の回折パターンをとり、回折パターンの10°、20°、35°、60°付近を通る曲線をベースラインとして行う。
結晶サイズLcは、上記の方法により得られた面指数(002)の回折ピークの半値幅β002から、下記数式(2)を用いて算出することができる。
結晶サイズLc[nm] = 0.9λ / (β002cosθ002)・・・式(2)
〔式中、λ:X線の波長、β002:面指数(002)の回折ピークの半値幅、θ002:面指数(002)の回折角を示す。〕
結晶サイズLaは、上記の方法により得られた面指数(10)の回折ピークの半値幅β10から、下記数式(3)を用いて算出することができる。
結晶サイズLa[nm] = 0.9λ / (β10cosθ10)・・・式(3)
〔式中、λ:X線の波長、β10:面指数(10)の回折ピークの半値幅、θ10:面指数(10)の回折角を示す。〕
[2] Crystals Lc, La
The crystal sizes Lc and La are measured using an X-ray diffractometer RINT2000 manufactured by Rigaku Co., Ltd., with a sample stage on which fibers are set, and by a transmission method. CuKα rays generated at an acceleration voltage of 40 (kV) and a current of 30 (mA) are used as X-rays. Regarding the orientation of the sample, when measuring the crystal size Lc, the fiber axis direction of the fiber bundle was set to be perpendicular to the equatorial plane, and when measuring the crystal size La, the fiber axis direction of the fiber bundle was set to the equator. Parallel to the plane. Diffraction patterns with diffraction angles 2θ in the range of 10° to 60° are taken, and curves passing around 10°, 20°, 35°, and 60° of the diffraction patterns are used as baselines.
The crystal size Lc can be calculated using the following formula (2) from the half width β 002 of the diffraction peak of the plane index (002) obtained by the above method.
Crystal size Lc [nm] = 0.9λ/(β 002 cos θ 002 ) Equation (2)
[In the formula, λ: X-ray wavelength, β 002 : half width of diffraction peak of plane index (002), θ 002 : diffraction angle of plane index (002). ]
The crystal size La can be calculated from the half-value width β10 of the diffraction peak of plane index (10) obtained by the above method using the following formula (3).
Crystal size La [nm] = 0.9λ/(β 10 cos θ 10 ) Equation (3)
[In the formula, λ: X-ray wavelength, β 10 : half width of diffraction peak of plane index (10), θ 10 : diffraction angle of plane index (10). ]
[3] 密度
Micromeritics社製 AccuPyc 1330を用い、ヘリウム充填法により測定した。測定セルは10ccのものを用い、サンプル約0.5gで測定した。
凍結粉砕は液体窒素中、ボールミル粉砕により行った。フィラメントを凍結粉砕後、ヘリウム充填法により測定した。凍結粉砕は体積平均粒子径が0.2~0.5μmとなるまで行った。
[3] Density Measured by a helium filling method using AccuPyc 1330 manufactured by Micromeritics. A 10 cc measuring cell was used, and a sample of about 0.5 g was measured.
Freeze pulverization was performed by ball mill pulverization in liquid nitrogen. After the filaments were freeze-milled, they were measured by the helium filling method. Freeze pulverization was performed until the volume average particle size reached 0.2 to 0.5 μm.
(実施例1)
24000フィラメントからなるPAN系繊維を空気中で最高温度270℃の耐炎化炉で加熱し酸化処理を行った後、窒素雰囲気中で600℃まで加熱した。得られた前駆体繊維束(炭素含有量66%)を連続搬送しマイクロ波炭素化炉内に導入し、印加電力0.5kWによって炉内に形成された電場を用い、大気圧下窒素雰囲気中で導電加熱を行い炭素化した。放射温度計で測定した加熱中の繊維の温度は1100℃であった。得られた繊維状炭素化物質の炭素含有量は92%であり炭素繊維が得られた。炭素構造の繊維軸方向の発達を反映する結晶子サイズLaは2.71nmであり、繊維軸に垂直な方向の発達を反映する結晶子サイズLcは1.51nmであった。炭素繊維のバルク密度は1.69g/cm3であり、凍結粉砕前の密度に対する凍結粉砕後の密度の比は1.10であった。樹脂含浸ストランド引張試験の引張強度は4.03GPa、引張弾性率は223GPaであり、軽量性の指標としての密度あたりの力学性能である比強度および比弾性率は、それぞれ2.39MNm/kg、132MNm/kgであった。その他の結果は表1に示した。
(Example 1)
A PAN-based fiber consisting of 24000 filaments was heated in air in a flameproofing furnace with a maximum temperature of 270° C. for oxidation treatment, and then heated to 600° C. in a nitrogen atmosphere. The obtained precursor fiber bundle (carbon content 66%) was continuously conveyed and introduced into a microwave carbonization furnace, and an electric field formed in the furnace with an applied power of 0.5 kW was used to perform carbonization under atmospheric pressure in a nitrogen atmosphere. Conductive heating was performed to carbonize. The temperature of the fiber during heating measured with a radiation thermometer was 1100°C. The carbon content of the obtained fibrous carbonized material was 92%, and carbon fibers were obtained. The crystallite size La, which reflects the development of the carbon structure along the fiber axis, was 2.71 nm, and the crystallite size Lc, which reflects the development perpendicular to the fiber axis, was 1.51 nm. The bulk density of the carbon fiber was 1.69 g/cm 3 and the ratio of density after freeze-grinding to density before freeze-grinding was 1.10. The tensile strength of the resin-impregnated strand tensile test was 4.03 GPa, the tensile elastic modulus was 223 GPa, and the specific strength and specific elastic modulus, which are mechanical performance per density as an index of lightness, were 2.39 MNm / kg and 132 MNm, respectively. / kg. Other results are shown in Table 1.
(実施例2)
炉の繊維導入口に高誘電損失体(炭化ケイ素製パイプ)を配設してマイクロ波を部分的に吸収させることにより発熱させることで繊維を予熱したほかは実施例1と同様に炭素化した。放射温度計で測定した加熱中の繊維の温度は1200℃であった。得られた繊維状炭素化物質の炭素含有量は93%であり炭素繊維が得られた。炭素構造の繊維軸方向の発達を反映する結晶子サイズLaは2.65nmであり、繊維軸に垂直な方向の発達を反映する結晶子サイズLcは1.52nmであった。炭素繊維のバルク密度は1.66g/cm3であり、凍結粉砕前の密度に対する凍結粉砕後の密度の比は1.12であった。樹脂含浸ストランド引張試験の引張強度は3.80GPa、引張弾性率は229GPaであり、軽量性の指標としての密度あたりの力学性能である比強度および比弾性率は、それぞれ2.29GNm/kg、138MNm/kgであった。その他の結果は表1に示した。
(Example 2)
Carbonization was carried out in the same manner as in Example 1, except that a high dielectric loss body (silicon carbide pipe) was placed at the fiber inlet of the furnace to partially absorb microwaves to generate heat, thereby preheating the fibers. . The temperature of the fiber during heating measured with a radiation thermometer was 1200°C. The carbon content of the obtained fibrous carbonized material was 93%, and carbon fibers were obtained. The crystallite size La, which reflects the development of the carbon structure along the fiber axis, was 2.65 nm, and the crystallite size Lc, which reflects the development perpendicular to the fiber axis, was 1.52 nm. The bulk density of the carbon fiber was 1.66 g/cm 3 and the ratio of the density after freeze-grinding to the density before freeze-grinding was 1.12. The tensile strength of the resin-impregnated strand tensile test was 3.80 GPa, the tensile elastic modulus was 229 GPa, and the specific strength and specific elastic modulus, which are mechanical performance per density as an index of lightness, were 2.29 GNm / kg and 138 MNm, respectively. / kg. Other results are shown in Table 1.
(実施例3)
PAN系前駆体繊維束のフィラメント数を48000に変更し、印加電力を0.8kWとしたほかは、実施例1と同様に炭素化した。放射温度計で測定した加熱中の炭素繊維の温度は1100℃であった。得られた繊維状炭素化物質の炭素含有量は93%であり炭素繊維が得られた。炭素構造の繊維軸方向の発達を反映する結晶子サイズLaは2.73nmであり、繊維軸に垂直な方向の発達を反映する結晶子サイズLcは1.51nmであった。炭素繊維のバルク密度は1.70g/cm3であり、凍結粉砕前の密度に対する凍結粉砕後の密度の比は1.05であった。樹脂含浸ストランド引張試験の引張強度は3.08GPa、引張弾性率は218GPaであり、軽量性の指標としての密度あたりの力学性能である比強度および比弾性率は、それぞれ1.81MNm/kg、128MNm/kgであった。その他の結果は表1に示した。
(Example 3)
Carbonization was carried out in the same manner as in Example 1, except that the number of filaments in the PAN-based precursor fiber bundle was changed to 48000 and the applied power was changed to 0.8 kW. The temperature of the carbon fiber during heating measured with a radiation thermometer was 1100°C. The carbon content of the obtained fibrous carbonized material was 93%, and carbon fibers were obtained. The crystallite size La, which reflects the development of the carbon structure along the fiber axis, was 2.73 nm, and the crystallite size Lc, which reflects the development perpendicular to the fiber axis, was 1.51 nm. The bulk density of the carbon fiber was 1.70 g/cm 3 and the ratio of the density after freeze-grinding to the density before freeze-grinding was 1.05. The tensile strength of the resin-impregnated strand tensile test was 3.08 GPa, the tensile elastic modulus was 218 GPa, and the specific strength and specific elastic modulus, which are mechanical performance per density as an index of lightness, were 1.81 MNm / kg and 128 MNm, respectively. / kg. Other results are shown in Table 1.
(実施例4)
実施例1と同じ24000フィラメントからなるPAN系前駆体繊維束(炭素含有量66%)を連続搬送しマイクロ波炭素化炉内に導入し、印加電力0.52kWによって炉内に形成された電場を用い,大気圧下窒素雰囲気中で導電加熱を行い炭素化し中間体に変換した。このとき炉の繊維導入口に高誘電損失体(炭化ケイ素製パイプ)を配設してマイクロ波を部分的に吸収させることにより発熱させることで繊維を予熱し、マイクロ波加熱炉の共振長さを実施例1対比で103%となるように調整した。放射温度計で測定した加熱中の繊維の温度は1000℃であった。得られた中間体を次工程として設備的に接続された第二マイクロ波炭素化炉内に導入し、印加電力0.65kWによって炉内に形成された磁場を用いて大気圧下窒素雰囲気中で誘導加熱を行い炭素化した。放射温度計で測定した加熱中の繊維の温度は1100℃であった。得られた繊維状炭素化物質の炭素含有量は93%であり炭素繊維が得られた。炭素繊維のバルク密度は1.71g/cm3であり、凍結粉砕前の密度に対する凍結粉砕後の密度の比は1.12であった。炭素構造の繊維軸方向の発達を反映する結晶子サイズLaは2.66nmであり、繊維軸に垂直な方向の発達を反映する結晶子サイズLcは1.49nmであった。樹脂含浸ストランド引張試験の引張強度は3.78GPa、引張弾性率は222GPaであり、軽量性の指標としての密度あたりの力学性能である比強度および比弾性率は、それぞれ2.21MNm/kg、130MNm/kgであった。その他の結果は表1に示した。
(Example 4)
A PAN-based precursor fiber bundle (carbon content: 66%) composed of 24,000 filaments, which is the same as in Example 1, was continuously conveyed and introduced into a microwave carbonization furnace. It was converted to an intermediate by conducting conductive heating in a nitrogen atmosphere under atmospheric pressure. At this time, a high dielectric loss body (silicon carbide pipe) is placed at the fiber inlet of the furnace to partially absorb the microwaves to generate heat, thereby preheating the fibers and increasing the resonance length of the microwave heating furnace. was adjusted to 103% compared to Example 1. The temperature of the fiber during heating measured with a radiation thermometer was 1000°C. The obtained intermediate was introduced into a second microwave carbonization furnace connected in the next step, and was subjected to carbonization under atmospheric pressure in a nitrogen atmosphere using a magnetic field formed in the furnace with an applied power of 0.65 kW. It was carbonized by induction heating. The temperature of the fiber during heating measured with a radiation thermometer was 1100°C. The carbon content of the obtained fibrous carbonized material was 93%, and carbon fibers were obtained. The bulk density of the carbon fiber was 1.71 g/cm 3 and the ratio of the density after freeze-grinding to the density before freeze-grinding was 1.12. The crystallite size La, which reflects the development of the carbon structure along the fiber axis, was 2.66 nm, and the crystallite size Lc, which reflects the development perpendicular to the fiber axis, was 1.49 nm. The tensile strength of the resin-impregnated strand tensile test was 3.78 GPa, the tensile elastic modulus was 222 GPa, and the specific strength and specific elastic modulus, which are mechanical performance per density as an index of lightness, were 2.21 MNm / kg and 130 MNm, respectively. / kg. Other results are shown in Table 1.
(比較例1)
実施例1と同じ24000フィラメントからなるPAN系前駆体繊維束(炭素含有量66%)を連続搬送し1100℃に設定した抵抗加熱式炭素化炉内に導入し、大気圧下窒素雰囲気中で外熱加熱を行い炭素化した。得られた繊維状炭素化物質の炭素含有量は94%であり炭素繊維が得られた。炭素構造の繊維軸方向の発達を反映する結晶子サイズLaは2.59nmであり、繊維軸に垂直な方向の発達を反映する結晶子サイズLcは1.57nmであった。炭素繊維のバルク密度は1.80g/cm3であり、凍結粉砕前の密度に対する凍結粉砕後の密度の比は1.01であった。炭素構造の繊維軸方向の発達を反映する結晶子サイズLaは2.59nmであった。樹脂含浸ストランド引張試験の引張強度は4.00GPa、引張弾性率は240GPaであり、軽量性の指標としての密度あたりの力学性能である比強度および比弾性率は、それぞれ2.22MNm/kg、133MNm/kgであった。その他の結果は表1に示した。
(Comparative example 1)
A PAN-based precursor fiber bundle (carbon content: 66%) consisting of 24,000 filaments, which is the same as in Example 1, was continuously transported and introduced into a resistance heating carbonization furnace set at 1100 ° C., and then extruded in a nitrogen atmosphere under atmospheric pressure. It was heated and carbonized. The carbon content of the obtained fibrous carbonized material was 94%, and carbon fibers were obtained. The crystallite size La, which reflects the development of the carbon structure along the fiber axis, was 2.59 nm, and the crystallite size Lc, which reflects the development perpendicular to the fiber axis, was 1.57 nm. The bulk density of the carbon fiber was 1.80 g/cm 3 and the ratio of the density after freeze-grinding to the density before freeze-grinding was 1.01. The crystallite size La, which reflects the growth of the carbon structure along the fiber axis, was 2.59 nm. The tensile strength of the resin-impregnated strand tensile test was 4.00 GPa, the tensile elastic modulus was 240 GPa, and the specific strength and specific elastic modulus, which are mechanical performance per density as an index of lightness, were 2.22 MNm / kg and 133 MNm, respectively. / kg. Other results are shown in Table 1.
(比較例2)
PAN系前駆体繊維束として実施例3と同じ48000フィラメントの前駆体繊維束を用いた他は比較例1と同様に外熱加熱を行うことで炭素化した。得られた繊維状炭素化物質の炭素含有量は94%であり炭素繊維が得られた。炭素繊維のバルク密度は1.78g/cm3であり、凍結粉砕前の密度に対する凍結粉砕後の密度の比は1.02であった.炭素構造の繊維軸方向の発達を反映する結晶子サイズLaは2.11nmであり、繊維軸に垂直な方向の発達を反映する結晶子サイズLcは1.71nmであった。樹脂含浸ストランド引張試験の引張強度は4.00GPa,引張弾性率は240GPaであり、軽量性の指標としての密度あたりの力学性能である比強度および比弾性率は、それぞれ2.25MNm/kg、135MNm/kgであった。その他の結果は表1に示した。
(Comparative example 2)
Carbonization was performed by external heating in the same manner as in Comparative Example 1, except that the same precursor fiber bundle of 48000 filaments as in Example 3 was used as the PAN-based precursor fiber bundle. The carbon content of the obtained fibrous carbonized material was 94%, and carbon fibers were obtained. The bulk density of the carbon fiber was 1.78 g/cm 3 and the ratio of the density after freeze-grinding to the density before freeze-grinding was 1.02. The crystallite size La, which reflects the development of the carbon structure along the fiber axis, was 2.11 nm, and the crystallite size Lc, which reflects the development perpendicular to the fiber axis, was 1.71 nm. The tensile strength of the resin-impregnated strand tensile test was 4.00 GPa, and the tensile modulus was 240 GPa. / kg. Other results are shown in Table 1.
(比較例3)
マイクロ波加熱炉の共振長さを実施例1対比で103%となるように調整した他は実施例2と同様に加熱を行うことによって炭素化した。放射温度計で測定した加熱中の繊維の温度は1200℃であった。得られた繊維状炭素化物質の炭素含有量は93%であり炭素繊維であった。炭素構造の繊維軸方向の発達を反映する結晶子サイズLaは2.82nmであり、繊維軸に垂直な方向の発達を反映する結晶子サイズLcは1.58nmであった。炭素繊維のバルク密度は1.76g/cm3であり、凍結粉砕前の密度に対する凍結粉砕後の密度の比は1.06であった.樹脂含浸ストランド引張試験の引張強度は3.78GPa,引張弾性率は221GPaであり、軽量性の指標としての密度あたりの力学性能である比強度および比弾性率は、それぞれ2.14MNm/kg、126MNm/kgであった。その他の結果は表1に示した。
(Comparative Example 3)
Carbonization was carried out by heating in the same manner as in Example 2, except that the resonance length of the microwave heating furnace was adjusted to 103% of that in Example 1. The temperature of the fiber during heating measured with a radiation thermometer was 1200°C. The obtained fibrous carbonized material had a carbon content of 93% and was carbon fiber. The crystallite size La, which reflects the development of the carbon structure along the fiber axis, was 2.82 nm, and the crystallite size Lc, which reflects the development perpendicular to the fiber axis, was 1.58 nm. The bulk density of the carbon fiber was 1.76 g/cm 3 and the ratio of the density after freeze-grinding to the density before freeze-grinding was 1.06. The tensile strength of the resin-impregnated strand tensile test was 3.78 GPa, the tensile modulus was 221 GPa, and the specific strength and specific modulus, which are mechanical performance per density as an index of lightness, were 2.14 MNm / kg and 126 MNm, respectively / kg. Other results are shown in Table 1.
(比較例4)
PAN系前駆体繊維束として、実施例3と同じ48000フィラメントの前駆体繊維束を用い、印加電力を0.8kWとした他は比較例3と同様に加熱を行うことで炭素化した。放射温度計で測定した加熱中の繊維の温度は1300℃であった。得られた繊維状炭素化物質の炭素含有量は95%であり炭素繊維が得られた。炭素繊維のバルク密度は1.66g/cm3であり、凍結粉砕前の密度に対する凍結粉砕後の密度の比は1.05であった。炭素構造の繊維軸方向の発達を反映する結晶子サイズLaは3.11nmであり、繊維軸に垂直な方向の発達を反映する結晶子サイズLcは1.63nmであった。樹脂含浸ストランド引張試験の引張強度は1.97GPa、引張弾性率は216GPaであり、軽量性の指標としての密度あたりの力学性能である比強度および比弾性率は、それぞれ1.19MNm/kg,130MNm/kgであった。その他の結果は表1に示した。
(Comparative Example 4)
As the PAN-based precursor fiber bundle, the same 48000 filament precursor fiber bundle as in Example 3 was used, and carbonization was performed by heating in the same manner as in Comparative Example 3 except that the applied power was set to 0.8 kW. The temperature of the fiber during heating measured with a radiation thermometer was 1300°C. The carbon content of the obtained fibrous carbonized material was 95%, and carbon fibers were obtained. The bulk density of the carbon fiber was 1.66 g/cm 3 and the ratio of the density after freeze-grinding to the density before freeze-grinding was 1.05. The crystallite size La, which reflects the development of the carbon structure along the fiber axis, was 3.11 nm, and the crystallite size Lc, which reflects the development perpendicular to the fiber axis, was 1.63 nm. The tensile strength of the resin-impregnated strand tensile test was 1.97 GPa, the tensile elastic modulus was 216 GPa, and the specific strength and specific elastic modulus, which are mechanical performance per density as an index of lightness, were 1.19 MNm / kg and 130 MNm, respectively. / kg. Other results are shown in Table 1.
100・・・マイクロ波加熱炉
11・・・マイクロ波発振器
12・・・接続導波管
13・・・サーキュレータ
14・・・接続導波管
15・・・整合器15
17・・・炭素化炉
17a・・・繊維導入口
17b・・・繊維導出口
17c・・・短絡板
19・・・ダミーロード
21・・・マイクロ波吸収管
22a・・・導入口
31b・・・被加熱繊維
31c・・・炭素繊維
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (13)
1.15 > A/B > 1.03 ・・・式(1)
を満たす請求項1乃至4の何れか1項に記載の軽量炭素繊維。 Carbon fiber density (A) [g/cm 3 ] by helium filling method measured in filament state, and carbon fiber by helium filling method measured after pulverizing the filament to a volume average particle size of 0.2 to 0.5 μm. Density (B) [g/cm 3 ] is expressed by the following formula (1)
1.15>A/B>1.03 Expression (1)
The lightweight carbon fiber according to any one of claims 1 to 4, satisfying:
前記被加熱繊維の加熱手段として、前記被加熱繊維に対するマイクロ波の直接照射以外の加熱手段をさらに用いて加熱することを特徴とする炭素繊維の製造方法。 A carbon fiber that heats the fibers to be heated by introducing microwaves into the microwave heating furnace while running the fibers to be heated in the microwave heating furnace and directly irradiating the fibers to be heated with microwaves. A manufacturing method of
A method for producing carbon fibers, wherein the fibers to be heated are heated by using a heating means other than direct irradiation of microwaves to the fibers to be heated.
前記マイクロ波加熱炉内にマイクロ波を導入することにより、前記マイクロ波吸収管を発熱させて前記マイクロ波吸収管内を走行する被加熱繊維を予備加熱した後、前記マイクロ波吸収管外で前記被加熱繊維にマイクロ波を直接照射してさらに加熱するように構成されていることを特徴とするマイクロ波加熱炉。
A microwave heating furnace in which a cylindrical microwave absorption tube is provided at one end side of the microwave heating furnace, and a fiber to be heated runs in the microwave absorption tube,
By introducing microwaves into the microwave heating furnace, the microwave absorbing tube is heated to preheat the fibers to be heated running in the microwave absorbing tube, and then the coated fiber is heated outside the microwave absorbing tube. A microwave heating furnace characterized in that it is configured to directly irradiate heating fibers with microwaves to further heat them.
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