特許ウォッチ

公開番号2025113965
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-04
出願番号2024157932
出願日2024-09-12
発明の名称炭素繊維束、プリプレグおよび炭素繊維強化複合材料
出願人東レ株式会社
代理人
主分類B29C 70/10 20060101AFI20250728BHJP(プラスチックの加工;可塑状態の物質の加工一般)
要約【課題】
引張弾性率と強度、接着性を高いレベルで満たす炭素繊維束を提供する。
【解決手段】
以下の(i)～(iv)すべてを満たす炭素繊維束。
(i)繊維軸のゆらぎ幅の平均値が1.2μm以上である単繊維で構成される。
(ii)繊維束全体のバルク測定により評価される結晶子サイズL_cが3.0nm以下であり、結晶配向度π₀₀₂が次式を満たす。
π₀₀₂>4.0×L_c+73.2 ・・・式(1)
(iii)糸束中の平均的な単繊維表面のO/Cが0.08以上である。
(iv)単繊維の繊維軸のらせんピッチの平均値が3.8cm以上である。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
以下の（ｉ）～（ｉｖ）すべてを満たす炭素繊維束。
（ｉ）繊維軸のゆらぎ幅の平均値が１．２μｍ以上である単繊維で構成される。
（ｉｉ）繊維束全体のバルク測定により評価される結晶子サイズＬ
ｃ
が３．０ｎｍ以下であり、結晶配向度π
００２
が式（１）を満たす。
π
００２
＞４．０×Ｌ
ｃ
＋７３．２・・・式（１）
（ｉｉｉ）糸束中の平均的な単繊維表面のＯ／Ｃが０．０８以上である。
（ｉｖ）単繊維の繊維軸のらせんピッチの平均値が３．８ｃｍ以上である。
続きを表示（約 550 文字）【請求項２】
結晶配向度π
００２
が８５．５％より高い請求項１に記載の炭素繊維束。
【請求項３】
引張弾性率が３２０ＧＰａ以上である請求項１または２に記載の炭素繊維束。
【請求項４】
引張強度が４．８ＧＰａ以上である請求項１または２に記載の炭素繊維束。
【請求項５】
フィラメント数が１２，０００本以上である請求項１または２に記載の炭素繊維束。
【請求項６】
糸束中の平均的な単繊維表面のＮ／Ｃが０．０４以下である請求項１または２に記載の炭素繊維束。
【請求項７】
４ターン／ｍ以下の撚り数を有する請求項１または２に記載の炭素繊維束。
【請求項８】
請求項１または２に記載の炭素繊維束とマトリクス樹脂とを含むプリプレグ。
【請求項９】
請求項１または２に記載の炭素繊維束とマトリクス樹脂とを含む炭素繊維強化複合材料。
【請求項１０】
炭素繊維束は繊維軸のゆらぎ幅の平均値が１．４μｍ以上である単繊維で構成され、
炭素繊維の質量含有率が６０質量％以上である請求項９に記載の炭素繊維強化複合材料。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、マトリクス樹脂との接着性に有利な表面構造、かつ高弾性率・高強度を有するため高物性なコンポジット物性を示す炭素繊維束に関するものである。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は、軽量でありながら、強度および弾性率に優れるため、種々のマトリクス樹脂と組み合わせた複合材料として、航空機部材、宇宙機部材、自動車部材、船舶部材、土木建築材およびスポーツ用品等の多くの分野に用いられている。
【０００３】
近年、その適用範囲が広がりつつあり、産業用途においては、炭素繊維の高い機械的特性はそのままに、金属材料やガラス繊維強化複合材料など現行材料と同等の経済性が求められている。そのニーズに応えるためには、高価な炭素繊維のコストダウンだけではなく、炭素繊維のさらなる機械的特性の向上による構造部材の軽量化（部材使用量の削減）を図り、その軽量化に伴う炭素繊維使用量の削減が望まれている。
【０００４】
さきに述べた炭素繊維の使用量削減のためには、炭素繊維強化複合材料の剛性を支配する炭素繊維の引張弾性率の向上が最も効果的であり、また、炭素繊維の強度やマトリクス樹脂に対する接着強度との両立が重要である。
【０００５】
特許文献１では、黒鉛化が進んだ高弾性率糸を表面処理する際、表面が不活性であるため電解処理を高める必要があるが、酸素官能基導入により表面脆弱層が増加するため、強度低下も伴うことに触れている。そこで、電解液の異なる２段の電解処理によって、マトリクス樹脂との接着性が高い酸素官能基を炭素繊維表面に多く導入しつつ、表面脆弱層の増加を抑制することで、強度低下せずに接着強度を高める技術を提案している。特許文献２では、ピッチ系炭素繊維ではあるが、炭素繊維の活性表面積を制御することで、表面酸素分子濃度を過剰に高めることなく効率的に接着強度を向上している。これによって、強度低下を抑制しつつ、高弾性率・高接着な炭素繊維を得る技術を提案している。
【０００６】
一方、炭素化工程で延伸張力を高くすることにより、得られる炭素繊維束の配向度π
００２
を高めることが引張弾性率の向上に有効であることが知られている。しかし、単に延伸張力を高めるだけでは、毛羽の発生や糸切れを誘発し、操業性の低下や、得られる炭素繊維束の品位の低下が避けられない。特許文献３ではポリアクリロニトリル重合体の分子量を高めることで、特許文献４～６では炭素化工程の繊維束に交絡や撚りを加えることで、高い延伸張力においても毛羽の発生を抑制し、得られる炭素繊維束の配向度π
００２
を高める技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開平1-92470号公報
特開平5-302263号公報
特開2008-308776号公報
国際公開2019/172246号公報
特開2015-67910号公報
特開2014-141761号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、背景技術には次のような課題がある。
【０００９】
特許文献１は、電解処理を電解液の異なる２段に分割することで、弾性率３５０ｔｆ／ｍｍ
２
前後の中弾性率炭素繊維を高強度・高接着に処理できるが、さらに高弾性率な炭素繊維を得る場合には、強度低下が避けられない可能性が高く、プロセスが煩雑で生産性が低くなるためコストが高まることも問題であった。
【００１０】
また、特許文献２によれば、酸化繊維の表面酸素分子濃度を制御することで、得られる炭素繊維の活性表面積を高め、低電界処理でも高接着な炭素繊維が得られているが、未処理の炭素繊維の引張強度が３．５ＧＰａと低く、満足できる物性ではなかった。
（【００１１】以降は省略されています）

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