[发明专利]碳纤维束以及碳纤维的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维束及其制造方法、以及使用了碳纤维束的复合材料。

背景技术

由使以丙烯腈为主成分的聚合物作为原料的聚丙烯腈系前体纤维束来制造碳纤维束的方法广为人知，首先，在空气或其它氧化性气体气氛中，在200～300℃预氧化而形成预氧化纤维束，接着将其在氮气、氩气等非活性气体气氛中在800～2,000℃碳化而制造。此外也进一步进行：在2,000℃以上的非活性气体气氛中进行石墨化，制造弹性模量更加高的石墨纤维束。

例如专利文献1中以高效率地制造并提供高品质、高性能的碳纤维束为目的，提出了将丙烯酸系前体纤维束烧成而成的纱线强度为389kgf/mm²以上的碳束纤维，所述丙烯酸系前体纤维束由将特定的聚合性不饱和羧酸烷基酯1～10％、和特定的聚合性不饱和羧酸0.25～5％共聚而成的共聚物构成，并且，在空气中常压下在260℃进行5分钟、进而在280℃进行5分钟预氧化后的、由二次离子质谱分析(SIMS)求出的单丝内外层氧浓度比率为6以下，或者内层的H/C为0.03以下。实施例中提出了，使用通过由丙烯腈92.5％、衣康酸1.5％、甲基丙烯酸正丁酯6％形成的共聚物制造的、2.0旦尼尔的聚丙烯腈系前体纤维束，将该纤维在空气中在240～260℃进行30分钟预氧化，在氮气气流中加热处理直到1,300℃而获得碳纤维束，从而获得纱线强度501kgf/mm²、纱线弹性模量26tonf/mm²的碳纤维束。这是通过大幅降低丙烯腈比率，而使预氧化反应性降低，即使是单纤维的纤度比较大的纤维，也在短时间的预氧化时间成功地制造了抗拉强度比较高的碳纤维束。

此外，专利文献2、3中提出了，将以聚丙烯腈系聚合物为前体的预氧聚合物纺丝，获得单纤维纤度为2分特以上那样的预氧纤维束后，对该预氧纤维束进行碳化处理，从而有效率地制造粗纤度的碳纤维束的方法；通过将聚丙烯腈系前体纤维束在液相中进行热处理来获得预氧纤维束后，对该预氧纤维束进行碳化处理从而获得纱线抗拉强度为4GPa以上、纱线拉伸弹性模量为200GPa以上的碳纤维束。

另一方面，在合成纤维的领域中，作为增大生产量的手段，已知使纤维数增加、或使单纤维纤度粗，而使纤维束粗，使每1个口模的排出量增加的方法。如果这样地使纤维束粗，则生产量增大，另一方面，由于将设备费的增加抑制到最低限度，因此同时也带来成本降低，在聚酯、尼龙等主要的产业用纤维中广泛使用(参照专利文献2)

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平09-31758号公报

专利文献2：日本特开2008-202207号公报

专利文献3：日本特开2004-300600号公报

发明内容

发明所要解决的课题

然而，专利文献1所记载的碳纤维，由于丙烯腈比率低达92.5％，因此预氧化处理中的梯形结构形成不充分，碳化处理中发生分解、气化，促进成为使碳纤维束的强度降低的原因的缺陷的形成。因此，更高强度的碳纤维束的制造困难。

关于专利文献2、3所记载的碳纤维束的制造法，由于预氧化处理时间为非常短的时间，因此在构成碳纤维束的单纤维根数超过6000根那样的情况下，纤维间的预氧化处理易于产生不均，所得的碳纤维束的纤维间的弹性模量变化率变大，制造具有高性能并且均匀性能的碳纤维束困难。

本发明的目的是提供使聚丙烯腈系前体纤维束的单纤维纤度粗，谋求成本降低，并且机械物性优异的碳纤维束。此外，本发明的目的是，提供使用了这样的碳纤维束的复合材料。

用于解决课题的手段

上述课题通过以下的本发明方案(1)～(18)而解决。

(1).一种碳纤维束，碳纤维束的单纤维纤度为0.8dtex以上2.1dtex以下，由ASTM D4018法求出的纱线强度为4.9GPa以上并且由所述方法求出的纱线弹性模量为200GPa以上。

(2).根据(1)所述的碳纤维束，单纤维拉伸试验中的单纤维弹性模量的变化率为20％以下。

(3).一种碳纤维束，碳纤维束的单纤维纤度为0.8dtex以上2.5dtex以下，由ASTM D4018法求出的纱线强度为3.0GPa以上并且由所述方法求出的纱线弹性模量为240GPa以上。

(4).根据(3)所述的碳纤维束，单纤维拉伸试验中的单纤维弹性模量的变化率为20％以下。