[发明专利]碳纤维束以及碳纤维束的制造方法

说明书

本发明提供即使单纤维纤度大，结节强度也高，操作性、加工性也优异的碳纤维束以及碳纤维束的制造方法。所述碳纤维束的单纤维纤度为0.95dtex以上2.5dtex以下，结节强度为460N/mm²以上。结节强度为460N/mm²以上的碳纤维束的制造方法，其具有下述热处理工序：将说明书所记载的特定的聚丙烯腈系前体纤维束，在220～300℃的温度范围内升温的氧化性气氛下，进行50分钟以上150分钟以下的热处理。

本申请是申请日为2013年4月18日、申请号为201380020239.9、发明名称为《碳纤维束以及碳纤维束的制造方法》的中国专利申请的分案申请。

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纤维来制造碳纤维的方法广为人知，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，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，制造弹性模量更高的石墨纤维。

碳纤维束的结节强度是特别大受到碳纤维结构影响的特性之一。然而已知与碳纤维束的抗拉强度不相关。例如专利文献1中记载了市售的4种碳纤维的结节强度，将该碳纤维的纱线抗拉强度的目录资料归纳示于表1中。

[表1]

由上表可知，明确地显示出结节强度是不依赖于纱线强度、弹性模量的特性值。

此外，如专利文献2所记载的那样，使用纺丝条件不同的前体纤维，在相同烧成条件下制造的碳纤维束的结节强度，即使是在抗拉强度没有大幅不同的情况下，数值也大幅不同。

此外，使用相同前体纤维束，在不同的烧成条件下获得的碳纤维束的结节强度仍然大幅不同。这是因为结节强度是依赖于碳纤维束的结构的特性，而且可以认为原因是，碳纤维的结构不仅受前体纤维的结构影响，而且在从作为有机纤维的前体纤维向作为无机纤维的碳纤维的结构大变化中，根据烧成条件特别是预氧化条件的不同，形成不同的结构。预氧化工序是，发生由热引起的丙烯腈聚合物的环化反应与由氧引起的氧化反应、和聚合物特别是共聚成分的分解气化反应的反应，其中氧化反应是需要氧从长丝的外表面向内部扩散的反应，因此成为单纤维的截面方向的反应不均易于发生的反应。此外，该氧化反应是放热反应，会促进环化反应、分解反应，其结果是，截面方向的结构不均更易于发生。从该预氧化工序的特征考虑，如表1所示那样虽然单纤维纤度小于0.8dtex的碳纤维束中具有高结节强度的碳纤维束被工业化，但是前体纤维的纤维直径越大，则越难制造具有均匀结构的碳纤维，此外为了获得高性能的碳纤维，需要大幅延长预氧化工序中的处理时间，从低成本化和生产性提高的观点考虑，成为大的障碍。

此外，前体纤维的结构受作为原料的聚丙烯腈系聚合物的组成大幅影响。此外，在使用聚丙烯腈系聚合物的改性聚合物、非聚丙烯腈系的聚合物作为原料的情况下，所得的碳纤维的结构不同，其结果是，结节强度大幅不同。专利文献3和专利文献4中记载了沥青系碳纤维的结节强度。此外描述了沥青系碳纤维与丙烯腈系碳纤维相比结节强度很低，记载了作为其对策进行了原料沥青的改性的宗旨。将实际所记载的值进行单位换算后归纳出的结果示于表2中。

[表2]

这样，结节强度是受碳纤维的结构大幅影响的特性，可以说较大依赖于前体纤维的原料、制造条件、以及烧成工序的条件。