[发明专利]碳纤维前体丙烯腈系纤维、碳纤维及它们的制造方法

说明书

本发明的第一方式是单纤维表面的中心线平均粗糙度Ra为6.0nm以上13nm以下，单纤维的长径/短径为1.11以上1.245以下的碳纤维。第一方式的碳纤维是将作为第二方式的碳纤维前体丙烯腈系纤维在特定条件下进行预氧化和碳化而获得的，所述碳纤维前体丙烯腈系纤维的单纤维表面的中心线平均粗糙度Ra为18nm以上27nm以下，单纤维的长径/短径为1.11以上1.245以下。

技术领域

本发明涉及碳纤维前体丙烯腈系纤维、碳纤维以及它们的制造方法。

背景技术

近年来，在各种产业中，用于各种用途的压力容器的利用范围日益扩大，也正进行向以天然气为燃料的汽车中所搭载的压力容器(CNG罐)、以氢气为燃料的燃料电池车中所搭载的压力容器(CHG罐)的开展。为了改善燃耗，市场要求汽车用的压力容器更加轻量化。

通常，使用了碳纤维的压力容器通过在由碳纤维的单纤维形成的束(以下，有时称为碳纤维束。)中含浸环氧树脂等树脂，并进行缠绕于被称为衬管(liner)的金属制、树脂制的圆筒状物的处理，将树脂加热固化而获得。(以下，有时称为纤维缠绕法。)

已知碳纤维一般而言具有高比强度和比弹性模量，使用了碳纤维的压力容器(以下，有时称为CFRP制罐。)具有与金属制的压力容器相同程度的强度同时重量轻。

然而，对于汽车用的压力容器而言，特别是在CHG罐的领域要求进一步的高强度化。

为了CFRP制罐的高强度化，除了提高所使用的碳纤维的丝束强度以外，抑制构成CFRP制罐的碳纤维增强塑料(以下，有时称为CFRP。)中空隙的生成、减小CFRP中纤维体积含有率的不均也是重要的。

对于以往技术所制造的碳纤维，有构成碳纤维束的单纤维的表面所形成的褶皱越浅，碳纤维束的集束性越高，树脂在碳纤维束中的含浸越不充分，在CFRP中形成空隙的倾向。相反地，如果单纤维的表面所形成的褶皱过深，则有碳纤维束的集束性变得不充分，树脂的含浸无法恒定，CFRP中的纤维体积含有率的不均变大的倾向。

此外，有构成碳纤维束的单纤维的截面形状越接近正圆，单纤维彼此的间隙越小，树脂在碳纤维束中的含浸越不充分，在CFRP中形成空隙的倾向。相反地，有单纤维的纤维轴向上的截面形状越远离正圆，单纤维间的间隙的偏差越大，树脂在碳纤维束中的含浸无法恒定，CFRP中的纤维体积含有率的不均越大的倾向。

因此，为了实现CFRP制罐的高强度化，除了丝束强度高以外，还期望适当地控制了单纤维的截面形状和单纤维的表面所形成的褶皱的碳纤维。

专利文献1中记载了，通过控制构成碳纤维束的单纤维的表面的表面凹凸结构，从而维持与树脂的界面粘接性，同时抑制由应力集中导致的断裂韧性降低，此外，通过使构成碳纤维束的单纤维的截面形状更接近正圆，从而抑制由应力集中导致的断裂韧性降低，可获得具有高机械特性的碳纤维增强复合材料。然而，由于构成碳纤维束的单纤维的截面形状接近正圆，单纤维的表面的凹凸也浅，因而有时所得的CFRP制罐的空隙增多，在空隙多的情况下不易获得高强度。

此外，专利文献2中记载了，通过使碳纤维束的宽度为均匀的扁平形状，抑制树脂含浸后的纤维束的宽度变动，从而可获得适于利用纤维缠绕法进行CFRP制罐的制造的碳纤维束。因此，控制构成碳纤维束的单纤维的截面形状和表面的算术平均粗糙度。然而，由于所使用的构成碳纤维束的单纤维的截面形状接近正圆，因此有单纤维彼此易于最密填充，所得的CFRP制罐的空隙多的倾向，不易获得高强度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-285710号公报

专利文献2：日本特开2012-154000号公报

发明内容

发明所要解决的课题