[发明专利]碳纤维束及其制造方法

说明书

本发明的碳纤维束是满足规定的丝束弹性模量、规定的丝束强度、规定的结节强度、和规定的平均单纤维直径，并且在使测试长度为10mm而实施了单纤维拉伸试验时，在回收的断裂面存在大小为50nm以上的缺陷的概率为规定的比例的碳纤维束。这样的碳纤维束适合如下获得：使用具有规定的过滤精度和滤材目付的过滤器滤材，将由聚丙烯腈共聚物溶解于溶剂而成的纺丝溶液，在使过滤速度为规定条件下将纺丝溶液进行了过滤后，将该过滤后的纺丝溶液进行纺丝而获得碳纤维前体纤维束，将所得的碳纤维前体纤维束在氧化性气氛下以适当的温度廓线进行热处理直到变为规定的密度为止而获得了耐燃化纤维束后，将该耐燃化纤维束在非活性气氛下在规定温度下进行热处理，从而获得。本发明的目的是提供平衡好地表现优异的丝束强度和丝束弹性模量，并具有优异的结节强度的碳纤维束及其制造方法。

技术领域

本发明涉及碳纤维束及其制造方法。

背景技术

碳纤维束作为复合材料的强化纤维而用途扩大，进一步强烈要求高性能化。特别是，为了将压力容器等构件轻量化，要求平衡好地提高碳纤维束的树脂含浸丝束强度、和树脂含浸丝束弹性模量(以下，简单表述为丝束强度、和丝束弹性模量)这样的力学特性。与此同时，需要降低碳纤维束的制造中的环境负荷。一般而言，聚丙烯腈系碳纤维束经过将碳纤维前体纤维束在200～300℃的氧化性气氛下进行了热处理(耐燃化工序)后，在1000℃以上的非活性气氛下进行热处理的工序(碳化工序)而获得。此时聚丙烯腈所包含的碳、氮和氢原子通过热分解而脱离，因此碳纤维束的收率(以下，也称为碳化收率)变为一半左右。从降低每单位生产量的制造能量，即，环境负荷的观点考虑，在同等的制造能量下提高碳纤维束的收率变得必要。

因此，迄今为止提出大量以通过耐燃化条件的优化来提高碳纤维束的丝束强度或提高碳化收率作为目的的技术(专利文献1-5)。

在专利文献1中，进行了在耐燃化工序中使通过高温处理而提供的热量(J·h/g)尽量小而使碳纤维束的丝束强度提高的研究。为了耐燃化工序的短时间化，在专利文献2中，提出了在耐燃化工序的中途过程中根据附加的氧量将耐燃化温度设定在高的温度，在专利文献3中，提出了通过以使碳纤维前体纤维束不热失控的方式反复进行加热和冷却从而尽量在高温下进行耐燃化。此外，在专利文献4、5中提出了通过在耐燃化初期将碳纤维前体纤维束在氧化性气氛下加热后，使其与250～300℃的高温加热辊接触，从而以短时间使耐燃化纤维束的密度上升而提高碳化收率的尝试。

在专利文献6、7中，提出了反映纤维轴方向以外的机械性质，在准各向同性材料中使充分的机械性质表现的、结节强度高的碳纤维束。

在专利文献8中，提出了在为了满足高的碳化收率而获得特定的密度的耐燃化纤维束时，在耐燃化工序中以适当的温度廓线(profile)进行后半高温热处理从而可以获得特定的密度的耐燃化纤维束，因此平衡好地表现高的碳化收率与优异的丝束强度和丝束弹性模量，进一步同时满足优异的结节强度的碳纤维束。

另一方面，碳纤维为脆性材料，略微的表面缺陷、内在缺陷引起丝束强度降低，因此关于缺陷的生成，人们极其注意。例如，在专利文献9中，提出了通过碳纤维前体纤维束的致密化、制造工艺中的粉尘降低以及利用电解处理来除去缺陷，从而降低碳纤维表面的缺陷而获得高的丝束强度的碳纤维束。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-82541号公报

专利文献2：日本特开昭58-163729号公报

专利文献3：日本特开平6-294020号公报

专利文献4：日本特开2013-23778号公报

专利文献5：日本特开2014-74242号公报

专利文献6：国际公开第2013/157613号

专利文献7：日本特开2015-096664号公报