碳纤维前体纤维束及其制造方法技术

本发明专利技术的碳纤维前体纤维束是一种丙烯腈－基纤维束，其中单丝纤维横截面的长度和宽度的比率（长度／宽度）是１．０５－１．６，且通过ＩＣＰ（电感耦合等离子体）原子发射光谱法测定的Ｓｉ的量是５００－４，０００ｐｐｍ。这种碳纤维前体纤维束具有高紧密度，且碳化处理能力良好。另外，对于将来得到的碳纤维束，树脂浸渍能力和丝束铺展能力良好，强度增加，且它具有膨松度。另外，本发明专利技术的碳纤维前体纤维束是一种丙烯腈－基纤维束，其中液体含量比率ＨＷ是４０ｗｔ％或更多且低于６０ｗｔ％。由这种碳纤维前体纤维束得到的碳纤维束改进了膨松度并具有优异的树脂浸渍能力、丝束铺展能力、和在制成布时的覆盖能力。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及包含丙烯腈-基聚合物单丝的碳纤维前体纤维束，它可用于制造在纤维增强复合材料中用作增强材料的碳纤维束。本申请基于日本专利申请No.2000-190150和日本专利申请No.2000-201535，在此将其内容引入作为参考。
技术介绍
碳纤维、玻璃纤维、芳酰胺纤维、和类似物被用于纤维增强复合材料。在前述中，碳纤维具有优异的相对强度、相对弹性模量、耐热性、耐化学性、和类似性能，并在用于运动设备如在高尔夫杆和钓鱼杆，以及用于一般工业用途如用于飞机、和类似用途的纤维增强复合材料中用作增强材料。这些纤维增强复合材料例如，根据以下方法制造。首先，在烘烤工艺(氧化工艺)中，包含丙烯腈-基聚合物单丝的碳纤维前体纤维束在200-300℃下在氧化气体，如空气中进行烘烤以得到耐燃性纤维束。随后，在碳化工艺中，耐燃性纤维束在300-2000℃下在惰性气氛下碳化得到碳纤维束。该碳纤维束根据需要加工成织造布，和类似物，随后用合成树脂浸渍并成型为预定形状，得到纤维增强复合材料。用于制造碳纤维束的前体纤维束要求具有高紧密度，这样在烘烤工艺过程中，包含纤维束的单丝不会散开并与相邻纤维束缠绕，或另外粘附到辊上。但由具有高紧密度的前体纤维束得到的所得碳纤维束的问题在于，由于其高紧密度，非常难以用树脂浸渍。另外，通过编织碳纤维束而得到的碳纤维织物必须是具有尽可能少的孔的织物，这样避免在树脂浸渍时在树脂中产生空隙。结果，在编织过程中或之后进行丝束铺展工艺。但由高紧密度前体纤维束得到的碳纤维束的问题在于，由于其高紧密度，非常难以丝束铺展。作为具有高紧密度并可提供具有丝束铺展能力的碳纤维束的前体纤维束，日本未审专利申请，第一出版物No.2000-144521公开了一种具有包含至少95wt％丙烯腈的丙烯腈-基聚合物的丙烯腈-基纤维束，其中总旦尼尔是至少30,000，同时有2-15个基本上连续的分别是0.5-1.0μm高并在纤维束的表面上纵向延伸的皱纹，其中纤维束的单位纤维重量的碘吸收量是0.5-1.5wt％。该前体纤维束这样得到将一种为有机溶剂和丙烯腈-基聚合物的溶液的纺丝溶液挤出至由具有有机溶剂浓度50-70wt％和温度30-50℃的有机溶剂水溶液形成的第一凝固浴以形成固体纤维。固体纤维随后以不超过0.8倍纺丝溶液挤出线速度的导出速度从第一凝固浴中导出。随后，固体纤维放置在由具有有机溶剂浓度50-70wt％和温度30-50℃的有机溶剂水溶液形成的第二凝固浴中，拉伸1.1-3.0倍，这样得到前体纤维束。但该前体纤维束的紧密度以及由该前体纤维束得到的碳纤维束的丝束铺展能力不足。另外，该碳纤维织造材料需要具有很少孔的均匀纹理，因此需要具有高膨松度的碳纤维束。这样，需要一种具有高紧密度和优异的碳化处理能力的碳纤维前体纤维束，它能够提供具有优异的树脂浸渍能力、优异的丝束铺展能力、高强度和高膨松度的碳纤维束。另外，对于碳纤维的布，因为除了上述功能外还需要有利的外观和操作性，还需要向碳纤维提供“覆盖能力”。为了同时提供前述树脂浸渍能力、丝束铺展能力、和在形成布时的覆盖能力，需要向碳纤维束赋予高膨松度。为了进一步提高树脂浸渍能力、丝束铺展能力、和覆盖能力，需要进一步提高碳纤维束的膨松度。因此，本专利技术的第一目的是提供一种具有高紧密度和优异的碳化处理能力的碳纤维前体纤维束，它能够提供除了高强度和高膨松度外还具有优异的树脂浸渍能力和丝束铺展能力的碳纤维束。另外，本专利技术的第二目的是提供一种碳纤维前体纤维束，它能够提供一种除了优异的树脂浸渍能力、丝束铺展能力、和在形成布时的覆盖能力外还具有改进的膨松度的碳纤维束。本专利技术的公开内容根据本专利技术第一实施方案的碳纤维前体纤维束的特征在于包含多个丙烯腈-基聚合物单丝，其中单丝纤维横截面的长度和宽度的比率(长度/宽度)是1.05-1.6，且通过ICP原子发射光谱法测定的Si的量是500-4,000ppm。前述碳纤维前体纤维束具有高紧密度和优异的碳化处理能力。另外，除了高强度和高膨松度，由其得到的碳纤维束具有优异的树脂浸渍能力和丝束铺展能力。另外，该碳纤维前体纤维束内的单丝强度优选为至少5.0cN/dtex。结果，在烘烤工艺过程中减少了伴随单丝切割的绒毛产生，这又进一步改进了碳化处理能力。另外，碳纤维前体纤维束的单丝表面的中心线平均高度(Ra)优选为0.01-0.1μm。这样，可进一步改进碳纤维前体纤维束的紧密度和碳化处理能力，以及也进一步改进由其得到的碳纤维束的树脂浸渍能力、丝束铺展能力、和强度。另外，碳纤维前体纤维束的单丝表面的最大高度(Ry)优选为0.1-0.5μm。这样，可进一步改进碳纤维前体纤维束的紧密度和碳化处理能力，以及进一步提高由其得到的碳纤维束的树脂浸渍能力、丝束铺展能力、和强度。另外，该碳纤维前体纤维束的进一步特征在于包含多个在单丝表面上纵向延伸的皱纹，其中相邻局部峰之间的间距(S)是0.2-1.0μm。这样，可进一步改进碳纤维前体纤维束的紧密度和碳化处理能力，以及也进一步改进由其得到的碳纤维束的树脂浸渍能力、丝束铺展能力、和强度。另外，该碳纤维前体纤维束的水含量优选不大于15wt％。这样，该纤维束的单丝容易混杂，因而进一步改进碳化处理能力。另外，构成该碳纤维前体纤维束的单丝的数目优选不大于12000。这样，可增加碳纤维前体纤维束的纺丝速率。另外，也可产生均匀的混杂，结果改进了烘烤工艺过程中的处理能力。另外，碳纤维前体纤维束的混杂度优选为5/m-20/m。这样，进一步改进了碳纤维前体纤维束的碳化处理能力，这又进一步改进了由其得到的碳纤维束的树脂浸渍能力和丝束铺展能力。根据本专利技术第二实施方案的碳纤维前体纤维束的特征在于包含多个丙烯腈-基聚合物单丝，其中根据以下方法计算的液体含量比率HW是至少40wt％且不大于60wt％。(液体含量比率计算方法)液体含量比率HW使用以下等式由纤维束在去除加油剂并干燥至绝对干燥状态之后的绝对干重WO，和在该纤维束在蒸馏水中于20℃下在零张力下浸泡1小时并随后在压力200kPa下进行压缩脱水之后的纤维束重量WT计算。HW(wt％)＝(WT-WO)/WO X100由该碳纤维前体纤维束得到的碳纤维束具有改进的膨松度，以及优异的树脂浸渍能力、丝束铺展能力、和在形成布时的覆盖能力。另外，该碳纤维前体纤维束的单丝表面的中心线平均高度(Ra)优选为至少0.01μm。这样，进一步改进了碳纤维束的膨松度，这又进一步改进了树脂浸渍能力、丝束铺展能力、和在形成布时的覆盖能力。另外，该碳纤维前体纤维束的单丝表面的最大高度(Ry)优选为至少0.1μm。这样，进一步改进了碳纤维束的膨松度，这又进一步改进了树脂浸渍能力、丝束铺展能力、和在形成布时的覆盖能力。另外，该碳纤维前体纤维束的进一步特征在于包含多个在单丝表面上纵向延伸的皱纹，其中相邻局部峰之间的间距(S)优选为至少0.2μm，且不大于1.0μm。这样，可保持碳纤维前体纤维束的优异的碳化处理能力，以及进一步改进由其得到的碳纤维束的树脂浸渍能力、丝束铺展能力、和在形成布时的覆盖能力。另外，该碳纤维前体纤维束的水含量优选不大于15wt％。这样，碳纤维前体纤维束的单丝容易混杂，因而进一步改进其碳化处理能力。另外，构成该碳纤维前体纤维束的单丝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含多个丙烯腈－基聚合物单丝的碳纤维前体纤维束，其特征在于所述单丝的纤维横截面的长度和宽度的比率（长度／宽度）是１．０５－１．６，且通过ＩＣＰ原子发射光谱法测定的Ｓｉ的量是５００－４，０００ｐｐｍ。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：池田胜彦，星野正和，山本誉富，下田代有生，冈本正司，槙嵨俊裕，
申请(专利权)人：三菱丽阳株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]