JP3936014B2

JP3936014B2 - セメント補強用炭素繊維束

Info

Publication number: JP3936014B2
Application number: JP06099397A
Authority: JP
Inventors: 和茂三原
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2017-03-14
Also published as: JPH10251047A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カット等の作業性に優れ、しかもセメント中での分散性にも優れ、セメント系複合材として良好な強度発現性を有するセメント補強用炭素繊維束に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セメント類の水硬性粉体を用いた混練物は各種の建築材料、土木材料に広く用いられている。このような混練物を補強し、亀裂発生を防止するため、ガラス繊維等の繊維材料を配合することも広く行われている。しかしながら、補強繊維であるガラス繊維は耐アルカリ性に劣るため、セメント中でガラス繊維自体の強度が劣化するという欠点を有する。
【０００３】
このため、耐アルカリガラスが強化材として検討されているが、耐アルカリガラスを用いても、セメント等のアルカリ性環境下では、長期間使用すると強度が低下するという問題がある。
【０００４】
そこで耐熱性、耐薬品性に優れる炭素繊維が注目されている。ところが炭素繊維をセメントに添加混合すると、均一に分散し難く、さらに均一な分散を得るため強く攪拌を行うと、繊維の切断が起こったり、ファイバーボールと呼ばれる繊維の毛羽だまりができてしまい、補強材として充分な効果を発揮し得なかった。
【０００５】
この問題を解決するため種々の改良が試みられており、例えば、繊維補強材に界面活性剤を付着させる方法（特開昭６０−９６５５４号参照）、炭素繊維をスルホン化処理する方法（特開昭６０−１３７８６０号参照）、セメントに減水剤を混入する方法（特開昭６１−２３６６４６号参照）、炭素繊維にラテックスコーティングを行う方法（特開昭６２−１０８７５５号参照）、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の塩化物を混入する方法（特開平１−１４１８５２号参照）、硫酸またはチオ硫酸塩を混入させる方法（特開平１−１４１８５３号参照）、炭素繊維にシランカップリング剤処理を施し界面活性剤を付着させる方法（特開平３−１５０２４２１号参照）、炭素繊維にアミノシランカップリング剤処理を施す方法（特開平３−１５０２４２号参照）等が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の処理方法では、炭素繊維とセメント等の混練工程での分散性が良好でも、さらにその複合材の強度発現性が優れていても、炭素繊維をカットする工程においては集束性が悪く、水を付与する等の処置を施さなければ作業性が低下するものや、逆に、炭素繊維をカットする工程においては作業性が良好であっても、炭素繊維とセメント等の混練工程での分散性が劣るものや、さらにはその複合材の強度の発現性が悪いというような種々の不都合な問題があった。
【０００７】
本発明は、上記のような従来の諸問題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、炭素繊維をカットする工程においては繊維の集束性に優れ、さらには作業性にも優れ、なお且つ炭素繊維とセメント等の混練工程においても分散性に優れ、しかもセメント系複合材の強度の発現性に優れる炭素繊維束を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、以下に示す本発明によって達成される。
すなわち本発明は、炭素繊維束にグリセリン、ジグリセリン、トリグリセリンからなる群より選ばれる一種または二種以上を、０．５〜１０重量％の範囲内で付着せしめてなり、且つＪＩＳ−Ｌ１０１８剛軟性測定法（４５°カンチレバー法）に拠り測定したドレープ性が、１０〜２５ｃｍの範囲内にあることを特徴とするセメント補強用炭素繊維束を開示するものである。
【０００９】
また本発明は、前記炭素繊維束の炭素繊維が、ポリアクリロニトリルまたはピッチを主成分とするプレカーサーを焼成してなり、且つ、弾性率３ｔ／ｍｍ²以上、強度５０ｋｇ／ｍｍ²以上であるセメント補強用炭素繊維束、ならびに前記セメントが、ポルトランドセメント、白色ポルトランドセメント、アルミナセメントを含む水硬性セメントであるセメント補強用炭素繊維束をも開示するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施態様について説明する。
本発明において用いられる炭素繊維は、ポリアクリロニトリル（以下ＰＡＮと略記）またはピッチを主成分とするプレカーサーを焼成してなる弾性率３ｔ／ｍｍ²以上、強度５０ｋｇ／ｍｍ²以上の炭素繊維であり、好ましくは弾性率２０ｔ／ｍｍ²以上、強度１００ｋｇ／ｍｍ²以上の炭素繊維である。
【００１１】
一般に、これらの炭素繊維は、数千本〜数万本の単繊維からなるプレカーサーを１本の束状態に集合し焼成して作製される。焼成上がりの炭素繊維は、一般にその工程中で電解やオゾン処理等により表面処理されたり、サイジング剤で処理された後にボビンに巻取られて製品となる。
【００１２】
これら製品は、使用目的によってさらに表面処理を施す場合もあるが、セメント補強用には束状態で得られた炭素繊維を一定の長さ、通常は１〜３０ｍｍの長さに切断し、チョップ状にして用いる。この炭素繊維を切断する工程において炭素繊維収束性が良くないと、束中の炭素繊維が分散し、ローラー等に巻き付き操作性を著しく阻害することになる。一方、収束性を良くし、束中の炭素繊維の分散性を極度に制限すると切断時の操作性（カット性）は良くなるが、切断後の炭素繊維束をセメントと混合する場合、その分散性が悪くなり結果として、炭素繊維のセメント中での偏在が起こり、強度の低い複合材になってしまう。
【００１３】
これらの相反する諸問題を矛盾なく解決するために、発明者は収束剤の種類、付着量、さらに収束した炭素繊維束の物性を検討した。その結果、収束剤としては水と比較的良く混合することができ、且つ、ある程度の粘性を有するものが好ましく、且つまた、環境負荷の小さいものとして、グリセリン、ジグリセリン、トリグリセリン等が好ましく、特にコストの面からグリセリンが好ましいことが判明した。
【００１４】
また、その付着量は１２，０００本（１２Ｋ）の炭素繊維束で測定して０．５〜１０ｗｔ％の範囲が好ましく、さらに好ましくは１〜５ｗｔ％の範囲であることがわかった。
【００１５】
炭素繊維束へのグリセリン等の付与は、所定濃度のグリセリン等の水溶液中に炭素繊維束を浸漬させ、該炭素繊維束を１５０℃で５分間の加熱乾燥を施して水分を蒸発させることにより行ったが、この方法に限定されるものではない。また、グリセリン等の付着量は、上記の処理を施した炭素繊維束を温水で洗浄し、付着したグリセリン等を除去して、その前後の重量変化より求めた。
【００１６】
また、カット性ならびにセメントへの分散性の評価は、発明者の検討によれば、ＪＩＳ−Ｌ１０１８剛軟性測定法（４５°カンチレバー法）を炭素繊維束に適用して測定することにより可能であることがわかった。
【００１７】
すなわち、グリセリン等を所定量付着させた１２Ｋの炭素繊維束を長さ２５〜３０ｃｍの範囲で切断し、この炭素繊維束を測定治具上でゆっくりと水平にスライドさせ、炭素繊維束が水平方向から４５°の角度に折れ曲がる時点において、折点から炭素繊維束先端までの長さを測定し、ドレープ性とした。この測定を１試料に付き１０回行いその平均値を求めた。この値が小さければ、早く炭素繊維束は折れ曲がり、カット性は悪くなる。一方、この値が大きければ炭素繊維束の自己保持性が高く、収束性に優れるが、セメントへの分散性が悪くなる。
【００１８】
発明者の検討によれば、ドレープ性が１０〜２５ｃｍのものがカット性、分散性の面から好ましく、さらには１５〜２０ｃｍの範囲のものがより好ましいことが判明した。
【００１９】
本発明において、炭素繊維束の対象となるセメントは、ポルトランドセメント、白色ポルトランドセメント、アルミナセメント等の水硬性セメントである。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。なお、グリセリン等付着量ならびにドレープ性は前記に説明した方法により測定した。
【００２１】
［実施例１〜４、比較例１，２］
ストランド法で測定した引張り強度が４５０ｋｇ／ｍｍ²、引張り弾性率が２４ｔ／ｍｍ²のＰＡＮ系炭素繊維束（１２Ｋ）をグリセリンの濃度が異なるグリセリン水溶液に浸漬し、１５０℃で５分間の加熱乾燥処理を施したときのグリセリン付着量（重量％）が、それぞれ０．５、１．５、５、１０、および１５になるように調整した。その後この炭素繊維束を６ｍｍの長さにカットした。
そのカット性およびドレープ性の測定結果を表１に示す。
【００２２】
水、早強ポルトランドセメント、粉末珪石Ａ３号（細骨材）、メチルセルロース（増粘剤）、減水剤のそれぞれを、８０：２００：１２０：１：１の重量比に配合した混合物をモルタルミキサーに入れて一旦攪拌する。その後、６ｍｍの長さにカットした炭素繊維束を体積比で１．０％加えて攪拌し、繊維の分散状態を確認した。試験結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】

ただしカット性「○」は巻き付き等が殆ど発生しないことを、同「△」は巻き付き等が数回発生することを、同「×」は巻き付き等が頻繁に発生することを、また分散状態「○」は繊維が比較的均一に分散していることを、同「△」は繊維束が一部認められることを、同「×」は繊維束が沢山認められることをそれぞれ表わす。
【００２４】
［実施例５］
実施例１で用いたＰＡＮ系炭素繊維束をグリセリン水溶液に浸漬し、１５０℃で５分間の加熱乾燥処理を施したときのグリセリン付着量が５重量％になるように調整した。その後この炭素繊維束を６ｍｍの長さにカットした。また、この炭素繊維束のドレープ性は１９．１ｃｍであった。
【００２５】
水、早強ポルトランドセメント、粉末珪石Ａ３号（細骨材）、メチルセルロース（増粘剤）、減水剤のそれぞれを、８０：２００：１２０：１：１の重量比に配合した混合物をモルタルミキサーに入れて一旦攪拌する。その後、６ｍｍの長さにカットした炭素繊維束を体積比で０．５％加えて再び攪拌し、４×４×１６ｃｍの型枠に流し込んで成形した。養生は水中３０℃で７日間行った。このサンプルの曲げ強度は１６４ｋｇ／ｃｍ²であった。試験結果を表２に示す。
【００２６】
［実施例６］
炭素繊維束の体積比を０．７５％とした以外は、実施例５と同様の条件で成形した。このサンプルの曲げ強度は２０１ｋｇ／ｃｍ²であった。試験結果を表２に示す。
【００２７】
［実施例７］
炭素繊維束の体積比を１．０％とした以外は、実施例５と同様の条件で成形した。このサンプルの曲げ強度は３１５ｋｇ／ｃｍ²であった。試験結果を表２に示す。
【００２８】
［比較例３］
炭素繊維を配合しないこと以外は、実施例５と同様の条件で成形した。このサンプルの曲げ強度は５３ｋｇ／ｃｍ²であった。試験結果を表２に示す。
【００２９】
【表２】

【００３０】
【発明の効果】
本発明により、炭素繊維を適正に処理することによって、炭素繊維束のカット工程等においては繊維が集束し、作業性に優れ、且つ炭素繊維束とセメント等の混練工程においては分散性に優れ、しかもセメント系複合材の強度を向上せしめるセメント補強用炭素繊維束が提供され、壁材、石綿セメント代替材料、構造材料等の建築材料、土木材料として優れた性能を発揮する。

Claims

炭素繊維束に、グリセリン、ジグリセリン、トリグリセリンからなる群より選ばれる一種または二種以上を、０．５〜１０重量％の範囲内で付着せしめてなり、且つ、ＪＩＳ−Ｌ１０１８剛軟性測定法（４５°カンチレバー法）に拠り測定したドレープ性が、１０〜２５ｃｍの範囲内であることを特徴とするセメント補強用炭素繊維束。
前記炭素繊維束の炭素繊維が、ポリアクリロニトリルまたはピッチを主成分とするプレカーサーを焼成してなり、且つ、弾性率３ｔ／ｍｍ²以上、強度５０ｋｇ／ｍｍ²以上である請求項１記載のセメント補強用炭素繊維束。
前記セメントが、ポルトランドセメント、白色ポルトランドセメント、アルミナセメントを含む水硬性セメントである請求項１記載のセメント補強用炭素繊維束。