JP6393348B2 - 炭素繊維の表面の油剤の交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維の表面処理技術に係り、炭素繊維の表面の油剤を効果的に交換できる、炭素繊維の表面の油剤の交換方法を提供することを旨とする。

炭素繊維は、炭化繊維とも称し、それは優れた力学特性及び電気特性を有するため、各種の用途に広汎に応用することができる。現在、坊間によく見られる炭素繊維の多くはポリアクリロニトリル系繊維などの炭素繊維の前駆体繊維（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｆｉｂｅｒ）を束にしてなる炭素繊維前駆体繊維束にか焼を行って得られたものである。

処理を経ていない炭素繊維の表面は、粘着性が不足し、しかもそれは不良な横方向性質を有し、例えば、分離強度及び剪断強度などを有するため、直接に利用するものは比較的に少ないことが分かり、通常、用途に従って基質樹脂と組み合わせる炭素繊維複合材料を成形する一方、炭素繊維及び石墨繊維が特別に硬くて脆いので、接着可能性、曲げ力や耐摩耗性を欠き、それが工場から出庫する前に大抵表面に１層の油剤（糊付け剤）を塗布しておくことで、繊維が摩擦による断裂してしまうことがないように保護できるようになっている。

従来、炭素繊維複合材料では、炭素繊維の優れた機械特性を完全に利用して、その基質樹脂として熱硬化型樹脂材料を採用することが多く、いわゆる熱硬化型炭素繊維複合材料になり、熱可塑型炭素繊維複合材料との最大の差異性は、伝統的な熱硬化型炭素繊維複合材料の成形時間が長いので、金型の使用率が比較的に低くなり、生産能力も相対的に比較的に低くなることである。

しかしながら、現在、市販の炭素繊維原料の表面の油剤は、依然として大多数が熱硬化型樹脂の湿潤性に基づいて設計した熱硬化型樹脂油剤であり、もしさらにこの類の炭素繊維原料を熱可塑型炭素繊維複合材料になるように作製するには、その炭素繊維原料と樹脂との間では界面が不整合になるため、健全な接合界面を形成できないことが、射出成形を主要な加工手段とする各種の電気、電子部品、機械部品や自動車部品などの製品に応用することができない主因となっていた。

これに鑑みて、本発明は、つまり炭素繊維の表面の油剤を効果的に交換できる、炭素繊維の表面の油剤の交換方法を提供することを主要な目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明の炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、基本的に順次に少なくとも下記の工程を含み、すなわち第１種の油剤が被覆される炭素繊維を提供する原料供給工程と、前記第１種の油剤を除去する糊抜き工程と、プラズマガス流を提供して前記炭素繊維に作用させるプラズマ表面処理工程と、第２種の油剤を前記炭素繊維に被覆する糊付け工程とを含む。

上記の技術的特徴を利用して、本発明の炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、相対的により積極的で信頼性のある手段で、炭素繊維の表面の油剤を所期の油剤に置き換えることができる。特に、プラズマ表面処理を介して炭素繊維の表面を粗面化すると同時に、炭素繊維の表面の官能基を増加させることにより、炭素繊維の後続の糊付け過程において、炭素繊維と所期の油剤との良好な界面接合を図ることに寄与することから、後続の工芸で形成した炭素繊維複合材料の特性表現を向上させることができる。

上記の技術的特徴によれば、かかる前記炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、前記プラズマ表面処理工程において、パワーが１００〜１００００ワット（Ｗ）であるプラズマガス流を前記炭素繊維に１０〜１０００ミリ秒（ｍｓｅｃ）作用させる。

上記の技術的特徴によれば、かかる前記炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、前記プラズマ表面処理工程において、パワーが１００〜１００００ワット（Ｗ）である大気プラズマガス流を前記炭素繊維に１０〜１０００ミリ秒（ｍｓｅｃ）作用させる。

上記の技術的特徴によれば、かかる前記炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、前記プラズマ表面処理工程において、パワーが１００〜１００００ワット（Ｗ）である低圧プラズマガス流を前記炭素繊維に１０〜１０００ミリ秒（ｍｓｅｃ）作用させる。

上記の技術的特徴によれば、かかる前記炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、前記プラズマ表面処理工程において、パワーが１００〜１００００ワット（Ｗ）であるマイクロ波プラズマガス流を前記炭素繊維に１０〜１０００ミリ秒（ｍｓｅｃ）作用させる。

上記の技術的特徴によれば、かかる前記炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、前記プラズマ表面処理工程において、パワーが１００〜１００００ワット（Ｗ）であるグロ−プラズマガス流を前記炭素繊維に１０〜１０００ミリ秒（ｍｓｅｃ）作用させる。

かかる前記炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、前記糊抜き工程において、２５０〜６５０℃の高温及び時間１〜６０秒（ｓｅｃ）の条件下で糊抜きを行う。

かかる前記炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、前記糊抜き工程において、有機溶剤で前記第１種の油剤を除去する。

上記の前記有機溶剤が、アセトン又はクロロホルムである。

かかる前記炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、前記糊付け工程において、浸漬方式を用いて前記第２種の油剤を前記炭素繊維に被覆させる。

かかる前記炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、前記糊付け工程において、パディング方式を用いて前記第２種の油剤を前記炭素繊維に被覆させる。

かかる前記第１種の油剤が、熱硬化型樹脂油剤である。

かかる前記第２種の油剤が、熱硬化型樹脂油剤である。

かかる前記第２種の油剤が、熱可塑型樹脂油剤である。

かかる前記第２種の油剤が、ポリウレタン（Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ，ＰＵ）、ポリエチレン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ，ＰＥ）、ポリプロピレン（Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ，ＰＰ）又はアクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）系のいずれか１つであってもよい。

かかる前記炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、前記糊付け工程の後、前記第２種の油剤を有する炭素繊維原料に対して少なくとも１つの乾燥工程を施すことで、前記第２種の油剤を前記炭素繊維に固着させる。

本発明で開示した炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、とりわけ市販の炭素繊維原料の表面に既に有する熱硬化型樹脂油剤から熱可塑型樹脂油剤への置き換えに適していることにより、射出成形を主要な加工手段とする各種の電気、電子部品、機械部品や自動車部品などの製品に応用することができる。特に、プラズマ表面処理を介して炭素繊維の表面を粗面化すると同時に、炭素繊維の表面の官能基を増加させることができ、炭素繊維の後続の糊付け過程において、炭素繊維と熱可塑型樹脂油剤との良好な界面接合を図ることに寄与することから、後続の工芸で形成した炭素繊維複合材料の特性表現を向上させることができる。

本発明の第１実施例の炭素繊維の表面の油剤の交換方法の基本的流れ図である。 本発明の炭素繊維の表面の油剤の交換方法を利用して原料供給工程における炭素繊維原料を示す断面構造図である。 本発明の炭素繊維の表面の油剤の交換方法を利用して糊抜き工程を完了した後の炭素繊維を示す断面構造図である。 本発明の炭素繊維の表面の油剤の交換方法を利用してプラズマ表面処理工程を完了した後の炭素繊維を示す断面構造図である。 本発明の炭素繊維の表面の油剤の交換方法を利用して糊付け工程を完了した後の炭素繊維原料を示す断面構造図である。 本発明の第２実施例の炭素繊維の表面の油剤の交換方法の基本的流れ図である。

以下、添付図面を参照して本考案の実施の形態を詳細に説明する。

本発明は、主に炭素繊維の表面の油剤を効果的に交換できる、炭素繊維の表面の油剤の交換方法を提供し、図１に示すように、本発明の炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、基本的に順次に下記の工程を含み、すなわち原料供給工程、糊抜き工程、プラズマ表面処理工程及び糊付け工程などの工程を含む。なお、図２〜図５を参照しながら、さらに各工程の実施可能な形態について以下のように説明する。

前記原料供給工程において、主に炭素繊維１１の表面に第１種の油剤１２が被覆される炭素繊維原料１０を提供する。かかる前記炭素繊維１１は、レーヨン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニリデン、ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ，ＰＡＮ）、ピッチ（ｐｉｔｃｈ）などの前駆体繊維を束にしてなる炭素繊維前駆体繊維束にか焼を行って得られたものである。実施時、かかる前記第１種の油剤１２が、熱硬化型樹脂油剤であってもよい。

前記糊抜き工程において、前記炭素繊維原料１０の表面の前記第１種の油剤１２を除去する（図３参照）。実施時、２５０〜６５０℃の高温、時間１〜６０秒（ｓｅｃ）の条件下で糊抜きを行うことができ、あるいは有機溶剤で前記炭素繊維原料１０の表面を洗浄する方式を用いて糊抜きを行うことができる。前記有機溶剤で炭素繊維原料１０の表面を洗浄する方式を用いて糊抜きを行う実施形態において、かかる前記有機溶剤が、アセトン又はクロロホルムであってもよい。

前記プラズマ表面処理工程において、予め設定されたパワーのプラズマガス流を前記第１種の油剤１２を除去した炭素繊維１１に予め設定された時間作用させることにより、前記炭素繊維１１の表面に相対的に粗面化したプラズマ改質構造１１１を形成する（図４参照）。

前記糊付け工程において、前記表面に形成された前記プラズマ改質構造１１１の炭素繊維１１の表面に第２種の油剤１３を被覆することによって、表面に前記第２種の油剤１３を有する炭素繊維原料１０が得られる（図５参照）。実施時、浸漬やパディングなどの方式を採用して前記第２種の油剤１３を前記炭素繊維１１の表面に被覆することができる。かかる前記第２種の油剤１３に至っては熱硬化型樹脂油剤、又は熱可塑型樹脂油剤であってもよい。かかる前記第２種の油剤１３が熱可塑型樹脂油剤である実施形態において、かかる前記第２種の油剤１３が、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）又はアクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）系のいずれか１つであってもよい。

これによれば、本発明の炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、相対的により積極的で信頼性のある手段で、炭素繊維の表面の油剤を所期の油剤に置き換えることができる。とりわけ、市販の炭素繊維原料１０の表面に既に有する熱硬化型樹脂油剤から熱可塑型樹脂油剤への置き換えに適していることにより、射出成形を主要な加工手段とする各種の電気、電子部品、機械部品や自動車部品などの製品に応用することができる。

プラズマ表面処理過程において、パワーが１００〜１００００ワット（Ｗ）である大気プラズマガス流、低圧プラズマガス流、マイクロ波プラズマガス流やグロ−プラズマガス流などを使用して、前記炭素繊維に１０〜１０００ミリ秒（ｍｓｅｃ）作用させることができる。プラズマガス流にエネルギーを有する粒子を含むので、プラズマガス流の物理反応（衝撃）及び化学反応作用を介して本来炭素繊維１１の表面に付着した不純物が分子化され、ひいては吹き飛ばされることにより、炭素繊維１１の表面を粗面化すると同時に、炭素繊維１１の表面の官能基を増加させ、炭素繊維１１の後続の糊付け過程において、炭素繊維１１と熱可塑型樹脂油剤との良好な界面接合を図ることに寄与することから、後続の工芸で形成した炭素繊維複合材料の特性表現を向上させることができる。

さらに、本発明におけるプラズマ表面処理は、乾式に属する表面処理技術であるため、炭素繊維１１に付加的な不純物や沈澱物を生成するのを回避できるのみならず、相対的に炭化繊維１１のプラズマ表面処理工程を完了した後の乾燥工数、作業手順を低減することもできる。勿論、本発明の炭素繊維の表面の油剤の交換方法も、図６に示すように、前記糊付け工程の後、前記第２種の油剤１３を有する炭素繊維原料１０に対して少なくとも１つの乾燥工程を施し、例えば、焼成や風乾などの方式を介して前記第２種の油剤１３を前記炭素繊維１１の表面に強固に付着させることができる。

具体的に言えば、本発明で開示した炭素繊維の表面の油剤の交換方法は、とりわけ市販の炭素繊維原料の表面に既に有する熱硬化型樹脂油剤から熱可塑型樹脂油剤への置き換えに適していることにより、射出成形を主要な加工手段とする各種の電気、電子部品、機械部品や自動車部品などの製品に応用することができる。特に、プラズマ表面処理を介して炭素繊維の表面を粗面化すると同時に、炭素繊維の表面の官能基を増加させることができ、炭素繊維の後続の糊付け過程において、炭素繊維と熱可塑型樹脂油剤との良好な界面接合を図ることに寄与することから、後続の工芸で形成した炭素繊維複合材料の特性表現を向上させることができる。

上記の実施例は、本発明の技術思想及び特長を説明するためのものにすぎず、当該技術分野を熟知する者に本発明の内容を理解させると共にこれをもって実施させることを目的とし、本発明の特許範囲を限定するものではない。従って、本発明で開示した精神を逸脱せずに完成した同等の変更や修正は、いずれも本発明の特許請求の範囲に含まれるものとする。

１０：炭素繊維原料
１１：炭素繊維
１１１：プラズマ改質構造
１２：第１種の油剤
１３：第２種の油剤

Claims (15)

1. 炭素繊維の表面の油剤の交換方法であって、順次に少なくとも下記の工程を含み、すなわち
   第１種の油剤が被覆される炭素繊維を提供する原料供給工程と、
   前記第１種の油剤を除去する糊抜き工程と、
   プラズマガス流を提供して前記炭素繊維に作用させるプラズマ表面処理工程と、
   前記第２種の油剤を前記炭素繊維に被覆する糊付け工程とを含み、
   前記第２種の油剤が、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）又はアクリル（Ａｃｒｙｌｉｃ）系のいずれか１つである、
   ことを特徴とする、炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
2. 前記プラズマ表面処理工程において、パワーが１００〜１００００ワット（Ｗ）であるプラズマガス流を前記炭素繊維に１０〜１０００ミリ秒（ｍｓｅｃ）作用させることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
3. 前記プラズマ表面処理工程において、パワーが１００〜１００００ワット（Ｗ）である大気プラズマガス流を前記炭素繊維に１０〜１０００ミリ秒（ｍｓｅｃ）作用させることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
4. 前記プラズマ表面処理工程において、パワーが１００〜１００００ワット（Ｗ）である低圧プラズマガス流を前記炭素繊維に１０〜１０００ミリ秒（ｍｓｅｃ）作用させることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
5. 前記プラズマ表面処理工程において、パワーが１００〜１００００ワット（Ｗ）であるマイクロ波プラズマガス流を前記炭素繊維に１０〜１０００ミリ秒（ｍｓｅｃ）作用させることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
6. 前記プラズマ表面処理工程において、パワーが１００〜１００００ワット（Ｗ）であるグロ−プラズマガス流を前記炭素繊維に１０〜１０００ミリ秒（ｍｓｅｃ）作用させることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
7. 前記糊抜き工程において、温度２５０〜６５０℃及び時間１〜６０秒の条件下で糊抜きを行うことを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
8. 前記糊抜き工程において、有機溶剤で前記第１種の油剤を除去することを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
9. 前記有機溶剤が、アセトン又はクロロホルムであることを特徴とする、請求項８に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
10. 前記糊付け工程において、浸漬方式を用いて前記第２種の油剤を前記炭素繊維に被覆させることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
11. 前記糊付け工程において、パディング方式を用いて前記第２種の油剤を前記炭素繊維に被覆させることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
12. 前記第１種の油剤が、熱硬化型樹脂油剤であることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
13. 前記第２種の油剤が、熱硬化型樹脂油剤であることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
14. 前記第２種の油剤が、熱可塑型樹脂油剤であることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。
15. 前記糊付け工程の後、少なくとも１つの乾燥工程を施すことで、前記第２種の油剤を前記炭素繊維に固着させることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維の表面の油剤の交換方法。