[發明專利]碳纖維前體丙烯腈系纖維、碳纖維及它們的制造方法

有效

• 申請號: 201880012166.1
• 申請日: 2018-02-16
• 公開（公告）號: CN110300819B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 松山直正;中村祐太郎;廣田憲史;松村宏子;池田勝彥;若林巧己;大谷忠;伊藤彰浩;平野健司;畑山明人;兼田顯治;中島篤志
• 申請（專利權）人: 三菱化學株式會社
• 主分類號: D01F6/18
• 分類號: D01F6/18;D01F9/22
• 代理公司: 北京銀龍知識產權代理有限公司 11243
• 代理人: 陳彥;孔博

本發明的第一方式是單纖維表面的中心線平均粗糙度Ra為6.0nm以上13nm以下，單纖維的長徑/短徑為1.11以上1.245以下的碳纖維。第一方式的碳纖維是將作為第二方式的碳纖維前體丙烯腈系纖維在特定條件下進行預氧化和碳化而獲得的，所述碳纖維前體丙烯腈系纖維的單纖維表面的中心線平均粗糙度Ra為18nm以上27nm以下，單纖維的長徑/短徑為1.11以上1.245以下。

技術領域

本發明涉及碳纖維前體丙烯腈系纖維、碳纖維以及它們的制造方法。

背景技術

近年來，在各種產業中，用于各種用途的壓力容器的利用范圍日益擴大，也正進行向以天然氣為燃料的汽車中所搭載的壓力容器(CNG罐)、以氫氣為燃料的燃料電池車中所搭載的壓力容器(CHG罐)的開展。為了改善燃耗，市場要求汽車用的壓力容器更加輕量化。

通常，使用了碳纖維的壓力容器通過在由碳纖維的單纖維形成的束(以下，有時稱為碳纖維束。)中含浸環氧樹脂等樹脂，并進行纏繞于被稱為襯管(liner)的金屬制、樹脂制的圓筒狀物的處理，將樹脂加熱固化而獲得。(以下，有時稱為纖維纏繞法。)

已知碳纖維一般而言具有高比強度和比彈性模量，使用了碳纖維的壓力容器(以下，有時稱為CFRP制罐。)具有與金屬制的壓力容器相同程度的強度同時重量輕。

然而，對于汽車用的壓力容器而言，特別是在CHG罐的領域要求進一步的高強度化。

為了CFRP制罐的高強度化，除了提高所使用的碳纖維的絲束強度以外，抑制構成CFRP制罐的碳纖維增強塑料(以下，有時稱為CFRP。)中空隙的生成、減小CFRP中纖維體積含有率的不均也是重要的。

對于以往技術所制造的碳纖維，有構成碳纖維束的單纖維的表面所形成的褶皺越淺，碳纖維束的集束性越高，樹脂在碳纖維束中的含浸越不充分，在CFRP中形成空隙的傾向。相反地，如果單纖維的表面所形成的褶皺過深，則有碳纖維束的集束性變得不充分，樹脂的含浸無法恒定，CFRP中的纖維體積含有率的不均變大的傾向。

此外，有構成碳纖維束的單纖維的截面形狀越接近正圓，單纖維彼此的間隙越小，樹脂在碳纖維束中的含浸越不充分，在CFRP中形成空隙的傾向。相反地，有單纖維的纖維軸向上的截面形狀越遠離正圓，單纖維間的間隙的偏差越大，樹脂在碳纖維束中的含浸無法恒定，CFRP中的纖維體積含有率的不均越大的傾向。

因此，為了實現CFRP制罐的高強度化，除了絲束強度高以外，還期望適當地控制了單纖維的截面形狀和單纖維的表面所形成的褶皺的碳纖維。

專利文獻1中記載了，通過控制構成碳纖維束的單纖維的表面的表面凹凸結構，從而維持與樹脂的界面粘接性，同時抑制由應力集中導致的斷裂韌性降低，此外，通過使構成碳纖維束的單纖維的截面形狀更接近正圓，從而抑制由應力集中導致的斷裂韌性降低，可獲得具有高機械特性的碳纖維增強復合材料。然而，由于構成碳纖維束的單纖維的截面形狀接近正圓，單纖維的表面的凹凸也淺，因而有時所得的CFRP制罐的空隙增多，在空隙多的情況下不易獲得高強度。

此外，專利文獻2中記載了，通過使碳纖維束的寬度為均勻的扁平形狀，抑制樹脂含浸后的纖維束的寬度變動，從而可獲得適于利用纖維纏繞法進行CFRP制罐的制造的碳纖維束。因此，控制構成碳纖維束的單纖維的截面形狀和表面的算術平均粗糙度。然而，由于所使用的構成碳纖維束的單纖維的截面形狀接近正圓，因此有單纖維彼此易于最密填充，所得的CFRP制罐的空隙多的傾向，不易獲得高強度。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2010-285710號公報

專利文獻2：日本特開2012-154000號公報

發明內容

發明所要解決的課題