(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記一般式（１）で示される官能基と一般式（２）で示されるエポキシ基とを有する化合物を含有することを特徴とする炭素繊維用サイジング剤。
【化１】
0003720633.tif 000010
（一般式（１）中、Ｒは水素原子またはアルキル基である。）
【請求項２】
前記一般式（１）で示される官能基と一般式（２）で示されるエポキシ基とをそれぞれ１つづつ有し、これらの官能基がそれぞれ主鎖片末端に位置することを特徴とする請求項１記載の炭素繊維用サイジング剤。
【請求項３】
前記エポキシ基が、下記一般式（３）で示されるグリシジル基であることを特徴する請求項１または２記載の炭素繊維用サイジング剤。
【化２】
0003720633.tif 000011
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維用サイジング剤が付着していることを特徴とする炭素繊維。
【請求項５】
炭素繊維用サイジング剤の付着量が０.１から５重量％の範囲であることを特徴とする請求項４記載の炭素繊維。
【請求項６】
請求項１から３のいずれかに記載の炭素繊維用サイジング剤が水溶液中に分散してなることを特徴とする炭素繊維用サイジング剤溶液。
【請求項７】
請求項４記載の炭素繊維を用いてなることを特徴とする炭素繊維シート状物。
【請求項８】
炭素繊維が一方向に引き揃えられていることを特徴とする請求項７記載の炭素繊維シート状物。
【請求項９】
請求項８記載の炭素繊維シート状物において、その少なくとも一方の面に、前記一方向に引き揃えられている炭素繊維に対して直行する方向に沿って、熱融着性繊維が所定間隔で配列し、熱融着されていることを特徴とする炭素繊維シート状物。
【請求項１０】
請求項８記載の炭素繊維シート状物において、その少なくとも一方の面に、熱融着性繊維布が熱融着していることを特徴とする炭素繊維シート状物。
【請求項１１】
請求項４記載の炭素繊維を織糸として有することを特徴とする炭素繊維シート状織物。
【請求項１２】
炭素繊維を経糸とし、該経糸より引張弾性率が低い繊維を緯糸とすることを特徴とする請求項１１記載の炭素繊維シート状織物。
【請求項１３】
緯糸が融点差５０℃以上の２種の繊維からなり、１ｍ当たりの重量が０.１ｇ以下の複合糸であり、径糸方向における緯糸の間隔が３〜１５ｍｍで、緯糸の低融点繊維により経糸と緯糸とが接着されていることを特徴とする請求項１１記載の炭素繊維シート状織物。
【請求項１４】
請求項４記載の炭素繊維を有することを特徴とする炭素繊維強化樹脂組成物。
【請求項１５】
炭素繊維が一方向に引き揃えられていることを特徴とする請求項１４記載の炭素繊維強化樹脂組成物。
【請求項１６】
請求項１１〜１３のいずれかに記載の炭素繊維シート状織物を有することを特徴とする炭素繊維強化樹脂組成物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維シート状物ないし炭素繊維強化樹脂組成物、およびそれらに用いられる炭素繊維、さらにそのサイジング剤およびサイジング溶液に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、繊維強化複合材料の一つに炭素繊維と樹脂からなる炭素繊維強化樹脂組成物がある。
炭素繊維強化樹脂組成物を構成するマトリックス樹脂としては、一般的に広く使用されているエポキシ樹脂の他、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、アクリル樹脂等のラジカル重合系樹脂など種々の樹脂が用いられている。
一方、この炭素繊維樹脂に使用されている炭素繊維は、化学組成の大部分（９０％以上）が炭素よりなる繊維であり、再生セルロース、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ピッチなどから得られ、高強度炭素繊維、高弾性炭素繊維などに区別される。この炭素繊維は、軽量で、比強度および比弾性率に対して特に優れた性質を有している。加えて、耐熱性、耐薬品性にも優れていることなどから、強化剤として有効であり、広範囲に用いられている。
【０００３】
しかしながら、この炭素繊維は、伸度が小さく脆い材料であるため、その使用に際し、機械的な摩擦などによって毳起ちやすいという不都合がある。また、炭素繊維は、一般にマトリックス樹脂に対する接着性に乏しいため、これを使用した炭素繊維強化樹脂組成物において、炭素繊維の有する優れた性質を十分に発揮させることが困難であるという不都合が生じる。
これらの不都合を軽減するため、従来から炭素繊維に対してサイジング剤による処理が施されている。炭素繊維用サイジング剤は、炭素繊維の取扱性を向上させるために、また、マトリックス樹脂に対する接着性を向上させて、炭素繊維強化樹脂の性質を向上させるために使用されるもので、マトリックス樹脂と炭素繊維の含浸性を向上させる、接着性を向上させるなどの性能を有している。
このような炭素繊維に使用されるサイジング剤として、例えば、ポリグリシジルエーテル類などを用いるもの（参照：特公昭５７−１５２２９号公報等）（以下、「サイジング剤１」と略記する）や、分子内に少なくとも三つのエポキシ基を有するエポキシ化合物と、ビニル基含有カルボン酸との反応生成物を主成分とするもの（参照：特開昭５５−８４４７６号公報等）（以下、「サイジング剤２」と略記する）などの種々のものが提案されている。
上記サイジング剤１は、その使用に際し、優れた含浸性や界面接着力などの利点を有している。
サイジング剤２は、マトリックス樹脂、特に不飽和ポリエステル樹脂との接着性を向上させることができ、また、エポキシ樹脂をマトリックス樹脂として用いた場合に硬化条件変動による炭素繊維強化樹脂組成物の物性が変動するという従来からの懸念を低減できる優れたサイジング剤である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サイジング剤１では、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、アクリル樹脂などのラジカル重合系樹脂に対する接着性は十分ではなく、それらの樹脂をマトリックス樹脂とする炭素繊維強化樹脂組成物に使用するには不適当である。
サイジング剤２は、分子内にエポキシ基とビニル基が必ず一つ以上有していない場合があること、これらの官能基が主鎮末端と分枝支鎖末端のいずれかに存在する可能性があり、しかも分子としての嵩高さが大きく、また炭素繊維とマトリックス樹脂界面層に架橋網を形成し易いなど、安定した物性の発現が望めないなどのおそれがあった。
【０００５】
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、エポキシ樹脂だけでなく、特に、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などのラジカル重合系樹脂との樹脂含浸性が良く、また、これらの樹脂と炭素繊維との接着力に優れ、さらに、安定した物性改善効果が得られる炭素繊維、炭素繊維シート状物ならびにこの炭素繊維を強化材料とした炭素繊維強化樹脂組成物、その為の炭素繊維用サイジング剤等を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の炭素繊維用サイジング剤は、下記一般式（１）で示される官能基と一般式（２）で示されるエポキシ基とを有する化合物を含有することを特徴とするものである。
【化３】
0003720633.tif 000002
（一般式（１）中、Ｒは水素原子またはアルキル基である。）
ここで、その化合物は、一般式（１）で示される官能基と一般式（２）で示されるエポキシ基とをそれぞれ１つづつ有し、これらの官能基がそれぞれ主鎖片末端に位置するものが望ましい。
さらに、エポキシ基としては、下記一般式（３）で示されるグリシジル基であることが望ましい。
【化４】
0003720633.tif 000003
【０００７】
本発明の炭素繊維は、上述した炭素繊維用サイジング剤が付着していることを特徴とするものである。
炭素繊維用サイジング剤の付着量としては、０.１から５重量％の範囲であることが望ましい。
本発明に係る炭素繊維用サイジング剤溶液は、上述した炭素繊維用サイジング剤が水溶液中に分散してなることを特徴とするものである。
本発明の炭素繊維シート状物は、上記炭素繊維を用いてなるものである。
炭素繊維シート状物としては、炭素繊維が一方向に引き揃えられているものが望ましい。
炭素繊維シート状物としては、その少なくとも一方の面に、前記一方向に引き揃えられている炭素繊維に対して直行する方向に沿って、熱融着性繊維が所定間隔で配列し、熱融着されているもの、または、その少なくとも一方の面に、熱融着性繊維布が熱融着しているものが好適である。
【０００８】
本発明の炭素繊維シート状織物は、上記炭素繊維を織糸として有することを特徴とするものである。
この際、炭素繊維を経糸とし、該経糸より引張弾性率が低い繊維を緯糸とすることが望ましい。
また、緯糸が融点差５０℃以上の２種の繊維からなり、１ｍ当たりの重量が０.１ｇ以下の複合糸であり、径糸方向における緯糸の間隔が３〜１５ｍｍで、緯糸の低融点繊維により経糸と緯糸とが接着されている炭素繊維シート状織物が望ましい。
本発明の炭素繊維強化樹脂組成物は、上記炭素繊維を有することを特徴とするものである。
ここで、炭素繊維が一方向に引き揃えられているものが望ましい。
また、上述した炭素繊維シート状織物を有する炭素繊維強化樹脂組成物が望ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明の炭素繊維用サイジング剤は、上記一般式（１）で示される官能基と一般式（２）で示されるエポキシ基を有する化合物を含有するものである。
上記一般式（１）で示される官能基と一般式（２）で示されるエポキシ基とを分子内に有する化合物であれば特に限定されないが、例えば下記一般式（４）〜（９）で示される化合物が好ましく使用される。
【化５】
0003720633.tif 000004
（一般式（８），（９）中のｎは、２〜７である。）
【００１０】
このような化合物であると、上記官能基（１）の二重結合がラジカル重合系樹脂とラジカル反応して結合し、エポキシ基が炭素繊維表面の活性基と物理的あるいは化学的結合を形成する。
官能基（１）のＲは、水素原子または炭素数が１ないし２のアルキル基であることが好ましく、マトリックス樹脂となる樹脂の種類などに合わせて適したものが選択される。
この一般式（１）で示される官能基と一般式（２）で示されるエポキシ基とを分子内に有する化合物の中でも、一般式（４）〜（９）で代表される化合物のように、分子の主鎖の片方の端部に上記一般式（１）で示される官能基を、他方の端部に一般式（２）で示されるエポキシ基を、それぞれ配したものが好ましい。このような分子構造をとることによって、マトリックス樹脂、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、アクリル樹脂などのラジカル重合系樹脂などと、炭素繊維をより強力に結合する。
【００１１】
本発明で、エポキシ基は、上記一般式（２）で示されるものであるが、上記一般式（４）、あるいは上記一般式（５）〜（９）で示される化合物などにおけるグリシジルエーテルの形態のものが、より優れた界面接着性を発現するので好ましい。
また、上記化合物の骨格には、例えば、上記一般式（４）、（５）、（６）または上記一般式（８）で示される化合物のようなビスフェノールＡ型、あるいは上記一般式（７）または上記一般式（９）で示される化合物のようなビスフェノールＦ型、または、ビスフェノールＳ型、ビフェニル型などが挙げられる。
このビスフェノールＡ型あるいはビスフェノールＦ型は、その構造が比較的剛直であることから、これを骨格としてなる上記化合物を主成分としたサイジング剤は、炭素繊維に対して良好な力学的特性を付与することができる。また、このビスフェノールＡ型あるいはビスフェノールＦ型は、π共役系を有していることにより、微小なグラファイト結晶で構成されている炭素繊維に対して良好な親和性を有しているため、優れた界面接着性を発現するため好ましい。
【００１２】
この分子内に上記一般式（１）で示される官能基と一般式（２）で示されるエポキシ基とを有する化合物において、その官能基の数は、上記一般式（４）〜（９）で示される化合物のように一個ずつであってもよく、また複数個であってもよい。複数個の各官能基が存在する場合、これら各官能基の構造は、全て異なるものであってもよく、また、同一のものが存在していてもよい。
このような化合物を主成分として構成してなる炭素繊維用サイジング剤にあっては、その主成分として、その化合物の１種類を単独で用いることもできるが、複数種の化合物を組み合わせて混合物として使用することもできる。
サイジング剤としては、上述した化合物を主成分として含有していればよく、サイジング剤中、４０重量％以上あればよい。この主成分と併用される他の成分としては、例えば、例えば、各種エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂等を用いることができる。
【００１３】
このような上記一般式（１）で示される官能基と一般式（２）で示されるエポキシ基を有する化合物を主成分とした炭素繊維用サイジング剤は、上記の二種類の官能基を必ずそれぞれ一つ以上有しているものであるため、炭素繊維に対しても、また、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などのラジカル重合系樹脂などのマトリックス樹脂に対しても優れた親和性を有している。したがって、本サイジング剤で処理された炭素繊維は前記マトリックス樹脂に対し良好な濡れ性を示し、その結果、優れた力学的特性を有する複合材を得ることができる炭素繊維とすることができる。
【００１４】
上記炭素繊維用サイジング剤は、これを炭素繊維に付与する際には、水、あるいはアセトンなどの有機溶剤などに分散させ、サイジング剤溶液として使用することが適当である。特に、サイジング剤溶液は、炭素繊維用サイジング剤を水溶液中に分散させたサイジング剤溶液が好適である。サイジング剤溶液にあっては、これを水エマルジョン系とした場合、アセトンなどの有機溶剤溶液などと比較して、工業的にも、また安全性の面からも優れているため好ましい。
このような前記炭素繊維用サイジング剤を水溶液中に分散させてなるサイジング剤溶液を調製する際には、界面活性剤を利用することが、分散性を高め溶液安定性を高めて取扱性が良好となるので好ましい。
ここで使用される界面活性剤としては、ノニオン系、カチオン系、アニオン系のいずれのものも用いることができる。特に、ノニオン系の界面活性剤は、これを用いたサイジング剤溶液を使用した炭素繊維強化樹脂組成物を形成する場合においてプリプレグ状態などでの優れた貯蔵安定性を有しているため、また、熱可塑性樹脂との複合化などを行う場合にトラブル発生要因となる塩類を有していないことから扱い易いなどのため好ましい。
【００１５】
炭素繊維用サイジング剤と界面活性剤との配合比率は、重量比でサイジング剤／界面活性剤＝９５／５〜７０／３０であり、好ましくは、サイジング剤／界面活性剤＝８５／１５〜７５／２５である。この範囲にあっては、それを使用して得られるサイジング剤溶液の安定性がよく、なおかつ、サイジング剤の効果に悪影響を与えることがなく好ましい。この配合比率において、界面活性剤の配合比率が上記範囲未満となる場合には、それを使用して得られるサイジング剤溶液の安定性が低下する。一方、上記範囲を越える場合では、それを使用して得られるサイジング剤溶液で炭素繊維を処理するに際し、炭素繊維の表面が界面活性剤に被覆されるという不都合が生じて、サイジング剤が有効に作用することができないため、炭素繊維の界面接着性向上効果に対して悪影響を与える。
また、このような上記サイジング剤溶液に対して、平滑剤を配合することで、耐擦過性を向上させた炭素繊維を得ることもできる。
【００１６】
本発明に係る炭素繊維は、上記炭素繊維用サイジング剤または上記サイジング剤溶液を用いてその表面を処理したものである。
このようなサイジング剤溶液を使用して処理される炭素繊維は、ピッチ、レーヨンあるいはポリアクリロニトリルなどのいずれの原料物質からなるものでもよい。またその種類は、例えば、高強度タイプ（低弾性率炭素繊維）、中高弾性炭素繊維および超高弾性炭素繊維などのいずれの種類のものでもよい。さらに、その形態は、長繊維、短繊維あるいは織物、編み物、不織布などのシート状形態を有するものなどいずれのものでもよく、特に限定されない。
【００１７】
この炭素繊維に付着させる前記炭素繊維用サイジング剤の付着量は、炭素繊維に対して０.１重量％〜５.０重量％であり、好ましくは、０.２重量％〜３.０重量％である。この範囲の付着量であれば、炭素繊維に対して、サイジング剤の効果を十分に付与することができる。この炭素繊維用サイジング剤の付着量が０.１重量％未満では、炭素繊維の収束性、耐擦過性が十分に得られないため、機械的摩擦などによって毛羽が発生して好ましくない。また、樹脂との親和性、界面接着力が不十分であるため、これを使用してなる炭素繊維強化樹脂が良好な力学的特性を得ることができないなどの不都合が生じる。一方、５.０重量％を越える場合では、収束性が強すぎることにより、炭素繊維束の開繊性が悪くなって、マトリックス樹脂との複合化の際に束内部への樹脂の含浸が阻害される等の不都合が生じる。
【００１８】
炭素繊維に対する炭素繊維用サイジング剤の付着量は、サイジング剤溶液の濃度調整や、絞りコントローラーなどの通過工程の調整などの方法によって調整される。
本発明の炭素繊維用サイジング剤が付着した炭素繊維は、機械的摩擦などによる毛羽などが発生しにくく、さらに、マトリックス樹脂に対する親和性や接着性に優れたものである。
【００１９】
炭素繊維用サイジング剤を炭素繊維に付着させるには、ローラー浸漬法、ローラー接触法など一般に工業的に用いられている方法を適用できる。
炭素繊維用サイジング剤を付着させた炭素繊維は、続いて乾燥処理され、サイジング剤を付着させる際に同時に付着したサイジング剤溶液に含まれていた水、あるいは有機溶媒などの除去が行われた後に、炭素繊維強化樹脂組成物等の形成に使用されるものとなる。
ここでの乾燥処理は、熱風、熱板、ローラー、各種赤外線ヒーターなどを熱媒として利用した方法などによって行われる。
【００２０】
本発明に係る炭素繊維シート状物は、上述したサイジング剤で処理された炭素繊維を用いたことを特徴とするものであり、織布、一方向配列シート、不織布、マット等、これらを組み合わせたものが挙げられる。
シート状物としては、炭素繊維が一方向に引き揃えられたものが挙げられる。そのようなシート状物としては、単に一方向に炭素繊維を一定間隔で引き揃えたもの、あるいは幅方向に緯糸を配する、あるいは緯糸として熱融着性繊維を利用して横方向に配置後熱融着で固定したもの、あるいは熱融着性のウェブあるいはネットをシート表面に配する等の手段によりシート状にしたもの等が含まれる。特に本発明においては、炭素繊維を一方向に配列してなるシート状物が、（ａ）一方向に引き揃えた炭素繊維のシート状物の少なくとも一方の面に、炭素繊維と直行する方向に熱融着性繊維を所定の間隔で配置し熱融着したもの、（ｂ）一方向に引き揃えた炭素繊維のシート状物の少なくとも一方の表面に、熱可塑性樹脂からなるあるいは熱可塑性樹脂で被覆されたネット状支持体、ウェブ状支持体などの融着性繊維布を熱融着したものが好ましく用いられる。
（ａ）のシート状物は、上記炭素繊維を一方向に引き揃えシート状とし、強化繊維の巾方向に熱融着性繊維を配置し、加熱し、炭素繊維と熱融着することにより製造される。配置する間隔は、３〜１５０ｍｍが好ましく、より好ましくは３〜１５ｍｍである。配置する間隔がこれよりも小さいとシート状物の取扱性は良好であるが、炭素繊維の拘束が強くなり過ぎて樹脂の含浸性が低下する傾向にあり、また、これよりも大きいとシート状物としての取扱性が低下する傾向にあり好ましくない。
（ｂ）のシート状物は、炭素繊維を一方向に引き揃えたシート状とし、その少なくとも一方の表面に室温以上の温度で溶融し接着性を示す熱可塑性樹脂あるいは熱可塑性樹脂で被覆されたネット状支持体、ウェブ状支持体などの熱融着性繊維布を熱融着することにより製造される。ネット状支持体のネットの目開きは、樹脂含浸性の観点からは広い方が好ましく目開き部分の多角形の一辺が１ｍｍ以上、その目開き面積が１０ｍｍ2以上のものが好ましい。一辺が２.５ｍｍ以上で、目開き面積が１５ｍｍ2以上であればより好ましい。一方、炭素繊維のほつれ防止、裁断時の取扱性の観点からは、目開きは小さい方が好ましく、一辺が２０ｍｍ以下で目開き面積が５００ｍｍ2以下であることが好ましい。
ウェブ状支持体とは、短繊維あるいは長繊維の絡み合ったシート状物である。ネット状あるいはウェブ状支持体の目付は、得られる成形物の機械特性、特に層間剪断強度保持及びシート状物の樹脂含浸性の点から、２０ｇ／ｍ2以下が好ましい。
【００２１】
本発明に係る炭素繊維シート状織物は、サイジング剤で処理された上記炭素繊維を織糸として用いたことを特徴とするものである。織り組織は特に限定はされず、平織り、綾織り、朱子織りの他、これら原組織を変化させたものでもよい。また、緯、経糸共に上記炭素繊維でもよく、また他の炭素繊維あるいは炭素繊維以外の繊維との混織でもよい。炭素繊維以外の繊維としては、ガラス繊維、チラノ繊維、ＳｉＣ繊維などの無機繊維、アラミド、ポリエステル、ＰＰ、ナイロン、アクリル、ポリイミド、ビニロンなどの有機繊維などがある。
取扱性、樹脂含浸性を良好にする為に、上記炭素繊維を経糸として、経糸より低い引張弾性率の繊維を緯糸とする炭素繊維シート状織物が望ましい。緯糸として用いられる繊維の引張弾性率が高い場合には、経糸が長手方向に蛇行し易くなり、補強用シートとして十分に強度を発現しなくなる。
【００２２】
さらに、２種以上からなる複合繊維でもよい。特に融点差が５０℃以上ある２種の繊維からなる複合系は特に優れている。高融点繊維は本来の緯糸として機能し、一方、低融点繊維は製織後に経糸と緯糸とを一体化し優れた取扱性を付与する。
補強用シートとしての強度発現性の観点から、緯線は細い方が好ましく、１ｍ当たりの重量が０.１ｇ以下のものが望ましい。緯糸間隔は３〜１５ｍｍが望ましい。間隔が３ｍｍより狭い場合には、経糸の長手方向における蛇行が無視できなくなり、強度発現性の低下を引き起こす。一方、間隔が１５ｍｍより広い場合は、シート状物としての取扱性が低下するので好ましくない。より好ましい緯線の間隔は４〜１０ｍｍである。
本発明の炭素繊維シート状織物は、橋梁、橋脚、建造物の柱等の補強用シート材用途にも用いられ得る。
【００２３】
本発明に係る炭素繊維強化樹脂組成物は、サイジング剤で処理された上記炭素繊維を用いたことを特徴とするものである。即ち、上述した炭素繊維が補強繊維となって、マトリックス樹脂と複合化し、一方向プリプレグ、クロスプリプレグ、トウプレグ、短繊維強化樹脂含浸シート、短繊維マット強化樹脂含浸シートなどを形成する炭素繊維強化樹脂組成物となる。
マトリックス樹脂としては、特に限定されないが、例えば、ラジカル重合系樹脂であるアクリル樹脂、ビニルポリエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが使用される。また、熱可塑性アクリル樹脂などでも良い。さらに、一般に用いられているエポキシ樹脂などでも良い。
このような前記サイジング剤で処理された炭素繊維を用いた炭素繊維強化樹脂組成物を製造するには、一般に通常行われている方法を採用することができ、例えば、ホットメルト法、溶剤法、シラップ法、あるいはＳＭＣなどに用いられる増粘樹脂法などの方法によって行われる。その製造に際し、前記サイジング剤で処理された炭素繊維を使用して、マトリックス樹脂を含浸して行われる。
【００２４】
このような炭素繊維強化樹脂にあっては、サイジング剤で処理された炭素繊維を用いているため、マトリックス樹脂として、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などのラジカル重合系樹脂などを使用することができ、また、前記サイジング剤の主成分である化合物の有する一般式（２）で示されるエポキシ基が炭素繊維と、また一般式（１）で示される官能基がマトリックス樹脂と強靱に接着することから、炭素繊維とマトリックス樹脂の界面接着力が強く、良好な力学的特性を示すものとなる。
また、例えば、土建用コンクリート補強材のような補強用シート材として用いる場合には、炭素繊維強化複合材をコンクリートの支柱等の周囲に巻き付けて用いられるが、この際、炭素繊維強化複合材どうしの重ね合わせた部分の剥離強度が他の重ね合わされていない部分の引張強度よりも同等以上であることが必要とされる。本発明の炭素繊維強化樹脂組成物を用いてなる複合材であると、そのような重ね合わせた部分の強度が高く、特に補強用シート材として有用なものである。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明を、実施例および比較例によって具体的に詳しく説明するが、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
［実施例１］
アクリロニトリルを９７重量％とメタクリル酸を３重量％からなるアクリロニトリル共重合体をジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）に溶解して、紡糸ノズルより吐出させ、乾−湿式紡糸方式で、洗、沸水延伸し、続いて沸水洗浄、乾燥して、単糸デニール０.７の前駆体繊維を製造した。次いで、この前駆体繊維を、空気中２００℃〜３００℃で耐炎化して耐炎繊維とした後、窒素ガス中最高温度１４００℃で炭素化して炭素繊維とした。このようにして作成された炭素繊維に対し、電気化学的に表面酸化処理を施して炭素繊維束を得た。
【００２６】
この炭素繊維束を、サイジング剤溶液にローラー浸漬し、熱風乾燥して、サイジング剤付着糸とした。炭素繊維束に対するサイジング剤の付着量は１.５０重量％とした。
サイジング剤溶液としては、上記一般式（４）で示される化合物に対してノニオン系の界面活性剤２０重量％を配合し、２ｗｔ％の水性エマルジョン溶液として調製したものを使用した。
そして、得られたサイジング剤付着糸を製繊して、２００ｇ／ｍ2の目付を有する平織りクロスであるシート状織物を製造した。
また、メタクリルシラップ（メチルアクリレートプレポリマー液（「ビーズレジンＢＲ−７３」三菱レイヨン（株）製を２０重量部と、メチルメタクリレートを８０重量部とからなる））を１００重量部に対して、硬化剤（５０％希釈ベンゾイルパーオキサイド（「カドックスＢ−ＣＨ５０」化薬アクゾ（株）製））を４重量部と、硬化促進剤（ジメチル−ｐ−トルイジン）を１重量部混合してマトリックス樹脂を調製した。
そして、上記製造したシート状織物をこのマトリックス樹脂に含浸させて、繊維体積含有率ＶＦ４０％の炭素繊維強化樹脂組成物とし、これを０.０５ｍｍ厚のポリエステルフィルム間で、室温にて２５分間静置して硬化させてシート状の複合材とした。
【００２７】
この複合材について、曲げ試験、断面の観察、さらに破断断面の走査型電子顕微鏡による観察（以下、「ＳＥＭ観察」と略記する）を行った。
曲げ試験では、JIS K7074に準ずる方法により曲げ強度の測定を行った。
その結果、曲げ強度は７５０ＭＰａであった。また、断面には、ボイド、未含浸部は全く確認されなかった。さらに、ＳＥＭ観察から、樹脂の凝集破壊様式が確認された。
【００２８】
［実施例２］
上記実施例１におけるサイジング剤の化合物を一般式（４）の化合物から一般式（５）で示される化合物に代えた他は、実施例１と同様にして炭素繊維を製造し、シート状織物ないし炭素繊維強化樹脂組成物を製造し、シート状の複合材とした。
そして、上記実施例１と同様に、曲げ試験、断面の観察、さらに破断断面のＳＥＭ観察を行った。
その結果、曲げ強度は６５０ＭＰａであった。また、断面には、ボイド、未含浸部は全く確認されなかった。さらに、ＳＥＭ観察から、樹脂の凝集破壊様式が確認された。
【００２９】
［実施例３］
上記実施例１におけるサイジング剤の主成分を上記一般式（６）で示される化合物としたこと以外は実施例１と同様にして炭素繊維を製造し、シート状織物ないし炭素繊維強化樹脂組成物を製造し、シート状の複合材とした。
そして、上記実施例１と同様に、曲げ試験、断面の観察、さらに破断断面のＳＥＭ観察を行った。
その結果、曲げ強度は６００ＭＰａであった。また、断面には、ボイド、未含浸部は全く確認されなかった。さらに、ＳＥＭ観察から、樹脂の凝集破壊様式が確認された。
【００３０】
［実施例４］
上記実施例１におけるサイジング剤の主成分を上記一般式（７）で示される化合物としたこと以外は実施例１と同様にして炭素繊維を製造し、シート状織物ないし炭素繊維強化樹脂組成物を製造し、シート状の複合材とした。
そして、上記実施例１と同様に、曲げ試験、断面の観察、さらに破断断面のＳＥＭ観察を行った。
その結果、曲げ強度は７３０ＭＰａであった。また、断面には、ボイド、未含浸部は全く確認されなかった。さらに、ＳＥＭ観察から、樹脂の凝集破壊様式が確認された。
【００３１】
［実施例５］
上記実施例１におけるサイジング剤を構成する主成分を上記一般式（８）で示される化合物としたこと以外は実施例１と同様にして炭素繊維を製造し、シート状織物ないし炭素繊維強化樹脂組成物を製造し、シート状の複合材とした。
そして、実施例１と同様にして曲げ試験、断面の観察、さらに破断断面のＳＥＭ観察を行った。
その結果、曲げ強度は７３０ＭＰａであった。また、断面には、ボイド、未含浸部は全く確認されなかった。さらに、ＳＥＭ観察から、樹脂の凝集破壊様式が確認された。
【００３２】
［実施例６］
上記実施例１におけるサイジング剤を構成する主成分を上記一般式（９）で示される化合物としたこと以外は実施例１と同様にして炭素繊維を製造し、シート状織物ないし炭素繊維強化樹脂組成物を製造し、シート状の複合材とした。
そして、実施例１と同様に、曲げ試験、断面の観察、さらに破断断面のＳＥＭ観察を行った。
その結果、曲げ強度は６５０ＭＰａであった。また、断面には、ボイド、未含浸部は全く確認されなかった。さらに、ＳＥＭ観察から、樹脂の凝集破壊様式が確認された。
【００３３】
［実施例７］
上記実施例１でのサイジング剤付着糸と、マトリックス樹脂からなる引抜き成形品を成形して、炭素繊維強化樹脂組成物からなる複合材を製造した。
マトリックス樹脂としては、ビニルエステル樹脂（「デラックライト３５０５」大日本インキ化学工業（株）製）を使用した。
そして、その複合材について、引張試験、断面の観察、さらに破断断面のＳＥＭ観察を行った。
その結果、引張強度は１５００ＭＰａであった。また、断面には、ボイド、未含浸部は全く確認されなかった。さらに、ＳＥＭ観察から、樹脂の凝集破壊様式が確認された。
【００３４】
［実施例８］
上記実施例１でのサイジング剤付着糸と、マトリックス樹脂からなる一方向プリプレグを製造し、このプリプレグを積層、硬化させて一方向複合材を作成した。マトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂を使用した。
複合材について、上記実施例１と同様に、曲げ試験を行った。また、ASTM-D-2344に準じて層間剪断強度（ＩＬＳＳ）の測定を行った。
その結果、繊維方向の曲げ強度は１７５０ＭＰａ、繊維方向に直交する方向の曲げ強度は１１０ＭＰａおよびＩＬＳＳは９５ＭＰａであった。
【００３５】
［実施例９］
上記一般式（４）で示される化合物に対してノニオン系の界面活性剤２０重量％を配合し、２ｗｔ％の水性エマルジョン溶液として調製したサイジング剤溶液に、炭素繊維（三菱レイヨン社製「パイロフィルＴＲ３０Ｘ」（引張強度４.９ＧＰａ、引張弾性率２３５ＧＰａ、フィラメント数１２,０００本））をローラー浸漬し、熱風乾燥して、炭素繊維束に対するサイジング剤の付着量を１.５０重量％としたサイジング剤付着糸を製造した。
この炭素繊維を経糸として１０本／インチ、緯糸にガラス繊維（引張弾性率７２.５ＧＰａ、融点８４０℃）と低融点ナイロン繊維（マルチフィラメント、融点１２５℃）の交絡糸（０.０３ｇ／ｍ）を６本／インチで製織した後、１８０℃の熱をかけて簾状炭素繊維織布を得た。
得られた織物はしなやかで多少乱暴に扱っても繊維の乱れや目崩れの起きない極めて取り扱い易いものであった。
【００３６】
また、メチルメタクリレートを７０重量部、１,３−ブチレングリコールジメタクリレートを２重量部、末端にメタクリル基を有する数平均分子量が６０００のｎ−ブチルアクリレートマクロモノマーを２５重量部、ｎ−パラフィンを１重量部、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランを１重量部を均一になるまで十分に混合し、最後にＮ,Ｎ−ジメチル−ｐ−トルイジンを１重量部添加混合し、反応性混合物を得た。
得られた反応性混合物１００重量部に対して、ベンゾイルパーオキサイド２重量部を添加混合し、上記簾状織物に含浸して炭素繊維強化樹脂組成物を製造し、室温で１時間放置して硬化し、複合材を得た。
得られた複合材から切り出して図１に示す全長２５０ｍｍの引張試験片を作製し、室温にて引張強度を測定した。
繊維含有率１００％に換算した（織物の理論厚みで割り返した）引張強度は４３００ＭＰａであった。
【００３７】
また、同様に上記反応性混合物１００重量部に対してベンゾイルパーオキサイド２重量部を添加混合し、上記簾状織物を用いて炭素繊維強化樹脂組成物を製造し、矩形状の２枚のシート状物を切り出し、未硬化のまま、図２に示すように、１００ｍｍの継手重なり部１０を形成するように重ね合わせ、室温で１時間放置して一体硬化させて継手引張強度試験片を作製し、室温にて継手引張強度を測定した。
繊維含有率１００％に換算した（織物の理論厚みで割り返した）継手引張強度は４３５０ＭＰａであり、継手重なり部のない引張強度とほぼ同等であった。破断は、継手重なり部破断と母材の引張破断の混合で、コンクリート補強材等にも適するものであった。
【００３８】
［実施例１０］
液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を主剤に、芳香族ポリアミン変性品を硬化剤とする室温硬化型エポキシ樹脂を調製した。
上記実施例９で用いた簾状炭素繊維織布に、上記室温硬化型エボキシ樹脂を含浸させ、室温にて７日間静置し硬化させた。
得られた複合材から図１に示す引張試験片を作製し、室温にて引張強度を測定した。
繊維含有率１００％に換算した（織物の理論厚みで割り返した）引張強度は４２５０ＭＰａであった。
また、同様に１００ｍｍの継手重なり部を有する複合材から、図２に示す継手引張強度試験片を作製し、室温にて継手引張強度を測定した。
繊維含有率１００％に換算した（織物の理論厚みで割り返した）継手引張強度は４３００ＭＰａであり、継手重なり部のない引張強度とほぼ同等であった。破断は、母材の引張破断であった。
【００３９】
［実施例１１］
実施例９と同様なサイジング剤付着糸とした炭素繊維（「パイロフィルＴＲ３０Ｘ」（引張強度４.９ＧＰａ、引張弾性率２３５ＧＰａ、フィラメント数１２,０００本）三菱レイヨン（株）製）を２.５ｍｍ間隔３００ｍｍ巾で、目板及び櫛を使って一方向に引き揃え、その両表面にガラス繊維（引張弾性率７２.５ＧＰａ、融点８４０℃）と低融点ナイロン繊維（マルチフィラメント、融点１２５℃）の交絡糸（０.０３ｇ／ｍ）を片面当たり２５ｍｍ間隔（シートとしては１２.５ｍｍ間隔で両表面に交互に緯線は配置される）で配置して熱プレスにより１８０℃で熱融着させることにより炭素繊維シート状物を得た。
得られた炭素繊維シート状物はしなやかで多少乱暴に扱っても繊維の乱れや目崩れの起きない極めて取り扱い易いものであった。
実施例９と同様に上記反応性混合物１００重量部に対して、ベンゾイルパーオキサイド２重量部を添加混合し、上記炭素繊維シート状物に含浸し、室温で１時間放置して硬化し、複合材を得た。
本炭素繊維シート状物の樹脂含浸性は優れたものであった。
【００４０】
上記同様に、図１に示した引張試験片と図２に示した継手引張強度試験片を作製し、室温にて引張強度と継手引張強度を測定した。
繊維含有率１００％に換算した（織物の理論厚みで割り返した）引張強度は４３５０ＭＰａであった。
継手引張強度は４３００ＭＰａであり、継手重なり部のない引張強度とほぼ同等であった。破断は、継手重なり部破断と母材の引張破断の混合であった。
【００４１】
［実施例１２］
実施例１１の炭素繊維シート状物に実施例１０の室温硬化型エポキシ樹脂を含浸させ、室温にて７日間静置し硬化させた。
本炭素繊維シート状物への樹脂の含浸は非常に容易であった。
上記同様に、引張試験片（図１）と継手引張強度試験片（図２）を作製し、室温にて評価した。
繊維含有率１００％に換算した（織物の理論厚みで割り返した）引張強度は４４５０ＭＰａであった。また継手引張強度は４３５０ＭＰａであり、継手重なり部のない引張強度とほぼ同等であった。破断は、母材の引張破断であった。
【００４２】
［実施例１３］
実施例９と同様なサイジング剤付着糸とした炭素繊維（「パイロフィルＴＲ３０Ｘ」（引張強度４.９ＧＰａ、引張弾性率２３５ＧＰａ、フィラメント数１２,０００本）三菱レイヨン（株）製）を２.５ｍｍ間隔３００ｍｍ巾で、目板及び櫛を使って一方向に引き揃え、その片面に熱融着性不織布（ダイセル化学社製「ダイアミドスパン」（目付１３ｇ／ｍ2））を配置し、温度１３０℃、圧力０.１ＭＰａに設定した加熱ローラを４０秒かけて通過させて炭素繊維シート状物を得た。
得られた炭素繊維シート状物はしなやかで多少乱暴に扱っても繊維の乱れや目崩れの起きない極めて取り扱い易いものであった。
実施例９と同様に上記反応性混合物１００重量部に対して、ベンゾイルパーオキサイド２重量部を添加混合し、上記炭素繊維シート状物に含浸し、室温で１時間放置して硬化し、複合材を得た。
本炭素繊維シート状物の樹脂含浸性は優れたものであった。
【００４３】
上記同様に、引張試験片（図１）と継手引張強度試験片（図２）を作製し、室温にて評価した。
繊維含有率１００％に換算した（織物の理論厚みで割り返した）引張強度は４３００ＭＰａであった。継手引張強度は４２００ＭＰａであり、継手重なり部のない引張強度とほぼ同等であった。破断は、継手重なり部破断と母材の引張破断の混合であった。
【００４４】
［実施例１４］
実施例１３の炭素繊維シート状物に実施例１０の室温硬化型エポキシ樹脂を含浸させ、室温にて７日間静置し硬化させ、複合材を得た。
本炭素繊維シート状物への樹脂の含浸は非常に容易であった。
上記同様に、引張試験片（図１）と継手引張強度試験片（図２）を作製し、室温にて評価した。
繊維含有率１００％に換算した（織物の理論厚みで割り返した）引張強度は４３５０ＭＰａであった。また継手引張強度は４３００ＭＰａであり、継手重なり部のない引張強度とほぼ同等であった。破断は、母材の引張破断であった。
【００４５】
［比較例１］
上記実施例１におけるサイジング剤を構成する主成分を市販のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（「エピコート８２８」油化シェル製）としたこと以外は実施例１と同様にしてサイジング剤付着糸を製造し、平織りクロスとし、炭素繊維強化樹脂組成物を製造した。
この炭素繊維強化樹脂組成物からなる複合材について、上記実施例１と同様の方法により、曲げ試験、断面の観察、さらに破断断面のＳＥＭ観察を行った。
その結果、曲げ強度は３００ＭＰａであった。また、断面には、ボイド、未含浸部が確認された。さらに、ＳＥＭ観察から、炭素繊維と樹脂との界面の剥離が明らかに確認された。
【００４６】
［比較例２］
上記実施例１におけるサイジング剤を構成する主成分を下記一般式（１０）で示される化合物とし、実施例１と同様にしてサイジング剤付着糸を製造し、平織りクロスとし、炭素繊維強化樹脂組成物を製造した。
この炭素繊維強化樹脂組成物からなる複合材について、上記実施例１と同様の方法により、曲げ試験、断面の観察、さらに破断断面のＳＥＭ観察を行った。
その結果、曲げ強度は４５０ＭＰａであった。また、断面には、ボイド、未含浸部は全く確認されなかった。しかし、ＳＥＭ観察から、炭素繊維と樹脂との界面の剥離が明らかに確認された。
【化６】
0003720633.tif 000005
【００４７】
［比較例３］
上記比較例１でのサイジング剤付着糸と、マトリックス樹脂からなる引抜き成形品を成形して、炭素繊維強化樹脂組成物を製造した。
マトリックス樹脂としては、上記実施例７と同様のものを使用した。
この炭素繊維強化樹脂組成物からなる複合材について、引張試験、断面の観察、さらに破断断面のＳＥＭ観察を行った。
その結果、引張強度は１２００ＭＰａであった。また、断面には、ボイド、未含浸部が一部存在することが確認された。さらに、ＳＥＭ観察から、炭素繊維と樹脂との界面の剥離が明らかに確認された。
【００４８】
［比較例４］
サイジング剤を構成する主成分を上記実施例１と同様の化合物とし、炭素繊維束に対するサイジング剤の付着量を０.０５重量％として、実施例１と同様にしてサイジング剤付着糸を製造し、平織りクロスとし、炭素繊維強化樹脂組成物を製造した。
この炭素繊維強化樹脂組成物からなる複合材について、上記実施例１と同様の方法により、曲げ試験、断面の観察、さらに破断断面のＳＥＭ観察を行った。
その結果、曲げ強度は３５０ＭＰａであった。また、断面には、ボイド、未含浸部が一部存在することが確認された。さらに、ＳＥＭ観察から、炭素繊維と樹脂との界面の剥離が明らかに確認された。
【００４９】
［比較例５］
サイジング剤を構成する主成分を上記実施例１と同様の化合物とし、炭素繊維束に対するサイジング剤の付着量を６.００重量％としてサイジング剤付着糸を製造し、平織りクロスとし、炭素繊維強化樹脂組成物を製造した。
この炭素繊維強化樹脂組成物からなる複合材について、上記実施例１と同様の方法により、曲げ試験、断面の観察、さらに破断断面のＳＥＭ観察を行った。
その結果、曲げ強度は３５０ＭＰａであった。また、断面には、ボイド、未含浸部が一部存在し、上記炭素繊維束内に樹脂が十分に含浸していないことが確認された。一方、ＳＥＭ観察から、樹脂の凝集破壊様式が観察され、接着性が十分であることが確認された。
【００５０】
［比較例６］
上記実施例９において、サイジング剤を構成する主成分を市販のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（「エピコート８２８」油化シェル製）としたこと以外は同様にして、サイジング剤付着糸を製造し、簾状炭素繊維織布ないし複合材を得た。
実施例９と同様にして引張強度試験と継手引張強度試験を行なった。
その結果、引張強度は４３００ＭＰａであったが、継手引張強度は３３００ＭＰａでかなり小さな値になった。継手引張強度試験片の破断は全て継手重なり部の剥離であった。
【００５１】
［比較例７］
上記実施例９においてサイジング剤を構成する主成分を市販のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（「エピコート８２８」油化シェル製）としたこと以外は実施例９と同様にして簾状炭素繊維織布を製造し、実施例１０と同様にして複合材を製造し、引張強度試験と継手引張強度試験を行なった。
その結果、引張強度は３７００ＭＰａ、継手引張強度は３８００ＭＰａでかなり小さな値になった。継手引張強度試験片の破断は全て母材の引張破壊であった。
【００５２】
［比較例８］
上記実施例１１においてサイジング剤を構成する主成分を市販のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（「エピコート８２８」油化シェル製）としたこと以外は実施例１１と同様にして複合材を製造し、引張強度試験と継手引張強度試験を行なった。
その結果、引張強度は４２００ＭＰａであったが、継手引張強度は３４００ＭＰａでかなり小さな値になった。継手引張強度試験片の破断は全て継手重なり部の剥離であった。
【００５３】
［比較例９］
上記実施例１３においてサイジング剤を構成する主成分を市販のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（「エピコート８２８」油化シェル製）としたこと以外は実施例１３と同様にして複合材を製造し、引張強度試験と継手引張強度試験を行なった。
その結果、引張強度は４３００ＭＰａであったが、継手引張強度は３２００ＭＰａでかなり小さな値になった。継手引張強度試験片の破断は全て継手重なり部の剥離であった。
【００５４】
［従来例］
上記比較例１でのサイジング剤付着糸と、マトリックス樹脂からなる一方向プリプレグを製造し、このプリプレグを積層、硬化させて一方向複合材を作成し、炭素繊維強化樹脂組成物を製造した。
マトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂を使用した。
この炭素繊維強化樹脂組成物に関し、上記実施例１と同様の方法により、曲げ試験を行った。また、ＩＬＳＳの測定を行った。
エポキシ樹脂には適しているサイジング剤付着糸を用いるものなので、繊維方向の曲げ強度が１７００ＭＰａ、繊維方向に直交する方向の曲げ強度が１２０ＭＰａ及びＩＬＳＳ９０ＭＰａであった。
【００５５】
【表１】
0003720633.tif 000006
【００５６】
【表２】
0003720633.tif 000007
【００５７】
【表３】
0003720633.tif 000008
【００５８】
【表４】
0003720633.tif 000009
【００５９】
以上の結果から、本発明の実施例においては十分な強度が得られ、またボイド、未含浸部は全く確認されず、さらに、ＳＥＭ観察から樹脂の凝集破壊様式を確認することができて、比較例に比べて優れていることが確認できた。また、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂を使用した場合においても、従来例と比較して遜色なく使用することができることが確認できた。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エポキシ樹脂だけでなく、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などのラジカル重合系樹脂などのマトリックス樹脂に対しても優れた親和性を有し、炭素繊維とマトリックス樹脂の両方に対し、濡れ性を向上させることができ、また、安定した効果を得ることができるものである。
また、本発明の炭素繊維が処理されるサイジング剤溶液は、炭素繊維用サイジング剤が水中に分散してなるもので、炭素繊維に本サイジング剤の効果を付与する処理に際して、工業的にも、また安全性の面からも優れたものとすることができる。
【００６１】
さらに、本発明の炭素繊維シート状物ならびに炭素繊維強化樹脂組成物は、それに使用する炭素繊維を、本発明の炭素繊維用サイジング剤を用いて処理したものとしているので、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面に強い接着力を得ることができることから、優れた力学的特性を有するものである。
特に、サイジング剤における化合物が、その官能基がそれぞれ主鎖片末端に位置したものでると、マトリックス樹脂と炭素繊維がより強力に結合する。
また、そのエポキシ基がグリシジル基であると、より優れた界面接着性を発現する。
また、この炭素繊維用サイジング剤による効果は、その付着量が０.１重量％〜５.０重量％のときに、特に発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  引張試験片を示すもので、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は平面図である。
【図２】  継手引張強度試験片を示すもので、図２（ａ）は側面図、図２（ｂ）は平面図である。
【図１】
0003720633.tif 000012
【図２】
0003720633.tif 000013