(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）酸素ガス雰囲気下のガス置換機構内に炭素繊維束を走行させながら炭素繊維束の周囲の空気を酸素ガスに置換し、
（２）次いで、オゾン濃度の調整された酸素ガスが供給されている処理室内に前記炭素繊維束を走行させながら紫外線を炭素繊維束に照射することにより炭素繊維を表面処理し、
（３）前記処理室から漏れ出るオゾン及び原子状酸素を含むガスに対してオゾン濃度を調整して再び前記処理室内へ循環させることを特徴とする炭素繊維の表面処理方法。
【請求項２】
前記紫外線を炭素繊維束に照射する工程以前に、炭素繊維束を乾燥することを特徴とする請求項１記載の炭素繊維の表面処理方法。
【請求項３】
オゾン雰囲気下で紫外線を炭素繊維束に照射する機能を有する処理室、該処理室の上流側に直結した部屋であってこの部屋内の雰囲気を酸素ガスによって置換する機能を有する第１のガス置換機構、及び該処理室の下流側に直結した部屋であってこの部屋内の雰囲気を酸素ガスによって置換する機能を有する第２のガス置換機構を含み、前記処理室及び前記各ガス置換機構内を炭素繊維束が貫通して走行することができる通路が形成されていることを特徴とする炭素繊維の表面処理装置。
【請求項４】
前記処理室は加温機構を有することを特徴とする請求項３記載の炭素繊維の表面処理装置。
【請求項５】
前記第１のガス置換機構の上流側直前に乾燥機構が配置されていることを特徴とする請求項３又は４記載の炭素繊維の表面処理装置。
【請求項６】
前記第１のガス置換機構内に乾燥機構が含まれていることを特徴とする請求項３又は４記載の炭素繊維の表面処理装置。
【請求項７】
前記各ガス置換機構は、その内部を酸素ガス雰囲気にすることができるガス置換室と、該ガス置換室及び前記処理室の間に挟まれた前室及び／又は後室とからなり、該前室及び／又は後室は、前記処理室から漏れ込む余分なオゾン及び原子状酸素を排出する機能を有することを特徴とする請求項３、４、５又は６記載の炭素繊維の表面処理装置。
【請求項８】
前記処理室は、該処理室から漏れ出る余分なオゾン及び原子状酸素を含むガスを排出させ、排出ガスに対しオゾンを添加してオゾン濃度を調整し、次いでオゾン濃度の調整されたガスを該処理室へ循環させることができるオゾンガス循環機構により、所望のオゾン濃度雰囲気に調整されていることを特徴とする請求項３、４、５、６又は７記載の炭素繊維の表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、炭素繊維の表面処理、特に炭素繊維束を走行させて酸素雰囲気下で紫外線を照射して連続的に表面酸化処理を行う方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維は比強度および比弾性率が高い等の優れた機械的性質を有し、耐熱性がよいことから、複合材料の強化材の一つとして使用されているが、他の強化材と比べて濡れ性が悪いので、マトリックス樹脂或いはマトリックス無機質材料との親和性、接着性を高めるような炭素繊維の表面改質処理を行うことにより、複合材料としたときの機械的特性を高める努力がなされている。
【０００３】
従来の炭素繊維表面の改質方法には、電解酸化や薬液酸化等の湿式法と、空気酸化、プラズマ処理、オゾン酸化等の乾式法がある。湿式法は水洗等の後処理が必要であるのに対して乾式法は水洗等の後処理を必要としないためコスト的に有利であり、また連続処理や大量処理が期待される方法として注目されている。
【０００４】
この乾式法の一つとして、オゾン酸化による方法は、オゾンを含んだ空気中に炭素繊維を加熱しながら通過させて炭素繊維の表面処理を行うものである（例えば、特開平４−１３６２６６号公報、特開昭６１−１１３８７８号公報、特開昭６１−１１９７６９号公報、特開昭６１−１１９７７０号公報）。このオゾン酸化による方法は、炭素繊維表面への含酸素基の導入が大気圧下ででき、プラズマ処理による炭素繊維の表面処理に必須であった真空装置を必要としないため表面処理装置が簡素化でき、また従来の薬液酸化法や電解酸化法のような湿式処理ではないので水洗や乾燥等の後処理が必要なく、従って、従来、後処理工程で繊維束が受ける水洗水との接触によるダメージ、乾燥機内での循環している空気の流れとの接触によるダメージがないという利点がある。
【０００５】
さらに、近年、オゾン雰囲気下において紫外線を照射させて炭素繊維の表面処理を行う光酸素化法が提案されている。この方法は、紫外線を照射しない前記オゾン酸化による方法に比べて、オゾン濃度が低くても効率のよい表面処理が行えるという利点を有している。例えば、特開平３−８８６６号公報には、炭素繊維糸条を型枠に巻付け、オゾン雰囲気下の反応装置内に載置し、これに紫外線を照射して炭素繊維の表面を酸化して改質する光酸素化法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の光酸素化法は、炭素繊維糸条を巻き付けた型枠を反応装置内の基盤上に配置して処理し、片面の処理が終了すれば、一旦処理を中止し、型枠を裏返してもう片方を処理するバッチ式処理法であるため、連続的に大量処理するには不利であり、時間と労力を要していた。さらに、前記従来の型枠を用いた炭素繊維の光酸素化法においては、型枠に接触している炭素繊維部位が光酸素化処理されないためにその部位が使用できずロスとなる欠点があった。
【０００７】
また、このようなバッチ式の炭素繊維の表面処理装置では、炭素繊維を大量に処理するためには装置自体を大きくする必要があった。そのため設備がコスト高になり、処理装置への炭素繊維の搬入、搬出、或いは処理途中での反転等の作業も困難であり、また、表面処理された炭素繊維をボビンに巻くにも困難であり、さらに、サイジング処理などの取扱も困難であった。その上、炭素繊維が長尺である場合、処理可能な炭素繊維糸条の長さには限度があった。
【０００８】
また、前記従来のオゾン酸化による方法は、オゾン雰囲気内の表面処理チャンバー内に炭素繊維を走行させて連続的に処理を行っているが、表面処理チャンバーの炭素繊維の入口通路及び出口通路から有害なオゾンあるいは原子状酸素等の活性酸素が漏れ出るための解決策は何も提案がなされていない。
【０００９】
そこで本発明は、長尺の炭素繊維束でも連続的な大量処理が可能で、炭素繊維の表面処理工程における取扱い性が極めて簡便であり、表面処理装置を比較的小規模とすることが可能であり、水洗等の後処理を必要とせず、しかも表面処理を行う処理室からオゾンが漏れ出ることを防止できる炭素繊維の表面処理方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した問題点を解決するために、本発明の炭素繊維の表面処理方法は、酸素ガス雰囲気下のガス置換機構内に炭素繊維束を走行させながら炭素繊維束の周囲の空気を酸素ガスに置換し、次いで、オゾン濃度の調整された酸素ガスが供給されている処理室内に前記炭素繊維束を走行させながら紫外線を炭素繊維束に照射することにより炭素繊維を表面処理し、前記処理室から漏れ出るオゾン及び原子状酸素を含むガスに対してオゾン濃度を調整して再び前記処理室内へ循環させることを特徴とする。
【００１１】
また本発明の炭素繊維の表面処理装置は、オゾン雰囲気下で紫外線を炭素繊維束に照射する機能を有する処理室、該処理室の上流側に直結した部屋であってこの部屋内の雰囲気を酸素ガスによって置換する機能を有する第１のガス置換機構、及び該処理室の下流側に直結した部屋であってこの部屋内の雰囲気を酸素ガスによって置換する機能を有する第２のガス置換機構を含み、前記処理室及び前記各ガス置換機構内を炭素繊維束が貫通して走行することができる通路が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明において「オゾン雰囲気」なる用語は、オゾンを含む雰囲気を意味する。
【００１３】
本発明の炭素繊維の表面処理装置における処理室内をオゾン雰囲気とし、紫外線照射することにより、炭素繊維に対して光酸素化処理を行うことができる。この処理室内に光酸素化反応を好適な温度条件で行うために加温機構を設けてもよい。この処理室内におけるオゾン雰囲気は、処理室から漏れ出る余分なオゾン及び原子状酸素を含むガスを排出させ、該排出ガスに対しオゾンを添加してオゾン濃度を調整し及びオゾン濃度の調整されたガスを処理室へ循環させる機能を有するオゾンガス循環機構により、所望のオゾン濃度に調整されている。
【００１４】
前記処理室から漏れ出る余分なオゾン及び原子状酸素を含むガスを排出させる手段は、前記各ガス置換室と前記処理室との間に挟まれた前室及び／又は後室を設けることにより行うことができる。
【００１５】
本発明の炭素繊維の表面処理装置における第１のガス置換機構の上流側直前に乾燥機構が配置されていてもよい。
【００１６】
また本発明の炭素繊維の表面処理装置における第１のガス置換機構内に乾燥機構が含まれていてもよい。
【００１７】
本発明の炭素繊維の表面処理装置における第１又は第２のガス置換機構に使用される置換ガスを酸素ガスとすることにより、オゾン雰囲気の処理室における光酸素化処理を効率よく行うことができる。
【００１８】
【作用】
本発明の炭素繊維の表面処理装置は、処理室の前後にガス置換機構が直結して設けられているので、外部から導入される炭素繊維束に対して光酸素化処理が行われやすい雰囲気とすることができ、しかも、オゾンや原子状酸素等の有害なガスを外部に漏れ出させることなく、炭素繊維束の表面を光酸素化処理装置により光酸素化処理して炭素繊維束を外部に排出することができる。
【００１９】
処理室内は酸素及び／又はオゾン雰囲気となっており、この処理室において紫外線を炭素繊維束に対して照射することにより、酸素は紫外線によりオゾンに変換され、さらに紫外線はオゾンに対して原子状の酸素を生成する反応を起こさせる。この原子状酸素は強力な酸化剤となって、炭素繊維表面を酸化する。また、紫外線は炭素繊維表面のＣ−Ｃ結合、Ｃ−Ｈ結合、Ｃ−Ｏ結合を解離する。このような酸素及び／又はオゾン雰囲気下での紫外線照射によって、炭素繊維束の表面を親水性に改質することができる。
【００２０】
【実施例】
〔実施例１〕
本発明の炭素繊維の表面処理装置の実施例を図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は、本発明の炭素繊維の表面処理装置の全体を示す概略図である。本発明の炭素繊維の表面処理装置の構成は、酸素雰囲気下で紫外線を炭素繊維束に照射するための処理室１、該処理室１の上流側に直結した部屋であってこの部屋内の雰囲気を酸素ガスによって置換するための第１のガス置換機構２、該処理室１の下流側に直結した部屋であってこの部屋内の雰囲気を酸素ガスによって置換するための第２のガス置換機構３、及び前記第１のガス置換機構２の上流に配置され炭素繊維束５を乾燥するための乾燥機構４からなっている。この表面処理装置を構成する、前記した乾燥機構４、第１のガス置換機構２、処理室１、第２のガス置換機構３には炭素繊維束５が貫通して走行することができる通路が設けられている。
【００２２】
図１の炭素繊維の表面処理装置において、前工程から走行してきた炭素繊維束５は、乾燥機構４で乾燥された後、第１のガス置換機構２へと導入されて、炭素繊維束５は酸素雰囲気とされる。次いで、炭素繊維束５は第１のガス置換機構２と直結した処理室１内へ導入され、オゾン雰囲気下で紫外線照射されることにより表面処理される。表面処理された炭素繊維束５は処理室１より下流側であって処理室１に直結した第２のガス置換機構３を経て系外へ導出され、次工程へ走行していく。
【００２３】
図２は、図１の表面処理装置における第１のガス置換機構２を詳細に示した概略図である。この第１のガス置換機構２は、酸素ガス雰囲気にすることができるガス置換室２１及び該ガス置換室２１と処理室１に挟まれた前室２２とを有し、前室２２は処理室１に直結している。
【００２４】
ガス置換室２１の一端の側壁に炭素繊維束５の導入口であるスリット口２３が設けられており、またガス置換室２１の他端にはガス置換室２１と前室２２とを隔て炭素繊維束５を通過させるためのスリット口２４を有する隔壁２５が設けられている。ガス置換室２１の周壁にはガス置換室２１内に酸素を導入するための酸素導入口２６が複数個設けられており、ガス置換室２１内の周壁近傍に導入された酸素ガスを均一に分散させるための多孔板２７が複数個配置されている。多孔板２７は、図７及び図８に示すように上段と下段に２段重ねしてもよい。図７は多孔板２７を上からみた図であり、図８はその断面図であり、上段と下段の開口２７１をそれぞれずらして配置することによって、酸素ガスを拡散させ酸素ガスへの置換効率を高めることができる。
【００２５】
炭素繊維束５に内包している空気或いはスリット口２３を通じて外部から侵入した空気及びガス置換室２１内の過剰酸素等の各ガスを排出するために、ガス排出口２８が、ガス置換室２１の周壁における酸素導入口２６から遠い位置に設けられている。前記酸素導入口２６には酸素ガス中の塵成分を除去するための濾過装置２９が配置されている。
【００２６】
前室２２は、炭素繊維束５の処理室１への導入口でもあるスリット口３０を通して処理室１から漏れ込む余分なオゾン及び原子状酸素を系外へ排出するために設けられている。この前室２２の周壁にはオゾン及び原子状酸素を排出するためのガス排出管３１が設けられ、該ガス排出管３１の下流側には排出したガス中のオゾンの濃度を調整するためのガス濃度調整機構３２が設けられており、オゾン濃度が調整された酸素ガスを、濾過して処理室１内へ送り込まれるように構成されている。
【００２７】
このように、本発明の炭素繊維の表面処理装置における第１のガス置換機構２は、ガス置換室２１と前室２２とに分割されているので、ガス置換室２１においては、酸素導入口２６から酸素ガスを導入することにより、スリット口２３を通じて侵入する外部空気及び炭素繊維束５に内包して同伴される空気並びに過剰酸素ガスをガス排出口２８から排出して炭素繊維束５の周囲の雰囲気を酸素ガスに置換させることができる。また、前室２２においては、ガス置換室２１よりもガス圧を低く設定することにより、処理室１から前室２２内へ漏れ出たオゾン及び原子状酸素等の活性酸素をガス置換室２１へ漏洩させることなく、ガス排出管３１から排出させ、オゾンを濃度調整して処理室１へ再循環させ、炭素繊維の表面処理に再度有効利用することができる。
【００２８】
図３は、図１の表面処理装置における処理室１を詳細に示した概略図である。この処理室１内には、通過する炭素繊維束５に対して紫外線を照射するために、上下に紫外線ランプ１１が複数個配置されている。処理室１内の上下の周壁には、濾過装置１２により塵成分が濾過されオゾン濃度の調整された酸素ガスを供給するオゾン供給口１３が各紫外線ランプ１１間に位置するように複数個設けられている。なお、図３におけるオゾン供給口１３は処理室１の上下に配置され、オゾン濃度の調整された酸素ガスは処理室１の上下から供給されるが、該酸素ガスの供給を炭素繊維束５の走行方向と逆（向流）に流すように処理室１を構成してもよい。
【００２９】
図９は処理室１における炭素繊維束５の進行方向から見た処理室１内の断面図であり、図９に示すように処理室１内を光酸素化反応に適した温度に調整するために、処理室１内に加温機構としてヒータ３６を配置してもよい。図９においては、紫外線ランプ１１あるいはヒータ３６を平面状に配置しているが、紫外線ランプ１１又はヒータ３６をらせん状に配置することも可能である。
【００３０】
図３において、オゾン濃度の調整されたオゾン含有酸素ガスが、オゾン供給管１５を通じ、その途中に塵成分を除去するための濾過装置１２を介して、オゾン供給口１３を通じて処理室１へ供給される。このオゾンの濃度調整手段は、前記したように、処理室１から前室２２へ漏れ込む余分なオゾン及び原子状酸素を含むガスに対して、オゾン発生器１４により生成されたオゾンをガス濃度調整機構３２により適正なオゾン濃度となるように混合調整している。この処理室１において、オゾン雰囲気下で紫外線が照射されることにより、炭素繊維束５の表面において光酸素化反応が進行して表面が改質される。
【００３１】
本発明の炭素繊維の表面処理装置における処理室１の下流側には、前記第１のガス置換機構２とほぼ同等な機能を有する第２のガス置換機構３（即ち、第２のガス置換機構３は、図３に示すように、前記前室２２と同等な後室３３が、炭素繊維束５の導出口であるスリット口３４を有する処理室１と直結しており、さらにこの後室３３に続き、前記ガス置換室２１と同等なガス置換室３５が直結したものである）が配置されている。この第２のガス置換機構３において、炭素繊維束５の周囲の活性酸素が酸素ガスで置換される。
【００３２】
この第２のガス置換機構３における後室３３内のガス圧を、ガス置換室３５内のガス圧よりも低く設定することにより、処理室１から後室３３内へ漏れ出たオゾン及び原子状酸素等の活性酸素をガス置換室３５へ漏洩させることなく、ガス排出管３７から排出させ、オゾンを濃度調整して処理室１へ再循環させ、炭素繊維の表面処理に再度有効利用することができる。
【００３３】
図４は、図１の表面処理装置における乾燥機構４を詳細に示した概略図である。乾燥機構４に採用される乾燥手段には、適宜の手段が使用でき、図４においては、電気によるヒータ４１を示したが、その他、熱風循環乾燥、遠赤外線乾燥等の乾燥手段を採用してもよい。
【００３４】
図１においては乾燥機構４が第１のガス置換機構２の上流に配置されている炭素繊維の表面処理装置の全体図を示したが、乾燥機構４を第１のガス置換機構２の上流に配置せずに第１のガス置換機構２内に配置してもよい。図５及び図６は、炭素繊維束５の進行方向から見た第１のガス置換機構２の断面図であり、乾燥機構４が第１のガス置換機構２内に配置されている例が示されている。図５は第１のガス置換機構２内の側壁に近接した位置にヒータ４１を配置した例を示している。図６はヒータ４１の形状がらせん状のものを示す。
【００３５】
本発明においては、炭素繊維束５に光酸素化処理を適用する前に予め炭素繊維束５を乾燥することにより、処理室１においてオゾン雰囲気下紫外線照射によるオゾン及び原子状酸素等の活性酸素の発生反応を阻害する水分を取り除くことができる。
【００３６】
〔実施例２〕
図１に示される約７ｍの有効長の処理室１を持つ炭素繊維の表面処理装置内へ、単繊維径７μｍ、繊維束の径５〜６（１２ｋ）ｍｍの炭素繊維束を、走行速度約２８０ｍ／ｈｒで走行させて、乾燥機構４において乾燥温度１２０℃で乾燥し、次いでオゾン濃度が約１８０ｐｐｍに調整され、その室温が約１７０℃の処理室１において１２０ＷのＵＶ出力ランプにて処理した。
【００３７】
本実施例２の表面処理された炭素繊維束についての機械的性質、物性を下記の表１に示す。表面処理していない炭素繊維束の機械的性質を比較例として併記した。
【００３８】
【表１】
0003547824.tif 000002
表１によれば、本発明の炭素繊維の表面処理により機械的性質が向上し、且つ炭素繊維の表面の濡れ性が改善されることが分かる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の光酸素化法による炭素繊維の表面処理方法及びその装置は、長尺の炭素繊維束を表面処理装置に貫通して走行させることができるので、長尺の炭素繊維束でも連続的な大量処理が可能である。しかも、本発明においてはガス置換室と前室とを処理室に直結させているので、ガス置換室においては、炭素繊維束の周囲の雰囲気を、空気が排除された酸素ガス雰囲気にすることができ、処理室での光酸素化処理の雰囲気をオゾン雰囲気とすることができ、処理室での光酸素化法の適用を容易にし、また、処理室から漏れ出るオゾン及び原子状酸素を処理室へ再循環させることによりそれらの活性酸素を漏洩することなく有効利用することができる。
【００４０】
本発明の光酸素化法による炭素繊維の表面処理方法及びその装置は、炭素繊維の表面処理工程における取扱い性が極めて簡便であり、表面処理装置を比較的小規模とすることが可能である。
【００４１】
本発明においては、炭素繊維束に光酸素化処理を適用する前に予め炭素繊維束を乾燥することにより、処理室におけるオゾン雰囲気下紫外線照射による活性酸素の発生反応を阻害する水分を取り除くことができるので、処理室において表面処理に有効な活性酸素の発生を活発にし、効率のよい炭素繊維の表面処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の炭素繊維の表面処理装置の全体を示す概略図である。
【図２】図１の表面処理装置における第１のガス置換機構を詳細に示した概略図である。
【図３】図１の表面処理装置における処理室を詳細に示した概略図である。
【図４】図１の表面処理装置における乾燥機構を詳細に示した概略図である。
【図５】炭素繊維束の進行方向から見た第１又は第２のガス置換機構の断面図であり、乾燥機構としてヒータが第１又は第２のガス置換機構内の側壁に近接した位置に配置されている例を示す。
【図６】炭素繊維束の進行方向から見た第１又は第２のガス置換機構の断面図であり、乾燥機構としてらせん状のヒータが第１又は第２のガス置換機構内の側壁に近接した位置に配置されている例を示す。
【図７】上段と下段に２段重ねされた多孔板を上からみた図である。
【図８】上段と下段に２段重ねされた多孔板の断面図である。
【図９】炭素繊維束の進行方向から見た処理室内の側面図である。
【符号の説明】
１      処理室
２      第１のガス置換機構
３      第２のガス置換機構
４      乾燥機構
５      炭素繊維束
１１    紫外線ランプ
１２，２９  濾過装置
１３    オゾン供給口
１４    オゾン発生器
１５    オゾン供給管
２１，３５  ガス置換室
２２    前室
２３，２４，３０，３４  スリット口
２５    隔壁
２６    酸素導入口
２７    多孔板
２７１  開口
２８    ガス排出口
３１、３７  ガス排出管
３２    ガス濃度調整機構
３３    後室
３６，４１    ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003547824.tif 000008
【図７】
0003547824.tif 000009
【図８】
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【図９】
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