(57)【要約】  本発明は、炭素繊維の表面改質に係り、より詳しくは、炭素繊維に電磁波を放射して炭素繊維の表面を改質する方法に関する。高周波数の電磁波が炭素繊維に放射されると、炭素繊維が改質される。改質された炭素繊維は表面粗さが増加する。前記炭素繊維をマトリクスと混合することにより複合材料を製造する場合、改質された炭素繊維は、改質前の炭素繊維に比べて物理的特性が相対的に大きく向上する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維に電磁波を放射して炭素繊維を改質する方法。
【請求項２】
前記電磁波は、周波数が１．０ＭＨｚ〜１００．０ＧＨｚであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記炭素繊維の改質は不活性ガス雰囲気中で行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記不活性ガスはアルゴンであることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記炭素繊維の改質が前記炭素繊維の表面改質であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記前記炭素繊維の表面改質は前記炭素繊維の表面粗さの増加であることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記炭素繊維の表面粗さが約１０〜１０００倍増加することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記炭素繊維はサイジングされた炭素繊維であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記炭素繊維の改質は、空気、酸素、オゾン、水蒸気、アンモニア、二酸化炭素、窒素酸化物ガス、硫黄酸化物ガス、硫化水素、またはこれらの混合物よりなる群から選ばれた気体の下で行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記電磁波はマグネトロンから放射されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
改質反応槽と、前記改質反応槽内に電磁波を放射する電磁波放射装置とを含む炭素繊維の改質システム。
【請求項１２】
前記電磁波放射装置は周波数が１．０ＭＨｚ〜１００．０ＧＨｚの電磁波を放射することを特徴とする、請求項１１に記載の炭素繊維の改質システム。
【請求項１３】
前記電磁波放射装置はマグネトロンであることを特徴とする、請求項１１に記載の炭素繊維の改質システム。
【請求項１４】
電磁波を発振させるマグネトロンと、
前記マグネトロンに電源を供給する電源供給装置と、
伝送路の一側にのみ電磁波を伝達するアイソレーターと、
入射波と反射波の大きさをモニタリングする方向性結合器と、
前記方向性結合器から入力される電磁波に対してインピーダンス整合を行う３−スタブチューナと、
前記３−スタブチューナを介して伝達された電磁波によって炭素繊維を改質させる反応器と、
前記反応器にガスを供給するガス供給部とを含んでなる炭素繊維の表面改質装置。
【請求項１５】
前記マグネトロンは１．０ＭＨｚ〜１００．０ＧＨｚの周波数範囲内で稼動されることを特徴とする、請求項１４に記載の炭素繊維の表面改質装置。
【請求項１６】
前記ガス供給部は不活性ガス供給部であることを特徴とする、請求項１４に記載の炭素繊維の表面改質装置。
【請求項１７】
前記炭素繊維はサイジングされた炭素繊維であることを特徴とする、請求項１４に記載の炭素繊維の表面改質装置。
【請求項１８】
表面粗さが１０ｎｍ〜５μｍである炭素繊維。
【請求項１９】
前記炭素繊維はサイジングされた炭素繊維であることを特徴とする、請求項１８に記載の炭素繊維。
【請求項２０】
炭素繊維に電磁波を放射して前記炭素繊維の表面を改質するマグネトロンの用途。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維の改質方法に係り、より詳しくは、炭素繊維に電磁波（electromagnetic wave）を放射（irradiating）して炭素繊維の表面を改質する表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は、それ自体が有する高い強度と伝導性などの特性によって吸着剤（adsorbent）、または高分子物質（polymer material）の特性向上のための充填物質（filling materials）などとして広く使用されてきた。このような炭素繊維の表面を改質する場合、高分子マトリクス（polymer matrix）と炭素繊維との結合力が高くなって複合材料の物理的特性あるいは吸着特性をさらに向上させるため、様々な炭素繊維の表面を改質する方法が提示されてきた。
【０００３】
現在、炭素繊維の表面を処理する方法として主に行われているものは炭素繊維の酸化法（oxidation method）である。酸化法は、気相酸化（gas-phase oxidation）と液相酸化（liquid-phase oxidation）に大別される。
【０００４】
気相酸化の大部分はプラズマ（plasma）を使用するが、その際に用いられるガスは、空気（air）、酸素（oxygen）、オゾン（ozone）、二酸化炭素（carbon dioxide）、二酸化硫黄（sulfur dioxide）などがある（文献“Atomic-scale scanning tunneling microscopy study of plasma-oxidized ultrahigh-modulus carbon fiber surfaces”, Journal of Coloid and Interface science, volume 258, pp.276-282(2003)を参照）。
【０００５】
ところが、このようなプラズマを用いた酸化法は、反応器の内部圧力を低く維持しなければならないので、複雑な真空装備を要する。
【０００６】
液相酸化に用いられる物質としては、硝酸（ＨＮＯ３）、次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）、過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ４）などがある（文献“Nitric acid oxidation of carbon fibers and the effects of subsequent treatment in refluxing aqueous NaOH”, Carbon, volume 33, pp.597-605(1995)を参照）。この方法も炭素繊維と高分子との接着を良くする方法であるが、数分単位の比較的長い時間と複雑な過程を要する。
【０００７】
したがって、このような真空や高温などの特殊条件、または特殊な化学物質を使用することなく、短時間に炭素繊維の表面を容易に改質することが可能な方法に対する要求が続けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
［技術的課題］
本発明の目的は、炭素繊維を改質することが可能な新規方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、炭素繊維の表面を改質することが可能な方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の別の目的は、電磁波を用いて炭素繊維を改質することが可能な装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、高分子マトリクスと炭素繊維との結合力を高められるように表面が改質された炭素繊維を提供することにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、炭素繊維の表面を改質するマグネトロン（magnetron）の新規用途を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
［技術的解決方法］
上記目的を達成するために、本発明の炭素繊維改質方法は、炭素繊維に電磁波を放射して炭素繊維を改質することを特徴とする。
【００１４】
本発明において、前記炭素繊維は、炭素繊維に放射される電磁波によって物理的および／または化学的特性が変わることにより改質されるものである。本発明の実施態様（embodiment）において、前記炭素繊維は、表面特性が変化でき、好ましくは表面の粗さ（surface roughness）が変化できる。
【００１５】
本発明において、前記電磁波により改質される炭素繊維は、通常の炭素繊維を使用することができ、例えばＰＡＮ系（PAN-based）、レーヨン系（Rayon-based）、ピッチ系（Pitch-based）または化学気相成長［chemical vapor deposition（ＣＶＤ）］系の炭素繊維、および／またはこれらを表面処理、例えばサイジングした（sized）炭素繊維を使用することができる。
【００１６】
本発明において、前記炭素繊維は炭素繊維をエポキシ（epoxy）でサイジングした製品であり、三菱レイヨン社（Mitsubishi Rayon, Co. Ltd.,）製のパイロフィル（Ｐｙｒｏｆｉｌ）（登録商標）ＴＲＨ５０を使用した（Density:1.80g/cm2, Filament diameter: 7μm, High strength/Modulus: 4900MPa/255GPa）。
【００１７】
本発明において、炭素繊維の改質のために使用できる電磁波は、炭素繊維の表面変化を誘導することが可能なエネルギーを持つ高周波数の電磁波を使用することが好ましい。本発明の好適な実施態様において、前記電磁波はＭＨｚ〜ＧＨｚ単位の電磁波を用いることができる。より好ましい実施態様において、電磁波による炭素繊維の表面改質の時間または経済的な観点を考慮し、前記電磁波は周波数１．０ＭＨｚ〜１０．０ＧＨｚの電磁波を使用することがよい。本発明の好適な実施態様において、前記電磁波はマグネトロンなどの公知の電磁波放射装置によって放射できる。
【００１８】
本発明において、前記電磁波による炭素繊維の改質は、所定の改質目的（modification direction）に応じて種々の気体環境下で行うことができ、例えば空気（air）、酸素（oxygen）、オゾン（ozone）、水蒸気（steam）、アンモニア（ammonia）、二酸化炭素（carbon oxide）、窒素酸化物ガス（nitride oxide gas）、硫黄酸化物ガス（sulfur oxide gas）、硫化水素（hydrogen sulfide）、またはこれらの混合物などの存在下で改質可能である。
【００１９】
本発明の一実施態様において、前記電磁波による炭素繊維の改質、好ましくは炭素繊維の表面改質は、改質が行われる間に周囲気体との反応を防止することができるように、不活性気体（ambient gas）、例えばアルゴンガス（argon gas）雰囲気の下で行われ得る。
【００２０】
理論的には限定されるものの、炭素繊維に放射される電磁波によって炭素繊維の表面炭素が再結晶化（re- crystallized）されることにより炭素繊維の表面の粗さが増加し、この表面粗さの増加は炭素繊維と炭素繊維の分散するマトリクス基材（matrix base material）との結合力を高めることができる。前述したような電磁波を用いた炭素繊維の改質によって、炭素繊維の表面粗さが通常約１０〜１０００倍増加できる。
【００２１】
本発明の一側面（one aspect of the present invention）において、炭素繊維を改質するためのシステムは、炭素繊維改質反応槽と、前記反応槽内に電磁波を放射する電磁波放射装置とを含むことを特徴とする。
【００２２】
本発明において、前記電磁波放射装置は、反応槽の内部に導入された炭素繊維を改質するために、反応槽の内部または外部に設置できる。炭素繊維の改質を誘導することが可能なエネルギーを持つ電磁波が放射できる限りは、放射方式に対する特別な制限はない。本発明の一実施態様において、前記電磁波放射装置は、ＧＨｚ単位の電磁波を持続的に放射することが可能なマグネトロンである。前記マグネトロンは、改質の目的または度合いに応じて、放射出力と放射時間を数秒〜数十秒単位で調節することができる。
【００２３】
本発明において、前記電磁波放射装置から放射される電磁波を受ける反応槽内の炭素繊維は、前記電磁波のエネルギーによって改質、好ましくは表面改質が行われる。本発明の一実施態様において、前記炭素繊維の改質は、炭素繊維の表面粗さの変化、例えば表面粗さの増加であってもよい。炭素繊維の粗さの増加は、炭素繊維と炭素繊維の分散するマトリクス基材との結合力を高めることにより、炭素繊維を含む製品の性能、例えば物理的特性を向上させることができる。
【００２４】
本発明の一側面において、炭素繊維の表面を改質するためのシステムは、電磁波を発振させるマグネトロン（magnetron）と、マグネトロンに電源を供給する電源供給装置（power supply）と、伝送路の一側（one side of a transmission path）にのみ電磁波を伝達するアイソレーター（isolator）と、入射波（incident wave）と反射波（reflection wave）の大きさをモニタリング（monitoring）する方向性結合器（directional coupler）と、方向性結合器から入力される電磁波に対してインピーダンス整合を行う（performing impedance-matching）３−スタブチューナ（three-stub tuner）と、前記３−スタブチューナを介して伝達された電磁波によって炭素繊維を改質させる反応器（reactor）と、前記反応器にガスを供給するガス供給部（gas supply unit）とを含んでなることを特徴とする。
【００２５】
本発明の一実施態様において、炭素繊維の表面を改質、好ましくは炭素繊維の表面粗さを増加させるための装置であってもよい。本発明の好適な一実施態様において、前記マグネトロンは２．４５ＧＨｚの電磁波を数千ワット（Ｗ）の出力で放射することが可能なマグネトロンであってもよい。前記マグネトロンは市販されている。
【００２６】
本発明において、前記ガス供給装置は、改質の方向に応じて、充填されたガスを種類別に供給することができる。表面改質の場合、前記ガス供給装置は、アルゴンなどの不活性ガスを供給する装置であってもよい。
【００２７】
本発明において、前記表面が改質される炭素繊維は、市販される通常の炭素繊維であり、製造方式または種類に対する特別な制限はない。本発明において、前記炭素繊維は、粗さの向上によって、分散したマトリクスの物理的特性を向上させることが可能な用途として使用される炭素繊維、例えば高分子との複合材料（composite materials）製造用として使用される炭素繊維であってもよい。本発明の好適な実施態様において、前記炭素繊維はエポキシなどの高分子でサイジングされた炭素繊維であってもよい。
【００２８】
本発明の一側面において、複合材料用炭素繊維として、電磁波によって表面粗さが増加した炭素繊維を提供する。
【００２９】
本発明に係る表面が改質された炭素繊維は、表面が改質される前の炭素繊維に比べて粗さが１０倍以上増加し、好ましくは１０〜１０００倍程度の粗さを示す。本発明の一実施態様において、前記炭素繊維の表面粗さは原子間力顕微鏡［Atomic Force Microscopy（ＡＦＭ）］で測定でき、本発明の電磁波によって表面改質された炭素繊維は１０ｎｍ〜５μｍ程度の表面粗さを有し、反応前の炭素繊維は３ｎｍ〜１０ｎｍの表面粗さを有する。
【００３０】
本発明の一側面において、本発明は、炭素繊維の表面粗さを増加させるためのマグネトロンの用途を提供する。本発明に係るマグネトロンは、電源供給装置が電磁波を発振するマトネトロンに電力を供給し、マグネトロンから発振された電磁波はアイソレーターを経て方向性結合器へ伝送される。前記アイソレーターは、マグネトロンから反射される反射波を吸収してマグネトロンの損傷を防ぐ一方で、マグネトロンから発振された電磁波を前記方向性結合器へ伝達する。方向性結合器は、入射波と反射波の大きさをモニタリングする。３−スタブチューナは前記方向性結合器から入力される電磁波に対してインピーダンス整合を行って電磁波エネルギーの伝達を最大にする。
【００３１】
前記マグネトロンによって放射された電磁波エネルギーは、炭素繊維に到達して炭素繊維を改質させ、炭素繊維の表面粗さを１０倍以上増加させることにより、製造された炭素繊維と分散マトリクスとの相溶性を高めることができる。
【００３２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例（embodiment）を詳細に説明する。これらの実施例は、本発明を例示するものに過ぎず、本発明を限定するものではない。
【００３３】
［有利な効果］
本発明によれば、電磁波によって炭素繊維を改質することが可能な新規方法を提供する。電磁波を用いた炭素繊維の改質方法は、特に表面改質において粗さが向上した炭素繊維を提供し、粗さが向上した炭素繊維は、マトリクスと混合して使用する場合、炭素繊維含有マトリクスに優れた機械的特性を提供する。
【００３４】
また、本発明によれば、電磁波を用いて炭素繊維を改質することが可能な具体的なシステムを提供する。また、高い表面粗さを持つ炭素繊維、および炭素繊維の表面を改質するための装置としてのマグネトロンの新規用途を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本発明の前記および他の目的、特徴および利点は、添付図面を参照する次の説明からさらに明確に理解されるであろう。
【００３６】
図１は、本発明に使用された炭素繊維の表面改質装置の概略図である。
【００３７】
図２および図３は、電磁波放射前の炭素繊維を３０００倍および５００００倍にそれぞれ拡大して撮影した走査電子顕微鏡［Scanning Electron Microscopy（ＳＥＭ）］写真である。
【００３８】
図４および図５は、電磁波放射後の炭素繊維の表面を１００００倍および５００００倍にそれぞれ拡大して撮影した走査電子顕微鏡［Scanning Electron Microscopy（ＳＥＭ）］写真である。
【００３９】
図６は、図１の本発明に係る炭素繊維の表面改質装置の簡略ブロック図である。
【００４０】
図７の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の実施例によって電磁波放射前後の炭素繊維の粗さを示すＡＦＭ分析結果である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
実施例
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に述べる。
【００４２】
図１および図６に示すように、本発明に係る炭素繊維の改質装置は、電磁波を発振させるマグネトロン２（２．４５ＧＨｚ、２０００Ｗ）と、このマグネトロンに電源を供給する電源供給装置１、反射波がマグネトロンを損傷させることを防止するアイソレーター３と、前記アイソレーターを介して伝達された電磁波をモニタリングする方向性結合器４と、この方向性結合器から入力される電磁波に対してインピーダンス整合を行う３−スタブチューナ５と、前記３−スタブチューナを介して伝達された電磁波によって炭素繊維を改質させる反応器６と、前記反応器にガスを供給するガス供給装置７とから構成される。
【００４３】
炭素繊維の表面を改質するために、電源供給装置１が、電磁波を発振するマグネトロン２に電力を供給すると、マグネトロン２から発振された電磁波は、アイソレーター３を経て方向性結合器４へ伝送される。前記アイソレーター３は、マグネトロン２に反射される反射波を完全に吸収してこのマグネトロンを保護する一方で、このマグネトロンから発振された電磁波を前記方向性結合器４へ伝達する。方向性結合器４は、入射波と反射波の大きさをモニタリングする一方で、前記アイソレーター３を介して伝達された電磁波を出力する。３−スタブチューナ５は、前記方向性結合器から入力される電磁波に対してインピーダンス整合を行って電磁波エネルギーの伝達を最大にする。
【００４４】
エポキシでサイジングされた炭素繊維（三菱レイヨン社製のパイロフィル（登録商標）ＴＲＨ５０）を反応器６に導入し、ガスを反応器の内部空間へ十分流した後、前記アルゴンガスを１００ｓｃｃｍレベルのガス供給装置７から反応器６の内部に４００ｓｃｃｍで１０分ｃｍに変えて通過させながら、マグネトロン２を１０００Ｗで稼動して３０秒間処理した。
【００４５】
処理後の炭素繊維の走査型電子顕微鏡［Scanning Electron Microscopy（ＳＥＭ）］写真を図４および図５に示した。図４および図５を見ると、電磁波放射前の元々の炭素繊維の表面ＳＥＭ写真を示す図２および図３と比較したとき、前記反応によって炭素繊維の表面粗さが大きく変化したことを確認することができる。
【００４６】
［産業上の利用可能性］
本発明が実施例について詳細に記載されたとしても、本発明が上述した実施例に限定されず、本発明の思想を害しない範囲内で当業者による変形または変更が可能である。よって、本発明で権利を請求する範囲は、詳細な説明の範囲内に定められるのではなく、請求の範囲とその技術的思想によって定められるであろう。
【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】
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【図７】
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【国際調査報告】
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