Haz de fibras de carbono que desarrolla un rendimiento mecánico excelente.

Un haz de fibras de carbono formado de fibra de carbono individual: no teniendo cada fibra de carbono individual estructura superficial no uniforme alguna que tenga una longitud de 0,6 μm o más y que se extienda en la dirección longitudinal de la fibra individual, teniendo cada fibra de carbono individual una estructura no uniforme en la que la diferencia en altura

(Rp - v) entre una porción lo más alta y una porción lo más baja de la superficie de la fibra individual es de 5 a 25 nm, y en la que una rugosidad promedio Ra es de 2 a 6 nm, y cada una de las cuales tiene una relación de 1,00 a 1,01 de un eje mayor con respecto a un eje menor (eje mayor / eje menor) de una sección transversal de la fibra individual; en el que una masa de la fibra individual por unidad de longitud cae dentro del intervalo de 0,030 a 0,042 mg / m; una resistencia de cabo medida de acuerdo con la norma JIS R7601 es de 5900 MPa o más; un módulo de elasticidad de cabo medido mediante el método de ASTM es de 250 a 380 GPa; y una tenacidad de nudo es de 900 N / mm2 o más.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/JP2010/059828.

Solicitante: MITSUBISHI RAYON CO., LTD..

Nacionalidad solicitante: Japón.

Dirección: 1-1, Marunouchi 1-chome, Chiyoda-ku Tokyo 100-8253 JAPON.

Inventor/es: HASHIMOTO, HIROSHI, SUGIURA,Naoki , WAKABAYASHI,Kouki, OOKI,ISAO, OKUYA,TAKAHIRO, MATSUMURA,HIROKO, HATA,MASAHIRO, HATAYAMA,AKITO.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION D — TEXTILES; PAPEL > FIBRAS O HILOS NATURALES O FABRICADOS POR EL HOMBRE;... > PARTE QUIMICA DE LA FABRICACION DE FILAMENTOS, HILOS,... > Filamentos o similares, fabricados por el hombre,... > D01F6/18 (a partir de polímeros de nitrilos insaturados, p. ej. a partir de poliacrilonitrilo, de cianuro de polivinilideno)
  • SECCION D — TEXTILES; PAPEL > FIBRAS O HILOS NATURALES O FABRICADOS POR EL HOMBRE;... > PARTE QUIMICA DE LA FABRICACION DE FILAMENTOS, HILOS,... > Filamentos o similares, fabricados por el hombre,... > D01F9/22 (a partir de poliacrilonitrilos)

PDF original: ES-2534650_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Haz de fibras de carbono que desarrolla un rendimiento mecánico excelente Campo de la técnica La presente invención se refiere a un haz de fibras de carbono que tiene unas características mecánicas excelentes y que se usa en particular para obtener una resina reforzada con fibra usando una resina resistente al calor de alta tenacidad como una matriz para su uso en la construcción de aviones.

Antecedentes de la técnica Convencionalmente, con el fin de mejorar las características mecánicas de productos moldeados a base de resina, se ha usado comúnmente una resina en combinación con una fibra que sirve como un material de refuerzo. En particular, un material de moldeo compuesto formado de una fibra de carbono que tiene una resistencia específica y una elasticidad específica excelentes en combinación con una resina de alto rendimiento desarrolla unas características mecánicas extremadamente altas. Debido a esto, un material de moldeo de este tipo se ha usado de buen grado como un material de construcción para aviones, cuerpos que se mueven a alta velocidad, etc. Además, existe una demanda para desarrollar un material que sea más fuerte y que tenga una rigidez más elevada así como que tenga una resistencia específica y una rigidez específica excelentes. Dadas estas circunstancias, se desea mejorar adicionalmente el rendimiento de la fibra de carbono, tal como una resistencia y un módulo de elasticidad mejorados.

Por ejemplo, la literatura de patente 1 propone un método de estiramiento una fibra coagulada que aún contiene un disolvente en un baño de estirado con contenido en disolvente, mejorando de ese modo la uniformidad en cuanto a la estructura y orientación, con el fin de obtener un haz de fibras acrílicas que se usa como un precursor de una fibra de carbono mediante un método de hilatura en seco – en húmedo. El estiramiento de una fibra coagulada en un baño que contiene un disolvente es un método que se conoce comúnmente como una técnica de estirado con disolvente que posibilita un proceso de estirado estable mediante el uso de plastificación con disolvente. Por consiguiente, este método se considera como una técnica extremadamente excelente para obtener una fibra que tiene una alta uniformidad en cuanto a la estructura y orientación. No obstante, si se estira un haz de fibras que se encuentra en un estado hinchado debido a la presencia de un disolvente, el disolvente en el interior de un filamento se extrae con presión con rapidez del filamento de forma simultánea tras el estiramiento. La estructura resultante del filamento tiende a ser menos densa y, de este modo, no puede obtenerse un filamento deseado que tenga una estructura densa.

Además, la literatura de patente 2, que presta atención a los poros finos distribuidos en una fibra coagulada, propone una técnica para obtener una fibra de precursor en la que se desarrolla una resistencia excelente mediante densificación en seco de una fibra coagulada que tiene una estructura de alta densidad. La distribución de poros finos, que se obtiene mediante un método de introducción a presión con mercurio, refleja el estado a granel desde la capa superficial hasta el interior del filamento. Este es un método extremadamente excelente para evaluar la densidad global de una estructura de fibra. A partir del haz de fibras de precursor que tiene por lo menos una densidad de un cierto nivel como un todo, puede obtenerse una fibra de carbono muy resistente en la que se suprime la formación de puntos de defecto. No obstante, la observación de las fracturas en la fibra de carbono muestra que las fracturas se han originado desde cerca de la capa superficial a una relación extremadamente alta. Esto quiere decir que se encuentra presente un punto defectuoso cerca de la capa superficial. Dicho de otra forma, esta técnica es insuficiente para fabricar un haz de fibras de precursor que tenga una densidad excelente cerca de la capa superficial.

La literatura de patente 3 propone un método para fabricar un haz de fibras de precursor a base de acrilonitrilo que no solo tiene una densidad en conjunto alta sino que también tiene una densidad superficial extremadamente alta. Además, la literatura de patente 4 propone, teniendo en cuenta que una solución de aceite entra en la porción de capa superficial de una fibra e inhibe la densificación, una técnica para suprimir la permeación de una solución de aceite al centrarse en huecos microscópicos de la porción de capa superficial. No obstante, tanto una técnica para suprimir la entrada de una solución de aceite como una técnica para suprimir la formación de puntos defectuosos son difíciles de poner en uso práctico, debido a que se requieren unas etapas muy complicadas. Por lo tanto, en las técnicas que se han analizado en lo que antecede, el efecto de suprimir de forma estable la entrada de una solución de aceite en la porción de capa superficial es insuficiente y el efecto de refuerzo de una fibra de carbono aún se encuentra lejos de un nivel suficiente.

El documento EP 1 837424 A1 se refiere a una fibra de carbono que tiene una distribución de módulos de filamento individual estrecha, a un método de producción de fibra de carbono capaz de producir dicha fibra de carbono y a un agente oleoso para una fibra de precursor de fibra de carbono que se usa en dicho método de producción. El documento US 6 641 91581 se refiere a un haz de fibras de acrilonitrilo para un precursor de fibra de carbono, y a un proceso para producir un haz de fibras de acrilonitrilo para un precursor de fibra de carbono que comprende las etapas de descargar una solución de alimentación de hilatura de un polímero de acrilonitrilo para preparar una fibra coagulada, estirar la fibra coagulada y, a continuación, tensar la fibra coagulada.

Lista de citas Literaturas de patente Literatura de patente 1: JP05–5224A Literatura de patente 2: JP04–91230A Literatura de patente 3: JP06–15722A Literatura de patente 4: JP11–124744A

Sumario de la invención Problema técnico Un objeto de la presente invención es la provisión de un haz de fibras de carbono para obtener una resina reforzada con fibra que tiene unas características mecánicas elevadas.

Solución al problema El objeto se logra por la invención que se expone en lo sucesivo. La presente invención se dirige a un haz de fibras de carbono formado de fibras de carbono individuales, cada una de las cuales no tiene estructura superficial no uniforme alguna de una longitud de 0, 6 μm o más que se extienda en la dirección longitudinal de la fibra individual; que tiene una estructura no uniforme que tiene una diferencia en altura (Rp – v) de 5 a 25 nm entre la porción lo más alta y la porción lo más baja de la superficie de la fibra individual y una rugosidad promedio Ra de 2 a 6 nm, y que tiene una relación del eje mayor con respecto al eje menor (eje mayor / eje menor) de una sección transversal de la fibra individual de 1, 00 a 1, 01, en el que una masa de la fibra individual por unidad de longitud cae dentro del intervalo de 0, 030 a 0, 042 mg / m, una resistencia de cabo medida de acuerdo con la norma JIS R7601 es de 5900 MPa o más, un módulo de elasticidad de cabo medido mediante el método de ASTM es de 250 a 380 GPa y una tenacidad de nudo es de 900 N / mm2 o más. Obsérvese que la tenacidad de nudo puede obtenerse al dividir el esfuerzo de rotura a la tracción de un haz de fibras de carbono anudado por el área en sección transversal del haz de fibras (masa y densidad por unidad de longitud) .

Efectos ventajosos de la invención De acuerdo con el haz de fibras de carbono de la presente invención, es posible proporcionar una resina reforzada con fibra que tiene unas características mecánicas elevadas.

Además, un haz de fibras de... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un haz de fibras de carbono formado de fibra de carbono individual: no teniendo cada fibra de carbono individual estructura superficial no uniforme alguna que tenga una longitud de 0, 6 μm o más y que se extienda en la dirección longitudinal de la fibra individual, teniendo cada fibra de carbono individual una estructura no uniforme en la que la diferencia en altura (Rp – v) entre una porción lo más alta y una porción lo más baja de la superficie de la fibra individual es de 5 a 25 nm, y en la que una rugosidad promedio Ra es de 2 a 6 nm, y cada una de las cuales tiene una relación de 1, 00 a 1, 01 de un eje mayor con respecto a un eje menor (eje mayor / eje menor) de una sección transversal de la fibra individual; en el que una masa de la fibra individual por unidad de longitud cae dentro del intervalo de 0, 030 a 0, 042 mg / m; una resistencia de cabo medida de acuerdo con la norma JIS R7601 es de 5900 MPa o más; un módulo de elasticidad de cabo medido mediante el método de ASTM es de 250 a 380 GPa; y una tenacidad de nudo es de 900 N / mm2 o más.

2. Un haz de fibras de carbono de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la estructura no uniforme tiene una longitud de 300 nm o menos.

3. El haz de fibras de carbono de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que un defecto semiesférico que tiene un tamaño dentro de un intervalo previamente determinado se forma sobre una superficie de fibra individual mediante un láser, la fibra se rompe en el sitio defectuoso semiesférico mediante una prueba de tracción, y la “ energía superficial de la superficie formada por fractura ” que se obtiene a partir de la resistencia a la rotura de la fibra y el tamaño del defecto semiesférico de acuerdo con la ecuación de Griffith (1) es de 30 N / m o más, en la que σ es una resistencia a la rotura; E es un módulo de elasticidad ultrasónico de un haz de fibras de carbono; y C es un tamaño de un defecto semiesférico.

σ = ( 2E / πC ) 1/2  (energía superficial de la superficie formada por fractura) 1/2 … (1)

4. El haz de fibras de carbono de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que un valor de ipa que se obtiene mediante un método de medición electroquímica (voltametría cíclica) es de 0, 05 a 0, 25 μA / cm2, y una cantidad de un grupo funcional que contiene oxígeno (O1S / C1S) en una superficie de fibra de carbono que se obtiene por espectroscopía fotoelectrónica de rayos X cae dentro del intervalo de 0, 05 a 0, 15.

5. El haz de fibras de carbono de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que una cantidad de Si medida por espectrometría de emisión de ICP es de 200 ppm o menos.

6. El haz de fibras de carbono de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, encolado mediante una composición de agente de encolado que comprende una resina epoxídica modificada con uretano, que es un producto de reacción de (a) una resina epoxídica que tiene un grupo hidroxi, (b) un compuesto de polihidroxi y (c) un diisocianato que contiene un anillo aromático, o encolado mediante una composición de agente de encolado que comprende una mezcla de la resina epoxídica modificada con uretano y (a) una resina epoxídica que tiene un grupo hidroxi y / o (d) una resina epoxídica que no tiene grupo hidroxi alguno.

7. El haz de fibras de carbono de acuerdo con la reivindicación 6, en el que (a) la resina epoxídica que tiene un grupo hidroxi es una resina epoxídica de tipo bisfenol.

8. El haz de fibras de carbono de acuerdo con la reivindicación 6 o 7, en el que (b) el compuesto de polihidroxi es uno cualquiera de entre un producto de adición de un bisfenol A con un óxido de alquileno, un compuesto de polihidroxi alifático y un compuesto de polihidroxi monocarboxi o una mezcla de los mismos.

9. El haz de fibras de carbono de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que (c) el diisocianato que contiene un anillo aromático es tolueno diisocianato o xileno diisocianato.

10. El haz de fibras de carbono de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que un contenido total de metales incluyendo un metal alcalino, un metal alcalinotérreo, zinc, hierro y aluminio es de 50 ppm o menos.