Cable de fibras de carbono comprendiendo un haz de 20.000 a 30.

000 fibras de carbono, cada una de las cualestiene en su superficie una pluralidad de pliegues paralelos a la dirección del eje de fibra de la fibra de carbono y en lascuales, como medido por microscopía de sonda de barrido, una distancia entre pliegues en la superficie de dicha fibrade carbono es de 120 a 160 nm, una profundidad de pliegue en la superficie es de 12 a menos de 23 nm, un diámetromedio de fibra es 4,5 a 6,5 μm, un área de superficie específica es de 0,9 a 2,3 m2/g y una densidad es de 1,76 g/cm3 omás, donde dicho cable de carbono tiene una resistencia a la tracción de cable de 5900 MPa o más y un módulo detensión de cable de 300 GPa o más; un cable enrollado en una bobina con una tensión de 9,8 N tiene una anchura decable de 5,5 mm o más; y ninguna separación de cable se observa en un método de evaluación de separación de cabledonde un cable de fibras de carbono en desplazamiento con una tensión de 9,8 N pasa a través de tres barras de aceroinoxidable.

Cable de fibras de carbono y proceso para su producción

Campo técnico

La presente invención se refiere a un cable de fibras de carbono como un haz de 20.000 a 30.000 fibras únicas y un proceso de fabricación del mismo. El cable de fibras de carbono tiene la característica de que el cable es resistente a la separación en una pluralidad de cables durante la apertura de la fibra.

Estado de la técnica

Fibras de carbono son producidas generalmente por un proceso bien conocido donde las fibras en bruto (fibras precursoras) tales como poliacrilonitrilo (PAN) se oxidan y se carbonizan para dar fibras de carbono. Las fibras de carbono así obtenidas tienen propiedades excelentes tales como resistencia alta y módulo alto.

Materiales compuestos (por ejemplo, plástico reforzado de fibras de carbono (CFRP) ) producidos usando fibras de carbono han sido usados para cada vez más aplicaciones. Por ejemplo, en los campos de deporte/tiempo libre, aeroespacial y automóviles, (1) rendimiento mejorado (mejora en la resistencia y elasticidad) y (2) reducción de peso (reducción de peso de fibras y reducción de un contenido de fibra) han sido requeridos en un material compuesto. Para cumplir estos requisitos, se ha necesitado fibras de carbono que puedan dar un material compuesto que muestra propiedades físicas mejoradas por combinación de fibras de carbono y una resina (material matricial) , que muestra propiedades físicas mejoradas.

Para suministrar un material compuesto de alto rendimiento, las propiedades físicas del material matricial son importantes. Mejorar las propiedades de superficie, resistencia y un módulo elástico de fibras de carbono es también importante. Generalmente, es importante para combinar un material matricial y fibras de carbono con una superficie de fibras de carbono que muestra adhesividad alta y para dispersar adecuadamente de manera uniforme las fibras de carbono en el material matricial. Así, un material compuesto de rendimiento más alto puede ser proporcionado.

Ha habido investigaciones para pliegue de superficie, propiedades de superficie, resistencia y un módulo elástico de fibras de carbono (por ejemplo, ver referencias de patente nº. 1 a 4) .

En la producción de fibras de carbono, una hilera con más agujeros de hilatura es más adecuada para producción a gran escala. No obstante, un cable de fibras precursoras producido por hilatura de una hilera con 20.000 o más agujeros de hilatura tiene tendencia a apertura de fibra mayor. Por lo tanto, cuando un cable de fibras de carbono es producido usando tal cable de fibras precursoras como materia prima, apertura de fibra procede excesivamente durante la oxidación y los pasos de carbonización descritos más adelante para proporcionar un cable de fibras de carbono que muestra unas propiedades físicas inconsistentes.

Para controlar una extensión de apertura de fibra, se puede añadir una gran cantidad de un agente de encolado. En este caso, particularmente en el paso de carbonización, allí se generan una gran cantidad de impurezas derivadas del agente de encolado, que afectan de manera adversa a las propiedades físicas de las fibras de carbono producidas. En consecuencia, un cable de fibras de carbono muestra resistencia significativa desigual, de modo que un cable de fibras de carbono con resistencia alta y un alto módulo elástico no se pueden proporcionar.

Para evitar los problemas anteriores, se ha propuesto un proceso para producir un cable precursor que consiste en 20.000 o más fibras únicas por unión de una pluralidad de hilado de cables precursores usando una hilera con un número relativamente más pequeño de agujeros de hilatura.

Un ejemplo se piensa de producción de un cable de fibras de carbono como un haz de 24.000 fibras únicas. Generalmente, un cable precursor que consiste en 3000 a 12.000 fibras únicas se puede proporcionar usando una hilera. De dos a ocho de los cables precursores se pueden recoger en un cable precursor que consiste en 24.000 fibras únicas, que pueden ser luego oxidadas y carbonizadas para dar un cable de fibras de carbono que consiste en 24.000 fibras únicas. Alternativamente, cada uno de los cables precursores puede ser directamente oxidado y, luego, los cables individuales se pueden recoger durante la carbonización posterior para dar un cable de fibras de carbono que consiste en 24.000 fibras únicas. Alternativamente, cada uno de los cables precursores puede ser oxidado directamente y luego carbonizado antes de la recogida de los cables individuales para dar un cable de fibras de carbono que consiste en

24.000 fibras únicas.

No obstante, cuando un material compuesto es producido usando cables de fibras de carbono preparados como se ha descrito anteriormente, apertura de fibra de los cables de fibras de carbono recogidos para impregnación con resina sustancialmente causa separación de estos en los cables originales, que se denomina separación de cable.

Ya que cada fibra de carbono que constituye un cable recogido no está preparada de una única hilera, sus propiedades tales como resistencia tienden a variar significativamente.

Como se ha descrito anteriormente, en un cable de fibras de carbono que consiste en 20.000 o más fibras únicas preparadas por recogida de una pluralidad de cables, separación de cable tiende a ocurrir durante la apertura de fibra y propiedades físicas de cada fibra de carbono que constituye un cable son incompatibles. Además, ya que propiedades físicas de cada fibra de carbono que constituye un cable son incompatibles, una resistencia de cable y un módulo de tensión de cable de la fibra de carbono son generalmente bajos.

Generalmente, para producir un material compuesto, un cable de fibras de carbono tiene una apertura de fibra adecuada y luego, se impregna uniformemente con una resina matricial. Cuando la separación de cable ocurre durante la apertura de la fibra del cable de fibras de carbono, la impregnación con la resina se vuelve desigual, conduciendo al deterioro de las propiedades físicas del material compuesto obtenido. Por lo tanto, la característica requerida para un cable de fibras de carbono adecuado para la fabricación de un material compuesto es una apertura de fibra adecuada sin causar separación del cable.

Referencia de patente n° 1: Solicitud japonesa publicada sin examen n° 1998-25627 (Reivindicaciones) . Referencia de patente n° 2: Solicitud japonesa publicada sin examen n° 2006-183173 (Reivindicaciones) . Referencia de patente n° 3: Solicitud japonesa publicada sin examen n° 2005-133274 (Reivindicaciones) . Referencia de patente n° 4: Solicitud japonesa publicada sin examen n° 2002-327339 (Reivindicaciones) .

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

PROBLEMA TÉCNICO

Los inventores han realizado intensamente una investigación para la resolución de los problemas anteriores. Finalmente, hemos encontrado un proceso donde un cable de fibras precursoras preparado usando hileras con 20.000 a

30.000 agujeros de hilatura por una hilera es entrelazado bajo condiciones predeterminadas y luego experimenta oxidación y carbonización y oxidación de superficie predeterminadas bajo condiciones particulares. Este proceso puede proporcionar un cable de fibras de carbono con apertura de fibra fácil mientras que es resistente a la separación del cable. Como resultado de la investigación anterior, se ha conseguido la presente invención.

Por lo tanto, un objetivo de la presente invención es proporcionar un cable de fibras de carbono en el que los problemas anteriores se resuelven y un proceso de producción para ello.

SOLUCIÓN TÉCNICA

La presente invención que puede conseguir el objetivo anterior tiene los siguientes aspectos.

[1] Un cable de fibras de carbono comprendiendo un haz de 20.000 a 30.000 fibras de carbono, cada una de las cuales tiene en su superficie una pluralidad de pliegues paralelos a la dirección del eje de fibra de la fibra de carbono y en el cual, medido por microscopía de sonda de barrido, una distancia entre pliegues en la superficie de dicha fibra de carbono es 120 a 160 nm, una profundidad de pliegue en la superficie es de 12 a menos de 23 nm, un diámetro de fibra media es de 4, 5 a 6, 5 µm, un área de superficie específica es de 0, 9 a 2, 3 m2/g y una densidad es de 1, 76 g/cm3 o más, donde dicho cable de carbono... [Seguir leyendo]

1. Cable de fibras de carbono comprendiendo un haz de 20.000 a 30.000 fibras de carbono, cada una de las cuales tiene en su superficie una pluralidad de pliegues paralelos a la dirección del eje de fibra de la fibra de carbono y en las cuales, como medido por microscopía de sonda de barrido, una distancia entre pliegues en la superficie de dicha fibra de carbono es de 120 a 160 nm, una profundidad de pliegue en la superficie es de 12 a menos de 23 nm, un diámetro medio de fibra es 4, 5 a 6, 5 µm, un área de superficie específica es de 0, 9 a 2, 3 m2/g y una densidad es de 1, 76 g/cm3 o más, donde dicho cable de carbono tiene una resistencia a la tracción de cable de 5900 MPa o más y un módulo de tensión de cable de 300 GPa o más; un cable enrollado en una bobina con una tensión de 9, 8 N tiene una anchura de cable de 5, 5 mm o más; y ninguna separación de cable se observa en un método de evaluación de separación de cable donde un cable de fibras de carbono en desplazamiento con una tensión de 9, 8 N pasa a través de tres barras de acero inoxidable.

2. Proceso para la producción del cable de fibras de carbono según la reivindicación 1, comprendiendo el paso de un cable de hilos solidificados preparado por hilatura de una solución madre de hilatura usando una hilera con 20.000 a

30.000 agujeros de hilatura a través de una boquilla de entrelazado a una presión de soplado de aire comprimido de 20 a 60 kPa como indicador de presión para proporcionar un cable de fibras precursoras; luego oxidación de dicho cable de fibras precursoras en aire caliente a 200 a 280 °C para proporcionar un cable de fibra oxidada; ejecución de la primera carbonización por extensión de dicho cable de fibra oxidada con una primera proporción de extensión de 1, 03 a 1, 06 a una temperatura de 300 a 900 °C en una atmósfera de gas inerte y luego con una segunda proporción de extensión de 0, 9 a 1, 01; luego, ejecución de la segunda carbonización a una temperatura de 1.360 a 2.100 °C en una atmósfera de gas inerte; y, luego, oxidación de dos veces o más la superficie del cable de fibras de carbono obtenida después de dicha carbonización, por oxidación electrolítica en una solución electrolítica con un pH de 0 a 5, 5, un potencial de oxidorreducción de + 400 mV o más y un producto de un pH y un potencial de oxidorreducción de 0 a 2.300.

3. Proceso para producción de un cable de fibras de carbono según la reivindicación 2, donde dicha solución madre de hilatura es una solución acuosa de cloruro de zinc o una solución de un polímero acrílico en un solvente orgánico.