Un procedimiento de producción de fibra de preoxidación mediante el sometimiento de una fibra poliacrílicaprecursora a un procedimiento de preoxidación en una atmósfera oxidante,

en el que dicho procedimiento comprende:(1) el encogimiento de la fibra precursora a través de un pretratamiento de preoxidación con una carga menor oigual que 0,57 cN/tex (0. 58 g/tex) en un intervalo de temperatura de 220 a 260 °C en condiciones en l as que elgrado de ciclación (I1620/I2240) de la fibra precursora medido mediante un espectrofotómetro infrarrojo de transformadade Fourier (FT-IR) no excede de un 7%,

(2) el estiramiento inicial de la fibra precursora con una carga de 2,6 a 3,4 cN/tex (2,7 a 3,5 g/tex) en una atmósferaoxidante a una temperatura de 230 a 260 °C en un in tervalo en el que el grado de ciclación no excede de un 27% yen el que la densidad no excede de 1,2 g/cm310 , y a continuación

(3) el sometimiento de la fibra precursora a un tratamiento de preoxidación a una temperatura de 200 a 280 °Ccon una relación de estiramiento de 0,85 a 1,3 hasta que la densidad alcance un valor de 1,3 a 1,5 g/cm3.

Procedimientos de producción de fibras ignífugas y fibra de carbono

Campo técnico

La presente invención se refiere a un procedimiento de producción de fibra de carbono de alta resistencia y un procedimiento para la producción de fibra de preoxidación útil como su producto intermedio.

Antecedentes de la invención

Recientemente, los materiales compuestos que usan fibras de carbono como fibras reforzadas se han usado con frecuencia como materiales estructurales de aeronaves, etc. debido a sus excelentes características mecánicas tales como la ligereza y la alta resistencia. Estos materiales compuestos se moldean, por ejemplo, a partir de un producto preimpregnado, que es un producto intermedio, producido mediante la impregnación de una fibra reforzada con una matriz de resina a través de etapas de moldeado y procesado que incluyen el calentamiento y la presurización. Como tales, se necesita que se adopten los materiales óptimos y los medios de moldeado y de procesado de los mismos para obtener un material compuesto deseado. Además, dependiendo de las aplicaciones, la fibra de carbono que es una fibra reforzada puede necesitar una resistencia aún mayor, etc. Por ejemplo, para aligerar un material compuesto para una aeronave, aunque se debería aumentar la elasticidad mientras se mantiene la resistencia de la fibra de carbono, las fibras de carbono aumentan generalmente su fragilidad y disminuyen su elongación cuando aumenta el módulo elástico, por lo que es difícil obtener un material compuesto que posea un elevado rendimiento compuesto.

En el campo de la aeronáutica, se han usado de manera tradicional fibras de carbono con una resistencia y un módulo elástico medios, por ejemplo, fibras de carbono con una resistencia de aproximadamente 5, 680 MPa y un módulo elástico de aproximadamente 294 GPa. Sin embargo, de forma reciente, fundamentalmente para aligerar la estructura de la aeronave, se han demandado materiales compuestos que posean un rendimiento aún mayor y en respuesta se han intentado desarrollar estas fibras de carbono que posean tanto una elevada resistencia como una elevada elasticidad. Sin embargo, el módulo elástico y la elongación tienen una relación de compensación, por lo que las fibras de carbono disminuyen su elongación y aumentan su fragilidad a medida que aumenta el módulo elástico. Por lo tanto, ha sido extremadamente difícil producir una fibra de carbono de alto rendimiento que posea tanto una elevada elasticidad como una elevada resistencia y en la que, además, apenas disminuyan propiedades físicas tales como la fragilidad. En particular, esta tendencia llega a ser importante cuando el módulo elástico supera los 294 GPa, por lo que el desarrollo ha sido extremadamente difícil incluyendo asegurarse unas propiedades físicas estables.

En la fabricación de fibra de carbono y compuesta de matriz de resina, también es esencial mejorar la resistencia, el módulo elástico, etc. de la fibra de carbono en sí misma como se ha descrito anteriormente para perseguir un rendimiento elevado. Además, la mejora de la intensidad y del módulo elástico, etc. de la fibra de carbono se ha discutido de manera tradicional de diferentes maneras. En particular, la mejora y la modificación de una etapa de preoxidación y/o una etapa de carbonización (que incluye grafitización) para la producción de fibras de carbono a partir de fibras poliacrílicas precursoras se ha estudiado intensamente incluso de forma comparativamente reciente (véanse, por ejemplo, los Documentos de Patente 1 a 5) . Sin embargo, no se ha establecido ningún procedimiento necesariamente ventajoso desde el punto de vista industrial para la producción de fibra de carbono con una alta resistencia y una alta elasticidad adecuada para un material compuesto que necesite presentar un rendimiento compuesto particularmente elevado.

Documento de Patente 1: Publicación de Solicitud de Patente de Japón abierta a la inspección pública Nº 5214614 Documento de Patente 2: Publicación de Solicitud de Patente de Japón abierta a la inspección pública Nº 10-25627 Documento de Patente 3: Publicación de Solicitud de Patente de Japón sin examinar Nº 2001-131833 Documento de Patente 4: Publicación de Solicitud de Patente de Japón sin examinar Nº 2003-138434 Documento de Patente 5: Publicación de Solicitud de Patente de Japón sin examinar Nº 2003-138435

En general, se conoce un procedimiento de producción como procedimiento para la producción de fibra de carbono que utiliza una fibra poliacrílica precursora que incluye la oxidación (tratamiento ignífugo) de la fibra precursora mientras se estira o encoge la fibra precursora a una temperatura de 200 a 280 °C en una atmósfera oxi dativa y a continuación la carbonización del material resultante a una temperatura mayor o igual que 300 °C en un a atmósfera de gas inerte. En particular, el procedimiento de tratamiento de una fibra en la etapa de preoxidación afecta enormemente el desarrollo de la resistencia de una fibra de carbono, y se ha estudiado largamente de una diversidad de maneras.

Se han realizado numerosos informes, por ejemplo, para la obtención de una fibra de carbono de alta resistencia mediante la carbonización de un hilo de preoxidación que posee una densidad de 1, 30 a 1, 42 g/cm3, producido en una etapa de preoxidación con un intervalo de la relación de elongación de un -10 a un +10% (una relación de elongación de 0, 9 a 1, 1) (véase, por ejemplo, el Documento de Patente 6) , la obtención de una fibra de carbono de alta resistencia mediante la aplicación de una relación de elongación mayor o igual que un 3% (una relación de estiramiento

mayor o igual que 1, 03) hasta que la densidad de la fibra alcance el valor de 1, 22 g/cm3, suprimiendo de forma considerable el encogimiento posterior y sometiendo la fibra resultante a una preoxidación, y a continuación a una carbonización (véase el Documento de Patente 7) , o la obtención de una fibra de carbono que posea una resistencia mayor o igual que 4511 MPa (460 kgf/mm2) sometiendo la fibra a una preoxidación con una relación de elongación mayor o igual que un 3% (una relación de estiramiento mayor igual que 1, 03) y a un tratamiento de estiramiento adicional con una relación de elongación mayor o igual que un 1% (una relación de estiramiento mayor igual que 1, 01) hasta que la densidad de la fibra alcance el valor de 1, 22 g/cm3, y a continuación a una carbonización (véase el Documento de Patente 8) .

Documento de Patente 6: Publicación de Solicitud de Patente de Japón examinada Nº 63-28132 Documento de Patente 7: Publicación de Solicitud de Patente de Japón examinada Nº 3-23649 Documento de Patente 8: Publicación de Solicitud de Patente de Japón examinada Nº 3-23650

Divulgación de la invención

Problemas a solventar por la presente invención

El objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento para la producción de una fibra de carbono de una elevada resistencia y una elevada elasticidad adecuada para un material compuesto de requisitos recientes, de un rendimiento compuesto particularmente elevado.

Medios para solucionar los problemas

Los presentes inventores han modificado la etapa de preoxidación y/o la etapa de carbonización (incluyendo grafitización) desde un punto de vista completamente nuevo del procedimiento para la producción de una fibra de carbono que utiliza de manera tradicional una fibra poliacrílica precursora conocida como se ha descrito anteriormente para producir una fibra de carbono de elevada resistencia y elevada elasticidad adecuada para un material compuesto que necesite un rendimiento compuesto particularmente elevado, habiendo conducido a la presente invención.

Un aspecto de la presente invención es, para la producción de una fibra de preoxidación al someter a una fibra poliacrílica precursora a un procedimiento de preoxidación en una atmósfera oxidativa, un procedimiento para la producción de una fibra de preoxidación que incluye (1) el encogimiento de la fibra precursora anterior a través de un tratamiento de preoxidación con una carga menor o igual que 0, 57 cN/tex (0, 58 g/tex) en un intervalo de temperatura de 220 a 260 °C en unas condiciones en las que el g rado de circulación (I1620/I2240) de la fibra precursora se mide a través de un espectrofotómetro infrarrojo de transformada de Fourier (FT-IR) , (2) el estiramiento inicial de la fibra precursora con una carga de 2, 6 a 3, 4 cN/tex (2, 7 a 3, 5 g/tex)... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de producción de fibra de preoxidación mediante el sometimiento de una fibra poliacrílica precursora a un procedimiento de preoxidación en una atmósfera oxidante, en el que dicho procedimiento comprende:

(1) el encogimiento de la fibra precursora a través de un pretratamiento de preoxidación con una carga menor o igual que 0, 57 cN/tex (0. 58 g/tex) en un intervalo de temperatura de 220 a 260 °C en condiciones en l as que el grado de ciclación (I1620/I2240) de la fibra precursora medido mediante un espectrofotómetro infrarrojo de transformada de Fourier (FT-IR) no excede de un 7%,

(2) el estiramiento inicial de la fibra precursora con una carga de 2, 6 a 3, 4 cN/tex (2, 7 a 3, 5 g/tex) en una atmósfera oxidante a una temperatura de 230 a 260 °C en un in tervalo en el que el grado de ciclación no excede de un 27% y en el que la densidad no excede de 1, 2 g/cm3, y a continuación

(3) el sometimiento de la fibra precursora a un tratamiento de preoxidación a una temperatura de 200 a 280 °C con una relación de estiramiento de 0, 85 a 1, 3 hasta que la densidad alcance un valor de 1, 3 a 1, 5 g/cm3.

2. El procedimiento de producción de fibra de preoxidación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la fibra poliacrílica precursora posee un número de filamentos mayor o igual que 20000, una orientación medida mediante difracción de rayos X de ángulo ancho menor o igual que un 90%, y es un haz de fibras de precursores poliacrílicos de fibra de carbono que contiene del 20 al 50% en peso de agua por unidad de peso.

3. Un procedimiento de producción de fibra de carbono mediante el sometimiento de una fibra poliacrílica precursora a un procedimiento de preoxidación en una atmósfera oxidante y a continuación a un tratamiento de carbonización de la fibra resultante en una atmósfera de gas inerte, en el que dicho procedimiento comprende:

(1) el encogimiento de la fibra precursora a través de un pretratamiento de preoxidación con una carga menor o igual que 0, 57 cN/tex (0. 58 g/tex) en un intervalo de temperatura de 220 a 260 °C en condiciones en l as que el grado de ciclación (I1620/I2240) de la fibra precursora medido mediante un espectrofotómetro infrarrojo de transformada de Fourier (FT-IR) no excede de un 7%,

(2) el estiramiento inicial de la fibra precursora con una carga de 2, 6 a 3, 4 cN/tex (2, 7 a 3, 5 g/tex) en una atmósfera oxidante a una temperatura de 230 a 260 °C en un in tervalo en el que el grado de ciclación no excede de un 27% y en el que la densidad no excede de 1, 2 g/cm3, y a continuación

(3) el sometimiento de la fibra precursora a un tratamiento de preoxidación a una temperatura de 200 a 280 °C con una relación de estiramiento de 0, 85 a 1, 3 en una atmósfera oxidante, hasta que la densidad alcance un valor de 1, 3 a 1, 5 g/cm3, y a continuación el sometimiento de la fibra resultante a un tratamiento de carbonización.

4. El procedimiento de producción de fibra de carbono de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la fibra poliacrílica precursora posee un número de filamentos mayor o igual que 20000, una orientación medida mediante difracción de rayos X de ángulo ancho menor o igual que un 90%, y es un haz de fibras de precursores poliacrílicos de fibra de carbono que contiene del 20 al 50% en peso de agua por unidad de peso.