炭素繊維パッケージの製造方法
【課題】
サイジング剤が付与された炭素繊維束の糸幅を安定化させたまま、ボビンに巻き取ることにより、ボビン端面形状を安定化させ、プリプレグや織物等の高次加工性を向上せしめ、さらには、炭素繊維ボビンの屑発生を抑制し生産ロスを削減することが可能なサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法を提供する。
【解決手段】
サイジング剤が付与された炭素繊維束をボビンに巻き取るに際し、その炭素繊維束の水分率を０．２〜１０重量％とした後にサイジング剤を付与し乾燥させてからボビンに巻き取ることを特徴とする炭素繊維パッケージの製造方法で、これらの工程の間、その炭素繊維束の張力を０．５〜６．５ｇｆ／Ｔｅｘとすることが好ましい。
サイジング剤が付与された炭素繊維束の糸幅を安定化させたまま、ボビンに巻き取ることにより、ボビン端面形状を安定化させ、プリプレグや織物等の高次加工性を向上せしめ、さらには、炭素繊維ボビンの屑発生を抑制し生産ロスを削減することが可能なサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法を提供する。
【解決手段】
サイジング剤が付与された炭素繊維束をボビンに巻き取るに際し、その炭素繊維束の水分率を０．２〜１０重量％とした後にサイジング剤を付与し乾燥させてからボビンに巻き取ることを特徴とする炭素繊維パッケージの製造方法で、これらの工程の間、その炭素繊維束の張力を０．５〜６．５ｇｆ／Ｔｅｘとすることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法に関し、さらに詳しくは、本発明は、サイジング剤が付与された炭素繊維束の糸幅を常時一定としたまま、パッケージ不良を発生させることなく安定して炭素繊維パッケージを製造するサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維束は、そのままでは単繊維切れや毛羽立ちが起こりやすく、また、加工性や取扱性もよくないため、サイジング剤を付与して用いられる。具体的には一般的に公知の表面処理工程や水洗工程などで濡れた水分率２０〜８０重量％程度の炭素繊維束を乾燥させた後にサイジング剤を付与して集束性や耐擦過性を与え、これらの不都合を起こりにくいようにしている。また、特に高次加工時に炭素繊維とマトリックス樹脂との接着特性を向上させるために、エポキシ樹脂系やウレタン樹脂系等のサイジング剤が好ましく用いられている（特許文献１参照）。
【０００３】
このようにサイジング剤が付与された炭素繊維束は、その取り扱い性を考慮して一旦ボビンに巻き取られ、パッケージとしたものが多く使用されているが、このようなパッケージは、巻き取り装置で炭素繊維束がボビンに巻き取られて製造される。
【０００４】
炭素繊維束のボビンへの巻き取りは、一般的に炭素繊維束に綾振振動を付与しながら行なわれるが、この綾振振動時、特にボビン端部の折り返しポイントにおいて、走行糸の糸道が変動するとパッケージ端面での糸位置が変動し、パッケージ端面から糸が一部飛び出したり、パッケージ端面が段形状になるなどして、巻き上げ製品の端面形状が凸凹になるという問題があった。
【０００５】
このような巻き上げ製品の端面形状が凸凹になったパッケージは、プリプレグや織物の製造等の高次加工時においてボビンから糸を引き出す際に、綾落ちや糸取られにより糸切れが多発したり、糸割れや毛羽発生により製品品質が悪化したりすることがあった。このため、ユーザーからのボビン端面形状の向上が求められており、さらにパッケージ生産時においては、端面形状不良製品を出荷しないように、端面形状不良品を屑扱いにしたりするなどし、大きく生産性を低下させる原因ともなっており、強く改善が求められてきた。このような中、端面形状崩れを防止するための技術として、これまで走行糸の糸道を安定化させる技術が広く提案されてきた（特許文献２および特許文献３参照）。
【０００６】
しかしながら、これらの走行糸道安定化技術では、確かに糸道安定効果は非常に高いものの、特にサイジング剤を付与した炭素繊維束を巻き上げる場合、糸道が安定していてもボビン巻き上げ中に走行糸の糸幅が変化してしまい、同じ糸道でも走行糸幅の端部走行位置が異なってしまい、パッケージ端面から糸が一部飛び出したり、パッケージ端面が段形状になるなどし、巻き上げ製品の端面形状が悪化して端面凸凹が発生するという問題があった。
【０００７】
このため、特にサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの端面形状を安定化させるためには、ワインダーでのボビン巻き取り時の糸幅を安定化させる技術が必要であった。
【特許文献１】特開２００４−３３２１８９号公報
【特許文献２】特開２００４−１４２９４５号公報
【特許文献３】国際公開第０５／０７３１１８号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、サイジング剤が付与された炭素繊維束の糸幅を安定化させたまま、ボビンに巻き取ることにより、パッケージ端面形状を安定化させ、プリプレグや織物等の高次加工性を向上せしめ、さらには、炭素繊維ボビンの屑発生を抑制し生産ロスを削減することが可能なサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を達成するため、本発明は下記の構成を有するものである。
【００１０】
（１）サイジング剤が付与された炭素繊維束をボビンに巻き取るに際し、該炭素繊維束の水分率を０．２〜１０重量％とした後にサイジング剤を付与し乾燥させてからボビンに巻き取ることを特徴とする炭素繊維パッケージの製造方法。
【００１１】
（２）サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の張力を０．５〜６．５ｇｆ／Ｔｅｘとすることを特徴とする前記（１）記載の炭素繊維パッケージの製造方法。
【００１２】
（３）炭素繊維束へのサイジング剤の付着量が０．２〜５重量％の範囲であることを特徴とする前記（１）または（２）記載の炭素繊維パッケージの製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、サイジング剤が付与された炭素繊維束を巻き取る際の走行糸の糸幅が安定化するため、炭素繊維束をワインダーで巻き取ったパッケージの端面形状に凸凹がなく、著しく端面形状の安定した炭素繊維パッケージを製造することができる。さらには、パッケージ端面形状が安定するため、糸幅が安定しプリプレグや織物等の製造時における高次加工性が向上するばかりか、炭素繊維パッケージ生産時の屑発生を抑制し生産ロスを大幅に削減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者らは、上記課題について、鋭意検討を重ねた結果、サイジング剤が付与された炭素繊維束の巻き取り中の糸幅変動が、サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の糸幅変動に依存することを見いだし、該炭素繊維束の水分率さらには張力を制御することにより、走行糸の糸幅が大幅に安定化し、端面形状に凸凹の少ない炭素繊維パッケージを製造できることを見いだしたものである。
【００１５】
具体的には、これまで炭素繊維束にサイジング剤を付与する際、表面処理工程や水洗工程などで濡れた水分率２０〜８０重量％程度の炭素繊維束においては、炭素繊維を十分に乾燥させてサイジング剤を付与し、また、表面処理工程や水洗工程などで炭素繊維束に水分を付与しない場合は、炭素繊維束が十分乾燥していることから、そのままサイジング剤を付与することが一般的である。
【００１６】
しかしながら、炭素繊維束内の単繊維同士は非常にさばけやすいため、炭素繊維束を完全に乾燥させた状態で取り扱うと単繊維切れや毛羽立ちが発生し、単繊維同士が絡んだり、ローラーに単繊維の巻き付きが発生したりすることにより、炭素繊維束の糸幅が変動してしまう。その糸幅が変動している炭素繊維束にサイジング剤が付与され、そのまま乾燥されるため、最終的にサイジング剤が付与された炭素繊維束の糸幅が変動してしまい、端面形状に凸凹の発生する端面形状崩れに直結する。
【００１７】
この端面形状の崩れとは、具体的には、サイジング剤が付与された炭素繊維束のスクウェアーエンドパッケージ（紙管軸に対し端面が直角な巻形状）の端面において、端面凸凹の距離差が炭素繊維束の平均糸幅の３０％以上発生するものであり、もちろん凸部には炭素繊維束の飛び出しも含むものである。すなわち、パッケージの形状としては、上述のパッケージの端面凸凹の距離差は、好ましくは３０％未満であり、より好ましくは２０％未満であり、さらに好ましくは１０％未満である。凸凹がなく平坦であるほど、高品位の炭素繊維パッケージとなる。なお、端面凸凹の距離差の測定は、次のようにして行うものである。炭素繊維パッケージを水平な平面に縦置き（スクウェアーエンドパッケージの端面を上下）にし、上部側紙管の端部を基準として、上部側端面の最大凸部（端面から炭素繊維束が飛び出している部分も含む）および最大凹部までの距離をノギスを用いて測定し、その差を平均糸幅で除して算出する。ここで平均糸幅は、炭素繊維パッケージ表面から炭素繊維束を糸幅が変化しないように、１００ｍの長さの炭素繊維束を手でゆっくり引き出した際にパッケージ表面から炭素繊維束が離れる直前の糸幅を、１ボビンについて０．１ｍごとに０．１ｍｍ単位で合計１０００点測定した際の平均値を取るものとする。以下、本発明のサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法の好ましい態様について、さらに詳しく説明する。
【００１８】
本発明のサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法は、サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の水分率を０．２〜１０重量％とした後にサイジング剤を付与し乾燥させてからその炭素繊維束をボビンに巻き取るものであり、炭素繊維束の水分率はより好ましくは０．２〜５重量％であり、さらに好ましくは０．２〜２重量％である。炭素繊維束の水分率が０．２重量％よりも小さい場合は、上述のように炭素繊維束のさばけや単繊維切れ、毛羽立ちが発生し、単繊維同士が絡んだり、ローラーに単繊維の巻き付きが発生したりすることにより、炭素繊維束の糸幅が変動してしまう。逆に、炭素繊維束の水分率が１０重量％よりも大きい場合は、炭素繊維束内で部分的に単繊維同士が接着したりし、炭素繊維束の糸幅が変動したり、炭素繊維束自身の水分により、炭素繊維へのサイジング付着ムラが発生したり、サイジング付与時のサイジング剤の濃度が大きく変動し調整が難しい。
【００１９】
サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の水分率の調整方法は、水分率が１０重量％よりも大きい場合は、自然乾燥、熱風乾燥方式およびホットドラム乾燥方式等の公知のどのような方法でも用いることができるが、短時間で炭素繊維束を痛めることなく連続生産可能な入口と出口を有する熱風乾燥機を用いることが好ましく、炭素繊維束の単繊維径や単繊維数および走行速度により乾燥度合いが異なるため、目標とする水分率となるように適時、乾燥温度や乾燥機滞留時間等の条件を調整すればよい。乾燥温度は、空気雰囲気中１００℃〜４００℃であることが好ましい。乾燥温度が１００℃より低くなると、水分が十分に蒸発しないため所望する水分率を得ることができない場合があり、逆に４００℃より高くなると、官能基が熱分解により消失し、樹脂との接着性が低下する傾向が発生する。また、乾燥機滞留時間は、１０秒〜３００秒であることが好ましい。乾燥機滞留時間が１０秒より短いと、水分が蒸発し始める前に乾燥が終了し所望する水分率を得ることができない場合があり、逆に３００秒より長くなると、特に連続する炭素繊維束を乾燥させる場合には設備が大きくなり設備費がかかる。
【００２０】
逆に、水分率が０．２重量％よりも小さい場合は、加湿機や水噴霧機等の公知のどのような方法でも用いることができるが、水分率ムラを抑えることが可能な入口と出口を有する加湿機を用いることが好ましく、炭素繊維束の単繊維径や単繊維数および走行速度により含水度合いが異なるため、目標とする水分率となるように適時、加湿機内の湿度や滞留時間等の条件を調整すればよい。加湿機滞留時間は、１０秒〜３００秒であることが好ましい。加湿機滞留時間が１０秒より短いと、炭素繊維束全体が含水する前に終了し、所望する水分率を得ることができない場合があり、逆に３００秒より長くなると、特に連続生産時には設備が大きくなり設備費がかかる。
【００２１】
サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の水分率は、走行している炭素繊維束をカットしてサンプリングして、測定を繰り返すことにより確認、調整を実施することが好ましい。例えば、入口と出口を有する熱風乾燥機を用いて走行糸を乾燥させ、水分率が低い場合には、乾燥機内の温度を低下させ、逆に、水分率が高い場合には、乾燥機内の温度を上昇させることが好ましい。さらに、熱風乾燥機に加え、加湿機を備える場合に、水分率が低い場合は、加湿機内の湿度を上昇させ、水分率が高い場合には、加湿機内の湿度を低下させることにより、水分率の調整を実施することが精密な調整が可能となることからさらに好ましい。なお、炭素繊維束をカットしてサンプリングし、水分率を測定する際に、水分率の測定に長時間を要する場合があるため、この際は、単位長さあたりの水分を含有した炭素繊維束の重量のみを繰り返し測定し、乾燥炭素繊維束の重量は設定値と仮定して計算することにより、簡易的に糸の乾燥状態を把握し調整をした後に、別途以下に示す炭素繊維束の水分率測定により確認することが好ましい。炭素繊維の水分率測定は、以下のように行う。予め炭素繊維束を入れるガラス瓶とその蓋をよく洗浄し、１３０℃×１，８００秒間、乾燥機の中でガラス瓶とその蓋を乾燥させた後、乾燥機内でガラス瓶に蓋をする。その後、蓋をしたままガラス瓶を乾燥機から取り出し、シリカゲル等を充填した乾燥用のデシケータ内で２，４００秒間冷却した後、ガラス瓶と蓋を合わせた重さＷ１×１０-3（ｋｇ）を測定する。さらに、これに炭素繊維束を入れ、重さＷ２×１０-3（ｋｇ）を測定する。次に、炭素繊維束をガラス瓶に入れたまま、蓋を開けて１３０℃×７，２００秒間、乾燥機の中で乾燥させた後、乾燥機内でガラス瓶に蓋をする。乾燥機からガラス瓶を取り出し、シリカゲル等を充填した乾燥用のデシケータ内で２，４００秒間冷却した後、重さＷ３×１０-3(ｋｇ)を測定し、上記の値を用いて、次式により水分率を求める。なお測定はＮ＝５で実施し、その平均値を採用する。
水分率（重量％）＝｛(Ｗ２−Ｗ３)／（Ｗ３−Ｗ１）｝×１００。
【００２２】
また、炭素繊維束へのサイジング剤付与方法としては、ディップローラー方式やキスローラー方式等の公知の方法を用いることができるが、安定してサイジング剤を供給できるディップローラー方式を用いることが好ましい。かかるディップローラーと走行糸との接触時間（サイジング液中のローラーとの接触時間）は０．２秒以上であることが好ましい。接触時間が０．２秒よりも短いと炭素繊維束に十分サイジング剤が付着しない場合がある。
【００２３】
炭素繊維束に付与するサイジング剤は、炭素繊維束の集束性や耐擦過性を向上させるもので、エポキシ樹脂系サイジング剤、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂等が好ましく用いられる。
【００２４】
また、炭素繊維束へのサイジング剤の付着量は、好ましくは０．２〜５重量％の範囲であり、より好ましくは０．５〜３重量％の範囲内である。付着量が０．２重量％よりも少ないと耐擦過性が低下して毛羽を生じやすくなり、付着量が５重量％よりも多いとＣＦＲＰとしたときにマトリックス樹脂との接着性が低下してＣＦＲＰの物性が悪くなる場合や、炭素繊維束が硬くなり、開繊性や拡幅性が悪くなる場合がある。
【００２５】
なお、サイジング剤の付着量とは、サイジング剤が付着した炭素繊維糸条を秤量（Ｗ１）した後、電気炉等を用いてサイジング剤を完全に熱分解し、再度、サイジング剤を含まない状態での炭素繊維糸条を秤量（Ｗ２）し、次式により求めることができるものである。
【００２６】
サイジング付着量（％）＝[ Ｗ１(ｇ)− Ｗ２(ｇ) ]/[ Ｗ１(ｇ) ]×１００
また、サイジング剤が付与された後の炭素繊維束の乾燥方法においても、熱風乾燥方式やホットドラム乾燥方式等の公知の方法を用いることができるが、多量に発生する油剤成分の炭素繊維束への再付着が少ない熱風乾燥方式を用いることが好ましい。
【００２７】
炭素繊維束の単繊維径や単繊維数および走行速度によりサイジング付着具合や乾燥度合いが異なるため、目標とするサイジング剤の付着量となるように適時、温度や乾燥機滞留時間等の条件を調整すればよい。乾燥温度は、空気雰囲気中１００℃〜３００℃であることが好ましい。乾燥温度が１００℃より低くなると、十分な乾燥ができないために、高次加工の際、サイジング剤の粘着による糸切れや、コンポジット特性低下の原因となる。乾燥温度が３００℃を超えるとサイジング剤の熱分解が進行し、乾燥装置内を汚し長期連続運転が不可能になる。また、乾燥機滞留時間は、１０秒〜３００秒であることが好ましい。乾燥機滞留時間が１０秒より短いと、サイジング剤が蒸発し始める前に乾燥が終了し所望するサイジング付着量を得ることができない場合があり、逆に３００秒より長くなると、特に連続するサイジング剤が付着した炭素繊維束を乾燥させる場合には設備が大きくなり設備費がかかる。
【００２８】
なお、乾燥機滞留時間とは、走行する炭素繊維束への熱付与が行われている時間のことであり、乾燥機へ走行糸が導入・導出される入口から出口までの長さを炭素繊維束の走行速度により除した時間である。
【００２９】
以上の方法により製造されたサイジング剤が付与された炭素繊維束を公知の巻き取り方法でボビン巻き取ることにより、サイジング剤が付与された炭素繊維束の糸幅が安定し、目的とする端面形状に凸凹がなく、著しく端面形状の安定した炭素繊維パッケージを製造することができる。炭素繊維束を走行させるための工程糸道ローラーとしては、炭素繊維束の走行糸幅が強制されず常時安定化可能なように、平ローラーを用いることが好ましい。
【００３０】
さらに、本発明の炭素繊維パッケージの製造方法をより効果的にするためには、サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の張力を０．５〜６．５ｇｆ／Ｔｅｘとすることが好ましく、張力はより好ましくは１．５〜５．５ｇｆ／Ｔｅｘであり、さらに好ましくは２．５〜４．５ｇｆ／Ｔｅｘである。炭素繊維束の張力が０．５ｇｆ／Ｔｅｘより小さい場合は、炭素繊維束の収束性が低下し、糸幅が変動したり、糸割れが発生したりしてしまうことがある。逆に、張力が６．５ｇｆ／Ｔｅｘより大きい場合は、単繊維切れ、毛羽立ちが発生し、単繊維同士が絡んだり、ローラーに単繊維の巻き付きが発生したりすることにより、炭素繊維束の糸幅が変動してしまうことがある。
【００３１】
炭素繊維束の張力は、サイジング剤を付与する直前の走行糸を張力計等を用いて測定することにより把握し、サイジング剤を付与する前後のローラー回転トルク等により、適時、調整することができる。
サイジング剤を付与する直前からサイジング剤を付与、乾燥させる間の走行糸の張力は、糸切れや巻き付き等の防止のため一定であることが好ましく、ボビンに巻き取る際には、目的とするパッケージ特性となるように適時調整することが好ましい。また、サイジング剤を付与する直前からサイジング剤を付与し乾燥させてからボビンに巻き取るまでの炭素繊維束の走行速度は、１〜３０ｍ／分の間で一定であることが好ましい。
【００３２】
本発明のサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法によれば、炭素繊維束のボビンへの巻き取り中の糸幅が安定し、かつ、糸道が安定化することにより綾振りが安定していて均斉な綾振り巻き取りが可能となり、炭素繊維パッケージの端面形状が一定であって美しく、高次加工性が向上するばかりか、炭素繊維ボビン生産時の屑発生を抑制し生産ロスを大幅に削減することが可能となるサイジング剤の付与された炭素繊維パッケージが得られる。
【００３３】
本発明で用いられる炭素繊維束を構成する炭素繊維は、サイジング剤が付与されていればポリアクリロニトリル系およびピッチ系等のいずれの材質からなる炭素繊維であってもよいが、高強度および高弾性率の観点から、ポリアクリロニトリル系の炭素繊維であることが好ましい。また、炭素繊維束は、単繊維数が１０００〜１０００００本の範囲内にあり、総繊度が１０〜１００００Ｔｅｘの範囲にあるようなものが好ましい。ここでいう炭素繊維束という概念には、より高温で焼成することによって得られる黒鉛化繊維束も含まれる。また、炭素繊維強化複合材料（ＣＦＲＰ）としたときのマトリックス樹脂との接着性を向上させるために、表面処理を施した炭素繊維束からなるものであるのも好ましい。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例を用いて本発明の炭素繊維パッケージの製造方法について、より具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。下記に示す実施例および比較例において、炭素繊維束の水分率、炭素繊維パッケージ形状、炭素繊維束の平均糸幅およびパッケージの端面凸凹差は、次のようにして判定および測定をした。
【００３５】
＜炭素繊維束の水分率＞
予め炭素繊維束を入れるガラス瓶とその蓋をよく洗浄し、１３０℃×１，８００秒間、乾燥機の中でガラス瓶とその蓋を乾燥させた後、乾燥機内でガラス瓶に蓋をする。その後、蓋をしたままガラス瓶を乾燥機から取り出し、シリカゲル等を充填した乾燥用のデシケータ内で２，４００秒間冷却した後、ガラス瓶と蓋を合わせた重さＷ１×１０-3（ｋｇ）を測定する。さらに、これに炭素繊維束を入れ、重さＷ２×１０-3（ｋｇ）を測定する。次に、炭素繊維束をガラス瓶に入れたまま、蓋を開けて１３０℃×７，２００秒間、乾燥機の中で乾燥させた後、乾燥機内でガラス瓶に蓋をする。乾燥機からガラス瓶を取り出し、シリカゲル等を充填した乾燥用のデシケータ内で２，４００秒間冷却した後、重さＷ３×１０-3(ｋｇ)を測定する。上記の値を用いて、次式により水分率を求めた。なお測定はＮ＝５で実施し、その平均値を採用した。
水分率（重量％）＝｛(Ｗ２−Ｗ３)／（Ｗ３−Ｗ１）｝×１００。
【００３６】
＜パッケージ形状＞
サイジング剤が付与された炭素繊維束のスクウェアーエンドパッケージ（紙管軸に対し端面が直角な巻形状）の端面において、端面凸凹の距離差が炭素繊維束の平均糸幅の３０％以上ある場合にパッケージ不良「×」とし、端面凸凹の距離差が炭素繊維束の平均糸幅の３０％未満の場合を良「○」とした。
【００３７】
＜炭素繊維束の平均糸幅＞
得られた炭素繊維パッケージ表面から炭素繊維束を糸幅が変化しないように、１００ｍの長さの炭素繊維束を手でゆっくり引き出した際にパッケージ表面から炭素繊維束が離れる直前の糸幅を、１ボビンについて０．１ｍごとに０．１ｍｍ単位で合計１０００点測定した際の平均値を平均糸幅とした。
【００３８】
＜パッケージの端面凸凹差＞
得られた炭素繊維パッケージを水平な平面に縦置き（スクウェアーエンドパッケージ（紙管軸に対し端面が直角な巻形状）の端面が上下）にし、上部側紙管の端部を基準としてノギスを用いて、上部側端面の最大凸部（端面から炭素繊維束が飛び出している部分も含む）および最大凹部までの距離を測定し、その差を端面凸凹差とした。また、逆端面を測定する際は、ボビン上下を反転させて測定した。
【００３９】
＜サイジング剤付着量＞
約２ｇの炭素繊維糸条を秤量（Ｗ１）した後、５０リットル／分の窒素気流中、温度４５０℃に設定した電気炉（容量１２０ｃｍ３）に１５分間静置し、サイジング剤を完全に熱分解させた。そして、２０リットル／分の乾燥窒素気流中の容器に移し、１５分間冷却した後の炭素繊維糸条を秤量（Ｗ２）して次式よりサイジング付着量を求めた。なお測定はＮ＝５で実施し、その平均値を採用した。
【００４０】
サイジング付着量（％）＝[ Ｗ１(ｇ)− Ｗ２(ｇ) ]/[ Ｗ１(ｇ) ]×１００
（実施例１）
ポリアクリロニトリル系繊維を前駆体とする炭素繊維束（単繊維径７μｍ、単繊維数１２０００本）を入口と出口を有する温度３５０℃の熱風乾燥機内に滞留時間６０秒で連続的に導入、導出し、炭素繊維束の水分率を０．２重量％、張力を３．５ｇｆ／Ｔｅｘにした後に、下記の多官能エポキシ樹脂からなるサイジング剤を付与し、入口と出口を有する温度２００℃の熱風乾燥機内に滞留時間６０秒で連続的に導入、導出させ乾燥させサイジング剤が１．５重量％付着するようにサイジング剤の濃度を調整して処理した。その後、単繊維数１２０００本あたり６５０ｇの張力を付与して１０ｍ／分の速度でボビンに巻き上げ、６Ｋｇのスクウェアーエンドパッケージ（紙管軸に対し端面が直角な巻形状）とした。その結果、ボビンの端面形状が一定であって非常に美しく、品位のよい炭素繊維パッケージとなった。結果を表１に示す。
【００４１】
［サイジング剤］
（ａ）ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（“エピコート（登録商標）”８２８、ジャパンエポキシレジン社製）：３０重量部
（ｂ）ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（“エピコート（登録商標）”１００１、ジャパンエポキシレジン社製）：４０重量部
（ｃ）ポリオキシエチレンオレイルエーテル（“ＥＭＡＬＥＸ（登録商標）” ５０８、日本エマルジョン（株）製：１０重量部
（ｄ）ポリオキシエチレンイソステアリルエーテル（“ＥＭＡＬＥＸ（登録商標）”１８１５、日本エマルジョン（株）製：２０重量部
（実施例２）
サイジング剤付与する直前の熱風乾燥機内の温度を３００℃にして、炭素繊維束の水分率を２重量％にし、サイジング剤が１．５重量％付着するようにサイジング剤の濃度を増加方向に調整したこと以外は、すべて実施例１と同様にして炭素繊維パッケージを得た。その結果、ボビンの端面形状が一定であって非常に美しく、品位のよい炭素繊維パッケージとなった。結果を表１に示す。
【００４２】
（実施例３）
サイジング剤付与する直前の熱風乾燥機内の温度を２５０℃にして、炭素繊維束の水分率を５重量％にし、サイジング剤が１．５重量％付着するようにサイジング剤の濃度を増加方向に調整したこと以外は、すべて実施例１と同様にして炭素繊維パッケージを得た。その結果、ボビンの端面形状が一定であって美しく、品位のよい炭素繊維パッケージとなった。結果を表１に示す。
【００４３】
（実施例４）
サイジング剤付与する直前の熱風乾燥機内の温度を２００℃にして、炭素繊維束の水分率を１０重量％にし、サイジング剤が１．５重量％付着するようにサイジング剤の濃度を増加方向に調整したこと以外は、すべて実施例１と同様にして炭素繊維パッケージを得た。その結果、ボビンの端面形状が一定であって美しく、品位のよい炭素繊維パッケージとなった。結果を表１に示す。
【００４４】
（比較例１）
サイジング剤付与する直前の熱風乾燥機内の温度を４５０℃にして、炭素繊維束の水分率を０重量％とし、張力を７ｇｆ／Ｔｅｘにし、サイジング剤が１．５重量％付着するようにサイジング剤の濃度を減少方向に調整したこと以外は、すべて実施例１と同様にして炭素繊維パッケージを得た。その結果、単糸の毛羽立ちが多発して、ボビンの端面形状が凸凹となり、パッケージ形状が悪く、パッケージ不良が発生した。結果を表１に示す。
【００４５】
（比較例２）
サイジング剤付与する直前の熱風乾燥機内の温度を９０℃にして、炭素繊維束の水分率を１５重量％とし、張力を０．４ｇｆ／Ｔｅｘにし、サイジング剤が１．５重量％付着するようにサイジング剤の濃度を増加方向に調整したこと以外は、すべて実施例１と同様にして炭素繊維パッケージを得た。その結果、炭素繊維の糸幅が細く不安定となり、ボビンの端面形状が凸凹となり、パッケージ形状が悪く、パッケージ不良が発生した。結果を表１に示す。
【００４６】
（比較例３）
サイジング剤付与する直前の熱風乾燥機内の温度を７０℃にして、炭素繊維束の水分率を２５重量％にしたこと以外は、すべて比較例１と同様にして炭素繊維パッケージを得た。その結果、炭素繊維から水滴が滴下し、糸幅が非常に細く不安定となりかつサイジング付着ムラが激しく、１．５重量％付着するように処理することができず、ボビンの端面形状が凸凹となり、パッケージ形状が悪く、パッケージ不良が発生した。結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
【００４８】
実施例１〜４の通り、サイジング剤付与直前の炭素繊維の水分率を０．２〜１０重量％とした場合は、ボビンの端面形状が一定であって非常に美しく、品位のよい炭素繊維パッケージとなった。一方、比較例１〜３の通り、サイジング剤付与直前の炭素繊維の水分率が０．２〜１０重量％を外れた場合は、ボビンの端面形状が凸凹となり、パッケージ形状が悪く、パッケージ不良が発生した。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の炭素繊維パッケージの製造方法では、サイジング剤が付与された炭素繊維束を巻き取る際の走行糸の糸幅が安定化するため、炭素繊維束をワインダーで巻き取ったボビンの端面形状に凸凹がなく、著しく端面形状の安定した炭素繊維パッケージを製造することができ、さらには、ボビン端面形状が安定するため、糸幅が安定しプリプレグや織物等の高次加工性が向上するばかりか、炭素繊維ボビン生産時の屑発生を抑制し生産ロスを大幅に削減することが可能となり、有用である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法に関し、さらに詳しくは、本発明は、サイジング剤が付与された炭素繊維束の糸幅を常時一定としたまま、パッケージ不良を発生させることなく安定して炭素繊維パッケージを製造するサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維束は、そのままでは単繊維切れや毛羽立ちが起こりやすく、また、加工性や取扱性もよくないため、サイジング剤を付与して用いられる。具体的には一般的に公知の表面処理工程や水洗工程などで濡れた水分率２０〜８０重量％程度の炭素繊維束を乾燥させた後にサイジング剤を付与して集束性や耐擦過性を与え、これらの不都合を起こりにくいようにしている。また、特に高次加工時に炭素繊維とマトリックス樹脂との接着特性を向上させるために、エポキシ樹脂系やウレタン樹脂系等のサイジング剤が好ましく用いられている（特許文献１参照）。
【０００３】
このようにサイジング剤が付与された炭素繊維束は、その取り扱い性を考慮して一旦ボビンに巻き取られ、パッケージとしたものが多く使用されているが、このようなパッケージは、巻き取り装置で炭素繊維束がボビンに巻き取られて製造される。
【０００４】
炭素繊維束のボビンへの巻き取りは、一般的に炭素繊維束に綾振振動を付与しながら行なわれるが、この綾振振動時、特にボビン端部の折り返しポイントにおいて、走行糸の糸道が変動するとパッケージ端面での糸位置が変動し、パッケージ端面から糸が一部飛び出したり、パッケージ端面が段形状になるなどして、巻き上げ製品の端面形状が凸凹になるという問題があった。
【０００５】
このような巻き上げ製品の端面形状が凸凹になったパッケージは、プリプレグや織物の製造等の高次加工時においてボビンから糸を引き出す際に、綾落ちや糸取られにより糸切れが多発したり、糸割れや毛羽発生により製品品質が悪化したりすることがあった。このため、ユーザーからのボビン端面形状の向上が求められており、さらにパッケージ生産時においては、端面形状不良製品を出荷しないように、端面形状不良品を屑扱いにしたりするなどし、大きく生産性を低下させる原因ともなっており、強く改善が求められてきた。このような中、端面形状崩れを防止するための技術として、これまで走行糸の糸道を安定化させる技術が広く提案されてきた（特許文献２および特許文献３参照）。
【０００６】
しかしながら、これらの走行糸道安定化技術では、確かに糸道安定効果は非常に高いものの、特にサイジング剤を付与した炭素繊維束を巻き上げる場合、糸道が安定していてもボビン巻き上げ中に走行糸の糸幅が変化してしまい、同じ糸道でも走行糸幅の端部走行位置が異なってしまい、パッケージ端面から糸が一部飛び出したり、パッケージ端面が段形状になるなどし、巻き上げ製品の端面形状が悪化して端面凸凹が発生するという問題があった。
【０００７】
このため、特にサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの端面形状を安定化させるためには、ワインダーでのボビン巻き取り時の糸幅を安定化させる技術が必要であった。
【特許文献１】特開２００４−３３２１８９号公報
【特許文献２】特開２００４−１４２９４５号公報
【特許文献３】国際公開第０５／０７３１１８号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、サイジング剤が付与された炭素繊維束の糸幅を安定化させたまま、ボビンに巻き取ることにより、パッケージ端面形状を安定化させ、プリプレグや織物等の高次加工性を向上せしめ、さらには、炭素繊維ボビンの屑発生を抑制し生産ロスを削減することが可能なサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を達成するため、本発明は下記の構成を有するものである。
【００１０】
（１）サイジング剤が付与された炭素繊維束をボビンに巻き取るに際し、該炭素繊維束の水分率を０．２〜１０重量％とした後にサイジング剤を付与し乾燥させてからボビンに巻き取ることを特徴とする炭素繊維パッケージの製造方法。
【００１１】
（２）サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の張力を０．５〜６．５ｇｆ／Ｔｅｘとすることを特徴とする前記（１）記載の炭素繊維パッケージの製造方法。
【００１２】
（３）炭素繊維束へのサイジング剤の付着量が０．２〜５重量％の範囲であることを特徴とする前記（１）または（２）記載の炭素繊維パッケージの製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、サイジング剤が付与された炭素繊維束を巻き取る際の走行糸の糸幅が安定化するため、炭素繊維束をワインダーで巻き取ったパッケージの端面形状に凸凹がなく、著しく端面形状の安定した炭素繊維パッケージを製造することができる。さらには、パッケージ端面形状が安定するため、糸幅が安定しプリプレグや織物等の製造時における高次加工性が向上するばかりか、炭素繊維パッケージ生産時の屑発生を抑制し生産ロスを大幅に削減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者らは、上記課題について、鋭意検討を重ねた結果、サイジング剤が付与された炭素繊維束の巻き取り中の糸幅変動が、サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の糸幅変動に依存することを見いだし、該炭素繊維束の水分率さらには張力を制御することにより、走行糸の糸幅が大幅に安定化し、端面形状に凸凹の少ない炭素繊維パッケージを製造できることを見いだしたものである。
【００１５】
具体的には、これまで炭素繊維束にサイジング剤を付与する際、表面処理工程や水洗工程などで濡れた水分率２０〜８０重量％程度の炭素繊維束においては、炭素繊維を十分に乾燥させてサイジング剤を付与し、また、表面処理工程や水洗工程などで炭素繊維束に水分を付与しない場合は、炭素繊維束が十分乾燥していることから、そのままサイジング剤を付与することが一般的である。
【００１６】
しかしながら、炭素繊維束内の単繊維同士は非常にさばけやすいため、炭素繊維束を完全に乾燥させた状態で取り扱うと単繊維切れや毛羽立ちが発生し、単繊維同士が絡んだり、ローラーに単繊維の巻き付きが発生したりすることにより、炭素繊維束の糸幅が変動してしまう。その糸幅が変動している炭素繊維束にサイジング剤が付与され、そのまま乾燥されるため、最終的にサイジング剤が付与された炭素繊維束の糸幅が変動してしまい、端面形状に凸凹の発生する端面形状崩れに直結する。
【００１７】
この端面形状の崩れとは、具体的には、サイジング剤が付与された炭素繊維束のスクウェアーエンドパッケージ（紙管軸に対し端面が直角な巻形状）の端面において、端面凸凹の距離差が炭素繊維束の平均糸幅の３０％以上発生するものであり、もちろん凸部には炭素繊維束の飛び出しも含むものである。すなわち、パッケージの形状としては、上述のパッケージの端面凸凹の距離差は、好ましくは３０％未満であり、より好ましくは２０％未満であり、さらに好ましくは１０％未満である。凸凹がなく平坦であるほど、高品位の炭素繊維パッケージとなる。なお、端面凸凹の距離差の測定は、次のようにして行うものである。炭素繊維パッケージを水平な平面に縦置き（スクウェアーエンドパッケージの端面を上下）にし、上部側紙管の端部を基準として、上部側端面の最大凸部（端面から炭素繊維束が飛び出している部分も含む）および最大凹部までの距離をノギスを用いて測定し、その差を平均糸幅で除して算出する。ここで平均糸幅は、炭素繊維パッケージ表面から炭素繊維束を糸幅が変化しないように、１００ｍの長さの炭素繊維束を手でゆっくり引き出した際にパッケージ表面から炭素繊維束が離れる直前の糸幅を、１ボビンについて０．１ｍごとに０．１ｍｍ単位で合計１０００点測定した際の平均値を取るものとする。以下、本発明のサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法の好ましい態様について、さらに詳しく説明する。
【００１８】
本発明のサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法は、サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の水分率を０．２〜１０重量％とした後にサイジング剤を付与し乾燥させてからその炭素繊維束をボビンに巻き取るものであり、炭素繊維束の水分率はより好ましくは０．２〜５重量％であり、さらに好ましくは０．２〜２重量％である。炭素繊維束の水分率が０．２重量％よりも小さい場合は、上述のように炭素繊維束のさばけや単繊維切れ、毛羽立ちが発生し、単繊維同士が絡んだり、ローラーに単繊維の巻き付きが発生したりすることにより、炭素繊維束の糸幅が変動してしまう。逆に、炭素繊維束の水分率が１０重量％よりも大きい場合は、炭素繊維束内で部分的に単繊維同士が接着したりし、炭素繊維束の糸幅が変動したり、炭素繊維束自身の水分により、炭素繊維へのサイジング付着ムラが発生したり、サイジング付与時のサイジング剤の濃度が大きく変動し調整が難しい。
【００１９】
サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の水分率の調整方法は、水分率が１０重量％よりも大きい場合は、自然乾燥、熱風乾燥方式およびホットドラム乾燥方式等の公知のどのような方法でも用いることができるが、短時間で炭素繊維束を痛めることなく連続生産可能な入口と出口を有する熱風乾燥機を用いることが好ましく、炭素繊維束の単繊維径や単繊維数および走行速度により乾燥度合いが異なるため、目標とする水分率となるように適時、乾燥温度や乾燥機滞留時間等の条件を調整すればよい。乾燥温度は、空気雰囲気中１００℃〜４００℃であることが好ましい。乾燥温度が１００℃より低くなると、水分が十分に蒸発しないため所望する水分率を得ることができない場合があり、逆に４００℃より高くなると、官能基が熱分解により消失し、樹脂との接着性が低下する傾向が発生する。また、乾燥機滞留時間は、１０秒〜３００秒であることが好ましい。乾燥機滞留時間が１０秒より短いと、水分が蒸発し始める前に乾燥が終了し所望する水分率を得ることができない場合があり、逆に３００秒より長くなると、特に連続する炭素繊維束を乾燥させる場合には設備が大きくなり設備費がかかる。
【００２０】
逆に、水分率が０．２重量％よりも小さい場合は、加湿機や水噴霧機等の公知のどのような方法でも用いることができるが、水分率ムラを抑えることが可能な入口と出口を有する加湿機を用いることが好ましく、炭素繊維束の単繊維径や単繊維数および走行速度により含水度合いが異なるため、目標とする水分率となるように適時、加湿機内の湿度や滞留時間等の条件を調整すればよい。加湿機滞留時間は、１０秒〜３００秒であることが好ましい。加湿機滞留時間が１０秒より短いと、炭素繊維束全体が含水する前に終了し、所望する水分率を得ることができない場合があり、逆に３００秒より長くなると、特に連続生産時には設備が大きくなり設備費がかかる。
【００２１】
サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の水分率は、走行している炭素繊維束をカットしてサンプリングして、測定を繰り返すことにより確認、調整を実施することが好ましい。例えば、入口と出口を有する熱風乾燥機を用いて走行糸を乾燥させ、水分率が低い場合には、乾燥機内の温度を低下させ、逆に、水分率が高い場合には、乾燥機内の温度を上昇させることが好ましい。さらに、熱風乾燥機に加え、加湿機を備える場合に、水分率が低い場合は、加湿機内の湿度を上昇させ、水分率が高い場合には、加湿機内の湿度を低下させることにより、水分率の調整を実施することが精密な調整が可能となることからさらに好ましい。なお、炭素繊維束をカットしてサンプリングし、水分率を測定する際に、水分率の測定に長時間を要する場合があるため、この際は、単位長さあたりの水分を含有した炭素繊維束の重量のみを繰り返し測定し、乾燥炭素繊維束の重量は設定値と仮定して計算することにより、簡易的に糸の乾燥状態を把握し調整をした後に、別途以下に示す炭素繊維束の水分率測定により確認することが好ましい。炭素繊維の水分率測定は、以下のように行う。予め炭素繊維束を入れるガラス瓶とその蓋をよく洗浄し、１３０℃×１，８００秒間、乾燥機の中でガラス瓶とその蓋を乾燥させた後、乾燥機内でガラス瓶に蓋をする。その後、蓋をしたままガラス瓶を乾燥機から取り出し、シリカゲル等を充填した乾燥用のデシケータ内で２，４００秒間冷却した後、ガラス瓶と蓋を合わせた重さＷ１×１０-3（ｋｇ）を測定する。さらに、これに炭素繊維束を入れ、重さＷ２×１０-3（ｋｇ）を測定する。次に、炭素繊維束をガラス瓶に入れたまま、蓋を開けて１３０℃×７，２００秒間、乾燥機の中で乾燥させた後、乾燥機内でガラス瓶に蓋をする。乾燥機からガラス瓶を取り出し、シリカゲル等を充填した乾燥用のデシケータ内で２，４００秒間冷却した後、重さＷ３×１０-3(ｋｇ)を測定し、上記の値を用いて、次式により水分率を求める。なお測定はＮ＝５で実施し、その平均値を採用する。
水分率（重量％）＝｛(Ｗ２−Ｗ３)／（Ｗ３−Ｗ１）｝×１００。
【００２２】
また、炭素繊維束へのサイジング剤付与方法としては、ディップローラー方式やキスローラー方式等の公知の方法を用いることができるが、安定してサイジング剤を供給できるディップローラー方式を用いることが好ましい。かかるディップローラーと走行糸との接触時間（サイジング液中のローラーとの接触時間）は０．２秒以上であることが好ましい。接触時間が０．２秒よりも短いと炭素繊維束に十分サイジング剤が付着しない場合がある。
【００２３】
炭素繊維束に付与するサイジング剤は、炭素繊維束の集束性や耐擦過性を向上させるもので、エポキシ樹脂系サイジング剤、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂等が好ましく用いられる。
【００２４】
また、炭素繊維束へのサイジング剤の付着量は、好ましくは０．２〜５重量％の範囲であり、より好ましくは０．５〜３重量％の範囲内である。付着量が０．２重量％よりも少ないと耐擦過性が低下して毛羽を生じやすくなり、付着量が５重量％よりも多いとＣＦＲＰとしたときにマトリックス樹脂との接着性が低下してＣＦＲＰの物性が悪くなる場合や、炭素繊維束が硬くなり、開繊性や拡幅性が悪くなる場合がある。
【００２５】
なお、サイジング剤の付着量とは、サイジング剤が付着した炭素繊維糸条を秤量（Ｗ１）した後、電気炉等を用いてサイジング剤を完全に熱分解し、再度、サイジング剤を含まない状態での炭素繊維糸条を秤量（Ｗ２）し、次式により求めることができるものである。
【００２６】
サイジング付着量（％）＝[ Ｗ１(ｇ)− Ｗ２(ｇ) ]/[ Ｗ１(ｇ) ]×１００
また、サイジング剤が付与された後の炭素繊維束の乾燥方法においても、熱風乾燥方式やホットドラム乾燥方式等の公知の方法を用いることができるが、多量に発生する油剤成分の炭素繊維束への再付着が少ない熱風乾燥方式を用いることが好ましい。
【００２７】
炭素繊維束の単繊維径や単繊維数および走行速度によりサイジング付着具合や乾燥度合いが異なるため、目標とするサイジング剤の付着量となるように適時、温度や乾燥機滞留時間等の条件を調整すればよい。乾燥温度は、空気雰囲気中１００℃〜３００℃であることが好ましい。乾燥温度が１００℃より低くなると、十分な乾燥ができないために、高次加工の際、サイジング剤の粘着による糸切れや、コンポジット特性低下の原因となる。乾燥温度が３００℃を超えるとサイジング剤の熱分解が進行し、乾燥装置内を汚し長期連続運転が不可能になる。また、乾燥機滞留時間は、１０秒〜３００秒であることが好ましい。乾燥機滞留時間が１０秒より短いと、サイジング剤が蒸発し始める前に乾燥が終了し所望するサイジング付着量を得ることができない場合があり、逆に３００秒より長くなると、特に連続するサイジング剤が付着した炭素繊維束を乾燥させる場合には設備が大きくなり設備費がかかる。
【００２８】
なお、乾燥機滞留時間とは、走行する炭素繊維束への熱付与が行われている時間のことであり、乾燥機へ走行糸が導入・導出される入口から出口までの長さを炭素繊維束の走行速度により除した時間である。
【００２９】
以上の方法により製造されたサイジング剤が付与された炭素繊維束を公知の巻き取り方法でボビン巻き取ることにより、サイジング剤が付与された炭素繊維束の糸幅が安定し、目的とする端面形状に凸凹がなく、著しく端面形状の安定した炭素繊維パッケージを製造することができる。炭素繊維束を走行させるための工程糸道ローラーとしては、炭素繊維束の走行糸幅が強制されず常時安定化可能なように、平ローラーを用いることが好ましい。
【００３０】
さらに、本発明の炭素繊維パッケージの製造方法をより効果的にするためには、サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の張力を０．５〜６．５ｇｆ／Ｔｅｘとすることが好ましく、張力はより好ましくは１．５〜５．５ｇｆ／Ｔｅｘであり、さらに好ましくは２．５〜４．５ｇｆ／Ｔｅｘである。炭素繊維束の張力が０．５ｇｆ／Ｔｅｘより小さい場合は、炭素繊維束の収束性が低下し、糸幅が変動したり、糸割れが発生したりしてしまうことがある。逆に、張力が６．５ｇｆ／Ｔｅｘより大きい場合は、単繊維切れ、毛羽立ちが発生し、単繊維同士が絡んだり、ローラーに単繊維の巻き付きが発生したりすることにより、炭素繊維束の糸幅が変動してしまうことがある。
【００３１】
炭素繊維束の張力は、サイジング剤を付与する直前の走行糸を張力計等を用いて測定することにより把握し、サイジング剤を付与する前後のローラー回転トルク等により、適時、調整することができる。
サイジング剤を付与する直前からサイジング剤を付与、乾燥させる間の走行糸の張力は、糸切れや巻き付き等の防止のため一定であることが好ましく、ボビンに巻き取る際には、目的とするパッケージ特性となるように適時調整することが好ましい。また、サイジング剤を付与する直前からサイジング剤を付与し乾燥させてからボビンに巻き取るまでの炭素繊維束の走行速度は、１〜３０ｍ／分の間で一定であることが好ましい。
【００３２】
本発明のサイジング剤が付与された炭素繊維パッケージの製造方法によれば、炭素繊維束のボビンへの巻き取り中の糸幅が安定し、かつ、糸道が安定化することにより綾振りが安定していて均斉な綾振り巻き取りが可能となり、炭素繊維パッケージの端面形状が一定であって美しく、高次加工性が向上するばかりか、炭素繊維ボビン生産時の屑発生を抑制し生産ロスを大幅に削減することが可能となるサイジング剤の付与された炭素繊維パッケージが得られる。
【００３３】
本発明で用いられる炭素繊維束を構成する炭素繊維は、サイジング剤が付与されていればポリアクリロニトリル系およびピッチ系等のいずれの材質からなる炭素繊維であってもよいが、高強度および高弾性率の観点から、ポリアクリロニトリル系の炭素繊維であることが好ましい。また、炭素繊維束は、単繊維数が１０００〜１０００００本の範囲内にあり、総繊度が１０〜１００００Ｔｅｘの範囲にあるようなものが好ましい。ここでいう炭素繊維束という概念には、より高温で焼成することによって得られる黒鉛化繊維束も含まれる。また、炭素繊維強化複合材料（ＣＦＲＰ）としたときのマトリックス樹脂との接着性を向上させるために、表面処理を施した炭素繊維束からなるものであるのも好ましい。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例を用いて本発明の炭素繊維パッケージの製造方法について、より具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。下記に示す実施例および比較例において、炭素繊維束の水分率、炭素繊維パッケージ形状、炭素繊維束の平均糸幅およびパッケージの端面凸凹差は、次のようにして判定および測定をした。
【００３５】
＜炭素繊維束の水分率＞
予め炭素繊維束を入れるガラス瓶とその蓋をよく洗浄し、１３０℃×１，８００秒間、乾燥機の中でガラス瓶とその蓋を乾燥させた後、乾燥機内でガラス瓶に蓋をする。その後、蓋をしたままガラス瓶を乾燥機から取り出し、シリカゲル等を充填した乾燥用のデシケータ内で２，４００秒間冷却した後、ガラス瓶と蓋を合わせた重さＷ１×１０-3（ｋｇ）を測定する。さらに、これに炭素繊維束を入れ、重さＷ２×１０-3（ｋｇ）を測定する。次に、炭素繊維束をガラス瓶に入れたまま、蓋を開けて１３０℃×７，２００秒間、乾燥機の中で乾燥させた後、乾燥機内でガラス瓶に蓋をする。乾燥機からガラス瓶を取り出し、シリカゲル等を充填した乾燥用のデシケータ内で２，４００秒間冷却した後、重さＷ３×１０-3(ｋｇ)を測定する。上記の値を用いて、次式により水分率を求めた。なお測定はＮ＝５で実施し、その平均値を採用した。
水分率（重量％）＝｛(Ｗ２−Ｗ３)／（Ｗ３−Ｗ１）｝×１００。
【００３６】
＜パッケージ形状＞
サイジング剤が付与された炭素繊維束のスクウェアーエンドパッケージ（紙管軸に対し端面が直角な巻形状）の端面において、端面凸凹の距離差が炭素繊維束の平均糸幅の３０％以上ある場合にパッケージ不良「×」とし、端面凸凹の距離差が炭素繊維束の平均糸幅の３０％未満の場合を良「○」とした。
【００３７】
＜炭素繊維束の平均糸幅＞
得られた炭素繊維パッケージ表面から炭素繊維束を糸幅が変化しないように、１００ｍの長さの炭素繊維束を手でゆっくり引き出した際にパッケージ表面から炭素繊維束が離れる直前の糸幅を、１ボビンについて０．１ｍごとに０．１ｍｍ単位で合計１０００点測定した際の平均値を平均糸幅とした。
【００３８】
＜パッケージの端面凸凹差＞
得られた炭素繊維パッケージを水平な平面に縦置き（スクウェアーエンドパッケージ（紙管軸に対し端面が直角な巻形状）の端面が上下）にし、上部側紙管の端部を基準としてノギスを用いて、上部側端面の最大凸部（端面から炭素繊維束が飛び出している部分も含む）および最大凹部までの距離を測定し、その差を端面凸凹差とした。また、逆端面を測定する際は、ボビン上下を反転させて測定した。
【００３９】
＜サイジング剤付着量＞
約２ｇの炭素繊維糸条を秤量（Ｗ１）した後、５０リットル／分の窒素気流中、温度４５０℃に設定した電気炉（容量１２０ｃｍ３）に１５分間静置し、サイジング剤を完全に熱分解させた。そして、２０リットル／分の乾燥窒素気流中の容器に移し、１５分間冷却した後の炭素繊維糸条を秤量（Ｗ２）して次式よりサイジング付着量を求めた。なお測定はＮ＝５で実施し、その平均値を採用した。
【００４０】
サイジング付着量（％）＝[ Ｗ１(ｇ)− Ｗ２(ｇ) ]/[ Ｗ１(ｇ) ]×１００
（実施例１）
ポリアクリロニトリル系繊維を前駆体とする炭素繊維束（単繊維径７μｍ、単繊維数１２０００本）を入口と出口を有する温度３５０℃の熱風乾燥機内に滞留時間６０秒で連続的に導入、導出し、炭素繊維束の水分率を０．２重量％、張力を３．５ｇｆ／Ｔｅｘにした後に、下記の多官能エポキシ樹脂からなるサイジング剤を付与し、入口と出口を有する温度２００℃の熱風乾燥機内に滞留時間６０秒で連続的に導入、導出させ乾燥させサイジング剤が１．５重量％付着するようにサイジング剤の濃度を調整して処理した。その後、単繊維数１２０００本あたり６５０ｇの張力を付与して１０ｍ／分の速度でボビンに巻き上げ、６Ｋｇのスクウェアーエンドパッケージ（紙管軸に対し端面が直角な巻形状）とした。その結果、ボビンの端面形状が一定であって非常に美しく、品位のよい炭素繊維パッケージとなった。結果を表１に示す。
【００４１】
［サイジング剤］
（ａ）ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（“エピコート（登録商標）”８２８、ジャパンエポキシレジン社製）：３０重量部
（ｂ）ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（“エピコート（登録商標）”１００１、ジャパンエポキシレジン社製）：４０重量部
（ｃ）ポリオキシエチレンオレイルエーテル（“ＥＭＡＬＥＸ（登録商標）” ５０８、日本エマルジョン（株）製：１０重量部
（ｄ）ポリオキシエチレンイソステアリルエーテル（“ＥＭＡＬＥＸ（登録商標）”１８１５、日本エマルジョン（株）製：２０重量部
（実施例２）
サイジング剤付与する直前の熱風乾燥機内の温度を３００℃にして、炭素繊維束の水分率を２重量％にし、サイジング剤が１．５重量％付着するようにサイジング剤の濃度を増加方向に調整したこと以外は、すべて実施例１と同様にして炭素繊維パッケージを得た。その結果、ボビンの端面形状が一定であって非常に美しく、品位のよい炭素繊維パッケージとなった。結果を表１に示す。
【００４２】
（実施例３）
サイジング剤付与する直前の熱風乾燥機内の温度を２５０℃にして、炭素繊維束の水分率を５重量％にし、サイジング剤が１．５重量％付着するようにサイジング剤の濃度を増加方向に調整したこと以外は、すべて実施例１と同様にして炭素繊維パッケージを得た。その結果、ボビンの端面形状が一定であって美しく、品位のよい炭素繊維パッケージとなった。結果を表１に示す。
【００４３】
（実施例４）
サイジング剤付与する直前の熱風乾燥機内の温度を２００℃にして、炭素繊維束の水分率を１０重量％にし、サイジング剤が１．５重量％付着するようにサイジング剤の濃度を増加方向に調整したこと以外は、すべて実施例１と同様にして炭素繊維パッケージを得た。その結果、ボビンの端面形状が一定であって美しく、品位のよい炭素繊維パッケージとなった。結果を表１に示す。
【００４４】
（比較例１）
サイジング剤付与する直前の熱風乾燥機内の温度を４５０℃にして、炭素繊維束の水分率を０重量％とし、張力を７ｇｆ／Ｔｅｘにし、サイジング剤が１．５重量％付着するようにサイジング剤の濃度を減少方向に調整したこと以外は、すべて実施例１と同様にして炭素繊維パッケージを得た。その結果、単糸の毛羽立ちが多発して、ボビンの端面形状が凸凹となり、パッケージ形状が悪く、パッケージ不良が発生した。結果を表１に示す。
【００４５】
（比較例２）
サイジング剤付与する直前の熱風乾燥機内の温度を９０℃にして、炭素繊維束の水分率を１５重量％とし、張力を０．４ｇｆ／Ｔｅｘにし、サイジング剤が１．５重量％付着するようにサイジング剤の濃度を増加方向に調整したこと以外は、すべて実施例１と同様にして炭素繊維パッケージを得た。その結果、炭素繊維の糸幅が細く不安定となり、ボビンの端面形状が凸凹となり、パッケージ形状が悪く、パッケージ不良が発生した。結果を表１に示す。
【００４６】
（比較例３）
サイジング剤付与する直前の熱風乾燥機内の温度を７０℃にして、炭素繊維束の水分率を２５重量％にしたこと以外は、すべて比較例１と同様にして炭素繊維パッケージを得た。その結果、炭素繊維から水滴が滴下し、糸幅が非常に細く不安定となりかつサイジング付着ムラが激しく、１．５重量％付着するように処理することができず、ボビンの端面形状が凸凹となり、パッケージ形状が悪く、パッケージ不良が発生した。結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
【００４８】
実施例１〜４の通り、サイジング剤付与直前の炭素繊維の水分率を０．２〜１０重量％とした場合は、ボビンの端面形状が一定であって非常に美しく、品位のよい炭素繊維パッケージとなった。一方、比較例１〜３の通り、サイジング剤付与直前の炭素繊維の水分率が０．２〜１０重量％を外れた場合は、ボビンの端面形状が凸凹となり、パッケージ形状が悪く、パッケージ不良が発生した。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の炭素繊維パッケージの製造方法では、サイジング剤が付与された炭素繊維束を巻き取る際の走行糸の糸幅が安定化するため、炭素繊維束をワインダーで巻き取ったボビンの端面形状に凸凹がなく、著しく端面形状の安定した炭素繊維パッケージを製造することができ、さらには、ボビン端面形状が安定するため、糸幅が安定しプリプレグや織物等の高次加工性が向上するばかりか、炭素繊維ボビン生産時の屑発生を抑制し生産ロスを大幅に削減することが可能となり、有用である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サイジング剤が付与された炭素繊維束をボビンに巻き取るに際し、該炭素繊維束の水分率を０．２〜１０重量％とした後にサイジング剤を付与し乾燥させてからボビンに巻き取ることを特徴とする炭素繊維パッケージの製造方法。
【請求項２】
サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の張力を０．５〜６．５ｇｆ／Ｔｅｘとすることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維パッケージの製造方法。
【請求項３】
炭素繊維束へのサイジング剤の付着量が０．２〜５重量％の範囲であることを特徴とする請求項１または２記載の炭素繊維パッケージの製造方法。
【請求項１】
サイジング剤が付与された炭素繊維束をボビンに巻き取るに際し、該炭素繊維束の水分率を０．２〜１０重量％とした後にサイジング剤を付与し乾燥させてからボビンに巻き取ることを特徴とする炭素繊維パッケージの製造方法。
【請求項２】
サイジング剤を付与する直前の炭素繊維束の張力を０．５〜６．５ｇｆ／Ｔｅｘとすることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維パッケージの製造方法。
【請求項３】
炭素繊維束へのサイジング剤の付着量が０．２〜５重量％の範囲であることを特徴とする請求項１または２記載の炭素繊維パッケージの製造方法。
【公開番号】特開２００８−７９２５（Ｐ２００８−７９２５Ａ）
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４０４５０（Ｐ２００７−１４０４５０）
【出願日】平成１９年５月２８日（２００７．５．２８）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２８日（２００７．５．２８）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
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