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】水濡れ炭素繊維束２を熱風循環乾燥機１にて以下の（Ａ）〜（Ｃ）の条件で乾燥させた後、サイジング剤を含有する液体を付着させ、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。（Ａ）乾燥機内の風向き：走行する炭素繊維束に対して並行（Ｂ）熱風循環乾燥機内の風速：２〜９ｍ／秒（Ｃ）熱風循環乾燥機内の炭素繊維束の張力：１〜８ｇｆ／Ｔｅｘ
【解決手段】水濡れ炭素繊維束２を熱風循環乾燥機１にて以下の（Ａ）〜（Ｃ）の条件で乾燥させた後、サイジング剤を含有する液体を付着させ、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。（Ａ）乾燥機内の風向き：走行する炭素繊維束に対して並行（Ｂ）熱風循環乾燥機内の風速：２〜９ｍ／秒（Ｃ）熱風循環乾燥機内の炭素繊維束の張力：１〜８ｇｆ／Ｔｅｘ
【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、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水に濡れた水分率２０〜８０重量％程度の水濡れ炭素繊維束を乾燥させた後にサイジング剤を含有する液体（以降、サイジング液と記すこともある）を付着させることにより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（例えば、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ったりして、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。
【０００６】
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（例えば、特許文献２および特許文献３参照）。
【０００７】
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。
【０００８】
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つまりはサイジング剤が付与された炭素繊維の糸幅そのものを安定化させる技術が重要であり、サイジング付与直前の炭素繊維束の水分率を規定する技術などが提案されてきた（例えば、特許文献４参照）。
【０００９】
しかし、確かにこのサイジング付与直前の炭素繊維束の水分率規定による糸幅安定化効果は大きいものの、水分率の調整のために工程途中の糸をカットする必要があり、作業負荷が大きかったり、製品ロスにつながるといった問題があった。さらには、雰囲気温度の変化等により水分率が微妙に変動し、調整が難しいといった課題があった。
【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】国際公開特許第０５／０７３１１８号公報
【特許文献４】特開２００８−００７９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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容易に安定化させたまま、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】
【００１１】
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。
（１）水濡れ炭素繊維束を熱風循環乾燥機にて以下の（Ａ）〜（Ｃ）の条件で乾燥させた後、サイジング剤を含有する液体を付着させ、乾燥させてからボビンに巻き取る炭素繊維パッケージの製造方法。
【００１２】
（Ａ）乾燥機内の風向き：走行する炭素繊維束に対して並行
（Ｂ）熱風循環乾燥機内の風速：２〜９ｍ／秒
（Ｃ）熱風循環乾燥機内の炭素繊維束の張力：１〜８ｇｆ／Ｔｅｘ
（２）炭素繊維束へのサイジング剤の付着量を０．２〜５重量％の範囲とする前記（１）に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前の一般的に公知の表面処理工程や水洗工程において水分率が２０〜８０重量％程度の水濡れ糸となった炭素繊維束の乾燥方法および乾燥条件に依存することを見いだし、該乾燥方法および乾燥条件を制御することにより、走行糸の糸幅を容易にかつ大幅に安定化させ、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、炭素繊維束にサイジング剤を付与する際、炭素繊維束へのサイジング剤の付着ムラ等を防ぐために、事前に水濡れ炭素繊維束を乾燥させてサイジング剤を付与する必要があるが、該炭素繊維束は低伸度で非常にさばけやすいために、例えばホットドラムやホットプレートといった接触方式による乾燥方法を採用した場合、接触部分の表面状態や汚れ等により、物理的に炭素繊維束の糸幅が変化したり、炭素繊維束に単繊維切れや毛羽立ちが発生し、炭素繊維束との接触部分に単繊維の巻き付きや脱落が発生したりすることなどにより、炭素繊維束の糸幅が変動してしまうという問題が発生する。
【００１６】
また、熱風循環乾燥機等の非接触方式を採用した場合においても、炭素繊維束内の単繊維同士は非常にさばけやすいため、熱風の風速や風向および走行糸の張力により、単繊維切れや毛羽立ちが発生し、単繊維同士が絡んだり、走行糸が振動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という問題が発生する。
【００１７】
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。
【００１８】
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％以下であり、さらに好ましくは１０％以下である。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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、図等を使用しさらに詳しく説明する。
【００２１】
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、図１の製造工程概略図に示すように、サイジング剤を付与する前にあらかじめ一般的に公知の表面処理工程や水洗工程において水分率２０〜８０重量％程度となった水濡れ炭素繊維束を熱風循環乾燥機にて乾燥させた後に、公知のサイジング剤付与工程および乾燥工程を経て巻き上げ工程において炭素繊維パッケージとするものである。特に、熱風循環乾燥機にて乾燥機内の風向きを走行する炭素繊維束に対して並行にし、かつ熱風循環乾燥機内の風速を２〜９ｍ／秒とし、かつ熱風循環乾燥機内の炭素繊維束の張力を１〜８ｇｆ／Ｔｅｘとして熱風により乾燥させた後にサイジング剤を含有する液体を付着させることにより、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特徴を有する。非接触式の熱風循環乾燥方法を用いることにより、接触による物理的な走行糸の糸幅変動を防ぐことが可能となる。
【００２２】
図２は本発明における非接触式の熱風循環乾燥機の一例を示した模式図である。以下、図２等を用い具体的に説明する。水濡れ炭素繊維束２は、熱風循環乾燥機１に非接触で入口３より導入、出口４より導出され、その間に循環ファン６により循環されるヒーター８により熱せられた熱風により乾燥される。ここで、乾燥機内の風向きは、走行する炭素繊維束に対し並行にするものであるが、走行する炭素繊維束に対し好ましくは±３０°以内であり、より好ましくは±２０°以内であり、さらに好ましくは±１０°以内である。±３０°よりも大きい場合は、熱風により走行糸の単繊維切れ、毛羽立ちが発生したり、走行糸が振動したりすることによる単糸同士の絡み等により、炭素繊維束の糸幅の変動が生じやすくなる。また、乾燥機内の風向きが走行する炭素繊維に対し垂直の場合は、走行糸に対し均等に熱風を吹き付けるためには設備を大きくする必要があり設備費もかかる。
【００２３】
また、乾燥機内の風速は、より好ましくは３〜８ｍ／秒であり、さらに好ましくは４〜７ｍ／秒である。乾燥機内の風速が２ｍ／秒よりも小さい場合は、走行糸の乾燥状態が均一とならず、サイジング剤付与時のサイジング付着ムラが発生したりするなどし、炭素繊維束の糸幅の変動が生じやすくなる。逆に９ｍ／秒よりも大きい場合は、走行糸の単繊維切れ、毛羽立ちが発生したり、走行糸が振動したりすることによる単糸同士の絡み等により、炭素繊維束の糸幅の変動が生じやすくなる。なお、乾燥機内の風速は、走行糸の走行位置と同じ高さで機長方向中央部の図２の風速測定位置９において、走行糸がない状態で乾燥機の機幅方向に均等に１０点測定した平均値であり、乾燥機内の風速は、循環ダクト５に設けられた風速調整ダンパー７等により調整できる。なお、上記風速は、常温時における測定値である。
【００２４】
さらに、乾燥機内の走行糸の張力は、より好ましくは２〜７ｇｆ／Ｔｅｘであり、さらに好ましくは３〜６ｇｆ／Ｔｅｘである。乾燥機内の走行糸の張力が１ｇｆ／Ｔｅｘよりも小さい場合は、走行糸の収束性が低下し、単糸同士の乱れや糸割れが発生したり、走行糸が振動したりすることによる単糸同士の絡み等により、炭素繊維束の糸幅の変動が生じやすくなる。逆に、８ｇｆ／Ｔｅｘよりも大きい場合は、高張力による糸切れ・毛羽立ちが発生し、単糸同士が絡んだり、炭素繊維束内部まで十分に乾燥ができずサイジング剤付与時のサイジング付着ムラが発生したりするなどし、炭素繊維束の糸幅の変動が生じやすくなる。
【００２５】
乾燥機内の走行糸の張力は、乾燥機の入口もしくは出口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、乾燥機の前後のローラーの速度等により、適時、調整することができる。この際、乾燥機の入口もしくは出口で張力が異なる場合は乾燥機の入口の張力を把握することにより調整を実施することが好ましい。なお、炭素繊維束の単繊維径や単繊維数および走行速度や乾燥機直前の糸の水分率状態などにより乾燥度合いが異なるため、炭素繊維束の水分を除去可能なように、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。ここで炭素繊維束の水分除去とは、炭素繊維束の水分率を０．２重量％以下にすることである。目的とする炭素繊維束の水分除去を安定して行うために、乾燥機直前の炭素繊維束の水分率変動を糸道や環境温度等を安定化させることにより常時±１０％以内に保つことが好ましく、±５％以内に保つことがより好ましく、±２％以内に保つことがさらに好ましい。水分率変動が大きい場合は、最大水分率の状態で目的とする炭素繊維の水分を除去可能なように乾燥温度や乾燥機滞留時間等の条件を調整すればよいが、乾燥のために必要以上の電力等を使用することとなる。
【００２６】
ここで、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、水分が十分に蒸発せず乾燥不足となる場合があり、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十分に乾燥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。
【００２７】
また、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することにより確認することができる。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。
【００２８】
水分率（重量％）＝｛(Ｗ２−Ｗ３)／（Ｗ３−Ｗ１）｝×１００。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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】
【００４１】
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、炭素繊維パッケージ形状、炭素繊維束の平均糸幅、パッケージの端面凸凹差、サイジング剤付着量および炭素繊維の水分率は、次のようにして判定および測定をした。
【００４２】
＜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。
【００４３】
＜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。
【００４４】
＜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。
【００４５】
＜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剤付着量を求めた。なお測定はＮ＝５で実施し、その平均値を採用した。
【００４６】
サイジング剤付着量（％）＝[ Ｗ１(ｇ)− Ｗ２(ｇ) ]/[ Ｗ１(ｇ) ]×１００
＜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。
【００４７】
水分率（重量％）＝｛(Ｗ２−Ｗ３)／（Ｗ３−Ｗ１）｝×１００。
【００４８】
＜乾燥機内の風速＞
常温で走行糸がない状態において、走行糸の走行位置と同じ高さで乾燥機の機長方向中央部において、乾燥機の機幅方向に均等に１０点測定した平均値を採用した。
【００４９】
（実施例１）
ポリアクリロニトリル系繊維を前駆体とする水洗工程後の水分率５０重量％±２重量％の炭素繊維束（単繊維径７μｍ、単繊維数１２０００本）を入口と出口を有する熱風循環乾燥機において、乾燥機内の風向きを出口から入口方向において走行する炭素繊維束に対して並行（走行する炭素繊維束に対し±３０°以内）にし、かつ乾燥機内の風速を６ｍ／秒とし、かつ乾燥機内（乾燥機の入口で測定）の炭素繊維束の張力を５ｇｆ／Ｔｅｘとし、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含有する液体をディップローラー方式により付着させることにより、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。
【００５０】
［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）
乾燥機内の風速を３ｍ／秒としたこと以外は、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。
【００５１】
（実施例３）
乾燥機内の風速を９ｍ／秒としたこと以外は、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。
【００５２】
（実施例４）
乾燥機内の炭素繊維束の張力を１ｇｆ／Ｔｅｘとしたこと以外は、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。
【００５３】
（実施例５）
乾燥機内の炭素繊維束の張力を７ｇｆ／Ｔｅｘとしたこと以外は、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。
【００５４】
（実施例６）
乾燥機内の風速を２ｍ／秒とし、乾燥機内の炭素繊維束の張力を８ｇｆ／Ｔｅｘとしたこと以外は、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。
【００５５】
（比較例１）
乾燥機内の風向きを走行する炭素繊維束に対して垂直にしたこと以外は、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。
【００５６】
（比較例２）
乾燥機内の風速を１ｍ／秒としたこと以外は、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、走行糸の乾燥状態が均一とならず、サイジング付着ムラが発生し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。
【００５７】
（比較例３）
乾燥機内の風速を１０ｍ／秒としたこと以外は、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、走行糸の単繊維切れが発生し、走行糸の振動が大きく、単糸同士の絡みが発生し、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。
【００５８】
（比較例４）
乾燥機内の炭素繊維束の張力を０．５ｇｆ／Ｔｅｘとしたこと以外は、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、走行糸の糸割れが発生し、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。
【００５９】
（比較例５）
乾燥機内の炭素繊維束の張力を９ｇｆ／Ｔｅｘとしたこと以外は、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、走行糸の単繊維切れおよび毛羽が多発し、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。
【００６０】
【表１】
【００６１】
実施例１〜６の通り、サイジング剤を付与する前に水濡れ炭素繊維束を熱風循環乾燥機にて乾燥機内の風向きを走行する炭素繊維束に対して並行にし、かつ熱風循環乾燥機内の風速を２〜９ｍ／秒とし、かつ熱風循環乾燥機内の炭素繊維束の張力を１〜８ｇｆ／Ｔｅｘとして熱風により乾燥させた場合は、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１〜５の通り、上記、風向および風速、張力範囲を外れた場合は、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】
【００６２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の製造工程の概略図を示したものである。
【図２】本発明における非接触式の熱風循環乾燥機の一例を示した模式図である。
【符号の説明】
【００６４】
１：熱風循環乾燥機
２：水濡れ炭素繊維束
３：熱風循環乾燥機入口
４：熱風循環乾燥機出口
５：循環ダクト
６：循環ファン
７：風速調整ダンパー
８：ヒーター
９：風速測定位置
【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、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水に濡れた水分率２０〜８０重量％程度の水濡れ炭素繊維束を乾燥させた後にサイジング剤を含有する液体（以降、サイジング液と記すこともある）を付着させることにより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（例えば、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ったりして、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。
【０００６】
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（例えば、特許文献２および特許文献３参照）。
【０００７】
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。
【０００８】
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つまりはサイジング剤が付与された炭素繊維の糸幅そのものを安定化させる技術が重要であり、サイジング付与直前の炭素繊維束の水分率を規定する技術などが提案されてきた（例えば、特許文献４参照）。
【０００９】
しかし、確かにこのサイジング付与直前の炭素繊維束の水分率規定による糸幅安定化効果は大きいものの、水分率の調整のために工程途中の糸をカットする必要があり、作業負荷が大きかったり、製品ロスにつながるといった問題があった。さらには、雰囲気温度の変化等により水分率が微妙に変動し、調整が難しいといった課題があった。
【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】国際公開特許第０５／０７３１１８号公報
【特許文献４】特開２００８−００７９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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容易に安定化させたまま、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】
【００１１】
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。
（１）水濡れ炭素繊維束を熱風循環乾燥機にて以下の（Ａ）〜（Ｃ）の条件で乾燥させた後、サイジング剤を含有する液体を付着させ、乾燥させてからボビンに巻き取る炭素繊維パッケージの製造方法。
【００１２】
（Ａ）乾燥機内の風向き：走行する炭素繊維束に対して並行
（Ｂ）熱風循環乾燥機内の風速：２〜９ｍ／秒
（Ｃ）熱風循環乾燥機内の炭素繊維束の張力：１〜８ｇｆ／Ｔｅｘ
（２）炭素繊維束へのサイジング剤の付着量を０．２〜５重量％の範囲とする前記（１）に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前の一般的に公知の表面処理工程や水洗工程において水分率が２０〜８０重量％程度の水濡れ糸となった炭素繊維束の乾燥方法および乾燥条件に依存することを見いだし、該乾燥方法および乾燥条件を制御することにより、走行糸の糸幅を容易にかつ大幅に安定化させ、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、炭素繊維束にサイジング剤を付与する際、炭素繊維束へのサイジング剤の付着ムラ等を防ぐために、事前に水濡れ炭素繊維束を乾燥させてサイジング剤を付与する必要があるが、該炭素繊維束は低伸度で非常にさばけやすいために、例えばホットドラムやホットプレートといった接触方式による乾燥方法を採用した場合、接触部分の表面状態や汚れ等により、物理的に炭素繊維束の糸幅が変化したり、炭素繊維束に単繊維切れや毛羽立ちが発生し、炭素繊維束との接触部分に単繊維の巻き付きや脱落が発生したりすることなどにより、炭素繊維束の糸幅が変動してしまうという問題が発生する。
【００１６】
また、熱風循環乾燥機等の非接触方式を採用した場合においても、炭素繊維束内の単繊維同士は非常にさばけやすいため、熱風の風速や風向および走行糸の張力により、単繊維切れや毛羽立ちが発生し、単繊維同士が絡んだり、走行糸が振動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という問題が発生する。
【００１７】
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。
【００１８】
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％以下であり、さらに好ましくは１０％以下である。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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、図等を使用しさらに詳しく説明する。
【００２１】
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、図１の製造工程概略図に示すように、サイジング剤を付与する前にあらかじめ一般的に公知の表面処理工程や水洗工程において水分率２０〜８０重量％程度となった水濡れ炭素繊維束を熱風循環乾燥機にて乾燥させた後に、公知のサイジング剤付与工程および乾燥工程を経て巻き上げ工程において炭素繊維パッケージとするものである。特に、熱風循環乾燥機にて乾燥機内の風向きを走行する炭素繊維束に対して並行にし、かつ熱風循環乾燥機内の風速を２〜９ｍ／秒とし、かつ熱風循環乾燥機内の炭素繊維束の張力を１〜８ｇｆ／Ｔｅｘとして熱風により乾燥させた後にサイジング剤を含有する液体を付着させることにより、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特徴を有する。非接触式の熱風循環乾燥方法を用いることにより、接触による物理的な走行糸の糸幅変動を防ぐことが可能となる。
【００２２】
図２は本発明における非接触式の熱風循環乾燥機の一例を示した模式図である。以下、図２等を用い具体的に説明する。水濡れ炭素繊維束２は、熱風循環乾燥機１に非接触で入口３より導入、出口４より導出され、その間に循環ファン６により循環されるヒーター８により熱せられた熱風により乾燥される。ここで、乾燥機内の風向きは、走行する炭素繊維束に対し並行にするものであるが、走行する炭素繊維束に対し好ましくは±３０°以内であり、より好ましくは±２０°以内であり、さらに好ましくは±１０°以内である。±３０°よりも大きい場合は、熱風により走行糸の単繊維切れ、毛羽立ちが発生したり、走行糸が振動したりすることによる単糸同士の絡み等により、炭素繊維束の糸幅の変動が生じやすくなる。また、乾燥機内の風向きが走行する炭素繊維に対し垂直の場合は、走行糸に対し均等に熱風を吹き付けるためには設備を大きくする必要があり設備費もかかる。
【００２３】
また、乾燥機内の風速は、より好ましくは３〜８ｍ／秒であり、さらに好ましくは４〜７ｍ／秒である。乾燥機内の風速が２ｍ／秒よりも小さい場合は、走行糸の乾燥状態が均一とならず、サイジング剤付与時のサイジング付着ムラが発生したりするなどし、炭素繊維束の糸幅の変動が生じやすくなる。逆に９ｍ／秒よりも大きい場合は、走行糸の単繊維切れ、毛羽立ちが発生したり、走行糸が振動したりすることによる単糸同士の絡み等により、炭素繊維束の糸幅の変動が生じやすくなる。なお、乾燥機内の風速は、走行糸の走行位置と同じ高さで機長方向中央部の図２の風速測定位置９において、走行糸がない状態で乾燥機の機幅方向に均等に１０点測定した平均値であり、乾燥機内の風速は、循環ダクト５に設けられた風速調整ダンパー７等により調整できる。なお、上記風速は、常温時における測定値である。
【００２４】
さらに、乾燥機内の走行糸の張力は、より好ましくは２〜７ｇｆ／Ｔｅｘであり、さらに好ましくは３〜６ｇｆ／Ｔｅｘである。乾燥機内の走行糸の張力が１ｇｆ／Ｔｅｘよりも小さい場合は、走行糸の収束性が低下し、単糸同士の乱れや糸割れが発生したり、走行糸が振動したりすることによる単糸同士の絡み等により、炭素繊維束の糸幅の変動が生じやすくなる。逆に、８ｇｆ／Ｔｅｘよりも大きい場合は、高張力による糸切れ・毛羽立ちが発生し、単糸同士が絡んだり、炭素繊維束内部まで十分に乾燥ができずサイジング剤付与時のサイジング付着ムラが発生したりするなどし、炭素繊維束の糸幅の変動が生じやすくなる。
【００２５】
乾燥機内の走行糸の張力は、乾燥機の入口もしくは出口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、乾燥機の前後のローラーの速度等により、適時、調整することができる。この際、乾燥機の入口もしくは出口で張力が異なる場合は乾燥機の入口の張力を把握することにより調整を実施することが好ましい。なお、炭素繊維束の単繊維径や単繊維数および走行速度や乾燥機直前の糸の水分率状態などにより乾燥度合いが異なるため、炭素繊維束の水分を除去可能なように、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。ここで炭素繊維束の水分除去とは、炭素繊維束の水分率を０．２重量％以下にすることである。目的とする炭素繊維束の水分除去を安定して行うために、乾燥機直前の炭素繊維束の水分率変動を糸道や環境温度等を安定化させることにより常時±１０％以内に保つことが好ましく、±５％以内に保つことがより好ましく、±２％以内に保つことがさらに好ましい。水分率変動が大きい場合は、最大水分率の状態で目的とする炭素繊維の水分を除去可能なように乾燥温度や乾燥機滞留時間等の条件を調整すればよいが、乾燥のために必要以上の電力等を使用することとなる。
【００２６】
ここで、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、水分が十分に蒸発せず乾燥不足となる場合があり、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十分に乾燥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。
【００２７】
また、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することにより確認することができる。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。
【００２８】
水分率（重量％）＝｛(Ｗ２−Ｗ３)／（Ｗ３−Ｗ１）｝×１００。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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】
【００４１】
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、炭素繊維パッケージ形状、炭素繊維束の平均糸幅、パッケージの端面凸凹差、サイジング剤付着量および炭素繊維の水分率は、次のようにして判定および測定をした。
【００４２】
＜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。
【００４３】
＜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。
【００４４】
＜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。
【００４５】
＜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剤付着量を求めた。なお測定はＮ＝５で実施し、その平均値を採用した。
【００４６】
サイジング剤付着量（％）＝[ Ｗ１(ｇ)− Ｗ２(ｇ) ]/[ Ｗ１(ｇ) ]×１００
＜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。
【００４７】
水分率（重量％）＝｛(Ｗ２−Ｗ３)／（Ｗ３−Ｗ１）｝×１００。
【００４８】
＜乾燥機内の風速＞
常温で走行糸がない状態において、走行糸の走行位置と同じ高さで乾燥機の機長方向中央部において、乾燥機の機幅方向に均等に１０点測定した平均値を採用した。
【００４９】
（実施例１）
ポリアクリロニトリル系繊維を前駆体とする水洗工程後の水分率５０重量％±２重量％の炭素繊維束（単繊維径７μｍ、単繊維数１２０００本）を入口と出口を有する熱風循環乾燥機において、乾燥機内の風向きを出口から入口方向において走行する炭素繊維束に対して並行（走行する炭素繊維束に対し±３０°以内）にし、かつ乾燥機内の風速を６ｍ／秒とし、かつ乾燥機内（乾燥機の入口で測定）の炭素繊維束の張力を５ｇｆ／Ｔｅｘとし、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含有する液体をディップローラー方式により付着させることにより、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。
【００５０】
［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）
乾燥機内の風速を３ｍ／秒としたこと以外は、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。
【００５１】
（実施例３）
乾燥機内の風速を９ｍ／秒としたこと以外は、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。
【００５２】
（実施例４）
乾燥機内の炭素繊維束の張力を１ｇｆ／Ｔｅｘとしたこと以外は、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。
【００５３】
（実施例５）
乾燥機内の炭素繊維束の張力を７ｇｆ／Ｔｅｘとしたこと以外は、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。
【００５４】
（実施例６）
乾燥機内の風速を２ｍ／秒とし、乾燥機内の炭素繊維束の張力を８ｇｆ／Ｔｅｘとしたこと以外は、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。
【００５５】
（比較例１）
乾燥機内の風向きを走行する炭素繊維束に対して垂直にしたこと以外は、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。
【００５６】
（比較例２）
乾燥機内の風速を１ｍ／秒としたこと以外は、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、走行糸の乾燥状態が均一とならず、サイジング付着ムラが発生し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。
【００５７】
（比較例３）
乾燥機内の風速を１０ｍ／秒としたこと以外は、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、走行糸の単繊維切れが発生し、走行糸の振動が大きく、単糸同士の絡みが発生し、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。
【００５８】
（比較例４）
乾燥機内の炭素繊維束の張力を０．５ｇｆ／Ｔｅｘとしたこと以外は、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、走行糸の糸割れが発生し、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。
【００５９】
（比較例５）
乾燥機内の炭素繊維束の張力を９ｇｆ／Ｔｅｘとしたこと以外は、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、走行糸の単繊維切れおよび毛羽が多発し、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。
【００６０】
【表１】
【００６１】
実施例１〜６の通り、サイジング剤を付与する前に水濡れ炭素繊維束を熱風循環乾燥機にて乾燥機内の風向きを走行する炭素繊維束に対して並行にし、かつ熱風循環乾燥機内の風速を２〜９ｍ／秒とし、かつ熱風循環乾燥機内の炭素繊維束の張力を１〜８ｇｆ／Ｔｅｘとして熱風により乾燥させた場合は、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１〜５の通り、上記、風向および風速、張力範囲を外れた場合は、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】
【００６２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の製造工程の概略図を示したものである。
【図２】本発明における非接触式の熱風循環乾燥機の一例を示した模式図である。
【符号の説明】
【００６４】
１：熱風循環乾燥機
２：水濡れ炭素繊維束
３：熱風循環乾燥機入口
４：熱風循環乾燥機出口
５：循環ダクト
６：循環ファン
７：風速調整ダンパー
８：ヒーター
９：風速測定位置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水濡れ炭素繊維束を熱風循環乾燥機にて以下の（Ａ）〜（Ｃ）の条件で乾燥させた後、サイジング剤を含有する液体を付着させ、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。
（Ａ）乾燥機内の風向き：走行する炭素繊維束に対して並行
（Ｂ）熱風循環乾燥機内の風速：２〜９ｍ／秒
（Ｃ）熱風循環乾燥機内の炭素繊維束の張力：１〜８ｇｆ／Ｔｅｘ
【請求項２】
炭素繊維束へのサイジング剤の付着量を０．２〜５重量％の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維パッケージの製造方法。
【請求項１】
水濡れ炭素繊維束を熱風循環乾燥機にて以下の（Ａ）〜（Ｃ）の条件で乾燥させた後、サイジング剤を含有する液体を付着させ、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。
（Ａ）乾燥機内の風向き：走行する炭素繊維束に対して並行
（Ｂ）熱風循環乾燥機内の風速：２〜９ｍ／秒
（Ｃ）熱風循環乾燥機内の炭素繊維束の張力：１〜８ｇｆ／Ｔｅｘ
【請求項２】
炭素繊維束へのサイジング剤の付着量を０．２〜５重量％の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維パッケージの製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−１１６６４９（Ｐ２０１０−１１６６４９Ａ）
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９１６８８（Ｐ２００８−２９１６８８）
【出願日】平成２０年１１月１４日（２００８．１１．１４）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１４日（２００８．１１．１４）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
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