JP2001192937A - 炭素繊維の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、高配向であり高性能な炭素繊維を安
定に製造することができる炭素繊維の製造方法を提供せ
んとするものである。 【解決手段】本発明の炭素繊維の製造方法は、３０，０
００〜５００，０００ｄｔｅｘの範囲の総繊度数を有す
るアクリルニトリル系前駆体繊維束を、酸化性雰囲気中
で２００〜２５０℃で耐炎化処理し、次いで不活性雰囲
気中で３００〜１５００℃で炭化する炭素繊維の製造方
法であって、前記耐炎化処理工程において、密度が１．
１〜１．２ｇ／ｃｍ³の範囲にある耐炎化初期領域の糸
条を、１．０５〜１．２倍に延伸することを特徴とする
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、総繊度数が３０，
０００ｄｔｅｘ以上の太繊度のアクリロニトリル系前駆
体繊維束から高性能の炭素繊維を製造する方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にアクリルニトリル系前駆体繊維束
から炭素繊維を製造するには、２００〜３００℃の酸化
性雰囲気中で熱処理を行い、耐炎化構造を形成せしめた
後、少なくとも１０００℃以上の不活性雰囲気中で炭素
化する方法が工業的に広く採用されている。高性能炭素
繊維を得るためには、耐炎化工程において張力下で熱処
理し、高配向、高架橋密度にすることが望ましい。例え
ば、特開昭４９−５４６３２号公報には、耐炎化後期領
域（該報告の場合、繊維の長さ方向の変化が最大となる
点から耐炎化完了までの区間をいう）の初期において、
実質的な延伸を加えることが、強度、弾性率向上に効果
的であると記載されている。しかしながら、耐炎化後期
は、繊維の収縮が顕著な領域であり、過度な延伸は、構
造欠陥や毛羽を助長し、プロセス性を悪化させる場合が
ある。また、特開昭６０−２４６８２１号公報には、予
めバッチ炉実験にて、各段の耐炎化処理時間に対応する
張力−伸張率曲線を作成し、該曲線の変曲点における張
力、および伸張率を順次求め、その伸張率に対し±３％
以内で耐炎化処理する方法が開示されている。しかしな
がら焼成工程における耐炎化炉とバッチ炉とでは、その
装置特性の違いにより、繊維束の物性変化の温度時間依
存性が異なるのが通常である。例えば単糸伸度の高い、
捲縮を有するアクリル系繊維束に、かかる方法を採用す
ると、温度変化に対する繊維束にかかる張力の変動が大
きいため、適正な伸張率が得られず、糸切れや毛羽多発
による操業性悪化が懸念される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる従来
技術の背景に鑑み、高配向で高性能な炭素繊維を安定に
製造することができる炭素繊維の製造方法を提供せんと
するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、次のような手段を採用するものである。
すなわち、本発明の炭素繊維の製造方法は、３０，００
０〜５００，０００ｄｔｅｘの範囲の総繊度数を有する
アクリルニトリル系前駆体繊維束を、酸化性雰囲気中で
２００〜２５０℃で耐炎化処理し、次いで不活性雰囲気
中で３００〜１５００℃で炭化する炭素繊維の製造方法
であって、前記耐炎化処理工程において、密度が１．１
〜１．２ｇ／ｃｍ³の範囲にある耐炎化初期領域の糸条
を、１．０５〜１．２倍に延伸することを特徴とするも
のである。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明は、前記課題、つまり高配
向で高性能な炭素繊維を安定に製造することができる炭
素繊維の製造方法について、鋭意検討の結果、総繊度数
の大きなアクリル系繊維束でも、該繊維束の密度を特定
化し、かつ、延伸率を特定範囲内に規定してみたとこ
ろ、かかる課題を一挙に解決することを究明したもので
ある。

【０００６】本発明の炭素繊維の前駆体繊維束である、
アクリル系繊維繊維束は、総繊度数が、３０，０００〜
５００，０００ｄｔｅｘの範囲にあるものが使用され
る。５００，０００ｄｔｅｘを越えると、繊維束中の蓄
熱量が増大し、糸切れが増すことがある。

【０００７】本発明においては、炭素繊維の性能を左右
する耐炎化工程での延伸を、耐炎化初期領域で行うのが
好ましい。耐炎化後期領域での延伸は、該領域が繊維束
の収縮領域であるため、過度の延伸は毛羽増長や糸切れ
を起こすことがある。ここで、耐炎化初期領域とは、繊
維束の密度が１．１〜１．２ｇ／ｃｍ³の範囲を指す。

【０００８】本発明においては、後述する耐炎化延伸能
の測定により、糸切れすることなく操業できる最大の延
伸倍率を見つけ出し、耐炎化延伸能を基準として特定範
囲内にある延伸率を設定するのが良い。

【０００９】耐炎化延伸能は、後述するようにアクリル
系前駆体繊維束に固有の値であり、かかる延伸率は、
１．０５〜１．２の範囲に規制するのが好ましい。

【００１０】本発明における延伸率設定方法は、連続式
あるいはバッチ式のいずれの方法でもよいが、生産条件
に順じた連続式の方がより好ましく採用される。例え
ば、一定の延伸比で耐炎化処理を行い、初期領域と後期
領域を見出す。次いで糸送り装置を耐炎化初期領域前
（以下Ａとする）、領域後（以下Ｂとする）に設置す
る。糸送り装置ＡとＢの延伸率は１．０５〜１．２倍に
設定するが、好ましくは後述する前駆体繊維束の耐炎化
延伸能の８０〜９５％であるのが望ましい。

【００１１】ここで耐炎化延伸能の測定方法を以下に示
す。耐炎化雰囲気温度を２００〜２５０℃に保ち、繊維
束の密度が１．１〜１．２ｇ／ｃｍ³である領域に相当
する、耐炎化初期領域前後に設置した糸送り装置の、回
転速度比率を一定に保ちつつ、前駆体繊維束を走行させ
る。その際、糸送り装置Ｂの回転速度を生産条件にあわ
せるのが好ましい。次に順次、糸送り装置Ａの回転速度
を低下させ、該繊維束を延伸していき、そのときのＡと
Ｂの速度比（延伸率）に対応する張力を測定していく。
このとき、延伸率の増加に伴い、張力が増加するが、あ
る限界延伸率Ｆを超えると、張力が低下し始める。本発
明では、そのときのＦを該繊維束の耐炎化延伸能と定義
する。こうして求めた前駆体繊維束の耐炎化延伸能は、
言い換えれば、糸条の部分切れ、あるいは毛羽発生等を
起こさない最大延伸条件である。

【００１２】本発明においては、繊維束の密度が１．１
〜１．２ｇ／ｃｍ³である耐炎化初期領域での延伸率を
１．０５〜１．２なる範囲に設定するが、該範囲におけ
る延伸率が、耐炎化延伸能の８０％未満であると、繊維
の配向度が低下するだけでなく、隣接糸条との干渉によ
り、毛羽立ちが発生する傾向がでてくるため、糸切れに
至る懸念がある上に、製品品位が悪く、所望の物性が得
られにくくなる。また逆に、該範囲が耐炎化延伸能の９
５％を越えると、耐炎化延伸能近傍であるため、糸条に
部分切れ、あるいは毛羽の増長が懸念される場合があ
る。

【００１３】このことから、繊維束の密度が１．１〜
１．２ｇ／ｃｍ³である耐炎化初期領域の延伸率は１．
０５〜１．２倍の範囲で、好ましくは前駆体繊維束の耐
炎化延伸能の８０〜９５％であるのがよい。

【００１４】本発明において、ＪＩＳ Ｌ−１０１５に
基づいて測定される前駆体繊維束の単糸伸度は２０〜３
０％の範囲であるのが好ましい。２０％より低いと、繊
維束の密度が１．１０〜１．２０ｇ／ｃｍ３である領域
での発現張力が高くなり、本発明の延伸率範囲では、毛
羽増長あるいは糸条の部分糸切れが懸念される。また、
３０％を越える高い伸度を有するものは、糸切れが多発
して生産性が劣る傾向がでてくる。

【００１５】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに具体的に
説明する。 実施例１ アクリロニトリル（ＡＮ）／アクリル酸メチル（ＭＥ
Ａ）／イタコン酸（ＩＡ）＝（９６．５／３．０／０．
５：モル比）共重合体を湿式紡糸法により、単糸繊度
１．５ｄｔｅｘ、単糸伸度２８％、フィラメント数２８
０，０００、総繊度４２０，０００ｄｔｅｘの前駆体繊
維束を得た。この繊維束の耐炎化延伸能を測定したとこ
ろＦ＝１．３であった。この繊維束を２２０℃−２３０
℃−２４０℃の温度プロフィルを有する熱風循環型耐炎
化炉において熱処理を施す際、繊維束の密度が１．１〜
１．２ｇ／ｃｍ³である領域、すなわち耐炎化初期領域
での延伸率を、耐炎化延伸能の８５％に相当する１．１
に設定して耐炎化処理を行い、次いで最高温度が７００
℃である温度プロフィルを有する窒素雰囲気中で熱処理
した後、さらに最高温度が１４００℃である温度プロフ
ィルを有する窒素雰囲気中で熱処理を行った。得られた
炭素繊維のストランド強度、弾性率を表１に示した。 比較例１ 実施例１において、耐炎化初期領域の延伸率を１．３
（耐炎化延伸能１００％に相当する）とし、その他の条
件は全て実施例１と同様で炭素繊維を得た。その性能を
表１に示した。 比較例２ 実施例１において、耐炎化初期領域の延伸率を１．０
（耐炎化延伸能の８０％に相当する）とし、その他の条
件は全て実施例１と同様で炭素繊維を得た。その性能を
表１に示した。

【００１６】

【表１】

【００１７】表１から明らかなように、実施例１では、
耐炎化での糸切れもなく、所望の物性が得られている
が、比較例１，２では耐炎化での糸切れ発生だけでな
く、目標とする物性が得られていないことから、耐炎化
初期領域での延伸率を特定範囲内に規定することで、高
配向で高性能な炭素繊維が安定して得られる。 実施例２ 実施例１において、耐炎化初期領域の延伸率を１．１
（耐炎化延伸能の１００％）とし、その他の条件は全て
実施例１と同様で炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の
性能は、糸切れは一回／一日、強度は３．２×１０⁹ P
a、弾性率は２．３×１０¹¹ Paであった。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、強度、弾性率がともに
大きく向上した高性能炭素繊維を安定して提供すること
ができる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３０，０００〜５００，０００ｄｔｅｘ
   の範囲の総繊度数を有するアクリルニトリル系前駆体繊
   維束を、酸化性雰囲気中で２００〜２５０℃で耐炎化処
   理し、次いで不活性雰囲気中で３００〜１５００℃で炭
   化する炭素繊維の製造方法であって、前記耐炎化処理工
   程において、密度が１．１〜１．２ｇ／ｃｍ³の範囲に
   ある耐炎化初期領域の糸条を、１．０５〜１．２倍に延
   伸することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
2. 【請求項２】 前記延伸が、前記アクリルニトリル系前
   駆体繊維束の耐炎化延伸能の８０〜９５％である請求項
   １に記載の炭素繊維の製造方法。
3. 【請求項３】 前記アクリル系前駆体繊維束の単糸伸度
   が２０〜３０％である請求項１に記載の炭素繊維の製造
   方法。