JP2002145957A - Acrylonitrile polymer and carbon material produced by using the same - Google Patents

Acrylonitrile polymer and carbon material produced by using the same

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JP2002145957A
JP2002145957A JP2000350007A JP2000350007A JP2002145957A JP 2002145957 A JP2002145957 A JP 2002145957A JP 2000350007 A JP2000350007 A JP 2000350007A JP 2000350007 A JP2000350007 A JP 2000350007A JP 2002145957 A JP2002145957 A JP 2002145957A
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acrylonitrile
based polymer
carbon
carbon fiber
absorbance
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Hideto Kakita
秀人 柿田
Mitsuo Hamada
光夫 浜田
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Mitsubishi Rayon Co Ltd
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Mitsubishi Rayon Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an acrylonitrile polymer having stabilized thermal oxidation reactivity and suitable as a raw material for a carbonaceous material such as carbon fiber. SOLUTION: The acrylonitrile polymer satisfies the formula: x=0.03 to 0.6 and formula (1) wherein (x) is defined by Da/(Da+Db) (Da is the infrared absorbance caused by the C-O double bond of carboxy group and measured by KBr tablet method and Db is the infrared absorbance caused by C-N triple bond of cyano group) and (y) is the reciprocal of tp (min) (1/tp) defined by the time to develop the exothermic peak on the isothermal heat-generation curve measured in an air stream of 100 mL/min at 230 deg.C by a heat-flux differential scanning calorimeter.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は熱酸化反応性が総じ
て大きく、優れていて、さらに組成を調整することによ
って目的に応じてより細かい熱酸化反応性の制御が可能
な、炭素材料の原料に適したアクリロニトリル系重合体
と、それを用いた炭素材料に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a raw material for a carbon material, which has a large thermal oxidation reactivity as a whole and is excellent, and in which the thermal oxidation reactivity can be finely controlled according to the purpose by adjusting the composition. The present invention relates to a suitable acrylonitrile-based polymer and a carbon material using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】アクリロニトリル系重合体は、従来、主
にアクリル繊維用原料として生産されてきたが、アクリ
ロニトリル系重合体から製造された炭素繊維、いわゆる
PAN系炭素繊維は特に強度特性が優れることから、炭
素繊維原料としての使用が増加している。最近では、全
炭素繊維の90%以上がPAN系炭素繊維である。ま
た、その他に、アクリロニトリル系重合体を原料とした
二次電池用炭素電極材料、炭素フィルム等の開発も進ん
でいて、アクリロニトリル系重合体を利用した技術の今
後の伸びが期待されている。アクリロニトリル系重合体
から炭素繊維を製造する場合には、アクリロニトリル系
重合体を紡糸して得られたアクリル繊維、すなわち炭素
繊維用前駆体を酸化雰囲気中、200〜400℃で耐炎
化処理し耐炎化繊維とする。ついで、この耐炎化繊維を
不活性ガス雰囲気中、800〜2000℃で炭化処理し
て炭素繊維を製造する。また、こうして得られた炭素繊
維をさらに高温の不活性ガス中で処理し、黒鉛繊維とす
る場合もある。
2. Description of the Related Art Acrylonitrile-based polymers have hitherto been mainly produced as raw materials for acrylic fibers, but carbon fibers produced from acrylonitrile-based polymers, so-called PAN-based carbon fibers, have particularly excellent strength properties. And its use as a carbon fiber raw material is increasing. Recently, more than 90% of all carbon fibers are PAN-based carbon fibers. In addition, the development of carbon electrode materials and carbon films for secondary batteries using acrylonitrile-based polymers as raw materials is also progressing, and future growth of technologies using acrylonitrile-based polymers is expected. When carbon fibers are produced from an acrylonitrile-based polymer, an acrylic fiber obtained by spinning the acrylonitrile-based polymer, that is, a precursor for carbon fiber, is subjected to a flame-resistant treatment at 200 to 400 ° C. in an oxidizing atmosphere. Fiber. Next, the oxidized fiber is carbonized at 800 to 2000 ° C. in an inert gas atmosphere to produce a carbon fiber. Further, the carbon fiber thus obtained may be further treated in a high-temperature inert gas to obtain a graphite fiber.

【0003】このような製造工程中、炭素繊維用前駆体
を熱酸化する耐炎化工程はアクリロニトリル系重合体の
酸化および環化に起因する発熱を伴うため暴走しやす
い。この工程において反応が暴走してしまうと最終的に
得られる炭素繊維の物性が悪化する。また、耐炎化処理
時間を短縮すると、表層は耐炎化が進行するものの内部
は生焼けの状態となり、やはり最終的に得られる炭素繊
維の物性を低下させてしまう。このため、耐炎化工程に
は時間をかけて、これらの反応を十分に制御しながら安
定に行う必要があった。このように耐炎化工程は炭素繊
維の物性を左右することから重要な工程であるが、長時
間を要するために効率的ではなかった。そのため、イタ
コン酸やアクリル酸等のアクリロニトリルモノマー以外
の酸コモノマーを含むアクリロニトリル系重合体を前駆
体として使用し、熱酸化反応性を高め、耐炎化工程を短
縮化している。
[0003] In such a manufacturing process, the oxidization and cyclization of the acrylonitrile-based polymer is accompanied by heat generation in the oxidization and cyclization of the acrylonitrile-based polymer in the oxidizing and oxidizing process. If the reaction runs away in this step, the physical properties of the finally obtained carbon fiber deteriorate. In addition, when the time for the oxidization treatment is shortened, although the oxidization of the surface layer proceeds, the inside of the surface layer is burnt, and the physical properties of the finally obtained carbon fiber also decrease. For this reason, it is necessary to take a long time in the flame-proofing step and to stably perform these reactions while sufficiently controlling these reactions. As described above, the oxidization step is an important step because it affects the physical properties of the carbon fiber, but it is not efficient because it requires a long time. Therefore, an acrylonitrile-based polymer containing an acid comonomer other than an acrylonitrile monomer such as itaconic acid or acrylic acid is used as a precursor to increase the thermal oxidation reactivity and shorten the flame resistance process.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに酸コモノマーを含むアクリロニトリル系重合体を前
駆体として使用すると、耐炎化工程に要する時間を短縮
できるものの、アクリロニトリル系重合体中の酸コモノ
マーの種類や酸コモノマーの使用量が若干異なるだけで
熱酸化反応性が大きく変化する場合があった。そのた
め、重合反応で得られたアクリロニトリル系重合体の組
成が反応バッチによって若干異なるだけでも、熱酸化反
応性が大きく変動し、耐炎化工程を安定に行えない場合
があった。また、酸コモノマーの割合を多くすると、最
終的に得られる炭素繊維等の強度が不十分となる場合も
あった。
However, when an acrylonitrile-based polymer containing an acid comonomer is used as a precursor as described above, the time required for the flame-proofing step can be reduced, but the type of acid comonomer in the acrylonitrile-based polymer can be reduced. In some cases, only slight differences in the amount of the acid comonomer used or the amount of the acid comonomer significantly change the thermal oxidation reactivity. For this reason, even if the composition of the acrylonitrile-based polymer obtained by the polymerization reaction slightly differs depending on the reaction batch, the thermal oxidation reactivity may fluctuate greatly, and the stabilization step may not be performed stably. When the proportion of the acid comonomer is increased, the strength of the finally obtained carbon fiber or the like may be insufficient.

【0005】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、熱酸化反応性が大きく、優れていて、さらに組成を
調整することによって熱酸化反応性をより細かく安定に
制御でき、非常に高性能な炭素繊維の製造や、きわめて
低コストな炭素繊維の製造等、目的に応じた炭素材料を
製造できるアクリロニトリル系重合体を提供することを
課題とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has a high thermal oxidation reactivity and is excellent. Further, the thermal oxidation reactivity can be controlled more finely and stably by adjusting the composition. It is an object of the present invention to provide an acrylonitrile-based polymer capable of producing a carbon material suitable for a purpose, such as production of a carbon fiber or production of an extremely low-cost carbon fiber.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明のアクリロニトリ
ル系重合体は、KBr錠剤法で測定された赤外吸収スペ
クトルにおいて、カルボキシル基の炭素−酸素二重結合
に起因する吸収の吸光度をDaとし、シアノ基の炭素−
窒素三重結合に起因する吸収の吸光度をDbとして算出
された吸光度比Da/(Da+Db)が0.03〜0.
6であり、さらに、熱流束型示差走査熱量計で100m
l/分の空気気流中、230℃で測定された等温発熱曲
線における発熱ピーク出現時間tp(分)の逆数1/t
pと、前記吸光度比Da/(Da+Db)とが、下記式
(1)の関係を満たすことを特徴とする。
The acrylonitrile polymer of the present invention is characterized in that, in the infrared absorption spectrum measured by the KBr tablet method, the absorbance of the absorption due to the carbon-oxygen double bond of the carboxyl group is defined as Da, Carbon of cyano group
The absorbance ratio Da / (Da + Db) calculated from the absorbance of the absorption caused by the nitrogen triple bond as Db is 0.03 to 0.
6, and 100 m with a heat flux type differential scanning calorimeter.
The reciprocal 1 / t of the heat generation peak appearance time tp (min) in the isothermal heat generation curve measured at 230 ° C. in an air flow of 1 / min.
p and the absorbance ratio Da / (Da + Db) satisfy the relationship of the following equation (1).

【数2】 (式中、x=Da/(Da+Db)、y=1/tpであ
る。) 上記アクリロニトリル系重合体は、単量体単位としてア
クリロニトリルと、さらにイタコン酸とを含み、すべて
の単量体単位のなかでアクリロニトリルの割合が最も大
きく、次いでイタコン酸の割合が大きいことが好まし
い。また、アクリロニトリルが96〜99.95モル%
で、イタコン酸が0.05〜4モル%であることが好ま
しい。また、上記アクリロニトリル系重合体は、水と有
機溶媒の混合系中、有機アゾ系開始剤を使用した重合法
で重合されたものであることが好ましい。本発明の炭素
繊維用前駆体は上記アクリロニトリル系重合体からなる
ことを特徴とする。また、本発明の炭素繊維は、上記炭
素繊維用前駆体から製造されたことを特徴とする。さら
に本発明の炭素材料は、上記アクリロニトリル系重合体
から製造されたことを特徴とする。
(Equation 2) (Where x = Da / (Da + Db), y = 1 / tp). The acrylonitrile-based polymer contains acrylonitrile as a monomer unit and further itaconic acid, and all of the monomer units Among them, it is preferable that the ratio of acrylonitrile is the highest, and then that of itaconic acid is highest. Also, acrylonitrile is 96 to 99.95 mol%.
Preferably, the amount of itaconic acid is 0.05 to 4 mol%. Further, the acrylonitrile-based polymer is preferably polymerized by a polymerization method using an organic azo-based initiator in a mixed system of water and an organic solvent. The carbon fiber precursor of the present invention is characterized by comprising the acrylonitrile-based polymer. Further, the carbon fiber of the present invention is characterized by being manufactured from the above-mentioned precursor for carbon fiber. Furthermore, the carbon material of the present invention is characterized by being manufactured from the acrylonitrile-based polymer.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のアクリロニトリル系重合体は、KBr錠剤法で
測定された赤外吸収スペクトルにおいて、カルボキシル
基の炭素−酸素二重結合に起因する1735cm-1付近
の吸収の吸光度Daと、シアノ基の炭素−窒素三重結合
に起因する2240cm-1付近の吸収の吸光度Dbから
算出された吸光度比Da/(Da+Db)が0.03〜
0.6である。KBr錠剤法とは、固体の測定試料を臭
化カリウムとともに乳鉢等ですりつぶした後、圧縮成形
機等で錠剤状に成形し、これを測定する方法である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The acrylonitrile-based polymer of the present invention has, in an infrared absorption spectrum measured by a KBr tablet method, an absorbance Da of an absorption around 1735 cm -1 due to a carbon-oxygen double bond of a carboxyl group and a carbon- The absorbance ratio Da / (Da + Db) calculated from the absorbance Db of the absorption around 2240 cm −1 due to the nitrogen triple bond is 0.03 to
0.6. The KBr tablet method is a method in which a solid measurement sample is ground together with potassium bromide in a mortar or the like, and then molded into a tablet using a compression molding machine or the like and measured.

【0008】吸光度比Da/(Da+Db)が0.03
未満では、アクリロニトリル系重合体の熱酸化反応性が
低すぎて、例えばこの重合体から炭素繊維を製造する場
合、この重合体からなる繊維状の前駆体の耐炎化処理に
要する時間が長くなり、炭素繊維の生産性が低下する場
合がある。一方、0.6を超えると、このアクリロニト
リル系重合体の熱酸化反応性が高すぎて、前駆体の耐炎
化処理中に酸化反応および環化反応が暴走してしまう場
合があり、また、最終的に得られる炭素繊維の物性が低
下する場合がある。
The absorbance ratio Da / (Da + Db) is 0.03
If less than, the thermal oxidation reactivity of the acrylonitrile-based polymer is too low, for example, when producing carbon fibers from this polymer, the time required for the flame-resistant treatment of a fibrous precursor made of this polymer becomes longer, The productivity of carbon fiber may decrease. On the other hand, if it exceeds 0.6, the thermal oxidation reactivity of the acrylonitrile-based polymer may be too high, and the oxidation reaction and the cyclization reaction may run away during the oxidation treatment of the precursor. In some cases, the physical properties of the carbon fiber obtained in a desired manner may be reduced.

【0009】また、本発明のアクリロニトリル系共重合
体は、熱流束型示差走査熱量計を使用して100ml/
分の空気気流中、230℃で保持した場合に測定される
等温発熱曲線において、tp(分)に発熱ピークを有す
る。すなわち、発熱ピーク出現時間がtp(分)であ
る。熱流束型示差走査熱量計で、測定試料と標準試料を
一定温度で保持した場合に両者に温度差が生じると、こ
れを打ち消すために測定試料または標準試料のどちらか
の周囲の熱流が増加したり、抑制されたりする。ここで
等温発熱曲線とは、この両者の熱流速度差Δqを保持時
間に対してプロットしたものである。そして、測定試料
が発熱し、この発熱に起因するピークが観測された時間
を発熱ピーク出現時間という。ここでは、アクリロニト
リル系重合体粉末4mgをアルミニウム製オープン容器
に入れた後、ステンレス製メッシュカバーで蓋をして、
これを流量100ml/分の乾燥空気気流中、230℃
に保持して等温発熱曲線を測定する。また、アクリロニ
トリル系重合体粉末には、380メッシュの篩を通過し
たものを使用する。
Further, the acrylonitrile copolymer of the present invention can be prepared by using a heat flux type differential scanning calorimeter in an amount of 100 ml / ml.
In an isothermal heat generation curve measured when the temperature is maintained at 230 ° C. in an airflow for one minute, the heat generation peak is at tp (minute). That is, the heat generation peak appearance time is tp (minutes). In a heat flux type differential scanning calorimeter, when the measurement sample and the standard sample are held at a constant temperature and a temperature difference occurs between them, the heat flow around either the measurement sample or the standard sample increases to cancel this. Or be suppressed. Here, the isothermal heat generation curve is obtained by plotting the heat flow velocity difference Δq between the two against the retention time. Then, the time when the measurement sample generates heat and a peak due to the heat generation is observed is referred to as a heat generation peak appearance time. Here, 4 mg of acrylonitrile-based polymer powder was placed in an aluminum open container, and then covered with a stainless steel mesh cover.
This was placed in a dry air stream at a flow rate of 100 ml / min.
And measure the isothermal heating curve. The acrylonitrile-based polymer powder that has passed through a 380 mesh sieve is used.

【0010】そして本発明のアクリロニトリル系共重合
体においては、等温発熱曲線における発熱ピーク出現時
間tp(分)の逆数1/tpと、上記吸光度比Da/
(Da+Db)との間に下記式(1)の関係を有する。
In the acrylonitrile copolymer of the present invention, the reciprocal 1 / tp of the exothermic peak appearance time tp (min) in the isothermal exothermic curve and the absorbance ratio Da /
(Da + Db) and the following equation (1).

【数3】 (式中、x=Da/(Da+Db)、y=1/tpであ
る。) Da/(Da+Db)と1/tpの間にこのような関係
があるアクリロニトリル系重合体は、熱酸化反応性が大
きいだけでなく、さらに組成を調整することによって目
的に応じてより細かく熱酸化反応性を制御することがで
きる。1/tpがこのような範囲未満の場合には、組成
を調整しても熱酸化反応性が上がらない場合があり、こ
のような範囲を超えると、組成を調整しても熱酸化反応
性が大きすぎて制御できない場合がある。
(Equation 3) (Where x = Da / (Da + Db) and y = 1 / tp.) An acrylonitrile-based polymer having such a relationship between Da / (Da + Db) and 1 / tp has a thermal oxidation reactivity. In addition to being large, the thermal oxidation reactivity can be more finely controlled according to the purpose by further adjusting the composition. If 1 / tp is less than such a range, the thermal oxidation reactivity may not increase even if the composition is adjusted, and if it exceeds such a range, the thermal oxidation reactivity may not increase even if the composition is adjusted. Sometimes too large to control.

【0011】本発明のアクリロニトリル系重合体はアク
リロニトリルの他にコモノマーとして、アクリロニトリ
ルと共重合可能な酸コモノマーを含むことができる。酸
コモノマーを含むと、アクリロニトリル系重合体の熱酸
化反応性が高まり、炭素繊維製造時の耐炎化工程やその
他の炭素材料製造時の熱酸化反応に要する時間を短縮す
ることができる。酸コモノマーとしては特に制限はな
く、イタコン酸、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン
酸、フマル酸、クロトン酸等が挙げられるがイタコン酸
が好ましい。また、アクリロニトリル系重合体を構成す
るすべての単量体単位のなかでアクリロニトリルの割合
が最も大きく、次いでイタコン酸の割合が大きいことが
好ましい。さらに好ましくは、アクリロニトリルが96
〜99.95モル%で、イタコン酸が0.05〜4モル
%である。イタコン酸が0.05モル%未満では、熱酸
化反応性が低い場合があり、また、この重合体を紡糸し
て炭素繊維用前駆体を製造する際に、このアクリロニト
リル系重合体の溶液が不安定になる場合がある。一方、
4モル%を超えると、耐炎化工程で繊維同士が融着する
場合や、最終的に得られる炭素繊維等の炭素材料の物性
が低下する場合がある。
The acrylonitrile polymer of the present invention may contain, as a comonomer, an acid comonomer copolymerizable with acrylonitrile in addition to acrylonitrile. When an acid comonomer is contained, the thermal oxidation reactivity of the acrylonitrile-based polymer is increased, and the time required for the flame-proofing step in producing carbon fibers and the thermal oxidation reaction in producing other carbon materials can be shortened. The acid comonomer is not particularly limited, and includes itaconic acid, acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid, crotonic acid, etc., with itaconic acid being preferred. Further, it is preferable that the ratio of acrylonitrile is the highest among all the monomer units constituting the acrylonitrile-based polymer, and the ratio of itaconic acid is the second highest. More preferably, acrylonitrile is 96
9999.95 mol%, and itaconic acid is 0.05-4 mol%. If the amount of itaconic acid is less than 0.05 mol%, the thermal oxidation reactivity may be low, and the solution of the acrylonitrile-based polymer may not be sufficient when the polymer is spun to produce a precursor for carbon fiber. May be stable. on the other hand,
If it exceeds 4 mol%, the fibers may be fused together in the flame-proofing step, or the physical properties of the finally obtained carbon material such as carbon fiber may be reduced.

【0012】このようなアクリロニトリル系重合体は懸
濁重合法、溶液重合法、乳化重合法等の種々の方法で製
造できるが、水と有機溶媒の混合系中、有機アゾ系開始
剤を使用した懸濁重合法で製造することが好ましい。有
機溶媒としては、ジメチルスルホキシド、ジメチルホル
ムアミド、ジメチルアセトアミドから選ばれた少なくと
も1種を使用することがさらに好ましい。有機アゾ系開
始剤としては、2,2’−アゾビス(4−メトキシ−
2,4−ジメチルバレロニトリル)、AIBN等が使用
できる。
Such an acrylonitrile-based polymer can be produced by various methods such as a suspension polymerization method, a solution polymerization method, and an emulsion polymerization method. However, in a mixed system of water and an organic solvent, an organic azo initiator is used. It is preferable to produce by a suspension polymerization method. As the organic solvent, it is more preferable to use at least one selected from dimethylsulfoxide, dimethylformamide, and dimethylacetamide. Organic azo initiators include 2,2′-azobis (4-methoxy-
2,4-dimethylvaleronitrile), AIBN and the like can be used.

【0013】こうして製造されたアクリロニトリル系重
合体は、カルボキシル基の炭素−酸素二重結合に起因す
る吸収の吸光度Daと、シアノ基の炭素−窒素三重結合
に起因する吸収の吸光度Dbとから算出された吸光度比
Da/(Da+Db)が0.03〜0.6で、かつ、等
温発熱曲線における発熱ピーク出現時間tp(分)の逆
数1/tpと前記吸光度比Da/(Da+Db)とが上
記式(1)を満すので、熱酸化反応性が大きく、また、
酸コモノマーの種類や割合を調整することによってその
程度も目的に応じて様々に制御でき、用途に応じた多様
なアクリロニトリル系重合体とすることができる。
The acrylonitrile polymer thus produced is calculated from the absorbance Da of the absorption caused by the carbon-oxygen double bond of the carboxyl group and the absorbance Db of the absorption caused by the carbon-nitrogen triple bond of the cyano group. The absorbance ratio Da / (Da + Db) is 0.03-0.6, and the reciprocal 1 / tp of the exothermic peak appearance time tp (min) in the isothermal heat curve and the absorbance ratio Da / (Da + Db) are represented by the above formula. Since it satisfies (1), it has high thermal oxidation reactivity,
By adjusting the type and ratio of the acid comonomer, the degree thereof can be variously controlled according to the purpose, and various acrylonitrile-based polymers can be obtained according to the application.

【0014】例えば、Da/(Da+Db)と1/tp
が上記範囲内で、アクリロニトリル系重合体中のアクリ
ロニトリルの割合を大きくし、酸コモノマーの割合を小
さくすると、熱酸化反応性の大きさを維持したまま、酸
コモノマーに起因する強度不良が抑制された高性能な炭
素繊維を製造できる。一方、アクリロニトリル系重合体
中のアクリロニトリルの割合を小さくすると、熱酸化反
応性が非常に大きく、例えば炭素繊維を製造する場合の
耐炎化工程を効率的に行うことのできるアクリロニトリ
ル系重合体となり、炭素繊維をきわめて低コストで製造
できる。したがって、Da/(Da+Db)と1/tp
を上記範囲内として、アクリロニトリル系重合体の組成
を調整することによって、目的に応じて、非常に高性能
な炭素繊維の製造や、きわめて低コストな炭素繊維の製
造が可能となる。
For example, Da / (Da + Db) and 1 / tp
Within the above range, increasing the proportion of acrylonitrile in the acrylonitrile-based polymer and decreasing the proportion of the acid comonomer, while maintaining the magnitude of thermal oxidation reactivity, the strength failure due to the acid comonomer was suppressed High performance carbon fiber can be manufactured. On the other hand, when the proportion of acrylonitrile in the acrylonitrile-based polymer is reduced, the thermal oxidation reactivity is very large, and for example, an acrylonitrile-based polymer that can efficiently perform a flame-proofing step in the case of producing carbon fibers is obtained. Fibers can be produced at very low cost. Therefore, Da / (Da + Db) and 1 / tp
By adjusting the composition of the acrylonitrile-based polymer within the above range, it is possible to produce a very high-performance carbon fiber or an extremely low-cost carbon fiber according to the purpose.

【0015】得られたアクリロニトリル系重合体を、ジ
メチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチル
スルホキサイド等の有機溶媒に溶解し、乾湿式紡糸法や
湿式紡糸法等の通常の方法で紡糸することによって、炭
素繊維用前駆体を製造できる。ついで、この炭素繊維用
前駆体を酸化雰囲気中、200〜300℃で処理する耐
炎化処理を行って、耐炎化繊維とする。その後、この耐
炎化繊維を不活性ガス中、800〜2000℃で処理す
る炭化工程を行って炭素繊維を製造することができる。
さらにこの炭素繊維を不活性ガス中、2500〜280
0℃程度の高温で処理することによって、黒鉛繊維を製
造することもできる。
The obtained acrylonitrile-based polymer is dissolved in an organic solvent such as dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide and the like, and spun by a conventional method such as a dry-wet spinning method and a wet spinning method to obtain a carbon fiber. Precursors for fibers can be manufactured. Next, the carbon fiber precursor is subjected to an oxidizing atmosphere at 200 to 300 ° C. in an oxidizing atmosphere to obtain an oxidized fiber. Thereafter, a carbonization step of treating the oxidized fiber in an inert gas at 800 to 2000 ° C. is performed to produce a carbon fiber.
Furthermore, this carbon fiber is 2,500-280 in an inert gas.
By treating at a high temperature of about 0 ° C., graphite fibers can be produced.

【0016】また、このようなアクリロニトリル系重合
体は、炭素繊維以外の炭素材料への使用にも適してい
る。例えば、アクリロニトリル系重合体の粉末またはフ
ィルムを耐炎化処理し、ついで炭化工程を行う方法で電
極用炭素材料を製造できる。その他には、アクリロニト
リル系重合体をジメチルスルホキシド等の溶媒に溶解し
た後フィルム化し、必要に応じて一軸延伸、二軸延伸等
の加工をし、ついで、耐炎化処理、炭化処理を行うこと
によって、炭素フィルムを製造できる。
Further, such an acrylonitrile-based polymer is suitable for use in carbon materials other than carbon fibers. For example, a carbon material for an electrode can be produced by a method in which a powder or a film of an acrylonitrile-based polymer is subjected to a flame-proof treatment and then a carbonization step is performed. In addition, by dissolving the acrylonitrile-based polymer in a solvent such as dimethyl sulfoxide to form a film, and if necessary, processing such as uniaxial stretching, biaxial stretching, and then, by performing a flame-resistant treatment, carbonization treatment, Can produce carbon film.

【0017】このようなアクリロニトリル系重合体は、
熱酸化反応性が総じて大きく、優れていて、さらに組成
を調整することによって目的に応じてより細かい熱酸化
反応性の制御が可能である。したがって、組成を調整す
ることによって、非常に高性能な炭素繊維の製造や、生
産コストのきわめて低い炭素繊維の製造が可能となる。
このようなアクリロニトリル系重合体は、炭素繊維、電
極用炭素材料、炭素フィルム等の炭素材料の製造に適し
ているが、特に炭素繊維の製造に最適である。
Such an acrylonitrile-based polymer is
The thermal oxidation reactivity is generally large and excellent, and further fine-tuning of the thermal oxidation reactivity can be controlled according to the purpose by adjusting the composition. Therefore, by adjusting the composition, it is possible to produce very high-performance carbon fibers and to produce carbon fibers with extremely low production costs.
Such an acrylonitrile-based polymer is suitable for producing carbon materials such as carbon fibers, carbon materials for electrodes, and carbon films, but is particularly suitable for producing carbon fibers.

【0018】[0018]

【実施例】以下の実施例および比較例により、本発明を
さらに詳しく説明する。 [実施例1〜4]水/ジメチルアセトアミド/モノマー
の重量比を5/1/1に保ち、開始剤として、2,2’
−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニ
トリル)をモノマーに対して0.6重量%加え、温度6
3℃、120分の重合時間で、表1に示すようなアクリ
ロニトリル−イタコン酸共重合体を製造した。これらの
極限粘度はいずれも約1.8であった。これらのポリマ
ーを熱流束型示差走査熱量計で100ml/分の空気気
流中、230℃に保ち、得られた等温発熱曲線における
発熱ピーク出現時間tp(分)の逆数1/tpを表1に
示す。また、これらのポリマーの赤外吸収スペクトルか
ら算出した吸光度比Da/(Da+Db)も表1に示
す。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples and comparative examples. [Examples 1 to 4] The weight ratio of water / dimethylacetamide / monomer was kept at 5/1/1, and 2,2 ′ was used as an initiator.
-Azobis (4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile) was added at 0.6% by weight to the monomer,
An acrylonitrile-itaconic acid copolymer as shown in Table 1 was produced at a polymerization time of 3 ° C. for 120 minutes. Each of these intrinsic viscosities was about 1.8. These polymers were kept at 230 ° C. in an air flow of 100 ml / min with a heat flux type differential scanning calorimeter, and the reciprocal 1 / tp of the exothermic peak appearance time tp (min) in the obtained isothermal exothermic curve is shown in Table 1. . Table 1 also shows the absorbance ratio Da / (Da + Db) calculated from the infrared absorption spectra of these polymers.

【0019】また、実施例2で得られたポリマーをジメ
チルスルホキシドに溶解して20重量%の濃度の溶液を
調製した後、これを乾湿式紡糸法で紡糸し、ついで熱水
中で延伸し、油剤を付与した後、さらに加熱ローラーに
て乾燥緻密後、スチーム延伸して前駆体を製造した。こ
の前駆体を空気中、220〜260℃の段階式昇温の熱
風循環式耐炎化炉にて6%の伸張を付与しながら60分
間熱処理し(耐炎化工程)、引き続き窒素雰囲気下にお
いて最高温度600℃で、伸張率6%にて2分間低温熱
処理し、さらに、同雰囲気下で最高温度が1400℃の
高温熱処理炉にて、0%の伸張下、約1.5分処理し
た。得られた炭素繊維はストランド強度は580kg/
mm2 、ストランド弾性率は27ton/mm2 であ
り、高強度炭素繊維であった。
Further, after dissolving the polymer obtained in Example 2 in dimethyl sulfoxide to prepare a solution having a concentration of 20% by weight, the solution was spun by a dry-wet spinning method, and then stretched in hot water. After applying the oil agent, the mixture was further dried and densified with a heating roller, and then subjected to steam stretching to produce a precursor. This precursor is heat-treated in air in a hot-air circulation type flame stabilization furnace of 220-260 ° C. in a stepwise manner at a temperature of 220-260 ° C. for 60 minutes while giving 6% elongation (flame stabilization step). A low-temperature heat treatment was performed at 600 ° C. for 2 minutes at an elongation rate of 6%, and further a heat treatment furnace at a maximum temperature of 1400 ° C. under 0% elongation for about 1.5 minutes under the same atmosphere. The obtained carbon fiber has a strand strength of 580 kg /
mm 2 , the strand elastic modulus was 27 ton / mm 2 , and it was a high-strength carbon fiber.

【0020】これらのうち、実施例4で得られたポリマ
ーをジメチルスルホキシドに溶解して20重量%の濃度
の溶液を調製した後、これを湿式紡糸法で紡糸し、つい
で熱水中で延伸し、油剤を付与した後、さらに加熱ロー
ラーにて乾燥緻密後、スチーム延伸して前駆体を製造し
た。この前駆体を空気中、230〜270℃の熱風循環
式耐炎化炉にて5%の伸張を付与しながら25分間とい
う短い時間で、段階的に温度を挙げながら熱処理(耐炎
化工程)した。その後、引き続き窒素雰囲気下において
最高温度600℃で、伸張率5%にて1.5分間低温熱
処理し、さらに、同雰囲気下で最高温度が1400℃の
高温熱処理炉にて、−5%の伸張下、約1.5分処理し
た。得られた炭素繊維はストランド強度は420kg/
mm2 、ストランド弾性率は25ton/mm2であっ
た。
Of these, the polymer obtained in Example 4 was dissolved in dimethyl sulfoxide to prepare a 20% by weight solution, which was spun by a wet spinning method and then stretched in hot water. After applying the oil agent, the mixture was further dried and densified with a heating roller, and then subjected to steam stretching to produce a precursor. This precursor was subjected to a heat treatment (flame-proofing step) in air at 230 to 270 ° C. in a hot-air circulation-type flame-proofing furnace at a temperature as low as 25 minutes while increasing the temperature stepwise while giving 5% elongation. Thereafter, a low-temperature heat treatment is performed for 1.5 minutes at a maximum temperature of 600 ° C. and an elongation of 5% in a nitrogen atmosphere for 1.5 minutes, and a -5% elongation is performed in a high-temperature heat treatment furnace having a maximum temperature of 1400 ° C. in the same atmosphere. For about 1.5 minutes. The obtained carbon fiber has a strand strength of 420 kg /
mm 2 , and the strand elastic modulus was 25 ton / mm 2 .

【0021】なお、各種測定は以下のようにして行っ
た。 (1)共重合体の組成: 1H−NMR法(日本電子GS
X−400型超伝導FT−NMR)で測定した。 (2)重合体の極限粘度η:25℃のジメチルホルムア
ミド溶液で測定した。 (3)等温DSC発熱曲線:380メッシュの篩を通過
した重合体粉末4mgを正確に秤量し、アルミニウム製
オープン型試料容器に入れ、ステンレス製メッシュカバ
ーで押さえた状態で、100ml/分の流量の乾燥空気
気流中で230℃にて測定した。熱流束型示差走査熱量
計はセイコー電子工業製DSC220Cを使用した。 (4)赤外吸収スペクトル:試料1mgを100mgの
臭化カリウム粉末に均一に混合した後、これを錠剤に賦
型し日本分光製FT−IR7300により測定した。
Various measurements were made as follows. (1) Composition of copolymer: 1 H-NMR method (JEOL GS
X-400 type superconducting FT-NMR). (2) Intrinsic viscosity η of polymer: measured with a dimethylformamide solution at 25 ° C. (3) Isothermal DSC exothermic curve: 4 mg of the polymer powder passed through a 380 mesh sieve was accurately weighed, placed in an aluminum open sample container, and held down with a stainless steel mesh cover at a flow rate of 100 ml / min. Measured at 230 ° C. in a stream of dry air. As a heat flux type differential scanning calorimeter, DSC220C manufactured by Seiko Denshi Kogyo was used. (4) Infrared absorption spectrum: After 1 mg of a sample was uniformly mixed with 100 mg of potassium bromide powder, this was shaped into a tablet, and measured by FT-IR7300 manufactured by JASCO Corporation.

【0022】[比較例1〜3]水1867g、モノマー
133gを添加して、水/モノマーの重量比を14/1
に保ち、過硫酸アンモニウム1.5g、50wt%亜硫
酸水素アンモニウム水溶液4.6g、1.0%硫酸水溶
液18g、30ppm硫酸鉄水溶液1.3gを加え、温
度55℃、120分の重合時間で表2に示すようなアク
リロニトリル−メタクリル酸共重合体を製造した。これ
らの極限粘度はいずれも1.8であった。これらのポリ
マーの1/tpと吸光度比Da/(Da+Db)を実施
例1と同様にして、求めた結果も表2に示す。得られた
これらのポリマーを実施例1と同様に処理したところ、
耐炎化工程で断面二重構造を形成し、炭素繊維としての
強度発現性を示さない場合がほとんどであった。
[Comparative Examples 1 to 3] 1867 g of water and 133 g of monomer were added, and the weight ratio of water / monomer was 14/1.
And 1.5 g of ammonium persulfate, 4.6 g of a 50 wt% aqueous solution of ammonium bisulfite, 18 g of a 1.0% aqueous solution of sulfuric acid, and 1.3 g of an aqueous solution of 30 ppm iron sulfate were added. An acrylonitrile-methacrylic acid copolymer as shown was prepared. All of these intrinsic viscosities were 1.8. Table 1 also shows the results obtained for 1 / tp and the absorbance ratio Da / (Da + Db) of these polymers in the same manner as in Example 1. When these obtained polymers were treated in the same manner as in Example 1,
In most cases, a double cross-sectional structure was formed in the flame-proofing step, and the strength development properties as a carbon fiber were not exhibited.

【0023】[0023]

【表1】 [Table 1]

【0024】[0024]

【表2】 [Table 2]

【0025】[0025]

【発明の効果】以上説明したように本発明のアクリロニ
トリル系重合体は、熱酸化反応性が総じて大きく、優れ
ていて、さらに組成を調整することによって、高性能な
炭素繊維や、耐炎化工程に要する時間が極めて小さい低
コストな炭素繊維を製造できる。したがって、炭素繊維
が必要とする性能にあわせたアクリロニトリル系重合体
を効率的に提供できる。このようなアクリロニトリル系
重合体は、炭素繊維、電極用炭素材料、炭素フィルム等
の炭素材料の製造に適しているが、特に炭素繊維の製造
に最適である。
As described above, the acrylonitrile-based polymer of the present invention has a large thermal oxidation reactivity as a whole and is excellent. Further, by adjusting the composition, it can be used for a high-performance carbon fiber or a flame-proofing process. It is possible to produce a low-cost carbon fiber that requires a very short time. Therefore, it is possible to efficiently provide an acrylonitrile-based polymer that meets the performance required by carbon fibers. Such an acrylonitrile-based polymer is suitable for producing carbon materials such as carbon fibers, carbon materials for electrodes, and carbon films, but is particularly suitable for producing carbon fibers.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) //(C08F 220/44 (C08F 220/44 222:02) 222:02) Fターム(参考) 4G046 CA04 CB01 4J015 AA01 4J100 AJ08Q AM02P CA04 DA22 FA03 JA11 4L035 BB03 BB04 BB06 BB59 BB69 BB72 BB80 BB85 FF01 GG02 GG04 HH10 MB04 4L037 CS03 CT10 FA06 PA55 PA61 PA65 PC10 PC11 PC13 PF19 PF27 PS02 PS17 PS20 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) // (C08F 220/44 (C08F 220/44 222: 02) 222: 02) F-term (Reference) 4G046 CA04 CB01 4J015 AA01 4J100 AJ08Q AM02P CA04 DA22 FA03 JA11 4L035 BB03 BB04 BB06 BB59 BB69 BB72 BB80 BB85 FF01 GG02 GG04 HH10 MB04 4L037 CS03 CT10 FA06 PA55 PA61 PA65 PC10 PC11 PC13 PF19 PS20 PS27

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 KBr錠剤法で測定された赤外吸収スペ
クトルにおいて、カルボキシル基の炭素−酸素二重結合
に起因する吸収の吸光度をDaとし、シアノ基の炭素−
窒素三重結合に起因する吸収の吸光度をDbとして算出
された吸光度比Da/(Da+Db)が0.03〜0.
6であり、 さらに、熱流束型示差走査熱量計で100ml/分の空
気気流中、230℃で測定された等温発熱曲線における
発熱ピーク出現時間tp(分)の逆数1/tpと、前記
吸光度比Da/(Da+Db)とが、下記式(1)の関
係を満たすことを特徴とするアクリロニトリル系重合
体。 【数1】 (式中、x=Da/(Da+Db)、y=1/tpであ
る。)
1. In an infrared absorption spectrum measured by a KBr tablet method, the absorbance of absorption due to a carbon-oxygen double bond of a carboxyl group is defined as Da, and the carbon-
The absorbance ratio Da / (Da + Db) calculated from the absorbance of the absorption caused by the nitrogen triple bond as Db is 0.03 to 0.
6. Further, the reciprocal 1 / tp of an exothermic peak appearance time tp (min) in an isothermal exothermic curve measured at 230 ° C. in an air flow of 100 ml / min with a heat flux type differential scanning calorimeter, and the absorbance ratio An acrylonitrile-based polymer, wherein Da / (Da + Db) satisfies the relationship of the following formula (1). (Equation 1) (Where x = Da / (Da + Db) and y = 1 / tp)
【請求項2】 単量体単位としてアクリロニトリルと、
さらにイタコン酸とを含み、すべての単量体単位のなか
でアクリロニトリルの割合が最も大きく、次いでイタコ
ン酸の割合が大きいことを特徴とする請求項1に記載の
アクリロニトリル系重合体。
2. An acrylonitrile as a monomer unit,
The acrylonitrile-based polymer according to claim 1, further comprising itaconic acid, wherein the ratio of acrylonitrile is the highest among all the monomer units, and then the ratio of itaconic acid is large.
【請求項3】 アクリロニトリルが96〜99.95モ
ル%で、イタコン酸が0.05〜4モル%であることを
特徴とする請求項2に記載のアクリロニトリル系重合
体。
3. The acrylonitrile-based polymer according to claim 2, wherein the acrylonitrile is 96 to 99.95 mol% and the itaconic acid is 0.05 to 4 mol%.
【請求項4】 水と有機溶媒の混合系中、有機アゾ系開
始剤を使用した重合法で重合されたことを特徴とする請
求項1ないし3のいずれかに記載のアクリロニトリル系
重合体。
4. The acrylonitrile-based polymer according to claim 1, wherein the acrylonitrile-based polymer is polymerized by a polymerization method using an organic azo-based initiator in a mixed system of water and an organic solvent.
【請求項5】 請求項1ないし4のいずれかに記載のア
クリロニトリル系重合体からなることを特徴とする炭素
繊維用前駆体。
5. A precursor for carbon fiber, comprising the acrylonitrile-based polymer according to any one of claims 1 to 4.
【請求項6】 請求項5に記載の炭素繊維用前駆体から
製造されたことを特徴とする炭素繊維。
6. A carbon fiber produced from the carbon fiber precursor according to claim 5. Description:
【請求項7】 請求項1ないし4のいずれかに記載のア
クリロニトリル系重合体から製造されたことを特徴とす
る炭素材料。
7. A carbon material produced from the acrylonitrile polymer according to any one of claims 1 to 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011006293A (en) * 2009-06-26 2011-01-13 Teijin Ltd Carbon material and method for producing the same

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