JP2005113305A - Flameproof fiber, carbon fiber and method for producing them - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、耐炎化繊維、炭素繊維およびそれらの製造方法に関する。さらに詳しくは、コストパフォーマンスに優れた炭素繊維およびそれを得るのに好適な耐炎化繊維およびそれらを低コストで製造する方法に関する。 The present invention relates to flame-resistant fibers, carbon fibers, and methods for producing them. More specifically, the present invention relates to a carbon fiber excellent in cost performance, a flame-resistant fiber suitable for obtaining the carbon fiber, and a method for producing them at a low cost.
炭素繊維は、その優れた力学特性および電気特性からさまざまな用途に利用されている。近年では、従来のゴルフクラブや釣竿などのスポーツ用途、航空機用途に加え、自動車部材、CNGタンク、建造物の耐震補強、船舶部材などいわゆる一般産業用途への展開が進み、それに伴いより一層のコストパフォーマンスが求められている。 Carbon fibers are used in various applications because of their excellent mechanical and electrical properties. In recent years, in addition to conventional golf clubs, fishing rods and other sports and aircraft applications, development of so-called general industrial applications such as automobile members, CNG tanks, seismic reinforcement of buildings, ship members, etc. has progressed. Performance is required.
炭素繊維は、工業的にはポリアクリロニトリルなどの前駆体繊維を200〜300℃の空気中で熱処理する耐炎化、および300〜3000℃の不活性雰囲気中で熱処理する炭化を経て製造される。この際、前駆体繊維に含まれる窒素原子、水素原子、酸素原子が熱分解により脱離し、最終的に炭素含量が95%以上の炭素繊維となる。前駆体繊維として最も多く用いられているポリアクリロニトリルの炭素含量は68%前後であり、その前駆体繊維を基準にした炭素繊維の収率(以後炭化収率と表記)は、理想的な場合では70%前後であるものの、前記した工業的な製法では、炭素原子の脱離も生じるため50%前後であるのが実状である。このような炭化収率の低さも含めて、炭素繊維の製造コストに占める、原料コストの割合は大きく、炭素繊維の製造コスト低減するには原料コストをいかに削減するかが重要である。 Industrially, carbon fibers are manufactured through flameproofing of precursor fibers such as polyacrylonitrile by heat treatment in air at 200 to 300 ° C. and carbonization by heat treatment in an inert atmosphere at 300 to 3000 ° C. At this time, nitrogen atoms, hydrogen atoms, and oxygen atoms contained in the precursor fiber are desorbed by thermal decomposition, and finally the carbon fiber has a carbon content of 95% or more. The carbon content of polyacrylonitrile most frequently used as a precursor fiber is around 68%, and the yield of carbon fiber based on the precursor fiber (hereinafter referred to as carbonization yield) is ideal in the case of Although it is around 70%, in the above-described industrial production method, elimination of carbon atoms also occurs, so that the actual situation is around 50%. Including the low carbonization yield, the raw material cost occupies a large proportion of the carbon fiber manufacturing cost, and how to reduce the raw material cost is important to reduce the carbon fiber manufacturing cost.
これに対し、炭化収率を向上させるために、いくつかの技術が提案されている。 On the other hand, several techniques have been proposed in order to improve the carbonization yield.
例えば、炭化処理に先だって耐炎化繊維を非酸化性もしくは酸化性雰囲気で熱処理し、その後短時間炭化する技術が開示されている(例えば特許文献1)。かかる技術によると確かに収率の向上が見られるものの、その値は60%を下回っており、高いレベルとは言えない。また、本発明者らが検討したところによると、本技術では単に、最も分解が顕著な500℃付近の熱処理をスキップし、その後急速に炭化させることにより減量を見かけ上抑制しているだけであり、得られた炭素繊維の構造形成が不十分となり、弾性率の低下が避けられないという問題がある。 For example, a technique is disclosed in which flame-resistant fibers are heat-treated in a non-oxidizing or oxidizing atmosphere prior to carbonization, and then carbonized for a short time (for example, Patent Document 1). Although the yield is certainly improved by such a technique, the value is below 60%, which is not a high level. In addition, according to the study by the present inventors, the present technology merely suppresses the weight loss by skipping the heat treatment at around 500 ° C. where the decomposition is most remarkable and then rapidly carbonizing. There is a problem that the structure of the obtained carbon fiber becomes insufficient and a decrease in elastic modulus is unavoidable.
さらには、ポリアクリロニトリル前駆体繊維の原料であるアクリロニトリル重合体に硫黄を混合し紡糸、焼成する技術が開示されている(例えば特許文献2)。本技術では、耐炎化での酸化分解を抑制し60%超えるレベルの炭化収率が達成できるものの、硫黄添加による紡糸原液の安定性低下、耐炎化工程でのH2S、SO2などの有害性硫黄化合物の発生などの問題があり、工業的な技術として適用するのは困難である。 Furthermore, a technique is disclosed in which sulfur is mixed with an acrylonitrile polymer, which is a raw material of polyacrylonitrile precursor fiber, and then spun and fired (for example, Patent Document 2). Although this technology suppresses oxidative degradation in flame resistance and can achieve a carbonization yield of over 60%, it deteriorates the stability of the spinning dope due to sulfur addition, and harmful such as H 2 S and SO 2 in the flame resistance process. There are problems such as the generation of reactive sulfur compounds, and it is difficult to apply as an industrial technique.
また、ヨウ素ガス存在下で耐炎化する技術が開示されている(例えば特許文献3)。本技術によれば、70%というポリアクリロニトリル前駆体繊維の理想的な炭化収率が得られるが、ヨウ素ガスは有害であり、実施例として開示されているような実験室レベルの技術といわざるを得ない。 In addition, a technique for making flame resistance in the presence of iodine gas is disclosed (for example, Patent Document 3). According to the present technology, an ideal carbonization yield of polyacrylonitrile precursor fiber of 70% can be obtained, but iodine gas is harmful, and this is a laboratory level technology as disclosed in the examples. I do not get.
上記のような無機化合物を利用したものに対し、有機化合物やフッ素化合物を用いて耐炎化処理する技術も開示されている(例えば特許文献4)。本技術によれば、50%を超える収率が得られるものの60%を超えるレベルではなく、収率向上効果が十分とは言えない。
本発明の課題は、コストパフォーマンスに優れた炭素繊維およびそれを得るのに好適な耐炎化繊維を提供することにある。さらには、これらを製造するのに適した生産性の高い耐炎化繊維および炭素繊維の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a carbon fiber excellent in cost performance and a flame-resistant fiber suitable for obtaining the carbon fiber. Furthermore, it is providing the flame-resistant fiber and the manufacturing method of carbon fiber with high productivity suitable for manufacturing these.
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、少なくとも一種の有機化合物の存在下、50〜400℃で、下記1式で示される増量率が10〜1000%となるよう前駆体繊維を熱処理する耐炎化繊維の製造方法である。 In order to solve the above problems, the present invention employs the following means. That is, in the presence of at least one kind of organic compound, the precursor fiber is heat-treated at 50 to 400 ° C. so that the weight increase rate represented by the following formula 1 is 10 to 1000%.
増量率={Wo・DR−Wp}/Wp×100 ・・・(1式)
Wo:耐炎化繊維重量(g/m)
Wp:前駆体繊維重量(g/m)
DR:耐炎化処理時のトータル延伸比
また、上記方法により得られた耐炎化繊維を不活性雰囲気下300〜3000℃で熱処理する炭素繊維の製造方法である。
Increase rate = {Wo · DR−Wp} / Wp × 100 (1 formula)
Wo: Flame resistant fiber weight (g / m)
Wp: Precursor fiber weight (g / m)
DR: Total stretch ratio during flameproofing treatment Further, the method is a carbon fiber manufacturing method in which the flameproofed fiber obtained by the above method is heat-treated at 300 to 3000 ° C. in an inert atmosphere.
また、X線回折により測定される002面に対応する面間隔d002が0.351nm以上である耐炎化繊維である。 The surface spacing d 002 corresponding to the 002 plane measured by X-ray diffraction is oxidized fiber is at least 0.351Nm.
さらに、窒素含有量NC(重量%)と結晶サイズLc(オングストローム)が下記式を満足するポリアクリロニトリル系炭素繊維である。 Furthermore, it is a polyacrylonitrile-based carbon fiber having a nitrogen content NC (% by weight) and a crystal size Lc (angstrom) satisfying the following formula.
0<NC<−5.5×Lc+13.3 ・・・(2式)
1.75<Lc<2.40 ・・・(3式)
0 <NC <−5.5 × Lc + 13.3 (2 formulas)
1.75 <Lc <2.40 (3 formulas)
本発明の耐炎化繊維および炭素繊維の製造方法によると、炭化収率を向上することができる。さらに、本発明の炭素繊維は、機械的特性だけでなく導電性にも優れ、繊維強化複合材料用の強化繊維として好適である。 According to the flameproof fiber and carbon fiber production method of the present invention, the carbonization yield can be improved. Furthermore, the carbon fiber of the present invention is excellent not only in mechanical properties but also in electrical conductivity, and is suitable as a reinforcing fiber for a fiber-reinforced composite material.
本発明者らは、有機化合物共存下で熱処理することにより得られた本発明の耐炎化繊維を用いることにより、炭素繊維の製造において炭化収率を大幅に向上できることを見出し、本発明に到達した。なお、かかる方法により炭化収率が大幅に向上するメカニズムは必ずしも明確ではないが、有機化合物由来の炭素が何らかのかたちで前駆体繊維内部に取り込まれ、炭化工程において前駆体繊維と共に炭化されることによるものであると思われる。 The present inventors have found that the carbonization yield can be significantly improved in the production of carbon fiber by using the flame-resistant fiber of the present invention obtained by heat treatment in the presence of an organic compound, and the present invention has been achieved. . Although the mechanism by which the carbonization yield is greatly improved by such a method is not necessarily clear, the carbon derived from the organic compound is incorporated into the precursor fiber in some form and is carbonized together with the precursor fiber in the carbonization step. Seems to be.
従来技術では、前駆体繊維を耐炎化、炭化することにより減量させながら炭素繊維とするため、前駆体繊維の炭素含量を超える炭化収率を得ることは不可能であった。それに対し、本発明では、耐炎化工程において炭素源を繊維外部から有機化合物の形で導入し、繊維基質とともに炭化することにより、炭化収率を大幅に向上でき、前駆体繊維よりも安価な有機化合物を適用することにより、炭素繊維の製造コストを低減できるのである。 In the prior art, since the precursor fiber is made into carbon fiber while being reduced in weight by making it flame resistant and carbonized, it is impossible to obtain a carbonization yield exceeding the carbon content of the precursor fiber. On the other hand, in the present invention, the carbon source is introduced from the outside of the fiber in the form of an organic compound in the flameproofing process and carbonized together with the fiber substrate, so that the carbonization yield can be greatly improved, and the organic material is cheaper than the precursor fiber. By applying the compound, the production cost of the carbon fiber can be reduced.
本発明の耐炎化繊維は、X線回折により測定される002面に対応する面間隔d002が0.351nm以上である。 Oxidized fiber of the present invention, the surface spacing d 002 corresponding to the 002 plane measured by X-ray diffraction is not less than 0.351Nm.
X線回折により測定される002面に対応する面間隔d002は、環化構造の平均的な距離に対応しており、d002が広いほど炭化収率の向上に有利であり好ましく、より好ましくは0.353nm以上であり、さらに好ましくは0.355nm以上である。その上限は0.370nm程度である。0.351nmを下回ると、収率の向上効果が不十分となる。該面間隔は、耐炎化繊維をCuKα線をX線源としX線回折し、赤道方向にスキャンして得られるスペクトルについて、2θ=24〜26°付近に現れる002面のピークに対応する回折角度2θから下記4式により求めることができる。 The interplanar spacing d 002 corresponding to the 002 plane measured by X-ray diffraction corresponds to the average distance of the cyclized structure, and the wider d 002 is, the more advantageous and more preferable the improvement of the carbonization yield. Is 0.353 nm or more, more preferably 0.355 nm or more. The upper limit is about 0.370 nm. If it is less than 0.351 nm, the effect of improving the yield becomes insufficient. The interplanar spacing is the diffraction angle corresponding to the peak of the 002 plane appearing in the vicinity of 2θ = 24 to 26 ° in the spectrum obtained by X-ray diffracting the flame resistant fiber using CuKα ray as an X-ray source and scanning in the equator direction. It can be obtained from the following four formulas from 2θ.
面間隔d002(nm)=λ/{2×sinθ}・・・(4式)
λ:CuKα線の波長=0.15418nm
θ:Bragg角
また、前駆体繊維としてポリアクリロニトリル繊維を用いる場合、本発明の耐炎化繊維の赤外分光光度計で測定される環化度が、10〜100であることが好ましい。該環化度は、12〜98であることがより好ましく、15〜95であることがさらに好ましい。該環化度は下記5式で定義されるようにニトリル基とナフチリジン環に対応する吸収ピーク値の比であり、大きいほどニトリル基が少なく、環化が進んでいることを示す。本環化度が10を下回ると環化が不十分であり、炭化収率が低下することがある。また、100を超えると環化が進みすぎ、得られる炭素繊維のストランド強度が低下することがある。
Interplanar spacing d 002 (nm) = λ / {2 × sin θ} (Expression 4)
λ: wavelength of CuKα ray = 0.15418 nm
θ: Bragg angle Further, when polyacrylonitrile fiber is used as the precursor fiber, the degree of cyclization of the flame-resistant fiber of the present invention measured by an infrared spectrophotometer is preferably 10 to 100. The degree of cyclization is more preferably 12 to 98, and still more preferably 15 to 95. The degree of cyclization is the ratio of the absorption peak value corresponding to the nitrile group and the naphthyridine ring as defined by the following formula 5, and the larger the value, the less the nitrile group and the more the cyclization proceeds. If the degree of cyclization is less than 10, cyclization is insufficient and the carbonization yield may be reduced. Moreover, when it exceeds 100, cyclization will advance too much and the strand strength of the carbon fiber obtained may fall.
環化度=I1600/I2240 ・・・(5式)
I1600:1600cm-1のナフチリジン環に対応する吸収ピーク値
I2240:2240cm-1のニトリル基に対応する吸収ピーク値
該環化度は、耐炎化繊維を凍結粉砕し、KBrで希釈した錠剤として、赤外分光光度計で測定することにより、求めることができる。
Degree of cyclization = I 1600 / I 2240 (5 formulas)
I 1600 : Absorption peak value corresponding to a naphthyridine ring of 1600 cm -1 I 2240 : Absorption peak value corresponding to a nitrile group of 2240 cm -1 The degree of cyclization is obtained by freeze-pulverizing flame-resistant fibers and diluting with KBr. It can be determined by measuring with an infrared spectrophotometer.
また、本発明の耐炎化繊維の比重は、1.3〜1.5であることが好ましく、1.32〜1.45がより好ましく1.34〜1.4がさらに好ましい。1.3を下回ると、耐熱性が不足し続く炭化工程で糸切れが生じ操業性が悪化するだけでなく、得られる炭素繊維の品質、品位が低下する。1.5を上回ると、続く前炭化工程での緻密化を阻害し、得られる炭素繊維の品質、品位が低下する。かかる比重はJISR7601の方法に準拠し測定することができる。 The specific gravity of the flameproof fiber of the present invention is preferably 1.3 to 1.5, more preferably 1.32 to 1.45, and still more preferably 1.34 to 1.4. If it is less than 1.3, not only the heat resistance is insufficient and yarn breakage occurs in the continuous carbonization process, the operability is deteriorated, but the quality and quality of the obtained carbon fiber are deteriorated. If it exceeds 1.5, densification in the subsequent pre-carbonization step will be hindered, and the quality and quality of the resulting carbon fiber will deteriorate. Such specific gravity can be measured according to the method of JIS R7601.
なお、本発明の耐炎化繊維はポリアクリロニトリル繊維由来であることが好ましい。前駆体繊維としてポリアクリロニトリルを用いたポリアクリロニトリル繊維由来の耐炎化繊維は強度、伸度が高く、高強度な炭素繊維を得るのに好適な耐炎化繊維となるからである。 The flameproof fiber of the present invention is preferably derived from polyacrylonitrile fiber. This is because a flame-resistant fiber derived from polyacrylonitrile fiber using polyacrylonitrile as a precursor fiber has high strength and elongation and is suitable for obtaining a high-strength carbon fiber.
本発明のポリアクリロニトリル系炭素繊維は、窒素含有量NC(重量%)と結晶サイズLc(オングストローム)が下記2、3式を満足することが好ましい。
0<NC<−5.5×Lc+13.3 ・・・(2式)
1.75<Lc<2.40 ・・・(3式)
ここで、窒素含有量はいわゆるCHN分析装置で測定することができる。また、結晶サイズLcは、耐炎化繊維をCuKα線をX線源としX線回折し、赤道方向にスキャンして得られるスペクトルについて、2θ=25〜26°付近に現れる002面のピークに対応する半価幅Be(°)から下記6式により求めることができる。
The polyacrylonitrile-based carbon fiber of the present invention preferably has a nitrogen content NC (% by weight) and a crystal size Lc (angstrom) satisfying the following formulas (2) and (3).
0 <NC <−5.5 × Lc + 13.3 (2 formulas)
1.75 <Lc <2.40 (3 formulas)
Here, the nitrogen content can be measured with a so-called CHN analyzer. The crystal size Lc corresponds to the peak of the 002 plane appearing in the vicinity of 2θ = 25 to 26 ° in the spectrum obtained by X-ray diffraction of the flame-resistant fiber using CuKα ray as an X-ray source and scanning in the equator direction. It can be obtained from the half width B e (°) by the following six equations.
結晶サイズLc(nm)=λ/(B0×COSθ) ・・・(6式)
λ:X線の波長=0.15148nm
B0=(Be 2−B1 2)1/2
(B1は装置定数。ここでは1.046×10-2rad)
θ=Bragg角
上記2式および3式は
0<NC<−5.5×Lc+12.9
1.75<Lc<2.35
が、より好ましく
0<NC<−5.5×Lc+12.6
1.75<Lc<2.30
がさらに好ましい。
Crystal size Lc (nm) = λ / (B 0 × COSθ) (6)
λ: X-ray wavelength = 0.15148 nm
B 0 = (B e 2 −B 1 2 ) 1/2
(B 1 is a device constant. Here, 1.046 × 10 −2 rad)
θ = Bragg angle The above formulas 2 and 3 are: 0 <NC <−5.5 × Lc + 12.9
1.75 <Lc <2.35
Is more preferable. 0 <NC <−5.5 × Lc + 12.6
1.75 <Lc <2.30
Is more preferable.
従来技術では、ポリアクリロニトリル系炭素繊維の窒素含有量および結晶サイズは、炭化温度および炭化時間により、制御することができるものの、独立に制御することは難しく、両者の関係は炭化温度および炭化時間により、ほぼ一義的に決まる。本発明においては、前駆体繊維としてポリアクリロニトリル繊維を用い、後述するような製造方法を採用することにより、前駆体繊維外部より炭素源を導入できるため、従来ポリアクリロニトリル系炭素繊維に比べて、同一炭化条件での窒素含有量を大幅に低減することができる。これにより、ストランド強度、弾性率を維持しながら抵抗率を低減し導電性を高めることができ、電磁波シールド特性が要求される電子機器筐体などに好適である。この場合、抵抗率が0.8×10-3〜1.6×10-3(Ω・cm)が好ましく用いられる。導電性の観点からは、抵抗率が低いほど好ましいが、コストとの兼ね合いで適宜コントロールすることができる。 In the prior art, the nitrogen content and crystal size of the polyacrylonitrile-based carbon fiber can be controlled by the carbonization temperature and the carbonization time, but it is difficult to control independently, and the relationship between the two depends on the carbonization temperature and the carbonization time. It is decided almost unambiguously. In the present invention, a polyacrylonitrile fiber is used as a precursor fiber, and a carbon source can be introduced from the outside of the precursor fiber by adopting a production method as described later, so that it is the same as that of a conventional polyacrylonitrile-based carbon fiber. The nitrogen content under carbonization conditions can be greatly reduced. Thereby, while maintaining the strand strength and the elastic modulus, the resistivity can be reduced and the conductivity can be increased, which is suitable for an electronic device casing or the like that requires electromagnetic shielding characteristics. In this case, the resistivity is preferably 0.8 × 10 −3 to 1.6 × 10 −3 (Ω · cm). From the viewpoint of conductivity, the lower the resistivity, the better. However, it can be appropriately controlled in view of cost.
ここでいう抵抗率とは、炭素繊維束より単繊維1本を取りだし、試長10cmで4端子法により電気抵抗値を測定することにより下記8式により求められる。
抵抗率(Ω・cm)=R×S/50 ・・・(8式)
ここで、Rは、炭素繊維束中の異なる単繊維について、n=10で電気抵抗値の測定を行いその平均値をR(Ω)とする。また炭素繊維束の1m当たりの重量および比重を測定し下記9式より、単繊維1本当たりの断面積Sを算出する。
Here, the resistivity is obtained by the following eight formulas by taking one single fiber from a carbon fiber bundle and measuring the electrical resistance value by a four-terminal method with a test length of 10 cm.
Resistivity (Ω · cm) = R × S / 50 (8 formulas)
Here, for R, different electrical fibers in the carbon fiber bundle are measured for electrical resistance values at n = 10, and the average value is defined as R (Ω). Moreover, the weight per 1 m and specific gravity of a carbon fiber bundle are measured, and the cross-sectional area S per single fiber is calculated from the following nine formulas.
断面積S(cm2)=(A/100)/B/C ・・・(9式)
A:炭素繊維束の1m当たりの重量(g/m)
B:炭素繊維束の比重(g/cm3)
C:炭素繊維束の単繊維本数(本)
ここで比重BはJIS R7601記載の方法に従って測定できる。試薬は例えばエタノールを用いる。具体的には、1.0〜1.5gの炭素繊維束を採取し、重量Dを測定したのち、比重既知(比重ρ)のエタノールに含浸し、エタノール中の炭素繊維束重量(E)を測定し、下記10式に従い比重を算出する。
Cross-sectional area S (cm 2 ) = (A / 100) / B / C (9 formulas)
A: Weight of carbon fiber bundle per meter (g / m)
B: Specific gravity of carbon fiber bundle (g / cm 3 )
C: Number of single fibers of carbon fiber bundle (number)
Here, the specific gravity B can be measured according to the method described in JIS R7601. For example, ethanol is used as the reagent. Specifically, 1.0 to 1.5 g of carbon fiber bundles are collected and the weight D is measured, and then impregnated in ethanol with a known specific gravity (specific gravity ρ), and the carbon fiber bundle weight (E) in ethanol is calculated. Measure and calculate the specific gravity according to the following 10 equations.
炭素繊維束の比重B=(D×ρ)/(D−E) ・・・(10式)
さらに、本発明の炭素繊維は、前記炭素繊維が束状になった束状の炭素繊維でもよく、好ましくは1000〜300000本、より好ましくは3000〜100000本、更に好ましくは6000〜50000本、特に好ましくは12000〜24000本の単繊維が束になった束状の炭素繊維であることが取扱性の観点などから好ましい。またかかる束状の炭素繊維は、ストランド引張強度が3GPa以上であることが好ましい。より好ましくはストランド引張強度4GPa以上であり、さらに好ましくはストランド引張強度5GPa以上である。ストランド引張強度が3GPa未満であると繊維強化複合材料としたときの引張強度が十分得られない場合がある。かかるストランド引張強度は高ければ高いほど好ましいが、10GPa程度もあれば本発明の目的としては十分である。
Specific gravity B of carbon fiber bundle B = (D × ρ) / (DE) (10)
Further, the carbon fiber of the present invention may be a bundle-like carbon fiber in which the carbon fibers are bundled, preferably 1000 to 300000, more preferably 3000 to 100000, still more preferably 6000 to 50000, particularly A bundle-like carbon fiber in which 12000 to 24000 single fibers are bundled is preferable from the viewpoint of handleability. Such bundle-like carbon fibers preferably have a strand tensile strength of 3 GPa or more. More preferably, the strand tensile strength is 4 GPa or more, and further preferably the strand tensile strength is 5 GPa or more. If the strand tensile strength is less than 3 GPa, there may be a case where sufficient tensile strength is not obtained when a fiber-reinforced composite material is obtained. Such strand tensile strength is preferably as high as possible, but about 10 GPa is sufficient for the purpose of the present invention.
さらにかかる束状の炭素繊維は、ストランド引張弾性率が200GPa以上であることが好ましい。より好ましくは弾性率が230GPa以上であり、さらに好ましくは弾性率が270GPa以上である。ストランド弾性率が200GPa未満であると繊維強化複合材料としたときの弾性率が十分得られない場合がある。かかるストランド引張弾性率は高ければ高いほど好ましいが、500GPa程度もあれば本発明の目的としては十分である。 Further, the bundle-like carbon fiber preferably has a strand tensile elastic modulus of 200 GPa or more. More preferably, the elastic modulus is 230 GPa or more, and still more preferably the elastic modulus is 270 GPa or more. If the strand elastic modulus is less than 200 GPa, the elastic modulus when the fiber-reinforced composite material is obtained may not be sufficient. The higher the tensile tensile modulus of the strand, the better. However, about 500 GPa is sufficient for the purpose of the present invention.
かかるストランド引張強度および引張弾性率は炭素繊維束に下記組成の樹脂を含浸させ、130℃で35分間硬化させた後、JIS R7601に準じて行う引張試験により求めることができる。引張弾性率については、該試験により得られた荷重−伸び曲線の傾きから求めることができる。 Such strand tensile strength and tensile modulus can be determined by a tensile test conducted in accordance with JIS R7601 after impregnating a resin having the following composition into a carbon fiber bundle and curing at 130 ° C. for 35 minutes. The tensile modulus can be determined from the slope of the load-elongation curve obtained by the test.
(樹脂組成)
・3,4−エポキシシクロヘキシルメチル−3,4−エポキシ−シクロヘキサン−カルボキシレート 100重量部
・3フッ化ホウ素モノエチルアミン 3重量部
・アセトン 4重量部
次に本発明の耐炎化繊維および炭素繊維の製造方法について説明する。
(Resin composition)
• 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexane-carboxylate 100 parts by weight • Boron trifluoride monoethylamine 3 parts by weight • Acetone 4 parts by weight Next, production of flame-resistant fiber and carbon fiber of the present invention A method will be described.
本発明の耐炎化繊維の製造方法は、少なくとも一種の有機化合物の存在下、50〜400℃で前駆体繊維を熱処理し、下記1式で示される増量率が10〜1000%となるよう有機化合物を繊維内部に導入し、耐炎化繊維を製造するものである。 The method for producing flame-resistant fibers according to the present invention is such that the precursor fiber is heat-treated at 50 to 400 ° C. in the presence of at least one organic compound so that the weight increase rate represented by the following formula 1 is 10 to 1000%. Is introduced into the inside of the fiber to produce a flame-resistant fiber.
増量率は、下記のように定義される。ここで耐炎化繊維重量Woは、次のようにして測定する。まず、耐炎化繊維を約1gサンプリングし、水10gに該耐炎化繊維を浸漬し、超音波を与えながら3分間洗浄する。水を入れ換えて、同様の操作を3回繰り返す。さらに洗浄液をベンゼン、アセトン、エタノールの順で換えて、それぞれ3回ずつ同様の操作を繰り返す。洗浄後の耐炎化繊維を20℃で12時間風乾した後、計量しその重量をWoとする。本方法により、繊維内部に担持された有機化合物による重量増加を測定することができる。 The weight increase rate is defined as follows. Here, the flame resistant fiber weight Wo is measured as follows. First, about 1 g of flameproof fiber is sampled, the flameproof fiber is immersed in 10 g of water, and washed for 3 minutes while applying ultrasonic waves. Replace the water and repeat the same operation 3 times. Furthermore, the cleaning liquid is changed in the order of benzene, acetone, and ethanol, and the same operation is repeated three times each. The fire-resistant fiber after washing is air-dried at 20 ° C. for 12 hours and then weighed to make its weight Wo. By this method, the weight increase due to the organic compound supported inside the fiber can be measured.
増量率={Wo・DR−Wp}/Wp×100 ・・・(1式)
Wo:耐炎化繊維重量(g/m)
Wp:前駆体繊維重量(g/m)
DR:耐炎化処理時のトータル延伸比
本増量率は高いほど、炭化収率が高まり好ましく、20〜500%がより好ましく、30〜200%がさらに好ましい。10%を下回ると得られる耐炎化繊維の面間隔が0.351nmを下回り、十分な炭化収率向上効果が得られず、得られた耐炎化繊維を炭化しても、前記したような窒素含有量の低い本発明の炭素繊維を得ることができない。1000%を超えると繊維形態の維持が困難となり、得られる炭素繊維のストランド強度、弾性率が低下する。
Increase rate = {Wo · DR−Wp} / Wp × 100 (1 formula)
Wo: Flame resistant fiber weight (g / m)
Wp: Precursor fiber weight (g / m)
DR: Total stretch ratio during flameproofing treatment The higher the rate of weight increase, the higher the carbonization yield, preferably 20 to 500%, more preferably 30 to 200%. If it is less than 10%, the surface spacing of the flame-resistant fibers obtained is less than 0.351 nm, a sufficient carbonization yield improvement effect is not obtained, and even if the obtained flame-resistant fibers are carbonized, nitrogen content as described above The carbon fiber of the present invention having a low amount cannot be obtained. If it exceeds 1000%, it will be difficult to maintain the fiber form, and the strand strength and elastic modulus of the resulting carbon fiber will decrease.
本発明の耐炎化繊維の製造方法において、熱処理時に前駆体繊維と共存させる有機化合物としては、前記した増量率を達成できるものであれば、気体、液体、固体のいずれであってもよく、特に限定されない。繊維と均一に接触させやすいという観点からは、気体または液体であることが好ましく、取り扱いの観点から液体であることがより好ましい。 In the method for producing flame-resistant fibers of the present invention, the organic compound that coexists with the precursor fiber during the heat treatment may be any of gas, liquid, and solid, as long as the above-described weight increase rate can be achieved. It is not limited. From the viewpoint of easy contact with the fibers uniformly, it is preferably a gas or a liquid, and more preferably a liquid from the viewpoint of handling.
また、該有機化合物の炭素含有量が高いほど、炭化収率を高める観点から好ましく、具体的には20重量%以上であることが好ましく、40重量%以上であることがより好ましく、60重量%以上であることがさらに好ましい。ここでいう炭素含有量とは化合物中に占める炭素原子の重量比率をいい、例えばメタノールの場合38重量%となる。 Further, the higher the carbon content of the organic compound, the more preferable from the viewpoint of increasing the carbonization yield. Specifically, it is preferably 20% by weight or more, more preferably 40% by weight or more, and 60% by weight. More preferably, it is the above. Carbon content here means the weight ratio of the carbon atom which occupies in a compound, for example, in the case of methanol, it will be 38 weight%.
該有機化合物は前駆体繊維の種類に合わせて、前駆体繊維と親和性のある官能基を有する化合物を適宜選択することが好ましい。中でも、該有機化合物がアミノ基、イミノ基、ニトリロ基、ヒドロキシル基から選ばれる少なくとも一つの官能基を含むことが、有機化合物を繊維内部へ導入する点で好ましく、前記した官能基を2つ以上含むことがより好ましく、3つ以上含むことがさらに好ましい。 As the organic compound, it is preferable to appropriately select a compound having a functional group having an affinity for the precursor fiber according to the kind of the precursor fiber. Among these, it is preferable that the organic compound contains at least one functional group selected from an amino group, an imino group, a nitrilo group, and a hydroxyl group in terms of introducing the organic compound into the inside of the fiber. More preferably, it is more preferably 3 or more.
該有機化合物について、より具体的に例示すれば、アミン、アルコール、フェノール、アミノアルコールなどが好ましく挙げられる。さらに具体的には、オクチルアミン、ジオクチルアミン、トリオクチルアミン、エタンジアミン、プロパンジアミン、ブタンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、アミノエチルピペラジン、1,8−ジアザビシクロウンデセン(5,4,0)−7などの脂肪族アミン、アニリン、トルイジンなどの芳香族アミン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、グリセリンなどのグリコール、フェノール、クレゾール、アミノフェノールなどのフェノール、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、2−(2−アミノエチルアミノ)エタノールなどのアミノアルコールなどが、より好ましく挙げられる。 Specific examples of the organic compound include amines, alcohols, phenols, amino alcohols, and the like. More specifically, octylamine, dioctylamine, trioctylamine, ethanediamine, propanediamine, butanediamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, aminoethylpiperazine, 1,8-diazabicycloundecene (5,4,0 ) -7 and other aliphatic amines, aromatic amines such as aniline and toluidine, glycols such as ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol and glycerin, phenols such as phenol, cresol and aminophenol, monoethanolamine, diethanolamine and triethanol More preferred are amino alcohols such as amine and 2- (2-aminoethylamino) ethanol.
該有機化合物の沸点は、熱処理温度よりも高いことが、常圧で処理可能であることから好ましい。具体的には沸点が100℃以上であることが好ましく、150℃以上であることがより好ましく、200℃以上であることがさらに好ましい。 The boiling point of the organic compound is preferably higher than the heat treatment temperature because it can be processed at normal pressure. Specifically, the boiling point is preferably 100 ° C. or higher, more preferably 150 ° C. or higher, and further preferably 200 ° C. or higher.
また、該有機化合物は、繊維外部に余分に付着している分を洗浄除去する観点からは、水溶性であることが経済的な面から好ましい。 Moreover, it is preferable from an economical viewpoint that this organic compound is water-soluble from the viewpoint of washing and removing the extra portion adhering to the outside of the fiber.
さらに 該有機化合物は溶解パラメータδが5〜20である化合物であることが好ましい。ここで溶解パラメータδとは、溶媒の凝集エネルギー密度をcとすると
溶解パラメータδ=c^1/2
で表され、凝集エネルギー密度cは溶媒の単位体積当たりの蒸発熱をΔHv、モル体積をVm、温度をT、気体定数をRとすると以下の式により定義される。
Further, the organic compound is preferably a compound having a solubility parameter δ of 5 to 20. Here, the solubility parameter δ is the solubility parameter δ = c ^ 1/2 where c is the cohesive energy density of the solvent.
The cohesive energy density c is defined by the following equation where ΔHv is the heat of evaporation per unit volume of the solvent, Vm is the molar volume, T is the temperature, and R is the gas constant.
c=(ΔHv−RT)/Vm
前駆体繊維として好適なポリアクリロニトリルの溶解パラメータδは約15であり、該有機化合物の溶解パラメータδを上述した特定範囲とし、特定の親和性とすることによりポリアクリロニトリル繊維の単繊維内部まで炭素源となる有機化合物を均一かつ迅速に供給し、前記した増量率を得るのに好適である。溶解パラメータδは8〜18がより好ましく、10〜16がさらに好ましい。
c = (ΔHv−RT) / Vm
The solubility parameter δ of polyacrylonitrile suitable as a precursor fiber is about 15. The solubility parameter δ of the organic compound is in the specific range described above, and by making it a specific affinity, the carbon source can reach the inside of the single fiber of the polyacrylonitrile fiber. This is suitable for uniformly and rapidly supplying the organic compound to obtain the above-mentioned increase rate. The solubility parameter δ is more preferably 8-18, and even more preferably 10-16.
有機化合物存在下での熱処理を行う際に、該有機化合物の他に、少なくとも一種の酸化剤が存在することが好ましい。酸化剤が存在することにより、該有機化合物の繊維への導入を促進することができ好ましい。酸化剤は無機、有機いずれの酸化剤でもよい。無機の酸化剤としては、硝酸、塩酸、リン酸、硫酸などの無機酸や過マンガン酸カリウム、重クロム酸カリウム、過酸化水素などのが挙げられる。これらの酸化剤は、酸化力が大きく繊維そのものの分解を誘起する場合があり、有機の酸化剤がより好ましい。有機の酸化剤としては、ニトロ基、N−オキシル構造、N−オキサイド構造、N−ヒドロキシ構造から選ばれる少なくとも一つの構造を持つことが好ましい。 When performing heat treatment in the presence of an organic compound, it is preferable that at least one oxidizing agent is present in addition to the organic compound. The presence of the oxidizing agent is preferable because it can promote introduction of the organic compound into the fiber. The oxidizing agent may be an inorganic or organic oxidizing agent. Examples of the inorganic oxidizing agent include inorganic acids such as nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid and sulfuric acid, potassium permanganate, potassium dichromate and hydrogen peroxide. These oxidizing agents have a high oxidizing power and may induce degradation of the fibers themselves, and organic oxidizing agents are more preferable. The organic oxidant preferably has at least one structure selected from a nitro group, an N-oxyl structure, an N-oxide structure, and an N-hydroxy structure.
ニトロ基を持つものの具体例としては、ニトロベンゼン、ニトロトルエン、ニトロキシレン、ニトロナフタレンなどが好ましく挙げられる。N−オキシル構造をもつものの具体例としては、フタルイミド−N−オキシル、2、2、6、6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル、ビス(2、2、6、6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル)セバケートなどが好ましく挙げられる。N−オキサイド構造を持つものの具体例としては、4−ピコリン−N−オキサイド、イソキノリン−N−オキサイド、ジピリジル−N,N’−ジオキサイドなどが好ましく挙げられる。N−ヒドロキシ構造をもつものの具体例としては、N−ヒドロキシフタルイミド、N−ヒドロキシスクシンイミド、N−ヒドロキシマレイミドなどが好ましく挙げられる。 Specific examples of those having a nitro group include nitrobenzene, nitrotoluene, nitroxylene, nitronaphthalene and the like. Specific examples of those having an N-oxyl structure include phthalimido-N-oxyl, 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl, bis (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1- Preferred examples include oxyl) sebacate. Specific examples of those having an N-oxide structure include 4-picoline-N-oxide, isoquinoline-N-oxide, dipyridyl-N, N′-dioxide and the like. Specific examples of those having an N-hydroxy structure preferably include N-hydroxyphthalimide, N-hydroxysuccinimide, N-hydroxymaleimide and the like.
本発明において、前記した有機化合物と共存させ熱処理し、該有機化合物を繊維内部に担持させるが、前記した増量率を達成するには、熱処理の温度、時間を適宜調整する必要がある。基本的には、温度を高くするほど、時間を長くするほど、増量率を高くすることができる。しかし、用いる化合物によっては、温度を上げすぎたり、時間を長くしすぎたりすると、繊維の分解が生じ、却って増量率が低下することがあるため、化合物と繊維との反応性・親和性を勘案し、熱処理の温度、時間を設定するのがよい。熱処理時の温度および時間の最適値は、化合物により異なるため、一該に限定できないが、熱処理温度は50〜400℃に設定する必要がある。50℃を下回ると、前記した増量率を現実的な時間で達成することが不可能となり、400℃を上回ると繊維の分解減量が顕著となり、本発明の目的とする高い炭化収率が得られない。熱処理温度は、より好ましくは70〜300℃であり、さらに好ましくは90〜200℃である。熱処理の時間は、前記した増減率を達成するのに必要な時間を設定すればよいが、経済的には短時間であることが好ましく、1秒〜300分であることがより好ましく、5秒〜120分であることがさらに好ましい。 In the present invention, heat treatment is performed in the coexistence with the above-described organic compound, and the organic compound is supported inside the fiber. In order to achieve the above increase rate, it is necessary to appropriately adjust the temperature and time of the heat treatment. Basically, the higher the temperature and the longer the time, the higher the weight increase rate. However, depending on the compound used, if the temperature is raised too much or if the time is too long, the fiber will decompose, and the weight gain rate may decrease.Considering the reactivity and affinity between the compound and the fiber The temperature and time for heat treatment should be set. The optimum values of the temperature and time during the heat treatment vary depending on the compound, and thus cannot be limited to one, but the heat treatment temperature needs to be set to 50 to 400 ° C. If the temperature is below 50 ° C., it is impossible to achieve the above-mentioned increase rate in a practical time. If the temperature is above 400 ° C., the fiber weight loss is remarkable, and the high carbonization yield intended by the present invention is obtained. Absent. The heat treatment temperature is more preferably 70 to 300 ° C, further preferably 90 to 200 ° C. The heat treatment time may be set to a time required to achieve the above-described increase / decrease rate, but is preferably a short time economically, more preferably 1 second to 300 minutes, and more preferably 5 seconds. More preferably, it is -120 minutes.
本発明において、前記した有機化合物との共存下における熱処理は、前駆体繊維を耐炎化する工程と別々に行ってもよく、同時に行ってもよい。たとえば、有機化合物存在下での熱処理を行い、その後従来と同様に、空気中で熱処理し耐炎化を行ってもよく、前記有機化合物存在下の熱処理と耐炎化を同時に行ってもよく、空気中で熱処理し耐炎化した後、前記有機化合物存在下の熱処理を行ってもよい。要するに、炭化工程の前までに有機化合物存在下の熱処理を施せばよい。 In the present invention, the heat treatment in the coexistence with the organic compound may be performed separately from the step of making the precursor fiber flame resistant or may be performed simultaneously. For example, heat treatment in the presence of an organic compound may be performed, and then heat treatment may be performed in the air and flame resistance may be performed in the same manner as in the past, and heat treatment and flame resistance in the presence of the organic compound may be performed simultaneously. After heat-treating with flame resistance, heat treatment in the presence of the organic compound may be performed. In short, heat treatment in the presence of an organic compound may be performed before the carbonization step.
プロセスを簡便にする観点からは、担持させる熱処理と耐炎化を同時に行うのが好ましい。耐炎化を行うには、何らかの酸化剤が必要であり、前記したような酸化剤を共存させることが好ましい。 From the viewpoint of simplifying the process, it is preferable to carry out the supporting heat treatment and flame resistance simultaneously. In order to achieve flame resistance, some kind of oxidant is necessary, and it is preferable to coexist the oxidant as described above.
本発明において、前駆体繊維としてはポリアクリロニトリル繊維、ピッチ系繊維、フェノール繊維、レーヨン繊維、セルロース繊維、その他天然由来のリグニンを原料とした繊維等を用いることができるが、得られる耐炎化繊維の強度、伸度が高く、高強度な炭素繊維を得るのに好適である点で、ポリアクリロニトリルを前駆体繊維として用いることが好ましい。 In the present invention, as the precursor fiber, polyacrylonitrile fiber, pitch fiber, phenol fiber, rayon fiber, cellulose fiber, and other fibers derived from natural lignin can be used. It is preferable to use polyacrylonitrile as a precursor fiber in that it has high strength and elongation and is suitable for obtaining a high-strength carbon fiber.
ここで、ポリアクリロニトリル繊維は、アクリロニトリル100%でも良いが、耐炎化効率化の観点および製糸性の観点から共重合体とするのが好ましい。共重合成分としては、いわゆる耐炎化促進成分として、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸等が好ましく挙げられ、より好ましくは、これらの一部又は全量を、アンモニアで中和したアクリル酸、メタクリル酸、又はイタコン酸のアンモニウム塩からなる共重合体が挙げられる。製糸性向上の観点から、メタクリル酸エステル、アクリル酸エステル、アリルスルホン酸金属塩、メタリルスルホン酸金属塩などが好ましく共重合できる。 Here, the polyacrylonitrile fiber may be 100% acrylonitrile, but is preferably a copolymer from the viewpoint of improving the flame resistance efficiency and from the standpoint of yarn production. As the copolymerization component, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid and the like are preferably mentioned as so-called flame resistance promoting components, and more preferably, a part or all of these are neutralized with ammonia, acrylic acid, methacrylic acid, Or the copolymer which consists of an ammonium salt of itaconic acid is mentioned. From the viewpoint of improving the yarn production, methacrylic acid esters, acrylic acid esters, allyl sulfonic acid metal salts, methallyl sulfonic acid metal salts, and the like are preferably copolymerizable.
上述した共重合体の量は、合計で0〜10モル%が好ましく、0.1〜6モル%がより好ましく、0.2〜2モル%がさらに好ましい。共重合体の量が少ないと、製糸性が低下し、共重合体の量が多いと耐熱性が低下し続く耐炎化工程で融着が発生しやすくなるため、両者のバランスを考慮して設定するのがよい。 The total amount of the above-mentioned copolymer is preferably 0 to 10 mol%, more preferably 0.1 to 6 mol%, and further preferably 0.2 to 2 mol%. If the amount of the copolymer is small, the yarn-forming property is lowered, and if the amount of the copolymer is large, the heat resistance is lowered and the fusion process is likely to occur in the subsequent flameproofing process. It is good to do.
かかる共重合体を重合する方法としては、特に限定されないが、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法等が適用できる。 A method for polymerizing such a copolymer is not particularly limited, and a solution polymerization method, a suspension polymerization method, an emulsion polymerization method and the like can be applied.
アクリル系共重合体を紡糸する際に、有機、無機の溶媒が使用できるが、有機溶媒を使用するのが好ましく、具体的には、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等が挙げられる。 When spinning the acrylic copolymer, an organic or inorganic solvent can be used, but it is preferable to use an organic solvent, and specific examples include dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide and the like.
上述したような、アクリル系共重合体と溶媒からなる紡糸原液を、湿式紡糸法、乾湿式紡糸法、乾式紡糸法、又は溶融紡糸法、好ましくは湿式紡糸法又は乾湿式紡糸法により口金から紡出し、凝固浴に導入して繊維を凝固せしめる。 As described above, a spinning dope comprising an acrylic copolymer and a solvent is spun from a die by a wet spinning method, a dry wet spinning method, a dry spinning method, or a melt spinning method, preferably a wet spinning method or a dry wet spinning method. And introduced into a coagulation bath to coagulate the fiber.
湿式紡糸法や乾湿式紡糸法では、凝固速度、延伸方法等を適宜制御することにより、前駆体繊維表面の表面粗さを制御することができる。例えば、凝固速度を速くすると、繊維表面に形成されるスキン層が厚くかつ繊維を構成するフィブリル単位が小さい凝固繊維が得られるようになり、かかる凝固繊維を後述するような方法で延伸することで表面が平滑となり表面積比が1.0〜1.2の炭素繊維を得るのに適した前駆体繊維となり好ましい。但し、凝固速度を速くしすぎると、凝固糸の内部構造が粗くなり、高いストランド強度を有する炭素繊維が得られないことがあるため、両者を勘案して凝固速度を設定することが好ましい。 In the wet spinning method and the dry and wet spinning method, the surface roughness of the precursor fiber surface can be controlled by appropriately controlling the coagulation rate, the stretching method, and the like. For example, when the coagulation speed is increased, a coagulated fiber having a thick skin layer formed on the fiber surface and a small fibril unit constituting the fiber can be obtained, and the coagulated fiber is drawn by a method described later. A precursor fiber suitable for obtaining carbon fibers having a smooth surface and a surface area ratio of 1.0 to 1.2 is preferable. However, if the coagulation rate is too high, the internal structure of the coagulated yarn becomes coarse, and carbon fibers having high strand strength may not be obtained. Therefore, it is preferable to set the coagulation rate in consideration of both.
本発明において、前記凝固浴には、いわゆる凝固促進成分を含ませることができ、凝固浴の温度および凝固促進成分の濃度によって、凝固速度を制御することができる。具体的には、凝固浴の温度が高く、凝固促進成分の量が多い程、凝固速度を速くすることができる。凝固促進成分としては、前記アクリル系共重合体を溶解せず、かつ紡糸原液に用いる溶媒と相溶性があるものが使用できる。具体的には、水を使用するのが好ましい。 In the present invention, the coagulation bath can contain a so-called coagulation promoting component, and the coagulation rate can be controlled by the temperature of the coagulation bath and the concentration of the coagulation promoting component. Specifically, the higher the coagulation bath temperature and the greater the amount of the coagulation promoting component, the faster the coagulation rate. As the coagulation accelerating component, a component that does not dissolve the acrylic copolymer and is compatible with the solvent used in the spinning dope can be used. Specifically, it is preferable to use water.
凝固浴中に導入して糸条を凝固せしめた後、水洗、延伸、油剤付与及び乾燥等を経て、アクリル系繊維が得られる。また、油剤付与後、さらにスチームで延伸することもできる。ここで、凝固後の糸条は、水洗せずに直接延伸浴中で延伸しても良いし、溶媒を水洗除去後に浴中で延伸しても良い。かかる浴中延伸は、通常、30〜98℃に温調された単一又は複数の延伸浴中で行われ、これら水洗浴や延伸浴においては、前述した紡糸原液に用いる溶媒の水溶液中の含有率は、凝固浴における溶媒の含有率を上限とするのが良い。 After being introduced into a coagulation bath and coagulating the yarn, acrylic fibers are obtained through washing with water, stretching, application of oil, drying and the like. Moreover, it can also extend | stretch with steam after oil agent provision. Here, the solidified yarn may be stretched directly in a stretching bath without being washed with water, or may be stretched in a bath after removing the solvent by washing. Such stretching in a bath is usually performed in a single or a plurality of stretching baths whose temperature is adjusted to 30 to 98 ° C., and in these washing baths and stretching baths, inclusion of the solvent used in the spinning dope described above in an aqueous solution. The rate should be the upper limit of the content of the solvent in the coagulation bath.
浴延伸の後、糸条にシリコーン等からなる油剤を付与するのが好ましい。かかるシリコーン油剤は、変性シリコーンで、かつ、耐熱性の高いアミノ変性シリコーンを含有するものが好ましい。 After the bath stretching, it is preferable to apply an oil agent made of silicone or the like to the yarn. Such a silicone oil agent is preferably a modified silicone and an amino-modified silicone having high heat resistance.
浴中延伸、油剤付与された糸条は、加熱により乾燥するのが良い。乾燥処理は50〜200℃に加熱されたロールに接触させて行うのが効率的である。糸条の含有水分率が1重量%以下となるまで乾燥し、繊維構造を緻密化させることが好ましい。 The yarn stretched in the bath and provided with the oil agent is preferably dried by heating. It is efficient to carry out the drying treatment by bringing it into contact with a roll heated to 50 to 200 ° C. It is preferable to dry the yarn until the moisture content of the yarn is 1% by weight or less, thereby densifying the fiber structure.
本発明で用いる前駆体繊維は束状の前駆体繊維であることが好ましく、1糸条あたりのフィラメント数は、好ましくは1,000〜300,000、より好ましくは3,000〜100,000、さらに好ましくは6,000〜50,000、特に好ましくは12000〜24000であるのがよい。 The precursor fiber used in the present invention is preferably a bundle-like precursor fiber, and the number of filaments per yarn is preferably 1,000 to 300,000, more preferably 3,000 to 100,000. More preferably, it is 6,000-50,000, Most preferably, it is 12000-24000.
また、本発明で用いる前駆体繊維の単繊維繊度は、好ましくは0.6〜30dtex、より好ましくは1〜25dtex、さらに好ましくは2〜20dtexであるのが良い。該単繊維繊度が大きいほど、得られる炭素繊維の繊維径が大きくなり、複合材料の強化繊維として用いた場合の圧縮応力下での座屈変形を抑制でき、圧縮強度向上の観点で好ましい。 The single fiber fineness of the precursor fiber used in the present invention is preferably 0.6 to 30 dtex, more preferably 1 to 25 dtex, and further preferably 2 to 20 dtex. The larger the single fiber fineness, the larger the fiber diameter of the obtained carbon fiber, which can suppress buckling deformation under a compressive stress when used as a reinforcing fiber of a composite material, which is preferable from the viewpoint of improving the compressive strength.
本発明の耐炎化繊維の製造方法は、前記耐炎化処理工程において、得られる耐炎化繊維の比重が好ましくは1.3〜1.5、より好ましくは1.32〜1.45、さらに好ましくは1.34〜1.4となるまで熱処理するのが好ましい。耐炎化繊維の比重が1.3未満であると続く炭化工程で糸切れが発生しプロセスできないという場合があり、1.5を超えると得られる炭素繊維のストランド強度が低下する場合がある。 In the flameproof fiber manufacturing method of the present invention, in the flameproofing treatment step, the specific gravity of the flameproof fiber obtained is preferably 1.3 to 1.5, more preferably 1.32 to 1.45, still more preferably. It is preferable to heat-process until it becomes 1.34-1.4. If the specific gravity of the flameproof fiber is less than 1.3, thread breakage may occur in the subsequent carbonization step, and the process may not be possible. If it exceeds 1.5, the strand strength of the carbon fiber obtained may be reduced.
ポリアクリロニトリル繊維を連続して供給しながら前記した有機化合物下での熱処理や耐炎化処理を行う場合には、延伸しながら耐炎化処理することもできる。その場合のトータルの延伸比は、0.9〜1.7が好ましく、1.0〜1.6がより好ましく、1.1〜1.5がさらに好ましい。該延伸比が0.9を下回ったり、1.7を上回ると、得られる耐炎化繊維の引張強度や引張伸度が低下する場合がある。 When performing the heat treatment and flameproofing treatment under the organic compound described above while continuously supplying polyacrylonitrile fiber, the flameproofing treatment can be performed while stretching. In that case, the total stretching ratio is preferably 0.9 to 1.7, more preferably 1.0 to 1.6, and still more preferably 1.1 to 1.5. When the draw ratio is less than 0.9 or exceeds 1.7, the tensile strength and tensile elongation of the resulting flameproof fiber may be lowered.
有機化合物存在下での熱処理を施した後に、付着している余分な有機化合物を除去することもできる。除去する方法としては、加熱、減圧による乾燥処理や低沸点溶媒での洗浄などを用いることができる。余分な有機化合物を除去し、さらに回収・再利用することが、経済的な観点から好ましい。 After the heat treatment in the presence of the organic compound, the extra organic compound adhering thereto can be removed. As a removal method, heating, drying treatment under reduced pressure, washing with a low boiling point solvent, or the like can be used. It is preferable from an economical point of view to remove excess organic compounds and further recover and reuse them.
上述する方法で得られた耐炎化繊維を、300〜3000℃の不活性雰囲気下で熱処理し炭化することにより炭素繊維を製造できる。該炭化処理は、300℃以上、1000℃未満の予備炭化工程、1000℃以上、2000℃未満の炭化工程、2000℃以上、3000℃以下の黒鉛化工程に分けて行うのが設備的な面から好ましい。該炭化処理の最高処理温度は、所望する炭素繊維の物性に応じて選択することができ、黒鉛化工程は省略することができる。 Carbon fiber can be produced by heat-treating and carbonizing the flame-resistant fiber obtained by the above-described method in an inert atmosphere at 300 to 3000 ° C. From the viewpoint of equipment, the carbonization treatment is performed by dividing it into a preliminary carbonization step of 300 ° C or higher and lower than 1000 ° C, a carbonization step of 1000 ° C or higher and lower than 2000 ° C, and a graphitization step of 2000 ° C or higher and 3000 ° C or lower. preferable. The maximum treatment temperature of the carbonization treatment can be selected according to the desired physical properties of the carbon fiber, and the graphitization step can be omitted.
該炭化処理は、耐炎化繊維を緊張または延伸条件下で行うのが好ましい。より好ましくは延伸比が0.8〜1.3、さらに好ましくは0.9〜1.2がよい。かかる延伸比が0.8に満たないと、得られる炭素繊維ストランド強度が不十分なものになる場合があり、1.3を超えると毛羽や糸切れが増加し、得られる炭素繊維の品位が低くなる場合がある。 The carbonization treatment is preferably performed on a flameproof fiber under tension or stretching conditions. More preferably, the draw ratio is 0.8 to 1.3, and more preferably 0.9 to 1.2. If the draw ratio is less than 0.8, the resulting carbon fiber strand strength may be insufficient, and if it exceeds 1.3, fluff and yarn breakage increase, and the quality of the obtained carbon fiber is low. May be lower.
上述する方法で得られた炭素繊維に対して、その表面改質のため、電解処理をすることができる。電解処理に用いる電解液には、硫酸、硝酸、塩酸等の酸性溶液や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、テトラエチルアンモニウムヒドロキシドといったアルカリ又はそれらの塩を水溶液として使用することができる。ここで、電解処理に要する電気量は、適用する炭素繊維により適宜選択することができる。 The carbon fiber obtained by the above-described method can be subjected to electrolytic treatment for surface modification. As an electrolytic solution used for the electrolytic treatment, an acidic solution such as sulfuric acid, nitric acid, and hydrochloric acid, an alkali such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, or a salt thereof can be used as an aqueous solution. Here, the amount of electricity required for the electrolytic treatment can be appropriately selected depending on the carbon fiber to be applied.
かかる電解処理により、得られる複合材料において炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性が適正化でき、得られる複合材料においてバランスのとれた強度特性が発現されるようになる。 By such electrolytic treatment, the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin can be optimized in the obtained composite material, and balanced strength characteristics can be expressed in the obtained composite material.
この後、得られる炭素繊維に集束性を付与するため、サイジング処理をすることもできる。サイジング剤には、樹脂との相溶性の良いサイジング剤を、使用する樹脂の種類に応じて適宜選択することができる。 Thereafter, a sizing treatment can be performed to impart convergence to the obtained carbon fiber. As the sizing agent, a sizing agent having good compatibility with the resin can be appropriately selected according to the type of resin used.
このようにして得られた炭素繊維は、プリプレグ化したのち複合材料に成形することもできるし、織物などのプリフォームとした後、ハンドレイアップ法、プルトルージョン法、レジントランスファーモールディング法などにより複合材料に成形することもできる。また、フィラメントワインディング法や、チョップドファイバーやミルドファイバー化した後射出成形することにより複合材料に成形することができる。 The carbon fiber obtained in this way can be prepreg and then molded into a composite material. After forming a preform such as a woven fabric, it is combined by a hand lay-up method, a pultrusion method, a resin transfer molding method, etc. It can also be formed into a material. Further, it can be formed into a composite material by a filament winding method or by injection molding after chopped fiber or milled fiber.
以下、実施例を用いて、本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例等によりなんら限定されるものではない。各実施例の製造条件は表1に、得られた耐炎化繊維および炭素繊維の特性は表2、表3にまとめて示す。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely using an Example, this invention is not limited at all by these Examples. The production conditions of each example are summarized in Table 1, and the characteristics of the obtained flame-resistant fibers and carbon fibers are summarized in Tables 2 and 3.
本実施例中の各測定値は以下の方法により測定した。
<耐炎化繊維の面間隔d002>
40mm長に切断した繊維束を20mg精秤し、試料繊維軸が正確に平行になるようにそろえた後、薄いコロジオン液を含浸させ幅1mmの厚さが均一な角柱試料を作製した。得られた試料について、理学電機社製X線回折装置を用いて測定した。測定条件は、X線源としてNiフィルターにより単色化したCuKα線を用い、出力40KV−20mA、計数管としてシンチレーションカウンターを用い測定を行った。2θ=24〜26°近傍の面指数(002)に対応した回折ピークのBragg角θから、下記4式により面間隔d002を求めた。
Each measured value in this example was measured by the following method.
<Surface spacing d 002 of flame resistant fiber>
20 mg of a fiber bundle cut to a length of 40 mm was precisely weighed and aligned so that the sample fiber axes were exactly parallel, and then impregnated with a thin collodion solution to prepare a prism sample having a uniform thickness of 1 mm. The obtained sample was measured using an X-ray diffractometer manufactured by Rigaku Corporation. The measurement was carried out using CuKα rays monochromated with a Ni filter as an X-ray source, an output of 40 KV-20 mA, and a scintillation counter as a counter. From the Bragg angle θ of the diffraction peak corresponding to the surface index (002) in the vicinity of 2θ = 24 to 26 °, the surface interval d 002 was determined by the following four equations.
面間隔d002(nm)=λ/{2×sinθ} ・・・(4式)
λ:X線の波長=0.15418nm
θ:Bragg角
<耐炎化繊維の環化度>
耐炎化繊維を凍結粉砕し粉末の試料とした後、2mgを精秤し、300mgの臭化カリウム粉末(merck社製、FT−IR用)と十分混合した後、加圧成形し直径約13mmの錠剤試料を作製した。得られた試料を、パーキンエルマー社製Paragon1000赤外分光光度計を用い測定し、1000cm-1から3000cm-1の吸収スペクトルを得た。得られたスペクトルから1600cm-1のナフチリジン環に対応する吸収ピーク値および2240cm-1のニトリル基に対応する吸収ピーク値を読みとり、下記5式に従い算出した。
Interplanar distance d 002 (nm) = λ / {2 × sin θ} (Expression 4)
λ: X-ray wavelength = 0.15418 nm
θ: Bragg angle <degree of cyclization of flame resistant fiber>
The flame-resistant fiber was freeze-pulverized to obtain a powder sample, and 2 mg was accurately weighed and thoroughly mixed with 300 mg potassium bromide powder (made by Merck, for FT-IR), and then pressure-molded to obtain a diameter of about 13 mm. Tablet samples were made. The obtained sample was measured using a Paragon 1000 infrared spectrophotometer manufactured by Perkin Elmer, Inc., and an absorption spectrum of 1000 cm −1 to 3000 cm −1 was obtained. From the obtained spectrum, an absorption peak value corresponding to 1600 cm −1 naphthyridine ring and an absorption peak value corresponding to 2240 cm −1 nitrile group were read and calculated according to the following formula (5).
環化度=I1600/I2240 ・・・(5式)
I1600:1600cm-1のナフチリジン環に対応する吸収ピーク値
I2240:2240cm-1のニトリル基に対応する吸収ピーク値
<耐炎化繊維の比重>
耐炎化繊維の比重測定はJIS R7601記載の方法に従った。試薬はエタノール(和光純薬社製特級)を精製せずに用いた。1.0〜1.5gの耐炎化繊維束を採取し、120℃で2時間絶乾した。絶乾重量(A)を測定したのち、比重既知(比重ρ)のエタノールに含浸し、エタノール中の耐炎化繊維束重量(B)を測定した。下記7式に従い比重を算出した。
Degree of cyclization = I 1600 / I 2240 (5 formulas)
I 1600 : Absorption peak value corresponding to a naphthyridine ring of 1600 cm -1 I 2240 : Absorption peak value corresponding to a nitrile group of 2240 cm -1 <specific gravity of flameproof fiber>
The specific gravity of the flameproof fiber was measured according to the method described in JIS R7601. As a reagent, ethanol (special grade manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used without purification. 1.0 to 1.5 g of flameproof fiber bundle was collected and dried at 120 ° C. for 2 hours. After the absolute dry weight (A) was measured, it was impregnated with ethanol having a known specific gravity (specific gravity ρ), and the flame-resistant fiber bundle weight (B) in ethanol was measured. The specific gravity was calculated according to the following formula (7).
耐炎糸比重=(A×ρ)/(A−B) ・・・(7式)
<炭素繊維の窒素含有量>
柳本製作所CHNCorder ModelMT−3を用いて測定した。試料は重量約1〜2mgを精秤して用いた。燃焼条件は、試料分解用炉温度930℃、酸化用炉温度850℃、還元用炉温度550℃、ヘリウム流量180ml/分、酸素流量20ml/分とした。
<炭素繊維の結晶サイズ>
40mm長に切断した繊維束を20mg精秤し、試料繊維軸が正確に平行になるようにそろえた後、薄いコロジオン液を含浸させ幅1mmの厚さが均一な角柱試料を作製した。得られた試料について、理学電機社製X線回折装置を用いて測定した。測定条件は、X線源としてNiフィルターにより単色化したCuKα線を用い、出力40KV−20mA、計数管としてシンチレーションカウンターを用い測定を行った。2θ=25〜26°近傍の面指数(002)に対応した回折ピークの半価幅Beから、下記6式により結晶サイズLcを求めた。
Flameproof yarn specific gravity = (A × ρ) / (A−B) (Expression 7)
<Nitrogen content of carbon fiber>
It measured using Yanagimoto Seisakusho CHNCorder ModelMT-3. The sample weighed about 1-2 mg and used it. The combustion conditions were a sample decomposition furnace temperature of 930 ° C., an oxidation furnace temperature of 850 ° C., a reduction furnace temperature of 550 ° C., a helium flow rate of 180 ml / min, and an oxygen flow rate of 20 ml / min.
<Crystal size of carbon fiber>
20 mg of a fiber bundle cut to a length of 40 mm was precisely weighed and aligned so that the sample fiber axes were exactly parallel, and then impregnated with a thin collodion solution to prepare a prism sample having a uniform thickness of 1 mm. The obtained sample was measured using an X-ray diffractometer manufactured by Rigaku Corporation. The measurement was carried out using CuKα rays monochromated by a Ni filter as an X-ray source, an output of 40 KV-20 mA, and a scintillation counter as a counter. From the half-value width Be of the diffraction peak corresponding to the plane index (002) in the vicinity of 2θ = 25 to 26 °, the crystal size Lc was obtained by the following six equations.
結晶サイズLc(nm)=λ/(B0×COSθ) ・・・(6式)
λ:X線の波長=0.15148nm
B0=(Be2−B12)1/2
(B1は装置定数。ここでは1.046×10-2rad)
θ=Bragg角
<炭素繊維の抵抗率測定>
炭素繊維の抵抗率は以下の8式により求めた。
抵抗率(Ω・cm)=R×S/50 ・・・(8式)
ここでRおよびSは次の通り測定により求めた。まず、炭素繊維束より単繊維1本を取りだし、試長10cmで4端子法により電気抵抗値を測定した。同様に異なる単繊維について、n=10で電気抵抗値の測定を行いその平均値をR(Ω)とした。次に炭素繊維束の1m当たりの重量および比重を測定し下記9式より、単糸1本当たりの断面積Sを算出した。
Crystal size Lc (nm) = λ / (B0 × COSθ) (6)
λ: X-ray wavelength = 0.15148 nm
B0 = (Be 2 −B1 2 ) 1/2
(B1 is a device constant. Here, 1.046 × 10 −2 rad)
θ = Bragg angle <Resistivity measurement of carbon fiber>
The resistivity of the carbon fiber was determined by the following eight formulas.
Resistivity (Ω · cm) = R × S / 50 (8 formulas)
Here, R and S were determined by measurement as follows. First, one single fiber was taken out from the carbon fiber bundle, and the electrical resistance value was measured by a 4-terminal method with a test length of 10 cm. Similarly, for different single fibers, the electrical resistance value was measured at n = 10, and the average value was defined as R (Ω). Next, the weight and specific gravity per meter of the carbon fiber bundle were measured, and the cross-sectional area S per single yarn was calculated from the following nine formulas.
断面積S(cm2)=(A/100)/B/C ・・・(9式)
A:炭素繊維束の1m当たりの重量(g/m)
B:炭素繊維束の比重(g/cm3)
C:炭素繊維束の単繊維本数(本)
なお、比重はJIS R7601記載の方法に従った。試薬はエタノール(和光純薬社製特級)を精製せずに用いた。1.0〜1.5gの炭素繊維束を採取し、重量(D)を測定したのち、比重既知(比重ρ)のエタノールに含浸し、エタノール中の耐炎化繊維束重量(E)を測定した。下記10式に従い比重を算出した。
Cross-sectional area S (cm 2 ) = (A / 100) / B / C (9 formulas)
A: Weight of carbon fiber bundle per meter (g / m)
B: Specific gravity of carbon fiber bundle (g / cm 3 )
C: Number of single fibers of carbon fiber bundle (number)
In addition, specific gravity followed the method of JISR7601. As a reagent, ethanol (special grade manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used without purification. After collecting 1.0 to 1.5 g of carbon fiber bundles and measuring the weight (D), the carbon fiber bundles were impregnated with ethanol having a known specific gravity (specific gravity ρ), and the flame-resistant fiber bundle weight (E) in ethanol was measured. . Specific gravity was calculated according to the following 10 formulas.
耐炎化繊維束比重=(D×ρ)/(D−E) ・・・(10式)
<炭素繊維の強度、弾性率測定>
JIS R7601に従って測定した。なお、試験片は、次の樹脂組成物を炭素繊維に含浸し、130℃で35分熱処理の硬化条件により作製した。
Flameproof fiber bundle specific gravity = (D × ρ) / (DE) (10)
<Measurement of carbon fiber strength and elastic modulus>
It measured according to JIS R7601. The test piece was prepared by impregnating carbon fiber with the following resin composition and curing conditions of heat treatment at 130 ° C. for 35 minutes.
樹脂組成:3、4−エポキシシクロヘキシルメチル−3、4−エポキシ−シクロヘキサン−カルボキシレート(100重量部)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(3重量部)/アセトン(4重量部)
3、4−エポキシシクロヘキシルメチル−3、4−エポキシ−シクロヘキサン−カルボキシレートとしては、ユニオンカーバイド社製ERL−4221を用いた。
[実施例1]
アクリロニトリル99.5モル%とイタコン酸0.5モル%からなる共重合体をジメチルスルホキシドを溶媒とする溶液重合法により重合し、さらにアンモニアガスをpHが8.5になるまで吹き込み、イタコン酸を中和しつつ、アンモニウム基をアクリル系共重合体に導入し、共重合成分の含有率が22重量%の紡糸原液を得た。
Resin composition: 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexane-carboxylate (100 parts by weight) / 3 boron fluoride monoethylamine (3 parts by weight) / acetone (4 parts by weight)
As 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexane-carboxylate, ERL-4221 manufactured by Union Carbide Corporation was used.
[Example 1]
A copolymer consisting of 99.5 mol% of acrylonitrile and 0.5 mol% of itaconic acid was polymerized by a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide as a solvent, and ammonia gas was blown until the pH reached 8.5, and itaconic acid was added. While neutralizing, an ammonium group was introduced into the acrylic copolymer to obtain a spinning dope having a copolymer component content of 22% by weight.
この紡糸原液を、40℃で、直径0.15mm、孔数3、000の紡糸口金を用い、一旦空気中に吐出し、約4mmの空間を通過させた後、3℃にコントロールした35%ジメチルスルホキシドの水溶液からなる凝固浴に導入する乾湿式紡糸法により凝固糸条とした。 This spinning dope was discharged into air at 40 ° C. using a spinneret having a diameter of 0.15 mm and a hole number of 3,000, passed through a space of about 4 mm, and then 35% dimethyl controlled at 3 ° C. A coagulated yarn was obtained by a dry and wet spinning method introduced into a coagulation bath made of an aqueous solution of sulfoxide.
この凝固糸条を、水洗した後、温水中で3.5倍に延伸し、さらにアミノ変性シリコーン系シリコーン油剤を付与して延伸糸を得た。 The coagulated yarn was washed with water, then stretched 3.5 times in warm water, and further an amino-modified silicone-based silicone oil was applied to obtain a stretched yarn.
この延伸糸を、160℃の加熱ローラーを用いて、乾燥緻密化処理を行い、0.3MPa−Gの加圧スチーム中で延伸することにより、製糸全延伸倍率が13倍とし、単繊維繊度1.1dtex、単繊維本数3000本のポリアクリロニトリル繊維を得た。 The drawn yarn is dried and densified using a 160 ° C. heating roller, and drawn in 0.3 MPa-G pressurized steam, so that the total draw ratio of yarn production is 13 times, and the single fiber fineness is 1 .1 dtex, 3000 polyacrylonitrile fibers were obtained.
得られたポリアクリロニトリル繊維を合糸し、単繊維本数12000本とし、以下の有機化合物および酸化剤からなる液相中で、200℃、2時間熱処理し、耐炎化繊維を得た。ポリアクリロニトリル繊維は連続的に供給し、耐炎化処理時のトータルの延伸比は1.2とした。 The obtained polyacrylonitrile fiber was combined into 12,000 single fibers, and heat-treated at 200 ° C. for 2 hours in a liquid phase composed of the following organic compound and oxidizing agent to obtain flame-resistant fibers. Polyacrylonitrile fiber was continuously supplied, and the total draw ratio during the flameproofing treatment was 1.2.
有機化合物:o-トルイジン 50重量部
酸化剤 :o-ニトロトルエン 50重量部
この耐炎化繊維を、水洗し、280℃で5分間乾燥した後、不活性雰囲気中、昇温速度500℃/分で、300℃から1000℃まで昇温、予備炭化処理し、次に不活性雰囲気中最高温度1400℃で炭化処理し、炭素繊維を得た。
Organic compound: 50 parts by weight of o-toluidine Oxidizing agent: 50 parts by weight of o-nitrotoluene The flameproofed fiber was washed with water and dried at 280 ° C. for 5 minutes, and then heated in an inert atmosphere at a heating rate of 500 ° C./min. The temperature was raised from 300 ° C. to 1000 ° C., pre-carbonized, and then carbonized at a maximum temperature of 1400 ° C. in an inert atmosphere to obtain carbon fibers.
得られた耐炎化繊維および炭素繊維の物性を前述の方法により測定した。測定結果を表2および3にまとめて示す。
[実施例2]
液相中での熱処理時間を4時間にした以外は実施例1と同様にして、耐炎化繊維および炭素繊維を得て、各物性を評価した。測定結果を表2にまとめて示す。
[実施例3]
用いる液相中の有機化合物をジエチレングリコールに変え、液相中での熱処理時間を1時間にした以外は実施例1と同様にして、耐炎化繊維および炭素繊維を得て、各物性を評価した。測定結果を表2にまとめて示す。
[実施例4]
用いる液相中の有機化合物をジエタノールアミンに変え、液相中での熱処理時間を1時間にした以外は実施例1と同様にして、耐炎化繊維および炭素繊維を得て、各物性を評価した。測定結果を表2にまとめて示す。
[実施例5]
用いる液相中の有機化合物を1,8−ジアザビシクロウンデセン(5,4,0)−7に変え、液相中での熱処理時間を1時間にした以外は実施例1と同様にして、耐炎化繊維および炭素繊維を得て、各物性を評価した。測定結果を表2にまとめて示す。
[比較例1]
実施例1に記載した方法により得られたポリアクリロニトリル繊維を合糸し、単繊維本数12000本とし、空気中で、240℃、2時間耐炎化処理し、耐炎化繊維を得た。ポリアクリロニトリル繊維は連続的に供給し、耐炎化処理時のトータルの延伸比は1.0とした。
The physical properties of the obtained flame-resistant fiber and carbon fiber were measured by the method described above. The measurement results are summarized in Tables 2 and 3.
[Example 2]
Except for setting the heat treatment time in the liquid phase to 4 hours, flame-resistant fibers and carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1, and each physical property was evaluated. The measurement results are summarized in Table 2.
[Example 3]
Flame retardant fibers and carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic compound in the liquid phase used was changed to diethylene glycol and the heat treatment time in the liquid phase was changed to 1 hour, and each physical property was evaluated. The measurement results are summarized in Table 2.
[Example 4]
Flame retardant fibers and carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic compound in the liquid phase to be used was changed to diethanolamine and the heat treatment time in the liquid phase was changed to 1 hour, and each physical property was evaluated. The measurement results are summarized in Table 2.
[Example 5]
The organic compound in the liquid phase to be used was changed to 1,8-diazabicycloundecene (5,4,0) -7, and the heat treatment time in the liquid phase was changed to 1 hour. Then, flame-resistant fibers and carbon fibers were obtained, and each physical property was evaluated. The measurement results are summarized in Table 2.
[Comparative Example 1]
Polyacrylonitrile fibers obtained by the method described in Example 1 were combined to obtain 12,000 single fibers, and subjected to flame resistance treatment at 240 ° C. for 2 hours in air to obtain flame resistant fibers. Polyacrylonitrile fiber was continuously supplied, and the total draw ratio during the flameproofing treatment was 1.0.
この耐炎化繊維を実施例1に記載した方法により炭化処理し、炭素繊維を得た。
得られた耐炎化繊維および炭素繊維の物性を前述の方法により測定した。測定結果を表2および3にまとめて示す。
[比較例2]
用いる液相中の有機化合物をジエチレングリコールのみに変え、液相中での熱処理時間を1時間にした以外は実施例1と同様にして、耐炎化繊維および炭素繊維を得て、各物性を評価した。測定結果を表2にまとめて示す。
[比較例3]
用いる液相中の有機化合物をジエチレングリコールのみに変え、液相中での熱処理温度を240℃、熱処理時間を0.5時間にした以外は実施例1と同様にして、耐炎化繊維および炭素繊維を得て、各物性を評価した。測定結果を表2にまとめて示す。
[比較例4]
液相中での熱処理温度を240℃、熱処理時間を0.5時間にした以外は実施例3と同様にして、耐炎化繊維および炭素繊維を得て、各物性を評価した。測定結果を表2にまとめて示す。
[実施例6]実施例1に記載した方法により得られたポリアクリロニトリル繊維を合糸し、単繊維本数12000本とし、空気中で、240℃、2時間耐炎化処理した後、有機化合物としてジエタノールアミンのみからなる液相中で210℃、0.5時間熱処理し、耐炎化繊維を得た。ポリアクリロニトリル繊維は連続的に供給し、耐炎化処理時のトータルの延伸比は1.2とした。
This flame resistant fiber was carbonized by the method described in Example 1 to obtain carbon fiber.
The physical properties of the obtained flame-resistant fiber and carbon fiber were measured by the method described above. The measurement results are summarized in Tables 2 and 3.
[Comparative Example 2]
Flame retardant fibers and carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that the organic compound in the liquid phase used was changed to only diethylene glycol and the heat treatment time in the liquid phase was changed to 1 hour, and each physical property was evaluated. . The measurement results are summarized in Table 2.
[Comparative Example 3]
In the same manner as in Example 1 except that the organic compound in the liquid phase used was changed to only diethylene glycol, the heat treatment temperature in the liquid phase was 240 ° C., and the heat treatment time was 0.5 hours, Each physical property was evaluated. The measurement results are summarized in Table 2.
[Comparative Example 4]
Flame-resistant fibers and carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 3 except that the heat treatment temperature in the liquid phase was 240 ° C. and the heat treatment time was 0.5 hours, and each physical property was evaluated. The measurement results are summarized in Table 2.
[Example 6] Polyacrylonitrile fibers obtained by the method described in Example 1 were combined to make 12,000 single fibers, subjected to flame resistance treatment in air at 240 ° C for 2 hours, and then diethanolamine as an organic compound. Heat-treated at 210 ° C. for 0.5 hour in a liquid phase consisting of only flame-resistant fibers was obtained. Polyacrylonitrile fiber was continuously supplied, and the total draw ratio during the flameproofing treatment was 1.2.
この耐炎化繊維を実施例1に記載した方法により炭化処理し、炭素繊維を得た。
得られた耐炎化繊維および炭素繊維の物性を前述の方法により測定した。測定結果を表2にまとめて示す。
[実施例7]
用いる有機化合物をN−アミノエチルエタノールアミンのみの液相に変え、液相中での熱処理温度を140℃、熱処理時間を0.5時間にした以外は実施例6と同様にして、耐炎化繊維および炭素繊維を得て、各物性を評価した。測定結果を表2にまとめて示す。
[実施例8]
用いる有機化合物をジエタノールトリアミンのみの液相に変え、液相中での熱処理温度を140℃、熱処理時間を0.5時間にした以外は実施例6と同様にして、耐炎化繊維および炭素繊維を得て、各物性を評価した。測定結果を表2にまとめて示す。
[実施例9]
用いる有機化合物をトリエタノールテトラミンのみの液相に変え、液相中での熱処理温度を140℃、熱処理時間を0.5時間にした以外は実施例6と同様にして、耐炎化繊維および炭素繊維を得て、各物性を評価した。測定結果を表2にまとめて示す。
[実施例10]
用いる有機化合物をN−アミノエチルテトラミンのみの液相に変え、液相中での熱処理温度を140℃、熱処理時間を0.5時間にした以外は実施例6と同様にして、耐炎化繊維および炭素繊維を得て、各物性を評価した。測定結果を表2にまとめて示す。
[実施例11]炭化処理の最高温度を1700℃に変えた以外は実施例1と同様に、炭素繊維を得た。各物性の測定結果を表3にまとめて示す。
[比較例5]炭化処理の最高温度を1700℃に変えた以外は比較例1と同様に、炭素繊維を得た。各物性の測定結果を表3にまとめて示す。
This flame resistant fiber was carbonized by the method described in Example 1 to obtain carbon fiber.
The physical properties of the obtained flame-resistant fiber and carbon fiber were measured by the method described above. The measurement results are summarized in Table 2.
[Example 7]
Flame-resistant fiber was obtained in the same manner as in Example 6 except that the organic compound used was changed to a liquid phase containing only N-aminoethylethanolamine, the heat treatment temperature in the liquid phase was 140 ° C., and the heat treatment time was 0.5 hours. And carbon fiber was obtained and each physical property was evaluated. The measurement results are summarized in Table 2.
[Example 8]
The flameproof fiber and carbon fiber were changed in the same manner as in Example 6 except that the organic compound used was changed to a liquid phase containing only diethanoltriamine, the heat treatment temperature in the liquid phase was 140 ° C., and the heat treatment time was 0.5 hour. Each physical property was evaluated. The measurement results are summarized in Table 2.
[Example 9]
Flame-resistant fibers and carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 6 except that the organic compound used was changed to a liquid phase containing only triethanoltetramine, the heat treatment temperature in the liquid phase was 140 ° C., and the heat treatment time was 0.5 hours. Each physical property was evaluated. The measurement results are summarized in Table 2.
[Example 10]
In the same manner as in Example 6, except that the organic compound used was changed to a liquid phase containing only N-aminoethyltetramine, the heat treatment temperature in the liquid phase was 140 ° C., and the heat treatment time was 0.5 hours, Carbon fiber was obtained and each physical property was evaluated. The measurement results are summarized in Table 2.
[Example 11] Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that the maximum carbonization temperature was changed to 1700 ° C. Table 3 summarizes the measurement results of each physical property.
[Comparative Example 5] Carbon fibers were obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the maximum temperature of the carbonization treatment was changed to 1700 ° C. Table 3 summarizes the measurement results of each physical property.
表2および表3に示すとおり、本発明の耐炎化繊維および炭素繊維の製造方法によると、炭化収率の向上が可能となり、また本発明の炭素繊維は、同程度の弾性率を有する従来の炭素繊維と比べて、窒素含有量が低く電気伝導性に優れることがわかる。 As shown in Tables 2 and 3, according to the flame-resistant fiber and carbon fiber production method of the present invention, it is possible to improve the carbonization yield, and the carbon fiber of the present invention has a conventional elasticity having the same degree of elasticity. It can be seen that the nitrogen content is low and the electrical conductivity is excellent compared to carbon fiber.
Claims (8)
増量率={Wo・DR−Wp}/Wp×100 ・・・(1式)
Wo:耐炎化繊維重量(g/m)
Wp:前駆体繊維重量(g/m)
DR:耐炎化処理時のトータル延伸比 A method for producing flame-resistant fibers, wherein the precursor fibers are heat-treated at 50 to 400 ° C. in the presence of at least one organic compound so that the weight increase rate represented by the following formula 1 is 10 to 1000%.
Increase rate = {Wo · DR−Wp} / Wp × 100 (1 formula)
Wo: Flame resistant fiber weight (g / m)
Wp: Precursor fiber weight (g / m)
DR: Total stretch ratio during flameproofing treatment
0<NC<−5.5×Lc+13.3 ・・・(2式)
1.75<Lc<2.40 ・・・(3式) A polyacrylonitrile-based carbon fiber having a nitrogen content NC (% by weight) and a crystal size Lc (nm) satisfying the following formulas 2 and 3.
0 <NC <−5.5 × Lc + 13.3 (2 formulas)
1.75 <Lc <2.40 (3 formulas)
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- 2003-10-07 JP JP2003348148A patent/JP2005113305A/en active Pending
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