JP2005273069A - Carbon fiber and method for producing the same - Google Patents

Carbon fiber and method for producing the same Download PDF

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Hiroshi Sakurai
博志 櫻井
Tetsuo Ban
哲夫 伴
Shigeki Hirata
滋己 平田
Toru Sawaki
透 佐脇
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultra fine carbon fiber having improved electric conductivity, and to provide a method for producing the same. <P>SOLUTION: This carbon fiber having a fiber diameter of 0.001μm to 2μm and a B element content concentration of 0.5 to 100 ppm, and substantially having a branched structure. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は炭素繊維に関する。更に詳しくは、本発明は、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体からなる混合物から製造した極細炭素繊維に関する。   The present invention relates to carbon fibers. More specifically, the present invention relates to an ultrafine carbon fiber produced from a mixture comprising a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor.

炭素繊維は高強度、高弾性率、高導電性、軽量等の優れた特性を有している事から、高性能複合材料のフィラーとして使用されている。その用途は、従来からの機械的強度向上を目的とした補強用フィラーに留まらず、炭素材料に備わった高導電性を生かし、電磁波シールド材、静電防止材用の導電性樹脂フィラーとして期待されている。また炭素材料としての化学的安定性、熱的安定性と微細構造との特徴を生かし、フラットディスプレー等の電界電子放出材料としての用途も期待されている。   Carbon fibers are used as fillers for high-performance composite materials because they have excellent properties such as high strength, high elastic modulus, high conductivity, and light weight. Its use is not limited to conventional reinforcing fillers intended to improve mechanical strength, but is expected to be used as a conductive resin filler for electromagnetic shielding materials and antistatic materials, taking advantage of the high conductivity of carbon materials. ing. In addition, it is expected to be used as a field electron emission material such as a flat display by utilizing the characteristics of chemical stability, thermal stability and fine structure as a carbon material.

このような、高性能複合材料用としての炭素繊維として、気相法を用いた炭素繊維が報告されている。   As such a carbon fiber for a high-performance composite material, a carbon fiber using a vapor phase method has been reported.

気相法を用いた製造法としては、たとえばベンゼン等の有機化合物を原料とし、触媒としてフェロセン等の有機遷移金属化合物をキャリアーガスとともに高温の反応炉に導入し、基盤上に生成させる方法(例えば、特許文献1を参照。)、浮遊状態で気相法により炭素繊維を生成させる方法(例えば、特許文献2を参照。)、あるいは反応炉壁に成長させる方法(例えば、特許文献3を参照。)等の方法により製造される。   As a production method using a gas phase method, for example, an organic compound such as benzene is used as a raw material, and an organic transition metal compound such as ferrocene is introduced into a high-temperature reactor as a catalyst together with a carrier gas, and is generated on a substrate (for example, , See Patent Document 1), a method of generating carbon fibers by a vapor phase method in a floating state (see, for example, Patent Document 2), or a method of growing on a reaction furnace wall (see, for example, Patent Document 3). ) And the like.

しかし、一般にこれらの方法で作った黒鉛は、アクセプターやドナーとなりうる原子を含有しないため、原子価帯と伝導帯がわずかにオーバーラップし、半金属となってしまう。このため、電気伝導性が低いといった問題があった。   However, in general, graphite produced by these methods does not contain an atom that can be an acceptor or a donor, so that the valence band and the conduction band slightly overlap and become a semimetal. For this reason, there existed a problem that electrical conductivity was low.

上記を解決する方法として、菱山らは、膨張黒鉛をロール成形して作られた黒鉛シートをBCと3000℃処理石油コークスの混合粉末中に埋め、アルゴン気流中2500℃で30分間加熱処理することによりホウ素固溶量の異なる黒鉛シートを作製し、ホウ素のドープ量の増加に伴い電気抵抗率が低下することを報告している(非特許文献1を参照。)。 As a method for solving the above, Hishiyama et al. Embedded a graphite sheet produced by roll forming expanded graphite in a mixed powder of B 4 C and 3000 ° C.-treated petroleum coke, and heat-treated at 2500 ° C. for 30 minutes in an argon stream. By doing so, graphite sheets having different boron solid solution amounts were produced, and it has been reported that the electrical resistivity decreases as the boron doping amount increases (see Non-Patent Document 1).

しかし、形状がシート状であり、高性能複合材料用としての炭素繊維、特に分岐構造を有さない極細炭素繊維の系に適用された報告はこれまで無かった。   However, there has been no report so far applied to a system of a carbon fiber for use in a high-performance composite material, particularly an ultrafine carbon fiber having no branched structure.

特開昭60−27700号公報(第2−3頁)JP-A-60-27700 (page 2-3) 特開昭60−54998号公報(第1−2頁)JP 60-54998 A (page 1-2) 特許第2778434号公報(第1−2頁)Japanese Patent No. 2778434 (page 1-2) 菱山幸宥、カーボンアロイ研究成果報告書、(1998)、P251Koji Hishiyama, Carbon Alloy Research Results Report, (1998), P251

本発明の目的は、上記従来技術が有していた問題点を解消し、電気伝導性の改善された極細炭素繊維及びその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an ultrafine carbon fiber with improved electrical conductivity and a method for producing the same, which solves the problems of the prior art.

本発明者らは、上記従来技術に鑑み鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の目的は、
繊維径(D)が0.001μm〜2μmであり、B元素含有濃度が0.5〜100ppmである、実質的に分岐構造を有さない炭素繊維によって達成される。
As a result of intensive studies in view of the above prior art, the present inventors have completed the present invention.
That is, the object of the present invention is to
This is achieved by carbon fibers having a fiber diameter (D) of 0.001 μm to 2 μm and a B element-containing concentration of 0.5 to 100 ppm and having substantially no branched structure.

また、本発明には、B元素含有量が1.0〜50ppmであること、B元素含有量が2.0〜10ppmであること、繊維長(L)と繊維径(D)との間に下記関係式(1)が成り立つこと、が包含される。
30 < L/D (1)
Moreover, in this invention, B element content is 1.0-50 ppm, B element content is 2.0-10 ppm, between fiber length (L) and fiber diameter (D). It is included that the following relational expression (1) holds.
30 <L / D (1)

また、本発明の他の目的は、
(1)熱可塑性樹脂100重量部並びにピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリカルボジイミド、ポリイミド、ポリベンゾアゾールおよびアラミドよりなる群から選ばれる少なくとも1種の熱可塑性炭素前駆体1〜150重量部からなる混合物から前駆体繊維を形成する工程、(2)前駆体繊維を酸素または酸素/沃素の混合ガス雰囲気下で安定化処理に付して安定化前駆体繊維を形成する工程、(3)安定化前駆体繊維から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成する工程、(4)繊維状炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程を経る炭素繊維の製造方法によって達成される。
Another object of the present invention is to
(1) Precursor from a mixture comprising 1 to 150 parts by weight of a thermoplastic resin and 100 parts by weight of a thermoplastic resin and at least one thermoplastic carbon precursor selected from the group consisting of pitch, polyacrylonitrile, polycarbodiimide, polyimide, polybenzoazole and aramid A step of forming a body fiber, (2) a step of forming a stabilized precursor fiber by subjecting the precursor fiber to stabilization treatment in an oxygen or oxygen / iodine mixed gas atmosphere, and (3) a stabilized precursor fiber. This is achieved by a method for producing carbon fiber that includes a step of forming a fibrous carbon precursor by removing the thermoplastic resin from (4), and a step of carbonizing or graphitizing the fibrous carbon precursor.

更に、本発明の製造方法には、熱可塑性樹脂が下記式(I)で表されること、

Figure 2005273069
熱可塑性樹脂がポリ−4−メチルペンテン−1またはその共重合体であること、熱可塑性樹脂がポリエチレンであること、熱可塑性炭素前駆体がメソフェーズピッチ、ポリアクリロニトリルからなる群より選ばれる少なくとも一種であること、メソフェーズピッチが多環芳香族化合物由来のものであること、多環芳香族化合物がナフタレンまたはナフタレン誘導体であること、メソフェーズピッチのB元素含有量が5ppm以下であること、も包含される。 Furthermore, in the production method of the present invention, the thermoplastic resin is represented by the following formula (I):
Figure 2005273069
The thermoplastic resin is poly-4-methylpentene-1 or a copolymer thereof, the thermoplastic resin is polyethylene, and the thermoplastic carbon precursor is at least one selected from the group consisting of mesophase pitch and polyacrylonitrile. It is also included that the mesophase pitch is derived from a polycyclic aromatic compound, that the polycyclic aromatic compound is naphthalene or a naphthalene derivative, and that the B element content of the mesophase pitch is 5 ppm or less. .

本発明の炭素繊維は従来の黒鉛からなる炭素繊維に比べ、優れた電気伝導性を有するため、フラットディスプレー等の電界電子放出材料、静電防止用高性能複合材料用フィラーとして使用できる。   Since the carbon fiber of the present invention has superior electrical conductivity as compared with the conventional carbon fiber made of graphite, it can be used as a field electron emission material such as a flat display and a filler for high performance composite materials for antistatic.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の炭素繊維は、繊維径(D)が0.001μm〜2μmであり、B元素含有濃度が0.5〜100ppmである、実質的に分岐構造を有さない炭素繊維によって達成される。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The carbon fiber of the present invention is achieved by a carbon fiber having a fiber diameter (D) of 0.001 μm to 2 μm and a B element-containing concentration of 0.5 to 100 ppm and having substantially no branched structure.

一般に黒鉛は原子価帯と伝導帯がわずかにオーバーラップし、半金属である。この黒鉛構造中に、電子が一個少ないホウ素が置換固溶すると、正孔型金属となり、電気伝導性の向上が期待できる。実際に置換固溶されたホウ素はアクセプターとなり、正孔濃度が増加することが知られている。熱力学平衡として置換固溶し得るホウ素量は極めて低いが、黒鉛のキャリヤー数に比べればはるかに大きく、わずかのホウ素置換固溶の物性への影響は非常に大きいことも知られており、本発明が目的とする効果を奏するためには、0.5ppm以上の含有量であることが必要である。一方、B元素含有量が100ppmを超えると、最終的に得られる極細炭素繊維の高結晶性を破壊し、その結果電気伝導性の低下につながるので好ましくない。   In general, graphite is a semimetal with a slight overlap between the valence band and the conduction band. If boron with one electron is substituted and dissolved in this graphite structure, it becomes a hole-type metal, and an improvement in electrical conductivity can be expected. It is known that boron substituted and dissolved actually becomes an acceptor and the hole concentration increases. The amount of boron that can be substituted and dissolved as a thermodynamic equilibrium is very low, but it is far larger than the number of graphite carriers, and it is known that the effect of slight boron-substituted solid solution on the physical properties is very large. In order to achieve the intended effect of the invention, the content must be 0.5 ppm or more. On the other hand, if the B element content exceeds 100 ppm, the high crystallinity of the ultrafine carbon fiber finally obtained is destroyed, resulting in a decrease in electrical conductivity, which is not preferable.

優れた電気伝導特性を得るためには、B元素含有量が1.0〜50ppm、より好ましくは2.0〜10ppmであることが好ましい。また、本発明の炭素繊維は実質上分岐構造を有さない。気相成長法により得られる炭素繊維は分岐構造が多く、その分岐のためにグラファイト構造の乱れ、すなわちグレイン構造が観察され、電気伝導性を低下させるといった問題があった。しかしながら、本発明の炭素繊維は、分岐構造が全く観測されず、透過型電子顕微鏡や電子線回折から、気相成長法により得られる炭素繊維では観測されるグレイン構造が非常に少ないことが分かった。   In order to obtain excellent electric conduction characteristics, the B element content is preferably 1.0 to 50 ppm, more preferably 2.0 to 10 ppm. Moreover, the carbon fiber of the present invention has substantially no branched structure. The carbon fiber obtained by the vapor phase growth method has many branched structures, and because of the branching, the graphite structure is disturbed, that is, the grain structure is observed, and there is a problem that the electrical conductivity is lowered. However, in the carbon fiber of the present invention, no branched structure was observed, and it was found from the transmission electron microscope and electron diffraction that the grain structure observed in the carbon fiber obtained by the vapor phase growth method was very small. .

また、本発明の炭素繊維は、その繊維径(D)が0.001μm〜2μmの範囲にあることが必要である。炭素繊維の繊維径が2μmより大きい場合、高性能複合材料用フィラーとしての性能が著しく低下し好ましくない。一方、繊維径が0.001μm未満であると、かさ密度が非常に大きくなり、ハンドリングが困難となるためいずれも好ましくない。   The carbon fiber of the present invention needs to have a fiber diameter (D) in the range of 0.001 μm to 2 μm. When the fiber diameter of the carbon fiber is larger than 2 μm, the performance as a high-performance composite material filler is remarkably lowered, which is not preferable. On the other hand, if the fiber diameter is less than 0.001 μm, the bulk density becomes very large and handling becomes difficult, which is not preferable.

また、本発明の炭素繊維は、繊維長(L)と繊維径(D)との間に下記関係式(1)が成り立つことが好ましい。
30 < L/D (1)
In the carbon fiber of the present invention, the following relational expression (1) is preferably established between the fiber length (L) and the fiber diameter (D).
30 <L / D (1)

L/Dが30以下の場合、該炭素繊維をリチウム電池の負極電極の補強材として用いようとする際にその性能が著しく低下し好ましくない。より好ましくはL/Dが50以上である。   When L / D is 30 or less, when the carbon fiber is used as a reinforcing material for a negative electrode of a lithium battery, its performance is remarkably lowered, which is not preferable. More preferably, L / D is 50 or more.

上記条件を満足する炭素繊維は、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の混合物から製造される。以下に、本発明で使用する(1)熱可塑性樹脂、(2)熱可塑性炭素前駆体について説明し、ついで(3)熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体から混合物を製造する方法、次いで(4)混合物から炭素繊維を製造する方法、の順に詳細に説明する。   Carbon fibers satisfying the above conditions are produced from a mixture of a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor. The following describes (1) the thermoplastic resin and (2) the thermoplastic carbon precursor used in the present invention, and then (3) a method for producing a mixture from the thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor, and then (4 ) The method for producing carbon fiber from the mixture will be described in detail in this order.

(1)熱可塑性樹脂
本発明で使用する熱可塑性樹脂は、安定化前駆体繊維を製造後、容易に除去される必要がある。このため、酸素または不活性ガス雰囲気下、350℃以上600℃未満の温度で5時間保持することで、初期重量の15wt%以下、より好ましくは10wt%以下、さらには5wt%以下にまで分解する熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。
(1) Thermoplastic resin The thermoplastic resin used in the present invention needs to be easily removed after the production of the stabilized precursor fiber. For this reason, it is decomposed | disassembled to 15 wt% or less of the initial weight, more preferably 10 wt% or less, and further 5 wt% or less by hold | maintaining for 5 hours at the temperature of 350 degreeC or more and less than 600 degreeC in oxygen or an inert gas atmosphere. It is preferable to use a thermoplastic resin.

このような熱可塑性樹脂として、ポリオレフィン、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリレート系ポリマー、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ポリサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等が好ましく使用される。これらの中でもガス透過性が高く、容易に熱分解しうる熱可塑性樹脂として、例えば下記式(I)で表されるポリオレフィン系の熱可塑性樹脂やポリエチレンなどが好ましく使用される。   As such a thermoplastic resin, a polyacrylate polymer such as polyolefin, polymethacrylate, or polymethyl methacrylate, polystyrene, polycarbonate, polyarylate, polyester carbonate, polysulfone, polyimide, polyetherimide, or the like is preferably used. Among these, as a thermoplastic resin that has high gas permeability and can be easily thermally decomposed, for example, a polyolefin-based thermoplastic resin represented by the following formula (I) or polyethylene is preferably used.

Figure 2005273069
Figure 2005273069

上記式(I)で表される化合物の具体的な例としては、ポリ−4−メチルペンテン−1やポリ−4−メチルペンテン−1の共重合体、例えばポリ−4−メチルペンテン−1にビニル系モノマーが共重合したポリマーなどや、ポリエチレンを例示することができ、ポリエチレンとしては、高圧法低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレンなどのエチレンの単独重合体またはエチレンとα−オレフィンとの共重合体;エチレン・酢酸ビニル共重合体などのエチレンと他のビニル系単量体との共重合体等が挙げられる。   Specific examples of the compound represented by the formula (I) include poly-4-methylpentene-1 and a copolymer of poly-4-methylpentene-1, such as poly-4-methylpentene-1. Examples of the polymer copolymerized with vinyl monomers and polyethylene include polyethylene homopolymers such as high-pressure low-density polyethylene, medium-density polyethylene, high-density polyethylene, and linear low-density polyethylene. Or a copolymer of ethylene and an α-olefin; a copolymer of ethylene and another vinyl monomer such as an ethylene / vinyl acetate copolymer;

エチレンと共重合されるα−オレフィンとしては、例えば、プロピレン、1−ブテン、1−ヘキセン、1−オクテンなどが挙げられる。他のビニル系単量体としては、例えば、酢酸ビニル等のビニルエステル;(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸n−ブチル等の(メタ)アクリル酸およびそのアルキルエステルなどが挙げられる。   Examples of the α-olefin copolymerized with ethylene include propylene, 1-butene, 1-hexene, 1-octene and the like. Examples of other vinyl monomers include vinyl esters such as vinyl acetate; (meth) acrylic acid, methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate ( And meth) acrylic acid and alkyl esters thereof.

また、本発明の熱可塑性樹脂は熱可塑性炭素前駆体と容易に溶融混練できるという点から、非晶性の場合、ガラス転移温度が250℃以下、結晶性の場合、結晶融点が300℃以下であることが好ましい。   In addition, the thermoplastic resin of the present invention can be easily melt-kneaded with a thermoplastic carbon precursor, so that when amorphous, the glass transition temperature is 250 ° C. or lower, and when crystalline, the crystalline melting point is 300 ° C. or lower. Preferably there is.

(2)熱可塑性炭素前駆体
本発明に用いられる熱可塑性炭素前駆体は、酸素または酸素/沃素の混合ガス雰囲気下、200℃以上350℃未満で2〜30時間保持した後、次いで350℃以上500℃未満の温度で5時間保持することで、初期重量の80wt%以上が残存する熱可塑性炭素前駆体を用いるのが好ましい。上記条件で、残存量が初期重量の80%未満であると、熱可塑性炭素前駆体から充分な炭化率で炭素繊維を得ることができず、好ましくない。
(2) Thermoplastic carbon precursor The thermoplastic carbon precursor used in the present invention is maintained at 200 ° C. or higher and lower than 350 ° C. for 2 to 30 hours in an oxygen or oxygen / iodine mixed gas atmosphere, and then 350 ° C. or higher. It is preferable to use a thermoplastic carbon precursor in which 80 wt% or more of the initial weight remains by holding at a temperature of less than 500 ° C. for 5 hours. Under the above conditions, if the residual amount is less than 80% of the initial weight, carbon fibers cannot be obtained with a sufficient carbonization rate from the thermoplastic carbon precursor, which is not preferable.

より好ましくは、上記条件において初期重量の85%以上が残存することである。上記条件を満たす熱可塑性炭素前駆体としては、具体的にはレーヨン、ピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリα−クロロアクリロニトリル、ポリカルボジイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンゾアゾール、およびアラミド類等が挙げられ、これらの中でピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリカルボジイミドが好ましく、ピッチがさらに好ましい。   More preferably, 85% or more of the initial weight remains under the above conditions. Specific examples of the thermoplastic carbon precursor that satisfies the above conditions include rayon, pitch, polyacrylonitrile, poly α-chloroacrylonitrile, polycarbodiimide, polyimide, polyetherimide, polybenzoazole, and aramids. Among these, pitch, polyacrylonitrile, and polycarbodiimide are preferable, and pitch is more preferable.

またピッチの中でも一般的に高強度、高弾性率の期待されるメソフェーズピッチが好ましい。なお、メソフェーズピッチとは溶融状態において光学的異方性相(液晶相)を形成しうる化合物を指す。メソフェーズピッチの原料としては石炭や石油の蒸留残渣を使用してもよく、有機化合物を使用しても良いが、安定化や炭素化もしくは黒鉛化のしやすさから、ナフタレン、ナフタレン誘導体等の芳香族炭化水素を原料としたメソフェーズピッチを用いるのが好ましい。   Of the pitches, mesophase pitches which are generally expected to have high strength and high elastic modulus are preferred. The mesophase pitch refers to a compound that can form an optically anisotropic phase (liquid crystal phase) in a molten state. As raw materials for mesophase pitch, distillation residue of coal or petroleum may be used, and organic compounds may be used, but fragrances such as naphthalene and naphthalene derivatives are used for ease of stabilization, carbonization or graphitization. It is preferable to use mesophase pitch made of a group hydrocarbon.

また、熱可塑性炭素前駆体のB元素含有量は5ppm以下であることが好ましい。B元素含有量が5ppmを超えると、最終的に得られる極細炭素繊維の高結晶性を破壊し、その結果電気伝導性の低下につながるので好ましくない。   Moreover, it is preferable that B element content of a thermoplastic carbon precursor is 5 ppm or less. If the B element content exceeds 5 ppm, the high crystallinity of the ultrafine carbon fiber finally obtained is destroyed, resulting in a decrease in electrical conductivity, which is not preferable.

上記熱可塑性炭素前駆体は熱可塑性樹脂100重量部に対し1〜150重量部、好ましくは5〜100重量部を使用しうる。   The thermoplastic carbon precursor may be used in an amount of 1 to 150 parts by weight, preferably 5 to 100 parts by weight, based on 100 parts by weight of the thermoplastic resin.

(3)熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とからなる混合物の製造
本発明で使用する混合物は、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体から製造される。本発明で使用する混合物から、繊維径が2μm未満である炭素繊維を製造するためには、熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂中への分散径が0.01〜50μmとなるのが好ましい。熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂(I)中への分散径が0.01〜50μmの範囲を逸脱すると、高性能複合材料用としての炭素繊維を製造することが困難となることがある。熱可塑性炭素前駆体の分散径のより好ましい範囲は0.01〜30μmである。また、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体からなる混合物を、300℃で3分間保持した後、熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂中への分散径が0.01〜50μmであることが好ましい。
(3) Manufacture of the mixture which consists of a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor The mixture used by this invention is manufactured from a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor. In order to produce carbon fibers having a fiber diameter of less than 2 μm from the mixture used in the present invention, the dispersion diameter of the thermoplastic carbon precursor in the thermoplastic resin is preferably 0.01 to 50 μm. When the dispersion diameter of the thermoplastic carbon precursor in the thermoplastic resin (I) deviates from the range of 0.01 to 50 μm, it may be difficult to produce carbon fibers for high-performance composite materials. A more preferable range of the dispersion diameter of the thermoplastic carbon precursor is 0.01 to 30 μm. Moreover, it is preferable that the dispersion diameter in the thermoplastic resin of a thermoplastic carbon precursor is 0.01-50 micrometers after hold | maintaining the mixture which consists of a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor at 300 degreeC for 3 minute (s). .

一般に、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体との溶融混練で得た混合物を、溶融状態で保持しておくと時間と共に熱可塑性炭素前駆体が凝集するが、熱可塑性炭素前駆体の凝集により、分散径が50μmを超えると、高性能複合材料用としての炭素繊維を製造することが困難となることがある。熱可塑性炭素前駆体の凝集速度の程度は、使用する熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体との種類により変動するが、より好ましくは300℃で5分以上、さらに好ましくは300℃で10分以上、0.01〜50μmの分散径を維持していることが好ましい。なお、混合物中で熱可塑性炭素前駆体は島相を形成し、球状あるいは楕円状となるが、本発明で言う分散径とは混合物中で熱可塑性炭素前駆体の球形の直径または楕円体の長軸径を意味する。   Generally, when a mixture obtained by melt-kneading a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor is kept in a molten state, the thermoplastic carbon precursor aggregates with time, but due to the aggregation of the thermoplastic carbon precursor, If the dispersion diameter exceeds 50 μm, it may be difficult to produce carbon fibers for high performance composite materials. The degree of the aggregation rate of the thermoplastic carbon precursor varies depending on the type of the thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor used, but is more preferably 5 minutes or more at 300 ° C., more preferably 10 minutes or more at 300 ° C. It is preferable to maintain a dispersion diameter of 0.01 to 50 μm. The thermoplastic carbon precursor in the mixture forms an island phase and is spherical or elliptical. The dispersion diameter referred to in the present invention is the spherical diameter of the thermoplastic carbon precursor or the length of the ellipsoid in the mixture. It means the shaft diameter.

熱可塑性炭素前駆体の使用量は、熱可塑性樹脂100重量部に対して1〜150重量部、好ましくは5〜100重量部である。熱可塑性炭素前駆体の使用量が150重量部を超えると所望の分散径を有する熱可塑性炭素前駆体が得られず、1重量部未満であると目的とする炭素繊維を安価に製造する事ができない等の問題が生じるため好ましくない。   The usage-amount of a thermoplastic carbon precursor is 1-150 weight part with respect to 100 weight part of thermoplastic resins, Preferably it is 5-100 weight part. If the amount of the thermoplastic carbon precursor used exceeds 150 parts by weight, a thermoplastic carbon precursor having a desired dispersion diameter cannot be obtained, and if it is less than 1 part by weight, the target carbon fiber can be produced at low cost. This is not preferable because problems such as inability to occur occur.

熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とから混合物を製造する方法は、溶融状態における混練が好ましい。熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の溶融混練は公知の方法を必要に応じて用いる事ができ、例えば一軸式溶融混練押出機、二軸式溶融混練押出機、ミキシングロール、バンバリーミキサー等が挙げられる。これらの中で上記熱可塑性炭素前駆体を熱可塑性樹脂に良好にミクロ分散させるという目的から、同方向回転型二軸式溶融混練押出機が好ましく使用される。   As a method for producing a mixture from a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor, kneading in a molten state is preferable. Melting and kneading of the thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor can be carried out by using a known method as required. It is done. Among these, a co-rotating twin-screw melt kneading extruder is preferably used for the purpose of satisfactorily microdispersing the thermoplastic carbon precursor in the thermoplastic resin.

溶融混練温度としては100℃〜400℃で行なうのが好ましい。溶融混練温度が100℃未満であると、熱可塑性炭素前駆体が溶融状態にならず、熱可塑性樹脂とのミクロ分散が困難であるため好ましくない。一方、400℃を超える場合、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の分解が進行するためいずれも好ましくない。溶融混練温度のより好ましい範囲は150℃〜350℃である。   The melt kneading temperature is preferably 100 to 400 ° C. When the melt kneading temperature is less than 100 ° C., the thermoplastic carbon precursor is not in a molten state, and micro-dispersion with the thermoplastic resin is difficult, which is not preferable. On the other hand, when the temperature exceeds 400 ° C., the decomposition of the thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor proceeds, which is not preferable. A more preferable range of the melt kneading temperature is 150 ° C to 350 ° C.

また、溶融混練の時間としては0.5〜20分間、好ましくは1〜15分間である。溶融混練の時間が0.5分間未満の場合、熱可塑性炭素前駆体のミクロ分散が困難であるため好ましくない。一方、20分間を超える場合、炭素繊維の生産性が著しく低下し好ましくない。   The melt kneading time is 0.5 to 20 minutes, preferably 1 to 15 minutes. When the melt kneading time is less than 0.5 minutes, it is not preferable because micro dispersion of the thermoplastic carbon precursor is difficult. On the other hand, when it exceeds 20 minutes, the productivity of carbon fibers is remarkably lowered, which is not preferable.

本発明では、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体から溶融混練により混合物を製造する際に、酸素ガス含有量10%未満のガス雰囲気下で溶融混練することが好ましい。本発明で使用する熱可塑性炭素前駆体は酸素と反応することで溶融混練時に変性不融化してしまい、熱可塑性樹脂中へのミクロ分散を阻害することがある。このため、不活性ガスを流通させながら溶融混練を行い、できるだけ酸素ガス含有量を低下させることが好ましい。より好ましい溶融混練時の酸素ガス含有量は5%未満、さらには1%未満である。上記の方法を実施することで、炭素繊維からなる不織布を製造するための、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体との混合物を製造することができる。   In the present invention, when a mixture is produced from a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor by melt-kneading, it is preferably melt-kneaded in a gas atmosphere having an oxygen gas content of less than 10%. The thermoplastic carbon precursor used in the present invention reacts with oxygen to be modified and infusible at the time of melt kneading, which may inhibit micro-dispersion in the thermoplastic resin. For this reason, it is preferable to perform melt kneading while circulating an inert gas to reduce the oxygen gas content as much as possible. The oxygen gas content during melt kneading is more preferably less than 5%, and further less than 1%. By implementing said method, the mixture of a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor for manufacturing the nonwoven fabric which consists of carbon fibers can be manufactured.

(4)炭素繊維を製造する方法
本発明の炭素繊維は、上述の熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とからなる混合物から製造することができる。即ち、本発明の炭素繊維は、(4−1)熱可塑性樹脂100重量部と熱可塑性炭素前駆体1〜150重量部からなる混合物から前駆体繊維を形成する工程、(4−2)前駆体繊維を安定化処理に付して前駆体繊維中の熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体繊維を形成する工程、(4−3)安定化前駆体繊維から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成する工程、そして、(4−4)繊維状炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程を経ること製造される。各工程について、以下に詳細に説明する。
(4) Method for Producing Carbon Fiber The carbon fiber of the present invention can be produced from a mixture comprising the above-described thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor. That is, the carbon fiber of the present invention comprises (4-1) a step of forming a precursor fiber from a mixture of 100 parts by weight of a thermoplastic resin and 1 to 150 parts by weight of a thermoplastic carbon precursor, (4-2) a precursor. A step of stabilizing the thermoplastic carbon precursor in the precursor fiber to form a stabilized precursor fiber by subjecting the fiber to a stabilization treatment; (4-3) removing the thermoplastic resin from the stabilized precursor fiber; And a step of forming a fibrous carbon precursor, and (4-4) a step of carbonizing or graphitizing the fibrous carbon precursor. Each step will be described in detail below.

(4−1)熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体からなる混合物から前駆体繊維を形成する工程
本発明では、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の溶融混練で得た混合物前駆体繊維を形成する。前駆体繊維を製造する方法としては、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とからなる混合物を紡糸口金より溶融紡糸することにより得る方法などを例示することができる。溶融紡糸する際の紡糸温度としては150℃〜400℃、好ましくは180℃〜350℃である。紡糸引取り速度としては10m/分〜2000m/分である事が好ましい。
(4-1) Step of forming precursor fibers from a mixture comprising a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor In the present invention, a mixture precursor fiber obtained by melt-kneading a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor is formed. To do. Examples of the method for producing the precursor fiber include a method obtained by melt spinning a mixture of a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor from a spinneret. The spinning temperature for melt spinning is 150 ° C to 400 ° C, preferably 180 ° C to 350 ° C. The spinning take-up speed is preferably 10 m / min to 2000 m / min.

また、別法として熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とを溶融混練して得た混合物から、メルトブロー法により前駆体繊維を形成する方法も例示することができる。メルトブローの条件としては、吐出ダイ温度が150〜400℃、ガス温度が150〜400℃の範囲が好適に用いられる。メルトブローの気体噴出速度は、前駆体繊維の繊維径に影響するが、気体噴出速度は、通常2000〜100m/sであり、より好ましくは1000〜200m/sである。   Moreover, the method of forming precursor fiber by the melt blow method from the mixture obtained by melt-kneading a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor as another method can also be illustrated. As the conditions for melt blowing, a range in which the discharge die temperature is 150 to 400 ° C. and the gas temperature is 150 to 400 ° C. is preferably used. Although the gas blowing speed of the melt blow affects the fiber diameter of the precursor fiber, the gas blowing speed is usually 2000 to 100 m / s, more preferably 1000 to 200 m / s.

熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体との混合物を溶融混練し、その後ダイより吐出する際、溶融混練した後溶融状態のままで配管内を送液し吐出ダイまで連続的に送液するのが好ましく、溶融混練から紡糸口金吐出までの移送時間は10分以内である事が好ましい。   When a mixture of a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor is melt-kneaded and then discharged from the die, it is melt-kneaded and then fed in the molten state in a molten state and continuously sent to the discharge die. Preferably, the transfer time from melt-kneading to spinneret discharge is preferably within 10 minutes.

(4−2)前駆体繊維を安定化処理に付して前駆体繊維中の熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体繊維を形成する工程
本発明の製造方法における第二の工程では、上記で作成した前駆体繊維を安定化処理に付して前駆体繊維中の熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体繊維を形成する。熱可塑性炭素前駆体の安定化は炭素化もしくは黒鉛化された炭素繊維を得るために必要な工程であり、これを実施せず次工程である熱可塑性樹脂の除去を行った場合、熱可塑性炭素前駆体が熱分解したり融着したりするなどの問題が生じる。
(4-2) A step of subjecting the precursor fiber to stabilization treatment to stabilize the thermoplastic carbon precursor in the precursor fiber to form a stabilized precursor fiber In the second step in the production method of the present invention, The precursor fiber prepared above is subjected to a stabilization treatment to stabilize the thermoplastic carbon precursor in the precursor fiber to form a stabilized precursor fiber. Stabilization of the thermoplastic carbon precursor is a necessary process for obtaining carbonized or graphitized carbon fibers. If the thermoplastic resin is removed as the next process without carrying out this process, the thermoplastic carbon is removed. Problems such as thermal decomposition and fusion of the precursor occur.

該安定化の方法としては酸素などのガス気流処理、酸性水溶液などの溶液処理など公知の方法で行なう事ができるが、生産性の面からガス気流下での不融化が好ましい。使用するガス成分としては上記熱可塑性樹脂への浸透性および熱可塑性炭素前駆体への吸着性の点から、また熱可塑性炭素前駆体を低温で速やかに不融化させ得るという点から酸素および/またはハロゲンガスを含む混合ガスである事が好ましい。ハロゲンガスとしては、フッ素ガス、塩素ガス、臭素ガス、沃素ガスを挙げることができるが、これらの中でも臭素ガス、沃素ガス、特に沃素ガスが好ましい。ガス気流下での不融化の具体的な方法としては、温度50〜350℃、好ましくは80〜300℃で、5時間以下、好ましくは2時間以下で所望のガス雰囲気中で処理する事が好ましい。   The stabilization can be performed by a known method such as a gas flow treatment with oxygen or a solution treatment with an acidic aqueous solution, but infusibilization under a gas flow is preferable from the viewpoint of productivity. As the gas component to be used, oxygen and / or from the viewpoint of permeability to the thermoplastic resin and adsorption to the thermoplastic carbon precursor, and from the point that the thermoplastic carbon precursor can be quickly infusibilized at a low temperature. A mixed gas containing a halogen gas is preferred. Examples of the halogen gas include fluorine gas, chlorine gas, bromine gas, and iodine gas. Among these, bromine gas, iodine gas, and particularly iodine gas are preferable. As a specific method of infusibilization under a gas stream, it is preferable to perform the treatment in a desired gas atmosphere at a temperature of 50 to 350 ° C., preferably 80 to 300 ° C., for 5 hours or less, preferably 2 hours or less. .

また、上記不融化により前駆体繊維中に含まれる熱可塑性炭素前駆体の軟化点は著しく上昇するが、所望の極細炭素繊維を得るという目的から軟化点が400℃以上となる事が好ましく、500℃以上である事がさらに好ましい。上記の方法を実施することで、前駆体繊維中の熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体繊維を得ることができる。   Further, although the softening point of the thermoplastic carbon precursor contained in the precursor fiber is remarkably increased by the infusibilization, the softening point is preferably 400 ° C. or higher for the purpose of obtaining a desired ultrafine carbon fiber. More preferably, the temperature is higher than or equal to ° C. By carrying out the above method, it is possible to stabilize the thermoplastic carbon precursor in the precursor fiber and obtain a stabilized precursor fiber.

(4−3)安定化前駆体繊維から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成する工程
本発明の製造方法における第三の工程は安定化前駆体繊維に含まれる熱可塑性樹脂を熱分解で除去するものであり、具体的には安定化前駆体繊維中に含まれる熱可塑性樹脂を除去し、安定化された繊維状炭素前駆体のみを分離し、繊維状炭素前駆体を形成する。この工程では、繊維状炭素前駆体の熱分解をできるだけ抑え、かつ熱可塑性樹脂を分解除去し、繊維状炭素前駆体のみを分離する必要がある。
(4-3) Step of forming a fibrous carbon precursor by removing the thermoplastic resin from the stabilized precursor fiber The third step in the production method of the present invention is the thermoplastic resin contained in the stabilized precursor fiber. It is removed by pyrolysis. Specifically, the thermoplastic resin contained in the stabilized precursor fiber is removed, and only the stabilized fibrous carbon precursor is separated to form the fibrous carbon precursor. To do. In this step, it is necessary to suppress the thermal decomposition of the fibrous carbon precursor as much as possible, to decompose and remove the thermoplastic resin, and to separate only the fibrous carbon precursor.

熱可塑性樹脂の除去は、酸素存在雰囲気および不活性ガス雰囲気のどちらでもよい。酸素存在雰囲気で熱可塑性樹脂を除去する場合には、350℃以上600℃未満の温度で除去する必要がある。なお、ここで言う酸素存在雰囲気下とは、酸素濃度が1〜100%のガス雰囲気を指しており、酸素以外に二酸化炭素、窒素、アルゴン等の不活性ガスや、沃素、臭素等の不活性ガスを含有していても良い。これら条件の中でも、特にコストの関係から空気を用いることが特に好ましい。   The removal of the thermoplastic resin may be performed in either an oxygen-existing atmosphere or an inert gas atmosphere. When removing the thermoplastic resin in an oxygen-existing atmosphere, it is necessary to remove it at a temperature of 350 ° C. or higher and lower than 600 ° C. The term “in the presence of oxygen” as used herein refers to a gas atmosphere having an oxygen concentration of 1 to 100%. In addition to oxygen, inert gases such as carbon dioxide, nitrogen, and argon, and inert gases such as iodine and bromine are used. It may contain gas. Among these conditions, it is particularly preferable to use air particularly from the viewpoint of cost.

安定化前駆体繊維に含まれる熱可塑性樹脂を除去する温度が350℃未満のときには、繊維状炭素前駆体の熱分解は抑えられるものの、熱可塑性樹脂の熱分解を充分行なうことができず好ましくない。また、600℃以上であると、熱可塑性樹脂の熱分解は充分行なうことができるものの、繊維状炭素前駆体の熱分解も起こってしまい、結果として熱可塑性炭素前駆体から得られる炭素繊維の炭化収率を低下させてしまい好ましくない。   When the temperature for removing the thermoplastic resin contained in the stabilized precursor fiber is less than 350 ° C., the thermal decomposition of the fibrous carbon precursor can be suppressed, but the thermoplastic resin cannot be sufficiently decomposed, which is not preferable. . If the temperature is 600 ° C. or higher, the thermoplastic resin can be sufficiently thermally decomposed, but the fibrous carbon precursor is also thermally decomposed, resulting in carbonization of the carbon fiber obtained from the thermoplastic carbon precursor. The yield is lowered, which is not preferable.

安定化前駆体繊維に含まれる熱可塑性樹脂を分解する温度としては、酸素雰囲気下380〜500℃であることが好ましく、特に400〜450℃の温度範囲で、0.5〜10時間処理するのが好ましい。上記処理を施すことで、熱可塑性樹脂は使用した初期重量の15wt%以下にまで分解される。また、熱可塑性炭素前駆体は使用した初期重量の80wt%以上が繊維状炭素前駆体として残存する。   The temperature at which the thermoplastic resin contained in the stabilized precursor fiber is decomposed is preferably 380 to 500 ° C. in an oxygen atmosphere, particularly in the temperature range of 400 to 450 ° C. for 0.5 to 10 hours. Is preferred. By performing the above treatment, the thermoplastic resin is decomposed to 15 wt% or less of the initial weight used. Moreover, 80 wt% or more of the initial weight used for the thermoplastic carbon precursor remains as a fibrous carbon precursor.

また、不活性ガス雰囲気下で熱可塑性樹脂を除去する場合には、350℃以上600℃未満の温度で除去する必要がある。なお、ここで言う不活性ガス雰囲気下とは、酸素濃度30ppm以下、より好ましくは20ppm以下の二酸化炭素、窒素、アルゴン等のガスをさす。なお、沃素、臭素等のハロゲンガスを含有していても良い。   Moreover, when removing a thermoplastic resin in inert gas atmosphere, it is necessary to remove at the temperature of 350 degreeC or more and less than 600 degreeC. The term “inert gas atmosphere” as used herein refers to a gas such as carbon dioxide, nitrogen, or argon having an oxygen concentration of 30 ppm or less, more preferably 20 ppm or less. Note that a halogen gas such as iodine or bromine may be contained.

なお、本工程で使用する不活性ガスとしては、コストの関係から二酸化炭素と窒素が好ましく用いることができ、窒素が特に好ましい。安定化前駆体繊維からなる不織布に含まれる熱可塑性樹脂を除去する温度が350℃未満のとき、繊維状炭素前駆体の熱分解は抑えられるものの、熱可塑性樹脂の熱分解を充分行なうことができず好ましくない。また、600℃以上であると、熱可塑性樹脂の熱分解は充分行なうことができるものの、繊維状炭素前駆体の熱分解も起こってしまい、結果として熱可塑性炭素前駆体から得られる炭素繊維からなる不織布の炭化収率を低下させてしまい好ましくない。   In addition, as an inert gas used at this process, a carbon dioxide and nitrogen can be used preferably from the relationship of cost, and nitrogen is especially preferable. When the temperature at which the thermoplastic resin contained in the nonwoven fabric composed of the stabilized precursor fibers is removed is less than 350 ° C., the thermal decomposition of the fibrous carbon precursor can be suppressed, but the thermoplastic resin can be sufficiently decomposed. Not preferable. Further, when the temperature is 600 ° C. or higher, the thermoplastic resin can be sufficiently thermally decomposed, but the fibrous carbon precursor is also thermally decomposed. As a result, the thermoplastic resin is made of carbon fibers obtained from the thermoplastic carbon precursor. Since the carbonization yield of a nonwoven fabric is reduced, it is not preferable.

安定化前駆体繊維に含まれる熱可塑性樹脂を分解する温度としては、不活性ガス雰囲気下380〜550℃とすることが好ましく、特に400〜530℃の温度範囲で、0.5〜10時間処理するのが好ましい。上記処理を施すことで、使用した熱可塑性樹脂の初期重量の15wt%以下にまで分解される。また、使用した熱可塑性炭素前駆体の初期重量の80wt%以上が繊維状炭素前駆体として残存する。   The temperature for decomposing the thermoplastic resin contained in the stabilized precursor fiber is preferably set to 380 to 550 ° C. in an inert gas atmosphere, particularly in the temperature range of 400 to 530 ° C., for 0.5 to 10 hours. It is preferable to do this. By performing the above-mentioned treatment, it is decomposed to 15 wt% or less of the initial weight of the used thermoplastic resin. Moreover, 80 wt% or more of the initial weight of the used thermoplastic carbon precursor remains as a fibrous carbon precursor.

また、安定化前駆体繊維から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成する別の方法として、熱可塑性樹脂を溶剤で除去する方法を採択しても良い。この方法では、繊維状炭素前駆体の溶剤への溶解をできるだけ抑え、かつ熱可塑性樹脂を分解除去し、繊維状炭素前駆体のみを分離する必要がある。この条件を満たすために、本発明では、繊維状炭素前駆体に含まれる熱可塑性樹脂を、30〜300℃の温度を有する溶剤で除去するのが好ましい。溶剤の温度が30℃未満であると、前駆体繊維に含まれる熱可塑性樹脂を除去するのに多大の時間を有し好ましくない。一方、300℃以上であると、短時間により熱可塑性樹脂を除去することは可能だが、繊維状炭素前駆体も溶解させ、その繊維構造を破壊するだけでなく、最終的に得られる炭素繊維の原料に対する炭化収率を低下させ好ましくない。安定化前駆体繊維から熱可塑性樹脂を溶剤で除去する温度としては、50〜250℃、さらには80〜200℃が特に好ましい。   Further, as another method of removing the thermoplastic resin from the stabilized precursor fiber to form the fibrous carbon precursor, a method of removing the thermoplastic resin with a solvent may be adopted. In this method, it is necessary to suppress dissolution of the fibrous carbon precursor in the solvent as much as possible, decompose and remove the thermoplastic resin, and separate only the fibrous carbon precursor. In order to satisfy this condition, in the present invention, it is preferable to remove the thermoplastic resin contained in the fibrous carbon precursor with a solvent having a temperature of 30 to 300 ° C. When the temperature of the solvent is less than 30 ° C., it takes a lot of time to remove the thermoplastic resin contained in the precursor fiber, which is not preferable. On the other hand, if it is 300 ° C. or higher, it is possible to remove the thermoplastic resin in a short time, but not only dissolve the fibrous carbon precursor and destroy the fiber structure, but also the carbon fiber finally obtained This is not preferable because it reduces the carbonization yield of the raw material. The temperature at which the thermoplastic resin is removed from the stabilized precursor fiber with a solvent is particularly preferably 50 to 250 ° C, more preferably 80 to 200 ° C.

(4−4)繊維状炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程
本発明の製造方法における第四の工程は、熱可塑性樹脂を初期重量の15wt%以下にまで除いた繊維状炭素前駆体を不活性ガス雰囲気中で炭素化もしくは黒鉛化し炭素繊維を製造するものである。本発明において繊維状炭素前駆体は不活性ガス雰囲気下での高温処理により炭素化もしくは黒鉛化し、所望の炭素繊維となる。得られる炭素繊維の繊維径としては0.001μm〜2μmであることが好ましい。
(4-4) Step of carbonizing or graphitizing the fibrous carbon precursor The fourth step in the production method of the present invention is a fibrous carbon precursor obtained by removing the thermoplastic resin to 15 wt% or less of the initial weight. Carbon fiber is produced by carbonization or graphitization in an inert gas atmosphere. In the present invention, the fibrous carbon precursor is carbonized or graphitized by high-temperature treatment in an inert gas atmosphere to form a desired carbon fiber. The fiber diameter of the obtained carbon fiber is preferably 0.001 μm to 2 μm.

繊維状炭素前駆体の炭素化もしくは黒鉛化は公知の方法で行なうことができる。使用される不活性ガスとしては窒素、アルゴン等があげられ、温度は500℃〜3500℃、好ましくは800℃〜3000℃である。なお、炭素化もしくは黒鉛化する際の、酸素濃度は20ppm以下、さらには10ppm以下であることが好ましい。上記の方法を実施することで、炭素繊維を製造することができる。   Carbonization or graphitization of the fibrous carbon precursor can be performed by a known method. Examples of the inert gas used include nitrogen and argon, and the temperature is 500 ° C to 3500 ° C, preferably 800 ° C to 3000 ° C. Note that the oxygen concentration during carbonization or graphitization is preferably 20 ppm or less, and more preferably 10 ppm or less. By carrying out the above method, carbon fibers can be produced.

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれにより何等限定を受けるものではない。尚、本実施例中の各特性は以下に記載の方法により求めた。
熱可塑性樹脂中の炭素前駆体有機化合物の分散粒子径および炭素繊維前駆体を含有する繊維状成型体の繊維径:
走査電子顕微鏡(株式会社日立製作所製「S−2400」)にて測定した。
メソフェーズピッチおよび炭素繊維のB元素含有量:
試料1.0gを白金ルツボに秤量し、4ミリリットルの3%水酸化カルシウム水溶液を加えて試料と混合湿潤させた後、880℃で灰化した(JIS R7223記載の方法に準拠)。
灰分を希塩酸に溶解、定容し、測定溶液とした。この溶液について、ICP発光分析法(株式会社島津製作所製「ICPS−8000」)でB元素を定量して、試料中の含有量を求めた。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention does not receive any limitation by this. In addition, each characteristic in a present Example was calculated | required by the method as described below.
Dispersion particle diameter of carbon precursor organic compound in thermoplastic resin and fiber diameter of fibrous molded body containing carbon fiber precursor:
Measurement was performed with a scanning electron microscope (“S-2400” manufactured by Hitachi, Ltd.).
Mesophase pitch and carbon fiber B element content:
1.0 g of a sample was weighed into a platinum crucible, 4 ml of 3% calcium hydroxide aqueous solution was added, mixed and wetted with the sample, and then incinerated at 880 ° C. (according to the method described in JIS R7223).
The ash was dissolved and diluted in dilute hydrochloric acid to obtain a measurement solution. About this solution, B element was quantified by ICP emission spectrometry ("ICPS-8000" manufactured by Shimadzu Corporation) to determine the content in the sample.

[実施例1]
熱可塑性樹脂としてポリ−4−メチルペンテン−1(TPX:グレードRT−18[三井化学株式会社製])100重量部と熱可塑性炭素前駆体としてメソフェーズピッチAR−HP(三菱ガス化学株式会社製)11.1部を同方向二軸押出機(株式会社日本製鋼所製TEX−30、バレル温度290℃、窒素気流下)で溶融混練して混合物を作成した。この条件で得られた混合物の、熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂中への分散径は0.05〜2μmであった。また、この混合物を300℃で10分間保持したが、熱可塑性炭素前駆体の凝集は認められず、分散径は0.05〜2μmであった。なお、メソフェーズピッチAR−HP中のB含有量は1.2ppmであった。
[Example 1]
100 parts by weight of poly-4-methylpentene-1 (TPX: grade RT-18 [manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.) as a thermoplastic resin and mesophase pitch AR-HP (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.) as a thermoplastic carbon precursor 11.1 parts were melt-kneaded with the same direction twin screw extruder (TEX-30, manufactured by Nippon Steel Works, barrel temperature 290 ° C., under nitrogen stream) to prepare a mixture. The dispersion diameter of the mixture obtained under these conditions into the thermoplastic resin of the thermoplastic carbon precursor was 0.05 to 2 μm. Further, this mixture was held at 300 ° C. for 10 minutes, but aggregation of the thermoplastic carbon precursor was not observed, and the dispersion diameter was 0.05 to 2 μm. The B content in the mesophase pitch AR-HP was 1.2 ppm.

次いで、上記混合物をメルトブロー法により不織布としたが、その際には、330℃で吐出孔より吐出し、吐出孔直下で350℃、500m/分の空気を溶融状態にある繊維に吹き付けることで、繊維径0.5〜5μmの前駆体繊維からなる不織布を作成した。   Next, the mixture was made into a non-woven fabric by the melt blow method, but in that case, it was discharged from the discharge hole at 330 ° C., and the air just below the discharge hole was blown at 350 ° C. and 500 m / min of air to the molten fiber, A nonwoven fabric composed of precursor fibers having a fiber diameter of 0.5 to 5 μm was prepared.

この前駆体繊維からなる不織布10重量部に対して0.5重量部の沃素とが含有されるように、空気とともに1リットル容積の耐圧ガラス内に仕込み、180℃で20時間保持して安定化処理を施すことで、安定化前駆体繊維からなる不織布を作成した。   Stabilize with air in a 1 liter pressure glass so that 0.5 parts by weight of iodine is contained per 10 parts by weight of the nonwoven fabric composed of this precursor fiber and hold at 180 ° C. for 20 hours. The nonwoven fabric which consists of a stabilization precursor fiber was created by processing.

次に、安定化前駆体繊維からなる不織布を窒素ガス雰囲気下、昇温速度5℃/分で550℃まで昇温することで熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体からなる不織布を作成した。この繊維状炭素前駆体からなる不織布をアルゴンガス雰囲気下、室温から3時間で2800℃まで昇温することで炭素繊維を作成した。得られた炭素繊維径(D)は、100〜600nm前後であり、炭素繊維長(L)は100μm以上であり、L/Dは30より大きいこと、実質上分岐構造が認められないことを電子顕微鏡観察により確認した。なお、極細炭素繊維中のB元素含有量は2.3ppmであった。   Next, the nonwoven fabric made of the fibrous precursor is made by removing the thermoplastic resin by heating the nonwoven fabric made of the stabilized precursor fiber to 550 ° C. at a temperature rising rate of 5 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere. did. Carbon fibers were prepared by heating the nonwoven fabric composed of the fibrous carbon precursor from room temperature to 2800 ° C. in 3 hours in an argon gas atmosphere. The obtained carbon fiber diameter (D) is about 100 to 600 nm, the carbon fiber length (L) is 100 μm or more, L / D is larger than 30, and the fact that a branched structure is not substantially observed. This was confirmed by microscopic observation. The B element content in the ultrafine carbon fiber was 2.3 ppm.

Claims (12)

繊維径(D)が0.001μm〜2μmであり、B元素含有濃度が0.5〜100ppmである、実質的に分岐構造を有さない炭素繊維。   Carbon fiber having a fiber diameter (D) of 0.001 μm to 2 μm and a B element-containing concentration of 0.5 to 100 ppm and having substantially no branched structure. B元素含有量が1.0〜50ppmである請求項1記載の炭素繊維。   The carbon fiber according to claim 1, wherein the B element content is 1.0 to 50 ppm. B元素含有量が2.0〜10ppmである請求項1記載の炭素繊維。   The carbon fiber according to claim 1, wherein the B element content is 2.0 to 10 ppm. 繊維長(L)と繊維径(D)との間に下記関係式(1)が成り立つ請求項1または2に記載の炭素繊維。
30 < L/D (1)
The carbon fiber according to claim 1 or 2, wherein the following relational expression (1) is established between the fiber length (L) and the fiber diameter (D).
30 <L / D (1)
(1)熱可塑性樹脂100重量部並びにピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリカルボジイミド、ポリイミド、ポリベンゾアゾールおよびアラミドよりなる群から選ばれる少なくとも1種の熱可塑性炭素前駆体1〜150重量部からなる混合物から前駆体繊維を形成する工程、(2)前駆体繊維を酸素または酸素/沃素の混合ガス雰囲気下で安定化処理に付して安定化前駆体繊維を形成する工程、(3)安定化前駆体繊維から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成する工程、(4)繊維状炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程を経る炭素繊維の製造方法。   (1) Precursor from a mixture comprising 1 to 150 parts by weight of a thermoplastic resin and 100 parts by weight of a thermoplastic resin and at least one thermoplastic carbon precursor selected from the group consisting of pitch, polyacrylonitrile, polycarbodiimide, polyimide, polybenzoazole and aramid A step of forming a body fiber, (2) a step of forming a stabilized precursor fiber by subjecting the precursor fiber to stabilization treatment in an oxygen or oxygen / iodine mixed gas atmosphere, and (3) a stabilized precursor fiber. A process for producing a carbon fiber through a step of forming a fibrous carbon precursor by removing the thermoplastic resin from (4) carbonizing or graphitizing the fibrous carbon precursor. 熱可塑性樹脂が下記式(I)で表される、請求項5記載の炭素繊維の製造方法。
Figure 2005273069
The method for producing carbon fiber according to claim 5, wherein the thermoplastic resin is represented by the following formula (I).
Figure 2005273069
熱可塑性樹脂がポリ−4−メチルペンテン−1またはその共重合体である請求項6に記載の炭素繊維の製造方法。   The method for producing carbon fiber according to claim 6, wherein the thermoplastic resin is poly-4-methylpentene-1 or a copolymer thereof. 熱可塑性樹脂がポリエチレンである請求項6記載の炭素繊維の製造方法。   The method for producing carbon fiber according to claim 6, wherein the thermoplastic resin is polyethylene. 熱可塑性炭素前駆体がメソフェーズピッチ、ポリアクリロニトリルからなる群より選ばれる少なくとも一種である請求項5記載の炭素繊維の製造方法。   6. The method for producing carbon fiber according to claim 5, wherein the thermoplastic carbon precursor is at least one selected from the group consisting of mesophase pitch and polyacrylonitrile. メソフェーズピッチが多環芳香族化合物由来のものである、請求項9記載の炭素繊維の製造方法。   The method for producing a carbon fiber according to claim 9, wherein the mesophase pitch is derived from a polycyclic aromatic compound. 多環芳香族化合物がナフタレンまたはナフタレン誘導体である、請求項10記載の炭素繊維の製造方法。   The method for producing carbon fiber according to claim 10, wherein the polycyclic aromatic compound is naphthalene or a naphthalene derivative. 熱可塑性炭素前駆体のB元素含有量が5ppm以下である、請求項9記載の炭素繊維の製造方法。   The method for producing a carbon fiber according to claim 9, wherein the B element content of the thermoplastic carbon precursor is 5 ppm or less.
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