JP2006233360A - Carbon fiber and method for producing the carbon fiber - Google Patents

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JP2006233360A JP2005049503A JP2005049503A JP2006233360A JP 2006233360 A JP2006233360 A JP 2006233360A JP 2005049503 A JP2005049503 A JP 2005049503A JP 2005049503 A JP2005049503 A JP 2005049503A JP 2006233360 A JP2006233360 A JP 2006233360A
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Kazunobu Sumiya
和宣 角谷
Tomoyuki Kotani
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a carbon fiber having especially a high carbonization temperature and having a high strength even while having high elasticity, as stress remaining in the carbon fiber during carbonization is relaxed. <P>SOLUTION: The method for producing the carbon fiber is to produce the carbon fiber by heating the carbon fiber at ≥1400°C, subsequently cool the carbon fiber in an average descending speed of temperature of 30°C/sec to the room temperature. The carbon fiber produced by the method has ≥750 kg/mm<SP>2</SP>tensile strength of single fiber having 5 mm test length and ≥600 kg/mm<SP>2</SP>tensile strength of single fiber having 25 mm test length. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、特に高弾性率を有しながらも強度発現性に優れる炭素繊維とその製造方法に関する。   The present invention particularly relates to a carbon fiber having a high elastic modulus and excellent strength development and a method for producing the same.

以下の1)〜5)に挙げる、炭素繊維の高強度化に関する技術が知られている。
1)モノマーやポリマー原液のろ過を強化する技術(特許文献1、2)
2)凝固浴条件を最適化し前駆体繊維を緻密化する技術(特許文献3)
3)前駆体繊維の単繊維径を細くし、耐炎化遅延元素を混入する技術(特許文献4)
4)前駆体繊維の単繊維間接着を抑制するために離型性、平滑性に優れた油剤を適用する技術(特許文献5、6)
5)焼成工程で生成した表面欠陥を電解処理することでエッチング除去する技術(特許文献7)
The following technologies 1) to 5) related to the enhancement of carbon fiber strength are known.
1) Technology to enhance filtration of monomer and polymer stock solutions (Patent Documents 1 and 2)
2) Technology for optimizing coagulation bath conditions and densifying precursor fibers (Patent Document 3)
3) Technology to reduce the single fiber diameter of the precursor fiber and mix flame retarding elements (Patent Document 4)
4) Technology for applying an oil agent excellent in releasability and smoothness to suppress adhesion between single fibers of precursor fibers (Patent Documents 5 and 6)
5) Technology for removing etching by electrolytic treatment of surface defects generated in the firing process (Patent Document 7)

しかしいずれの技術においても、炭素化炉を出た炭素繊維は平均で60℃/秒以上、最大では200℃/秒で急冷され、熱膨張係数の異なる繊維軸方向とその垂直方向のそれぞれの方向で熱膨張係数に従って急激な体積収縮が起こり、そこで発生した応力は緩和することなく炭素繊維に残存していた。   However, in any technique, the carbon fibers exiting the carbonization furnace are rapidly cooled at an average of 60 ° C./second or more, and at a maximum of 200 ° C./second, and the fiber axis directions having different coefficients of thermal expansion and the respective directions perpendicular thereto. In accordance with the thermal expansion coefficient, rapid volume shrinkage occurred, and the stress generated there remained in the carbon fiber without relaxation.

特開昭59−8924号公報JP 59-8924 A 特開平4−12882号公報JP-A-4-12882 特公平6−15722号公報Japanese Patent Publication No. 6-15722 特開平11−241230号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-241230 特公昭60−18334号公報Japanese Patent Publication No. 60-18334 特公昭60−99011号公報Japanese Patent Publication No. 60-99011 特公平5−4463号公報Japanese Patent Publication No. 5-4463

本発明の課題は、高弾性率を有しながら高強度物性を発現する炭素繊維を提供することである。   The subject of this invention is providing the carbon fiber which expresses a high intensity | strength physical property, having a high elasticity modulus.

本発明の第1の要旨は、試長5mmでの単繊維引張強度が750kg/mm以上、試長25mmでの単繊維引張強度が600kg/mm以上である炭素繊維にあり、第2の要旨は、炭素繊維を1400℃以上に加熱した後、室温まで平均降温速度30℃/秒で冷やす炭素繊維の製造方法にある。 The first gist of the present invention is a carbon fiber having a single fiber tensile strength of 750 kg / mm 2 or more at a test length of 5 mm and a single fiber tensile strength of 600 kg / mm 2 or more at a test length of 25 mm. The gist lies in a method for producing carbon fiber in which the carbon fiber is heated to 1400 ° C. or higher and then cooled to room temperature at an average temperature drop rate of 30 ° C./second.

本発明によれば、炭素化時に炭素繊維に残留した応力を緩和できるので、特に炭素化温度の高い、高弾性率であっても高強度炭素繊維とすることができる。   According to the present invention, since the stress remaining on the carbon fiber during carbonization can be relaxed, it is possible to obtain a high-strength carbon fiber even when the carbonization temperature is high and the elastic modulus is high.

まず、本発明の炭素繊維の製造方法について詳しく説明する。
『炭素繊維』
本発明で使用する炭素繊維は、アクリル繊維を前駆体繊維とする炭素繊維に限らず、ピッチ系炭素繊維であってもよい。
本発明で使用する炭素繊維の好ましい製造方法は、以下の原材料、方法を用いて得られる。
First, the manufacturing method of the carbon fiber of this invention is demonstrated in detail.
"Carbon fiber"
The carbon fibers used in the present invention are not limited to carbon fibers having acrylic fibers as precursor fibers, but may be pitch-based carbon fibers.
The preferable manufacturing method of the carbon fiber used by this invention is obtained using the following raw materials and methods.

「アクリロニトリル系ポリマー」
前駆体繊維となるアクリル繊維を構成するアクリロニトリル系ポリマーは、アクリロニトリルのホモポリマーやアクリロニトリルと共重合可能なモノマーとの共重合体を用いることができる。後者の場合、炭素化を良好に行う目的で、共重合体中のアクリロニトリル単位の割合は、90モル%以上であることが好ましい。
"Acrylonitrile polymer"
As the acrylonitrile-based polymer constituting the acrylic fiber serving as the precursor fiber, an acrylonitrile homopolymer or a copolymer with a monomer copolymerizable with acrylonitrile can be used. In the latter case, the proportion of acrylonitrile units in the copolymer is preferably 90 mol% or more for the purpose of good carbonization.

アクリロニトリルと共重合可能なモノマーとしては、特に制限は無いが、例えばアクリル酸メチル、アクリル酸エチルなどに代表されるアクリル酸エステル類、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチルなどに代表されるメタクリル酸エステル類、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸、アクリルアミド、スチレン、ビニルトルエンなどに代表される不飽和モノマー類、メタリルスルホン酸、アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸及びこれらのアルカリ金属塩などが挙げられる。   The monomer copolymerizable with acrylonitrile is not particularly limited. For example, acrylic acid esters represented by methyl acrylate and ethyl acrylate, and methacrylic acid esters represented by methyl methacrylate and ethyl methacrylate. , Unsaturated monomers represented by acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, itaconic acid, acrylamide, styrene, vinyltoluene, methallylsulfonic acid, allylsulfonic acid, styrenesulfonic acid, and alkali metal salts thereof. It is done.

アクリロニトリルと共重合可能なモノマーとして、炭素化工程における環化反応を促進する目的でカルボン酸基を有するモノマーやアクリルアミド系モノマーを用いることが好ましい。このようなカルボン酸基を有するモノマーとしては、メタクリル酸やイタコン酸が好ましい。又、アクリルアミド系モノマーとしてはアクリルアミドが好ましい。   As a monomer copolymerizable with acrylonitrile, a monomer having a carboxylic acid group or an acrylamide monomer is preferably used for the purpose of promoting the cyclization reaction in the carbonization step. As the monomer having such a carboxylic acid group, methacrylic acid and itaconic acid are preferable. As the acrylamide monomer, acrylamide is preferable.

「重合方法」
アクリロニトリル系ポリマーの重合方法には、溶液重合、懸濁重合など、公知の重合方法の何れも採用することができる。アクリロニトリル系ポリマーから、未反応モノマーや重合触媒残渣、その他の不純物類を極力除く処理を施すことが好ましい。
"Polymerization method"
Any known polymerization method such as solution polymerization or suspension polymerization can be employed as the polymerization method for the acrylonitrile-based polymer. It is preferable to perform a treatment for removing unreacted monomers, polymerization catalyst residues, and other impurities as much as possible from the acrylonitrile-based polymer.

また、前駆体繊維紡糸での延伸性や炭素繊維の性能発現性等の点から、共重合体の重合度は、極限粘度〔η〕が1以上、特に1.4以上の範囲が好ましい。ただし、通常、極限粘度〔η〕は、2を超えない範囲のものが利用される。   Further, from the standpoints of stretchability in precursor fiber spinning and carbon fiber performance, etc., the degree of polymerization of the copolymer is preferably 1 or more, and particularly preferably 1.4 or more. However, the intrinsic viscosity [η] is usually in a range not exceeding 2.

「紡糸方法」
アクリロニトリル系ポリマーは、溶剤に溶解され、紡糸原液となる。溶剤としては、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドなどの有機溶剤や、塩化亜鉛、チオシアン酸ナトリウムなどの無機化合物の水溶液が使用できる。アクリル繊維中に金属が含有せず、また、工程が簡略化される点で有機溶剤が好ましい。その中でも凝固糸の緻密性が高いという点で、ジメチルアセトアミドを溶剤に用いることがより好ましい。
"Spinning method"
The acrylonitrile-based polymer is dissolved in a solvent to become a spinning dope. As the solvent, organic solvents such as dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, and aqueous solutions of inorganic compounds such as zinc chloride and sodium thiocyanate can be used. An organic solvent is preferable in that no metal is contained in the acrylic fiber and the process is simplified. Among them, it is more preferable to use dimethylacetamide as a solvent in terms of high density of the coagulated yarn.

紡糸した際、緻密な凝固糸を得るためには、紡糸原液中のポリマー濃度を17質量%以上、より好ましくは19質量%以上とすることが好ましい。アクリロニトリル系ポリマーの分子量にもよるが、適正な粘度・流動性を有するものとするため、通常ポリマー濃度は、25質量%を超えない範囲が好ましい。   In order to obtain a dense coagulated yarn when spinning, the polymer concentration in the spinning dope is preferably 17% by mass or more, more preferably 19% by mass or more. Although it depends on the molecular weight of the acrylonitrile-based polymer, the polymer concentration is preferably within a range not exceeding 25% by mass in order to have appropriate viscosity and fluidity.

アクリル繊維の紡糸法は、湿式紡糸法か乾湿式紡糸法が好ましいが乾式紡糸法でも良い。湿式紡糸法、乾湿式紡糸法は用途に応じ使い分けられる。通常、より生産性を高くしたい場合は湿式紡糸で、より高いストランド強度を持つ炭素繊維を得たい場合は、乾湿式紡糸を選択する方が好ましい。   The spinning method of the acrylic fiber is preferably a wet spinning method or a dry wet spinning method, but may be a dry spinning method. The wet spinning method and the dry and wet spinning method are properly used depending on the application. Usually, it is preferable to select wet-spinning when wet spinning is desired when higher productivity is desired, and when dry-wet spinning is desired when obtaining carbon fibers having higher strand strength.

紡糸原液は、ノズル孔より凝固浴中に吐出し凝固糸となる。凝固浴は、凝固糸引き取りに十分な余裕がある条件に設定する必要がある。そして、凝固糸の断面形状が円形になるように、凝固浴に含まれる溶剤濃度、温度を設定する。   The spinning dope is discharged into the coagulation bath from the nozzle hole and becomes a coagulated yarn. It is necessary to set the coagulation bath to a condition with sufficient margin for taking up the coagulated yarn. Then, the concentration and temperature of the solvent contained in the coagulation bath are set so that the cross-sectional shape of the coagulated yarn is circular.

凝固浴には、紡糸原液に用いられた溶剤の水溶液が好適に使用される。ノズル孔より吐出される紡糸原液が所望の繊維径の凝固糸となるように、含まれる溶剤の濃度を調節する。使用する溶剤の種類にも依存するが、例えば、ジメチルアセトアミドを使用する場合、その濃度は50〜80質量%に選択する。   For the coagulation bath, an aqueous solution of the solvent used in the spinning dope is preferably used. The concentration of the solvent contained is adjusted so that the spinning dope discharged from the nozzle hole becomes a coagulated yarn having a desired fiber diameter. Although depending on the type of solvent used, for example, when dimethylacetamide is used, the concentration is selected to be 50 to 80% by mass.

また、凝固浴の温度は、凝固糸の緻密性の観点からは温度が低い方が好ましい。しかしながら、湿式紡糸の場合、凝固浴の温度を下げすぎると凝固糸の引き取り速度が低下し、全体的な生産性が低下する点を考慮し、通常、50℃以下、より好ましくは20〜40℃以下の範囲に選択する。   The temperature of the coagulation bath is preferably lower from the viewpoint of the density of the coagulated yarn. However, in the case of wet spinning, considering that the temperature of the coagulation bath is lowered too much, the take-up speed of the coagulated yarn is lowered and the overall productivity is lowered, and is usually 50 ° C. or lower, more preferably 20 to 40 ° C. Select the following range.

通常、湿熱延伸倍率を高くすると繊維内部構造の破壊が起こり、この破壊が炭素繊維の欠陥の元となり、性能の低下を招くことが分かっている。これは湿熱延伸倍率を低くすることで回避できるが、生産性を変更しないとした場合、乾燥緻密化後の延伸倍率を通常に比べて大きくする必要があるため、紡糸工程通過性が悪くなり、かえって生産性が低下する可能性がある。これらのことから、湿熱延伸倍率は4倍以下にすることが好ましく、乾燥緻密化後の延伸倍率は5倍以下が好ましい。   In general, it is known that when the wet heat draw ratio is increased, the internal structure of the fiber is broken, and this breakage becomes a source of defects in the carbon fiber, resulting in a decrease in performance. This can be avoided by lowering the wet heat draw ratio, but if the productivity is not changed, it is necessary to increase the draw ratio after dry densification compared to normal, so the spinning process passability becomes worse, On the contrary, productivity may decrease. For these reasons, the wet heat draw ratio is preferably 4 times or less, and the draw ratio after dry densification is preferably 5 times or less.

さらに繊維破壊が起こる湿熱延伸倍率の上限は品種ごとに異なるため、湿熱延伸倍率を生産条件ごとに考える必要がある。
湿熱延伸に先立って、温水中で溶剤の洗浄を行っても良い。当然のことながら、かかる湿熱延伸における延伸倍率は1倍を下回るものではない。
Furthermore, since the upper limit of the wet heat draw ratio at which fiber breakage occurs differs for each product type, it is necessary to consider the wet heat draw ratio for each production condition.
Prior to wet heat stretching, the solvent may be washed in warm water. Naturally, the draw ratio in such wet heat drawing is not less than 1.

さらに、この湿熱延伸に用いる延伸浴温度は、単糸同士が融着しない範囲で、できるだけ高温にすることが効果的である。この観点から、延伸浴の温度は70℃以上の高温とすることが好ましい。また、多段延伸の場合は、その最終浴を90℃以上の高温にすることが好ましい。   Furthermore, it is effective that the drawing bath temperature used for the wet heat drawing is as high as possible within a range where the single yarns are not fused. From this viewpoint, it is preferable that the temperature of the stretching bath is a high temperature of 70 ° C. or higher. In the case of multistage stretching, the final bath is preferably heated to a high temperature of 90 ° C or higher.

湿熱延伸、洗浄後、繊維表面には、公知の方法によって油剤処理を施す。油剤の種類は特に限定されないが、アミノシリコン系界面活性剤が好適に使用される。この油剤処理後、乾燥緻密化が行われる。この乾燥緻密化の温度は、繊維のガラス転移温度を超える温度に選択する。ガラス転移温度は、繊維自体の状態が、実質的には含水状態から乾燥状態へと変化することによって異なることもあり、温度が100〜200℃程度の加熱ローラーを用いる方法が好ましい。   After wet heat drawing and washing, the fiber surface is treated with an oil agent by a known method. Although the kind of oil agent is not specifically limited, Aminosilicon type surfactant is used suitably. After this oil agent treatment, dry densification is performed. The drying densification temperature is selected to be above the glass transition temperature of the fiber. The glass transition temperature may differ depending on the state of the fiber itself changing from a water-containing state to a dry state, and a method using a heating roller having a temperature of about 100 to 200 ° C. is preferred.

乾燥緻密化後の延伸については、高温の加熱ローラー、熱盤などを利用する乾熱延伸、あるいは加圧スチームによるスチーム延伸など種々の方式があるが、本発明の製造方法では、水の可塑化効果を利用することで、より分子鎖の可動状態にできる理由から、スチーム延伸が好ましい。またスチーム圧が低すぎれば、水の可塑化効果を十分に利用できず、高すぎれば蒸気の性状が不安定になることから、スムーズな延伸を行うためには、170〜250kPaであることが望ましく、190〜220kPaであることがより好ましい。さらにスチーム延伸機に入る直前のトウの温度は、80〜120℃であることが望ましく、90〜100℃であることがより望ましい。80℃以上とすることで、スチーム延伸機内で繊維の温度が上がりきらないうちに延伸され紡糸が不安定になるということが防げる。一方120℃以下としておけば、スチーム延伸機内で繊維を可塑化する水分の拡散は良好である。   For stretching after dry densification, there are various methods such as dry heat stretching using a high-temperature heating roller, a hot platen, or steam stretching using pressurized steam, but in the production method of the present invention, water is plasticized. Steam stretching is preferable because the molecular chain can be made more movable by utilizing the effect. Also, if the steam pressure is too low, the plasticizing effect of water cannot be fully utilized, and if it is too high, the properties of the steam will become unstable, so that it is 170 to 250 kPa for smooth stretching. Desirably, it is more preferably 190 to 220 kPa. Furthermore, the temperature of the tow immediately before entering the steam drawing machine is preferably 80 to 120 ° C, and more preferably 90 to 100 ° C. By setting the temperature to 80 ° C. or higher, it is possible to prevent the spinning from becoming unstable due to the drawing before the temperature of the fiber is increased in the steam drawing machine. On the other hand, when the temperature is set to 120 ° C. or lower, the diffusion of moisture for plasticizing the fibers in the steam drawing machine is good.

前延伸倍率と後延伸倍率を合わせた合計延伸倍率が、低すぎると繊維の配向が十分でなくなり炭素繊維の性能が低下し、高すぎると糸切れが生じ生産上好ましくない。この観点から、合計延伸倍率は7〜20倍が好ましく、10〜15倍がより好ましい。   If the total draw ratio including the pre-draw ratio and the post-draw ratio is too low, the fiber orientation is insufficient and the performance of the carbon fiber is lowered, and if it is too high, thread breakage occurs, which is not preferable for production. In this respect, the total draw ratio is preferably 7 to 20 times, and more preferably 10 to 15 times.

「耐炎化」
アクリル繊維の耐炎化条件としては、200〜300℃の酸化性雰囲気中、緊張あるいは延伸条件下で、耐炎化繊維の密度が好ましくは1.25g/cm以上、より好ましくは1.32g/cm以上になるまで加熱するのが良い。耐炎化が不十分であると、前炭素化する際に単糸間接着などを起こしやすくなる。雰囲気については空気、酸素、二酸化窒素など、公知の酸化性雰囲気を採用できるが、経済性の面から空気が好ましい。
"Fireproofing"
As the conditions for making the acrylic fiber flame resistant, the density of the flame resistant fiber is preferably 1.25 g / cm 3 or more, more preferably 1.32 g / cm in an oxidizing atmosphere at 200 to 300 ° C. under tension or stretching conditions. It is good to heat until it becomes 3 or more. If the flame resistance is insufficient, adhesion between single yarns is likely to occur during pre-carbonization. As the atmosphere, a known oxidizing atmosphere such as air, oxygen, and nitrogen dioxide can be adopted, but air is preferable from the viewpoint of economy.

「前炭素化」
耐炎化繊維は、炭素化に先立って前炭素化しておくことが好ましい。その条件としては、最高温度が550〜800℃の不活性雰囲気中、緊張化で、300〜500℃の温度領域において500℃/分以下、好ましくは300℃/分以下の昇温速度で前炭素化処理をすることが炭素繊維の機械的特性を向上させるために有効である。雰囲気については窒素、アルゴン、ヘリウムなど公知の不活性雰囲気を採用できるが、経済性の面から窒素が望ましい。
"Pre-carbonization"
The flame resistant fiber is preferably pre-carbonized prior to carbonization. The condition is that the carbon dioxide is tensed in an inert atmosphere having a maximum temperature of 550 to 800 ° C., and is pre-carbonized at a heating rate of 500 ° C./min or less, preferably 300 ° C./min or less in a temperature range of 300 to 500 ° C. It is effective to improve the mechanical properties of the carbon fiber. As the atmosphere, a known inert atmosphere such as nitrogen, argon or helium can be adopted, but nitrogen is desirable from the viewpoint of economy.

「炭素化」
炭素化条件としては、1200〜1800℃の不活性雰囲気中、1000〜1200℃の温度領域において500℃/分以下、好ましくは300℃/分以下の昇温速度で炭素化処理をすることが炭素繊維の機械的特性を向上させるために有効である。雰囲気については窒素、アルゴン、ヘリウムなど、公知の不活性雰囲気を採用できるが、経済性の面から窒素が望ましい。
"Carbonization"
As carbonization conditions, it is carbon to perform carbonization treatment at a temperature rising rate of 500 ° C./min or less, preferably 300 ° C./min or less in a temperature range of 1000 to 1200 ° C. in an inert atmosphere of 1200 to 1800 ° C. It is effective for improving the mechanical properties of the fiber. As the atmosphere, a known inert atmosphere such as nitrogen, argon or helium can be adopted, but nitrogen is desirable from the viewpoint of economy.

『応力緩和』
以上のようにして得られた炭素繊維に残存する応力は、炭素繊維を1400℃以上に加熱した後、室温まで平均降温速度30℃/秒で冷やすことにより緩和される。
"Stress relaxation"
The stress remaining in the carbon fiber obtained as described above is relaxed by heating the carbon fiber to 1400 ° C. or higher and then cooling it to room temperature at an average temperature decrease rate of 30 ° C./second.

応力緩和時に炭素繊維にかける張力は、5kg重/mm以下であることが好ましく、張力1kg重/mm以下であることがより好ましい。張力を5kg重/mm以下とすることにより炭素繊維の応力集中をうまく解消することができる。 Tension applied to the carbon fiber during stress relief is preferably 5kg at heavy / mm 2 or less, and more preferably less tension 1kg weight / mm 2. By setting the tension to 5 kgf / mm 2 or less, the stress concentration of the carbon fiber can be successfully eliminated.

処理温度は、1400℃以上であることが必要であり、1500℃以上がより好ましく、1600℃以上がさらに好ましい。その温度に保持する時間は、10分以上が好ましく、20分以上がより好ましく、30分以上がさらに好ましい。後述する(B)の場合は、処理時間を長くすることに対して特に問題は生じないが、(A)の場合は、炭素繊維を移送するローラーの回転速度の低速化に限界がある。   The treatment temperature needs to be 1400 ° C. or higher, more preferably 1500 ° C. or higher, and still more preferably 1600 ° C. or higher. The time for maintaining the temperature is preferably 10 minutes or more, more preferably 20 minutes or more, and further preferably 30 minutes or more. In the case of (B) described later, there is no particular problem with increasing the processing time, but in the case of (A), there is a limit to the reduction in the rotational speed of the roller for transferring the carbon fibers.

炭素繊維の徐冷の仕方は、不活性雰囲気下での加熱、室温まで平均降温速度30℃/秒ができればよく、(A)炭素繊維を製造する際の炭素化炉を用いても、(B)一旦炭素繊維を得た後、炭素繊維をバッチ式の炉に入れても構わない。不活性雰囲気としては、窒素、アルゴン、ヘリウムなど、公知の不活性雰囲気を採用できる。経済性の面から窒素が望ましい。   The carbon fiber may be slowly cooled by heating in an inert atmosphere and an average cooling rate of 30 ° C./second to room temperature. (A) Even if a carbonization furnace for producing carbon fiber is used (B ) Once carbon fiber is obtained, the carbon fiber may be placed in a batch furnace. As the inert atmosphere, a known inert atmosphere such as nitrogen, argon, or helium can be employed. Nitrogen is desirable from the economical aspect.

「(A)炭素繊維を製造する際の炭素化炉を使用する方法」
炭素化炉内の温度を1400℃以上、好ましくは1500℃以上に設定し、炭素化炉内の繊維を移送するローラーの回転速度を調整することで熱処理時間が10分以上、張力が5kg重/mm以下、平均降温速度が30℃/秒以下になるようにする。平均降温速度は、10℃/秒以下で徐冷することが好ましく3℃/秒以下で徐冷することがさらに好ましい。平均30℃/秒以下とすることにより、応力集中は解消し、新たに応力集中が生じることもない。平均降温速度を小さくすることは、炭素繊維の物性に新たな悪影響を生じることはないが、炭素繊維の生産性は著しく低下する。
“(A) Method of using a carbonization furnace when producing carbon fiber”
The temperature in the carbonization furnace is set to 1400 ° C. or more, preferably 1500 ° C. or more, and the heat treatment time is 10 minutes or more by adjusting the rotation speed of the roller for transferring the fibers in the carbonization furnace, and the tension is 5 kgf / mm 2 or less, and the average cooling rate is 30 ° C./second or less. The average cooling rate is preferably 10 ° C./second or less, more preferably 3 ° C./second or less. By setting the average to 30 ° C./second or less, the stress concentration is eliminated and no new stress concentration occurs. Decreasing the average temperature lowering rate does not cause a new adverse effect on the physical properties of the carbon fiber, but the productivity of the carbon fiber is significantly reduced.

上記のようにローラーの回転速度を遅くするだけでは、平均降温速度が30℃/秒以下にならない場合は、炭素化炉の出側に新たに保温炉を設け、炉長を伸ばすことで平均降温速度が30℃/秒以下になるようにする。この保温炉の保温材の材質に特に規制はない。   If the average temperature drop rate does not fall below 30 ° C / s simply by slowing down the roller rotation speed as described above, a new heat retention furnace is provided on the exit side of the carbonization furnace, and the average temperature drop is increased by extending the furnace length. The speed is set to 30 ° C./second or less. There is no particular restriction on the material of the heat insulating material of this heat insulating furnace.

「(B)一旦炭素繊維を得た後、炭素繊維をバッチ式の炉を使用」
炭素繊維を入れたバッチ式の炉の内部温度を1400℃以上に加熱し、所定の温度となったところで炭素繊維を炉内に置く。このとき炭素繊維に張力5kg重/mm以下とすることが好ましい。その後、その炉の温度を平均降温速度30℃/秒以下冷やす。炭素繊維は、グラファイト製の入れ物中に並べて熱処理するのがより好ましい。炭素繊維は、その張力が5kg重/mm以下になるのであれば、何かに巻きつけて熱処理を行ってもよい。
“(B) Once carbon fiber is obtained, use a batch furnace for carbon fiber”
The internal temperature of the batch type furnace containing the carbon fiber is heated to 1400 ° C. or higher, and the carbon fiber is placed in the furnace when the temperature reaches a predetermined temperature. At this time, it is preferable that the carbon fiber has a tension of 5 kgf / mm 2 or less. Thereafter, the temperature of the furnace is cooled to an average temperature drop rate of 30 ° C./second or less. More preferably, the carbon fibers are heat-treated side by side in a graphite container. If the tension of the carbon fiber is 5 kgf / mm 2 or less, the carbon fiber may be wound around something and subjected to heat treatment.

「応力緩和後の処理」
応力緩和後の炭素繊維は、従来公知の電解液中で電解酸化処理を施したり、気相又は液相での酸化処理を施したりすることによって、複合材料における炭素繊維とマトリックス樹脂との親和性や接着性を向上させることが好ましい。
"Processing after stress relaxation"
The stress-relaxed carbon fiber is subjected to electrolytic oxidation treatment in a conventionally known electrolytic solution, or is subjected to oxidation treatment in a gas phase or a liquid phase, whereby the affinity between the carbon fiber and the matrix resin in the composite material It is preferable to improve the adhesion.

さらに、必要に応じて従来公知の方法によりサイジング剤を付与することができる。   Furthermore, a sizing agent can be applied by a conventionally known method as necessary.

『炭素繊維』
以上、説明した炭素繊維の製造方法により得られる炭素繊維は、試長5mmにおける単繊維引張強度平均が750kg/mm以上であり、かつ試長25mmにおける単繊維引張強度平均が600kg/mm以上となる。ここで、単繊維引張り試験は、JIS R 7606に記載された試験法に準拠して測定したもの(試験数100個の平均)である。
"Carbon fiber"
As described above, the carbon fiber obtained by the carbon fiber production method described above has a single fiber tensile strength average of 750 kg / mm 2 or more at a test length of 5 mm and a single fiber tensile strength average of 600 kg / mm 2 or more at a test length of 25 mm. It becomes. Here, the single fiber tensile test is a value measured according to a test method described in JIS R 7606 (an average of 100 tests).

従来、高強度・高弾性率の炭素繊維を得るためには、単繊維直径4μm以下が必要であると考えられていたが、本発明では、平均単繊維径が4.8μm以上であっても、樹脂含浸ストランド引張強度600kg/mm以上、同引張弾性率32ton/mm以上である炭素繊維を得ることも可能である。この単繊維直径は、細ければ細いほど紡糸工程での延伸性や工程通過性が悪くなる等の問題があるので、太い直径で高強度・高弾性率の炭素繊維を実現することは有利である。 Conventionally, in order to obtain a carbon fiber having high strength and high elastic modulus, it was considered that a single fiber diameter of 4 μm or less was necessary. However, in the present invention, even if the average single fiber diameter is 4.8 μm or more, It is also possible to obtain carbon fibers having a resin-impregnated strand tensile strength of 600 kg / mm 2 or more and a tensile elastic modulus of 32 ton / mm 2 or more. The smaller the single fiber diameter, the worse the stretchability and processability in the spinning process, so it is advantageous to realize a carbon fiber with a large diameter and high strength and high elastic modulus. is there.

以下に、実施例により本発明をより具体的に説明する。
本発明を記載する際に利用される、炭素繊維の物性と構造パラメーター、具体的には「樹脂含浸ストランド特性」、「単繊維引張り試験」、「結晶サイズ」、「配向度」に関して、その評価方法を予め説明する。実施例中、特記がなされていない場合、記載する各種物性値や指標は、ここに記載する方法により測定、評価された値を表す。通常は複数の試料に対して評価し、その平均値を採用している。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
Evaluation of physical properties and structural parameters of carbon fibers used in describing the present invention, specifically, “resin impregnated strand characteristics”, “single fiber tensile test”, “crystal size”, and “degree of orientation” The method will be described in advance. In the examples, unless otherwise specified, various physical property values and indices described represent values measured and evaluated by the methods described herein. Usually, a plurality of samples are evaluated and the average value is adopted.

(イ)「樹脂含浸ストランド特性」
炭素繊維のストランド強度及びストランド弾性率は、JIS R 7601に記載された試験法に準拠して測定した。尚、測定はn=10で行った。
(B) “Resin-impregnated strand characteristics”
The strand strength and strand elastic modulus of the carbon fiber were measured according to the test method described in JIS R7601. The measurement was performed at n = 10.

(ロ)「単繊維引張り試験」
炭素繊維の単繊維引張り強度及び引張り弾性率は、JIS R 7606に記載された試験法に準拠して測定した。尚、測定はn=100で行った。
(B) "Single fiber tensile test"
The single fiber tensile strength and tensile modulus of carbon fiber were measured according to the test method described in JIS R 7606. The measurement was performed at n = 100.

(ハ)「結晶サイズ」
炭素繊維を50mm長に切断し、これを30mg精秤採取し、試料繊維軸が正確に平行になるようにして引き揃えた後、試料調整用治具を用いて幅1mmの厚さが均一な繊維試料束に整えた。この繊維試料束に酢酸ビニル/メタノール溶液を含浸させて形態が崩れないように固定した後、これを広角X線回折試料台に固定した。X線源として、リガク社製のCuKα線(Niフィルター使用)X線発生装置を用い、同じくリガク社製のゴニオメーターにより、透過法によってグラファイトの面指数(002)に相当する2θ=25°近傍の回折ピークをシンチレーションカウンターにより検出した。出力は40kV−100mAにて測定した。回折ピークにおける半値巾から下記の式(1)を用いて、結晶領域サイズLcを求めた。
Lc=Kλ/ (β0 cosθ)・・・・・・・・(1)
(式中、Kはシェラー定数0.9、λは用いたX線の波長(ここではCuKα線を用いているので、1.5418Å)、θはBraggの回折角、β0 は真の半値巾、β0 =βE −β1 (βE は見かけの半値巾、β1 は装置定数であり、ここでは1.05×10−2rad)である。)
尚、測定はn=5で行った。
(C) “Crystal size”
The carbon fiber was cut into a length of 50 mm, and 30 mg of this was precisely collected and aligned so that the sample fiber axes were exactly parallel, and then a thickness of 1 mm was uniform using a sample adjusting jig. A fiber sample bundle was arranged. The fiber sample bundle was impregnated with a vinyl acetate / methanol solution and fixed so as not to collapse, and then fixed to a wide-angle X-ray diffraction sample stage. As an X-ray source, a CuKα ray (using Ni filter) X-ray generator manufactured by Rigaku Corporation is used, and the vicinity of 2θ = 25 ° corresponding to the surface index (002) of graphite by a transmission method using a Goniometer manufactured by Rigaku Corporation. Were detected by a scintillation counter. The output was measured at 40 kV-100 mA. The crystal region size Lc was determined from the half width at the diffraction peak using the following formula (1).
Lc = Kλ / (β 0 cos θ) (1)
(Where K is the Scherrer constant of 0.9, λ is the wavelength of the X-ray used (here, the CuKα ray is used, 1.5418 mm), θ is the Bragg diffraction angle, and β 0 is the true half-width. , Β 0 = β E −β 1E is the apparent half-value width, β 1 is an apparatus constant, here 1.05 × 10 −2 rad).
The measurement was performed at n = 5.

(ニ)「配向度」
数百本の炭素繊維を酢酸ビニル/メタノール溶液で固め、幅0.5mmほどのサンプルを作製し、サンプルをX線に対して垂直な面上で360°回転させ、(002)反射における最高強度を含む子午線方向のプロファイルの半価幅から式(2)を用いて配向度を算出した。X線源として、リガク社製のCuKα線(Niフィルター使用)X線発生装置を用い、出力は40kV−100mAであった。
配向度:π=(180−B)/180×100・・・・・・・・(2)
B:半価幅
尚、測定はn=5で行った。
また広角X線回折測定はRu−200B(回転対陰極型X線発生装置(株)リガク製)を用いて行った。
(実施例1)
(D) “Orientation degree”
Hundreds of carbon fibers are hardened with a vinyl acetate / methanol solution, a sample with a width of about 0.5 mm is prepared, the sample is rotated 360 ° on a plane perpendicular to the X-ray, and the maximum intensity in (002) reflection The degree of orientation was calculated using the formula (2) from the half width of the profile in the meridian direction including. As the X-ray source, a CuKα ray (using Ni filter) X-ray generator manufactured by Rigaku Corporation was used, and the output was 40 kV-100 mA.
Orientation degree: π = (180−B) / 180 × 100 (2)
B: Half width The measurement was performed at n = 5.
Further, wide-angle X-ray diffraction measurement was performed using Ru-200B (manufactured by Rigaku, a rotating counter-cathode X-ray generator).
Example 1

アクリロニトリル単位96質量%、メタクリル酸単位1質量%、アクリルアミド単位3質量%からなるアクリロニトリル系ポリマーを、ジメチルアセトアミドに溶解して紡糸原液(重合体濃度21質量%、原液温度60℃)を調整した。この紡糸原液を、直径0.065mm、孔数12000の口金を用いて、温度35℃、濃度66%のジメチルアセトアミド水溶液に吐出し凝固糸とした。この凝固糸を、冷延伸および温水中延伸を施した後、アミノシリコン系油剤1%水溶液中に浸漬し、180℃の加熱ローラーにて乾燥緻密化した。ここまでの湿熱延伸倍率は3.9倍である。続いて加圧水蒸気中で延伸倍率が合計12.5倍になるように延伸を施して、アクリル繊維を得た。   An acrylonitrile-based polymer composed of 96% by mass of acrylonitrile units, 1% by mass of methacrylic acid units and 3% by mass of acrylamide units was dissolved in dimethylacetamide to prepare a spinning stock solution (polymer concentration 21% by mass, stock solution temperature 60 ° C.). This spinning dope was discharged into a dimethylacetamide aqueous solution having a temperature of 35 ° C. and a concentration of 66% using a die having a diameter of 0.065 mm and a pore number of 12,000 to obtain a coagulated yarn. The coagulated yarn was subjected to cold drawing and hot water drawing, and then immersed in a 1% aqueous solution of an aminosilicon oil and dried and densified with a 180 ° C. heating roller. The wet heat draw ratio so far is 3.9 times. Then, it extended | stretched so that a draw ratio might become 12.5 times in total in pressurized steam, and the acrylic fiber was obtained.

得られたアクリル繊維を230〜260℃の空気中、緊張化に加熱し密度1.36g/cmの耐炎化繊維に転換し、さらに、700℃の窒素中、緊張化で前炭素化処理を施し前炭素化繊維とした。 The obtained acrylic fiber is heated to tension in air at 230 to 260 ° C. to convert to a flame-resistant fiber having a density of 1.36 g / cm 3 , and further pre-carbonized by tension in nitrogen at 700 ° C. Carbonized fiber before application.

得られた前炭素化繊維を1350℃で焼成し、応力緩和前炭素繊維を得た。この応力緩和前炭素繊維を応力緩和炉(窒素気流下1600℃)に、張力1kg重/mmで、移送速度2.5m/時で通した。これにより窒素中1600℃で20分以上保持したことになり、平均降温速度は約3℃/秒で室温まで徐冷したことになる。評価結果を表1に示した。
(実施例2)
The obtained pre-carbonized fiber was fired at 1350 ° C. to obtain a carbon fiber before stress relaxation. The carbon fiber before stress relaxation was passed through a stress relaxation furnace (1600 ° C. under a nitrogen stream) at a tension of 1 kgf / mm 2 and a transfer rate of 2.5 m / hour. As a result, the temperature was maintained at 1600 ° C. for 20 minutes or more in nitrogen, and the average temperature decreasing rate was about 3 ° C./second and the temperature was gradually cooled to room temperature. The evaluation results are shown in Table 1.
(Example 2)

応力緩和炉中の炭素繊維の移送速度を5.4m/時にしたほかは実施例と同様に操作し、炭素繊維を得た。これにより窒素中1600℃で10分以上保持したことになり、降温速度は約7℃/秒で室温まで徐冷したことになる。評価結果を表1に示した。
(実施例3)
A carbon fiber was obtained in the same manner as in the example except that the transfer rate of the carbon fiber in the stress relaxation furnace was 5.4 m / hour. As a result, the temperature was maintained at 1600 ° C. for 10 minutes or more in nitrogen, and the temperature was gradually cooled to room temperature at a rate of about 7 ° C./second. The evaluation results are shown in Table 1.
(Example 3)

実施例1で得られた応力緩和前炭素繊維をバッチ式の炉に入れ、窒素中1600℃で1時間保持した後、約1時間かけて室温まで徐冷した。これにより降温速度は平均約0.5℃/秒で室温まで徐冷したことになる。評価結果を表1に示した。
(比較例1)
The pre-stress relaxation carbon fiber obtained in Example 1 was placed in a batch furnace, held at 1600 ° C. in nitrogen for 1 hour, and then gradually cooled to room temperature over about 1 hour. As a result, the temperature lowering rate is about 0.5 ° C./second on average and the temperature is gradually cooled to room temperature. The evaluation results are shown in Table 1.
(Comparative Example 1)

実施例1で得られた応力緩和前炭素繊維を評価した。評価結果を表1に示した。
(比較例2)
The carbon fiber before stress relaxation obtained in Example 1 was evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.
(Comparative Example 2)

実施例1で得られた前炭素化繊維を1600℃で焼成し、応力緩和前炭素繊維を得た。評価結果を表1に示した。   The precarbonized fiber obtained in Example 1 was fired at 1600 ° C. to obtain a carbon fiber before stress relaxation. The evaluation results are shown in Table 1.

Figure 2006233360
Figure 2006233360

Claims (2)

試長5mmでの単繊維引張強度が750kg/mm以上、試長25mmでの単繊維引張強度が600kg/mm以上である炭素繊維。 Carbon fiber having a single fiber tensile strength of 750 kg / mm 2 or more at a test length of 5 mm and a single fiber tensile strength of 600 kg / mm 2 or more at a test length of 25 mm. 炭素繊維を1400℃以上に加熱した後、室温まで平均降温速度30℃/秒で冷やす炭素繊維の製造方法。   A method for producing carbon fiber, in which the carbon fiber is heated to 1400 ° C. or higher and then cooled to room temperature at an average temperature decrease rate of 30 ° C./second.
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