JP2007113154A - Polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber precursor fiber, and method for producing carbon fiber precursor fiber and carbon fiber - Google Patents

Polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber precursor fiber, and method for producing carbon fiber precursor fiber and carbon fiber Download PDF

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昌史 伊勢
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing carbon fiber with high tensile strength and high tensile modulus without impairing its productivity and process smoothness. <P>SOLUTION: A polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber precursor fiber has an intrinsic viscosity [η] of 1.5-2.2, an oxidation depth D of 3.6-6.0μm when subjected to flameproofing treatment and a melting point Tm under moist heat of 191-200°C measured by DSC (differential scanning calorimetry). The methods for producing carbon fiber precursor fiber using the above polymer and the resultant carbon fiber are also provided, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、引張強度および引張弾性率に優れた炭素繊維の製造方法に関するものである。更には、前記した高性能な炭素繊維を製造するのに好適な、炭素繊維前駆体繊維用重合体および炭素繊維前駆体繊維の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a carbon fiber excellent in tensile strength and tensile elastic modulus. Furthermore, the present invention relates to a polymer for carbon fiber precursor fibers and a method for producing carbon fiber precursor fibers, which are suitable for producing the above-described high-performance carbon fibers.

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んでいるため、力学特性の高い炭素繊維を安定して得る技術が望まれている。
かかる炭素繊維は、アクリロニトリル系重合体よりなる前駆体繊維を耐炎化および炭化処理して得られるが、アクリロニトリル系重合体の共重合組成を特定することによって、上記性質を有する炭素繊維を得る方法が報告されている。
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, the development of automotive components, CNG tanks, seismic reinforcement of buildings, so-called general industrial applications such as ship members, and so on, A technique for stably obtaining high carbon fibers is desired.
Such a carbon fiber is obtained by flame-proofing and carbonizing a precursor fiber made of an acrylonitrile-based polymer. By specifying the copolymer composition of the acrylonitrile-based polymer, there is a method for obtaining a carbon fiber having the above properties. It has been reported.

例えば、アクリロニトリル系重合体において、共重合成分としてアクリル酸もしくはメタクリル酸のエステル誘導体を用いることで、前駆体繊維の耐炎化処理時に酸素透過性を向上させ、耐炎化繊維内の酸素濃度分布を均一に制御することで単繊維内を均一に耐炎化させ、得られる炭素繊維の引張強度および引張弾性率を向上させる技術が提案されている(特許文献1参照)。本技術は炭素繊維前駆体繊維の側鎖に立体障害の大きな官能基を導入することで、炭素繊維前駆体繊維の分子間相互作用を弱め、耐炎化工程における酸素透過性を向上させるものであるが、この方法には共重合するモノマーによりポリマー分子間の相互作用が弱くなるため炭素繊維前駆体繊維の湿熱下融点が低下し、スチーム延伸工程において単繊維切れが生じやすくなり、それによって得られる炭素繊維において毛羽発生量が多くなり品位が低下するという問題があった。
さらに例えば、アクリロニトリル系重合体において、熱的に架橋可能なビニル単体量を用いて、重合体を構成する高分子鎖間を架橋させて湿熱下融点を向上させることで、製糸工程および耐炎化工程での糸切れや融着を抑制し、炭素繊維を安定して得る技術が提案されている(特許文献2参照)。しかしながら、本技術は架橋によって分子運動が抑制されることで、前駆体繊維の単繊維内への酸素透過性が低くなるため、十分な強度及び弾性率の炭素繊維を得ることができないという問題があった。
特開平2−84505号公報 特公昭48−43579号
For example, by using an acrylic acid or methacrylic acid ester derivative as a copolymerization component in an acrylonitrile-based polymer, the oxygen permeability is improved during the flame resistance treatment of the precursor fiber, and the oxygen concentration distribution in the flame resistant fiber is uniform. A technique has been proposed in which the inside of a single fiber is made flame-resistant uniformly by controlling it to improve the tensile strength and tensile elastic modulus of the resulting carbon fiber (see Patent Document 1). This technology introduces a functional group with large steric hindrance into the side chain of the carbon fiber precursor fiber, thereby weakening the intermolecular interaction of the carbon fiber precursor fiber and improving the oxygen permeability in the flameproofing process. However, in this method, since the interaction between the polymer molecules is weakened by the monomer to be copolymerized, the melting point of the carbon fiber precursor fiber is lowered under wet heat, and the single fiber breakage is likely to occur in the steam drawing process. There has been a problem that the amount of fluff generated in carbon fibers increases and the quality deteriorates.
Further, for example, in an acrylonitrile-based polymer, the amount of thermally crosslinkable vinyl alone is used to crosslink between the polymer chains constituting the polymer to improve the melting point under wet heat, so that the yarn making process and the flameproofing process A technique for stably obtaining carbon fibers by suppressing yarn breakage and fusion is proposed (see Patent Document 2). However, this technique has a problem in that carbon fibers having sufficient strength and elasticity cannot be obtained because molecular movement is suppressed by crosslinking, and oxygen permeability into the single fiber of the precursor fiber becomes low. there were.
JP-A-2-84505 No. 48-43579

本発明の目的は、生産性およびプロセス性を損なうことなく、引張強度、引張弾性率の優れた炭素繊維を製造する方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method for producing carbon fibers having excellent tensile strength and tensile elastic modulus without impairing productivity and processability.

かかる目的を達成するために、本発明の炭素繊維前駆体繊維用ポリアクリロニトリル系重合体は次の構成を有する。すなわち、極限粘度[η]が1.5〜2.2であって、耐炎化処理時の酸化深さDが3.6〜6.0μm、かつ示差走査熱量計により測定される湿熱下融点Tmが191〜200℃である炭素繊維前駆体繊維用ポリアクリロニトリル系重合体である。
また、本発明の炭素繊維前駆体繊維用ポリアクリロニトリル系重合体においては、次の一般式(1)で示され、かつモル体積が50〜400cm/molであるビニル化合物を、アクリロニトリル100モル部に対して0.1〜1.5モル部共重合してなるのが好ましい。
In order to achieve this object, the polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber precursor fibers of the present invention has the following constitution. That is, the intrinsic viscosity [η] is 1.5 to 2.2, the oxidation depth D during the flameproofing treatment is 3.6 to 6.0 μm, and the melting point Tm under wet heat measured by a differential scanning calorimeter. Is a polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber precursor fibers having a temperature of 191 to 200 ° C.
In the polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber precursor fibers of the present invention, a vinyl compound represented by the following general formula (1) and having a molar volume of 50 to 400 cm 3 / mol is added to 100 mol parts of acrylonitrile. It is preferable that 0.1 to 1.5 mole parts of the copolymer be copolymerized.

Figure 2007113154
Figure 2007113154

(一般式(1)中、R1〜R6は水素、炭素、窒素、酸素、もしくは硫黄原子よりなる原子団より構成される)
また、本発明の炭素繊維前駆体繊維用ポリアクリロニトリル系重合体においては、さらに耐炎化促進成分を、アクリロニトリル100モル部に対して0.1〜1.0モル部共重合してなることも好ましい。
前記目的を達成するために、本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法は次の構成を有する。すなわち、前記のポリアクリロニトリル系重合体を、湿式または乾湿式法により紡糸し、乾燥熱処理後、スチーム延伸する炭素繊維前駆体繊維の製造方法であって、前記Tm(℃)、乾燥熱処理の温度Td(℃)およびスチーム延伸の温度Ts(℃)が次の式(2)および式(3)を満たす炭素繊維前駆体繊維の製造方法である。
(Tm−30)≦Td≦(Tm−10) (2)
(Tm−50)≦Ts≦(Tm−30) (3)
また、前記目的を達成するために、本発明の炭素繊維の製造方法は次の構成を有する。すなわち、前記の方法で製造された炭素繊維前駆体繊維を、200〜300℃の空気中において延伸比0.90〜1.20で耐炎化処理した後、300〜800℃の不活性雰囲気中において延伸比1.00〜1.30で予備炭化処理し、1000〜2000℃の不活性雰囲気中において延伸比0.97〜1.10で炭化処理する炭素繊維の製造方法である。
(In the general formula (1), R1 to R6 are composed of atomic groups composed of hydrogen, carbon, nitrogen, oxygen, or sulfur atoms)
Further, in the polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber precursor fiber of the present invention, it is also preferable that the flame resistance promoting component is further copolymerized in an amount of 0.1 to 1.0 mol part per 100 mol parts of acrylonitrile. .
In order to achieve the above object, the method for producing a carbon fiber precursor fiber of the present invention has the following configuration. That is, a method for producing a carbon fiber precursor fiber in which the polyacrylonitrile-based polymer is spun by a wet or dry wet method, and is subjected to steam drawing after a dry heat treatment, wherein the Tm (° C.), the temperature Td of the dry heat treatment (° C.) and steam stretching temperature Ts (° C.) are carbon fiber precursor fibers that satisfy the following expressions (2) and (3).
(Tm-30) ≦ Td ≦ (Tm-10) (2)
(Tm-50) ≦ Ts ≦ (Tm-30) (3)
Moreover, in order to achieve the said objective, the manufacturing method of the carbon fiber of this invention has the following structure. That is, the carbon fiber precursor fiber produced by the above-described method is subjected to flameproofing treatment at a draw ratio of 0.90 to 1.20 in air at 200 to 300 ° C., and then in an inert atmosphere at 300 to 800 ° C. This is a carbon fiber manufacturing method in which preliminary carbonization is performed at a draw ratio of 1.00 to 1.30, and carbonization is performed at an draw ratio of 0.97 to 1.10 in an inert atmosphere at 1000 to 2000 ° C.

本発明によれば、生産性、プロセス性を損なうことなく、焼成工程での高延伸を実現でき、それにより引張強度、引張弾性率さらには圧縮強度に優れた炭素繊維を製造できる。   According to the present invention, high stretching in the firing step can be realized without impairing productivity and processability, and thereby carbon fibers excellent in tensile strength, tensile elastic modulus and compressive strength can be produced.


本発明は、用いる重合体の極限粘度、酸素透過性及び湿熱下の耐熱性を特定の範囲に制御することで、可紡性の高い重合体とできるばかりか、均一な耐炎構造が得られために炭化工程における延伸性が向上することで高い力学物性の炭素繊維を得ることができることに加えて、製糸工程において糸切れや単繊維間接着の少ない効率的で安定したスチーム延伸や乾熱延伸が可能になり、安定性良く、高強度高弾性率な炭素繊維を得ることができるのである。
本発明のアクリロニトリル系重合体は、その極限粘度が1.5〜2.2、好ましくは1.4〜2.0、より好ましくは1.5〜1.9であることが必須である。極限粘度が小さすぎると、凝固時の可紡性が低下し、大きすぎると、重合体がゲル化しやすくなり安定した紡糸が困難になる。ここでポリアクリロニトリル系重合体の極限粘度は以下のようにして求めることができる。すなわち、予め120℃で2時間熱処理し絶乾したポリアクリロニトリル系重合体150mgを、25℃において50mlのチオシアン酸ナトリウム0.1mol/リットル添加ジメチルフォルムアミドに溶解した。得られた溶液を、25℃に温調し、予め25℃に温調してあるオストワルド粘度計を用いて標線間の落下時間を1/100秒の精度で測定し、その時間をt(秒)とした。同様に、ポリアクリロニトリル系重合体を溶解していないチオシアン酸ナトリウム0.1mol/リットル添加ジメチルフォルムアミドについても測定し、その落下時間をt0(秒)とした。次式を用いて極限粘度[η]を算出した。なお、後述する実施例では、チオシアン酸ナトリウムとジメチルフォルムアミドは、いずれも和光純薬社製特級を用いた。
[η]={(1+1.32×ηsp)^(1/2)―1}/0.198
ηsp=(t/t0)−1
ポリアクリロのトリル系重合体の極限粘度は重合時のモノマー濃度、開始剤や連鎖移動剤の量などによって制御することができる。開始剤としてはアゾビスブチロニトリル、アゾビスメチルバレロニトリル、アゾビスー4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリルなどが好ましく用いられる。また、連鎖移動剤はドデシルメルカプタン、モノチオグリコールなどのメルカプト化合物、メチルペンチルアミンのような2級アミン、トリエチルアミン、n−トリプロピルアミンのような3級アミン、次亜リン酸のようなリン酸化合物などが好ましく用いられる。

In the present invention, by controlling the intrinsic viscosity, oxygen permeability, and heat resistance under wet heat of the polymer to be used in a specific range, not only can the polymer be highly spinnable, but a uniform flame resistant structure can be obtained. In addition to being able to obtain carbon fibers with high mechanical properties by improving the stretchability in the carbonization process, efficient and stable steam stretching and dry heat stretching with less thread breakage and single fiber adhesion in the yarn making process. This makes it possible to obtain a carbon fiber with high stability and high strength and high elastic modulus.
It is essential that the intrinsic viscosity of the acrylonitrile polymer of the present invention is 1.5 to 2.2, preferably 1.4 to 2.0, more preferably 1.5 to 1.9. If the intrinsic viscosity is too small, the spinnability at the time of coagulation decreases, and if it is too large, the polymer tends to gel and stable spinning becomes difficult. Here, the intrinsic viscosity of the polyacrylonitrile polymer can be determined as follows. That is, 150 mg of a polyacrylonitrile-based polymer that had been heat-treated at 120 ° C. for 2 hours and completely dried was dissolved in 50 ml of dimethylformamide added with 0.1 mol / liter of sodium thiocyanate at 25 ° C. The temperature of the resulting solution was adjusted to 25 ° C., and the Ostwald viscometer previously adjusted to 25 ° C. was used to measure the drop time between the marked lines with an accuracy of 1/100 second. Seconds). Similarly, 0.1 mol / liter added dimethylformamide sodium thiocyanate in which the polyacrylonitrile polymer was not dissolved was also measured, and the dropping time was defined as t0 (seconds). The intrinsic viscosity [η] was calculated using the following formula. In the examples described later, special grades manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. were used for both sodium thiocyanate and dimethylformamide.
[Η] = {(1 + 1.32 × ηsp) ^ (1/2) −1} /0.198
ηsp = (t / t0) −1
The intrinsic viscosity of the polyacrylic tolyl polymer can be controlled by the monomer concentration during polymerization, the amount of initiator and chain transfer agent, and the like. As the initiator, azobisbutyronitrile, azobismethylvaleronitrile, azobis-4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile, or the like is preferably used. Chain transfer agents include mercapto compounds such as dodecyl mercaptan and monothioglycol, secondary amines such as methylpentylamine, tertiary amines such as triethylamine and n-tripropylamine, and phosphoric acids such as hypophosphorous acid. A compound or the like is preferably used.

本発明のポリアクリロニトリル系重合体は、その耐炎化処理時の酸化深さDが、炭化工程における延伸性を向上させる観点から、3.6〜6.0μm、好ましくは3.8〜5.8μm、より好ましくは4.0〜5.5μmである。酸化深さDが小さすぎると、焼成工程における延伸性向上効果が明確に発揮されず、得られる炭素繊維の引張強度、引張弾性率を向上させることができないことがある一方で、大きすぎると、耐炎化工程における酸化反応が過剰に進み、つづく炭化工程での延伸性が低下したり、得られる炭素繊維の収率が低下したりするおそれがある。ポリアクリロニトリル系重合体の耐炎化処理時の酸化深さDは次のようにして測定する。まず、重合体をジメチルスルホキシド、ジメチルフォルムアミドなどのポリアクリロニトリル可溶な溶媒に、重量濃度で25%となるよう溶解し、次に該溶液をガラス板上にキャストして、ベーカー式アプリケーターで一定の厚みになるように塗布する。次に、重合体を塗布したガラス板を、熱風乾燥機を用いて、120℃で6時間乾燥し、溶媒をとばし、厚み20〜40μmのフィルムとする。得られたフィルムを、熱風乾燥機を用いて、240℃で60分、さらに250℃で60分熱処理し、耐炎化処理を行う。得られた耐炎化フィルムを、樹脂包埋した上で、研磨し、その垂直断面を光学顕微鏡を用いて、倍率800倍で観察する。酸化が進んだ部分と、そうでない部分が明暗の差で区別できるので、フィルム表面から一定の明るさを持つ部分の厚みを少なくとも5点計測し、その算術平均を酸化深さD(μm)とする。   The polyacrylonitrile-based polymer of the present invention has an oxidation depth D during the flameproofing treatment of 3.6 to 6.0 μm, preferably 3.8 to 5.8 μm, from the viewpoint of improving stretchability in the carbonization step. More preferably, it is 4.0-5.5 micrometers. If the oxidation depth D is too small, the stretchability improving effect in the firing step is not clearly exhibited, and the tensile strength and tensile elastic modulus of the obtained carbon fiber may not be improved. There is a risk that the oxidation reaction in the flameproofing process will proceed excessively, the stretchability in the subsequent carbonization process will be reduced, and the yield of the resulting carbon fiber will be reduced. The oxidation depth D of the polyacrylonitrile polymer during the flameproofing treatment is measured as follows. First, the polymer is dissolved in a polyacrylonitrile-soluble solvent such as dimethyl sulfoxide or dimethylformamide so that the weight concentration is 25%, and then the solution is cast on a glass plate and fixed with a baker type applicator. Apply to a thickness of Next, the glass plate coated with the polymer is dried at 120 ° C. for 6 hours using a hot air dryer, and the solvent is removed to form a film having a thickness of 20 to 40 μm. The obtained film is heat-treated at 240 ° C. for 60 minutes and further at 250 ° C. for 60 minutes using a hot air dryer to perform flameproofing treatment. The obtained flame-resistant film is embedded in a resin and then polished, and the vertical section thereof is observed with an optical microscope at a magnification of 800 times. Since the oxidized portion and the non-oxidized portion can be distinguished by the difference in brightness, the thickness of the portion having a certain brightness from the film surface is measured at least 5 points, and the arithmetic average is the oxidation depth D (μm). To do.

また、本発明のポリアクリロニトリル系重合体は、示差走査熱量計(以下、DSCと称す)により測定される湿熱下融点Tmが、得られる炭素繊維前駆体繊維の耐熱性、ひいては、製糸工程におけるスチーム延伸性を向上させる観点から、191〜200℃であることが必要である。Tmが高すぎると、スチーム延伸の際に、より高温すなわちより高圧力のスチームが必要となり、その高圧力による繊維の破断が顕著となるため、結果として生産性の低下および得られる炭素繊維の品位、力学物性の低下が生じる。逆にTmが小さすぎると、単繊維間の接着が顕著となり、製糸工程における乾燥およびスチーム延伸処理時の温度を低下させなくてはならず、より長時間の処理が必要となり、結果として生産性の低下および得られる炭素繊維の品位、力学物性の低下が生じる。ポリアクリロニトリル系重合体の湿熱下融点Tmは次のようにして測定することができる。まず重合体を、凍結粉砕し、粒度100メッシュの粉体とする。該粉体を5mg精秤し、耐圧2MPa以上の密閉可能なDSC用サンプルパンに、5mgの純水とともに密封する。10℃/分の昇温速度で、室温から220℃まで示差熱量を測定し、150〜200℃付近に現れる吸熱ピークの頂点を湿熱下融点Tmとする。   Further, the polyacrylonitrile polymer of the present invention has a melting point Tm under wet heat measured by a differential scanning calorimeter (hereinafter referred to as DSC), the heat resistance of the resulting carbon fiber precursor fiber, and consequently steam in the spinning process. From the viewpoint of improving stretchability, it is necessary to be 191 to 200 ° C. If the Tm is too high, steam at a higher temperature, that is, a higher pressure is required during the steam drawing, and the fiber breakage due to the high pressure becomes remarkable, resulting in a decrease in productivity and the quality of the obtained carbon fiber. , Mechanical properties are degraded. On the other hand, if Tm is too small, the adhesion between single fibers becomes remarkable, the temperature during drying and steam drawing in the yarn forming process must be lowered, and a longer treatment is required, resulting in productivity. And the quality and mechanical properties of the resulting carbon fiber are reduced. The melting point Tm under wet heat of the polyacrylonitrile polymer can be measured as follows. First, the polymer is freeze-pulverized to obtain a powder having a particle size of 100 mesh. 5 mg of the powder is precisely weighed and sealed with 5 mg of pure water in a DSC sample pan capable of sealing with a pressure resistance of 2 MPa or more. The differential calorific value is measured from room temperature to 220 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min, and the peak of the endothermic peak appearing in the vicinity of 150 to 200 ° C. is defined as the melting point Tm under wet heat.

ポリアクリロニトリル系重合体において、耐炎化処理時の酸化深さや、湿熱下融点Tmを前記した範囲にするためには、次の一般式(1)で示される化合物であって、分子のモル体積が50〜400cm/mol、好ましくは80〜350cm/mol、より好ましくは100〜300cm/molであるビニル化合物を共重合することで達成することができる。 In the polyacrylonitrile-based polymer, in order to bring the oxidation depth at the time of flameproofing treatment and the melting point Tm under wet heat into the above-described ranges, the compound is represented by the following general formula (1), and the molar volume of the molecule is This can be achieved by copolymerizing a vinyl compound of 50 to 400 cm 3 / mol, preferably 80 to 350 cm 3 / mol, more preferably 100 to 300 cm 3 / mol.

Figure 2007113154
Figure 2007113154

(一般式(1)中、R1〜R6は水素、炭素、窒素、酸素、もしくは硫黄原子よりなる原子団より構成される)
ここで、モル体積とは、分子量を20℃における比重で割った値であり、モノマーのかさ高さに対応する指標である。一般にモル体積が大きいほど、酸素透過性向上効果を大きくでき、それが小さすぎると、酸素透過性の効果は低くなる一方で、あまりに大きすぎると、分子がかさ高すぎるため、アクリロニトリルに対する重合性の低下や、湿熱下融点の大幅な低下による製糸延伸時の糸切れの増加、耐炎化時に酸化が進みすぎることによる収率の低下、さらには得られる炭素繊維の緻密性の低下が顕著となる場合がある。
一般式(1)で示され、かつ、モル体積が100〜300cm/molである化合物としては、2,3−ジメチル1,3−ブタジエン、1,4−ジフェニル1,3−ブタジエン、ペンタジエナール、1,3−ヘキサジエン、2,5−ジメチル2,4−ヘキサジエン、2,4−ジメチル1,3−ペンタジエン、2,4−ヘキサジエナール、1,6−ジフェニル1,3,5−ヘキサトリエン、1−イソプロピル4−メチル1,3−シクロヘキサジエン、ヘプタジエナール、1,3,5−シクロヘプタトリエン、7−メチル3−メチレン1,6−オクタジエン、2,4−デカジエン1−オール、2,4−デカジエナール、ジビニルベンゼンが例示され、また、一般式(1)で示され、かつ、モル体積が80〜350cm/molの化合物としては、上記化合物群の他に、イソプレン、3−メチル1,2−ブタジエン、ペンタジエン、1,3−シクロヘキサジエンが例示され、さらに、一般式(1)で示され、かつ、モル体積が50〜400cm/molである化合物としては、上記記載化合物の他に、フラン、ブタジエンジエポキサイド、1,1,4,4−テトラフェニル1,3−ブタジエン、1,2,3,4−テトラフェニル1,3−シクロペンタジエン、テトラフェニルシクロペンタジエノンを例示することができる。 本発明のポリアクリロニトリル系重合体において、耐炎化処理時の酸化深さや、湿熱下融点Tmを前記した範囲にするためには、前述したビニル化合物の共重合量を、アクリロニトリル100モル部に対して0.1〜1.5モル部、好ましくは0.2〜1.2モル部、より好ましくは0.3〜1.0モル部とするのが良い。かかる共重合量が少なすぎると、炭素繊維前駆体繊維の酸素透過性向上効果が少なくなり、逆に多すぎると、炭素繊維前駆体繊維の分子間架橋量が多くなることで、酸素透過性が低下し、高強度高弾性率な炭素繊維が得られないことがある。
本発明においてポリアクリロニトリル系重合体は、共重合成分として、前記したビニル化合物に加えて、耐炎化促進成分を、アクリロニトリル100モル部に対して0.1〜1.0モル部、好ましくは0.12〜0.4モル部、より好ましくは0.15〜0.30モル部の範囲含むことが望ましい。耐炎化促進成分を共重合することは、速やかな耐炎化によって耐炎化工程の処理時間を短縮することができるため、生産性を高める目的から望ましい。かかる耐炎化促進成分の共重合量が少なすぎると、その効果である耐炎化促進効果が小さくなる。耐炎化促進成分の共重合量を多くするほど、耐炎化反応が促進されるが、あまりに多すぎると、発熱速度が大きくなるため反応熱の蓄熱によって暴走反応が引きおこされる危険が生じることがある。
耐炎化促進成分の具体例としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸、メサコン酸、アクリルアミド、メタクリルアミドなどが好ましく例示される。炭素繊維前駆体用アクリル繊維の湿熱下融点を高める観点からは、耐炎化促進能の高い化合物を少量加えることによって、湿熱下融点の低下を抑制することで製糸性を維持することが望ましい。その観点からは、耐炎化促進成分としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸、メサコン酸が好ましく、イタコン酸、マレイン酸、メサコン酸がさらに好ましく用いられる。
本発明における炭素繊維前駆体繊維用ポリアクリロニトリル系重合体を製造する重合方法としては、溶液重合、懸濁重合、乳化重合など公知の重合方法を選択することができるが、共重合成分を均一に重合するという観点からは、溶液重合を用いることが好ましい。溶液重合で行う場合の溶液としては、ジメチルスルホキシド、ジメチルフォルムアミド、ジメチルアセトアミドなどのポリアクリロニトリルが可溶な有機溶媒を用いるのが一般的である。
次に、本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法について説明する。
本発明の炭素繊維前駆体繊維は、前記した炭素繊維前駆体繊維用ポリアクリロニトリル系重合体を用いる。通常、かかる重合体をジメチルスルホキシド、ジメチルフォルムアミド、ジメチルアセトアミドなどのポリアクリロニトリル可溶な溶媒に溶解し、紡糸原液とする。溶液重合を用いる場合、重合に用いる溶媒と紡糸原液に用いる溶媒を同じものにしておくと、再溶解する工程が不要となり好ましい。紡糸原液中の重合体の濃度は、原液安定性の観点から、10〜40重量%であることが好ましい。
かかる紡糸原液を紡糸の前に目開き1μm以下のフィルターに通しポリマー原料および各工程において混入した不純物を除去することが高強度な炭素繊維を得るのに好ましい。
(In the general formula (1), R1 to R6 are composed of atomic groups composed of hydrogen, carbon, nitrogen, oxygen, or sulfur atoms)
Here, the molar volume is a value obtained by dividing the molecular weight by the specific gravity at 20 ° C., and is an index corresponding to the bulkiness of the monomer. In general, the larger the molar volume, the greater the effect of improving oxygen permeability, and if it is too small, the effect of oxygen permeability is reduced, whereas if it is too large, the molecule is too bulky, so When there is a significant decrease in yarn breakage during spinning, due to a significant decrease in melting point under wet heat, a decrease in yield due to excessive oxidation during flame resistance, and a further decrease in the density of the resulting carbon fiber There is.
Examples of the compound represented by the general formula (1) and having a molar volume of 100 to 300 cm 3 / mol include 2,3-dimethyl 1,3-butadiene, 1,4-diphenyl 1,3-butadiene, and pentadie. Nar, 1,3-hexadiene, 2,5-dimethyl 2,4-hexadiene, 2,4-dimethyl 1,3-pentadiene, 2,4-hexadienal, 1,6-diphenyl 1,3,5-hexa Triene, 1-isopropyl 4-methyl 1,3-cyclohexadiene, heptadienal, 1,3,5-cycloheptatriene, 7-methyl 3-methylene 1,6-octadiene, 2,4-decadiene 1-ol, 2, 4-Decadienal and divinylbenzene are exemplified, and the compound is represented by the general formula (1) and has a molar volume of 80 to 350 cm 3 / mol. In addition to the above compound group, isoprene, 3-methyl 1,2-butadiene, pentadiene, 1,3-cyclohexadiene are exemplified, and further represented by the general formula (1) and having a molar volume of 50 the compound is ~400cm 3 / mol, in addition to the above described compounds, furan, butadiene diepoxide, 1,1,4,4-tetraphenyl butadiene, 1,2,3,4-tetraphenyl Examples thereof include 1,3-cyclopentadiene and tetraphenylcyclopentadienone. In the polyacrylonitrile-based polymer of the present invention, in order to bring the oxidation depth at the time of flameproofing treatment and the melting point Tm under wet heat into the ranges described above, the amount of copolymerization of the vinyl compound described above is based on 100 mol parts of acrylonitrile. It is good to set it as 0.1-1.5 mol part, Preferably it is 0.2-1.2 mol part, More preferably, it is 0.3-1.0 mol part. If the copolymerization amount is too small, the effect of improving the oxygen permeability of the carbon fiber precursor fiber is reduced. Conversely, if the amount is too large, the amount of intermolecular crosslinking of the carbon fiber precursor fiber is increased. In some cases, carbon fibers having high strength and high elasticity cannot be obtained.
In the present invention, the polyacrylonitrile-based polymer contains 0.1 to 1.0 mole, preferably 0. 0, of a flame retardant component as a copolymerization component with respect to 100 mole of acrylonitrile in addition to the vinyl compound described above. It is desirable to include 12 to 0.4 mole part, more preferably 0.15 to 0.30 mole part. Copolymerization of the flame resistance-promoting component is desirable for the purpose of increasing productivity because the processing time of the flame resistance process can be shortened by rapid flame resistance. When the amount of copolymerization of the flame resistance promoting component is too small, the effect of promoting flame resistance, which is the effect thereof, becomes small. The more the amount of copolymerization of the flameproofing promoting component, the more the flameproofing reaction is promoted. However, if it is too much, the exothermic rate increases, and there is a risk that a runaway reaction may be caused by the accumulation of reaction heat. .
Specific examples of the flame resistance promoting component include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, mesaconic acid, acrylamide, and methacrylamide. From the viewpoint of increasing the melting point under wet heat of the acrylic fiber for carbon fiber precursor, it is desirable to maintain the yarn forming property by adding a small amount of a compound having a high flame resistance promoting ability to suppress a decrease in the melting point under wet heat. From that viewpoint, as the flame retardant promoting component, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, mesaconic acid are preferable, and itaconic acid, maleic acid, mesaconic acid are more preferably used. It is done.
As a polymerization method for producing the polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber precursor fiber in the present invention, a known polymerization method such as solution polymerization, suspension polymerization, emulsion polymerization or the like can be selected. From the viewpoint of polymerization, solution polymerization is preferably used. As the solution in the case of solution polymerization, an organic solvent in which polyacrylonitrile is soluble, such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide or the like is generally used.
Next, the manufacturing method of the carbon fiber precursor fiber of this invention is demonstrated.
As the carbon fiber precursor fiber of the present invention, the above-described polyacrylonitrile polymer for carbon fiber precursor fiber is used. Usually, such a polymer is dissolved in a polyacrylonitrile-soluble solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide or the like to obtain a spinning dope. When using solution polymerization, it is preferable that the solvent used for the polymerization and the solvent used for the spinning dope are the same because the step of re-dissolution is unnecessary. The concentration of the polymer in the spinning dope is preferably 10 to 40% by weight from the viewpoint of stock solution stability.
It is preferable to obtain a high-strength carbon fiber by removing the spinning raw solution through a filter having an opening of 1 μm or less before spinning to remove the polymer raw material and impurities mixed in each step.

紡糸原液を、湿式紡糸法また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。得られる炭素繊維前駆体繊維の緻密性を高める観点からは、乾湿式紡糸法が、より好ましい。   The spinning solution is spun from the die by a wet spinning method or a dry-wet spinning method, and introduced into a coagulation bath to coagulate the fibers. From the viewpoint of improving the denseness of the obtained carbon fiber precursor fiber, the dry and wet spinning method is more preferable.

本発明において、前記凝固浴には、紡糸原液に溶媒として用いた、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などの溶媒と、いわゆる凝固促進成分を含ませることが好ましい。凝固促進成分としては、前記重合体を溶解せず、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 preferably contains a solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, or dimethylacetamide used as a solvent in the spinning dope and a so-called coagulation promoting component. As the coagulation accelerating component, a component that does not dissolve the polymer 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、水洗し、浴中延伸や油剤付与を必要に応じて行った後、乾燥熱処理、スチーム延伸を経て、炭素繊維前駆体繊維が得られる。   After being introduced into a coagulation bath and solidifying the yarn, it is washed with water, subjected to stretching in the bath and application of oil as necessary, and then subjected to drying heat treatment and steam stretching to obtain a carbon fiber precursor fiber.

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、延伸倍率としては1〜5倍、好ましくは2〜4倍であるのが良い。   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 the bath is usually performed in a single or a plurality of stretching baths whose temperature is adjusted to 30 to 98 ° C., and the stretching ratio is 1 to 5 times, preferably 2 to 4 times.

浴延伸の後、単繊維同士の接着を防止する目的から、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 bath drawing, for the purpose of preventing adhesion between single fibers, 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.

本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法において、乾燥熱処理およびスチーム延伸は、ポリアクリロニトリル系重合体のDSCにより測定される湿熱下融点をTm(℃)とすると、乾燥熱処理温度Td(℃)およびスチーム延伸温度Ts(℃)を下記式の範囲内に設定することが必須である。   In the method for producing a carbon fiber precursor fiber of the present invention, the drying heat treatment and the steam drawing are carried out by assuming that the melting point under wet heat measured by DSC of the polyacrylonitrile polymer is Tm (° C.) and the heat treatment temperature Td (° C.) and It is essential to set the steam stretching temperature Ts (° C.) within the range of the following formula.

(Tm―30)≦Td≦(Tm−10)
(Tm―50)≦Ts≦(Tm−30)
また、より好ましくは、
(Tm―20)≦Td≦(Tm−10)
(Tm―40)≦Ts≦(Tm−30)
である。一般に、ポリアクリロニトリルは乾熱下では融点を示さないものの、水が共存していると、その融点が降下することが知られている。乾燥熱処理およびスチーム延伸は、水共存下で行われるため、その処理温度が用いるポリアクリロニトリル系重合体の湿熱下融点Tmを上回ると、融解がおき、プロセス性および得られる炭素繊維前駆体繊維、ひいては炭素繊維の力学物性が低下する。前記したように、用いるポリアクリロニトリル系重合体の共重合成分やその共重合量によって、湿熱下融点Tmは変化するため、そのTmに合わせて、熱処理温度を設定することが、高い引張強度、高い引張弾性率を持つ炭素繊維を生産性よく得るために重要である。
(Tm-30) ≦ Td ≦ (Tm-10)
(Tm-50) ≦ Ts ≦ (Tm-30)
More preferably,
(Tm−20) ≦ Td ≦ (Tm−10)
(Tm-40) ≦ Ts ≦ (Tm-30)
It is. In general, polyacrylonitrile does not show a melting point under dry heat, but it is known that the melting point of the polyacrylonitrile drops when water coexists. Since the drying heat treatment and the steam drawing are performed in the presence of water, if the treatment temperature exceeds the melting point Tm under wet heat of the polyacrylonitrile-based polymer used, melting occurs, and the processability and the resulting carbon fiber precursor fiber, The mechanical properties of carbon fibers are reduced. As described above, since the melting point Tm under wet heat changes depending on the copolymerization component of the polyacrylonitrile-based polymer to be used and the amount of the copolymerization, setting the heat treatment temperature according to the Tm has high tensile strength and high This is important for obtaining a carbon fiber having a tensile modulus with high productivity.

また、一方で乾燥熱処理温度Tsが高いほど、乾燥効率、得られる炭素繊維前駆体繊維の緻密性、の観点から有利であり、また、スチーム延伸性温度Tsが高いほど、可塑化が進みやすく延伸性向上に有利であることから、前記範囲にTdおよびTsを制御することにより、本発明のポリアクリロニトリル系重合体のポテンシャルを最大限に引き出すことができるのである。   On the other hand, the higher the drying heat treatment temperature Ts, the more advantageous from the viewpoint of drying efficiency and the density of the resulting carbon fiber precursor fiber, and the higher the steam stretchability temperature Ts, the easier the plasticization proceeds. Since it is advantageous for improving the properties, the potential of the polyacrylonitrile-based polymer of the present invention can be maximized by controlling Td and Ts within the above range.

本発明において、スチーム延伸における延伸倍率は、生産性および得られる炭素繊維の力学物性の観点から3倍以上、より好ましくは4倍以上、さらに好ましくは5倍以上であるのがよい。   In the present invention, the draw ratio in the steam drawing is preferably 3 times or more, more preferably 4 times or more, and further preferably 5 times or more from the viewpoint of productivity and mechanical properties of the obtained carbon fiber.

本発明において炭素繊維前駆体繊維の単繊維繊度は0.5〜1.5dtex、好ましくは0.55〜1.0dtex、より好ましくは0.6〜0.8dtexとするのが良い。単繊維繊度が小さすぎると、可紡性やプロセス安定性が低下することがあり、大きすぎると、耐炎化における内外構造差が大きくなり、つづく炭化工程での工程通過性が低下したり、得られる炭素繊維の引張強度、引張弾性率が低下することがある。   In the present invention, the single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber is 0.5 to 1.5 dtex, preferably 0.55 to 1.0 dtex, more preferably 0.6 to 0.8 dtex. If the single fiber fineness is too small, the spinnability and process stability may decrease.If it is too large, the internal and external structural differences in flame resistance will increase, and the subsequent processability in the carbonization process will decrease. The tensile strength and tensile elastic modulus of the carbon fiber produced may decrease.

また、本発明において炭素繊維前駆体繊維の1糸条当たりのフィラメント数は、1,000〜3,000,000、好ましくは12,000〜3,000,000、より好ましくは24,000〜2,500,000、最も好ましくは36,000〜2,000,000であるのが良い。フィラメント数は、生産性の観点からは、多い方が好ましいが、あまりに多すぎると束内部まで均一に耐炎化処理できないことがある。   In the present invention, the number of filaments per yarn of the carbon fiber precursor fiber is 1,000 to 3,000,000, preferably 12,000 to 3,000,000, more preferably 24,000 to 2. , 500,000, most preferably from 36,000 to 2,000,000. From the viewpoint of productivity, it is preferable that the number of filaments is large. However, if the number of filaments is too large, it may not be possible to uniformly treat the inside of the bundle.

次に、本発明の炭素繊維の製造方法について説明する。
本発明の炭素繊維の製造方法は、前記したようにして得られた炭素繊維前駆体繊維を200〜300℃の空気中において延伸比0.90〜1.20で耐炎化処理した後、300〜800℃の不活性雰囲気中において延伸比1.00〜1.30で予備炭化処理し、1000〜2000℃の不活性雰囲気中において延伸比0.97〜1.10で炭化処理するものである。引き続き、このようにして得られた炭素繊維を不活性雰囲気中、2,000〜3,000℃で黒鉛化処理することによって、より高い弾性率を有した黒鉛化繊維とすることもできる。
Next, the manufacturing method of the carbon fiber of this invention is demonstrated.
In the method for producing carbon fiber of the present invention, the carbon fiber precursor fiber obtained as described above is subjected to flameproofing treatment at a draw ratio of 0.90 to 1.20 in air at 200 to 300 ° C. Pre-carbonization treatment is performed at a stretch ratio of 1.00 to 1.30 in an inert atmosphere at 800 ° C., and carbonization treatment is performed at a stretch ratio of 0.97 to 1.10 in an inert atmosphere at 1000 to 2000 ° C. Subsequently, the carbon fiber thus obtained can be graphitized at 2,000 to 3,000 ° C. in an inert atmosphere to obtain a graphitized fiber having a higher elastic modulus.

本発明において、耐炎化処理における延伸比は、0.90〜1.20、好ましくは0.95〜1.15、より好ましくは0.97〜1.10とする必要がある。かかる延伸比が小さすぎると、得られる耐炎化繊維の配向度が不十分となり、得られる炭素繊維の力学物性が低下し、逆に大きすぎると、毛羽発生、糸切れ発生により工程通過性が低下する。   In the present invention, the stretch ratio in the flameproofing treatment needs to be 0.90 to 1.20, preferably 0.95 to 1.15, more preferably 0.97 to 1.10. If the draw ratio is too small, the degree of orientation of the resulting flame-resistant fiber will be insufficient, and the mechanical properties of the resulting carbon fiber will decrease. Conversely, if it is too large, the processability will decrease due to the occurrence of fluff and yarn breakage. To do.

本発明において、耐炎化処理の処理時間は、10〜100分の範囲で適宜選択することができるが、得られる耐炎化繊維の比重が1.3〜1.35の範囲となるよう設定するのが、つづく予備炭化工程の工程通過性、および得られる炭素繊維の力学物性の観点から好ましい。   In the present invention, the treatment time of the flameproofing treatment can be appropriately selected within a range of 10 to 100 minutes, but is set so that the specific gravity of the obtained flameproofing fiber is within a range of 1.3 to 1.35. Is preferable from the viewpoint of the process passability of the subsequent pre-carbonization process and the mechanical properties of the resulting carbon fiber.

本発明において、予備炭化処理、炭化処理、黒鉛化処理は不活性雰囲気中で行うが、用いるガスとしては、窒素、アルゴン、キセノンなどが好ましく例示でき、経済的な観点からは窒素が好ましく用いられる。   In the present invention, preliminary carbonization treatment, carbonization treatment, and graphitization treatment are performed in an inert atmosphere. Examples of the gas to be used include nitrogen, argon, and xenon, and nitrogen is preferably used from an economical viewpoint. .

本発明において、予備炭化工程における温度は300〜800℃とする必要があるが、その範囲における昇温速度は500℃/分以下とするのが良い。   In the present invention, the temperature in the preliminary carbonization step needs to be 300 to 800 ° C., and the temperature rising rate in the range is preferably 500 ° C./min or less.

本発明において、予備炭化工程の延伸比は1.00〜1.30、好ましくは1.05〜1.25、より好ましくは1.08〜1.20とする必要がある。かかる延伸比が小さすぎると、得られる予備炭化繊維の配向度が不十分となり、得られる炭素繊維の力学物性が低下する一方で、大きすぎると、毛羽発生、糸切れ発生により工程通過性が低下する。   In the present invention, the draw ratio in the preliminary carbonization step needs to be 1.00 to 1.30, preferably 1.05 to 1.25, more preferably 1.08 to 1.20. If the draw ratio is too small, the degree of orientation of the resulting pre-carbonized fiber will be insufficient, and the mechanical properties of the resulting carbon fiber will be reduced. On the other hand, if the draw ratio is too large, the processability will be reduced due to the occurrence of fluff and yarn breakage. To do.

本発明において、炭化処理における最高温度は所望する炭素繊維の力学物性に応じて、1000〜2000℃の範囲内で設定する必要がある。一般に炭化処理の最高温度が高いほど、得られる炭素繊維の引張弾性率が高くなるものの、引張強度は1500℃付近で極大となる。引張強度と引張弾性率の両方を高めるという観点からは、炭化処理の最高温度は1200〜1700℃がより好ましく、1300〜1600℃であるのがさらに好ましい。   In the present invention, it is necessary to set the maximum temperature in the carbonization treatment within a range of 1000 to 2000 ° C. according to the desired mechanical properties of the carbon fiber. In general, the higher the maximum temperature for carbonization, the higher the tensile modulus of the carbon fiber obtained, but the tensile strength becomes maximum at around 1500 ° C. From the viewpoint of increasing both the tensile strength and the tensile modulus, the maximum carbonization temperature is more preferably 1200 to 1700 ° C, and further preferably 1300 to 1600 ° C.

本発明において、炭化処理の延伸比は延伸比0.970〜1.100、好ましくは0.975〜1.005、より好ましくは0.980〜1.000とする必要がある。かかる延伸比が小さすぎると、得られる炭素繊維の配向度や緻密性が不十分となり、力学物性が低下する一方で大きすぎると、毛羽発生、糸切れ発生により工程通過性が低下する。   In the present invention, the drawing ratio of the carbonization treatment needs to be 0.970 to 1.100, preferably 0.975 to 1.005, more preferably 0.980 to 1.000. If the draw ratio is too small, the degree of orientation and denseness of the resulting carbon fiber will be insufficient, and the mechanical properties will be reduced, while if too large, the processability will be reduced due to the occurrence of fluff and yarn breakage.

本発明において、黒鉛化処理を行う場合、そこでの延伸比は1.000〜1.200、好ましくは1.005〜1.150、より好ましくは1.010〜0.1.100とする。かかる延伸比が小さすぎると、得られる黒鉛化繊維の配向度や緻密性が不十分となり、力学物性が低下し、大きすぎると、毛羽発生、糸切れ発生により工程通過性が低下する。   In the present invention, when the graphitization treatment is performed, the stretching ratio is 1.000 to 1.200, preferably 1.005 to 1.150, and more preferably 1.010 to 0.1.100. If the draw ratio is too small, the degree of orientation and denseness of the graphitized fiber obtained will be insufficient and the mechanical properties will be reduced. If it is too large, the processability will be reduced due to the occurrence of fluff and yarn breakage.

得られた炭素繊維や黒鉛化繊維はその表面改質のため、電解処理することができる。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、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム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、黒鉛化繊維の炭化度に応じて適宜選択することができる。   The obtained carbon fiber or graphitized fiber 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, hydrochloric acid, an alkali such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, ammonium carbonate, ammonium bicarbonate or a salt thereof is used as an aqueous solution. be able to. Here, the amount of electricity required for the electrolytic treatment can be appropriately selected according to the carbonization degree of the applied carbon fiber and graphitized fiber.

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、黒鉛繊維とマトリックスとの接着性が適正化でき、接着が強すぎることによる複合材料のブリトルな破壊や、繊維方向の引張強度が低下する問題や、繊維方向における引張強度は高いものの、樹脂との接着性に劣り、非繊維方向における強度特性が発現しないといった問題が解消され、得られる複合材料において、繊維方向と非繊維方向の両方向にバランスのとれた強度特性が発現されるようになる。   Such electrolytic treatment can optimize the adhesion between the carbon fiber and graphite fiber and the matrix in the composite material obtained, the brittle breakage of the composite material due to too strong adhesion, and the problem that the tensile strength in the fiber direction decreases. Although the tensile strength in the fiber direction is high, the problem of poor adhesion to the resin and the absence of strength properties in the non-fiber direction has been resolved, and the resulting composite material has a balance in both the fiber direction and the non-fiber direction. Excellent strength characteristics are developed.

かかる電解処理の後、得られる炭素繊維、黒鉛化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、使用する樹脂の種類に応じて、樹脂との相溶性の良いサイジング剤を適宜選択することができる。   After the electrolytic treatment, a sizing treatment can also be performed in order to impart convergence to the obtained carbon fiber and graphitized 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.

本発明によりこのようにして得られる炭素繊維は、ストランド引張強度が6GPa以上、ストランド弾性率が30GPa以上であることが好ましく、ストランド引張強度が6.6GPa以上、ストランド弾性率が330GPa以上がより好ましく、ストランド引張強度が7.0GPa以上、ストランド弾性率が350GPa以上がさらに好ましい。   The carbon fiber thus obtained according to the present invention preferably has a strand tensile strength of 6 GPa or more and a strand elastic modulus of 30 GPa or more, a strand tensile strength of 6.6 GPa or more, and a strand elastic modulus of 330 GPa or more. More preferably, the strand tensile strength is 7.0 GPa or more and the strand elastic modulus is 350 GPa or more.

また、本発明によりこのようにして得られる黒鉛化繊維は、ストランド引張強度が5GPa以上、ストランド弾性率が400GPa以上であることが好ましく、ストランド引張強度が5.5GPa以上、ストランド弾性率が450GPa以上がより好ましく、ストランド引張強度が6GPa以上、ストランド弾性率が500GPa以上がさらに好ましい。   The graphitized fiber thus obtained according to the present invention preferably has a strand tensile strength of 5 GPa or more and a strand elastic modulus of 400 GPa or more, a strand tensile strength of 5.5 GPa or more, and a strand elastic modulus of 450 GPa or more. More preferably, the strand tensile strength is 6 GPa or more, and the strand elastic modulus is more preferably 500 GPa or more.

本発明により得られる炭素繊維や黒鉛化繊維は、引張強度および引張弾性率が高いすなわち高伸度であり、また、相対的に低い焼成温度で高い弾性率が得られるため、圧縮強度も高いレベルを発現することができる。従って、プリプレグとしてオートクレーブ成形したり、織物などのプリフォームとしてレジントランスファーモールディングで成形したり、フィラメントワインディングで成形したりして、航空機部材、圧力容器部材、自動車部材、釣り竿、ゴルフシャフトなどのスポーツ部材として、好適に用いることができる。   The carbon fiber and graphitized fiber obtained by the present invention have high tensile strength and tensile modulus, that is, high elongation, and high modulus can be obtained at a relatively low firing temperature, so that the compressive strength is also high. Can be expressed. Therefore, autoclave molding as a prepreg, molding by resin transfer molding as a preform such as woven fabric, or molding by filament winding, sports members such as aircraft members, pressure vessel members, automobile members, fishing rods, golf shafts, etc. Can be suitably used.

本発明をより具体的に説明する。なお、本発明において各種物性値は以下に記載の方法により求めることができる。
<極限粘度>
予め120℃で2時間熱処理し絶乾したポリアクリロニトリル系重合体150mgを、25℃において50mlのチオシアン酸ナトリウム0.1mol/リットル添加ジメチルフォルムアミドに溶解する。得られた溶液を、25℃に温調し、予め25℃に温調してあるオストワルド粘度計を用いて標線間の落下時間を1/100秒の精度で測定し、その時間をt(秒)とする。同様に、炭素繊維前駆体繊維用ポリアクリロニトリル系重合体を溶解していないチオシアン酸ナトリウム0.1mol/リットル添加ジメチルフォルムアミドについても測定し、その落下時間をt0(秒)とした。次式を用いて極限粘度[η]を算出する。
[η]={(1+1.32×ηsp)1/2―1}/0.198
ηsp=(t/t0)−1
なお、本実施例では、チオシアン酸ナトリウムとジメチルフォルムアミドのいずれも和光純薬社製特級を用いた。
<耐炎化処理時の酸化深さD>
測定に供するポリアクリロニトリル系重合体を、ジメチルスルホキシドに重量濃度で25%となるよう溶解して溶液となし、次にその溶液をガラス板上にキャストして、ベーカー式アプリケーターを用いて約80μmの厚みになるように塗布する。次に、重合体溶液を塗布したガラス板を、熱風乾燥機を用いて空気中120℃で6時間乾燥し、ジメチルスルホキシドを蒸発させて、厚み約20μmのフィルムとする。得られたフィルムを、熱風乾燥機を用いて、空気中240℃で60分、さらに空気中250℃で60分熱処理し、耐炎化処理を行う。得られた耐炎化フィルムを樹脂包埋した上で研磨し、そのフィルム表面に対して垂直な断面を光学顕微鏡を用いて倍率800倍で観察し、写真撮影する。断面において酸化が進んだ部分は暗い層として、進んでいない部分は明るい層として観察されるので、フィルム表面から、暗い層と明るい層の境界までの距離を、写真上で5点計測し、その算術平均を酸化深さD(μm)とする。
<湿熱下融点Tm>
測定に供するポリアクリロニトリル系重合体を、液体窒素中で凍結粉砕した後、目開き0.5mmの篩いを通し粉体を得る。この粉体を5mg精秤し、DSC用中圧パン(耐圧2MPa)に、5mgの純水とともに密封する。DSC装置を用いて、10℃/分の昇温速度で、室温から220℃までDSC測定し、150〜200℃付近に現れる吸熱ピークの頂点に対応する温度を読み取り、湿熱下融点Tm(℃)とする。なお、本実施例では、DSC用中圧パンとしてメトラー社製DSC用中圧パンME29990を、DSC装置としてブルカー社製DSC3100SAを用いた。
<耐炎化繊維比重>
JIS R7601(1986)記載の方法に従う。すなわち、1.0〜1.5gの繊維を採取し、熱風乾燥機を用い、空気中120℃で2時間絶乾する。絶乾質量A(g)を測定した後、比重既知(比重ρ)のエタノールに含浸し、エタノール中の繊維質量B(g)を測定し、次式、繊維比重=(A×ρ)/(A−B)により繊維比重Dを求める。なお、本実施例では、エタノールとして和光純薬社製特級を精製せずに用いた。
<炭素繊維のストランド引張強度及びストランド引張弾性率>
JIS R7601(1986)「樹脂含浸ストランド試験法」に従って求める。
The present invention will be described more specifically. In the present invention, various physical property values can be determined by the methods described below.
<Intrinsic viscosity>
150 mg of a polyacrylonitrile-based polymer that has been heat-treated at 120 ° C. for 2 hours and completely dried is dissolved in 50 ml of dimethylformamide containing 0.1 mol / liter of sodium thiocyanate at 25 ° C. The temperature of the resulting solution was adjusted to 25 ° C., and the Ostwald viscometer previously adjusted to 25 ° C. was used to measure the drop time between the marked lines with an accuracy of 1/100 second. Seconds). Similarly, 0.1 mol / liter-added dimethylformamide with sodium thiocyanate in which the polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber precursor fibers was not dissolved was also measured, and the drop time was defined as t0 (seconds). The intrinsic viscosity [η] is calculated using the following formula.
[Η] = {(1 + 1.32 × ηsp) 1/2 −1} /0.198
ηsp = (t / t0) −1
In this example, sodium thiocyanate and dimethylformamide were both special grades manufactured by Wako Pure Chemical Industries.
<Oxidation depth D during flameproofing treatment>
A polyacrylonitrile-based polymer to be measured is dissolved in dimethyl sulfoxide so as to have a weight concentration of 25% to form a solution, and then the solution is cast on a glass plate, and about 80 μm using a Baker type applicator. Apply to a thickness. Next, the glass plate coated with the polymer solution is dried in air at 120 ° C. for 6 hours using a hot air dryer to evaporate dimethyl sulfoxide to form a film having a thickness of about 20 μm. The obtained film is heat-treated at 240 ° C. in air for 60 minutes and further in air at 250 ° C. for 60 minutes using a hot air dryer to perform flameproofing treatment. The obtained flame-resistant film is polished after being embedded in a resin, and a cross section perpendicular to the film surface is observed with an optical microscope at a magnification of 800 times and photographed. In the cross section, the part where oxidation has progressed is observed as a dark layer, and the part which has not progressed is observed as a bright layer. Therefore, the distance from the film surface to the boundary between the dark layer and the bright layer is measured at five points on the photograph. The arithmetic average is defined as the oxidation depth D (μm).
<Melting point Tm under wet heat>
The polyacrylonitrile polymer to be used for measurement is freeze-ground in liquid nitrogen, and then passed through a sieve having an aperture of 0.5 mm to obtain a powder. 5 mg of this powder is precisely weighed and sealed in a DSC medium pressure pan (withstand pressure of 2 MPa) together with 5 mg of pure water. Using a DSC apparatus, DSC measurement was performed from room temperature to 220 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min, and the temperature corresponding to the end of the endothermic peak appearing near 150 to 200 ° C. was read. And In the present example, a medium pressure pan ME29990 manufactured by Mettler was used as the medium pressure pan for DSC, and a DSC3100SA manufactured by Bruker was used as the DSC device.
<Flame resistant fiber specific gravity>
The method described in JIS R7601 (1986) is followed. That is, 1.0 to 1.5 g of fiber is collected and dried in air at 120 ° C. for 2 hours using a hot air dryer. After measuring the absolute dry mass A (g), it was impregnated in ethanol with a known specific gravity (specific gravity ρ), and the fiber mass B (g) in ethanol was measured. The following formula, fiber specific gravity = (A × ρ) / ( The fiber specific gravity D is obtained by AB). In this example, Wako Pure Chemicals special grade was used as ethanol without purification.
<Strand tensile strength and strand tensile modulus of carbon fiber>
Determined according to JIS R7601 (1986) “Resin-impregnated strand test method”.

本実施例では、測定する炭素繊維の樹脂含浸ストランドは、ユニオンカーバイド(株)製、”BAKELITE(登録商標)”ERL4221(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)を、炭素繊維に含浸させ、130℃、30分熱処理し硬化させて作製した。また、ストランドの測定本数は6本とし、各測定結果の算術平均値を、その炭素繊維の引張強度、引張弾性率とした。
<製糸工程におけるスチーム延伸性>
被評価糸条を、145℃の加圧スチーム中にて延伸倍率を0.1倍ずつ変えながら糸切れの有無を測定し、糸切れの発生しない最大倍率をスチーム延伸性(倍)とする。
<炭化毛羽個数>
炭化工程の出側において、走行中の糸条の毛羽数を長さ30mに亘って目視により計測し、その1m当たりの毛羽数を炭化毛羽個数(個/m)とする。
[実施例1〜4、比較例1〜6]
アクリロニトリル100モル部に、表1に示す第2成分のビニル化合物と耐炎化促進成分を表1に示す共重合比率で、ジメチルスルホキシドを溶媒とする溶液重合法により、アゾビスイソブチロニトリルを開始剤としてラジカル重合し、ポリアクリロニトリル系重合体を得た。得られた重合体について、酸化深さD(μm)、湿熱下融点Tm(℃)、およびガラス転移点Tg(℃)を測定した。
得られたそれぞれの重合体の濃度が、ジメチルスルホキシド中、25重量%となるよう調製した後、アンモニアガスをpHが8.5になるまで吹き込むことで、イタコン酸を中和しつつ、アンモニウム基をポリアクリロニトリル系共重合体に導入し、紡糸原液を作製した。得られた紡糸原液を、目開き0.5μmのフィルター通過後、40℃で、単孔の直径0.15mm、孔数6,000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重量%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。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油剤を付与して単繊維繊度2.6dtexの浴中延伸糸を得た。この浴中延伸糸を、165℃に加熱したローラーを用いて乾燥熱処理を行い、次に145℃の加圧スチーム中にて3.7倍延伸し、全延伸倍率13倍、単繊維繊度0.7dtex、フィラメント数6,000の炭素繊維前駆体繊維を得た。なお、乾燥熱処理した糸条についてスチーム延伸性を評価した。
得られた炭素繊維前駆体繊維を4本合糸し、トータルフィラメント数24,000とした上で、240〜260℃の空気中において延伸比1.0で延伸しながらで耐炎化処理し、比重1.35の耐炎化繊維を得た。
得られた耐炎化繊維を、続いて300〜700℃の窒素雰囲気中において、延伸比1.15で延伸しながら予備炭化処理を行い、さらに最高温度1500℃の窒素雰囲気中において、延伸比を0.99に設定して炭化処理を行い、比重1.80〜1.83の炭素繊維を得た。この際、炭化工程の出側において、炭化毛羽個数を測定した。また、得られた炭素繊維について、ストランド引張強度およびストランド引張弾性率を測定した。
重合体についての酸化深さD(μm)、湿熱下融点Tm(℃)、およびガラス転移点Tg(℃)、製糸工程におけるスチーム延伸性、炭素繊維の炭化毛羽個数、ストランド引張強度およびストランド引張弾性率について得られた結果を表2にまとめて示す。
In this example, the resin-impregnated strand of carbon fiber to be measured was “BAKELITE (registered trademark)” ERL 4221 (100 parts by weight) / 3 boron trifluoride monoethylamine (3 parts by weight) / acetone (produced by Union Carbide Corporation). 4 parts by weight) was impregnated into carbon fiber, and heat treated at 130 ° C. for 30 minutes and cured. Further, the number of strands measured was 6, and the arithmetic average value of each measurement result was taken as the tensile strength and tensile modulus of the carbon fiber.
<Steam stretchability in the yarn making process>
The yarn to be evaluated is measured for presence or absence of yarn breakage while changing the draw ratio by 0.1 times in pressurized steam at 145 ° C., and the maximum draw ratio at which no yarn breakage occurs is defined as steam drawability (times).
<Number of carbonized fuzz>
On the exit side of the carbonization step, the number of fluffs of the running yarn is visually measured over a length of 30 m, and the number of fluffs per 1 m is defined as the number of fluffs (pieces / m).
[Examples 1 to 4, Comparative Examples 1 to 6]
Azobisisobutyronitrile was started in 100 mol parts of acrylonitrile by a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide as a solvent at the copolymerization ratio shown in Table 1 with the second component vinyl compound shown in Table 1 and the flame resistance promoting component shown in Table 1. Radical polymerization was performed as an agent to obtain a polyacrylonitrile-based polymer. About the obtained polymer, oxidation depth D (micrometer), melting | fusing point Tm (degreeC) under wet heat, and glass transition point Tg (degreeC) were measured.
The concentration of each polymer obtained was adjusted to 25% by weight in dimethyl sulfoxide, and then ammonia gas was blown until the pH reached 8.5 to neutralize itaconic acid, while the ammonium group was neutralized. Was introduced into a polyacrylonitrile copolymer to prepare a spinning dope. The obtained spinning dope is passed through a filter having a mesh opening of 0.5 μm, and at 40 ° C., once discharged into the air using a spinneret having a single hole diameter of 0.15 mm and a hole number of 6,000, about 4 mm After passing through the space, a coagulated yarn was obtained by a dry and wet spinning method introduced into a coagulation bath composed of an aqueous solution of 35% by weight dimethyl sulfoxide controlled at 3 ° C. The coagulated yarn was washed with water and then stretched 3.5 times in warm water, and an amino-modified silicone oil was further added to obtain a stretched yarn in a bath having a single fiber fineness of 2.6 dtex. The drawn yarn in the bath is subjected to a drying heat treatment using a roller heated to 165 ° C., and then drawn 3.7 times in a pressurized steam at 145 ° C. to give a total draw ratio of 13 times and a single fiber fineness of 0.1. A carbon fiber precursor fiber having 7 dtex and a filament number of 6,000 was obtained. In addition, steam stretchability was evaluated about the dry-heat-treated yarn.
Four carbon fiber precursor fibers obtained were combined to give a total filament number of 24,000, and subjected to a flame resistance treatment while being drawn in air at 240 to 260 ° C. at a draw ratio of 1.0. 1.35 flameproof fiber was obtained.
The obtained flame-resistant fiber was then subjected to preliminary carbonization while being stretched at a stretch ratio of 1.15 in a nitrogen atmosphere at 300 to 700 ° C., and further, the stretch ratio was 0 in a nitrogen atmosphere at a maximum temperature of 1500 ° C. To 99. Carbonization treatment was performed to obtain carbon fibers having a specific gravity of 1.80 to 1.83. At this time, the number of carbonized fluff was measured on the exit side of the carbonization step. Moreover, strand tensile strength and strand tensile elastic modulus were measured about the obtained carbon fiber.
Oxidation depth D (μm), melting point Tm (° C.) under wet heat, and glass transition point Tg (° C.), steam stretchability in the spinning process, number of carbon fiber fluff, strand tensile strength and strand tensile elasticity The results obtained for the rates are summarized in Table 2.

Figure 2007113154
Figure 2007113154

Figure 2007113154
Figure 2007113154

Claims (6)

極限粘度[η]が1.5〜2.2であって、耐炎化処理時の酸化深さDが3.6〜6.0μm、かつ示差走査熱量計により測定される湿熱下融点Tm(℃)が191〜200℃である炭素繊維前駆体繊維用ポリアクリロニトリル系重合体。 The intrinsic viscosity [η] is 1.5 to 2.2, the oxidation depth D during the flameproofing treatment is 3.6 to 6.0 μm, and the melting point Tm (° C.) under wet heat measured by a differential scanning calorimeter. ) Is a polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber precursor fibers having a temperature of 191 to 200 ° C. 次の一般式(1)で示され、かつモル体積が50〜400cm/molであるビニル化合物を、アクリロニトリル100モル部に対して0.1〜1.5モル部共重合してなる請求項1に記載の炭素繊維前駆体繊維用ポリアクリロニトリル系重合体。
Figure 2007113154
(一般式(1)中、R1〜R6は水素、炭素、窒素、酸素、もしくは硫黄原子よりなる原子団より構成される)
A vinyl compound represented by the following general formula (1) and having a molar volume of 50 to 400 cm 3 / mol is obtained by copolymerizing 0.1 to 1.5 parts by mole with respect to 100 parts by mole of acrylonitrile. 1. A polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber precursor fibers according to 1.
Figure 2007113154
(In the general formula (1), R1 to R6 are composed of atomic groups composed of hydrogen, carbon, nitrogen, oxygen, or sulfur atoms)
さらに耐炎化促進成分を、アクリロニトリル100モル部に対して0.1〜1.0モル部共重合してなる請求項2に記載の炭素繊維前駆体繊維用アクリロニトリル系重合体。 Furthermore, the acrylonitrile-type polymer for carbon fiber precursor fibers of Claim 2 formed by copolymerizing 0.1-1.0 mol part of flameproofing promotion components with respect to 100 mol part of acrylonitrile. 請求項1〜3のいずれかに記載のポリアクリロニトリル系重合体を、湿式または乾湿式法により紡糸し、乾燥熱処理後、スチーム延伸する炭素繊維前駆体繊維の製造方法であって、前記Tm(℃)、乾燥熱処理の温度Td(℃)およびスチーム延伸の温度Ts(℃)が次の式(2)および式(3)を満たす炭素繊維前駆体繊維の製造方法。
(Tm−30)≦Td≦(Tm−10) (2)
(Tm−50)≦Ts≦(Tm−30) (3)
A method for producing a carbon fiber precursor fiber, wherein the polyacrylonitrile-based polymer according to any one of claims 1 to 3 is spun by a wet or dry-wet method, and is subjected to steam drawing after a dry heat treatment, wherein the Tm (° C ), A carbon fiber precursor fiber manufacturing method in which the temperature Td (° C.) of the drying heat treatment and the temperature Ts (° C.) of the steam drawing satisfy the following formulas (2) and (3).
(Tm-30) ≦ Td ≦ (Tm-10) (2)
(Tm-50) ≦ Ts ≦ (Tm-30) (3)
請求項4に記載の方法で製造された炭素繊維前駆体繊維を、200〜300℃の空気中において延伸比0.90〜1.20で耐炎化処理した後、300〜800℃の不活性雰囲気中において延伸比1.00〜1.30で予備炭化処理し、1000〜2000℃の不活性雰囲気中において延伸比0.97〜1.10で炭化処理する炭素繊維の製造方法。 The carbon fiber precursor fiber produced by the method according to claim 4 is subjected to flameproofing treatment at a draw ratio of 0.90 to 1.20 in air at 200 to 300 ° C, and then an inert atmosphere at 300 to 800 ° C. A carbon fiber production method in which pre-carbonization is performed at a draw ratio of 1.00 to 1.30 and carbonization is performed at 1000 to 2000 ° C. in an inert atmosphere at a draw ratio of 0.97 to 1.10. 請求項4に記載の方法で製造された炭素繊維前駆体繊維を、200〜300℃の空気中において延伸比0.90〜1.20で耐炎化処理した後、300〜800℃の不活性雰囲気中において延伸比1.00〜1.30で予備炭化処理し、1000〜2000℃の不活性雰囲気中において延伸比0.97〜1.10で炭化処理し、さらに2000〜3000℃の不活性雰囲気中において延伸比1.00〜1.20で黒鉛化処理する黒鉛化繊維の製造方法。 The carbon fiber precursor fiber produced by the method according to claim 4 is subjected to flameproofing treatment at a draw ratio of 0.90 to 1.20 in air at 200 to 300 ° C, and then an inert atmosphere at 300 to 800 ° C. Pre-carbonized at a draw ratio of 1.00 to 1.30, carbonized at a draw ratio of 0.97 to 1.10 in an inert atmosphere of 1000 to 2000 ° C., and an inert atmosphere of 2000 to 3000 ° C. A method for producing graphitized fiber, wherein the graphitization is performed at a draw ratio of 1.00 to 1.20.
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KR101876267B1 (en) * 2016-07-04 2018-07-11 재단법인 포항산업과학연구원 Method for infusibilizing carbon-fiber precursor, method for preparing carbon-fiber comprising the same, and infusibilized carbon-fiber precursor

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