JP2007182645A - Method for producing acrylic fiber - Google Patents

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Isao Nakayama
功 中山
Masashi Ise
昌史 伊勢
Makoto Endo
真 遠藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing an acrylic fiber having good appearance quality in high productivity when producing the acrylic fiber. <P>SOLUTION: The method for producing the acrylic fiber comprising extruding a spinning stock solution comprising a polyacrylonitrile-based polymer from a spinneret, coagulating the extruded solution in a coagulation bath, and subjecting the obtained yarn to a pressurized steam drawing step involves extruding the spinning stock solution while regulating the back pressure of the spinneret at the extrusion of the spinning stock solution so as to be 20-200 kgf/cm<SP>2</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、アクリル系繊維の製造方法に関するものであり、特に良好な品位を有するアクリル系繊維を高い生産性で得ることのできるアクリル系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 an acrylic fiber, and particularly relates to a method for producing an acrylic fiber capable of obtaining an acrylic fiber having a good quality with high productivity.

アクリル系繊維は、衣料用や建装用としての用途の他に、石綿代替材料としてスレート補強材への用途展開が行われている。また、アクリル系繊維は、炭素繊維の前駆体繊維としても好適に用いられており、その使用量をさらに増加させるためには、製造コストを低減し、廉価なアクリル系繊維を提供することが重要である。   Acrylic fibers are being used for slate reinforcement as an asbestos substitute material in addition to applications for clothing and construction. Acrylic fibers are also suitably used as carbon fiber precursor fibers, and in order to further increase the amount used, it is important to reduce manufacturing costs and provide inexpensive acrylic fibers. It is.

アクリル系繊維の製造コストを低減するための手段として、設備生産性の向上すなわち単位設備あたりの生産量を増大させることを狙って、処理する糸条を太くする太糸条化や、処理する糸条あたりの装置における占有幅を狭くする高密度化などの手段がある。しかしながら、これらの手段では、太糸条化および高密度化により糸条内部への熱の伝導性および液浸透性が低下するため、洗浄効率の低下、延伸性の低下および乾燥不足などにより毛羽や糸切れが発生し、工程通過性が低下することがある。   As a means to reduce the production cost of acrylic fiber, aiming to improve equipment productivity, that is, to increase the production amount per unit equipment, thickening the yarn to be processed or processing yarn There are means such as higher density that narrows the occupation width of the device per strip. However, with these means, the thermal conductivity and liquid permeability to the inside of the yarn are reduced by thickening and increasing the density of the yarn. Thread breakage may occur and process passability may decrease.

また、アクリル系繊維の製造コストを低減するための別の手段としては、口金から吐出する紡糸原液量を増加させ、太糸条化および高密度化することなく、工程の速度を高める高速化が挙げられる。高速化としては、まず凝固浴からアクリル系繊維を引き取る速度を高める方法があるが、可紡性の限界を超えての操業はできないため、速度を大きく高めることは困難である。そこで、凝固浴から吐出糸条を引き取る速度は変えずに、空中延伸や浴中延伸あるいは加圧スチーム延伸により徐々に速度を高め、最終の巻き取り速度を高める方法が主に採用されており、その延伸工程を改良することによりさらに延伸性を高め、製造コストを低減する方法が提案されている。   Another means for reducing the production cost of acrylic fibers is to increase the amount of the spinning dope discharged from the die and increase the speed of the process without increasing the thickness and density. Can be mentioned. As for speeding up, there is a method of increasing the speed at which the acrylic fiber is taken out from the coagulation bath, but it is difficult to increase the speed greatly because the operation beyond the spinnability limit cannot be performed. Therefore, without changing the speed at which the discharged yarn is taken out from the coagulation bath, a method of gradually increasing the speed by in-air stretching, in-bath stretching or pressurized steam stretching to increase the final winding speed is mainly adopted. There has been proposed a method for improving stretchability by further improving the stretching process and reducing manufacturing cost.

具体的に、凝固後の空中延伸により延伸性向上する方法が提案されている(特許文献1参照。)。空中延伸を用いることで、紡糸原液の溶媒が急激に脱離、分離するのを抑制し、均一に延伸することにより凝固時の断面形状を維持するとともに、残存している紡糸原液の溶媒が可塑剤として働き効果的な延伸が可能となるとしている。しかしながら、空中延伸による効果は、特許文献1の実施例に記載されているとおり、2倍程度の延伸性しかなく、空中延伸による製造コスト低減の効果は小さいものである。また、溶媒が繊維中に残存したまま延伸による緻密化が進むことから、溶媒の脱離や分離を十分行うには、洗浄工程を長くするか、または界面活性剤や溶剤を使用する必要があり、工程が煩雑になり好ましくなく、繊維に溶媒が残った状態でさらに延伸すれば、単繊維同士で接着が起こりやくなり強度低下を引き起こすことがある。   Specifically, a method for improving stretchability by air stretching after solidification has been proposed (see Patent Document 1). By using aerial drawing, the solvent of the spinning dope is prevented from abruptly detaching and separating, and the cross-sectional shape during coagulation is maintained by drawing uniformly, and the remaining solvent of the spinning dope is plasticized. It works as an agent and enables effective stretching. However, as described in the example of Patent Document 1, the effect of air stretching has only about twice the stretchability, and the effect of reducing the manufacturing cost by air stretching is small. In addition, since the densification by stretching proceeds while the solvent remains in the fiber, it is necessary to lengthen the washing process or use a surfactant or a solvent in order to sufficiently remove and separate the solvent. Further, the process becomes complicated, which is not preferable, and if the fiber is further stretched with the solvent remaining, adhesion between single fibers is likely to occur and the strength may be reduced.

また別に、凝固後の浴中延伸での熱水延伸を安定に効果的に行う方法として多段延伸法が提案されている(特許文献2参照。)。しかしながら、この提案の方法を太糸条で高密度な糸条に用いると、糸条内部への熱水の浸透性が低いために延伸性向上効果は十分ではなかった。   Separately, a multi-stage stretching method has been proposed as a method for stably and effectively performing hot water stretching in stretching in a bath after solidification (see Patent Document 2). However, when this proposed method is used for thick yarns with thick yarns, the effect of improving stretchability is not sufficient due to the low permeability of hot water into the yarns.

さらに、浴中延伸よりも高温での延伸が可能であり、より高延伸な方法として加圧スチーム延伸が従来から好適に用いられている(特許文献3参照。)。また、加圧スチーム延伸においてさらに延伸性を向上させる方法としては、スチームの湿り度を適正化し、糸条を適度に濡らし可塑化効果を与える方法が提案されている(特許文献4参照。)。しかしながら、この提案の方法においても、太糸条で高密度な糸条においては、特許文献2の場合と同様の理由により延伸性向上効果は小さく、また、細い糸条においても湿り度の適正化が難しく、安定して高延伸処理を行うことは困難であった。   Furthermore, it is possible to stretch at a higher temperature than in-bath stretching, and pressure steam stretching has been conventionally used as a higher stretching method (see Patent Document 3). Further, as a method for further improving the stretchability in the pressurized steam stretching, a method of optimizing the wetness of steam and appropriately wetting the yarn to give a plasticizing effect has been proposed (see Patent Document 4). However, even in this proposed method, the effect of improving stretchability is small for thick yarns and high-density yarns for the same reason as in Patent Document 2, and the wetness is optimized even for thin yarns. However, it was difficult to perform a high stretching process stably.

これらのように延伸工程を改良して延伸性を高める方法は、工程の安定化が難しく、また工程が煩雑化することは避けられず、効果としても繊維自体の延伸性のポテンシャルは変わらないために大きな効果は望めない。
特開昭63−275713号公報 特開昭50−154531号公報 特公昭60−39763号公報 特開昭58−214521号公報
The method of improving the stretching process by improving the stretching process as described above is difficult to stabilize the process, and it is inevitable that the process is complicated, and as a result, the stretch potential of the fiber itself does not change. The big effect cannot be expected.
JP-A 63-275713 Japanese Patent Laid-Open No. 50-154531 Japanese Examined Patent Publication No. 60-39663 JP 58-214521 A

本発明の目的は、かかる現状に鑑み、アクリル系繊維を製造するにあたり、高い生産性で良好な品位を有するアクリル系繊維を得るための製造方法を提供することにある。   In view of the current situation, an object of the present invention is to provide a production method for obtaining acrylic fibers having high productivity and good quality when producing acrylic fibers.

本発明の前記した目的を達成するために、本発明のアクリル系繊維の製造方法は次の構成を有するものである。すなわち、本発明のアクリル系繊維の製造方法は、ポリアクリロニトリル系重合体からなる紡糸原液を口金から吐出し、凝固浴にて凝固せしめ、加圧スチーム延伸工程を経るアクリル系繊維の製造方法において、紡糸原液吐出時の口金背面圧を20〜200kgf/cmの範囲に制御して吐出するアクリル系繊維の製造方法である。 In order to achieve the above-mentioned object of the present invention, the acrylic fiber manufacturing method of the present invention has the following configuration. That is, the acrylic fiber production method of the present invention is a method for producing an acrylic fiber that is subjected to a pressurized steam stretching step by discharging a spinning stock solution comprising a polyacrylonitrile-based polymer from a die and coagulating it in a coagulation bath. This is a method for producing an acrylic fiber that discharges by controlling the pressure on the back surface of the die at the time of discharging the spinning dope in a range of 20 to 200 kgf / cm 2 .

本発明のアクリル系繊維の製造方法の好ましい態様によれば、前記のポリアクリロニトリル系重合体の極限粘度は1.5〜5の範囲であり、紡糸原液中ポリアクリロニトリル系重合体濃度は12〜30重量%の範囲であり、そして、紡糸原液の吐出時粘度は200〜2,500poiseの範囲であることが好ましい。   According to a preferred embodiment of the method for producing acrylic fiber of the present invention, the intrinsic viscosity of the polyacrylonitrile polymer is in the range of 1.5 to 5, and the concentration of the polyacrylonitrile polymer in the spinning dope is 12 to 30. It is preferably in the range of% by weight, and the viscosity at the time of discharging the spinning dope is preferably in the range of 200 to 2,500 poise.

また、本発明の炭素繊維の製造方法は、上記の製造方法により製造されたアクリル系繊維を、空気中200〜300℃の範囲の温度で耐炎化し、引き続き不活性雰囲気中300〜2,000℃の範囲の温度で炭化処理する炭素繊維の製造方法である。   Further, the carbon fiber production method of the present invention is made flame-resistant at a temperature in the range of 200 to 300 ° C. in the air, and subsequently 300 to 2,000 ° C. in an inert atmosphere. It is the manufacturing method of the carbon fiber which carbonizes at the temperature of the range of this.

本発明によれば、凝固後の延伸処理において、高延伸処理を安定して実現することができ、高い生産性で良好な品位を有するアクリル系繊維を得ることができる。それにより、アクリル系繊維の製造コストを低減することができる。   According to the present invention, high-stretching treatment can be stably realized in the stretching treatment after solidification, and acrylic fibers having high quality and good quality can be obtained. Thereby, the manufacturing cost of acrylic fiber can be reduced.

本発明者らは、アクリル系繊維の製造工程において、高延伸処理を行うことにより、高い生産性で良好な品位を有するアクリル系繊維を得ること、および製造コストを低減することを目的とし、鋭意検討を重ねた結果、紡糸原液を口金から吐出する際の吐出条件が凝固後の繊維構造に影響し、かかる繊維構造が凝固に続く加圧スチーム延伸工程での延伸性に影響することを見出し、本発明に到達した。   The inventors of the present invention have earnestly pursued the purpose of obtaining acrylic fibers having high productivity and good quality by reducing the production cost by performing a high drawing process in the production process of acrylic fibers. As a result of repeated studies, it has been found that the discharge conditions when discharging the spinning dope from the die affect the fiber structure after coagulation, and that the fiber structure affects the stretchability in the pressurized steam drawing process following the coagulation, The present invention has been reached.

以下、本発明のアクリル系繊維の製造方法について、より詳細に説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the acrylic fiber of this invention is demonstrated in detail.

本発明では、ポリアクリロニトリル系重合体からなる紡糸原液を口金から吐出し、凝固浴にて凝固せしめ、加圧スチーム延伸工程を経てアクリル系繊維を製造する。本発明において、紡糸原液吐出時の口金背面圧は20〜200kgf/cmの範囲であり、好ましくは25〜180kgf/cmの範囲であり、さらに好ましくは30〜160kgf/cmの範囲である。ここで口金背面圧は、下式にて求められるものである。 In the present invention, a spinning stock solution composed of a polyacrylonitrile-based polymer is discharged from a die, solidified in a coagulation bath, and an acrylic fiber is produced through a pressurized steam drawing process. In the present invention, the back pressure of the base when discharging the spinning dope is in the range of 20 to 200 kgf / cm 2 , preferably in the range of 25 to 180 kgf / cm 2 , and more preferably in the range of 30 to 160 kgf / cm 2. . Here, the back pressure of the base is determined by the following equation.

口金背面圧(kgf/cm)=1.28×v×L×η/(π×g×d×D
・π:円周率
・g:重力加速度=9.8(m/秒
・v:口金の単孔からの紡糸原液吐出量(cm/秒)
・L:口金吐出部の厚み(mm)
・D:口金の孔径(mm)
・η:紡糸原液の吐出時粘度(poise)
・d:紡糸原液の比重=1.1
口金背面圧を上記範囲に規制制御することによって、凝固浴にて凝固せしめた繊維を加圧スチーム延伸する際に、高延伸を安定して実現することができる。その理由は明確にはなっていないが、口金背面圧により紡糸原液中のポリアクリロニトリル分子同士の絡み合いの度合いを制御することができ、上記範囲の口金背面圧の際に、ポリアクリロニトリル系重合体が高延伸可能な分子の状態になっていると考えられる。すなわち、口金背面圧が低すぎる場合には、ポリアクリロニトリル分子同士の絡み合いの度合いが少なすぎるために、少しの延伸により絡み合いが解けてしまい高延伸ができず、逆に、口金背面圧が高すぎる場合には、ポリアクリロニトリル分子同士の絡み合いの度合いが多すぎるためにその絡み合いを十分に伸ばすことができないため、延伸性を向上することができないと考えられる。また、工程の安定性という観点からも、口金背面圧が小さすぎる場合には紡糸原液の吐出が安定せず、安定した操業ができないことがあり、一方、口金背面圧が高すぎる場合には、口金や配管の耐圧性を高くする必要があるために製造コストが高くなる。
Base back pressure (kgf / cm 2 ) = 1.28 × v × L × η / (π × g × d × D 4 )
・ Π: Circumference ratio ・ g: Gravitational acceleration = 9.8 (m / sec 2 )
V: Spinning stock solution discharge rate from a single hole in the die (cm 3 / sec)
L: Thickness of the base discharge part (mm)
D: Hole diameter of the base (mm)
・ Η: Viscosity at the time of discharging the spinning dope
D: Specific gravity of the spinning dope = 1.1
By restricting and controlling the pressure on the back surface of the die within the above range, high-stretching can be stably achieved when the steam solidified in the coagulation bath is subjected to pressurized steam stretching. The reason for this is not clear, but the degree of entanglement between the polyacrylonitrile molecules in the spinning dope can be controlled by the pressure on the back of the die. It is considered that the molecules are in a state of being highly stretchable. That is, when the back pressure of the base is too low, the degree of entanglement between the polyacrylonitrile molecules is too small, so that the entanglement is released by a little stretching and high stretching cannot be performed. Conversely, the back pressure of the base is too high. In this case, since the degree of entanglement between the polyacrylonitrile molecules is too large, the entanglement cannot be sufficiently extended, so that it is considered that the stretchability cannot be improved. Also, from the viewpoint of process stability, if the back pressure of the base is too small, the discharge of the spinning stock solution may not be stable, and stable operation may not be possible, while if the back pressure of the base is too high, Since it is necessary to increase the pressure resistance of the base and piping, the manufacturing cost increases.

本発明においては、ポリアクリロニトリル系重合体の極限粘度は、好ましくは1.5〜5の範囲であり、より好ましくは1.7〜4.5の範囲であり、さらに好ましくは2〜4の範囲である。極限粘度は、高いほどアクリル系繊維の物性が高くなる。また、得られたアクリル系繊維を炭素繊維の前駆体繊維として用いた場合には、極限粘度、すなわち分子量は高いほど分子同士のつながりが強く、炭化処理で高張力での延伸ができるため、引張弾性率の高い炭素繊維を得ることができる。ポリアクリロニトリル系重合体の極限粘度が上記範囲より低いと、アクリル系繊維として物性が低くなることがある。また、得られたアクリル系繊維を炭素繊維の前駆体繊維として用いた場合、炭化処理で高張力の延伸ができず、得られる炭素繊維の物性が低くなることがある。一方、ポリアクリロニトリル系重合体の極限粘度が上記範囲より高いと、紡糸原液のゲル化が顕著となり安定した紡糸が困難となる。   In the present invention, the intrinsic viscosity of the polyacrylonitrile polymer is preferably in the range of 1.5 to 5, more preferably in the range of 1.7 to 4.5, and still more preferably in the range of 2 to 4. It is. The higher the intrinsic viscosity, the higher the physical properties of the acrylic fiber. In addition, when the obtained acrylic fiber is used as a carbon fiber precursor fiber, the higher the intrinsic viscosity, that is, the higher the molecular weight, the stronger the connection between the molecules, and the higher the tension can be achieved by carbonization treatment. A carbon fiber having a high elastic modulus can be obtained. If the intrinsic viscosity of the polyacrylonitrile polymer is lower than the above range, the physical properties of the acrylic fiber may be lowered. Moreover, when the obtained acrylic fiber is used as a carbon fiber precursor fiber, the carbon fiber may not be able to be stretched at high tension, and the resulting carbon fiber may have low physical properties. On the other hand, when the intrinsic viscosity of the polyacrylonitrile-based polymer is higher than the above range, gelation of the spinning dope becomes remarkable and stable spinning becomes difficult.

本発明においては、紡糸原液中のポリアクリロニトリル系重合体濃度は、好ましくは12〜30重量%の範囲であり、より好ましくは14〜28重量%の範囲であり、さらに好ましくは16〜26重量%の範囲である。紡糸原液中のポリアクリロニトリル系重合体濃度がかかる範囲より低い場合、紡糸原液を凝固浴にて凝固せしめたときに脱離や分離する溶媒が多くなり、繊維の緻密化が十分にできないために、繊維の強度が低下することがある。また、上記緻密化が十分ではないアクリル系繊維を炭素繊維の前駆体繊維として用いた場合には、得られる炭素繊維の引張強度が低下することがある。一方、紡糸原液中のポリアクリロニトリル系重合体濃度がかかる範囲より高い場合、紡糸原液のゲル化が顕著となり紡糸が安定にできないことがある。   In the present invention, the concentration of the polyacrylonitrile polymer in the spinning dope is preferably in the range of 12 to 30% by weight, more preferably in the range of 14 to 28% by weight, still more preferably 16 to 26% by weight. Range. If the concentration of polyacrylonitrile polymer in the spinning dope is lower than this range, the solvent to be detached or separated when the spinning dope is coagulated in a coagulation bath increases, and the fibers cannot be sufficiently densified. Fiber strength may be reduced. Moreover, when the acrylic fiber which is not sufficiently densified is used as a carbon fiber precursor fiber, the tensile strength of the obtained carbon fiber may be lowered. On the other hand, if the concentration of the polyacrylonitrile polymer in the spinning dope is higher than this range, gelation of the spinning dope becomes remarkable and spinning may not be stable.

本発明においては、紡糸原液の吐出時粘度が200〜2,500poiseの範囲であることが好ましく、より好ましくは230〜2,200poiseの範囲であり、さらに好ましくは250〜2,000poiseの範囲である。ここで紡糸原液の吐出時粘度とは、紡糸原液を吐出する口金自体の温度が吐出時の紡糸原液の温度とみなし、かかる温度にて測定した紡糸原液の粘度のことをいう。紡糸原液の吐出時粘度は、口金背面圧に関与する要因であり、口金背面圧を上記範囲にするにはかかる範囲の吐出時粘度が好ましいとともに、その吐出時粘度が低すぎる場合には可紡性が低下し、逆に吐出時粘度が高すぎる場合には紡糸原液がゲル化しやすくなるために安定した紡糸が困難となる。   In the present invention, the discharge viscosity of the spinning dope is preferably in the range of 200 to 2,500 poise, more preferably in the range of 230 to 2,200 poise, and still more preferably in the range of 250 to 2,000 poise. . Here, the discharge viscosity of the spinning dope refers to the viscosity of the spinning dope measured at the temperature of the nozzle itself that discharges the spinning dope as the temperature of the spinning dope at the time of discharge. The discharge viscosity of the spinning dope is a factor related to the back pressure of the die, and the discharge viscosity in such a range is preferable for setting the back pressure of the die to the above range, and if the discharge viscosity is too low, spinning is possible. On the contrary, when the viscosity at the time of discharge is too high, the spinning dope becomes easy to gel and stable spinning becomes difficult.

次に、本発明のアクリル系繊維の製造方法について、順を追ってさらに詳細に説明する。   Next, the manufacturing method of the acrylic fiber of this invention is demonstrated in detail later on in order.

本発明では、アクリル系繊維は、ポリアクリロニトリル系重合体を口金から吐出し紡糸して得られる。ポリアクリロニトリル系重合体は、アクリロニトリルを好ましくは98mol%以上、より好ましくは99mol%以上と、共重合成分を好ましくは2mol%未満、より好ましくは1mol%未満とを用いて重合させて得られるものである。共重合成分が多すぎると、可塑性が高くなり、凝固後の延伸工程において可塑化されすぎるために延伸性が向上しないことがある。   In the present invention, the acrylic fiber is obtained by discharging and spinning a polyacrylonitrile polymer from a die. The polyacrylonitrile-based polymer is obtained by polymerizing acrylonitrile with preferably 98 mol% or more, more preferably 99 mol% or more and the copolymerization component preferably less than 2 mol%, more preferably less than 1 mol%. is there. When there are too many copolymer components, plasticity will become high, and since it is plasticized too much in the extending process after coagulation | solidification, stretchability may not improve.

共重合成分は、特に限定されることはないが、得られるアクリル系繊維を炭素繊維の前駆体繊維として用いる場合には、耐炎化反応を速やかに進める目的から、耐炎化促進作用を有する成分を0.1mol%以上共重合することが好ましい。一方で、耐炎化促進作用を有する成分の共重合量が多くなるほど、耐炎化反応での発熱速度が大きくなり暴走反応の危険が生じることがあるため、かかる成分の共重合量は1mol%を超えない範囲とすることが好ましい。耐炎化促進作用を有する成分としては、カルボキシル基またはアミド基を一つ以上有するものが例示することができる。   The copolymerization component is not particularly limited, but when the obtained acrylic fiber is used as a carbon fiber precursor fiber, a component having a flame resistance promoting action is used for the purpose of promptly promoting the flame resistance reaction. It is preferable to copolymerize 0.1 mol% or more. On the other hand, as the amount of copolymerization of the component having the flameproofing promoting action increases, the rate of heat generation in the flameproofing reaction increases and the risk of runaway reaction may occur, so the copolymerization amount of such component exceeds 1 mol%. It is preferable to set it to a range that does not exist. Examples of the component having a flame resistance promoting action include those having at least one carboxyl group or amide group.

共重合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、メサンコン酸、アクリルアミド、メタクリルアミドなどが挙げられる。耐炎化促進効果はアミド基よりもカルボキシル基の方が高いことから、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、マレイン酸およびメサンコン酸等が挙げられる。   Specific examples of the copolymer component include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, mesaconic acid, acrylamide, and methacrylamide. Since the carboxyl group has a higher flame resistance promoting effect than the amide group, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, mesaconic acid, and the like can be mentioned.

ポリアクリロニトリル系重合体の重合方法としては、溶液重合法、懸濁重合法および乳化重合法等を適用することができるが、重合原料を均一に溶解できる有機溶媒を用いた溶液重合法が好適に用いられる。溶液重合法で用いられる具体的な有機溶媒としては、例えば、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどが挙げられ、中でも溶解性の観点からジメチルスルホキシドが最も好ましい。   As a polymerization method of the polyacrylonitrile-based polymer, a solution polymerization method, a suspension polymerization method, an emulsion polymerization method, and the like can be applied, but a solution polymerization method using an organic solvent capable of uniformly dissolving the polymerization raw material is preferable. Used. Specific examples of the organic solvent used in the solution polymerization method include dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and dimethylacetamide, and dimethyl sulfoxide is most preferable from the viewpoint of solubility.

ポリアクリロニトリル系重合体を紡糸することでアクリル系繊維が得られる。紡糸に際し、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどの該ポリアクリロニトリル系重合体が可溶な溶媒に溶解し、紡糸原液とする。特に、溶液重合法を用いる場合には、重合に用いられる溶媒と紡糸原液に用いられる溶媒を同じものにしておくと、得られたポリアクリロニトリル系重合体を分離し、溶媒に再溶解する工程が不要となり好ましい態様である。紡糸原液中のポリアクリロニトリル系重合体濃度は、既述のとおりである。   Acrylic fibers can be obtained by spinning a polyacrylonitrile polymer. At the time of spinning, the polyacrylonitrile-based polymer such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide is dissolved in a soluble solvent to obtain a spinning dope. In particular, when a solution polymerization method is used, if the solvent used for the polymerization and the solvent used for the spinning dope are the same, the step of separating the resulting polyacrylonitrile-based polymer and re-dissolving in the solvent is performed. This is a preferred embodiment because it is unnecessary. The concentration of the polyacrylonitrile polymer in the spinning dope is as described above.

かかる紡糸原液を紡糸する前に、紡糸原液を目開き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好ましい。これにより、得られたアクリル系繊維を炭素繊維の前駆体繊維として用いた場合に、得られる炭素繊維が高い引張強度を有するものとなる。   Prior to spinning the spinning dope, it is preferable to pass the spinning dope through a filter having an opening of 1 μm or less to remove the polymer raw material and impurities mixed in each step. Thereby, when the obtained acrylic fiber is used as a precursor fiber of carbon fiber, the obtained carbon fiber has high tensile strength.

紡糸方法としては、湿式紡糸法や乾湿式紡糸法が、その高い生産性から好適に用いられる。中でも、紡糸原液を口金から吐出し、1〜4mmの空間を経て凝固浴に導入して繊維を凝固せしめる乾湿式紡糸法が、繊維の緻密性を高めることができ、本発明においてはより好適に用いることができる。   As the spinning method, a wet spinning method or a dry-wet spinning method is preferably used because of its high productivity. Among these, the dry and wet spinning method in which the spinning solution is discharged from the die and introduced into the coagulation bath through a space of 1 to 4 mm to coagulate the fibers can improve the denseness of the fibers, and is more preferable in the present invention. Can be used.

本発明で用いられる口金の形状は、孔径Dが0.05〜0.18mmの範囲であり、吐出部の厚みLが0.1〜0.5mmの範囲であり、L/Dが1.5〜4の範囲であることが好ましく、より好ましくは孔径Dが0.08〜0.15mmの範囲であり、吐出部の厚みLが0.16〜0.45mmの範囲であり、L/Dが2〜3の範囲である。口金の形状は、口金背面圧を望ましい範囲にするため、かつ、紡糸における可紡性および吐出時の安定性の観点から、上記範囲となる形状が好ましい。   The shape of the die used in the present invention is such that the hole diameter D is in the range of 0.05 to 0.18 mm, the thickness L of the discharge part is in the range of 0.1 to 0.5 mm, and the L / D is 1.5. Is preferably in the range of ˜4, more preferably, the pore diameter D is in the range of 0.08 to 0.15 mm, the discharge portion thickness L is in the range of 0.16 to 0.45 mm, and L / D is It is a range of 2-3. The shape of the die is preferably in the above range in order to make the pressure on the back surface of the die within a desired range and from the viewpoint of spinnability in spinning and stability during discharge.

本発明においては、紡糸原液の吐出時粘度を前記範囲とするために、紡糸原液の吐出時の温度を制御することが好適に用いられる。紡糸原液の吐出時の温度は、前記したとおり、紡糸原液を吐出する口金自体の温度とみなし、かかる口金温度を制御することにより、紡糸原液の吐出時温度を制御することができ、吐出時粘度を制御することができる。その温度は、10〜85℃の範囲が好ましく、より好ましくは15〜80℃の範囲である。紡糸原液の温度が低すぎる場合には、口金からの吐出時に口金吐出面に結露が生じることがあり、また、紡糸原液の温度が高すぎる場合には、ゲル化が顕著となり、ともに安定した紡糸が困難となることがある。   In the present invention, in order to make the viscosity at the time of discharging the spinning dope within the above range, it is preferable to control the temperature at the time of discharging the spinning dope. As described above, the temperature at which the spinning dope is discharged is regarded as the temperature of the die itself that discharges the spinning dope. By controlling the temperature of the die, the temperature at which the spinning dope is discharged can be controlled, and the viscosity at the time of discharging. Can be controlled. The temperature is preferably in the range of 10 to 85 ° C, more preferably in the range of 15 to 80 ° C. If the temperature of the spinning dope is too low, condensation may occur on the discharge surface of the die when discharging from the die, and if the temperature of the spinning dope is too high, gelation becomes prominent and stable spinning is achieved. May be difficult.

本発明において、前記凝固浴には、紡糸原液の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および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、前記ポリアクリロニトリル系重合体を溶解せず、かつ紡糸原液に用いる溶媒と相溶性があるものを使用することができ、具体的には、水を使用することが好ましい。   In the present invention, the coagulation bath preferably contains a solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide used as a solvent for the spinning dope and a so-called coagulation promoting component. As the coagulation accelerating component, a component that does not dissolve the polyacrylonitrile-based polymer and is compatible with the solvent used in the spinning dope can be used. Specifically, it is preferable to use water.

本発明では、吐出された糸条物を凝固浴中に導入して凝固せしめた後、加圧スチーム延伸工程を経てアクリル系繊維を得るが、必要に応じて、水洗工程、浴中延伸工程、油剤付与工程および乾燥熱処理工程を適宜組み込むことができる。   In the present invention, after the discharged yarn material is introduced into a coagulation bath and solidified, an acrylic fiber is obtained through a pressure steam drawing process, but if necessary, a water washing step, a drawing step in the bath, An oil agent application step and a drying heat treatment step can be appropriately incorporated.

水洗工程は、凝固後の繊維から、紡糸原液から残存した溶媒および凝固浴から持ち出した水と溶媒を除去する手段として、凝固浴から引き取った直後に組み込むことが好適である。   The water washing step is preferably incorporated immediately after being taken out from the coagulation bath as a means for removing the solvent remaining from the spinning dope and the water and solvent taken out from the coagulation bath from the coagulated fiber.

浴中延伸工程は、好ましくは30〜98℃の範囲の温度に温調された熱水中に糸条を通過させ延伸する方法が一般的であるが、この工程では単一または複数の延伸浴を用いることができ、この工程は水洗工程と組み合わせても良いし、水洗工程の後に行っても良い。   The stretching process in the bath is generally a method in which the yarn is stretched by passing it through hot water adjusted to a temperature preferably in the range of 30 to 98 ° C. In this process, a single or a plurality of stretching baths are used. This step may be combined with the water washing step or after the water washing step.

油剤付与工程は、工程通過性およびハンドリング性を向上させる上で好適である。また、得られたアクリル系繊維を炭素繊維の前駆体繊維として用いる場合には、耐炎化処理および炭化処理の初期において単繊維同士が接着することがあり、その接着を防止する目的から、シリコーン等からなる油剤を付与することが好ましい。かかるシリコーンとしては、変性されたシリコーンを用いることが好ましく、耐熱性の高いアミノ変性シリコーンを用いることが好ましい。   The oil agent application step is suitable for improving process passability and handling properties. Further, when the obtained acrylic fiber is used as a carbon fiber precursor fiber, the single fibers may adhere to each other at the initial stage of the flameproofing treatment and carbonization treatment. For the purpose of preventing the adhesion, silicone and the like It is preferable to apply an oil consisting of As such silicone, modified silicone is preferably used, and amino-modified silicone having high heat resistance is preferably used.

乾燥熱処理工程は、水洗工程または浴中延伸工程における水等を乾燥する工程であり、短時間で効率よく乾燥できれば接触方式と非接触方式のどちらの方式でも良く、単繊維同士が接着しない、かつ乾燥効率の観点から120〜190℃の範囲の温度で行うことが好ましい。   The drying heat treatment process is a process of drying water or the like in the washing process or the stretching process in the bath, and may be either a contact system or a non-contact system as long as it can be efficiently dried in a short time, and the single fibers do not adhere to each other, and It is preferable to carry out at the temperature of the range of 120-190 degreeC from a viewpoint of drying efficiency.

加圧スチーム延伸は、単繊維同士が接着しない、かつ延伸性の観点から120〜190℃の範囲の温度で行うことが好ましい。   The pressurized steam stretching is preferably carried out at a temperature in the range of 120 to 190 ° C. from the viewpoint of stretchability in which single fibers do not adhere to each other.

本発明のアクリル系繊維の単繊維繊度は、好ましくは0.3〜1.3dtexの範囲であり、より好ましくは0.5〜1.0dtexの範囲である。単繊維繊度が小さすぎると、可紡性が低下することがあり、逆に単繊維繊度が大きすぎると、炭素繊維の前駆体繊維として用いた場合に耐炎化が単繊維内部まで十分に進行せず、続く炭化処理での工程通過性が低下することがある。   The single fiber fineness of the acrylic fiber of the present invention is preferably in the range of 0.3 to 1.3 dtex, more preferably in the range of 0.5 to 1.0 dtex. If the single fiber fineness is too small, the spinnability may be reduced. Conversely, if the single fiber fineness is too large, flame resistance can sufficiently progress to the inside of the single fiber when used as a precursor fiber of carbon fiber. In addition, the process passability in the subsequent carbonization treatment may be reduced.

上記の方法により得られるアクリル系繊維を、空気中で200〜300℃の範囲の温度で耐炎化し、引き続き不活性雰囲気中で300〜2,000℃の範囲の温度で炭化処理することにより、良好な物性を有する炭素繊維を製造することができる。   Acrylic fiber obtained by the above method is flame resistant at a temperature in the range of 200 to 300 ° C. in the air, and then carbonized at a temperature in the range of 300 to 2,000 ° C. in an inert atmosphere. Carbon fibers having various physical properties can be produced.

本発明のアクリル系繊維の製造方法で得られたアクリル系繊維を、炭素繊維の前駆体繊維として用いる場合には、アクリル系繊維の束の全フィラメント数は10,000〜100,000の範囲であることが好ましい。フィラメント数がかかる範囲から外れる場合は、生産性が低下したり、耐炎化や炭化処理において均一に処理できないことがある。   When the acrylic fiber obtained by the method for producing an acrylic fiber of the present invention is used as a carbon fiber precursor fiber, the total number of filaments of the acrylic fiber bundle is in the range of 10,000 to 100,000. Preferably there is. When the number of filaments is out of the range, productivity may be reduced, or uniform processing may not be performed in flame resistance or carbonization.

耐炎化の時間は、処理温度に応じて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好ましくは1.3〜1.5の範囲となるように、より好ましくは1.32〜1.47の範囲となるよう設定することが、続く炭化処理での工程通過性および得られる炭素繊維の物性を向上する目的から好ましい態様である。   The flameproofing time can be appropriately selected according to the treatment temperature, but the specific gravity of the resulting flameproofed fiber is preferably in the range of 1.3 to 1.5, more preferably 1.32 Setting to be in the range of 1.47 is a preferred embodiment for the purpose of improving the process passability in the subsequent carbonization treatment and the physical properties of the resulting carbon fiber.

耐炎化処理に引き続き、不活性雰囲気中で炭化処理することにより炭素繊維が得られる。不活性雰囲気としては、例えば、窒素、アルゴンおよび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。   Subsequent to the flameproofing treatment, carbon fiber is obtained by carbonizing in an inert atmosphere. As an inert atmosphere, nitrogen, argon, xenon etc. can be illustrated preferably, for example, and nitrogen is preferably used from an economical viewpoint.

炭化処理は、300〜800℃の範囲の温度と800〜2,000℃の範囲の温度領域で異なる反応が起こっているために、分けて行うことが好ましく、最高処理温度は1,200〜2,000℃の範囲であることが好ましい。炭化処理の低温領域では、処理後の繊維の比重を好ましくは1.5〜1.7とするように温度と時間を設定することが、続く高温領域での炭化処理の工程通過性から好ましい態様である。高温領域での炭化処理の処理時間は、処理温度に応じて適宜選択することができるが、得られる炭素繊維の比重が好ましくは1.76〜1.87の範囲となるように、より好ましくは1.77〜1.86となるように設定する。かかる比重が小さすぎる場合には、炭化処理が不十分なために、得られる炭素繊維において発現する物性が低くなることがあり、逆に比重が大きすぎる場合には、脆性が顕著となるために擦過に弱くなり、品位および工程通過性が低下することがある。   The carbonization treatment is preferably performed separately because different reactions occur in the temperature range of 300 to 800 ° C. and in the temperature range of 800 to 2,000 ° C., and the maximum treatment temperature is 1,200 to 2 , Preferably in the range of 1,000 ° C. In the low temperature region of carbonization, it is preferable to set the temperature and time so that the specific gravity of the treated fiber is preferably 1.5 to 1.7 from the subsequent carbonization treatment passability in the high temperature region. It is. The treatment time of the carbonization treatment in the high temperature region can be appropriately selected according to the treatment temperature, but it is more preferred that the specific gravity of the obtained carbon fiber is preferably in the range of 1.76 to 1.87. It sets so that it may become 1.77-1.86. When the specific gravity is too small, the carbonization treatment is insufficient, so that the physical properties expressed in the obtained carbon fiber may be low. Conversely, when the specific gravity is too large, brittleness becomes remarkable. It may be weakened by rubbing, and the quality and processability may deteriorate.

得られた炭素繊維は、その表面改質のため、電解処理することができる。電解処理に用いられる電解液には、例えば、硫酸、硝酸および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、炭酸アンモニウムおよび重炭酸アンモニウムのようなアルカリまた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、適用する炭素繊維の炭化度に応じて適宜選択することができる。かかる電解処理により、炭素繊維を用いて得られる複合材料において、炭素繊維とマトリックスとの接着性を適正化することができ、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う問題が解消され、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。   The obtained carbon fiber can be electrolytically treated for surface modification. Examples of the electrolytic solution used for the electrolytic treatment include acidic solutions such as sulfuric acid, nitric acid and hydrochloric acid, alkalis such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, ammonium carbonate and ammonium bicarbonate, or salts thereof. Can be used as an aqueous solution. Here, the amount of electricity required for the electrolytic treatment can be appropriately selected according to the carbonization degree of the carbon fiber to be applied. By such electrolytic treatment, in the composite material obtained using carbon fiber, the adhesion between the carbon fiber and the matrix can be optimized, and the brittle fracture of the composite material due to excessive adhesion or the tensile in the fiber direction The problem that strength is reduced and the tensile strength in the fiber direction is high, but the problem of poor adhesion to the resin and the absence of strength properties in the non-fiber direction are solved. In the resulting composite material, the fiber direction and non-fiber Strength characteristics balanced in both directions are developed.

このようにして、本発明により、高い生産性で良好な品位を有するアクリル系繊維を得ることができ、その結果としてアクリル系繊維の製造コストを低減することができ、かかるアクリル系繊維を前駆体繊維として用いる炭素繊維においても製造コストを低減することができるため、かかる炭素繊維は自動車用途や補強材のような一般産業用途に好適に展開することができる。   Thus, according to the present invention, it is possible to obtain acrylic fibers having high productivity and good quality, and as a result, the production cost of the acrylic fibers can be reduced, and the acrylic fibers are used as a precursor. Since the manufacturing cost can be reduced also in the carbon fiber used as the fiber, the carbon fiber can be suitably developed for general industrial uses such as automobile use and reinforcement.

次に、実施例を用いて本発明のアクリル系繊維の製造方法について、より具体的に説明する。本実施例で用いた各種物性値の測定方法を以下にまとめて記載する。また、各実施例および比較例で用いた実験条件と測定結果を、表1と表2にまとめて示す。   Next, the manufacturing method of the acrylic fiber of this invention is demonstrated more concretely using an Example. The measuring methods of various physical property values used in this example are collectively described below. Tables 1 and 2 collectively show the experimental conditions and measurement results used in the examples and comparative examples.

<紡糸原液の吐出時粘度>
口金の温度を測定し、別途用意した紡糸原液を用いて、かかる温度における粘度をB型粘度計により測定する。本実施例では、B型粘度計として(株)東京計器製 B8L型粘度計を用い、ローターNo4を使用し、紡糸原液粘度が0〜1,000poiseの範囲はローター回転数6rpm、紡糸原液粘度が1,000〜10,000poiseの範囲はローター回転数0.6rpmで測定した。
<Viscosity when spinning stock solution is discharged>
The temperature of the die is measured, and the viscosity at this temperature is measured with a B-type viscometer using a separately prepared spinning stock solution. In this example, a B8L type viscometer manufactured by Tokyo Keiki Co., Ltd. was used as the B type viscometer, rotor No. 4 was used, the spinning stock solution viscosity was in the range of 0 to 1,000 poise, the rotor rotation speed was 6 rpm, and the spinning stock solution viscosity was The range of 1,000 to 10,000 poise was measured at a rotor rotational speed of 0.6 rpm.

<ポリアクリロニトリル系重合体の極限粘度>
120℃の温度で2時間熱処理し乾燥したポリアクリロニトリル系重合体150mgを25℃の温度に保持して、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させる。得られた溶液を、25℃の温度の温水槽中で温調し、予め25℃の温度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、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)とする。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
(但し、ηsp=(t/t0)−1)。
<Intrinsic viscosity of polyacrylonitrile-based polymer>
150 mg of a polyacrylonitrile polymer dried by heat treatment at 120 ° C. for 2 hours and maintained at a temperature of 25 ° C. is dissolved in 50 ml of dimethylformamide containing 0.1 mol / liter of sodium thiocyanate. The obtained solution was temperature-controlled in a hot water bath at a temperature of 25 ° C., and the Ostwald viscometer that was previously adjusted to a temperature of 25 ° C. was used to set the drop time between the marked lines with an accuracy of 1/100 second. Measure and let the time be t (seconds). Similarly, dimethylformamide added with 0.1 mol / liter of sodium thiocyanate in which the polyacrylonitrile-based polymer is not dissolved is also measured, and the dropping time is defined as t0 (seconds). The intrinsic viscosity [η] is calculated using the following formula.
[Η] = {(1 + 1.32 × ηsp) ^ (1/2) −1} /0.198
(However, ηsp = (t / t0) −1).

<加圧スチーム延伸での延伸限界倍率および長時間運転可能な延伸倍率の判断>
加圧スチーム延伸に供する速度を一定にし、スチーム圧を変更してスチーム温度を120℃から190℃まで10℃刻みで変更し、各温度において、引き取る速度を上げていき、毛羽が発生したときの引き取り側の速度を読みとり、かかる速度を加圧スチーム延伸に供する速度で除した値を、その温度における延伸限界倍率とする。ここで毛羽とは、走行中のアクリル系繊維の束から突出した5mm以上の単繊維切れのことをいう。そして、各温度における延伸限界倍率の中で最も高い延伸倍率の値を加圧スチーム延伸での延伸限界倍率として、その繊維の加圧スチーム延伸での延伸性の指標とする。かかる延伸限界倍率が大きいほど最終の巻き取り速度を高速化することができ、製造コストを低減することができる。
<Drawing limit magnification in pressurized steam stretching and determination of stretch ratio capable of long-term operation>
When the speed used for pressurized steam stretching is kept constant, the steam pressure is changed and the steam temperature is changed in increments of 10 ° C from 120 ° C to 190 ° C. The drawing-side speed is read, and the value obtained by dividing the speed by the speed used for the pressurized steam stretching is defined as the stretching limit magnification at that temperature. Here, the fluff means a piece of single fiber of 5 mm or more protruding from a bundle of running acrylic fibers. And let the value of the highest draw ratio in the draw limit magnification in each temperature be the draw limit ratio in pressurization steam drawing, and let it be an index of the extensibility in pressurization steam extension of the fiber. The larger the stretching limit magnification, the higher the final winding speed, and the manufacturing cost can be reduced.

加圧スチーム延伸の引き取り側で毛羽を数え、長時間運転可能な延伸倍率を求める。測定する時間はアクリル系繊維10,000mが走行する時間であり、連続して測定しても、断続的に測定しても構わない。毛羽が発生しないときの延伸倍率を長時間運転可能な延伸倍率と判断する。   Count the fluff on the take-up side of the pressurized steam drawing and find the draw ratio that can be operated for a long time. The measuring time is the time for which the acrylic fiber 10,000 m travels, and may be measured continuously or intermittently. The draw ratio when no fluff is generated is determined to be a draw ratio that can be operated for a long time.

<繊維比重>
JIS R7601(1986)記載の方法に従う。耐炎化繊維の場合、エタノールを用い、低温領域での炭化処理後の繊維や炭素繊維の場合、オルトージクロロベンゼンを試薬として用いる。繊維を1.0〜1.5g採取し、120℃の温度で2時間絶乾した。絶乾質量W1(g)を測定した後、比重既知(比重ρ)の前記試薬に含浸し、試薬中の繊維質量W2(g)を測定し、次式、繊維比重=(W1×ρ)/(W1−W2)により繊維比重を求める。本実施例では、エタノールとオルトージクロロベンゼンには和光純薬(株)製特級を用いた。
<Fiber specific gravity>
The method described in JIS R7601 (1986) is followed. In the case of a flame-resistant fiber, ethanol is used, and in the case of a fiber or carbon fiber after carbonization treatment in a low temperature region, ortho-dichlorobenzene is used as a reagent. 1.0 to 1.5 g of fiber was collected and dried at 120 ° C. for 2 hours. After measuring the absolute dry mass W1 (g), the reagent having a known specific gravity (specific gravity ρ) was impregnated, and the fiber mass W2 (g) in the reagent was measured. The following formula, fiber specific gravity = (W1 × ρ) / The fiber specific gravity is obtained from (W1-W2). In this example, Wako Pure Chemical Industries, Ltd. special grades were used for ethanol and orthodichlorobenzene.

<炭化処理での延伸限界張力および長時間運転可能な炭化処理張力の判断>
炭化処理の800℃以上での高温領域の処理出側において、所望する処理温度で測定を行う。炭化処理に供する速度を一定にし、引き取る速度を変更していったときに発現する張力を測定し、かかる測定張力(g)を炭化処理後の炭素繊維束のトータル繊度(dtex)で除した値を炭化処理での張力(g/dtex)とする。引き取る速度を変更していったときに発現する最大の炭化処理張力を炭化処理での延伸限界張力とし、炭化処理での延伸性の指標する。かかる値が大きいほど高張力での炭化処理が可能であることを示しており、高い引張弾性率を有する炭素繊維を製造するのに好適である。
<Determination of stretch limit tension in carbonization and carbonization tension that can be operated for a long time>
Measurement is performed at a desired processing temperature on the processing outlet side in a high temperature region of 800 ° C. or higher of carbonization processing. A value obtained by measuring the tension expressed when the rate of carbonization treatment is kept constant and changing the take-off rate, and dividing the measured tension (g) by the total fineness (dtex) of the carbon fiber bundle after carbonization treatment. Is the tension (g / dtex) in carbonization. The maximum carbonization treatment tension that appears when the pulling speed is changed is defined as the stretching limit tension in the carbonization treatment, and is an index of the stretchability in the carbonization treatment. Larger values indicate that carbonization treatment with higher tension is possible, which is suitable for producing carbon fibers having a high tensile elastic modulus.

炭化処理の引き取り側で毛羽を数え、長時間運転可能な炭化処理張力を求める。測定する時間は炭素繊維1,000mが走行する時間であり、連続して測定しても、断続的に測定しても構わない。毛羽が5個/m以下のときの炭化処理での張力を長時間運転可能な炭化処理張力と判断する。かかる炭化処理張力が大きいほど高い引張弾性率を有する炭素繊維を得ることができる。   The fluff is counted on the take-off side of the carbonization treatment, and the carbonization treatment tension that can be operated for a long time is obtained. The measurement time is the time for which the carbon fiber of 1,000 m travels, and it may be measured continuously or intermittently. The tension in the carbonization treatment when the fluff is 5 pieces / m or less is determined as the carbonization treatment tension capable of operating for a long time. A carbon fiber having a higher tensile elastic modulus can be obtained as the carbonization treatment tension increases.

<炭素繊維の引張強度および引張弾性率>
JIS R7601(1986)「樹脂含浸ストランド試験法」に従って求める。測定する炭素繊維の樹脂含浸ストランドは、3、4−エポキシシクロヘキシルメチル−3、4−エポキシ−シクロヘキシル−カルボキシレート(100重量部)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(3重量部)/アセトン(4重量部)を、炭素繊維に含浸させ、130℃の温度で30分間で硬化させて作製する。また、ストランドの測定本数は6本とし、各測定結果の平均値を、引張弾性率、引張強度とする。本実施例では、3、4−エポキシシクロヘキシルメチル−3、4−エポキシ−シクロヘキシル−カルボキシレートとして、ユニオンカーバイド(株)製”ベークライト(登録商標)”ERL4221を用いた。
<Tensile strength and tensile modulus of carbon fiber>
Determined according to JIS R7601 (1986) “Resin-impregnated strand test method”. The resin impregnated strand of carbon fiber to be measured was 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexyl-carboxylate (100 parts by weight) / 3 boron trifluoride monoethylamine (3 parts by weight) / acetone (4 weights). Part) is impregnated into carbon fiber and cured at a temperature of 130 ° C. for 30 minutes. The number of strands to be measured is six, and the average value of each measurement result is the tensile modulus and tensile strength. In this example, “Bakelite (registered trademark)” ERL 4221 manufactured by Union Carbide Co., Ltd. was used as 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexyl-carboxylate.

[実施例1]
アクリロニトリル99.5モル%とイタコン酸0.5モル%とを共重合してなる共重合体をジメチルスルホキシドを溶媒とする溶液重合法により重合し、極限粘度2.7のポリアクリロニトリル系重合体を得た。得られたポリアクリロニトリル系重合体を濃度17重量%になるようにジメチルスルホキシド量を調節し、紡糸原液を得た。引き続き、アンモニアガスをpH8.5になるまで吹き込みイタコン酸を中和して、またアンモニウム基をポリマー成分に導入することにより紡糸原液の親水性を向上させた。孔径Dが0.1mmであり、吐出部の厚みLが0.25mmであり、L/Dが2.5であり、孔数4,000の形状を有する口金を用い、配管および口金温度を65℃の温度に設定し、65℃の温度の紡糸原液を空気中に吐出した。紡糸原液の吐出時粘度は800poiseであり、口金単孔からの紡糸原液吐出量は0.00156cm/秒であり、口金背面圧は118kg/cmであった。約3mmの距離の空間を通過させた後、3℃の温度に温調した35重量%ジメチルスルホキシド水溶液からなる凝固浴に導入する乾湿式紡糸により凝固させた。この凝固糸条を、水洗した後、60℃の温度の温水を用いた浴中延伸で3倍に延伸し、さらにアミノ変性シリコーン系シリコーン油剤を付与した。引き続き、170℃の温度に加熱したローラーを用いて乾燥熱処理を行い、加圧スチーム延伸処理を行った。加圧スチーム延伸での延伸限界倍率は8倍であった。また、長時間運転可能な延伸倍率は6倍であったので、かかる倍率にてアクリル系繊維を延伸し、全延伸倍率が18倍で、単繊維繊度が0.7dtexであり、フィラメント数が4,000本のアクリロニトリル系繊維束を得た。
[Example 1]
A copolymer obtained by copolymerizing 99.5 mol% of acrylonitrile and 0.5 mol% of itaconic acid was polymerized by a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide as a solvent to obtain a polyacrylonitrile-based polymer having an intrinsic viscosity of 2.7. Obtained. The amount of dimethyl sulfoxide was adjusted so that the resulting polyacrylonitrile-based polymer had a concentration of 17% by weight to obtain a spinning dope. Subsequently, ammonia gas was blown to pH 8.5 to neutralize itaconic acid, and the hydrophilicity of the spinning dope was improved by introducing ammonium groups into the polymer component. The diameter of the hole D is 0.1 mm, the thickness L of the discharge part is 0.25 mm, the L / D is 2.5, and a pipe having a shape of 4,000 holes is used. A temperature of 65 ° C. was set, and a spinning stock solution having a temperature of 65 ° C. was discharged into the air. The discharging viscosity of the spinning dope was 800 poise, the amount of spinning dope discharged from the single hole of the die was 0.00156 cm 3 / sec, and the back pressure of the die was 118 kg / cm 2 . After passing through a space of a distance of about 3 mm, it was coagulated by dry and wet spinning introduced into a coagulation bath consisting of a 35% by weight dimethyl sulfoxide aqueous solution adjusted to a temperature of 3 ° C. The coagulated yarn was washed with water and then stretched 3 times in a bath using warm water at a temperature of 60 ° C. to give an amino-modified silicone silicone oil. Subsequently, a drying heat treatment was performed using a roller heated to a temperature of 170 ° C., and a pressure steam stretching process was performed. The stretching limit magnification in the pressure steam stretching was 8 times. Moreover, since the draw ratio at which the operation can be performed for a long time was 6 times, the acrylic fiber was drawn at such a magnification, the total draw ratio was 18 times, the single fiber fineness was 0.7 dtex, and the number of filaments was 4. 1,000 acrylonitrile fiber bundles were obtained.

得られたアクリロニトリル系繊維束を6本合糸し、フィラメント数を24,000本とした上で、230〜260℃の温度領域の空気中において耐炎化処理し、比重1.37の耐炎化繊維を得た。得られた耐炎化繊維を、続いて窒素雰囲気中、300〜800℃での温度領域にて昇温速度100℃/分で炭化処理し、比重1.6の繊維とし、引き続き窒素雰囲気中800〜1,600℃の温度領域で炭化処理を行った。この際、炭化処理での延伸限界張力は1.9g/dtexであった。また、長時間運転可能な炭化処理張力は1.55g/dtexであったため、かかる張力にて炭化処理を行い、比重1.82の炭素繊維を得た。得られた炭素繊維を、硫酸水溶液中で、陽極電荷処理により40クーロン/gの電荷を与える表面処理を行い、水洗した後、サイジング剤を付与し、乾燥することによって、表面処理された炭素繊維束を得た。このようにして得られた表面処理された炭素繊維束について、引張強度および引張弾性率を測定した。   Six obtained acrylonitrile fiber bundles were combined and the number of filaments was set to 24,000, followed by flameproofing treatment in air at a temperature range of 230 to 260 ° C., and flameproofing fiber having a specific gravity of 1.37. Got. The obtained flame-resistant fiber was subsequently carbonized at a temperature rising rate of 100 ° C./min in a temperature range of 300 to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere to obtain a fiber having a specific gravity of 1.6, and subsequently 800 to 800 nm in a nitrogen atmosphere. Carbonization was performed in a temperature region of 1,600 ° C. At this time, the stretching limit tension in the carbonization treatment was 1.9 g / dtex. Moreover, since the carbonization treatment tension capable of operating for a long time was 1.55 g / dtex, the carbonization treatment was performed with such a tension to obtain carbon fibers having a specific gravity of 1.82. The obtained carbon fiber is subjected to a surface treatment that gives an electric charge of 40 coulombs / g by an anodic charge treatment in an aqueous sulfuric acid solution, washed with water, then applied with a sizing agent, and dried to obtain a surface-treated carbon fiber. Got a bunch. The surface-treated carbon fiber bundle thus obtained was measured for tensile strength and tensile elastic modulus.

[実施例2]
実施例1と同じ特性の紡糸原液を用い、口金の形状を孔径Dが0.13mmであり、吐出部の厚みLが0.26mmであり、L/Dが2であり、孔数が4,000の口金に変更し、配管および口金温度を30℃に設定し、30℃の温度の紡糸原液を空気中に吐出した。紡糸原液の吐出時粘度は2,500poiseであり、口金単孔からの紡糸原液吐出量は0.00156cm/秒であり、口金背面圧は134kg/cmであった。実施例1と同様にして吐出、凝固、水洗、浴中延伸、油剤付与および乾燥熱処理を行い、加圧スチーム延伸に供した。加圧スチーム延伸での延伸限界倍率は7.5倍であった。また、長時間運転可能な延伸倍率は5.5倍であったので、かかる倍率にてアクリル系繊維を延伸し、全延伸倍率が16.5倍で、単繊維繊度が0.7dtexであり、フィラメント数が4,000本のアクリロニトリル系繊維束を得た。得られたアクリロニトリル系繊維束を6本合糸し、実施例1と同様に耐炎化処理、炭化処理を行った。この際、炭化処理での延伸限界張力は1.88g/dtexであった。また、長時間運転可能な炭化処理張力は1.53g/dtexであったため、かかる張力にて炭化処理を行い、比重1.81の炭素繊維を得た。得られた炭素繊維は実施例1と同様に表面処理を行い、表面処理された炭素繊維束について、引張強度および引張弾性率を測定した。
[Example 2]
Using a spinning dope having the same characteristics as in Example 1, the shape of the die has a hole diameter D of 0.13 mm, a discharge portion thickness L of 0.26 mm, L / D of 2, a number of holes of 4, 000, the temperature of the pipe and the base was set to 30 ° C., and the spinning dope at a temperature of 30 ° C. was discharged into the air. The spinning stock solution had a discharge viscosity of 2,500 poise, the spinning stock solution discharge rate from the single die hole was 0.00156 cm 3 / sec, and the spinneret back pressure was 134 kg / cm 2 . In the same manner as in Example 1, ejection, coagulation, washing with water, stretching in a bath, application of an oil agent, and drying heat treatment were performed, and subjected to pressurized steam stretching. The drawing limit magnification in the pressure steam drawing was 7.5 times. In addition, since the draw ratio capable of operating for a long time was 5.5 times, the acrylic fiber was drawn at such a magnification, the total draw ratio was 16.5 times, and the single fiber fineness was 0.7 dtex, An acrylonitrile fiber bundle having 4,000 filaments was obtained. Six obtained acrylonitrile fiber bundles were combined and subjected to flameproofing treatment and carbonization treatment in the same manner as in Example 1. At this time, the stretching limit tension in the carbonization treatment was 1.88 g / dtex. Moreover, since the carbonization treatment tension | tensile_strength which can be operated for a long time was 1.53 g / dtex, it carbonized with this tension | tensile_strength and obtained carbon fiber with a specific gravity of 1.81. The obtained carbon fiber was subjected to a surface treatment in the same manner as in Example 1, and the tensile strength and tensile elastic modulus of the surface-treated carbon fiber bundle were measured.

[実施例3]
ポリアクリロニトリル系重合体の極限粘度が1.6であり、紡糸原液中ポリアクリロニトリル系重合体の濃度を22重量%に変更し、実施例1と同形状の口金を用い、配管および口金温度を30℃に設定し、30℃の温度の紡糸原液を空気中に吐出した。紡糸原液の吐出時粘度は750poiseであり、口金単孔からの紡糸原液吐出量は0.00121cm/秒であり、口金背面圧は85kg/cmであった。実施例1と同様に凝固、水洗、浴中延伸、油剤付与および乾燥熱処理を行い、加圧スチーム延伸に供した。加圧スチーム延伸での延伸限界倍率は8.2倍であった。また、長時間運転可能な延伸倍率は6倍であったので、かかる倍率にてアクリル系繊維を延伸し、全延伸倍率が18倍で、単繊維繊度が0.7dtexであり、フィラメント数が4,000本のアクリロニトリル系繊維束を得た。得られたアクリロニトリル系繊維束を6本合糸し、実施例1と同様に耐炎化処理、炭化処理を行った。この際、炭化処理での延伸限界張力は1.2g/dtexであった。また、長時間運転可能な炭化処理張力は0.83g/dtexであったため、かかる張力にて炭化処理を行い、比重1.82の炭素繊維を得た。得られた炭素繊維は実施例1と同様に表面処理を行い、表面処理された炭素繊維束について、引張強度および引張弾性率を測定した。
[Example 3]
The intrinsic viscosity of the polyacrylonitrile-based polymer is 1.6, the concentration of the polyacrylonitrile-based polymer in the spinning dope is changed to 22% by weight, a die having the same shape as in Example 1 is used, and the temperature of the pipe and the die is 30. The spinning dope at a temperature of 30 ° C. was discharged into the air. The spinning stock solution had a discharge viscosity of 750 poise, the spinning stock solution discharge rate from the single hole of the base was 0.00121 cm 3 / sec, and the back surface pressure of the base was 85 kg / cm 2 . In the same manner as in Example 1, coagulation, washing with water, stretching in a bath, application of an oil agent, and drying heat treatment were performed and subjected to pressurized steam stretching. The stretching limit magnification in the pressure steam stretching was 8.2 times. Moreover, since the draw ratio at which the operation can be performed for a long time was 6 times, the acrylic fiber was drawn at such a magnification, the total draw ratio was 18 times, the single fiber fineness was 0.7 dtex, and the number of filaments was 4. 1,000 acrylonitrile fiber bundles were obtained. Six obtained acrylonitrile fiber bundles were combined and subjected to flameproofing treatment and carbonization treatment in the same manner as in Example 1. At this time, the stretch limit tension in the carbonization treatment was 1.2 g / dtex. Moreover, since the carbonization treatment tension which can be operated for a long time was 0.83 g / dtex, carbonization treatment was performed with such a tension to obtain carbon fibers having a specific gravity of 1.82. The obtained carbon fiber was subjected to a surface treatment in the same manner as in Example 1, and the tensile strength and tensile elastic modulus of the surface-treated carbon fiber bundle were measured.

[比較例1]
実施例1と同じ特性の紡糸原液と同じ形状の口金を用い、配管および口金温度を30℃に設定し、30℃の温度の紡糸原液を空気中に吐出した。紡糸原液の吐出時粘度は2,500poiseであり、口金単孔からの紡糸原液吐出量は0.00156cm/秒であり、口金背面圧は369kg/cmであった。実施例1と同様にして吐出、凝固、水洗、浴中延伸、油剤付与および乾燥熱処理を行い、加圧スチーム延伸に供した。加圧スチーム延伸での延伸限界倍率は3.8倍であった。また、長時間運転可能な延伸倍率は2.5倍であったので、かかる倍率にてアクリル系繊維を延伸し、全延伸倍率が7.5倍で、単繊維繊度が0.7dtexであり、フィラメント数が4,000本のアクリロニトリル系繊維束を得た。得られたアクリロニトリル系繊維束を6本合糸し、実施例1と同様に耐炎化処理、炭化処理を行った。この際、炭化処理での延伸限界張力は1.85g/dtexであった。また、長時間運転可能な炭化処理張力は1.48g/dtexであったため、かかる張力にて炭化処理を行い、比重1.81の炭素繊維を得た。得られた炭素繊維は実施例1と同様に表面処理を行い、表面処理された炭素繊維束について、引張強度および引張弾性率を測定した。
[Comparative Example 1]
A base having the same shape as the spinning stock solution having the same characteristics as in Example 1 was used, the piping and the base temperature were set to 30 ° C., and the spinning stock solution having a temperature of 30 ° C. was discharged into the air. The spinning stock solution had a discharge viscosity of 2,500 poise, the spinning stock solution discharge rate from the single die hole was 0.00156 cm 3 / sec, and the die back pressure was 369 kg / cm 2 . In the same manner as in Example 1, ejection, coagulation, washing with water, stretching in a bath, application of an oil agent, and drying heat treatment were performed, and subjected to pressurized steam stretching. The stretching limit magnification in the pressure steam stretching was 3.8 times. Moreover, since the draw ratio that can be operated for a long time was 2.5 times, the acrylic fiber was drawn at such a magnification, the total draw ratio was 7.5 times, and the single fiber fineness was 0.7 dtex, An acrylonitrile fiber bundle having 4,000 filaments was obtained. Six obtained acrylonitrile fiber bundles were combined and subjected to flameproofing treatment and carbonization treatment in the same manner as in Example 1. At this time, the stretching limit tension in the carbonization treatment was 1.85 g / dtex. Moreover, since the carbonization treatment tension | tensile_strength which can be operated for a long time was 1.48 g / dtex, it carbonized with this tension | tensile_strength and obtained carbon fiber with a specific gravity of 1.81. The obtained carbon fiber was subjected to a surface treatment in the same manner as in Example 1, and the tensile strength and tensile elastic modulus of the surface-treated carbon fiber bundle were measured.

[比較例2]
実施例1と同じ特性の紡糸原液と同じ形状の口金を用い、配管および口金温度を90℃に設定し、90℃の温度の紡糸原液を空気中に吐出した。紡糸原液の吐出時粘度は100poiseであり、口金単孔からの紡糸原液吐出量は0.00156cm/秒であり、口金背面圧は15kg/cmであった。実施例1と同様にして吐出、凝固を行ったが、安定して吐出できず、アクリル系繊維を得ることができなかった。
[Comparative Example 2]
A base having the same shape as the spinning stock solution having the same characteristics as in Example 1 was used, the pipe and the base temperature were set to 90 ° C., and the spinning stock solution having a temperature of 90 ° C. was discharged into the air. The spinning stock solution had a discharge viscosity of 100 poise, the spinning stock solution discharge rate from the single die hole was 0.00156 cm 3 / sec, and the spine back pressure was 15 kg / cm 2 . Although discharging and coagulation were performed in the same manner as in Example 1, it was not possible to stably discharge and acrylic fibers could not be obtained.

[比較例3]
実施例1と同じ特性の紡糸原液を用い、口金の形状を孔径Dが0.07mmであり、吐出部の厚みLが0.21mmであり、L/Dが3であり、孔数が4,000の口金に変更し、配管および口金温度を65℃に設定し、65℃の温度の紡糸原液を空気中に吐出した。紡糸原液の吐出時粘度は800poiseであり、口金単孔からの紡糸原液吐出量は0.00156cm/秒であり、口金背面圧は413kg/cmであった。実施例1と同様にして吐出、凝固、水洗、浴中延伸、油剤付与および乾燥熱処理を行い、加圧スチーム延伸に供した。加圧スチーム延伸での延伸限界倍率は3.5倍であった。また、長時間運転可能な延伸倍率は2.3倍であったので、かかる倍率にてアクリル系繊維を延伸し、全延伸倍率が6.9倍で、単繊維繊度が0.7dtexであり、フィラメント数が4,000本のアクリロニトリル系繊維束を得た。得られたアクリロニトリル系繊維束を6本合糸し、実施例1と同様に耐炎化処理、炭化処理を行った。この際、炭化処理での延伸限界張力は1.8g/dtexであった。また、長時間運転可能な炭化処理張力は1.45g/dtexであったため、かかる張力にて炭化処理を行い、比重1.81の炭素繊維を得た。得られた炭素繊維は実施例1と同様に表面処理を行い、表面処理された炭素繊維束について、引張強度および引張弾性率を測定した。
[Comparative Example 3]
Using a spinning stock solution having the same characteristics as in Example 1, the shape of the die has a hole diameter D of 0.07 mm, a discharge portion thickness L of 0.21 mm, L / D of 3, a number of holes of 4, The nozzle and the nozzle temperature were set to 65 ° C., and the spinning dope at a temperature of 65 ° C. was discharged into the air. The spinning viscosity of the spinning solution was 800 poise, the amount of spinning solution discharged from the single hole of the die was 0.00156 cm 3 / sec, and the pressure on the back surface of the die was 413 kg / cm 2 . In the same manner as in Example 1, ejection, coagulation, washing with water, stretching in a bath, application of an oil agent, and drying heat treatment were performed, and subjected to pressurized steam stretching. The stretching limit magnification in the pressure steam stretching was 3.5 times. Moreover, since the draw ratio that can be operated for a long time was 2.3 times, the acrylic fiber was drawn at such a magnification, the total draw ratio was 6.9 times, and the single fiber fineness was 0.7 dtex, An acrylonitrile fiber bundle having 4,000 filaments was obtained. Six obtained acrylonitrile fiber bundles were combined and subjected to flameproofing treatment and carbonization treatment in the same manner as in Example 1. At this time, the stretching limit tension in carbonization was 1.8 g / dtex. Moreover, since the carbonization treatment tension | tensile_strength which can be operated for a long time was 1.45 g / dtex, it carbonized with this tension | tensile_strength and obtained carbon fiber with a specific gravity of 1.81. The obtained carbon fiber was subjected to a surface treatment in the same manner as in Example 1, and the tensile strength and tensile elastic modulus of the surface-treated carbon fiber bundle were measured.

Figure 2007182645
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Figure 2007182645
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本発明により得られるアクリル系繊維は、製造コスト低減により廉価であり、良好な品位を有するため幅広い用途に展開することができる。また、本発明により得られるアクリル系繊維を前駆体繊維として用いる炭素繊維においても製造コストを低減することができ、自動車用途や補強材のような一般産業用途に好適に用いることができる。   The acrylic fiber obtained by the present invention is inexpensive due to a reduction in production cost and has a good quality, so that it can be used in a wide range of applications. Moreover, also in the carbon fiber which uses the acrylic fiber obtained by this invention as a precursor fiber, a manufacturing cost can be reduced and it can use suitably for general industrial uses like a motor vehicle use or a reinforcing material.

Claims (4)

ポリアクリロニトリル系重合体からなる紡糸原液を口金から吐出し、凝固浴にて凝固せしめ、加圧スチーム延伸工程を経るアクリル系繊維の製造方法において、紡糸原液吐出時の口金背面圧を20〜200kgf/cmの範囲に制御して吐出するアクリル系繊維の製造方法。 In a method for producing acrylic fiber, a spinning stock solution made of a polyacrylonitrile-based polymer is discharged from a die, solidified in a coagulation bath, and subjected to a pressurized steam drawing process. A method for producing an acrylic fiber that is controlled and discharged in a cm 2 range. ポリアクリロニトリル系重合体の極限粘度が1.5〜5の範囲であり、紡糸原液中ポリアクリロニトリル系重合体濃度が12〜30重量%の範囲である請求項1記載のアクリル系繊維の製造方法。   The method for producing an acrylic fiber according to claim 1, wherein the intrinsic viscosity of the polyacrylonitrile polymer is in the range of 1.5 to 5 and the concentration of the polyacrylonitrile polymer in the spinning dope is in the range of 12 to 30% by weight. 紡糸原液の吐出時粘度が200〜2,500poiseの範囲である請求項1または2記載のアクリル系繊維の製造方法。   The method for producing an acrylic fiber according to claim 1 or 2, wherein the spinning viscosity of the spinning dope is in the range of 200 to 2,500 poise. 請求項1〜3のいずれかに記載のアクリル系繊維の製造方法により製造されたアクリル系繊維を、空気中で200〜300℃の範囲の温度で耐炎化し、引き続き不活性雰囲気中で300〜2,000℃の範囲の温度で炭化処理する炭素繊維の製造方法。   The acrylic fiber produced by the method for producing an acrylic fiber according to any one of claims 1 to 3 is flame-resistant at a temperature in the range of 200 to 300 ° C in air, and subsequently 300 to 2 in an inert atmosphere. A method for producing carbon fiber, which is carbonized at a temperature in the range of 1,000 ° C.
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