JP2007204875A - Method for producing carbon-fiber precursor fiber and carbon fiber - Google Patents

Method for producing carbon-fiber precursor fiber and carbon fiber Download PDF

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弘之 小西
Takayuki Imaoka
孝之 今岡
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真 遠藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a carbon fiber excellent in tensile strength without impairing productivity and process passing property. <P>SOLUTION: A method for producing the carbon-fiber precursor fiber comprises spinning a spinning dope obtained by dissolving a polyacrylonitrile-based polymer having ≤0.5 mol% copolymer ratio of a monomer other than acrylonitrile and a polyalkylene glycol obtained by polymerizing substantially one alkylene glycol into a solvent and substantially not containing a silicone by a wet spinning method or a dry wet spinning method. The method for producing the carbon fiber comprises using the precursor fiber obtained by the above method. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、引張強度に優れた炭素繊維の製造方法に関し、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 further relates to a method for producing a carbon fiber precursor fiber suitable for producing the above-described high-performance carbon fiber.

炭素繊維は、その優れた力学特性および電気特性からさまざまな用途に利用されている。近年では、従来のゴルフクラブや釣竿などのスポーツ用途、航空機用途に加え、自動車部材、CNGタンク、建造物の耐震補強、船舶部材などいわゆる一般産業用途への展開が進み、それに伴い、求められる力学特性のレベルも高まっている。例えば航空機用途では、軽量化のため構造部材の多くが炭素繊維強化プラスチックに置き換えられつつあり、引張強度と引張弾性率が高いレベルで両立した炭素繊維が求められている。   Carbon fibers are used in various applications because of their excellent mechanical and electrical properties. In recent years, in addition to conventional golf clubs and fishing rods such as sports applications and aircraft applications, the development of so-called general industrial applications such as automobile members, CNG tanks, seismic reinforcement of buildings, ship members, etc. has progressed. The level of characteristics is also increasing. For example, in aircraft applications, many structural members are being replaced with carbon fiber reinforced plastics for weight reduction, and carbon fibers that are compatible with high levels of tensile strength and tensile elastic modulus are required.

炭素繊維は、工業的にはポリアクリロニトリル繊維、ピッチ繊維などの前駆体繊維を100〜300℃の空気中で熱処理する耐炎化工程、300〜3,000℃の不活性雰囲気中で熱処理する炭化工程を経て製造される。ポリアクリロニトリル繊維から製造される炭素繊維は、ピッチ繊維から製造される炭素繊維に比較し、より高い引張強度となりやすいことが特徴である。   Carbon fiber is industrially a flameproofing process in which precursor fibers such as polyacrylonitrile fiber and pitch fiber are heat-treated in air at 100 to 300 ° C., and a carbonizing process in which heat treatment is performed in an inert atmosphere at 300 to 3,000 ° C. It is manufactured through. Carbon fibers produced from polyacrylonitrile fibers are characterized by a higher tensile strength than carbon fibers produced from pitch fibers.

一般には、引張強度の高い炭素繊維を得るための理想的な前駆体繊維は、共重合成分を含まない、アクリロニトリル100モル%からなるポリアクリロニトリル(以下、ホモPANという)を用いた繊維であると考えられている(特許文献1)。しかし、ホモPANのみからなる繊維を炭素繊維前駆体繊維として用いると、耐炎化工程で極めて長時間の熱処理を必要とするため工業的には実用的ではなく、この熱処理時間を短縮しようとして熱処理温度を高くすると、熱処理中における分解反応が顕著となり、引張強度が高い炭素繊維を得ることができない。これに対し、例えば、カルボン酸ビニル単量体などの耐炎化工程における反応を促進する単量体を共重合成分として加えることにより、耐炎化工程に要する時間を短縮して炭素繊維を製造する技術が提案されている(例えば特許文献2)。また、製糸工程における延伸性を高める目的から、アクリロニトリルの他に数モル%の共重合成分を共重合することもある。しかし、アクリロニトリル以外の共重合成分が多くなると、耐炎化工程以降の熱処理時における単繊維同士の合着又は融着傾向が顕著となり、このような繊維を前駆体とすると、得られる炭素繊維の引張強度が低下するという問題がある。これは、アクリロニトリル以外の共重合成分の存在によって、本来の耐炎化反応以外の酸化的分解等が急激に生じ、タール状物が発生すること、又は、共重合成分が分解することによりアクリロニトリルの分子鎖が断裂されることなどにより、得られる炭素繊維の引張強度が低下すると考えられている。   In general, an ideal precursor fiber for obtaining carbon fiber having high tensile strength is a fiber using polyacrylonitrile (hereinafter referred to as homo-PAN) composed of 100 mol% of acrylonitrile, which does not contain a copolymer component. It is considered (Patent Document 1). However, if a fiber consisting only of homo-PAN is used as a carbon fiber precursor fiber, it is impractical industrially because it requires an extremely long heat treatment in the flameproofing process. When the is high, the decomposition reaction during the heat treatment becomes remarkable, and carbon fibers having high tensile strength cannot be obtained. In contrast, for example, by adding a monomer that accelerates the reaction in the flameproofing process, such as a vinyl carboxylate monomer, as a copolymerization component, a technique for shortening the time required for the flameproofing process and producing carbon fiber Has been proposed (for example, Patent Document 2). In addition, for the purpose of enhancing stretchability in the yarn production process, several mol% of a copolymer component may be copolymerized in addition to acrylonitrile. However, when the amount of copolymer components other than acrylonitrile is increased, the tendency of coalescence or fusion between single fibers during heat treatment after the flameproofing step becomes remarkable, and when such fibers are used as precursors, the resulting carbon fiber tension There is a problem that the strength decreases. This is because, due to the presence of a copolymer component other than acrylonitrile, oxidative decomposition other than the original flameproofing reaction occurs abruptly, and a tar-like product is generated, or the copolymer component is decomposed to generate acrylonitrile molecules. It is believed that the tensile strength of the resulting carbon fiber is reduced due to chain breakage and the like.

このような耐炎化工程での繊維の合着、融着現象を減らす技術としては、紡糸原液にシリコーン物質を含有させる技術が提案されている(特許文献3)。特許文献3に開示された技術によれば、原糸の毛羽立ち、ひろがり、糸切れなどのトラブルを解消し、操業安定性の向上が認められるものの、繊維中に不純物としてシリコーンが残留するため得られる炭素繊維の強度が低下してしまうという問題がある。   As a technique for reducing the fiber bonding and fusing phenomenon in such a flameproofing process, a technique for adding a silicone substance to the spinning dope has been proposed (Patent Document 3). According to the technique disclosed in Patent Document 3, although troubles such as fluffing, spreading and yarn breakage of the original yarn are eliminated and improvement in operational stability is recognized, silicone is left as an impurity in the fiber, and thus obtained. There exists a problem that the intensity | strength of carbon fiber will fall.

共重合成分を用いる技術以外で、耐炎化工程に要する時間を短縮する技術としては、炭素繊維前駆体繊維中に過酸化物を含有させる技術が提案されている(特許文献4)。しかし、特許文献4に開示された技術では、反応性の高い過酸化物を用いているため、耐炎化工程で急激に反応が進み、単繊維同士で融着が発生しやすく、得られる炭素繊維の強度低下をまねいたり、耐炎化反応に伴う発熱速度が大きくなるため暴走反応が生じやすくなり、安定した生産が困難となるため、工業的に実現できる技術とは言えないのが実状である。
特開昭52−34027号公報,p155 特開昭48−63029号公報 特開昭55−103313号公報 特開昭48−87120号公報
As a technique for shortening the time required for the flameproofing process other than a technique using a copolymerization component, a technique for containing a peroxide in the carbon fiber precursor fiber has been proposed (Patent Document 4). However, in the technique disclosed in Patent Document 4, since a highly reactive peroxide is used, the reaction proceeds rapidly in the flameproofing process, and fusion is easily generated between single fibers. In fact, it cannot be said that the technology can be industrially realized because the run-off reaction is likely to occur because the exothermic rate is increased and the heat generation rate associated with the flameproofing reaction is increased.
JP 52-34027 A, p155 JP-A-48-63029 JP-A-55-103313 JP-A-48-87120

本発明は、生産性、工程通過性を損なうことなく、引張強度に優れた炭素繊維を得ることを目的とする。   An object of this invention is to obtain the carbon fiber excellent in tensile strength, without impairing productivity and process passability.

本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法は、前記した本発明の目的を達成するために、次の構成を有する。   The method for producing a carbon fiber precursor fiber of the present invention has the following configuration in order to achieve the object of the present invention described above.

すなわち、アクリロニトリル以外の単量体の共重合比率が0.5モル%以下であるポリアクリロニトリル系重合体と、実質的に1種類のアルキレングリコールを重合してなるポリアルキレングリコールとが溶媒に溶解してなり、かつ、シリコーンを実質的に含有しない紡糸原液を、湿式紡糸法または乾湿式紡糸法により紡糸する炭素繊維前駆体繊維の製造方法である。   That is, a polyacrylonitrile polymer in which the copolymerization ratio of monomers other than acrylonitrile is 0.5 mol% or less and a polyalkylene glycol obtained by substantially polymerizing one kind of alkylene glycol are dissolved in a solvent. And a carbon fiber precursor fiber is produced by spinning a spinning dope substantially free of silicone by a wet spinning method or a dry-wet spinning method.

また、本発明の炭素繊維の製造方法は、前記した本発明の目的を達成するために、次の構成を有する。すなわち、前記した製造方法によって得られる炭素繊維前駆体繊維を、200〜300℃の温度の空気中において耐炎化処理した後、300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において予備炭化処理し、次いで1,000〜2,000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化処理する炭素繊維の製造方法である。   Moreover, in order to achieve the object of the present invention described above, the carbon fiber manufacturing method of the present invention has the following configuration. That is, the carbon fiber precursor fiber obtained by the manufacturing method described above is subjected to flame resistance treatment in air at a temperature of 200 to 300 ° C., and then pre-carbonized in an inert atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. It is a method for producing carbon fiber that is carbonized in an inert atmosphere at a temperature of 1,000 to 2,000 ° C.

本発明によれば、共重合成分の少ない炭素繊維前駆体繊維から炭素繊維を得ることができ、その結果、単繊維同士の融着を防止できるだけでなく、共重合部分での分子鎖の断裂を抑制することができ、破壊の起点となる欠陥が少ない繊維構造をもつ引張強度の高い炭素繊維を製造することができる。つまり、生産性、工程通過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に優れた炭素繊維を製造できる。   According to the present invention, carbon fibers can be obtained from carbon fiber precursor fibers having a small amount of copolymerization components. As a result, not only can fusion between single fibers be prevented, but also the molecular chain can be broken at the copolymerization portion. It is possible to produce a carbon fiber having a high tensile strength that can be suppressed and has a fiber structure with few defects serving as a starting point of fracture. That is, high stretch in the firing process can be realized without impairing productivity and process passability, and thereby carbon fibers having excellent tensile strength can be produced.

まず、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。   First, the manufacturing method of the carbon fiber precursor fiber of this invention is demonstrated.

本発明では、アクリロニトリル以外の単量体(以下、共重合成分という)の共重合比率が0.5モル%以下であるポリアクリロニトリル系重合体と、実質的に1種類のアルキレングリコールを重合してなるポリアルキレングリコールとが溶媒に溶解してなる紡糸原液を用いる。そして、紡糸原液には、シリコーン化合物を実質的に含有しないようにする。   In the present invention, a polyacrylonitrile-based polymer having a copolymerization ratio of a monomer other than acrylonitrile (hereinafter referred to as copolymerization component) of 0.5 mol% or less and substantially one kind of alkylene glycol are polymerized. A spinning stock solution in which a polyalkylene glycol is dissolved in a solvent is used. The spinning dope should be substantially free of silicone compounds.

本発明において、ポリアクリロニトリル系重合体としては、アクリロニトリルが99.5モル%以上で共重合成分が0.5モル%以下、好ましくは、アクリロニトリルが99.8モル%以上で共重合成分が0.2モル%以下のものを用いるが、最も好ましくは、アクリロニトリルが100モル%、すなわち、共重合成分の共重合比率が実質的に0モル%であるもの、いわゆるホモPANを用いるのが良い。共重合成分は、アクリロニトリルと共重合可能な単量体であれば、特に制限はなく、例えばアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸およびそれらアルカリ金属塩、アンモニウム塩および低級アルキルエステル類、アクリルアミドおよびその誘導体、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸およびそれらの塩類またはアルキルエステル類、アクリレート、メタクリレートなどを用いることができるが、共重合成分の共重合量が多くなるほど、共重合部分での熱分解による分子断裂が顕著となり、得られる炭素繊維の引張強度が低下して本発明の効果が得られないので、共重合成分の共重合量は少ないほど好ましい。   In the present invention, as the polyacrylonitrile-based polymer, acrylonitrile is 99.5 mol% or more and the copolymer component is 0.5 mol% or less, preferably 99.8 mol% or more and the copolymer component is 0.00%. Those having 2 mol% or less are used, but most preferably, acrylonitrile is 100 mol%, that is, a copolymer component having a copolymerization ratio of substantially 0 mol%, that is, so-called homo PAN is used. The copolymerization component is not particularly limited as long as it is a monomer copolymerizable with acrylonitrile. For example, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid and alkali metal salts thereof, ammonium salts and lower alkyl esters, acrylamide and derivatives thereof , Allyl sulfonic acid, methallyl sulfonic acid and their salts or alkyl esters, acrylate, methacrylate, etc. can be used, but the larger the copolymerization amount of the copolymerization component, the more the molecular fragmentation due to thermal decomposition at the copolymerization part. Since the tensile strength of the resulting carbon fiber decreases and the effects of the present invention cannot be obtained, the smaller the copolymerization amount of the copolymer component, the better.

本発明において、ポリアクリロニトリル系重合体は、その極限粘度が1.0〜5.0の範囲のものを用いるのが好ましい。極限粘度が1.0を下回る様な低分子量のものになると、糸の賦形性が低下するため、口金から出た糸を引き取る速度、すなわち可紡性が低下する。また、極限粘度が5.0を超える様な高分子量のものになるとゲル化し易くなり、安定した紡糸が困難となる。ポリアクリロニトリル系重合体の極限粘度は、重合時の単量体濃度、重合開始剤や連鎖移動剤の量などにより制御することができる。   In the present invention, it is preferable to use a polyacrylonitrile polymer having an intrinsic viscosity in the range of 1.0 to 5.0. When the intrinsic viscosity is less than 1.0, the formability of the yarn is lowered, and therefore the speed at which the yarn taken out from the die is pulled, that is, the spinnability is lowered. Further, when the intrinsic viscosity is higher than 5.0, gelation tends to occur and stable spinning becomes difficult. The intrinsic viscosity of the polyacrylonitrile polymer can be controlled by the monomer concentration at the time of polymerization, the amount of the polymerization initiator or the chain transfer agent, and the like.

ポリアクリロニトリル系重合体の極限粘度は、ポリアクリロニトリル系重合体を、ジメチルホルムアミドに溶解して溶液とし、その溶液をオストワルド粘度計を用いて、25℃で測定した比粘度をもとに算出することができる。具体的には、次のような手順で測定する。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0.1モル/リットル添加ジメチルホ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、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0.1モル/リットル添加ジメチルホルムアミドについても測定し、その落下時間をt(秒)とする。そして、次式を用いて極限粘度[η]を算出する。
[η]={(1+1.32×ηsp1/2−1}/0.198
ηsp=t/t−1
本発明において、ポリアクリロニトリル系重合体を製造するための重合方法としては、溶液重合法、懸濁重合法、乳化重合法などから選択することができるが、アクリロニトリルや共重合成分を均一に重合する目的からは、溶液重合法を用いることが好ましい。溶液重合法を用いて重合する場合、溶媒として、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、ポリアクリロニトリルが可溶な溶媒を用いる。中でも、ポリアクリロニトリルの溶解性の観点から、ジメチルスルホキシドを用いるのが好ましい。
The intrinsic viscosity of a polyacrylonitrile polymer should be calculated based on the specific viscosity measured at 25 ° C. using an Ostwald viscometer by dissolving the polyacrylonitrile polymer in dimethylformamide. Can do. Specifically, the measurement is performed according to the following procedure. 150 mg of a polyacrylonitrile-based polymer that has been heat-treated at 120 ° C. for 2 hours and dried completely is dissolved at 50 ° C. in 50 ml of 0.1 mol / liter of sodium thiocyanate added dimethylformamide. The temperature of the obtained 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. ). 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 t 0 (seconds). Then, the intrinsic viscosity [η] is calculated using the following formula.
[Η] = {(1 + 1.32 × η sp ) 1/2 −1} /0.198
η sp = t / t 0 −1
In the present invention, the polymerization method for producing the polyacrylonitrile-based polymer can be selected from a solution polymerization method, a suspension polymerization method, an emulsion polymerization method, etc., and acrylonitrile and a copolymerization component are uniformly polymerized. For the purpose, it is preferable to use a solution polymerization method. When the polymerization is performed using a solution polymerization method, a solvent in which polyacrylonitrile is soluble, such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, or the like is used as a solvent. Among them, it is preferable to use dimethyl sulfoxide from the viewpoint of solubility of polyacrylonitrile.

本発明において、前記したポリアクリロニトリル系重合体が溶媒に溶解した紡糸原液を用いるが、紡糸原液には、さらに、実質的に1種類のアルキレングリコールを重合してなるポリアルキレングリコールを含有させることが必要である。かかるポリアルキレングリコールは耐炎化工程において自ら分解してラジカルを発生する。この発生したラジカルがポリアクリロニトリルの環化反応の引き金となって連鎖的に反応が進むため耐炎化反応を促進される。2種類以上のアルキレングリコールを共重合させてなるポリアルキレングリコールもある程度の量であれば含有させてもよいが、かかるポリエチレングリコールが含有されていると、耐炎化工程での分解開始温度が一定にならないので、耐炎化反応が均一に進行せず、得られる炭素繊維の引張強度が低下することがあるため、実質的に1種類のアルキレングリコールを重合してなるポリアルキレングリコール以外のポリアルキレングリコールは少ない方が良く、好ましくはポリアクリロニトリル系重合体100重量部に対して0.2重量部、好ましくは0.1重量部、より好ましくは0.05重量部以下に止めるようにするのが良い。本発明に用いられるポリアルキレングリコールの具体的例としては、ポリメチレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコールなどを挙げることができるが、製糸工程の水洗による脱落を考慮すると、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコールを用いるのがより好ましい。ポリアルキレングリコールの重量平均分子量(以下、分子量という)は200〜30,000であることが好ましい。分子量が大きすぎると、粘度が高くなりすぎ、紡糸原液に均一分散することが困難であり、得られる炭素繊維の欠陥の原因となることがある。分子量が小さすぎると、粘度が減少するため、紡糸原液と均一混合することが困難となる。ここで、実質的に一種類のアルキレングリコールを重合してなるポリアルキレングリコールとは、主成分のアルキレングリコールが99重量%以上であることをいい、1重量%以下であれば第2のアルキレングリコールが重合されていても良い。また、実質的に1種類のアルキレングリコールを重合してなるポリアルキレングリコールであれば、そのようなポリアルキレングリコールを2種類以上併用しても構わない。   In the present invention, a spinning stock solution in which the polyacrylonitrile-based polymer described above is dissolved in a solvent is used. The spinning stock solution may further contain a polyalkylene glycol obtained by substantially polymerizing one kind of alkylene glycol. is necessary. Such polyalkylene glycol decomposes itself in the flameproofing process to generate radicals. The generated radicals trigger the cyclization reaction of polyacrylonitrile, and the reaction proceeds in a chain manner, so that the flame resistance reaction is promoted. Polyalkylene glycol obtained by copolymerizing two or more types of alkylene glycol may be contained in a certain amount, but when such polyethylene glycol is contained, the decomposition start temperature in the flameproofing process is constant. Therefore, since the flameproofing reaction does not proceed uniformly and the tensile strength of the resulting carbon fiber may decrease, a polyalkylene glycol other than a polyalkylene glycol obtained by substantially polymerizing one kind of alkylene glycol is The amount should be less, preferably 0.2 parts by weight, preferably 0.1 parts by weight, more preferably 0.05 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the polyacrylonitrile polymer. Specific examples of the polyalkylene glycol used in the present invention include polymethylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polybutylene glycol and the like. In consideration of dropping off by washing in the yarn forming process, polypropylene glycol, It is more preferable to use butylene glycol. It is preferable that the weight average molecular weight (henceforth molecular weight) of polyalkylene glycol is 200-30,000. If the molecular weight is too large, the viscosity becomes too high and it is difficult to uniformly disperse in the spinning dope, which may cause defects in the resulting carbon fiber. If the molecular weight is too small, the viscosity decreases, and it becomes difficult to uniformly mix with the spinning dope. Here, the polyalkylene glycol obtained by substantially polymerizing one kind of alkylene glycol means that the main component alkylene glycol is 99% by weight or more, and if it is 1% by weight or less, the second alkylene glycol. May be polymerized. Moreover, as long as it is a polyalkylene glycol obtained by substantially polymerizing one kind of alkylene glycol, two or more kinds of such polyalkylene glycols may be used in combination.

紡糸原液における混合組成としては、ポリアクリロニトリル系重合体100重量部に対して、実質的に1種類のアルキレングリコールを重合してなるポリアルキレングリコールを0.1〜25重量部、好ましくは5〜15重量部、ポリアクリロニトリルが可溶な溶媒を100〜1,000重量部、好ましくは200〜900重量部とするのが良い。かかるポリアルキレングリコールの混合割合が少なすぎると、耐炎化反応を促進する効果が十分に得られないし、多すぎると、耐炎化工程後も、ポリアルキレングリコール由来の残渣が繊維中に残存し、得られる炭素繊維の欠陥が増加し、炭素繊維の引張強度が低下することがある。また、溶媒が少なすぎると紡糸原液との粘度が高くなりすぎ、溶媒が多すぎると紡糸原液の粘度が低くなりすぎて紡糸できないことが多い。   The mixed composition in the spinning dope is 0.1 to 25 parts by weight, preferably 5 to 15 parts by weight of polyalkylene glycol obtained by substantially polymerizing one kind of alkylene glycol with respect to 100 parts by weight of the polyacrylonitrile polymer. The solvent in which polyacrylonitrile is soluble in 100 parts by weight is preferably 100 to 1,000 parts by weight, and preferably 200 to 900 parts by weight. If the mixing ratio of the polyalkylene glycol is too small, the effect of promoting the flame resistance reaction is not sufficiently obtained, and if it is too large, the residue derived from the polyalkylene glycol remains in the fiber even after the flame resistance process. The carbon fiber defect may increase, and the tensile strength of the carbon fiber may decrease. In addition, if the solvent is too small, the viscosity of the spinning dope becomes too high, and if the solvent is too much, the viscosity of the spinning dope becomes too low to perform spinning in many cases.

紡糸原液には、前記したポリアルキレングリコールの他に、他の高分子を混合させてもよいが、得られる炭素繊維中に不純物として残留して引張強度の低下を引き起こす場合がある。特にシリコーンは極微量でも得られる炭素繊維に残留し、引張強度が低下してしまうため、実質的に紡糸原液に含有させない。具体的には、ポリアクリロニトリル系重合体100重量部に対してシリコーンの量は0.2重量部、好ましくは0.1重量部、より好ましくは0.05重量部以下とするのが良い。シリコーンとして、例えば無変性のジメチルシリコーンやアミノ変性シリコーン、ポリエーテル変性シリコーンなどが挙げられる。また、得られる繊維中に残留しない場合であっても過酸化物のような急激な分解を伴うものも極力含有させないようにするのが良く、例えば、ポリアクリロニトリル系重合体100重量部に対して0.2重量部、好ましくは0.1重量部、より好ましくは0.05重量部以下に止めるべきである。   In addition to the polyalkylene glycol described above, other polymers may be mixed in the spinning dope, but may remain as impurities in the resulting carbon fiber and cause a decrease in tensile strength. In particular, silicone remains in the carbon fiber obtained even in a very small amount and the tensile strength is lowered, so that it is not substantially contained in the spinning dope. Specifically, the amount of silicone is preferably 0.2 parts by weight, preferably 0.1 parts by weight, more preferably 0.05 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the polyacrylonitrile-based polymer. Examples of silicone include unmodified dimethyl silicone, amino-modified silicone, and polyether-modified silicone. Further, even if it does not remain in the obtained fiber, it is better not to contain as much as possible a substance with rapid decomposition such as peroxide. For example, with respect to 100 parts by weight of polyacrylonitrile-based polymer It should be stopped at 0.2 parts by weight, preferably 0.1 parts by weight, more preferably 0.05 parts by weight or less.

前記したポリアクリロニトリル系重合体と、前記したポリアルキレングリコールを溶媒に溶解させて紡糸原液を作製する。ここで用いる溶媒としては、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどが挙げられ、溶解性の観点から、ジメチルスルホキシドがより好ましい。なお、ポリアクリロニトリル系重合体を得るために溶液重合法を用いた場合には、重合後の溶液に、前記したポリアルキレングリコールを溶解させて紡糸原液としても良い。   The above-described polyacrylonitrile-based polymer and the above-described polyalkylene glycol are dissolved in a solvent to prepare a spinning dope. Examples of the solvent used here include dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, and the like, and dimethyl sulfoxide is more preferable from the viewpoint of solubility. When a solution polymerization method is used to obtain a polyacrylonitrile-based polymer, the above-described polyalkylene glycol may be dissolved in the solution after polymerization to obtain a spinning stock solution.

ポリアクリロニトリル系重合体とポリアルキレングリコールとは、紡糸原液中で均一に混合されていることが好ましい。均一に混合させないと、耐炎化反応が均一に進まず、その結果として炭素繊維の引張強度低下の原因となることがある。均一に混合する方法に限定はないが、攪拌して機械的に混合してもよいし、超音波振動などを併用してもよい。混合装置としては、具体的には、ニーダー、プラネタリーミキサー、二軸押出機、三本ロール、ホモミキサー、ディゾルバー、ボールミル、ビーズミルを挙げることができる。   It is preferable that the polyacrylonitrile polymer and the polyalkylene glycol are uniformly mixed in the spinning dope. If not mixed uniformly, the flameproofing reaction does not proceed uniformly, and as a result, the tensile strength of the carbon fiber may be reduced. The method for uniformly mixing is not limited, but may be stirred and mechanically mixed, or ultrasonic vibration may be used in combination. Specific examples of the mixing device include a kneader, a planetary mixer, a twin screw extruder, a three roll, a homomixer, a dissolver, a ball mill, and a bead mill.

上記して得た紡糸原液は、混合後4時間以上、より好ましくは3時間以上、さらに好ましくは2時間以上は放置せずに紡糸する。紡糸原液を攪拌したり振動したりすることなく長時間静置すれば、ポリアルキレングリコールの凝集が生じ、熱分解した際ボイドが発生し炭素繊維の引張強度の低下を招くことがある。   The spinning dope obtained above is spun without leaving for 4 hours or more, more preferably 3 hours or more, and even more preferably 2 hours or more after mixing. If the spinning solution is allowed to stand for a long time without being stirred or vibrated, polyalkylene glycol aggregates, and when pyrolyzed, voids are generated and the tensile strength of the carbon fiber may be reduced.

かかる紡糸原液を紡糸する前に攪拌したり振動したりすることによって、極力均一に混合することが好ましい。また、紡糸原液を紡糸する前に、例えば目開き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ためには好ましい。   It is preferable to mix evenly as much as possible by stirring or vibrating the spinning solution before spinning. Further, before spinning the spinning solution, it is preferable to pass the polymer raw material and impurities mixed in each step, for example, through a filter having an opening of 1 μm or less in order to obtain a high-strength carbon fiber.

本発明では、前記した紡糸原液を、湿式紡糸法または乾湿式紡糸法により紡糸することにより、炭素繊維前駆体繊維を製造する。得られる炭素繊維前駆体繊維の緻密性を高め、また得られる炭素繊維の力学物性を高める目的からは、乾湿式紡糸法を用いることが好ましい。湿式紡糸法の場合には、紡糸原液を口金から直接凝固浴中に吐出し、凝固せしめる。乾湿式紡糸法の場合には、紡糸原液を口金から一旦空気中に吐出した後、凝固浴中に導入し、凝固せしめる。   In the present invention, a carbon fiber precursor fiber is produced by spinning the above-described spinning solution by a wet spinning method or a dry-wet spinning method. In order to increase the density of the obtained carbon fiber precursor fiber and to increase the mechanical properties of the obtained carbon fiber, it is preferable to use a dry and wet spinning method. In the case of the wet spinning method, the spinning solution is directly discharged from the die into a coagulation bath and coagulated. In the case of the dry-wet spinning method, the spinning solution is once discharged into the air from the die, and then introduced into a coagulation bath and coagulated.

本発明において、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、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が使用でき、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 for the spinning dope and a so-called coagulation promoting component. As the coagulation accelerating component, a component that does not dissolve the acrylonitrile-based polymer and is compatible with the solvent used in the spinning dope can be used. Specifically, it is preferable to use water.

紡糸原液を凝固浴中に導入して凝固せしめ糸条を形成した後、通常、水洗工程、浴中延伸工程、油剤付与工程、乾燥熱処理工程、スチーム延伸工程を経て、炭素繊維前駆体繊維が得られる。ただし、凝固後の糸条は、水洗工程を省略して直接浴中延伸を行っても良いし、溶媒を水洗工程により除去した後に浴中延伸を行っても良い。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うことが好ましい。延伸倍率は、1〜5倍であることが好ましく、2〜4倍であることがより好ましい。   After the spinning dope is introduced into a coagulation bath to form a coagulated yarn, usually a carbon fiber precursor fiber is obtained through a washing step, an in-bath drawing step, an oil agent applying step, a drying heat treatment step, and a steam drawing step. It is done. However, the solidified yarn may be directly stretched in the bath without the water washing step, or may be stretched in the bath after the solvent is removed by the water washing step. Such stretching in a bath is usually preferably performed in a single or a plurality of stretching baths adjusted to a temperature of 30 to 98 ° C. The draw ratio is preferably 1 to 5 times, and more preferably 2 to 4 times.

浴中延伸工程の後、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ことが好ましい。かかるシリコーン油剤は、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含有するものを用いることがより好ましい。   After the stretching process in the bath, it is preferable to apply an oil agent made of silicone or the like to the yarn for the purpose of preventing adhesion between the single fibers. As such a silicone oil agent, it is preferable to use a modified silicone, and it is more preferable to use a material containing an amino-modified silicone having high heat resistance.

スチーム延伸工程では、延伸倍率を、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倍以上とするのがよい。   In the steam drawing step, the draw ratio 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.

このようにして得られる炭素繊維前駆体繊維は、その単繊維繊度が、好ましくは0.5〜1.5dtex、より好ましくは0.55〜1.0dtex、さらに好ましくは0.6〜0.8dtexであることが良い。単繊維繊度が小さすぎると、可紡性の低下、ローラー、ガイドとの接触による糸切れ発生などにより、製糸工程および焼成工程のプロセス安定性が低下することがある一方、単繊維繊度が大きすぎると、耐炎化後の各単繊維における内外構造差が大きくなり、つづく炭化工程でのプロセス性低下や、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。   The carbon fiber precursor fiber thus obtained has a single fiber fineness of preferably 0.5 to 1.5 dtex, more preferably 0.55 to 1.0 dtex, and still more preferably 0.6 to 0.8 dtex. It is good to be. If the single fiber fineness is too small, the process stability of the yarn making process and the firing process may be reduced due to a decrease in spinnability and the occurrence of yarn breakage due to contact with rollers and guides, while the single fiber fineness is too large. In addition, the difference between the inner and outer structures of each single fiber after flame resistance becomes large, and the processability in the subsequent carbonization process may decrease, and the tensile strength and tensile modulus of the resulting carbon fiber may decrease.

また、得られる炭素繊維前駆体繊維は、通常、連続繊維であり、また、その1糸条当たりのフィラメント数が、好ましくは1,000〜3,000,000、より好ましくは12,000〜3,000,000、さらに好ましくは24,000〜2,500,000、最も好ましくは36,000〜2,000,000であるのが良い。1糸条あたりのフィラメント数は、生産性の向上の目的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。   The obtained carbon fiber precursor fiber is usually a continuous fiber, and the number of filaments per yarn is preferably 1,000 to 3,000,000, more preferably 12,000 to 3 34,000,000, more preferably 24,000 to 2,500,000, and most preferably 36,000 to 2,000,000. The number of filaments per yarn is preferably larger for the purpose of improving productivity. 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。   Next, the manufacturing method of the carbon fiber of this invention is demonstrated.

前記した方法により製造される炭素繊維前駆体繊維を、200〜300℃の温度の空気中において、好ましくは延伸比0.8〜1.2で延伸しながら、耐炎化処理した後、300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において、好ましくは延伸比0.9〜1.2で延伸しながら、予備炭化処理し、1,000〜2,000℃の最高温度の不活性雰囲気中において、好ましくは延伸比0.95〜0.98で延伸しながら、炭化処理して製造する。   The carbon fiber precursor fiber produced by the above-described method is subjected to flame resistance treatment in air at a temperature of 200 to 300 ° C., preferably with a draw ratio of 0.8 to 1.2, and then 300 to 800. In an inert atmosphere at a temperature of ° C., preferably pre-carbonized while stretching at a stretch ratio of 0.9 to 1.2, preferably in an inert atmosphere at a maximum temperature of 1,000 to 2,000 ° C. Is produced by carbonizing while stretching at a stretch ratio of 0.95 to 0.98.

本発明において、予備炭化処理や炭化処理は不活性雰囲気中で行うが、不活性雰囲気に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を好ましく用いることができる。予備炭化処理では、その温度範囲における昇温速度を500℃/分以下に設定することが好ましい。また、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適宜設定するのがよいが、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1,500℃付近で極大となるため、引張強度と引張弾性率の両方を高めるという目的からは、炭化処理の最高温度は1,200〜1,700℃がより好ましく、1,300〜1,600℃であるのがさらに好ましい。   In the present invention, the preliminary carbonization treatment and carbonization treatment are performed in an inert atmosphere. As the gas used in the inert atmosphere, nitrogen, argon, xenon and the like can be preferably exemplified, and nitrogen is preferably used from an economical viewpoint. Can do. In the preliminary carbonization treatment, it is preferable to set the heating rate in the temperature range to 500 ° C./min or less. Further, the maximum temperature in the carbonization treatment is preferably set as appropriate according to the desired mechanical properties of the carbon fiber, but generally the higher the maximum temperature of the carbonization treatment, the higher the tensile elastic modulus of the resulting carbon fiber, Since the tensile strength reaches a maximum near 1,500 ° C., the maximum temperature for carbonization is more preferably 1,200-1,700 ° C. for the purpose of increasing both the tensile strength and the tensile modulus. More preferably, it is -1600 degreeC.

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、適用する炭素繊維の炭化度に応じて適宜選択することができる。   The obtained carbon fiber can be subjected to electrolytic treatment for its 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 carbon fiber to be applied.

かかる電解処理により、得られる複合材料において炭素繊維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 with the carbon fiber matrix in the resulting composite material, the brittle breakage of the composite material due to too strong adhesion, the problem of lowering the tensile strength in the fiber direction, Although the tensile strength 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 balanced strength properties in both the fiber and non-fiber directions. Will be expressed.

かかる電解処理の後、炭素繊維に集束性を付与するため、サイジング処理をすることもできる。サイジング剤には、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 be performed in order to give the carbon fiber a focusing property. As the sizing agent, a sizing agent having good compatibility with the resin can be appropriately selected according to the type of resin used.

本発明により得られる炭素繊維は、プリプレグとしてオートクレーブ成形、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、フィラメントワインディングで成形するなど種々の成型法により、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 obtained by the present invention is an aircraft member, a pressure vessel member, an automobile member, a fishing rod, by various molding methods such as autoclave molding as a prepreg, molding by resin transfer molding as a preform such as woven fabric, molding by filament winding, etc. It can be suitably used as a sports member such as a golf shaft.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。なお、本実施例で用いた各種物性値の測定方法を次に説明する。
<耐炎化繊維の比重>
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時間絶乾し、絶乾質量B(g)を測定した後、比重既知(比重ρ)のエタノールに含浸して、エタノール中の繊維質量B(g)を測定する。そして、次式、繊維比重=(A×ρ)/(A−B)により繊維比重を求める。なお、本実施例では、エタノールとして、和光純薬(株)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>
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、炭素繊維または黒鉛化繊維に含浸させ、130℃、30分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、引張強度とする。なお、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。
<極限粘度測定>
<ポリアクリロニトリル系重合体の極限粘度>
120℃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℃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℃の温水槽中で温調し、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、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t(秒)とする。次式を用いて極限粘度[η]を算出する。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(株)製特級を用いた。
[η]={(1+1.32×ηsp1/2―1}/0.198
但し、
ηsp=(t/t)−1
[実施例1〜7、比較例3〜7]
表1に示す極限粘度が1.8であるポリアクリロニトリル系重合体100重量部と添加物とを、表1に示す組成で、溶媒であるジメチルスルホキシド400重量部に溶解させ、ホモミキサーで1時間混合し、紡糸原液を得た。なお、添加物として用いた各種ポリマーの重量平均分子量は以下のとおりである。ポリプロピレングルコール:1,000、ポリオキシエチレンオレアート:460、ポリアルキレングリコール*1:2,000、ポリアルキレングリコール*2:5,000、ポリジメチルアミノシロキサン:24,000。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. A method for measuring various physical property values used in this example will be described below.
<Specific gravity of flame resistant fiber>
The method described in JIS R7601 (1986) is followed. That is, 1.0 to 1.5 g of fiber was sampled, dried in air at 120 ° C. for 2 hours using a hot air dryer, measured for absolute dry mass B (g), and then known for specific gravity (specific gravity ρ). The fiber mass B (g) in ethanol is measured. And fiber specific gravity is calculated | required by following Formula, Fiber specific gravity = (Ax (rho)) / (AB). In this example, Wako Pure Chemical Industries special grade was used as ethanol without purification.
<Strand tensile strength 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 with carbon fiber or graphitized fiber and cured at 130 ° C. for 30 minutes. Further, the number of strands to be measured is 6, and the average value of each measurement result is the tensile strength. In this example, “Bakelite (registered trademark)” ERL4221 manufactured by Union Carbide Co., Ltd. was used as 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexyl-carboxylate.
<Intrinsic viscosity measurement>
<Intrinsic viscosity of polyacrylonitrile-based polymer>
150 mg of a polyacrylonitrile polymer dried by heat treatment at 120 ° C. for 2 hours is maintained at 25 ° C. and dissolved in 50 ml of dimethylformamide added with 0.1 mol / liter of sodium thiocyanate. The obtained solution was temperature-controlled in a hot water bath at 25 ° C., and the drop time between the marked lines was measured with an accuracy of 1/100 second using an Ostwald viscometer that was temperature-controlled at 25 ° C. in advance. Let 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 drop time is defined as t 0 (seconds). The intrinsic viscosity [η] is calculated using the following formula. In this example, Wako Pure Chemical Industries special grades were used for both sodium thiocyanate and dimethylformamide.
[Η] = {(1 + 1.32 × η sp ) 1/2 −1} /0.198
However,
η sp = (t / t 0 ) −1
[Examples 1-7, Comparative Examples 3-7]
100 parts by weight of a polyacrylonitrile polymer having an intrinsic viscosity of 1.8 shown in Table 1 and additives are dissolved in 400 parts by weight of dimethyl sulfoxide as a solvent with the composition shown in Table 1, and the mixture is stirred for 1 hour with a homomixer. Mixing was performed to obtain a spinning dope. The weight average molecular weights of various polymers used as additives are as follows. Polypropylene glycol: 1,000, polyoxyethylene oleate: 460, polyalkylene glycol * 1 : 2,000, polyalkylene glycol * 2 : 5,000, polydimethylaminosiloxane: 24,000.

得られた紡糸原液をただちに、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、常法により水洗した後、温水中で延伸し、さらにアミノ変性シリコーン系シリコーン油剤を付与して単繊維繊度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、加圧スチーム中で3.7倍延伸し、全延伸倍率13倍として、単繊維繊度0.7dtex、フィラメント数6000の炭素繊維前駆体繊維を得た。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℃の温度分布を有する空気中において延伸比1.0で延伸しながらで100分間耐炎化処理し、耐炎化繊維を得た。続いて、得られた耐炎化繊維を300〜700℃の温度分布を有する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、連続した炭素繊維を得た。得られた耐炎化繊維の比重と得られた炭素繊維のストランド引張強度および操業性を、表2にまとめて示す。   The obtained spinning solution was immediately passed through a filter with a mesh opening of 0.5 μm, and then discharged at 40 ° C. into a single hole having a diameter of 0.15 mm and a number of 6,000 holes in the air, and 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 by a conventional method, and then stretched in warm water. Further, an amino-modified silicone-based silicone oil was 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 dried and heat-treated using a roller heated to 165 ° C., stretched 3.7 times in pressurized steam, and the total draw ratio is 13 times. The single fiber fineness is 0.7 dtex and the filament number is 6000. A carbon fiber precursor fiber was obtained. Four carbon fiber precursor fibers obtained were combined to obtain a total filament number of 24,000, and then stretched in air having a temperature distribution of 240 to 260 ° C. at a draw ratio of 1.0 for 100 minutes. Flame-resistant treatment was performed to obtain flame-resistant fibers. Subsequently, in a nitrogen atmosphere having a temperature distribution of 300 to 700 ° C., the obtained flame-resistant fiber is subjected to a preliminary carbonization treatment while being drawn at a draw ratio of 1.15, and further in a nitrogen atmosphere having a maximum temperature of 1500 ° C. Carbonization was performed with the draw ratio set to 0.99 to obtain continuous carbon fibers. Table 2 summarizes the specific gravity of the obtained flame-resistant fiber and the strand tensile strength and operability of the obtained carbon fiber.

紡糸原液に、ポリオキシエチレンオレアートを混合した比較例3では炭素繊維を得ることができず、エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドで共重合させたポリアルキレングリコールを混合した比較例4は耐炎化が不均一なため炭化工程で糸切れが発生した。ポリジメチルアミノシロキサンを0.3重量部混合した比較例5は、工程通過性は良好なもののシリコーンが炭素繊維中に残留するため引張強度が低下した。過酸化ベンゾイルを混合した比較例6では、耐炎化工程で急激に反応が進み、炭化工程で糸切れが多発し、得られた炭素繊維の引張強度も低かった。また、ポリアクリロニトリル系重合体に共重合成分を多く含有する比較例6では、得られる炭素繊維間に融着が生じ、引張強度が低下しただけでなく、炭化工程でのローラー巻きつきが多発し、工程通過性が悪かった。
[比較例1、2]
紡糸原液に、ポリプロピレングリコールを混合しなかった以外は、実施例1〜4と同様にして、耐炎化繊維を得た。得られた耐炎化繊維から実施例1〜4と同様にして炭素繊維を得ようとしたが、ホモPANである比較例1では耐炎化が進んでいないため、炭素繊維を得ることはできなかった。また、微量の共重合成分を含んだ比較例2では、耐炎化が十分に進んでいないため炭化工程で糸切れが多発した。そして得られる炭素繊維の引張強度は低かった。
In Comparative Example 3 in which polyoxyethylene oleate was mixed with the spinning solution, carbon fibers could not be obtained. In Comparative Example 4 in which polyalkylene glycol copolymerized with ethylene oxide and propylene oxide was mixed, flame resistance was not uniform. Therefore, yarn breakage occurred in the carbonization process. In Comparative Example 5 in which 0.3 part by weight of polydimethylaminosiloxane was mixed, the tensile strength was reduced because silicone remained in the carbon fiber although the process passability was good. In Comparative Example 6 in which benzoyl peroxide was mixed, the reaction rapidly progressed in the flameproofing process, yarn breakage occurred frequently in the carbonizing process, and the tensile strength of the obtained carbon fiber was low. Further, in Comparative Example 6 in which the polyacrylonitrile-based polymer contains a large amount of copolymer components, fusion occurs between the obtained carbon fibers, and not only the tensile strength is reduced, but also the winding of the roller in the carbonization process occurs frequently. The process passability was bad.
[Comparative Examples 1 and 2]
Flame-resistant fibers were obtained in the same manner as in Examples 1 to 4, except that polypropylene glycol was not mixed into the spinning dope. Carbon fibers were obtained from the obtained flame-resistant fibers in the same manner as in Examples 1 to 4, but carbon fiber could not be obtained because the flame resistance was not advanced in Comparative Example 1 which was homo-PAN. . In Comparative Example 2 containing a small amount of a copolymer component, yarn breakage occurred frequently in the carbonization process because the flame resistance was not sufficiently advanced. And the tensile strength of the carbon fiber obtained was low.

Figure 2007204875
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Claims (4)

アクリロニトリル以外の単量体の共重合比率が0.5モル%以下であるポリアクリロニトリル系重合体と、実質的に1種類のアルキレングリコールを重合してなるポリアルキレングリコールとが溶媒に溶解してなり、かつ、シリコーンを実質的に含有しない紡糸原液を、湿式紡糸法または乾湿式紡糸法により紡糸する炭素繊維前駆体繊維の製造方法。   A polyacrylonitrile polymer having a copolymerization ratio of monomers other than acrylonitrile of 0.5 mol% or less and a polyalkylene glycol obtained by substantially polymerizing one kind of alkylene glycol are dissolved in a solvent. And the manufacturing method of the carbon fiber precursor fiber which spins the spinning stock solution which does not contain silicone substantially by the wet spinning method or the dry-wet spinning method. 前記アルキレングリコールがプロピレングリコールである請求項1に記載の炭素繊維前駆体繊維の製造方法。   The method for producing a carbon fiber precursor fiber according to claim 1, wherein the alkylene glycol is propylene glycol. 前記ポリアクリロニトリル系重合体は、アクリロニトリル以外の単量体の共重合比率が実質的に0モル%である請求項1に記載の炭素繊維前駆体繊維の製造方法。   The method for producing a carbon fiber precursor fiber according to claim 1, wherein the polyacrylonitrile-based polymer has a copolymerization ratio of monomers other than acrylonitrile of substantially 0 mol%. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法によって得られる炭素繊維前駆体繊維を、200〜300℃の温度の空気中において耐炎化処理した後、300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において予備炭化処理し、次いで1,000〜2,000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化処理する炭素繊維の製造方法。
The carbon fiber precursor fiber obtained by the production method according to any one of claims 1 to 3 is subjected to flame resistance treatment in air at a temperature of 200 to 300 ° C, and then inert at a temperature of 300 to 800 ° C. A method for producing carbon fiber which is pre-carbonized in an atmosphere and then carbonized in an inert atmosphere at a temperature of 1,000 to 2,000 ° C.
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