JP2008285797A - Carbon fibers and method for producing the same - Google Patents

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Hiroshi Sakurai
博志 櫻井
Hiroshi Hara
寛 原
Shoichi Takagi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing carbon fibers, by which the homogeneous carbon fibers can be produced, while preventing the generation of a fishhook-like form at the ends of the fibers. <P>SOLUTION: The method for producing carbon fibers includes producing carbon fiber precursors from a mesophase pitch by a melt-spinning method, wherein the product (shear stress) of the melt viscosity of the mesophase pitch in a capillary and the shear rate of the mesophase pitch in the capillary is 10 to 200 kPa, infusibilizing the obtained carbon fiber precursors, and then calcinating the treated products. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は放熱材料、樹脂補強材として好適に使用できる炭素繊維に関する。更に詳しくは、従来よりも繊維長が長く、構造欠陥の少ない炭素繊維に関する。   The present invention relates to a carbon fiber that can be suitably used as a heat dissipation material and a resin reinforcing material. More specifically, the present invention relates to a carbon fiber having a longer fiber length and fewer structural defects than conventional ones.

近年、携帯電話やPCの急速な発展に伴って高速化されたCPUや電子回路のジュール熱による発熱問題が取り上げられている。これらを解決するために、熱を効率的に処理する、いわゆるサーマルマネジメントの必要性が問われている。   In recent years, the problem of heat generation due to Joule heat in CPUs and electronic circuits that have been increased in speed with the rapid development of mobile phones and PCs has been taken up. In order to solve these problems, there is a need for so-called thermal management that efficiently processes heat.

熱伝導性の優れた物質として、例えば酸化アルミニウムや窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、炭化ケイ素、石英、水酸化アルミニウムなどの金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物などが知られている。しかし、金属材料系の充填材は比重が高く複合材としたときに重量が大きくなる或いは、強度劣化が起こる等の問題点を内在していた。これを解決する方法として、炭素系材料であるカーボンブラックを用いる方法が提案されている。しかしながら、添加量の増加に伴い、粉落ちが生じるなどの問題点があった。   Examples of materials having excellent thermal conductivity include metal oxides such as aluminum oxide, boron nitride, aluminum nitride, magnesium oxide, zinc oxide, silicon carbide, quartz, and aluminum hydroxide, metal nitride, metal carbide, and metal hydroxide. Etc. are known. However, metallic material-based fillers have problems such as high specific gravity and high weight when used as a composite material, or strength deterioration. As a method for solving this problem, a method using carbon black, which is a carbon-based material, has been proposed. However, there has been a problem such as powder falling off as the amount added is increased.

これら問題を解決する手段として、炭素繊維を用いる方法が考案されている。炭素繊維は金属材料系の充填材に比べて、同体積における複合材の重量を軽くできるだけでなく、強度が向上するといった特徴を有する。また、カーボンブラックに比べて、繊維特有のアンカー効果により粉落ちしにくいといった長所も有している。炭素繊維の放熱特性は、その黒鉛化性に大きく影響している。一般にPAN系炭素繊維よりも、高い黒鉛化性を達成できるピッチ系炭素繊維、特にメソフェーズピッチを原料にした炭素繊維が用いられている。メソフェーズピッチを原料にした炭素繊維の製造法としては、例えばメルトブロー紡糸による極細炭素繊維(紡糸時の平均平均繊維径5μm以下)の製造方法(特許文献1)が公開されている。   As means for solving these problems, a method using carbon fiber has been devised. Compared with a metallic material-based filler, carbon fiber not only reduces the weight of the composite material in the same volume, but also has characteristics such as improved strength. In addition, compared with carbon black, there is also an advantage that powder is less likely to fall off due to an anchor effect peculiar to fibers. The heat dissipation characteristics of carbon fibers greatly affect their graphitization properties. In general, pitch-based carbon fibers that can achieve higher graphitization properties than PAN-based carbon fibers, particularly carbon fibers made from mesophase pitch, are used. As a method for producing carbon fibers using mesophase pitch as a raw material, for example, a method for producing ultrafine carbon fibers (average average fiber diameter of 5 μm or less at the time of spinning) by melt blow spinning is disclosed (Patent Document 1).

通常メルトブローで作成した炭素繊維は不織布の形態で得ることができる。しかしながら、製造条件によっては繊維長が10cm未満の非常に短いものであり、かつ不織布のなかにショットと呼ばれる繊維形状の崩壊した釣り針状の異物が混ざったりすることがあり、品質の低下を引き起こすことがあった。また、繊維長の非常に短い不織布で不融化工程を経由する場合、不織布の嵩密度が高いため、不融化反応で発生する熱を放熱できず、不織布内部と外部で温度が異なるといった問題を生じ、結果として均一な製品を製造できないといった問題を有していた。また、場合によっては放熱できないことが原因となり、不融化反応で不織布内に熱が蓄熱して、繊維構造を溶かしてしまうといった問題も有していた。
特許第2680183号公報
Carbon fibers usually produced by melt blowing can be obtained in the form of a nonwoven fabric. However, depending on the production conditions, the fiber length is very short with a length of less than 10 cm, and the fiber-shaped collapsed fishhook-like foreign substances called shots may be mixed in the nonwoven fabric, causing deterioration in quality. was there. In addition, when a nonwoven fabric with a very short fiber length is passed through an infusibilization process, the bulk density of the nonwoven fabric is so high that heat generated by the infusibilization reaction cannot be dissipated, resulting in different temperatures inside and outside the nonwoven fabric. As a result, there is a problem that a uniform product cannot be manufactured. In some cases, the heat cannot be dissipated and heat is stored in the non-woven fabric due to the infusibilization reaction, so that the fiber structure is melted.
Japanese Patent No. 2680183

上記に述べたごとく、炭素繊維の繊維長が短い場合、繊維末端に釣り針状の形状が混ざることによる品質低下、不融化反応で発生する熱を放熱できず、均質な炭素繊維を製造することができないといった問題があった。また、炭素繊維内に構造欠陥が多数認められ、黒鉛化性の低下を引き起こしていた。本発明の目的は、繊維末端の釣り針状の形状発生を抑え、かつ均質な炭素繊維を製造する方法を提供することにある。   As mentioned above, when the fiber length of the carbon fiber is short, quality deterioration due to mixing of the shape of a fishhook at the fiber end, heat generated by the infusibilization reaction cannot be dissipated, and a homogeneous carbon fiber can be produced. There was a problem that I couldn't. In addition, many structural defects were observed in the carbon fiber, causing a decrease in graphitization. An object of the present invention is to provide a method for producing a homogeneous carbon fiber while suppressing the occurrence of a fishhook-like shape at the end of the fiber.

本発明者らは、繊維末端が釣り針状の形状を抑え、かつ均質な炭素繊維を製造する方法について検討し本発明に到達した。   The present inventors have studied a method for producing a homogeneous carbon fiber while suppressing the shape of a fishhook at the end of the fiber, and reached the present invention.

すなわち、本発明の目的は
(1)メソフェーズピッチを溶融紡糸して炭素繊維前駆体を製造する工程、(2)炭素繊維前駆体を酸化性ガス雰囲気下で不融化して、不融化炭素繊維前駆体を製造する工程、(3)不融化炭素繊維前駆体を焼成して炭素繊維を製造する工程を含む炭素繊維の製造方法において、工程(1)で製造される炭素繊維前駆体が、溶融紡糸におけるキャピラリー内のメソフェーズピッチの溶融粘度とキャピラリー内でのメソフェーズピッチのせん断速度との積(せん断応力)が10kPa以上200kPa以下とすることを特徴とする、炭素繊維の製造方法によって達成される。
That is, the object of the present invention is (1) a step of producing a carbon fiber precursor by melt spinning a mesophase pitch, and (2) infusible carbon fiber precursor in an oxidizing gas atmosphere to obtain an infusible carbon fiber precursor. A carbon fiber precursor produced in step (1), wherein the carbon fiber precursor comprises a step of producing a body and (3) a step of producing a carbon fiber by firing an infusible carbon fiber precursor. The product (shear stress) of the melt viscosity of the mesophase pitch in the capillary and the shear rate of the mesophase pitch in the capillary is 10 kPa or more and 200 kPa or less.

更に、本発明には、330℃に加熱したメソフェーズピッチのせん断速度7000s−1における溶融粘度が、0.5〜50Pa・s(5〜500ポイズ)であるメソフェーズピッチを用いること、溶融紡糸に用いるメソフェーズピッチの軟化点が250℃以上340℃以下であること、溶融紡糸として、メルトブロー法を用いることが包含される。
本発明の他の目的は、上記に記載の方法で製造された、平均繊維長が10〜100cm、平均繊維径が1〜20μmである炭素繊維によって達成される。
Furthermore, the present invention uses a mesophase pitch whose melt viscosity at a shear rate of 7000 s −1 of mesophase pitch heated to 330 ° C. is 0.5 to 50 Pa · s (5 to 500 poise), and is used for melt spinning. It includes that the softening point of the mesophase pitch is 250 ° C. or higher and 340 ° C. or lower and that melt melting is used as a melt spinning method.
Another object of the present invention is achieved by a carbon fiber having an average fiber length of 10 to 100 cm and an average fiber diameter of 1 to 20 μm produced by the method described above.

本発明の炭素繊維は、優れた放熱材料であって、従来よりも繊維長が長く、炭素繊維の末端に釣り針状の形態を有する異形物が混ざったりすることなく、良好な不織布として得ることもできる。また、繊維長が従来よりも長くなることで、不織布の嵩密度が低くなり、不融化で発生する熱を効率的に放熱することができ、結果として均質な物性を有する炭素繊維を製造することができる。   The carbon fiber of the present invention is an excellent heat dissipating material, which has a longer fiber length than before, and can be obtained as a good non-woven fabric without mixing a deformed object having a fishhook shape at the end of the carbon fiber. it can. In addition, since the fiber length is longer than before, the bulk density of the nonwoven fabric is reduced, the heat generated by infusibilization can be efficiently dissipated, and as a result, carbon fibers having uniform physical properties are produced. Can do.

次に、本発明の実施の形態について順次説明する。
本発明の炭素繊維は平均繊維長10〜100cm、平均繊維径1〜20μmのメソフェーズピッチ由来の炭素繊維である。
平均繊維長が10cmより短いと、炭素繊維の末端に釣り針状の形状を有する異形物が混ざったりすることがあり、品質の低下を引き起こすことがある。また、炭素繊維内部に構造欠陥等を作りやすく、優れた放熱材料にならないといった問題があった。さらに、不織布状で得た場合には、不織布の嵩密度が高いため、不融化反応で発生する熱を放熱できず、不織布内部と外部で温度が異なるといった問題を生じ、結果として均一な製品を製造できないといった問題に加えて、場合によっては放熱できないことが原因となり、不融化反応で不織布内に熱が蓄熱して、炭素繊維前駆体の構造を溶かしてしまうといった問題があり好ましくない。一方、繊維長が100cmを超える場合、嵩高くなりすぎて、生産性の低下を引き起こすため好ましくない。繊維長のより好ましい範囲としては、15〜80cmである。
Next, embodiments of the present invention will be sequentially described.
The carbon fiber of the present invention is a carbon fiber derived from mesophase pitch having an average fiber length of 10 to 100 cm and an average fiber diameter of 1 to 20 μm.
When the average fiber length is shorter than 10 cm, a deformed product having a fishhook shape may be mixed at the end of the carbon fiber, which may cause a deterioration in quality. In addition, there is a problem that a structural defect or the like is easily formed inside the carbon fiber, and the carbon fiber is not an excellent heat dissipation material. Furthermore, when obtained in the form of a nonwoven fabric, the bulk density of the nonwoven fabric is high, so the heat generated by the infusibilization reaction cannot be dissipated, resulting in problems such as different temperatures inside and outside the nonwoven fabric, resulting in a uniform product. In addition to the problem that it cannot be produced, it is not preferable because there is a problem that heat cannot be released in some cases and heat is stored in the non-woven fabric by the infusibilization reaction and the structure of the carbon fiber precursor is melted. On the other hand, if the fiber length exceeds 100 cm, the fiber becomes too bulky and undesirably reduces productivity. A more preferable range of the fiber length is 15 to 80 cm.

本発明の炭素繊維の平均繊維径は1〜20μmである。炭素繊維の平均繊維径が1μm未満であると、炭素繊維前駆体を製造する際、不織布の形状を保持できないばかりか、ハンドリングの低下を招くことがあり好ましくない。また、粉砕してミルドファイバーとして扱う際のハンドリングも低下し好ましくない。一方、20μmを越えると、不融化工程に時間が掛かり生産性を低下させるだけでなく、炭素繊維前駆体の断面内部の不融化ムラが大きくなり、最終的に得られる炭素繊維の品質を低下させることがあるため好ましくない。平均繊維径のより好ましい範囲は3〜18μm、さらに好ましくは5〜15μmである。糸径の平均値に対する糸径の分散値の百分率として求められるCV値は、20%以下であることが望ましい。より望ましくは17%以下である。炭素繊維前駆体のCV値が20%を超えると不融化工程でトラブルを起こしやすい平均繊維径20μmを超える炭素繊維前駆体が増え、生産性の観点から好ましくない。   The average fiber diameter of the carbon fiber of the present invention is 1 to 20 μm. When the average fiber diameter of the carbon fibers is less than 1 μm, it is not preferable because the shape of the nonwoven fabric cannot be maintained when the carbon fiber precursor is produced, and the handling may be reduced. In addition, handling at the time of pulverization and handling as milled fibers is also undesirable. On the other hand, if it exceeds 20 μm, not only will the infusibilization process take time and the productivity will be lowered, but also the infusibilization unevenness inside the cross section of the carbon fiber precursor will become large and the quality of the carbon fiber finally obtained will be lowered. This is not preferable because there are some cases. A more preferable range of the average fiber diameter is 3 to 18 μm, and further preferably 5 to 15 μm. The CV value obtained as a percentage of the dispersion value of the yarn diameter with respect to the average value of the yarn diameters is desirably 20% or less. More desirably, it is 17% or less. When the CV value of the carbon fiber precursor exceeds 20%, carbon fiber precursors having an average fiber diameter exceeding 20 μm, which easily causes trouble in the infusibilization process, increase, which is not preferable from the viewpoint of productivity.

通常メルトブロー法で紡糸した炭素繊維は、不織布として得ることができる。本発明の炭素繊維は不織布を粉砕して、粉砕物としても良い。不織布の粉砕方法としては、特に限定されるものではないが、乾式法では例えばボールミルを用いた方法、粉砕室に送られた原料が衝撃爪(ピン)と蓋に取り付けられた爪状のステータ(固定盤)との回転の結果、衝撃、せん断作用により微粉化する方法(インパクトミル)、圧縮空気で粉体の相互衝突、相互摩擦により粉砕を行う方法(ジェットミル)などを例示することができる。一方、湿式法としては、例えば水またはN−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミドなどの有機溶剤中でジルコニアボールなどと一緒に仕込み、衝突・せん断などにより粉砕する方法などを例示することができる。本発明の炭素繊維は、上述の粉砕により平均繊維径1〜20μm、繊維長0.02〜5mmの粉砕物としても良い。   Carbon fibers spun by a normal melt blow method can be obtained as a nonwoven fabric. The carbon fiber of the present invention may be pulverized by pulverizing a nonwoven fabric. The method for pulverizing the nonwoven fabric is not particularly limited, but in the dry method, for example, a method using a ball mill, a claw-shaped stator in which the raw material sent to the pulverization chamber is attached to an impact claw (pin) and a lid ( As a result of rotation with a fixed platen), a method of pulverizing by impact and shearing action (impact mill), a method of powder colliding with compressed air, and a method of grinding by mutual friction (jet mill) can be exemplified. . On the other hand, as the wet method, for example, a method of charging together with zirconia balls or the like in water or an organic solvent such as N-methylpyrrolidone or dimethylacetamide, and pulverizing by collision or shearing can be exemplified. The carbon fiber of the present invention may be a pulverized product having an average fiber diameter of 1 to 20 μm and a fiber length of 0.02 to 5 mm by the above pulverization.

本発明の炭素繊維は放熱材料として好適に使用される。熱伝導は主としてフォノンによって担われており、欠陥が無く、かつ強い結合で結ばれていることが必要となる。炭素繊維の場合、黒鉛を形成する結晶において、結晶の厚み方向よりはむしろ六角網面の成長方向に熱が伝導することが知られている。このため、六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズが大きな役割を果たすことになる。六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズは公知の方法によって求めることができ、X線回折法にて得られる炭素結晶の(110)面からの回折線によって求めることができる。本発明の炭素繊維は六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズが5nm以上であることが望ましく、より望ましくは10nm、さらに望ましくは20nm以上である。   The carbon fiber of the present invention is suitably used as a heat dissipation material. The heat conduction is mainly borne by phonons, and it is necessary to have no defects and be connected by strong bonds. In the case of carbon fibers, it is known that heat conducts in the growth direction of the hexagonal network surface rather than in the thickness direction of the crystal in the crystal forming graphite. For this reason, the crystallite size derived from the growth direction of the hexagonal network surface plays a large role. The crystallite size derived from the growth direction of the hexagonal network surface can be determined by a known method, and can be determined by diffraction lines from the (110) plane of the carbon crystal obtained by the X-ray diffraction method. In the carbon fiber of the present invention, the crystallite size derived from the growth direction of the hexagonal network surface is desirably 5 nm or more, more desirably 10 nm, and further desirably 20 nm or more.

本発明の炭素繊維は、六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズが5nm以上を達成するために、メソフェーズピッチを原料に用いるのが好ましい。メソフェーズピッチとしては、ナフタレン、アントラセンやフェナントレンといった縮合多環炭化水素化合物、石油系ピッチや石炭系ピッチといった縮合複素環化合物等が挙げることができる。その中でもナフタレンやフェナントレンといった縮合多環炭化水素化合物が特に好ましい。なお、ここで言うメソフェーズピッチとは光学的異方性を持つピッチを指している。   The carbon fiber of the present invention preferably uses mesophase pitch as a raw material in order to achieve a crystallite size derived from the growth direction of the hexagonal network surface of 5 nm or more. Examples of the mesophase pitch include condensed polycyclic hydrocarbon compounds such as naphthalene, anthracene and phenanthrene, and condensed heterocyclic compounds such as petroleum pitch and coal pitch. Among these, condensed polycyclic hydrocarbon compounds such as naphthalene and phenanthrene are particularly preferable. The mesophase pitch mentioned here refers to a pitch having optical anisotropy.

一般に、ピッチの溶融紡糸はせん断速度3000〜12000s−1の領域で実施される。本発明で使用するメソフェーズピッチは330℃の加熱下において、7000s−1における溶融粘度が、0.5〜50Pa・s(5〜500ポイズ)であることが好ましい。溶融粘度が0.5Pa・s(5ポイズ)未満の場合、メソフェーズピッチに多くの低沸点成分が含まれている場合があり、紡糸時にガス発生による断糸を引き起こしやすいため好ましくない。また、粘度が低いため表面張力で紡糸直後、繊維形状を崩壊させてしまう場合があるため好ましくない。一方、50Pa・s(500ポイズ)を超える場合、低沸点成分が非常に少ない場合があり、紡糸に適した粘度にするために370℃以上の高温を必要にする場合があり、メソフェーズピッチの分解を引き起こすことがあるため好ましくない。また、低温高粘度で紡糸した場合には、ラジアル構造を引き起こしやすく、不融化炭素繊維を焼成して炭素繊維を製造する工程において、繊維半径方向に割れが入り、機械特性の低下を引き起こすことがあるため好ましくない。メソフェーズピッチの330℃加熱下におけるせん断速度7000s−1での溶融粘度のより好ましい範囲は2〜30Pa・s(20〜300ポイズ)である。 Generally, pitch melt spinning is carried out in the region of shear rates of 3000-12000 s- 1 . The mesophase pitch used in the present invention preferably has a melt viscosity at 7000 s −1 of 0.5 to 50 Pa · s (5 to 500 poise) under heating at 330 ° C. When the melt viscosity is less than 0.5 Pa · s (5 poise), many low-boiling components may be contained in the mesophase pitch, which is not preferable because it is likely to cause yarn breakage due to gas generation during spinning. Moreover, since the viscosity is low, the fiber shape may be collapsed immediately after spinning due to surface tension, which is not preferable. On the other hand, when it exceeds 50 Pa · s (500 poise), the low boiling point component may be very small, and a high temperature of 370 ° C. or higher may be required to obtain a viscosity suitable for spinning. This is not preferable because it may cause In addition, when spinning at low temperature and high viscosity, it tends to cause a radial structure, and in the process of producing carbon fibers by firing infusible carbon fibers, cracks may occur in the radial direction of the fibers, resulting in deterioration of mechanical properties. This is not preferable. A more preferable range of the melt viscosity at a shear rate of 7000 s −1 while heating the mesophase pitch at 330 ° C. is 2 to 30 Pa · s (20 to 300 poise).

本発明で使用するメソフェーズピッチは、その軟化点が230℃以上350℃以下であることが好ましい。軟化点が230℃未満であると、炭素繊維前駆体を酸化性ガス雰囲気下で不融化して、不融化炭素繊維を製造する工程において多大の時間を要するため好ましくない。一方、軟化点が350℃を超える場合、紡糸に適した粘度にするために370℃以上の高温を必要とする場合があり、メソフェーズピッチの分解を引き起こすことがあり好ましくない。軟化点のより好ましい範囲は250℃以上330℃未満である。   The mesophase pitch used in the present invention preferably has a softening point of 230 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. When the softening point is less than 230 ° C., it takes a long time in the process of producing the infusible carbon fiber by infusibilizing the carbon fiber precursor in an oxidizing gas atmosphere, which is not preferable. On the other hand, when the softening point exceeds 350 ° C., a high temperature of 370 ° C. or higher may be required in order to obtain a viscosity suitable for spinning, which may cause decomposition of mesophase pitch, which is not preferable. A more preferable range of the softening point is 250 ° C. or higher and lower than 330 ° C.

本発明のもう一つの目的は、繊維長10〜100cm、平均繊維径1〜20μmのメソフェーズピッチ由来の炭素繊維を製造する方法を提供することにある。
本発明の炭素繊維は、(1)メソフェーズピッチから炭素繊維前駆体を製造する工程、(2)炭素繊維前駆体を酸化性ガス雰囲気下で不融化して、不融化炭素繊維前駆体を製造する工程、(3)不融化炭素繊維前駆体を焼成して炭素繊維を得る工程を経て製造される。以下に各工程について順に説明する。
Another object of the present invention is to provide a method for producing mesophase pitch-derived carbon fibers having a fiber length of 10 to 100 cm and an average fiber diameter of 1 to 20 μm.
The carbon fiber of the present invention includes (1) a step of producing a carbon fiber precursor from mesophase pitch, and (2) infusible carbon fiber precursor in an oxidizing gas atmosphere to produce an infusible carbon fiber precursor. Step (3) It is manufactured through a step of firing the infusible carbon fiber precursor to obtain carbon fibers. Hereinafter, each step will be described in order.

(1)メソフェーズピッチから炭素繊維前駆体を製造する工程
本発明の第一の工程では、メソフェーズピッチから炭素繊維前駆体を製造する。本発明が目的とする繊維を製造するためには、溶融紡糸時におけるキャピラリー内のメソフェーズピッチの溶融粘度とキャピラリー内のメソフェーズピッチのせん断速度との積(せん断応力)が10kPa以上200kPa以下であることが必要である。キャピラリー内のメソフェーズピッチのせん断速度は下記式(1)で求められる。
[数1]
γ=8V/D (1)
(ここで、γはキャピラリー内のメソフェーズピッチのせん断速度(s−1)を、Dはキャピラリーの孔径(m)を、Vはキャピラリー内のメソフェーズピッチの流速(m/s)を、それぞれ意味する。)
(1) Process for producing carbon fiber precursor from mesophase pitch In the first process of the present invention, a carbon fiber precursor is produced from mesophase pitch. In order to produce the target fiber of the present invention, the product (shear stress) of the melt viscosity of the mesophase pitch in the capillary and the shear rate of the mesophase pitch in the capillary at the time of melt spinning is 10 kPa or more and 200 kPa or less. is required. The shear rate of the mesophase pitch in the capillary can be obtained by the following formula (1).
[Equation 1]
γ = 8V / D (1)
(Where γ is the shear rate (s −1 ) of the mesophase pitch in the capillary, D is the pore diameter (m) of the capillary, and V is the flow velocity (m / s) of the mesophase pitch in the capillary. .)

キャピラリーを通過するピッチはギヤポンプで定量的に送液される。従って、キャピラリーを通過するピッチの流速はギヤポンプの回転数により制御することができる。キャピラリーを通過するピッチの流速は、口金のホール数、キャピラリーの形状、時間当たりのピッチの送液量が決まれば一義的に決定される。   The pitch passing through the capillary is quantitatively fed by a gear pump. Therefore, the flow velocity of the pitch passing through the capillary can be controlled by the rotation speed of the gear pump. The flow velocity of the pitch passing through the capillary is uniquely determined by determining the number of holes in the die, the shape of the capillary, and the amount of the liquid delivered per pitch.

キャピラリー内のメソフェーズピッチの溶融粘度は、キャピラリーレオメーターなどの粘度評価装置を用いて、上記式で求めたせん断速度下での溶融粘度を実測することで求めることが出来る。この場合、キャピラリー内の溶融粘度とキャピラリー内のせん断速度との積(せん断応力)は30kPa以上200kPa以下であることが好ましく、さらに好ましくは50kPa以上150kPa以下であることが好ましい。溶融粘度の値が小さくてもせん断速度の値が大きければ目的とする炭素繊維前駆体を得ることが出来るし、逆に溶融粘度の値が大きい場合、せん断速度の値が小さくとも目的とする炭素繊維前駆体を得ることができるが、両者の積であるせん断応力にはしきい値があり、少なくとも30kPa以上が必要である。目的とする炭素繊維を得るのに、何故せん断応力にしきい値があるのかについての詳細は分かっていないが、おそらくせん断応力付与によるメソフェーズピッチの分子配向が紡糸性に大きく影響しているためと推測される。キャピラリー内の溶融粘度とキャピラリー内のせん断速度の積(せん断応力)が30kPa未満であると、目的とする炭素繊維を得るための炭素繊維前駆体を得ることが出来ないばかりか、場合によってはキャピラリーから出糸されたメソフェーズピッチが表面張力により球形となり、粉状物となるため好ましくない。また、200kPaを超えるせん断応力の付与は紡糸圧力が非常に高くなるため、装置の破壊を引き起こすため好ましくない。   The melt viscosity of the mesophase pitch in the capillary can be determined by actually measuring the melt viscosity under the shear rate determined by the above formula using a viscosity evaluation device such as a capillary rheometer. In this case, the product (shear stress) of the melt viscosity in the capillary and the shear rate in the capillary is preferably 30 kPa or more and 200 kPa or less, and more preferably 50 kPa or more and 150 kPa or less. Even if the melt viscosity value is small, the target carbon fiber precursor can be obtained if the shear rate value is large. Conversely, if the melt viscosity value is large, the target carbon can be obtained even if the shear rate value is small. A fiber precursor can be obtained, but the shear stress, which is the product of both, has a threshold value, and at least 30 kPa or more is required. Details about why there is a threshold value in shear stress to obtain the desired carbon fiber are not known, but it is presumed that the molecular orientation of the mesophase pitch due to the application of shear stress has a great influence on the spinnability. Is done. If the product of the melt viscosity in the capillary and the shear rate in the capillary (shear stress) is less than 30 kPa, a carbon fiber precursor for obtaining the target carbon fiber cannot be obtained. The mesophase pitch extracted from the yarn becomes undesirably spherical due to surface tension and becomes a powdery product. Further, application of a shear stress exceeding 200 kPa is not preferable because the spinning pressure becomes very high, which causes destruction of the apparatus.

ピッチの溶融粘度は、その樹脂温度やキャピラリーを通過する際の剪断速度により大きく変化し、ニュートン流体または非ニュートン流体的な振る舞いをする。従って、溶融粘度とせん断速度との積(せん断応力)を目的の範囲に入れるためには、あらかじめキャピラリーレオメーター等の測定装置により、溶融粘度の温度依存性とせん断速度依存性を求めておき、キャピラリーを通過するピッチの溶融粘度とせん断速度を、温度やギヤポンプでの送液量により制御することが必要となる。   The melt viscosity of the pitch varies greatly depending on the resin temperature and the shear rate when passing through the capillary, and behaves like a Newtonian or non-Newtonian fluid. Therefore, in order to bring the product of the melt viscosity and the shear rate (shear stress) into the target range, the temperature dependence and the shear rate dependence of the melt viscosity are obtained in advance by a measuring device such as a capillary rheometer, It is necessary to control the melt viscosity and shear rate of the pitch passing through the capillary by the temperature and the amount of liquid fed by a gear pump.

なお、せん断応力(キャピラリー内の粘度とせん断速度との積)を求める別法として、上記式(1)と下記式(2)の積からせん断応力を算出する方法もある。本方法は、キャピラリーレオメーターなどの測定からキャピラリーを通過するピッチの粘度を予測する代わりに、パック圧から粘度を算出してせん断応力を求める方法である。
[数2]
μ=ΔP×D/32LV (2)
(ここで、μは溶融粘度(Pa・s)を、ΔPはパック圧(Pa)を、Dはキャピラリーの孔径(m)を、Lはキャピラリーの長さ(m)を、Vはキャピラリー内の流速(m/s)をそれぞれ意味する。)
As another method for obtaining the shear stress (product of the viscosity in the capillary and the shear rate), there is a method of calculating the shear stress from the product of the above formula (1) and the following formula (2). In this method, instead of predicting the viscosity of the pitch passing through the capillary from the measurement with a capillary rheometer or the like, the viscosity is calculated from the pack pressure to obtain the shear stress.
[Equation 2]
μ = ΔP × D 2 / 32LV (2)
(Where μ is the melt viscosity (Pa · s), ΔP is the pack pressure (Pa), D is the capillary pore diameter (m), L is the capillary length (m), and V is the inside of the capillary. (Each means flow velocity (m / s))

上記式(2)から算出した溶融粘度を用いる場合、キャピラリー内の溶融粘度とキャピラリー内のせん断速度との積(せん断応力)は10kPa以上150kPa以下であることが好ましく、さらに好ましくは20kPa以上100kPa以下であることが好ましい。   When the melt viscosity calculated from the above formula (2) is used, the product (shear stress) of the melt viscosity in the capillary and the shear rate in the capillary is preferably 10 kPa to 150 kPa, more preferably 20 kPa to 100 kPa. It is preferable that

溶融粘度値が小さくとも、せん断速度の値が大きければ目的とする炭素繊維前駆体を得ることが出来るし、逆に溶融粘度の値が大きい場合、せん断速度の値が小さくとも目的とする炭素繊維前駆体を得ることができるが、両者の積であるせん断応力にはしきい値があり、パック圧から算出した溶融粘度を用いた場合には少なくとも10kPa以上が必要である。目的とする炭素繊維を得るのに、何故せん断応力にしきい値があるのかについての詳細は分かっていないが、おそらくせん断応力付与によるメソフェーズピッチの分子配向が紡糸性に大きく影響しているためと推測される。キャピラリー内の溶融粘度とキャピラリー内のせん断速度の積(せん断応力)が10kPa未満であると、目的とする炭素繊維を得るための炭素繊維前駆体を得ることが出来ないばかりか、場合によってはキャピラリーから出糸されたメソフェーズピッチが表面張力により球形となり、粉状物となるため好ましくない。また、150kPaを超えるせん断応力の付与は紡糸圧力が非常に高くなるため、装置の破壊を引き起こすため好ましくない。キャピラリーを通過するピッチはギヤポンプで定量的に送液される。従って、キャピラリーを通過するピッチの流速はギヤポンプの回転数により制御することができる。キャピラリーを通過するピッチの流速は、口金のホール数、キャピラリーの形状、時間当たりのピッチの送液量が決まれば一義的に決定される。従って、上記式(2)から算出する溶融粘度を用いたせん断応力(溶融粘度とせん断速度の積)は、せん断速度を決めるためのギヤポンプの回転数と溶融粘度を決めるためのパック圧を監視することで、制御することが可能となる。   Even if the melt viscosity value is small, the target carbon fiber precursor can be obtained if the shear rate value is large. Conversely, if the melt viscosity value is large, the target carbon fiber can be obtained even if the shear rate value is small. Although a precursor can be obtained, there is a threshold value in the shear stress that is the product of both, and when the melt viscosity calculated from the pack pressure is used, at least 10 kPa or more is required. Details on why there is a threshold in shear stress to obtain the desired carbon fiber are not known, but it is presumed that the molecular orientation of the mesophase pitch due to the application of shear stress greatly affects the spinnability. Is done. If the product of the melt viscosity in the capillary and the shear rate in the capillary (shear stress) is less than 10 kPa, a carbon fiber precursor for obtaining the target carbon fiber cannot be obtained. The mesophase pitch extracted from the yarn becomes undesirably spherical due to surface tension and becomes a powdery product. Further, application of a shear stress exceeding 150 kPa is not preferable because the spinning pressure becomes very high, which causes destruction of the apparatus. The pitch passing through the capillary is quantitatively fed by a gear pump. Therefore, the flow velocity of the pitch passing through the capillary can be controlled by the rotation speed of the gear pump. The flow velocity of the pitch passing through the capillary is uniquely determined by determining the number of holes in the die, the shape of the capillary, and the amount of the liquid delivered per pitch. Therefore, the shear stress using the melt viscosity calculated from the above equation (2) (product of melt viscosity and shear rate) monitors the rotation speed of the gear pump for determining the shear rate and the pack pressure for determining the melt viscosity. Thus, it becomes possible to control.

キャピラリー形状については特に制約されるものではないが、キャピラリー孔の長さとキャピラリー径の比が20よりも小さいものが好ましく用いられ、更に好ましくは15以下のものが用いられる。紡糸時のノズルの温度についても特に制約はないが、安定した紡糸状態が維持できる温度として、メソフェーズピッチの種類にもよるが、おおよそ250〜400℃の範囲にあることが好ましく、300〜360℃の範囲にあることが特に好ましい。   The shape of the capillary is not particularly limited, but those having a capillary hole length / capillary diameter ratio of less than 20 are preferably used, more preferably 15 or less. The temperature of the nozzle at the time of spinning is not particularly limited, but the temperature at which a stable spinning state can be maintained depends on the type of mesophase pitch, but is preferably in the range of about 250 to 400 ° C, preferably 300 to 360 ° C. It is especially preferable that it is in the range.

メソフェーズピッチをメルトブロー法で溶融紡糸する場合には、キャピラリー孔から出糸されたメソフェーズピッチは、250〜400℃に加温されたガスを細化点近傍で毎分100〜10000mの流速で吹き付けられ、繊維化され、炭素繊維前駆体となる。吹き付けるガスは空気、窒素、アルゴン等を用いることができるが、コストパフォーマンスの点から空気が特に望ましい。炭素繊維前駆体は金網ベルト上に捕集され、連続的な不織布として巻き取ることが出来る。   When the mesophase pitch is melt-spun by the melt blow method, the mesophase pitch drawn from the capillary hole is sprayed with a gas heated to 250 to 400 ° C. at a flow rate of 100 to 10,000 m / min near the refinement point. The fiber is made into a carbon fiber precursor. As the gas to be blown, air, nitrogen, argon or the like can be used, but air is particularly desirable from the viewpoint of cost performance. The carbon fiber precursor is collected on a wire mesh belt and can be wound up as a continuous nonwoven fabric.

(2)炭素繊維前駆体を酸化性ガス雰囲気下で不融化して、不融化炭素繊維前駆体を製造する工程
本発明の第二の工程では、上記で得た炭素繊維前駆体を酸化性ガス雰囲気下で不融化して、不融化炭素繊維前駆体を製造する。炭素繊維前駆体の不融化処理は、炭素化もしくは黒鉛化された炭素繊維を得るために必要な工程であり、これを実施せず次工程である焼成工程に移ると、炭素繊維前駆体が熱分解したり、溶融して融着したりするなどの問題を生じる。使用するガス成分としては、酸化性のガスであれば特に制限はないが、例えば空気、酸素、ハロゲンガス、二酸化窒素、オゾンなどを採択することができる。これらの中でも、コストパフォーマンスと低温で速やかに不融化させうるという点から空気および/またはハロゲンガスを含む混合ガスである事が好ましい。なお、ハロゲンガスとしてはフッ素、ヨウ素、臭素などを取り上げることが出来るが、これらの中でもヨウ素が特に好ましい。ガス気流下での不融化の具体的な方法としては、温度150〜350℃、好ましくは180〜320℃で、1時間以下、好ましくは0.5時間以下で所望のガス雰囲気中で処理する事が好ましい。上記不融化により炭素繊維前駆体の軟化点は著しく上昇し、不融化炭素繊維前駆体となるが、所望の炭素繊維を得るという目的から、不融化炭素繊維前駆体の軟化点が400℃以上となる事が好ましく、500℃以上である事がさらに好ましい。
(2) Step of producing an infusible carbon fiber precursor by infusibilizing the carbon fiber precursor in an oxidizing gas atmosphere In the second step of the present invention, the carbon fiber precursor obtained above is converted into an oxidizing gas. Infusibilized under an atmosphere to produce an infusible carbon fiber precursor. The infusibilization treatment of the carbon fiber precursor is a process necessary for obtaining carbonized or graphitized carbon fiber, and if the carbon fiber precursor is transferred to the next firing step without implementing this, the carbon fiber precursor is heated. Problems such as decomposition or melting and fusing occur. The gas component to be used is not particularly limited as long as it is an oxidizing gas. For example, air, oxygen, halogen gas, nitrogen dioxide, ozone, etc. can be adopted. Among these, a mixed gas containing air and / or a halogen gas is preferable from the viewpoint of cost performance and insolubility at a low temperature. As the halogen gas, fluorine, iodine, bromine and the like can be taken up, and iodine is particularly preferable among these. As a specific method of infusibilization under a gas stream, the treatment is performed at a temperature of 150 to 350 ° C., preferably 180 to 320 ° C., for 1 hour or less, preferably 0.5 hours or less in a desired gas atmosphere. Is preferred. Due to the infusibilization, the softening point of the carbon fiber precursor is remarkably increased and becomes an infusible carbon fiber precursor. For the purpose of obtaining a desired carbon fiber, the softening point of the infusible carbon fiber precursor is 400 ° C. or higher. It is preferable that it is 500 degreeC or more.

(3)不融化炭素繊維前駆体を焼成して炭素繊維を得る工程
本発明の第三の工程では、上記で得た不融化炭素繊維前駆体を不活性ガス雰囲気中で炭素化もしくは黒鉛化し炭素繊維を製造する。不融化炭素繊維前駆体の炭素化は真空中、或いは窒素、アルゴン、クリプトン等の不活性ガス中で焼成することによりおこなわれるが、常圧で、且つコストの安い窒素中で実施するのが特に好ましい。炭素化の温度としては500〜2000℃、より好ましくは800〜1800℃である。通常2000℃を超える炭素繊維の焼成は黒鉛化と呼ばれ、窒素ガス等は電離を起こしてしまうため、アルゴン、クリプトンといった不活性ガスを使用する。炭素繊維の熱伝導率を高くするためには、2300〜3500℃で処理することが好ましく、さらには2500〜3200℃で処理するのが特に好ましい。
(3) Step of obtaining carbon fiber by firing infusible carbon fiber precursor In the third step of the present invention, the infusible carbon fiber precursor obtained above is carbonized or graphitized in an inert gas atmosphere. Produces fiber. Carbonization of the infusible carbon fiber precursor is carried out in a vacuum or by firing in an inert gas such as nitrogen, argon, krypton, etc., but it is particularly performed at normal pressure and at low cost in nitrogen. preferable. The carbonization temperature is 500 to 2000 ° C, more preferably 800 to 1800 ° C. Usually, the firing of carbon fibers exceeding 2000 ° C. is called graphitization, and nitrogen gas and the like cause ionization, and therefore inert gases such as argon and krypton are used. In order to increase the thermal conductivity of the carbon fiber, the treatment is preferably performed at 2300 to 3500 ° C., more preferably 2500 to 3200 ° C.

上述の(1)メソフェーズピッチから炭素繊維前駆体を製造する工程、(2)炭素繊維前駆体を酸化性ガス雰囲気下で不融化して、不融化炭素繊維を製造する工程、(3)不融化炭素繊維を焼成して炭素繊維を得る工程を経ることで、炭素繊維の末端に釣り針状の異形物を持たず、10〜100cmの従来よりも繊維長が長く、平均繊維径が1〜20μmの炭素繊維を得ることができる。上述の処理に従って製造した炭素繊維は通常不織布として得られるが、場合によっては上述で述べた粉砕処理を施し、粉砕物としても良い。   (1) a step of producing a carbon fiber precursor from the mesophase pitch, (2) a step of producing an infusible carbon fiber by infusibilizing the carbon fiber precursor in an oxidizing gas atmosphere, and (3) infusibility. By passing through the process of firing carbon fiber to obtain carbon fiber, the end of the carbon fiber does not have a fishhook-like deformed material, the fiber length is longer than the conventional one of 10 to 100 cm, and the average fiber diameter is 1 to 20 μm. Carbon fiber can be obtained. The carbon fiber produced according to the above-mentioned treatment is usually obtained as a non-woven fabric.

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれにより何等限定を受けるものでは無い。尚、実施例中の各値は以下の方法に従って求めた。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention does not receive any limitation by this. In addition, each value in an Example was calculated | required according to the following method.

(1)炭素繊維の平均繊維径
走査型電子顕微鏡S−2400(株式会社日立製作所製)で観察することで確認した。
(1) Average fiber diameter of carbon fiber It confirmed by observing with scanning electron microscope S-2400 (made by Hitachi, Ltd.).

(2)炭素繊維の繊維長
1300℃で焼成した不織布状の炭素繊維の集合体から1本を抜き出し、その長さを計測することで評価した。
(2) Carbon fiber length One piece was extracted from an aggregate of non-woven carbon fibers fired at 1300 ° C., and the length was measured.

(3)せん断応力
溶融粘度とせん断速度の積により求めたが、せん断速度は実際の紡糸におけるキャピラリー内の流速(m/s)とキャピラリーの孔径(m)から下記式を用いることで算出した。
[数3]
γ=8V/D (1)
(ここで、γはキャピラリー内のメソフェーズピッチのせん断速度(s−1)を、Dはキャピラリーの孔径(m)を、Vはキャピラリー内のメソフェーズピッチの流速(m/s)を、それぞれ意味する。)
(3) Shear stress Although it calculated | required by the product of melt viscosity and a shear rate, the shear rate was computed by using the following formula from the flow velocity (m / s) in the capillary in an actual spinning, and the hole diameter (m) of a capillary.
[Equation 3]
γ = 8V / D (1)
(Where γ is the shear rate (s −1 ) of the mesophase pitch in the capillary, D is the pore diameter (m) of the capillary, and V is the flow velocity (m / s) of the mesophase pitch in the capillary. .)

また、キャピラリー内の溶融粘度は以下の二つの方法で求めた。
(3)−1 上記式(1)で求めたせん断速度下での溶融粘度を、キャピラリーレオメーターCAPILOGRAPH 1D(株式会社東洋精機製作所)を用いて測定することにより溶融粘度を求めた。
(3)−2 実際の紡糸口金のパック圧から下記式(2)を用い、溶融粘度を算出した。
[数4]
μ=ΔP×D/32LV (2)
(ここで、μは溶融粘度(Pa・s)を、ΔPはパック圧(Pa)を、Dはキャピラリーの孔径(m)を、Lはキャピラリーの長さ(m)を、Vはキャピラリー内のメソフェーズピッチの流速(m/s)をそれぞれ意味する。)
The melt viscosity in the capillary was determined by the following two methods.
(3) -1 The melt viscosity under the shear rate determined by the above formula (1) was measured using a capillary rheometer CAPILOGRAP 1D (Toyo Seiki Seisakusho Co., Ltd.) to determine the melt viscosity.
(3) -2 The melt viscosity was calculated from the pack pressure of the actual spinneret using the following formula (2).
[Equation 4]
μ = ΔP × D 2 / 32LV (2)
(Where μ is the melt viscosity (Pa · s), ΔP is the pack pressure (Pa), D is the capillary pore diameter (m), L is the capillary length (m), and V is the inside of the capillary. (Mesophase pitch flow velocity (m / s) is meant respectively.)

なお、上述の式を用いるにあたり、キャピラリーの直径としてD=0.0002(m)、キャピラリーの長さL=0.002(m)、キャピラリー内のメソフェーズピッチ流速V(m/s)はギヤポンプから送液される時間当たりの送液量からキャピラリーを通過する樹脂速度を算出することで求めた。また、パック圧ΔP(Pa)は、キャピラリー上部に取り付けられた熱電対付き樹脂圧力センサーNP463−1/2−10MPA−15/45−K(日本ダイニスコ株式会社製)をモニターすることで評価した。   In using the above formula, the capillary diameter is D = 0.0002 (m), the capillary length L = 0.002 (m), and the mesophase pitch flow velocity V (m / s) in the capillary is calculated from the gear pump. It calculated | required by calculating the resin speed | rate which passes a capillary | capacitance from the liquid feeding amount per time to liquid-feed. Moreover, pack pressure (DELTA) P (Pa) was evaluated by monitoring the resin pressure sensor NP463-1 / 2-10MPA-15 / 45-K with a thermocouple attached to the upper part of a capillary (made by Nippon Dynisco Corporation).

(4)軟化点
軟化点はMETTLER FP90(メトラー・トレド株式会社製)を用い、窒素雰囲気下230℃から1℃/分で昇温することで得た。
(4) Softening point The softening point was obtained by using METTLER FP90 (manufactured by METTLER TOLEDO) and raising the temperature from 230 ° C. to 1 ° C./min in a nitrogen atmosphere.

[実施例1]
芳香族炭化水素からなるメソフェーズ率100%、軟化温度285.8℃、330℃に加熱したメソフェーズピッチのせん断速度7000s−1における溶融粘度が、11.3Pa・sであるメソフェーズピッチを、329℃において、直径0.2mmφ、長さ2mmのキャピラリーからなる口金を用い、キャピラリー内流速0.234m/s(せん断速度γ:9348s−1)で送液し、かつキャピラリー横のスリットから毎分5500mで333℃の空気を吹き付けて、メルトブロー法により溶融メソフェーズピッチを牽引して平均直径13μmの炭素繊維前駆体からなる不織布を作成した。なお、パック圧ΔPは2.06MPa(21.0kgf/cm)であり、パック圧ΔPから算出した溶融粘度μは5.5Pa・s、せん断応力(μ・γ)は51.5kPaであった。また、キャピラリーレオメーターで実測した溶融粘度は10.4Pa・sであり、左記から見積もったせん断応力(μ・γ)は97.2kPaであった。
[Example 1]
A mesophase pitch consisting of aromatic hydrocarbons with a mesophase rate of 100%, a softening temperature of 285.8 ° C., a mesophase pitch heated to 330 ° C. and a melt viscosity at a shear rate of 7000 s −1 of 11.3 Pa · s at 329 ° C. Using a die composed of a capillary having a diameter of 0.2 mmφ and a length of 2 mm, liquid is fed at a flow velocity in the capillary of 0.234 m / s (shear rate γ: 9348 s −1 ), and 333 at 5500 m / min from the slit beside the capillary. A non-woven fabric made of a carbon fiber precursor having an average diameter of 13 μm was prepared by blowing air at 0 ° C. and pulling a melt mesophase pitch by a melt blow method. The pack pressure ΔP was 2.06 MPa (21.0 kgf / cm 2 ), the melt viscosity μ calculated from the pack pressure ΔP was 5.5 Pa · s, and the shear stress (μ · γ) was 51.5 kPa. . The melt viscosity measured with a capillary rheometer was 10.4 Pa · s, and the shear stress (μ · γ) estimated from the left column was 97.2 kPa.

上記炭素繊維前駆体からなる不織布を、空気雰囲気下200℃から300℃まで30分で昇温して不融化炭素繊維前駆体からなる不織布を得た。次いで、左記不織布をアルゴンガス雰囲気下で室温から0.5時間掛けて1300℃に焼成した。1300℃で焼成した炭素繊維の集合体からなる不織布から炭素繊維1本を抜き出し、長さを計測したところ42.3cmであった。また、顕微鏡観察から得られた炭素繊維の平均繊維径は9μmであった。   The nonwoven fabric composed of the carbon fiber precursor was heated from 200 ° C. to 300 ° C. in an air atmosphere in 30 minutes to obtain a nonwoven fabric composed of an infusible carbon fiber precursor. Subsequently, the nonwoven fabric on the left was baked to 1300 ° C. in an argon gas atmosphere over 0.5 hours from room temperature. When one carbon fiber was extracted from the nonwoven fabric which consists of an aggregate | assembly of the carbon fiber baked at 1300 degreeC, and length was measured, it was 42.3 cm. Moreover, the average fiber diameter of the carbon fiber obtained from microscopic observation was 9 μm.

[実施例2]
芳香族炭化水素からなるメソフェーズ率100%、軟化温度285.8℃、330℃に加熱したメソフェーズピッチのせん断速度7000s−1における溶融粘度が11.3Pa・sであるメソフェーズピッチを、321℃において、直径0.2mmφ、長さ2mmのキャピラリーからなる口金を用い、キャピラリー内流速0.078m/s(せん断速度γ:3116s−1)で送液し、かつキャピラリー横のスリットから毎分5500mで323℃の空気を吹き付けて、メルトブロー法により溶融メソフェーズピッチを牽引して平均直径15μmの炭素繊維前駆体からなる不織布を作成した。なお、パック圧ΔPは1.47MPa(15.0kgf/cm)であり、溶融粘度μは11.8Pa・s、せん断応力(μ・γ)は36.8kPaであった。また、キャピラリーレオメーターで実測した溶融粘度は34.0Pa・sであり、左記から見積もったせん断応力(μ・γ)は105.9kPaであった。
[Example 2]
A mesophase pitch consisting of aromatic hydrocarbons having a mesophase pitch of 100%, a softening temperature of 285.8 ° C., a mesophase pitch heated to 330 ° C. and having a melt viscosity of 11.3 Pa · s at a shear rate of 7000 s −1 at 321 ° C. Using a die composed of a capillary having a diameter of 0.2 mmφ and a length of 2 mm, the liquid was fed at a flow rate in the capillary of 0.078 m / s (shear rate γ: 3116 s −1 ), and 323 ° C. at 5500 m / min from the slit next to the capillary. Was blown, and the melt mesophase pitch was pulled by a melt blow method to prepare a nonwoven fabric made of carbon fiber precursor having an average diameter of 15 μm. The pack pressure ΔP was 1.47 MPa (15.0 kgf / cm 2 ), the melt viscosity μ was 11.8 Pa · s, and the shear stress (μ · γ) was 36.8 kPa. The melt viscosity measured with a capillary rheometer was 34.0 Pa · s, and the shear stress (μ · γ) estimated from the left column was 105.9 kPa.

上記炭素繊維前駆体からなる不織布を、空気雰囲気下200℃から300℃まで30分で昇温して不融化炭素繊維前駆体からなる不織布を得た。次いで、左記不織布をアルゴンガス雰囲気下で室温から0.5時間掛けて1300℃に焼成した。1300℃焼成した炭素繊維の集合体からなる不織布から炭素繊維1本を抜き出し、長さを計測したところ32.7cmであった。また、顕微鏡観察から得られた炭素繊維の平均繊維径は13μmであった。   The nonwoven fabric composed of the carbon fiber precursor was heated from 200 ° C. to 300 ° C. in an air atmosphere in 30 minutes to obtain a nonwoven fabric composed of an infusible carbon fiber precursor. Subsequently, the nonwoven fabric on the left was baked to 1300 ° C. in an argon gas atmosphere over 0.5 hours from room temperature. One carbon fiber was extracted from a non-woven fabric made of an aggregate of carbon fibers fired at 1300 ° C., and the length was measured to be 32.7 cm. Moreover, the average fiber diameter of the carbon fiber obtained from microscopic observation was 13 μm.

[比較例1]
芳香族炭化水素からなるメソフェーズ率100%、軟化温度285.8℃、330℃に加熱したメソフェーズピッチのせん断速度7000s−1における溶融粘度が、11.3Pa・sであるメソフェーズピッチを、339℃において、直径0.2mmφ、長さ2mmのキャピラリーからなる口金を用い、キャピラリー内流速0.078m/s(せん断速度γ:3116s−1)で送液し、かつキャピラリー横のスリットから毎分5500mで342℃の空気を吹き付けて溶融メソフェーズピッチを牽引したが、キャピラリー出口で表面張力に負けて粉状物となり、炭素繊維前駆体を得ることができなかった。
[Comparative Example 1]
A mesophase pitch consisting of aromatic hydrocarbons having a mesophase rate of 100%, a softening temperature of 285.8 ° C., a mesophase pitch heated to 330 ° C. and a shear viscosity of 7000 s −1 of 11.3 Pa · s is obtained at 339 ° C. , Using a die composed of a capillary having a diameter of 0.2 mmφ and a length of 2 mm, and feeding at a capillary flow rate of 0.078 m / s (shear rate γ: 3116 s −1 ), and 342 at a rate of 5500 m / min from the slit next to the capillary. Although the melted mesophase pitch was pulled by blowing air at 0 ° C., the carbon fiber precursor could not be obtained because it lost the surface tension at the capillary outlet and became powdery.

なお、パック圧ΔPは0.26MPa(2.65kgf/cm)であり、溶融粘度μは2.1Pa・s、せん断応力(μ・γ)は6.5kPaであった。また、キャピラリーレオメーターで実測した溶融粘度は3.0Pa・sであり、左記から見積もったせん断応力(μ・γ)は9.3kPaであった。 The pack pressure ΔP was 0.26 MPa (2.65 kgf / cm 2 ), the melt viscosity μ was 2.1 Pa · s, and the shear stress (μ · γ) was 6.5 kPa. The melt viscosity measured with a capillary rheometer was 3.0 Pa · s, and the shear stress (μ · γ) estimated from the left was 9.3 kPa.

Claims (5)

(1)メソフェーズピッチを溶融紡糸して炭素繊維前駆体を製造する工程、(2)炭素繊維前駆体を酸化性ガス雰囲気下で不融化して、不融化炭素繊維前駆体を製造する工程、(3)不融化炭素繊維前駆体を焼成して炭素繊維を製造する工程を含む炭素繊維の製造方法において、
工程(1)で製造される炭素繊維前駆体が、溶融紡糸におけるキャピラリー内のメソフェーズピッチの溶融粘度とキャピラリー内でのメソフェーズピッチのせん断速度との積(せん断応力)が10kPa以上200kPa以下とすることを特徴とする、炭素繊維の製造方法。
(1) A step of producing a carbon fiber precursor by melt spinning the mesophase pitch, (2) a step of producing an infusible carbon fiber precursor by infusibilizing the carbon fiber precursor in an oxidizing gas atmosphere, 3) In the carbon fiber manufacturing method including the step of baking the infusible carbon fiber precursor to manufacture the carbon fiber,
The product (shear stress) of the melt viscosity of the mesophase pitch in the capillary and the shear rate of the mesophase pitch in the capillary in the carbon fiber precursor produced in the step (1) is 10 kPa or more and 200 kPa or less. A method for producing carbon fiber, characterized by:
330℃に加熱したメソフェーズピッチのせん断速度7000s−1における溶融粘度が、0.5〜50Pa・s(5〜500ポイズ)であるメソフェーズピッチを用いる、請求項1記載の炭素繊維の製造方法。 The method for producing carbon fiber according to claim 1, wherein the mesophase pitch heated to 330 ° C has a melt viscosity of 0.5 to 50 Pa · s (5 to 500 poise) at a shear rate of 7000 s -1 . 溶融紡糸に用いるメソフェーズピッチの軟化点が250℃以上340℃以下である請求項1または2記載の炭素繊維の製造方法。   The method for producing a carbon fiber according to claim 1 or 2, wherein the softening point of the mesophase pitch used for melt spinning is 250 ° C or higher and 340 ° C or lower. 溶融紡糸として、メルトブロー法を用いる、請求項1〜3のいずれか記載の炭素繊維の製造方法。   The method for producing carbon fiber according to any one of claims 1 to 3, wherein a melt blow method is used as melt spinning. 請求項1〜4のいずれかに記載の方法で製造された、平均繊維長が10〜100cm、平均繊維径が1〜20μmである炭素繊維。   Carbon fiber having an average fiber length of 10 to 100 cm and an average fiber diameter of 1 to 20 µm produced by the method according to any one of claims 1 to 4.
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WO2010071226A1 (en) * 2008-12-19 2010-06-24 帝人株式会社 Carbon fibers and method for producing the same

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