JP2008308775A - Method for producing carbon fiber precursor fiber and carbon fiber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アクリロニトリル系炭素繊維の前駆体繊維を安定して供給する製造方法および優れた力学的特性を有する炭素繊維の製造方法に関する。 The present invention relates to a production method for stably supplying precursor fibers of acrylonitrile-based carbon fibers and a production method for carbon fibers having excellent mechanical properties.
アクリロニトリル系重合体を紡糸して得られた前駆体繊維を、耐炎化処理、炭化処理することにより得られる炭素繊維は、その優れた力学的特性により、航空宇宙用途を始め、スポーツ、レジャー用途の複合材料の補強用繊維として広範囲で利用されている。 Carbon fiber obtained by flame-treating and carbonizing precursor fiber obtained by spinning acrylonitrile polymer is used for aerospace applications, sports and leisure applications due to its excellent mechanical properties. It is widely used as a reinforcing fiber for composite materials.
炭素繊維の原料となるアクリロニトリル系重合体においては、耐炎化処理を促進するためにカルボキシル基含有ビニル系化合物を共重合することが好適に行われている。また、かかるアクリロニトリル系重合体を溶媒に溶解した状態である重合体溶液を用いて湿式紡糸または乾湿式紡糸する際に、重合体溶液の親水性を高めて紡糸凝固浴でボイドが発生するのを抑制する技術として、前記共重合したカルボキシル基をイオン化する方法が種々提案されており、その中の一つとしてアンモニアやアンモニウム塩を添加する方法が提案されている(特許文献1、2、3)。
In the acrylonitrile polymer used as the raw material for the carbon fiber, it is preferable to copolymerize a carboxyl group-containing vinyl compound in order to accelerate the flameproofing treatment. In addition, when wet spinning or dry-wet spinning is performed using a polymer solution in which such an acrylonitrile polymer is dissolved in a solvent, voids are generated in the spinning coagulation bath by increasing the hydrophilicity of the polymer solution. Various methods for ionizing the copolymerized carboxyl group have been proposed as a suppression technique, and methods for adding ammonia or ammonium salts have been proposed as one of them (
上記した方法により紡糸して得た前駆体繊維は高強度な炭素繊維の前駆体として好適に用いることが出来るが、アンモニアやアンモニウム塩添加後のアクリロニトリル系重合体はゲルを発生しやすく、そのゲルが異物として作用するために紡糸工程の操業性が悪化することがある。 The precursor fiber obtained by spinning by the above-described method can be suitably used as a precursor of high-strength carbon fiber, but the acrylonitrile polymer after addition of ammonia or ammonium salt tends to generate a gel. May act as a foreign substance, and the operability of the spinning process may deteriorate.
アンモニアやアンモニウム塩を添加することによってゲル発生が促進する明確な理由は明らかにはなっていないが、アミン化合物がポリアクリロニトリルに求核付加することによってポリアクリロニトリルの環状反応や架橋反応を促進する(非特許文献1)と考えられており、かかる環状反応や架橋反応が進むとゲル、すなわち溶媒に不溶な状態となるものと思われる。 Although it is not clear why the gel generation is promoted by adding ammonia or ammonium salt, the nucleophilic addition of the amine compound to polyacrylonitrile promotes the cyclic reaction or crosslinking reaction of polyacrylonitrile ( Non-Patent Document 1) is considered to be insoluble in a gel, that is, a solvent, when such a cyclic reaction or crosslinking reaction proceeds.
一方、近年環境に配慮した技術検討が進んでおり、代表的なものとして、重合未反応モノマーを重合体溶液の段階で極力回収し、次なる紡糸工程の作業環境や紡糸工程から大気または排水に未反応モノマーを排出しないようにする方法が提案されている。例えば特許文献4、5、6では、減圧せしめた充填塔の上部からアクリロニトリル系重合体溶液を供給するとともに充填塔下部から重合体溶液の溶媒の蒸気を重合体溶液と向流接触させるように供給する方法が提案されており、高い未反応アクリロニトリル除去率を達成している。
On the other hand, in recent years, environmentally-friendly technical studies have progressed, and as a typical example, polymerization unreacted monomers are recovered as much as possible at the polymer solution stage, and the next spinning process working environment or spinning process is transferred to the atmosphere or drainage. A method for preventing unreacted monomer from being discharged has been proposed. For example, in
しかしながら、これらの方法によりアクリロニトリル系重合体溶液中に残存する未反応アクリロニトリルを少なくすればするほど、該重合体溶液中でのゲル発生が顕著となることが分かった。この現象の原因は、未反応アクリロニトリルが存在することで上記したポリアクリロニトリルでの環化反応や架橋反応を抑制していたのが、未反応アクリロニトリルを除去することによりポリアクリロニトリルでの環化反応や架橋反応が進んでしまい、ゲル発生が顕著になったためと考える。 However, it has been found that the gel generation in the polymer solution becomes more remarkable as the amount of unreacted acrylonitrile remaining in the acrylonitrile-based polymer solution is reduced by these methods. The cause of this phenomenon was that the presence of unreacted acrylonitrile suppressed the cyclization reaction and cross-linking reaction with polyacrylonitrile described above, but by removing unreacted acrylonitrile, the cyclization reaction with polyacrylonitrile and This is probably because the cross-linking reaction has progressed and gel generation has become prominent.
アクリロニトリル系重合体溶液中でのゲル発生を抑制する技術としては、特許文献7のように重合体溶液中にラジカル重合禁止剤を添加する方法や、特許文献8のようにアクリロニトリル系重合体溶液中にエチレン性二重結合を含む化合物を一定量含有させる方法が提案されている。これらの方法では確かにゲル発生は抑制できるものの、製造コストアップにつながり、且つ、ラジカル重合禁止剤やエチレン性二重結合を含む化合物が紡糸、焼成工程において異物として作用し、操業性や力学的特性を低下させることがある。
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑み、優れた力学的特性を有するアクリロニトリル系炭素繊維の原料となる前駆体繊維を安定して提供せんとするものであり、優れた力学的特性を有するアクリロニトリル系炭素繊維の製造方法を提供せんとするものである。 In view of the problems of the prior art, the present invention is to stably provide a precursor fiber as a raw material for acrylonitrile-based carbon fiber having excellent mechanical properties, and has excellent mechanical properties. It is intended to provide a method for producing a carbon fiber.
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。 The present invention employs the following means in order to solve such problems.
少なくとも1種のカルボキシル基含有ビニル系化合物を0.01〜2モル%共重合してなるアクリロニトリル系重合体溶液を紡糸する炭素繊維前駆体繊維の製造方法であって、前記重合体溶液の貯蔵タンクから口金の間でアンモニア、アミン化合物、第4アンモニウム塩からなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物を添加した後、前記アクリロニトリル系重合体溶液を紡糸する炭素繊維前駆体繊維の製造方法である。 A method for producing a carbon fiber precursor fiber by spinning an acrylonitrile polymer solution obtained by copolymerizing 0.01 to 2 mol% of at least one carboxyl group-containing vinyl compound, the polymer solution storage tank And at least one compound selected from the group consisting of ammonia, an amine compound and a quaternary ammonium salt is added between the base and the base, and then the acrylonitrile-based polymer solution is spun. .
また前記アンモニア、アミン化合物、第4アンモニウム塩からなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物を口金直近の配管部で添加する前記炭素繊維前駆体繊維の製造方法である。 Moreover, it is the manufacturing method of the said carbon fiber precursor fiber which adds the at least 1 sort (s) of compound chosen from the group which consists of the said ammonia, an amine compound, and a quaternary ammonium salt in the piping part near a nozzle | cap | die.
更にアクリロニトリル系重合体溶液中のアクリロニトリル単量体の濃度が0.001〜0.1重量%である前記炭素繊維前駆体繊維の製造方法である。 Furthermore, it is the manufacturing method of the said carbon fiber precursor fiber whose density | concentration of the acrylonitrile monomer in an acrylonitrile-type polymer solution is 0.001-0.1 weight%.
上記製造方法で得られる前駆体繊維を酸化性雰囲気中、180〜300℃で耐炎化処理し、引き続き不活性雰囲気中、400〜2000℃で炭化処理する炭素繊維の製造方法である。 This is a carbon fiber manufacturing method in which the precursor fiber obtained by the above manufacturing method is flameproofed at 180 to 300 ° C. in an oxidizing atmosphere and subsequently carbonized at 400 to 2000 ° C. in an inert atmosphere.
本発明によれば、紡糸での操業性改善による安定供給が可能となり、高い力学的特性を有する炭素繊維を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the stable supply by the operativity improvement by spinning becomes possible, and the carbon fiber which has a high mechanical characteristic can be provided.
以下、本発明について詳細に説明する。本発明者らは、前記課題、すなわちアンモニア、アンモニウム塩などを添加したアクリロニトリル系重合体溶液中でのゲル発生を抑制する方法について鋭意検討した結果、これまで検討が行われていなかったアンモニア、アンモニウム塩などの添加を行う場所について着目し、該重合体溶液の貯蔵タンクから口金の間、特に口金直近配管部において添加を行うことで課題を解決したものである。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. As a result of intensive studies on the above-described problem, ie, a method for suppressing gel generation in an acrylonitrile-based polymer solution to which ammonia, ammonium salt or the like has been added, the present inventors have found that ammonia and ammonium that have not been studied so far. Focusing on the place where salt or the like is added, the problem is solved by adding between the storage tank of the polymer solution and the base, particularly in the pipe portion closest to the base.
本発明においてアクリロニトリル系重合体とは、アクリロニトリル及びそれと共重合可能なビニル系モノマーを重合してなり、アクリロニトリル由来の骨格を95〜99.99モル%含む重合体であり、本発明におけるアクリロニトリル系重合体溶液とは、かかるアクリロニトリル系重合体を15〜25重量%となるように溶媒に溶解してなる溶液である。かかるアクリロニトリル系重合体溶液においては、アクリロニトリル系重合体含有率は17〜23重量%が好ましく、18〜22重量%がより好ましい。アクリロニトリル系重合体含有率が15%未満の場合、該重合体溶液を湿式紡糸または乾湿式紡糸して炭素繊維前駆体繊維を製造する際、重合体が少ないために凝固浴で形成される凝固構造が疎になり、前駆体繊維の強度および前駆体繊維を焼成して得られる炭素繊維の強度が低下することがある。またアクリロニトリル系重合体含有率が25重量%を超える場合、アクリロニトリル系重合体溶液の粘度が高くなりすぎ、紡糸工程での延伸性が低下することによるプロセス性低下が発現し、また設備での耐圧性を高める必要があるため経済的に不利である。 In the present invention, the acrylonitrile-based polymer is a polymer obtained by polymerizing acrylonitrile and a vinyl monomer copolymerizable therewith and containing 95 to 99.99 mol% of an acrylonitrile-derived skeleton. The coalescence solution is a solution obtained by dissolving the acrylonitrile-based polymer in a solvent so as to be 15 to 25% by weight. In such an acrylonitrile-based polymer solution, the acrylonitrile-based polymer content is preferably 17 to 23% by weight, and more preferably 18 to 22% by weight. When the acrylonitrile-based polymer content is less than 15%, a solidified structure formed in a coagulation bath due to a small amount of polymer when producing a carbon fiber precursor fiber by wet spinning or dry-wet spinning of the polymer solution. Sparse, and the strength of the precursor fiber and the strength of the carbon fiber obtained by firing the precursor fiber may decrease. If the acrylonitrile polymer content exceeds 25% by weight, the viscosity of the acrylonitrile polymer solution becomes too high, resulting in a decrease in processability due to a decrease in stretchability in the spinning process. It is economically disadvantageous because it is necessary to increase the sex.
アクリロニトリル系重合体を溶解する溶媒は特定されるものではなく、ジメチルスルホキシド(以下DMSOと記すこともある)、ジメチルホルムアミド(以下DMFと記すこともある)、ジメチルアセトアミド(以下DMAcと記すこともある)、塩化亜鉛水溶液、チオ硫酸ナトリウム水溶液等の従来公知のものを使うことができるが、溶解性の点からDMSOが好ましい。 The solvent for dissolving the acrylonitrile polymer is not specified, and dimethyl sulfoxide (hereinafter sometimes referred to as DMSO), dimethylformamide (hereinafter sometimes referred to as DMF), and dimethylacetamide (hereinafter also referred to as DMAc). ), Zinc chloride aqueous solution, sodium thiosulfate aqueous solution and the like can be used, but DMSO is preferred from the viewpoint of solubility.
本発明のアクリロニトリル系重合体溶液は前記溶媒中での溶液重合から製造しても良いし、塊状重合および水系懸濁重合で得たアクリロニトリル系重合体を前記溶媒に溶解して製造しても良いが、塊状重合および水系懸濁重合では重合後、紡糸する際に、洗浄、乾燥、再溶解などの操作が必要になるため、生産性という観点からは、かかる操作が不要な溶液重合を用いるのが好ましい。 The acrylonitrile polymer solution of the present invention may be produced from solution polymerization in the solvent, or may be produced by dissolving the acrylonitrile polymer obtained by bulk polymerization and aqueous suspension polymerization in the solvent. However, in bulk polymerization and aqueous suspension polymerization, operations such as washing, drying, and re-dissolution are required when spinning after polymerization. From the viewpoint of productivity, solution polymerization that does not require such operations is used. Is preferred.
また本発明におけるアクリロニトリル系重合体はアクリロニトリル由来の骨格が95〜99.99モル%と共重合可能なビニル系モノマー由来の骨格0.01〜2モル%を含むものであるが、耐炎化促進成分としてカルボキシル基含有ビニル系化合物由来の骨格を重合体全体の0.01〜2モル%含有している必要がある。アクリロニトリル由来の骨格は好ましくは98モル%以上であるが、95モル%未満の場合、かかる重合体を紡糸、焼成して炭素繊維を製造する際に、脱離する成分が多くなるために強度が低下したり生産性が低下することがある。カルボキシル基含有ビニル系化合物の含有量は0.1〜1モル%が好ましい。かかる含有量が0.01〜2モル%の範囲を外れると耐炎化促進効果が無い、または耐炎化が促進されすぎるため反応を制御できなくなることがある。カルボキシル基含有ビニル系化合物としてはアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸、メサコン酸が好ましく例示でき、化合物中カルボキシル基の数が多い方が耐炎化促進効果が高いことからイタコン酸が最も好ましい。 In addition, the acrylonitrile polymer in the present invention contains a acrylonitrile-derived skeleton of 95 to 99.99 mol% and a copolymerizable vinyl monomer-derived skeleton of 0.01 to 2 mol%. It is necessary to contain a skeleton derived from a group-containing vinyl compound in an amount of 0.01 to 2 mol% of the entire polymer. The skeleton derived from acrylonitrile is preferably 98 mol% or more. However, when the skeleton is less than 95 mol%, the carbon fiber is produced by spinning and baking such a polymer, so that the strength is increased because more components are released. It may decrease or productivity may decrease. The content of the carboxyl group-containing vinyl compound is preferably 0.1 to 1 mol%. When the content is out of the range of 0.01 to 2 mol%, there is no effect of promoting the flame resistance, or the flame resistance is excessively promoted and the reaction may not be controlled. Preferred examples of the carboxyl group-containing vinyl compound include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, and mesaconic acid. A compound having a larger number of carboxyl groups has a flame resistance promoting effect. Itaconic acid is most preferred because of its high value.
また紡糸での延伸性を向上させる目的から、アクリレートやメタクリレートなどのモノマーを共重合してもよい。 In addition, for the purpose of improving stretchability in spinning, monomers such as acrylate and methacrylate may be copolymerized.
本発明では、アクリロニトリル系重合体中の前記カルボキシル基含有ビニル系化合物由来のカルボキシル基部分をイオン化するためにアンモニア、アミン化合物、第4アンモニウム塩からなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物を添加する。これによりアクリロニトリル系重合体の親水性を向上することができ、湿式紡糸または乾湿式紡糸で前駆体繊維を製造する際の凝固浴中での凝固におけるボイド発生を抑制することができる。かかる方法により得た前駆体繊維を焼成することでより高強度な炭素繊維を製造することが出来る。 In the present invention, at least one compound selected from the group consisting of ammonia, an amine compound and a quaternary ammonium salt is added to ionize the carboxyl group portion derived from the carboxyl group-containing vinyl compound in the acrylonitrile polymer. To do. Thereby, the hydrophilicity of the acrylonitrile-based polymer can be improved, and the generation of voids during coagulation in the coagulation bath when producing the precursor fiber by wet spinning or dry wet spinning can be suppressed. Higher strength carbon fibers can be produced by firing the precursor fibers obtained by this method.
添加する化合物としては、アンモニアおよびアミン化合物としては、モノー・ジー・トリーアルキルアミンを、第4アンモニウム塩としては、モノー・ジー・トリー・テトラーアルキルアンモニウムハイドロオキサイドを例示できるが、安価かつ汎用性があることからアンモニアが特に好ましい。これらの化合物については少なくとも1種添加する必要があり、2種以上を添加しても良い。 Examples of the compound to be added include mono-tri-trialkylamines as ammonia and amine compounds, and mono-gee-tri-tetraalkylammonium hydroxides as quaternary ammonium salts, but they are inexpensive and versatile. Ammonia is particularly preferred. At least one of these compounds needs to be added, and two or more may be added.
アンモニア、アミン化合物、第4アンモニウム塩からなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物の添加量は、共重合したカルボキシル基含有ビニル系化合物に対し、0.5〜1.2倍のモル比であることが好ましく、0.8〜1.1倍のモル比であることがより好ましい。かかる添加量が0.5倍のモル比未満の場合、アクリロニトリル系重合体溶液の親水性の向上効果が発現しないことがある。またかかる添加量が1.2倍のモル比を超える場合、アンモニア、アミン化合物、第4アンモニウム塩からなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物がアクリロニトリル系重合体溶液中で過剰となり紡糸凝固工程を汚染したり、アクリロニトリル系重合体溶液のゲル化がより促進されやすい状態となり好ましくない。 The addition amount of at least one compound selected from the group consisting of ammonia, an amine compound and a quaternary ammonium salt is 0.5 to 1.2 times the molar ratio of the copolymerized carboxyl group-containing vinyl compound. It is preferable that the molar ratio is 0.8 to 1.1 times. When the amount added is less than 0.5 times the molar ratio, the effect of improving the hydrophilicity of the acrylonitrile-based polymer solution may not be exhibited. When the added amount exceeds 1.2 times the molar ratio, at least one compound selected from the group consisting of ammonia, an amine compound, and a quaternary ammonium salt becomes excessive in the acrylonitrile-based polymer solution, and the spin coagulation step. It is not preferable because it will contaminate the acrylonitrile polymer solution and gelation of the acrylonitrile-based polymer solution is more facilitated.
本発明においては、アンモニア、アミン化合物、第4アンモニウム塩からなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物をアクリロニトリル系重合体溶液の貯蔵タンクから口金の間で添加し、湿式紡糸または乾湿式紡糸にて前駆体繊維を得る。 In the present invention, at least one compound selected from the group consisting of ammonia, an amine compound, and a quaternary ammonium salt is added between a storage tank of an acrylonitrile-based polymer solution and a base, and is used for wet spinning or dry wet spinning. To obtain precursor fibers.
ここで貯蔵タンクとは、アクリロニトリル系重合体溶液を貯液しておくためのタンクのことを言う。すなわち、溶液重合の場合、重合終了後、未反応アクリロニトリルの除去工程、ポリマー濃度調節工程などを経て、未反応アクリロニトリル残存率およびポリマー濃度が所望する範囲となったアクリロニトリル系重合体溶液を紡糸するために貯液しておくためのタンクである。また塊状重合および水系懸濁重合の場合、重合で得たアクリロニトリル系重合体を溶媒に溶解後、未反応アクリロニトリルの除去工程、ポリマー濃度調節工程などを経て未反応アクリロニトリル残存率およびポリマー濃度が所望する範囲となったアクリロニトリル系重合体溶液を紡糸するために貯液しておくためのタンクである。 Here, the storage tank refers to a tank for storing an acrylonitrile polymer solution. That is, in the case of solution polymerization, to complete spinning of an acrylonitrile-based polymer solution in which the unreacted acrylonitrile residual ratio and the polymer concentration are in the desired ranges, after the completion of polymerization, through a step of removing unreacted acrylonitrile, a polymer concentration adjusting step, and the like. It is a tank for storing liquid. In the case of bulk polymerization and aqueous suspension polymerization, after the acrylonitrile polymer obtained by polymerization is dissolved in a solvent, the unreacted acrylonitrile residual ratio and the polymer concentration are desired through the unreacted acrylonitrile removal step, the polymer concentration adjustment step, etc. This is a tank for storing the acrylonitrile-based polymer solution in the range for spinning.
かかる貯蔵タンクを設けない場合には、未反応アクリロニトリルの除去工程またはポリマー濃度調節工程でトラブルが発生した場合に紡糸へのアクリロニトリル系重合体溶液の供給が止まるため紡糸が出来なくなることがあり、また紡糸でトラブルが発生した場合に紡糸を止めるために未反応アクリロニトリルの除去工程またはポリマー濃度調節工程を止めなければならない。よって通常は特開昭60−209005号公報に記載されているように図1に示す貯蔵タンク1を設ける。
If such a storage tank is not provided, if trouble occurs in the unreacted acrylonitrile removal step or the polymer concentration adjustment step, the supply of the acrylonitrile-based polymer solution to the spinning stops and spinning may not be possible. In order to stop spinning when trouble occurs in spinning, the process of removing unreacted acrylonitrile or the polymer concentration adjusting process must be stopped. Therefore, the
アンモニア、アミン化合物、第4アンモニウム塩からなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物の添加を貯蔵タンクに貯液する前または貯蔵タンクにて行った場合、貯蔵タンクから口金の間で添加、すなわち図2のAまたはBまたはC部で添加した場合と比べて、アンモニア、アミン化合物、第4アンモニウム塩からなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物を添加してからの時間が長くなるためにゲル発生が顕著となる。アンモニア、アミン化合物、第4アンモニウム塩からなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物を添加してから紡糸するまでの時間は短ければ短いほどゲルが発生しにくいため好ましく、かかる添加を口金直近、すなわち図2のC部で行うのが好ましい。ここで口金直近とは、口金までの間にポンプやフィルターといった重合体溶液が滞留する可能性がある設備が無く、口金まで配管または静止型混合器でつながっている場所のことをいう。具体的には図2〜5において符号8で示した部分を言う。
When the addition of at least one compound selected from the group consisting of ammonia, an amine compound, and a quaternary ammonium salt is made before or in the storage tank, it is added between the storage tank and the base, Compared with the case where it is added in part A, B or C in FIG. 2, the time after adding at least one compound selected from the group consisting of ammonia, an amine compound and a quaternary ammonium salt is increased. Gel generation becomes significant. The shorter the time from the addition of at least one compound selected from the group consisting of ammonia, an amine compound, and a quaternary ammonium salt to the spinning, the less gel is likely to occur. That is, it is preferable to carry out at the part C in FIG. Here, the immediate vicinity of the base means a place where there is no facility where a polymer solution such as a pump or a filter can stay between the base and the base is connected to the base by a pipe or a static mixer. Specifically, the portion indicated by
また本発明においては、アンモニア、アミン化合物、第4アンモニウム塩からなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物を添加した直後にアクリロニトリル系重合体溶液を混合する静止型混合器を設けるのが、混合状態を良好にするために好ましい。この態様を図3、4、5に示す。混合器としては特に規定されるものではないが、良好な混合状態を得られることからスタティックミキサー((株)ノリタケカンパニーリミテド商標登録)やハイミキサー((株)東レエンジニアリング商標登録)を好適に例示できる。 In the present invention, a static mixer for mixing the acrylonitrile-based polymer solution immediately after the addition of at least one compound selected from the group consisting of ammonia, an amine compound, and a quaternary ammonium salt is provided by mixing. It is preferable for improving the state. This embodiment is shown in FIGS. Although it is not particularly defined as a mixer, a static mixer (registered trademark of Noritake Co., Ltd.) and a high mixer (registered trademark of Toray Engineering Co., Ltd.) are preferably exemplified because a good mixing state can be obtained. it can.
本発明ではアクリロニトリル系重合体溶液中のアクリロニトリル単量体濃度が0.001〜0.1重量%であることが好ましく、0.0015〜0.08重量%であることがより好ましい。かかるアクリロニトリル濃度を0.001%未満にする方法として公知の方法では達成が難しく工業的に実現は困難であり、また0.001%未満となった場合、アクリロニトリル系重合体溶液中に残存している未反応アクリロニトリルが少なすぎるためゲル発生が顕著となる可能性が高い。またアクリロニトリル系重合体溶液中のアクリロニトリル濃度が0.1重量%を超える場合、紡糸においてアクリロニトリル系重合体溶液中に残存していた未反応アクリロニトリルが排出されるため作業環境が悪化することがある。 In the present invention, the acrylonitrile monomer concentration in the acrylonitrile-based polymer solution is preferably 0.001 to 0.1% by weight, and more preferably 0.0015 to 0.08% by weight. Such a acrylonitrile concentration is less than 0.001%, which is difficult to achieve by a known method and difficult to implement industrially. When it is less than 0.001%, it remains in the acrylonitrile-based polymer solution. Since the amount of unreacted acrylonitrile is too small, there is a high possibility that gel generation will be remarkable. When the acrylonitrile concentration in the acrylonitrile polymer solution exceeds 0.1% by weight, unreacted acrylonitrile remaining in the acrylonitrile polymer solution is discharged during spinning, which may deteriorate the working environment.
また、アクリロニトリル系重合体溶液中のアクリロニトリル濃度を0.001〜0.1重量%にする方法は、特許文献4、5、6に記載されている方法を好適に用いることができ、該方法はアクリロニトリル系重合体溶液を貯蔵タンクに貯液する前に行う。
In addition, the method described in
本発明の製糸工程は湿式紡糸または乾湿式紡糸を用いて炭素繊維前駆体繊維を得るが、それぞれ公知の方法を行えばよい。本発明ではゲルの影響を大幅に低減できるために製糸工程中の糸切れ発生頻度が低減する、すなわち安定して炭素繊維前駆体繊維を得ることが出来る。 In the spinning process of the present invention, carbon fiber precursor fibers are obtained by wet spinning or dry wet spinning, and each may be performed by a known method. In the present invention, since the influence of the gel can be greatly reduced, the frequency of occurrence of yarn breakage during the spinning process is reduced, that is, the carbon fiber precursor fiber can be stably obtained.
上記製造方法で得られる前駆体繊維を酸化性雰囲気中、180〜300℃で耐炎化処理し、引き続き不活性雰囲気中、400〜2000℃で炭化処理して炭素繊維を製造する。耐炎化処理および炭素繊維の製造方法は公知の方法を用いることができ、本発明で得られる炭素繊維はゲルの影響が大幅に低減されたものであるため繊維内部の強度欠陥が無く、例えば引っ張り強度において高強度な特性を有する。 The precursor fiber obtained by the above production method is flameproofed at 180 to 300 ° C. in an oxidizing atmosphere, and then carbonized at 400 to 2000 ° C. in an inert atmosphere to produce carbon fibers. A known method can be used for the flameproofing treatment and the carbon fiber production method, and the carbon fiber obtained in the present invention has no effect on the strength of the gel because the effect of the gel is greatly reduced. It has high strength characteristics in strength.
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、本例中に記載した特性は以下の方法で求めた。
(1)製糸工程における糸切れ回数
製糸工程中における糸切れ回数を正味の原糸生産量(t)で除して求めた。
(2)炭素繊維の引っ張り強度
炭素繊維束を用い、日本工業規格(JIS)−R−7601(1986)「樹脂含浸ストランド試験法」により6本のストランドの引っ張り強度測定を行い、その平均値をストランド引っ張り強度として求めた。
[実施例1]
モノマー組成をアクリロニトリル/イタコン酸=99.5/0.5(モル%)とし、全体仕込み量に対し全モノマー濃度22重量%となるようにDMSOを溶媒とし、開始剤である2,2’-アゾビスイソブチルニトリル(以下AIBNと表す)を全仕込み量に対し0.004mol/L、重合度調整剤であるモノチオグリコールを全モノマーに対し0.2重量%となるように、還流管、攪拌翼を備えた反応容器に仕込みを行った。窒素雰囲気下、攪拌しながら70℃で重合反応を行い、重合後、アクリロニトリル系重合体含有率20%のアクリロニトリル系重合体溶液を得た。かかる重合体溶液中の未反応のアクリロニトリルの単量体濃度は2重量%であった。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto. The characteristics described in this example were determined by the following method.
(1) Number of yarn breaks in the yarn making process It was determined by dividing the number of yarn breaks in the yarn making process by the net raw yarn production (t).
(2) Tensile strength of carbon fibers Using carbon fiber bundles, the tensile strength of six strands was measured according to the Japanese Industrial Standard (JIS) -R-7601 (1986) “Resin-impregnated strand test method”, and the average value was calculated. It calculated | required as strand tensile strength.
[Example 1]
The monomer composition is acrylonitrile / itaconic acid = 99.5 / 0.5 (mol%), DMSO is used as a solvent so that the total monomer concentration is 22% by weight with respect to the total charged amount, and 2,2′- A reflux tube, agitation, so that azobisisobutylnitrile (hereinafter referred to as AIBN) is 0.004 mol / L with respect to the total charged amount, and monothioglycol as the polymerization degree adjusting agent is 0.2% by weight with respect to the total monomers. The reaction vessel equipped with wings was charged. A polymerization reaction was performed at 70 ° C. with stirring in a nitrogen atmosphere. After polymerization, an acrylonitrile polymer solution having an acrylonitrile polymer content of 20% was obtained. The monomer concentration of unreacted acrylonitrile in the polymer solution was 2% by weight.
次に特許文献6に記載された方法、すなわち得られたアクリロニトリル系重合体溶液を減圧せしめた脱気槽に供給して未反応のアクリロニトリルの単量体を除去する方法により、アクリロニトリルの単量体濃度が0.03重量%のアクリロニトリル系重合体溶液を得た。連続してかかる重合体溶液を貯蔵タンクに貯液し、送液ポンプを経て、フィルターにて濾過後、計量ポンプを経て、口金直近配管部(図5C部)においてイタコン酸に対し1倍のアンモニアを添加し、スタティックミキサーでの混合後、湿式紡糸にて前駆体繊維を得た。 Next, the method described in Patent Document 6, that is, the method of removing the unreacted acrylonitrile monomer by supplying the obtained acrylonitrile-based polymer solution to a degassing tank with reduced pressure, An acrylonitrile polymer solution having a concentration of 0.03% by weight was obtained. The polymer solution is continuously stored in a storage tank, filtered through a liquid feed pump, filtered by a filter, then passed through a metering pump, and ammonia is 1 time the amount of itaconic acid in the pipe section (part C in FIG. 5). After mixing with a static mixer, precursor fibers were obtained by wet spinning.
湿式紡糸の操業性は安定しており、糸切れ回数は0.2回/tであった。
得られた前駆体繊維を、空気雰囲気下240℃で耐炎化し、続いて窒素雰囲気下400〜1300℃で炭化処理を行い、硫酸水溶液を電解液として炭素繊維1gあたり10クーロンの電気量で表面処理を行い水洗洗浄した後、ビスフェノールA型エポキシ樹脂を主成分とするサイジング剤を炭素繊維に対して1重量%付着、乾燥して炭素繊維を得た。得られた炭素繊維は良好な引っ張り強度を有していた。
[実施例2]
アンモニア添加後にスタティックミキサーでの混合を行わなかった(図2)以外は実施例1と同様にして前駆体繊維、炭素繊維を製造した。
The operability of wet spinning was stable, and the number of yarn breakage was 0.2 times / t.
The obtained precursor fiber is flame-resistant at 240 ° C. in an air atmosphere, followed by carbonization treatment at 400 to 1300 ° C. in a nitrogen atmosphere, and a surface treatment at an electric quantity of 10 coulomb per gram of carbon fiber using an aqueous sulfuric acid solution as an electrolyte After washing with water and washing with water, 1% by weight of a sizing agent mainly composed of bisphenol A type epoxy resin was attached to the carbon fiber and dried to obtain carbon fiber. The obtained carbon fiber had good tensile strength.
[Example 2]
Precursor fibers and carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1 except that the mixing with a static mixer was not performed after the addition of ammonia (FIG. 2).
湿式紡糸の操業性は、糸切れ回数は0.4回/tと安定しており、得られた炭素繊維の引っ張り強度も高いものであった。
[実施例3]
アンモニア添加を貯蔵タンク、送液ポンプ後、すなわちフィルターの前で行い、アンモニア添加直後にスタティックミキサーでの混合を行った(図3)以外は実施例1と同様にして前駆体繊維、炭素繊維を製造した。
As for the operability of wet spinning, the number of yarn breaks was stable at 0.4 times / t, and the carbon fiber obtained had high tensile strength.
[Example 3]
Ammonia addition was performed after the storage tank and the liquid feed pump, that is, in front of the filter, and the precursor fiber and carbon fiber were mixed in the same manner as in Example 1 except that mixing was performed using a static mixer immediately after the ammonia addition (FIG. 3). Manufactured.
湿式紡糸の操業性は、糸切れ回数は0.3回/tと安定しており、得られた炭素繊維の引っ張り強度も高いものであった。
[実施例4]
アンモニア添加をフィルターの後、すなわち計量ポンプの前で行い、アンモニア添加直後にスタティックミキサーでの混合を行った(図4)以外は実施例1と同様にして前駆体繊維、炭素繊維を製造した。
As for the operability of wet spinning, the number of yarn breaks was stable at 0.3 times / t, and the carbon fiber obtained had high tensile strength.
[Example 4]
Precursor fibers and carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1 except that ammonia addition was performed after the filter, that is, before the metering pump, and mixing was performed using a static mixer immediately after ammonia addition (FIG. 4).
湿式紡糸の操業性は、糸切れ回数は0.3回/tと安定しており、得られた炭素繊維の引っ張り強度も高いものであった。
[実施例5]
重合終了後、未反応のアクリロニトリルの単量体の除去を行わなかった以外は実施例1と同様にして前駆体繊維、炭素繊維を製造した。
As for the operability of wet spinning, the number of yarn breaks was stable at 0.3 times / t, and the carbon fiber obtained had high tensile strength.
[Example 5]
After completion of the polymerization, precursor fibers and carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1 except that the unreacted acrylonitrile monomer was not removed.
湿式紡糸の操業性は、糸切れ回数は0.1回/tと安定していたが、湿式紡糸の凝固浴液面上部雰囲気中アクリロニトリル濃度が20ppmと高かった。得られた炭素繊維の引っ張り強度は高いものであった。
[比較例1]
アンモニア添加およびスタティックミキサーでの混合を貯蔵タンクへ貯液する前に行った以外は実施例1と同様にして前駆体繊維、炭素繊維を製造した。
As for the operability of wet spinning, the number of breaks was stable at 0.1 times / t, but the acrylonitrile concentration in the atmosphere above the coagulation bath liquid surface of wet spinning was as high as 20 ppm. The obtained carbon fiber had high tensile strength.
[Comparative Example 1]
Precursor fibers and carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1 except that ammonia addition and mixing with a static mixer were performed before storing in the storage tank.
湿式紡糸の操業性は不安定なものであり、糸切れ回数は1.5回/tであった。得られた炭素繊維の引っ張り強度も低いものであった。
[比較例2]
アンモニア添加を貯蔵タンクで行った以外は実施例2と同様にして前駆体繊維、炭素繊維を製造した。
The operability of wet spinning was unstable, and the number of yarn breaks was 1.5 times / t. The tensile strength of the obtained carbon fiber was also low.
[Comparative Example 2]
Precursor fibers and carbon fibers were produced in the same manner as in Example 2 except that ammonia was added in the storage tank.
湿式紡糸の操業性は不安定なものであり、糸切れ回数は1.2回/tであった。得られた炭素繊維の引っ張り強度も低いものであった。 The operability of wet spinning was unstable, and the number of yarn breaks was 1.2 times / t. The tensile strength of the obtained carbon fiber was also low.
本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法により、ゲルの少ないアクリロニトリル系重合体溶液を紡糸に供することができ、安定した紡糸操業性を達成することができ、炭素繊維前駆体繊維の製造の他にも衣料用途や産業用途への繊維製造にも好適に用いることができる。 According to the method for producing a carbon fiber precursor fiber of the present invention, an acrylonitrile-based polymer solution with a small amount of gel can be used for spinning, and stable spinning operability can be achieved. In addition, it can be suitably used for textile production for clothing and industrial applications.
また本発明により繊維内部に欠陥が少なく良好な強度を有する炭素繊維を得ることができる。 Further, according to the present invention, carbon fibers having good strength with few defects inside the fibers can be obtained.
1:貯蔵タンク
2:送液ポンプ
3:フィルター
4:計量ポンプ
5:口金
6:凝固浴
7:静止型混合器
8:口金直近部分
A、B、C:本発明アンモニア、アミン化合物、第4アンモニウム塩からなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物を添加する場所
1: storage tank 2: liquid feed pump 3: filter 4: metering pump 5: base 6: coagulation bath 7: static mixer 8: portions A, B, C near the base: ammonia of the present invention, amine compound, quaternary ammonium Where to add at least one compound selected from the group consisting of salts
Claims (4)
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JP2007155975A JP2008308775A (en) | 2007-06-13 | 2007-06-13 | Method for producing carbon fiber precursor fiber and carbon fiber |
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Cited By (3)
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KR101059388B1 (en) | 2009-09-07 | 2011-08-25 | 주식회사 효성 | Manufacturing process of PAN precursor fiber for carbon fiber manufacturing and method for removing alkali and alkaline earth metal impurities |
KR101365142B1 (en) * | 2012-07-19 | 2014-02-21 | 한국생산기술연구원 | Polyacrylonitrile based copolymers for carbon fiber precursors and the method of preparation thereof |
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2007
- 2007-06-13 JP JP2007155975A patent/JP2008308775A/en active Pending
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