JP2010168724A - 高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法 - Google Patents
高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010168724A JP2010168724A JP2009293608A JP2009293608A JP2010168724A JP 2010168724 A JP2010168724 A JP 2010168724A JP 2009293608 A JP2009293608 A JP 2009293608A JP 2009293608 A JP2009293608 A JP 2009293608A JP 2010168724 A JP2010168724 A JP 2010168724A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- carbon
- fiber
- carbon nanotubes
- spinning
- carbon fiber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 title claims abstract description 72
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 title claims abstract description 72
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 64
- 239000002243 precursor Substances 0.000 title claims abstract description 57
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 56
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 17
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 70
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 65
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 65
- 238000009987 spinning Methods 0.000 claims abstract description 60
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 claims abstract description 32
- NJYFRQQXXXRJHK-UHFFFAOYSA-N (4-aminophenyl) thiocyanate Chemical class NC1=CC=C(SC#N)C=C1 NJYFRQQXXXRJHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 claims abstract description 22
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 claims abstract description 22
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 claims abstract description 22
- 239000008112 carboxymethyl-cellulose Substances 0.000 claims abstract description 22
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 22
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 238000002166 wet spinning Methods 0.000 claims description 7
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims description 4
- 238000001891 gel spinning Methods 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 7
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 15
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 12
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000002079 double walled nanotube Substances 0.000 description 8
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 8
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 7
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 7
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 7
- 239000011550 stock solution Substances 0.000 description 7
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 5
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 5
- VGTPCRGMBIAPIM-UHFFFAOYSA-M sodium thiocyanate Chemical compound [Na+].[S-]C#N VGTPCRGMBIAPIM-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 5
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 5
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N Acrylonitrile Chemical compound C=CC#N NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002841 Lewis acid Substances 0.000 description 3
- -1 Lewis acid salt Chemical class 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 238000009656 pre-carbonization Methods 0.000 description 3
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 3
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 3
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000002597 Solanum melongena Nutrition 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K aluminium trichloride Chemical compound Cl[Al](Cl)Cl VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000000578 dry spinning Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 229920002545 silicone oil Polymers 0.000 description 2
- 159000000000 sodium salts Chemical class 0.000 description 2
- ZMZDMBWJUHKJPS-UHFFFAOYSA-N thiocyanic acid Chemical compound SC#N ZMZDMBWJUHKJPS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L zinc dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Zn+2] JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- KFCDDRTYJQZGKK-UHFFFAOYSA-N 2-methylprop-2-enoic acid;prop-2-enenitrile Chemical compound C=CC#N.CC(=C)C(O)=O KFCDDRTYJQZGKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002126 Acrylic acid copolymer Polymers 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- DPXJVFZANSGRMM-UHFFFAOYSA-N acetic acid;2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanal;sodium Chemical compound [Na].CC(O)=O.OCC(O)C(O)C(O)C(O)C=O DPXJVFZANSGRMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000011280 coal tar Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000004455 differential thermal analysis Methods 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229920003145 methacrylic acid copolymer Polymers 0.000 description 1
- 229940117841 methacrylic acid copolymer Drugs 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 235000010755 mineral Nutrition 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- XAEFZNCEHLXOMS-UHFFFAOYSA-M potassium benzoate Chemical compound [K+].[O-]C(=O)C1=CC=CC=C1 XAEFZNCEHLXOMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- ZNNZYHKDIALBAK-UHFFFAOYSA-M potassium thiocyanate Chemical compound [K+].[S-]C#N ZNNZYHKDIALBAK-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229940116357 potassium thiocyanate Drugs 0.000 description 1
- KUKFKAPJCRZILJ-UHFFFAOYSA-N prop-2-enenitrile;prop-2-enoic acid Chemical compound C=CC#N.OC(=O)C=C KUKFKAPJCRZILJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011403 purification operation Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000012779 reinforcing material Substances 0.000 description 1
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 description 1
- 235000019812 sodium carboxymethyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 1
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011592 zinc chloride Substances 0.000 description 1
- 235000005074 zinc chloride Nutrition 0.000 description 1
Abstract
【課題】
高引張強度かつ高引張弾性率の炭素繊維を製造することができる前駆体繊維の製造方法を提供する。
【解決手段】
以下の工程を含むことを特徴とする、炭素繊維の前駆体繊維の製造方法：（１）カルボキシメチルセルロースの水溶液を調製する工程；（２）このカルボキシメチルセルロースの水溶液にカーボンナノチューブを添加し、超音波を照射してカーボンナノチューブを分散させ、カーボンナノチューブ分散液を調製する工程；（３）このカーボンナノチューブ分散液とポリアクリロニトリル系ポリマーとロダン塩とを含む紡糸原液を調製する工程；（４）この紡糸原液から湿式又は乾湿式紡糸法によって凝固糸を得る工程；そして（５）この凝固糸を延伸して炭素繊維の前駆体繊維を得る工程。
【選択図】なし
高引張強度かつ高引張弾性率の炭素繊維を製造することができる前駆体繊維の製造方法を提供する。
【解決手段】
以下の工程を含むことを特徴とする、炭素繊維の前駆体繊維の製造方法：（１）カルボキシメチルセルロースの水溶液を調製する工程；（２）このカルボキシメチルセルロースの水溶液にカーボンナノチューブを添加し、超音波を照射してカーボンナノチューブを分散させ、カーボンナノチューブ分散液を調製する工程；（３）このカーボンナノチューブ分散液とポリアクリロニトリル系ポリマーとロダン塩とを含む紡糸原液を調製する工程；（４）この紡糸原液から湿式又は乾湿式紡糸法によって凝固糸を得る工程；そして（５）この凝固糸を延伸して炭素繊維の前駆体繊維を得る工程。
【選択図】なし
Description
本発明は、高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法に関する。また、本発明は、かかる製造方法によって得られる前駆体繊維、及びかかる前駆体繊維から得られる高強度かつ高弾性率の炭素繊維に関する。さらに、本発明は、かかる前駆体繊維の製造に使用する紡糸原液に関する。
炭素繊維は、軽量かつ高強度、高弾性率という極めて優れた物性を有することから、釣竿、ゴルフクラブやスキー板等の運動用具からＣＮＧタンク、フライホイール、風力発電用風車、タービンブレード等の形成材料、道路、橋脚等の構造物の補強材、さらには、航空機、宇宙用素材として使われ、さらにその用途は広がりつつある。
このような炭素繊維の用途の拡大につれて、より高強度、高弾性率を有する炭素繊維の開発が望まれるようになってきている。
炭素繊維は、ポリアクリロニトリルを原料とするＰＡＮ系炭素繊維と、石炭由来のコールタール、石油由来のデカントオイルやエチレンボトムなどを出発原料とするピッチ系炭素繊維に大別される。いずれの炭素繊維も、まずこれらの原料から前駆体繊維を製造し、この前駆体繊維を高温で加熱して耐炎化、予備炭素化、及び炭素化することによって製造される。
物性の点から見ると、現在市販されているＰＡＮ系炭素繊維は、最大６ＧＰａ程度という極めて高い引張強度を達成することができるが、引張弾性率が発現しにくく、最大でも３００ＧＰａ程度に留まっている。一方、現在市販されているピッチ系炭素繊維は、最大８００ＧＰａ程度という極めて高い引張弾性率を達成することができるが、引張強度が発現しにくく、最大でも３ＧＰａ程度に留まっている。航空機や宇宙用素材として使用するためには、高引張強度かつ高引張弾性率の炭素繊維が望ましいが、このように、現在提案されている炭素繊維の中にこの要件を満たすものは存在しない。
一方、特許文献１には、ポリアクリロニトリル系ポリマーにカーボンナノチューブを添加して紡糸することによって得られた前駆体繊維（カーボンナノチューブ含有ＰＡＮ系前駆体繊維）が、従来のＰＡＮ系前駆体繊維より高い引張弾性率を示すことが開示されている。
しかし、特許文献１の方法で得られた前駆体繊維は、引張弾性率の点では優れるものの、断面形状が円形ではなく大きく歪んでいるため、この前駆体繊維から得られる炭素繊維は従来のＰＡＮ系炭素繊維のような高い引張強度を示さない。従って結局、高引張強度及び高引張弾性率という二つの特性を両立させた炭素繊維は未だ得られていない。
米国特許第６８５２４１０号
本発明は、かかる従来技術の現状に鑑み創案されたものであり、その目的は、高引張強度（具体的には６ＧＰａ以上の引張強度）かつ高引張弾性率（具体的には３００ＧＰａ以上の引張弾性率）の炭素繊維を製造することができる前駆体繊維及びその製造方法を提供することにある。
本発明者は、上記目的を達成するために、特許文献１の方法の改良について鋭意検討した結果、特許文献１の方法で得られるカーボンナノチューブ含有ＰＡＮ系前駆体繊維の断面形状が大きく歪む理由は、紡糸原液の溶剤としてジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）を使用しているためであり、ロダン塩の水溶液を紡糸原液の溶剤として使用すると、略円形断面のカーボンナノチューブ含有ＰＡＮ系前駆体繊維が得られることを見出した。しかし、溶剤としてＤＭＦの代わりにロダン塩の水溶液を使用すると、紡糸原液にカーボンナノチューブ分散液を添加した際に瞬時にカーボンナノチューブが凝集・析出しやすく、得られた凝固糸中に凝集・析出物の塊が散在するため、延伸時にこの塊を起点に糸切れを生じやすく、十分な延伸を行うことができないこと、このため前駆体繊維中のポリマー鎖及びカーボンナノチューブの配向が不十分になり、カーボンナノチューブの添加により本来期待されるべき高い引張強度および引張弾性率を発現することができないことが判明した。また、カーボンナノチューブが紡糸原液中で多量に凝集・析出すると、紡糸原液の曵糸性がなくなったり、紡糸口金のフィルター詰まりを起こし、紡糸不可能になることが判明した。そこで、本発明者らは、ロダン塩の水溶液を紡糸原液の溶剤として使用しつつも紡糸原液中のカーボンナノチューブの析出を抑制する方法についてさらに検討したところ、カーボンナノチューブを添加する際にカルボキシメチルセルロースを分散剤として併用すると、カーボンナノチューブが安定に溶剤中に分散されて凝集・析出しにくくなることを見出し、本発明の完成に至った。
即ち、本発明によれば、以下の工程を含むことを特徴とする、炭素繊維の前駆体繊維の製造方法が提供される：
（１）カルボキシメチルセルロースの水溶液を調製する工程；
（２）このカルボキシメチルセルロースの水溶液にカーボンナノチューブを添加し、超音波を照射してカーボンナノチューブを分散させ、カーボンナノチューブ分散液を調製する工程；
（３）このカーボンナノチューブ分散液とポリアクリロニトリル系ポリマーとロダン塩とを含む紡糸原液を調製する工程；
（４）この紡糸原液から湿式又は乾湿式紡糸法によって凝固糸を得る工程；そして
（５）この凝固糸を延伸して炭素繊維の前駆体繊維を得る工程。
（１）カルボキシメチルセルロースの水溶液を調製する工程；
（２）このカルボキシメチルセルロースの水溶液にカーボンナノチューブを添加し、超音波を照射してカーボンナノチューブを分散させ、カーボンナノチューブ分散液を調製する工程；
（３）このカーボンナノチューブ分散液とポリアクリロニトリル系ポリマーとロダン塩とを含む紡糸原液を調製する工程；
（４）この紡糸原液から湿式又は乾湿式紡糸法によって凝固糸を得る工程；そして
（５）この凝固糸を延伸して炭素繊維の前駆体繊維を得る工程。
また、本発明によれば、上記方法によって製造される、炭素繊維の前駆体繊維であって、略円形断面を有しかつカーボンナノチューブを含むことを特徴とする炭素繊維の前駆体繊維が提供される。
さらに、本発明によれば、上記前駆体繊維を耐炎化、予備炭素化及び炭素化することによって製造される炭素繊維であって、６ＧＰａ以上の引張強度及び３００ＧＰａ以上の引張弾性率を有することを特徴とする炭素繊維が提供される。
さらに、本発明によれば、ロダン塩、ポリアクリロニトリル系ポリマー、カーボンナノチューブ、及びカルボキシメチルセルロースを含む水溶液からなる紡糸原液であって、カルボキシメチルセルロースの分散作用によりカーボンナノチューブが水中に分散していることを特徴とする紡糸原液が提供される。
本発明のカーボンナノチューブ含有ＰＡＮ系前駆体繊維の製造方法では、紡糸原液の溶剤としてロダン塩の水溶液を使用しているので、略円形断面の前駆体繊維を得ることができる。また、カルボキシメチルセルロースを分散剤として使用して紡糸原液からのカーボンナノチューブの凝集・析出を抑制しているため、得られた糸は、凝集・析出物の塊を含まず、十分に延伸させてポリマー鎖及びカーボンナノチューブを配向させることができる。従って、かかる前駆体繊維から得られる炭素繊維は、適切に配向されたカーボンナノチューブの含有および高分子鎖の配向に起因する高い引張強度及び高い引張弾性率を示す。
以下、本発明のカーボンナノチューブ含有ＰＡＮ系炭素繊維の前駆体繊維の製造方法について詳述する。本発明の製造方法ではまず、カルボキシメチルセルロースの水溶液を調製する（工程（１））。
本発明で使用するカルボキシメチルセルロースは、市販のナトリウム塩、カリウム塩が使用される。また、これらの混合物を使用することもできる。
カルボキシメチルセルロースの水溶液の調製は、水にカルボキシメチルセルロースを添加して約５℃〜約１００℃で加熱しながら攪拌することによって容易に行うことができる。カルボキシメチルセルロースの濃度は、０．００２〜９重量％（紡糸原液中の終濃度で０．００１〜５重量％）であることが好ましく、０．１〜８重量％であることがさらに好ましい。上記下限未満では、カーボンナノチューブの分散剤としての効果を十分発揮できないおそれがある。また、上記上限を越えると、やはりカーボンナノチューブの分散剤としての効果を十分に発揮しなくなるおそれがある。
次に、このカルボキシメチルセルロースの水溶液にカーボンナノチューブを添加し、超音波を照射してカーボンナノチューブを分散させ、カーボンナノチューブ分散液を調製する（工程（２））。
本発明で使用するカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブのいずれであっても良く、これらの混合物であっても良い。各種カーボンナノチューブの末端は、閉じていても良いし、穴が開いていても良い。カーボンナノチューブの直径は、好ましくは０．４ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、より好ましくは０．８ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。カーボンナノチューブの長さは、制限されるものではなく、任意の長さのものを用いることができるが、好ましくは０．６μｍ以上２００μｍ以下であり、より好ましくは１μｍ以上２００μｍ以下である。
本発明で使用するカーボンナノチューブの純度は、炭素純度として８０％以上であることが好ましく、より好ましくは９０％以上、さらに好ましくは９５％以上である。炭素純度は、示差熱分析により決定される。カーボンナノチューブの不純物としては、非晶炭素成分や触媒金属が挙げられる。空気中での２００℃以上での加熱、または、過酸化水素水で洗浄することにより、非晶炭素成分を除くことができる。さらに、塩酸、硝酸、硫酸等の鉱酸で洗浄後、水洗することにより鉄等のカーボンナノチューブ製造時の触媒金属を除去することができる。本発明では、これらの精製操作を組み合わせることにより、種々の不純物を除去し、炭素純度を高めたカーボンナノチューブを使用することが好ましい。
カーボンナノチューブの添加量は、次の工程（３）で使用するポリアクリロニトリル系ポリマーの量に対して０．０１〜５重量％であることが好ましく、０．１〜３重量％であることがさらに好ましい。上記下限未満では、得られる前駆体繊維中のカーボンナノチューブ量が少なくなり、十分高い引張弾性率を達成できないおそれがある。また、上記上限を越えると、紡糸原液に曵糸性がなくなり、紡糸が困難になるおそれがある。超音波照射は、約０〜７０℃の温度で約１時間〜３日間行う。溶液が目視で黒色透明になれば、カーボンナノチューブは十分分散している。
次に、このカーボンナノチューブ分散液とポリアクリロニトリル系ポリマーとロダン塩とを含む紡糸原液を調製する（工程（３））。
紡糸原液の調製においては、カーボンナノチューブ分散液にポリアクリロニトリル系ポリマーとロダン塩を添加してもよいし、また、ポリアクリロニトリル系ポリマーをロダン塩水溶液に溶かしたポリマー溶液とカーボンナノチューブ分散液を混合してもよい。前者の場合、ポリアクリロニトリル系ポリマーとロダン塩の添加は同時であってもよく、また、どちらを先に添加してもよい。添加は一度に行う必要はなく、分けて行ってもよい。ポリアクリロニトリル系ポリマーを添加するときは、必要により水を添加して水スラリーの状態にすることが好ましい。この場合、添加される水を予め多くし、後で常圧下又は減圧下で徐々に水を留去して紡糸原液の粘度を調整してもよい。
本発明で使用するポリアクリロニトリル系ポリマーとしては、ポリアクリロニトリル、および、アクリロニトリルと共重合可能なビニル単量体からなる共重合体を使うことができる。共重合体としては、耐炎化反応に有効な作用を有するアクリロニトリル−メタクリル酸共重合体、アクリロニトリル−メタクリル酸メチル共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸共重合体、アクリロニトリル−イタコン酸共重合体、アクリロニトリル−メタクリル酸−イタコン酸共重合体、アクリロニトリル−メタクリル酸メチル−イタコン酸共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸−イタコン酸共重合体等が挙げられ、いずれの場合もアクリロニトリル成分が８５モル％以上であることが好ましい。これらのポリマーは、アルカリ金属またはアンモニアとの塩を形成していても良い。また、これらのポリマーは単独または２種以上の混合物としても使用できる。
ポリアクリロニトリル系ポリマーの使用量は、紡糸原液中、５〜３０重量％になるような量であることが好ましく、さらに好ましくは１０〜２０重量％になるような量である。上記下限未満では、紡糸張力をかけることができず、繊維自身および糸中のカーボンナノチューブの配向が不足し、強度不足の原因となるおそれがある。また、上記下限を越えると紡糸時に背圧上昇の原因となるおそれがある。
本発明で使用するロダン塩は、チオシアン酸と１価または２価の金属との塩であればよく、中でもチオシアン酸ナトリウム、チオシアン酸カリウムが好ましい。また、これらの混合物を用いることもできる。ロダン塩は極めて溶解しにくいため、ロダン塩の添加は、分散液を激しく攪拌しながら行うことが好ましい。必要により、ロダン塩を完全に溶解させるため、分散液を約３０℃〜約９０℃に加熱してもよい。
ロダン塩の使用量は、紡糸原液中、３０〜６０重量％になるような量であることが好ましく、さらには４０〜５５重量％であることが好ましい。上記下限未満では、ポリアクリロニトリル系ポリマーが溶解できないおそれがある。また、上記上限を越えると、ロダン塩が析出したり、いったん分散したカーボンナノチューブが凝集し、析出してしまうおそれがある。
以上の工程（１）〜（３）によって得られた紡糸原液は、ロダン塩、ポリアクリロニトリル系ポリマー、カーボンナノチューブ、及びカルボキシメチルセルロースを含む水溶液からなる。この水溶液中では、カルボキシメチルセルロースの分散作用によりカーボンナノチューブが水中に安定に分散しており、何らかの衝撃が加えられても析出しにくくなっている。
本発明の紡糸原液の粘度は、通常３０℃で、湿式紡糸では、２〜２０Ｐａ・ｓｅｃであることが好ましく、乾湿式紡糸では１００〜５００Ｐａ・ｓｅｃであることが好ましい。それぞれの紡糸方法において、上記範囲を下回ると、紡糸時にノズル面に紡糸原液が付着してしまう恐れがあったり、吐出糸条の切断や品質斑の問題があり、上記範囲を上回ると、メルトフラクチャーが生じて安定に紡糸を行うことができなくなるなど、紡糸の操業性に問題が生じるおそれがある。
次に、この紡糸原液から湿式又は乾湿式紡糸法によって凝固糸を得る（工程（４））。
紡糸口金の孔径は、通常、湿式紡糸では０．０３〜０．１ｍｍであることが好ましく、乾湿式紡糸では０．１〜０．３ｍｍであることが好ましい。上記範囲を下回ると、紡糸時にドラフト比が小さくなり生産性を著しく損なうおそれがあったり、吐出糸条の切断や品質斑の問題があり、上記範囲を上回ると、紡糸原液の吐出線速度が小さくなり凝固槽内での糸の張力が大きくなるなど、紡糸の操業性に問題が生じるおそれがある。
凝固浴としては、水、塩化亜鉛もしくは塩化アルミニウム等のルイス酸塩水溶液、又はロダン塩水溶液を用いることが好ましい。ルイス酸塩又はロダン塩の濃度は１０〜２０重量％であることが好ましく、温度は−５〜１０℃に保つことが好ましい。ルイス酸塩又はロダン塩の濃度が１０重量％未満では、吐出された紡糸原液の表面から急速に凝固が進み、繊維中心部の凝固が不充分となり、均一な糸の構造形成が行われないおそれがある。また、２０重量％よりも濃度が高いと、凝固が遅くなり、巻き取りまでの工程で隣接する糸同士の接着を生じるおそれがある。また、凝固は多段で行われることが好ましく、特に好ましくは２〜３段で行われる。凝固が１段の場合、糸中心部までの凝固が不充分となり、均一な糸構造の形成ができないおそれがある。また、４段以上では、生産設備が重厚となり、現実的でない。
紡糸時の引き取り速度は、３〜２０ｍ／分の範囲にあることが好ましい。３ｍ／分未満では、生産性が極めて低くなるおそれがある。一方、２０ｍ／分を越えると、紡糸口金近傍での糸切れが多発し、操業性を著しく損なうおそれがある。
次に、工程（４）で得られた凝固糸を延伸して炭素繊維の前駆体繊維を得る（工程（５））。延伸することによって、繊維中の分子鎖の配向性を高めて力学物性に優れた炭素繊維を得ることができる。延伸は、トータルの延伸倍率が４〜１２倍になるように行うことが好ましく、より好ましくは、トータルの延伸倍率が５〜７倍になるように行う。トータルの延伸倍率が上記下限未満では、糸中のカーボンナノチューブの配向が不充分で、ポリアクリロニトリル系ポリマーが緻密に配向した炭素繊維前駆体を得ることができないおそれがある。また、トータルの延伸倍率が上記上限を越える場合は、延伸時に糸切れが頻発し、延伸安定性に欠けるおそれがある。延伸操作は、冷延伸、熱水中での延伸、蒸気中での延伸のいずれの方法でも良い。また、１度に延伸しても、多段で延伸しても良い。
以上の工程（１）〜（５）によって得られた前駆体繊維は、高引張強度を発揮するのに必要な略円形断面を有し、しかも高引張弾性率をもたらすカーボンナノチューブを適切な配向で含む。従って、この前駆体繊維を耐炎化、予備炭素化、及び炭素化すれば、６ＧＰａ以上の引張強度及び３００ＧＰａ以上の引張弾性率を有する高強度高弾性率の炭素繊維を得ることができる。なお、本発明の炭素繊維の引張強度及び引張弾性率の上限は特に制限されないが、実際にはそれぞれ１２ＧＰａ及び８００ＧＰａ程度である。
本発明では、前駆体繊維の耐炎化、予備炭素化、及び炭素化は、常法に従って行えばよく、例えば、前駆体繊維をまず、空気中で延伸比０．８〜２．５で延伸しながら２００〜３００℃で耐炎化し、次に、不活性気体中で延伸比０．９〜１．５で延伸しながら３００〜８００℃に加熱して予備炭素化し、さらに、不活性気体中で延伸比０．９〜１．１で１０００〜２０００℃に加熱して炭素化することによって炭素繊維を得ることができる。
予備炭素化処理および炭素化処理時に用いられる不活性気体としては、窒素、アルゴン、キセノン、および二酸化炭素等が挙げられる。経済的な観点からは窒素が好ましく用いられる。炭素化処理時の最高到達温度は所望の炭素繊維の力学物性に応じて１２００〜３０００℃の間で設定される。一般的に炭素化処理の最高到達温度が高い程、得られる炭素繊維の引張弾性率が大きくなる。一方、引張強度は１５００℃で極大となる。本発明では、炭素化処理を１０００〜２０００℃、より好ましくは１２００〜１７００℃、さらに好ましくは１３００〜１６００℃で行うことにより、引張弾性率と引張強度の２つの力学物性を最大限に発現させることが可能である。
以下、実施例で本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
なお、本実施例で得た炭素繊維の引張強度および引張弾性率は、ＪＩＳ Ｒ７６０６（２０００）「炭素繊維−単繊維の引張特性の試験方法」に従ってＮＭＢ社製引張試験機「ＴＧ２００ＮＢ」を用いて測定した。また、カルボキシメチルセルロースは、市販品のナトリウム塩をそのまま使用した。
実施例１
紡糸原液の調製：水９８ｇにカルボキシメチルセルロースのナトリウム塩２ｇを添加し、７０℃で５分間加熱撹拌した。放冷後、孔径１０μｍのメンブレンフィルターでろ過したろ液に、二層カーボンナノチューブ（Ｕｎｉｄｙｍ社製ＸＯグレード）０．３ｇを添加し、超音波装置（日本精機社製Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｒ ＭＯＤＥＬ ＵＳ−３００Ｔ）で２０ｋＨｚ、３００Ｗの超音波を２時間照射して、分散液を得た。５００ｍｌナスフラスコに上記カーボンナノチューブ分散液５０．１５ｇと水分含有率２５％のＡＮ９４−ＭＡＡ６共重合体２０ｇを測り取り、撹拌してスラリー状にした。撹拌しながらチオシアン酸ナトリウム４４．２ｇを２時間かけて添加した。室温で１時間撹拌した後、エバポレーターで水１０．８ｇを留去し、紡糸原液を得た。
紡糸原液の調製：水９８ｇにカルボキシメチルセルロースのナトリウム塩２ｇを添加し、７０℃で５分間加熱撹拌した。放冷後、孔径１０μｍのメンブレンフィルターでろ過したろ液に、二層カーボンナノチューブ（Ｕｎｉｄｙｍ社製ＸＯグレード）０．３ｇを添加し、超音波装置（日本精機社製Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅｒ ＭＯＤＥＬ ＵＳ−３００Ｔ）で２０ｋＨｚ、３００Ｗの超音波を２時間照射して、分散液を得た。５００ｍｌナスフラスコに上記カーボンナノチューブ分散液５０．１５ｇと水分含有率２５％のＡＮ９４−ＭＡＡ６共重合体２０ｇを測り取り、撹拌してスラリー状にした。撹拌しながらチオシアン酸ナトリウム４４．２ｇを２時間かけて添加した。室温で１時間撹拌した後、エバポレーターで水１０．８ｇを留去し、紡糸原液を得た。
紡糸：上記紡糸原液を８０℃にて孔径０．１５ｍｍ、孔数１０の紡糸口金から押し出し、エアギャップ長５ｍｍを経て０℃の１５重量％チオシアン酸ナトリウム水溶液１５ｌからなる凝固浴中へ導入した後、５重量％チオシアン酸ナトリウム水溶液で水洗した。その後、２倍に延伸し、水洗し、さらに０．２重量％硝酸で洗浄した。この後、さらにこの糸を沸騰水中で３倍延伸を行い、アミノ変性シリコーン油剤を付与して、１５０℃、５分間乾燥することにより、単糸繊度１．０ｄＴｅｘの前駆体繊維を得た。この繊維の断面形状を図１に示す。図１からわかるように、略円形断面の前駆体繊維が得られた。
耐炎化処理：上記の前駆体繊維を空気中で一定長にて、１段目２２０℃、２段目２３０℃、３段目２４０℃、４段目２５０℃でそれぞれ１時間加熱して、比重１．３８の耐炎化処理糸を得た。
予備炭素化処理：上記耐炎化処理糸を窒素気流中で一定長にて、７００℃で２分間加熱して予備炭素化処理糸を得た。
炭素化処理：上記予備炭素化処理糸を窒素気流中で一定長にて、１２００℃で２分間加熱して炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。
予備炭素化処理：上記耐炎化処理糸を窒素気流中で一定長にて、７００℃で２分間加熱して予備炭素化処理糸を得た。
炭素化処理：上記予備炭素化処理糸を窒素気流中で一定長にて、１２００℃で２分間加熱して炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。
実施例２
実施例１において二層カーボンナノチューブの代わりに単層カーボンナノチューブ（ＣＮＩ社製Ｈｉｐｃｏ）を使用した以外は実施例１と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例１において二層カーボンナノチューブの代わりに単層カーボンナノチューブ（ＣＮＩ社製Ｈｉｐｃｏ）を使用した以外は実施例１と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例３
実施例１において二層カーボンナノチューブの代わりに多層カーボンナノチューブ（Ｂａｙｅｒ社製Ｂａｙｔｕｂｅｓ）を使用した以外は実施例１と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例１において二層カーボンナノチューブの代わりに多層カーボンナノチューブ（Ｂａｙｅｒ社製Ｂａｙｔｕｂｅｓ）を使用した以外は実施例１と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例４
実施例１においてＡＮ９４−ＭＡＡ６共重合体の代わりにＡＮ９５−ＭＡ５共重合体を使用した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例１においてＡＮ９４−ＭＡＡ６共重合体の代わりにＡＮ９５−ＭＡ５共重合体を使用した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例５
実施例３においてＡＮ９４−ＭＡＡ６共重合体の代わりにＡＮ９５−ＭＡＡ４−ＩＡ１共重合体を使用した以外は、実施例３と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例３においてＡＮ９４−ＭＡＡ６共重合体の代わりにＡＮ９５−ＭＡＡ４−ＩＡ１共重合体を使用した以外は、実施例３と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例６
実施例１においてＡＮ９４−ＭＡＡ６共重合体の代わりにＰＡＮを使用した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例１においてＡＮ９４−ＭＡＡ６共重合体の代わりにＰＡＮを使用した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例７
実施例６において二層カーボンナノチューブの代わりに単層カーボンナノチューブを使用した以外は、実施例６と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例６において二層カーボンナノチューブの代わりに単層カーボンナノチューブを使用した以外は、実施例６と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例８
実施例４において二層カーボンナノチューブの代わりに多層カーボンナノチューブを使用した以外は、実施例４と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張り弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例４において二層カーボンナノチューブの代わりに多層カーボンナノチューブを使用した以外は、実施例４と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張り弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例９
実施例１において二層カーボンナノチューブを１．０ｇ使用した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張り弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
実施例１において二層カーボンナノチューブを１．０ｇ使用した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張り弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
比較例１
紡糸原液の調製：５００ｍｌナスフラスコに水３９．２ｍｌと水分含有率２５％のＡＮ９４−ＭＡＡ６共重合体２０ｇを測り取り、撹拌してスラリー状にした。撹拌しながらチオシアン酸ナトリウム４４．２ｇを２時間かけて添加した。室温で１時間撹拌した後、６０℃まで加熱して均一な紡糸原液を得た。紡糸、耐炎化処理、予備炭素化処理、炭素化処理については実施例１と同様に処理を行い、炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
紡糸原液の調製：５００ｍｌナスフラスコに水３９．２ｍｌと水分含有率２５％のＡＮ９４−ＭＡＡ６共重合体２０ｇを測り取り、撹拌してスラリー状にした。撹拌しながらチオシアン酸ナトリウム４４．２ｇを２時間かけて添加した。室温で１時間撹拌した後、６０℃まで加熱して均一な紡糸原液を得た。紡糸、耐炎化処理、予備炭素化処理、炭素化処理については実施例１と同様に処理を行い、炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。なお、前駆体繊維の断面形状を確認したところ、実施例１と同様に略円形断面であった。
比較例２
紡糸原液の調製：ジメチルホルムアミド６００ｍｌに二層カーボンナノチューブ（Ｕｎｉｄｙｍ社製ＸＯグレード）０．０２５ｇを添加し、超音波装置（ＢＲＡＮＳＯＮ ３５１０Ｒ ＭＴ）で４２ｋＨｚ，１００Ｗの超音波を３６時間照射した。この分散液を合計６本調製した。５００ｍｌ三口フラスコ中でジメチルホルムアミド１００ｍｌを撹拌しながら乾燥したＡＮ９４−ＭＡＡ６共重合体１５ｇを３０分間かけて添加した。７０℃１５分間加熱して均一な溶液にした。室温まで放冷後、上記のカーボンナノチューブ分散液を１５０ｍｌずつ添加してジメチルホルムアミド３６００ｍｌを留去して紡糸原液とした。
紡糸原液の調製：ジメチルホルムアミド６００ｍｌに二層カーボンナノチューブ（Ｕｎｉｄｙｍ社製ＸＯグレード）０．０２５ｇを添加し、超音波装置（ＢＲＡＮＳＯＮ ３５１０Ｒ ＭＴ）で４２ｋＨｚ，１００Ｗの超音波を３６時間照射した。この分散液を合計６本調製した。５００ｍｌ三口フラスコ中でジメチルホルムアミド１００ｍｌを撹拌しながら乾燥したＡＮ９４−ＭＡＡ６共重合体１５ｇを３０分間かけて添加した。７０℃１５分間加熱して均一な溶液にした。室温まで放冷後、上記のカーボンナノチューブ分散液を１５０ｍｌずつ添加してジメチルホルムアミド３６００ｍｌを留去して紡糸原液とした。
紡糸：上記紡糸原液を８０℃にて孔径０．１５ｍｍ、孔数１の紡糸口金から押し出し、エアギャップ長４０ｍｍを経て−６０℃に冷却したメタノール１５ｌからなる凝固浴中へ導入し、糸を巻き取った。−６０℃のメタノール中に１昼夜糸を漬けた後、９倍延伸を行い、アミノ変性シリコーン油剤を付与して、１５０℃、５分間乾燥することにより、単糸繊度１．８ｄＴｅｘの前駆体繊維を得た。この繊維の断面形状を図２に示す。図２からわかるように、この前駆体繊維は略円形断面ではなく、歪な断面形状をしている。
耐炎化処理、予備炭素化処理、炭素化処理を実施例１と同様にして行い炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の引張強度及び引張弾性率を表１に示す。
表１からわかるように、カーボンナノチューブを添加し、紡糸原液の溶剤としてロダン塩水溶液を使用し、分散剤としてカルボキシメチルセルロースを使用した実施例１〜９はいずれも、高い引張強度及び引張弾性率の炭素繊維が得られているのに対し、カーボンナノチューブを使用せず、分散剤を使用しなかった比較例１（従来の一般的なＰＡＮ系炭素繊維）は、引張強度は高いが引張弾性率が劣る。また、カーボンナノチューブは使用したが、紡糸原液の溶剤としてＤＭＦを使用し、分散剤も使用しなかった比較例２（特許文献１の炭素繊維）は、引張弾性率は比較例１より高いが、繊維の断面が歪んでいるため、引張強度が劣る。
本発明の製造方法によって得られた前駆体繊維を使用すれば、高い引張強度と高い引張弾性率を兼ね備えた炭素繊維を得ることができる。かかる炭素繊維は、航空機材料や宇宙船材料として極めて有用である。
Claims (5)
- 以下の工程を含むことを特徴とする、炭素繊維の前駆体繊維の製造方法：
（１）カルボキシメチルセルロースの水溶液を調製する工程；
（２）このカルボキシメチルセルロースの水溶液にカーボンナノチューブを添加し、超音波を照射してカーボンナノチューブを分散させ、カーボンナノチューブ分散液を調製する工程；
（３）このカーボンナノチューブ分散液とポリアクリロニトリル系ポリマーとロダン塩とを含む紡糸原液を調製する工程；
（４）この紡糸原液から湿式又は乾湿式紡糸法によって凝固糸を得る工程；そして
（５）この凝固糸を延伸して炭素繊維の前駆体繊維を得る工程。 - 工程（３）で調製される紡糸原液が、３０〜６０重量％のロダン塩、５〜３０重量％のポリアクリロニトリル系ポリマー、ポリアクリロニトリル系ポリマーに対して０．０１〜５重量％のカーボンナノチューブ、及び０．００１〜５重量％のカルボキシメチルセルロースを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 請求項１又は２に記載の方法によって製造される、炭素繊維の前駆体繊維であって、略円形断面を有しかつカーボンナノチューブを含むことを特徴とする炭素繊維の前駆体繊維。
- 請求項３に記載の炭素繊維の前駆体繊維を耐炎化、予備炭素化、及び炭素化することによって製造される炭素繊維であって、６ＧＰａ以上の引張強度及び３００ＧＰａ以上の引張弾性率を有することを特徴とする炭素繊維。
- ロダン塩、ポリアクリロニトリル系ポリマー、カーボンナノチューブ、及びカルボキシメチルセルロースを含む水溶液からなる紡糸原液であって、カルボキシメチルセルロースの分散作用によりカーボンナノチューブが水中に分散していることを特徴とする紡糸原液。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009293608A JP5261367B2 (ja) | 2008-12-26 | 2009-12-25 | 高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008332240 | 2008-12-26 | ||
| JP2008332240 | 2008-12-26 | ||
| JP2009293608A JP5261367B2 (ja) | 2008-12-26 | 2009-12-25 | 高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2010168724A true JP2010168724A (ja) | 2010-08-05 |
| JP5261367B2 JP5261367B2 (ja) | 2013-08-14 |
Family
ID=42701116
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2009293608A Active JP5261367B2 (ja) | 2008-12-26 | 2009-12-25 | 高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5261367B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010159517A (ja) * | 2009-01-09 | 2010-07-22 | Toyobo Co Ltd | 高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法 |
| WO2014077252A1 (ja) * | 2012-11-13 | 2014-05-22 | 保土谷化学工業株式会社 | 多層カーボンナノチューブの水分散液 |
| JP2015203168A (ja) * | 2014-04-15 | 2015-11-16 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 凝集紡糸構造体の製造方法 |
| JP2016540131A (ja) * | 2013-06-21 | 2016-12-22 | コーロン インダストリーズ インク | 炭素繊維用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維及びその製造方法 |
| CN109023592A (zh) * | 2018-05-08 | 2018-12-18 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种高拉伸强度高拉伸模量碳纤维及其制备方法 |
| JP2021507139A (ja) * | 2017-12-18 | 2021-02-22 | アソシアシオン・プール・ル・デベロップマン・ドゥ・ランセニュマン・エ・デ・ルシェルシュ・オープレ・デ・ユニヴェルシテ・デ・サントル・ドゥ・ルシェルシュ・エ・デ・ザントルプリーズ・ダキテーヌ・（アーデーエーエルアー） | リサイクル綿から炭素繊維を生産する方法、及びこの方法で得られた繊維の、複合材料から物品を形成するための使用 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6852410B2 (en) * | 2002-07-01 | 2005-02-08 | Georgia Tech Research Corporation | Macroscopic fiber comprising single-wall carbon nanotubes and acrylonitrile-based polymer and process for making the same |
| JP2006200114A (ja) * | 2004-12-21 | 2006-08-03 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | アクリル繊維、その製造方法および炭素繊維 |
| JP2006292495A (ja) * | 2005-04-08 | 2006-10-26 | Toray Ind Inc | カーボンナノチューブ組成物、バイオセンサーおよびそれらの製造方法 |
| JP2007320828A (ja) * | 2006-06-02 | 2007-12-13 | Horiba Ltd | カーボンナノチューブ含有物質の作成方法 |
| JP2008230935A (ja) * | 2007-03-23 | 2008-10-02 | Chemicals Evaluation & Research Institute | カーボンナノチューブの水分散方法 |
| JP2010530929A (ja) * | 2007-01-30 | 2010-09-16 | ジョージア テック リサーチ コーポレイション | 炭素繊維および炭素膜、ならびにそれらの作製方法 |
-
2009
- 2009-12-25 JP JP2009293608A patent/JP5261367B2/ja active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6852410B2 (en) * | 2002-07-01 | 2005-02-08 | Georgia Tech Research Corporation | Macroscopic fiber comprising single-wall carbon nanotubes and acrylonitrile-based polymer and process for making the same |
| JP2006200114A (ja) * | 2004-12-21 | 2006-08-03 | Mitsubishi Rayon Co Ltd | アクリル繊維、その製造方法および炭素繊維 |
| JP2006292495A (ja) * | 2005-04-08 | 2006-10-26 | Toray Ind Inc | カーボンナノチューブ組成物、バイオセンサーおよびそれらの製造方法 |
| JP2007320828A (ja) * | 2006-06-02 | 2007-12-13 | Horiba Ltd | カーボンナノチューブ含有物質の作成方法 |
| JP2010530929A (ja) * | 2007-01-30 | 2010-09-16 | ジョージア テック リサーチ コーポレイション | 炭素繊維および炭素膜、ならびにそれらの作製方法 |
| JP2008230935A (ja) * | 2007-03-23 | 2008-10-02 | Chemicals Evaluation & Research Institute | カーボンナノチューブの水分散方法 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010159517A (ja) * | 2009-01-09 | 2010-07-22 | Toyobo Co Ltd | 高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法 |
| WO2014077252A1 (ja) * | 2012-11-13 | 2014-05-22 | 保土谷化学工業株式会社 | 多層カーボンナノチューブの水分散液 |
| JP2016540131A (ja) * | 2013-06-21 | 2016-12-22 | コーロン インダストリーズ インク | 炭素繊維用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維及びその製造方法 |
| JP2015203168A (ja) * | 2014-04-15 | 2015-11-16 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 凝集紡糸構造体の製造方法 |
| JP2021507139A (ja) * | 2017-12-18 | 2021-02-22 | アソシアシオン・プール・ル・デベロップマン・ドゥ・ランセニュマン・エ・デ・ルシェルシュ・オープレ・デ・ユニヴェルシテ・デ・サントル・ドゥ・ルシェルシュ・エ・デ・ザントルプリーズ・ダキテーヌ・（アーデーエーエルアー） | リサイクル綿から炭素繊維を生産する方法、及びこの方法で得られた繊維の、複合材料から物品を形成するための使用 |
| JP7368923B2 (ja) | 2017-12-18 | 2023-10-25 | アソシアシオン・プール・ル・デベロップマン・ドゥ・ランセニュマン・エ・デ・ルシェルシュ・オープレ・デ・ユニヴェルシテ・デ・サントル・ドゥ・ルシェルシュ・エ・デ・ザントルプリーズ・ダキテーヌ・（アーデーエーエルアー） | リサイクル綿から炭素繊維を生産する方法、及びこの方法で得られた繊維の、複合材料から物品を形成するための使用 |
| CN109023592A (zh) * | 2018-05-08 | 2018-12-18 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种高拉伸强度高拉伸模量碳纤维及其制备方法 |
| CN109023592B (zh) * | 2018-05-08 | 2020-09-01 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种高拉伸强度高拉伸模量碳纤维及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP5261367B2 (ja) | 2013-08-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5536439B2 (ja) | 高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法 | |
| JP5261405B2 (ja) | 高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法 | |
| JP5697258B2 (ja) | 高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法 | |
| JP5251524B2 (ja) | 高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法 | |
| JP5261367B2 (ja) | 高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法 | |
| JP4940948B2 (ja) | 耐炎繊維、炭素繊維およびそれらの製造方法 | |
| JP5544510B2 (ja) | コンポジット繊維およびコンポジット繊維の製造方法 | |
| JP2011500978A (ja) | カーボンファイバおよびフィルムならびにその製造方法 | |
| US9409337B2 (en) | Polyacrylonitrile/cellulose nano-structure fibers | |
| CN101768798B (zh) | 一种海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的制备方法 | |
| CN104695040A (zh) | 一种高强聚丙烯腈纳米复合纤维的制备方法 | |
| JP2009197365A (ja) | 炭素繊維前駆体繊維の製造方法、及び、炭素繊維の製造方法 | |
| JPWO2011102400A1 (ja) | 高強度かつ高弾性率の炭素繊維を得るための前駆体繊維の製造方法 | |
| CN113832560B (zh) | 一种黏土-纤维素-海藻酸复合阻燃大纤维及其制备和应用 | |
| JP2007182657A (ja) | 炭素繊維前駆体繊維用重合体組成物 | |
| JP2007291557A (ja) | 炭素繊維およびその製造方法 | |
| TWI422633B (zh) | 聚丙烯腈系共聚物與奈米碳管的複合材料、碳纖維以及碳纖維的製法 | |
| JP4582819B1 (ja) | 高強度ポリアクリロニトリル系炭素繊維の製造方法 | |
| JPWO2020090597A1 (ja) | 炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維の製造方法 | |
| JP2010174161A (ja) | 炭素繊維前駆体繊維用ポリアクリロニトリル系重合体の分散体の製造方法 | |
| Ranjan et al. | Multi-walled carbon nanotube/polymer composite: a nano-enabled continuous fiber | |
| JP2007211356A (ja) | カーボンナノファイバーの製造方法 | |
| CN114318593B (zh) | 富勒烯掺杂高规整度的碳纳米纤维及其制备方法与应用 | |
| Hiremath | Structure And Properties Of Cnt Yarns And Cnt/Cnf Reinforced Pan-Based Carbon Fibers | |
| Li et al. | Regenerated cellulose/multiwalled carbon nanotube composite films with enhanced mechanical properties prepared in NaOH/urea aqueous solution |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20121214 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130409 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130410 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130426 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160502 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5261367 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |