JP2011202336A - Carbon fiber precursor acrylic fiber bundle, method for producing the same, and method for producing carbon fiber bundle - Google Patents

Carbon fiber precursor acrylic fiber bundle, method for producing the same, and method for producing carbon fiber bundle Download PDF

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健太郎 佐野
Toshiya Kamae
俊也 釜江
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a carbon fiber precursor acrylic fiber bundle improving deterioration of operability with scales produced when a precursor fiber bundle to which a treating agent using a silicone compound as a principal component is applied is baked or the deterioration of physical properties of the carbon fiber bundle produced when the precursor fiber bundle to which a non-silicone-based treating agent is applied is baked, and to provide a method for producing the carbon fiber bundle having excellent mechanical properties and quality.SOLUTION: The treating agent includes 60-100 mass% of following components [A] and [B] in the treating agent, and the total pickup of the following components [A] and [B] in the treating agent is 0.05-3.0 pts.mass based on 100 pts.mass of the fiber bundle. Furthermore, the mass ratio [A]:[B] in the treating agent is within the range of (30:70)-(70:30). [A] a modified silicone; and [B] a monoester or a diester of a carboxylic acid having 4-8C monovalent branched type saturated hydrocarbon with a monohydric or a dihydric alcohol having 3-20C monovalent hydrocarbon.

Description

本発明は、品質および物性の優れた炭素繊維を製造するのに好適な炭素繊維前駆体アクリル系繊維束(以下、単に前駆体繊維束とも表記する)、およびそれを用いて製造される炭素繊維束の製造方法に関する。   The present invention relates to a carbon fiber precursor acrylic fiber bundle (hereinafter also simply referred to as a precursor fiber bundle) suitable for producing a carbon fiber having excellent quality and physical properties, and a carbon fiber produced using the carbon fiber precursor acrylic fiber bundle. The present invention relates to a method for manufacturing a bundle.

従来、炭素繊維束の製造方法として、前駆体繊維束を200〜300℃の酸素存在雰囲気下で加熱処理することにより耐炎化繊維束に転換し、引き続いて1000℃以上の不活性雰囲気下で炭素化して炭素繊維束を得る方法が知られている。この方法で得られた炭素繊維束は、優れた機械的物性により、特に複合材料用の強化繊維として工業的に広く利用されている。   Conventionally, as a method for producing a carbon fiber bundle, the precursor fiber bundle is converted into a flame-resistant fiber bundle by heat treatment in an atmosphere containing 200 to 300 ° C., and subsequently carbon in an inert atmosphere of 1000 ° C. or more. There is known a method of obtaining a carbon fiber bundle by converting into a carbon fiber. Carbon fiber bundles obtained by this method are widely used industrially as reinforcing fibers for composite materials because of their excellent mechanical properties.

しかし、前駆体繊維束を耐炎化繊維束に転換する耐炎化工程において、単繊維間に融着が発生し、耐炎化工程および続く炭素化工程(以下、耐炎化工程と炭素化工程を総合して焼成工程とも表記する)において、毛羽や糸切れといった工程障害が発生する場合がある。また、融着したまま焼成された炭素繊維束は、表面欠陥の増加と共にストランド強度の低下が著しくなる。   However, in the flameproofing process for converting the precursor fiber bundle into a flameproofed fiber bundle, fusion occurs between the single fibers, and the flameproofing process and the subsequent carbonization process (hereinafter referred to as the flameproofing process and the carbonization process are combined). In some cases, process failures such as fluff and yarn breakage may occur. Moreover, the carbon fiber bundles fired while being fused have a remarkable decrease in strand strength as the surface defects increase.

単繊維間の融着を回避するためには、前駆体繊維に付着させる処理剤の選択が重要であることが知られており、多くの化合物が検討されてきた。例えば、アミノ変性シリコーン、エポキシ変性シリコーン、ポリエーテル変性シリコーン等の変性シリコーンを配合したシリコーン系の処理剤は、高い耐熱性を有し、単繊維の融着を抑える効果があることから広く用いられている。(例えば、特許文献1および2参照)
一方、シリコーン系の処理剤には、次のような問題があった。前記特許文献に開示されているシリコーン系の処理剤は、シリコーン成分が加熱により架橋反応して高粘度化・ゲル化することにより、単繊維間の融着を防止する。そのため、ゲル化した処理剤が、繊維表面から脱落して、前駆体繊維製造工程や耐炎化工程においてロールに堆積し、毛羽や糸切れを誘発することがある。また、焼成工程において、処理剤中のシリコーン化合物の大部分は分解、飛散し、その一部が焼成炉内で酸化ケイ素や炭化ケイ素、窒化ケイ素などのケイ素化合物を生成し、これらのスケールが異物となり、工程安定性、製品の品質を低下させていた。
In order to avoid fusion between single fibers, it is known that selection of a treatment agent to be attached to the precursor fiber is important, and many compounds have been studied. For example, silicone-based treatments containing modified silicones such as amino-modified silicones, epoxy-modified silicones, and polyether-modified silicones are widely used because of their high heat resistance and the effect of suppressing the fusion of single fibers. ing. (For example, see Patent Documents 1 and 2)
On the other hand, silicone processing agents have the following problems. The silicone-based treatment agent disclosed in the patent document prevents fusion between single fibers by causing the silicone component to undergo a crosslinking reaction by heating to increase viscosity and gel. Therefore, the gelled treatment agent may fall off from the fiber surface and accumulate on the roll in the precursor fiber manufacturing process or the flameproofing process, thereby inducing fluff or thread breakage. In the firing process, most of the silicone compound in the treatment agent is decomposed and scattered, and a part of the silicon compound forms silicon compounds such as silicon oxide, silicon carbide, and silicon nitride in the firing furnace, and these scales are foreign matters. As a result, process stability and product quality were reduced.

シリコーン系の処理剤には、このような問題があるため、非シリコーン化合物を主成分として用いた、処理剤(非シリコーン系の処理剤)も提案されている。このような技術として、非シリコーン化合物に、ビスフェノールAのアルキレンオキサイド付加物の脂肪酸エステル(特許文献3参照)、2価アルコール又はポリオキシアルキレンジオールとカルボン酸のエステル(特許文献4参照)、アルキル又はアルケニルチオ脂肪酸エステル(特許文献5参照)などを用いた例が挙げられる。   Since the silicone-based treatment agent has such problems, a treatment agent (non-silicone treatment agent) using a non-silicone compound as a main component has also been proposed. As such a technique, a fatty acid ester of an alkylene oxide adduct of bisphenol A (see Patent Document 3), an ester of a dihydric alcohol or polyoxyalkylene diol and a carboxylic acid (see Patent Document 4), alkyl or An example using an alkenylthio fatty acid ester (see Patent Document 5) is given.

非シリコーン系の処理剤は焼成工程におけるケイ素化合物の発生が無いことや、原料が安価なことなど有利な点もあるが、シリコーン化合物に比べて熱安定性が劣るものが多い。そのため焼成工程での単繊維の融着による表面欠陥の増加が、シリコーン系の処理剤を用いた場合に比較して生じることが多く、これに起因して製造工程では毛羽の発生や糸切れ、製品においてはストランド強度の低下といった点において、シリコーン系の処理剤に比べて劣るため、非シリコーン系の処理剤の適用は限定的なものであった。   Non-silicone-based treatment agents have advantages such as the absence of generation of silicon compounds in the firing process and the low cost of raw materials, but many of them are inferior in thermal stability compared to silicone compounds. Therefore, the increase in surface defects due to the fusion of single fibers in the firing process often occurs as compared to the case of using a silicone-based treatment agent. Since the product is inferior to the silicone-based treatment agent in terms of the reduction in strand strength, the application of the non-silicone treatment agent has been limited.

これらの問題に対して、シリコーン化合物と非シリコーン化合物を組み合わせる提案がなされている(特許文献6〜8参照)。しかし、単繊維間の融着を防止する効果が十分でなかったり、焼成工程におけるケイ素化合物飛散量の低減効果が不十分であったりして、前記した問題の解決にはいたっていなかった。また、特許文献9では、非シリコーン化合物を1段目で付与した後、乾燥、洗浄後2段目としてシリコーン化合物を付与し、乾燥する方法が提案されている。しかしながら、この方法では、洗浄により処理剤の付着量を一定量に制御することは難しく、また2段目の処理剤浴中に1段目の処理剤が混入し、処理剤の組成が一定しないなどの問題もあった。   In order to solve these problems, proposals have been made to combine a silicone compound and a non-silicone compound (see Patent Documents 6 to 8). However, the effect of preventing the fusion between the single fibers is not sufficient, or the effect of reducing the amount of silicon compound scattering in the firing process is insufficient. Further, Patent Document 9 proposes a method in which a non-silicone compound is applied in the first stage, and then a silicone compound is applied and dried in the second stage after drying and washing. However, in this method, it is difficult to control the amount of treatment agent attached to a constant amount by washing, and the first-stage treatment agent is mixed in the second-stage treatment agent bath, and the composition of the treatment agent is not constant. There were also problems such as.

以上のように、従来技術による非シリコーン系処理剤のみを付与した前駆体繊維束では、工程安定性、炭素繊維束の機械的物性の発現において、シリコーン系処理剤を付与した前駆体繊維束より劣る傾向にあり、高品質な炭素繊維束を安定して得ることはできない。また、非シリコーン化合物とシリコーン化合物を併用し、シリコーン化合物の含有量を低減した処理剤を付与した前駆体繊維束は、高品質な炭素繊維束を安定して得ることはできない。   As described above, in the precursor fiber bundle provided with only the non-silicone treatment agent according to the prior art, the precursor fiber bundle provided with the silicone treatment agent in terms of process stability and expression of mechanical properties of the carbon fiber bundle. It tends to be inferior, and a high-quality carbon fiber bundle cannot be obtained stably. Moreover, a precursor fiber bundle to which a non-silicone compound and a silicone compound are used in combination and a treatment agent with a reduced content of the silicone compound is applied cannot stably obtain a high-quality carbon fiber bundle.

つまり、シリコーン系処理剤に端を発する焼成工程でのケイ素化合物発生の問題と、非シリコーン系処理剤による炭素繊維物性低下の問題は表裏一体の関係に有り、従来技術ではこの両課題を共に解決するに至っていない。   In other words, the problem of silicon compound generation in the firing process that originates from silicone treatment agents and the problem of deterioration of physical properties of carbon fibers due to non-silicone treatment agents are in an integrated relationship. It hasn't been done yet.

特開2006−188795号公報JP 2006-188895 A 特開2006−183159号公報JP 2006-183159 A 特開2004−143645号公報JP 2004-143645 A 特開2001−248076号公報JP 2001-248076 A 特公昭61−15186号公報Japanese Patent Publication No. 61-15186 特開2008−196097号公報JP 2008-196097 A 特開2000−199183号公報JP 2000-199183 A 国際公開第2009/060834号パンフレットInternational Publication No. 2009/060834 Pamphlet 特開2005−89883号公報JP 2005-89883 A

本発明の目的は、シリコーン化合物を主成分として用いた処理剤を付与した前駆体繊維束を焼成した場合に発生するスケールによる操業性低下や、非シリコーン化合物を主成分として、あるいはシリコーン化合物と混合した、非シリコーン系処理剤を付与した前駆体繊維束を焼成するときに発生する炭素繊維束物性の低下を改善しうる炭素繊維前駆体アクリル系繊維束を提供することにある。さらに、この炭素繊維前駆体アクリル系繊維束を焼成することにより得られる機械的物性および品質に優れた炭素繊維束の製造方法を提供することにある。   The object of the present invention is to reduce the operability due to scale generated when a precursor fiber bundle to which a treatment agent containing a silicone compound as a main component is applied is fired, or to mix a non-silicone compound as a main component or with a silicone compound. Another object of the present invention is to provide a carbon fiber precursor acrylic fiber bundle that can improve the deterioration of the physical properties of the carbon fiber bundle generated when the precursor fiber bundle to which the non-silicone treatment agent is applied is fired. Furthermore, it is providing the manufacturing method of the carbon fiber bundle excellent in the mechanical physical property and quality obtained by baking this carbon fiber precursor acrylic fiber bundle.

本発明者らは、シリコーン化合物と非シリコーン化合物を組み合わせた処理剤において、単繊維間の融着を防止する効果が十分でない原因は、シリコーン化合物と非シリコーン化合物との相溶性が低いため、前駆体繊維束表面にシリコーン化合物と非シリコーン化合物の混合物が均一に付着せず、分離が生じているため、非シリコーン化合物が偏在した部位において、単繊維間の融着を防止する効果が十分でないのではないかとの仮説の下、シリコーン化合物と非シリコーン化合物を含有する処理剤について両成分の相溶性に着目して各工程糸を詳細に解析したところ、前駆体繊維束表面における処理剤成分の分離が、原因であることを突き止めた。すなわち、従来の技術では繊維束に付与する前の処理剤の配合物の状態での相溶性は良好であり、前駆体繊維束への付与直後は繊維表面での成分分離は見られないものの、製糸工程において前駆体繊維束を高温で処理し緻密化する乾燥工程を経ると、繊維の表面において処理剤成分の分離が発生していることを見出した。このように処理剤を付与した後の製糸工程において両成分が分離することにより、シリコーン化合物の融着抑制効果が不十分となったものと考えられる。
つまり、耐炎化工程において単繊維間の融着を抑制するためには、処理剤の配合物の状態で相溶しているだけでは不十分であり、前駆体繊維束表面において、製糸工程における高温条件化でも分離が発生しないことが必要であること、さらには、特定の分岐型飽和炭化水素鎖を有するエステル化合物とシリコーン化合物を適切な比率で付与した炭素繊維前駆体アクリル系繊維束を用いることにより、繊維表面における処理剤組成物の分離を抑制することができることを見出したものである。
In the treatment agent combining a silicone compound and a non-silicone compound, the present inventors have insufficient effect of preventing fusion between single fibers because the compatibility between the silicone compound and the non-silicone compound is low. Since the mixture of the silicone compound and the non-silicone compound does not uniformly adhere to the surface of the body fiber bundle and the separation occurs, the effect of preventing the fusion between the single fibers is not sufficient at the site where the non-silicone compound is unevenly distributed. Under the hypothesis that the treatment yarn containing a silicone compound and a non-silicone compound, the process yarns were analyzed in detail, focusing on the compatibility of the two components. Separation of the treatment agent components on the precursor fiber bundle surface But I found out that it was the cause. That is, in the conventional technology, the compatibility in the state of the blend of the treatment agent before being applied to the fiber bundle is good, and although component separation on the fiber surface is not seen immediately after application to the precursor fiber bundle, It was found that separation of the treating agent component occurred on the surface of the fiber after passing through a drying step in which the precursor fiber bundle was processed at a high temperature and densified in the yarn forming step. Thus, it is thought that the fusion inhibitory effect of a silicone compound became inadequate when both components isolate | separated in the yarn-making process after providing a processing agent.
In other words, in order to suppress the fusion between single fibers in the flameproofing process, it is not sufficient that they are mixed in the state of the treatment agent mixture, and the precursor fiber bundle surface has a high temperature in the spinning process. It is necessary that separation does not occur even under conditions, and furthermore, a carbon fiber precursor acrylic fiber bundle provided with an ester compound having a specific branched saturated hydrocarbon chain and a silicone compound in an appropriate ratio is used. Thus, it has been found that separation of the treatment agent composition on the fiber surface can be suppressed.

すなわち、本発明の炭素繊維前駆体アクリル系繊維束は、処理剤が表面に付着したアクリル系繊維束であって、該処理剤が、下記[A]成分と下記[B]成分を該処理剤中に60〜100質量%含み、該処理剤中の下記[A]成分と下記[B]成分の合計の付着量が、該処理剤が付着される前のアクリル系繊維束100質量部に対し0.05〜3.0質量部であり、かつ、該処理剤中の下記[A]成分と下記[B]成分との質量比率が[A]:[B]=30:70〜70:30の範囲であることを特徴とする。
[A]変性シリコーン
[B]下記式(1)および/または式(2)で表される化合物
That is, the carbon fiber precursor acrylic fiber bundle of the present invention is an acrylic fiber bundle having a treatment agent attached to the surface, and the treatment agent comprises the following [A] component and the following [B] component. 60 to 100% by mass in the total amount of the following [A] component and the following [B] component in the treatment agent is 100 parts by mass of the acrylic fiber bundle before the treatment agent is attached. 0.05 to 3.0 parts by mass, and the mass ratio of the following [A] component to the following [B] component in the treatment agent is [A]: [B] = 30: 70 to 70:30. It is the range of these.
[A] Modified silicone [B] Compound represented by the following formula (1) and / or formula (2)

(式(1)においてRは炭素数4−8の1価の分岐型飽和炭化水素基であり、Aは炭素数3〜20の1価の炭化水素基である。) (In Formula (1), R 1 is a monovalent branched saturated hydrocarbon group having 4 to 8 carbon atoms, and A 1 is a monovalent hydrocarbon group having 3 to 20 carbon atoms.)

(式(2)においてR,Rはそれぞれ炭素数4−8の1価の分岐型飽和炭化水素基であり、同一であっても異なっていても良い。Aは炭素数3〜20の2価の炭化水素基である)。 (In Formula (2), R 2 and R 3 are each a monovalent branched saturated hydrocarbon group having 4 to 8 carbon atoms, and may be the same or different. A 2 has 3 to 20 carbon atoms. Divalent hydrocarbon group).

本発明においては、[A]成分が、アミノ変性シリコーンであることが好ましい。   In the present invention, the [A] component is preferably an amino-modified silicone.

また、前記処理剤に含まれる[A]成分および/または[B]成分の、式(1)におけるR、式(2)におけるR,Rのうち少なくとも一つが、t−ブチル基または分岐オクチル基であることが好ましい。
本発明においては、[B]成分が、ネオペンタン酸と2,4−ジエチル−1,5−ペンタンジオールから得られるジエステル、ネオペンタン酸と3−メチル−1,5−ペンタンジオールから得られるジエステル、イソノナン酸とネオペンチルグリコールから得られるジエステル、ネオペンタン酸イソステアリルエステル、ネオペンタン酸オクチルドデシルエステル、イソノナン酸イソトリデシルエステル、イソノナン酸イソデシルエステル、イソノナン酸イソノニルエステル、イソノナン酸エチルへキシルエステル から選ばれる少なくとも一つの化合物であることが好ましい。
In addition, at least one of R 1 in Formula ( 1 ) and R 2 and R 3 in Formula (2) of the [A] component and / or [B] component contained in the treatment agent is a t-butyl group or A branched octyl group is preferred.
In the present invention, the [B] component is a diester obtained from neopentanoic acid and 2,4-diethyl-1,5-pentanediol, a diester obtained from neopentanoic acid and 3-methyl-1,5-pentanediol, isononane Selected from diesters obtained from acid and neopentyl glycol, neopentanoic acid isostearyl ester, neopentanoic acid octyldodecyl ester, isononanoic acid isotridecyl ester, isononanoic acid isodecyl ester, isononanoic acid isononyl ester, isononanoic acid ethylhexyl ester Preferably it is at least one compound.

また、本発明の炭素繊維前駆体アクリル系繊維束は、前記処理剤を付与する前のアクリル系繊維束を、該処理剤の分散液で満たされた浴中を通過させて処理剤を付与した後、乾燥処理をする工程を有する製造方法、さらには、乾燥処理をした後、さらに処理剤を付与する工程を有する製造方法で製造されることが好ましい。   Moreover, the carbon fiber precursor acrylic fiber bundle of the present invention was applied with the treatment agent by passing the acrylic fiber bundle before applying the treatment agent through a bath filled with the dispersion of the treatment agent. Then, it is preferable to manufacture with the manufacturing method which has the process of giving the processing agent after performing the drying process and also giving the processing agent after performing the drying process.

本発明の炭素繊維前駆体アクリル系繊維束は、酸素含有雰囲気下において耐炎化し、その後炭化せしめることにより、炭素繊維束を製造するのに好ましく用いられる。   The carbon fiber precursor acrylic fiber bundle of the present invention is preferably used for producing a carbon fiber bundle by making it flame resistant in an oxygen-containing atmosphere and then carbonizing it.

本発明の炭素繊維前駆体アクリル系繊維束を用いると、炭素繊維束製造工程における単繊維間の融着抑制効果を維持しながら、工程障害となるケイ素化合物の発生を従来に比べて抑制することができる。これにより操業性が向上し、さらに、得られた炭素繊維は従来品に比べて良好な機械的物性を発現することが可能となる。   When the carbon fiber precursor acrylic fiber bundle of the present invention is used, it suppresses the generation of silicon compounds that interfere with the process while maintaining the effect of suppressing the fusion between single fibers in the carbon fiber bundle manufacturing process. Can do. As a result, the operability is improved, and the obtained carbon fiber can exhibit better mechanical properties than conventional products.

実施例のSEM観察において処理剤の分離が発生していないと判別した画像Image determined that separation of treatment agent did not occur in SEM observation of Example 実施例のSEM観察において処理剤の分離が発生していると判別した画像Image determined that separation of treatment agent occurred in SEM observation of Example

本発明の炭素繊維前駆体アクリル系繊維束は、処理剤が表面に付着しており、該処理剤が、下記[A]成分と下記[B]成分を該処理剤中に60〜100質量%含み、該処理剤中の下記[A]成分と下記[B]成分の合計の付着量が、該処理剤が付着される前のアクリル系繊維束100質量部に対し0.05〜3.0質量部であり、かつ、該処理剤中の下記[A]成分と下記[B]成分との質量比率が[A]:[B]=30:70〜70:30の範囲であることを特徴とする。
[A]変性シリコーン
[B]下記式(1)および/または式(2)で表される化合物
In the carbon fiber precursor acrylic fiber bundle of the present invention, the treatment agent is attached to the surface, and the treatment agent contains the following [A] component and the following [B] component in the treatment agent in an amount of 60 to 100% by mass. In addition, the total adhesion amount of the following [A] component and the following [B] component in the treatment agent is 0.05 to 3.0 with respect to 100 parts by mass of the acrylic fiber bundle before the treatment agent is adhered. The mass ratio of the following [A] component and the following [B] component in the treatment agent is in the range of [A]: [B] = 30: 70 to 70:30. And
[A] Modified silicone [B] Compound represented by the following formula (1) and / or formula (2)

(式(1)においてRは炭素数4−8の1価の分岐型飽和炭化水素基であり、Aは炭素数3〜20の1価の炭化水素基である。) (In Formula (1), R 1 is a monovalent branched saturated hydrocarbon group having 4 to 8 carbon atoms, and A 1 is a monovalent hydrocarbon group having 3 to 20 carbon atoms.)

(式(2)においてR,Rはそれぞれ炭素数4−8の1価の分岐型飽和炭化水素基であり、同一であっても異なっていても良い。Aは炭素数3〜20の2価の炭化水素基である)。 (In Formula (2), R 2 and R 3 are each a monovalent branched saturated hydrocarbon group having 4 to 8 carbon atoms, and may be the same or different. A 2 has 3 to 20 carbon atoms. Divalent hydrocarbon group).

本発明においては、繊維束に付与する処理剤の構成が最も重要である。   In the present invention, the configuration of the treatment agent applied to the fiber bundle is the most important.

処理剤中の[A]成分は従来から融着を抑制する効果が高いことが知られている成分であるが前述したような問題を有している、[B]成分は非シリコーン化合物であるが上記の特定の構造を有することにより[A]成分と極めて相溶性が良く、製糸工程を全て経た後でさえも、前駆体繊維束表面において[A]成分と分離することがないので、これらを併用することにより、少量の[A]成分でも前駆体繊維束表面全体をカバーすることができるので、[A]成分の付与量を低減しても、強度低下を抑制することができるのである。   The [A] component in the treatment agent is a component that has been known to have a high effect of suppressing fusion, but has the problems described above, and the [B] component is a non-silicone compound. Is highly compatible with the [A] component by having the above-mentioned specific structure, and even after passing through all the spinning processes, it does not separate from the [A] component on the surface of the precursor fiber bundle. By using together, even a small amount of the [A] component can cover the entire surface of the precursor fiber bundle, so even if the amount of application of the [A] component is reduced, a decrease in strength can be suppressed. .

すなわち、かかる特定の処理剤を用いることにより、シリコーン化合物含有量を低減と、炭素繊維束強度の向上という従来両立ができなかった課題を共に解決することが可能となったものであり、製造工程の操業性と製品の品質を同時に向上することができたものである。   That is, by using such a specific treatment agent, it has become possible to solve both of the problems that could not be achieved in the past, such as reducing the silicone compound content and improving the carbon fiber bundle strength, and the manufacturing process. We were able to improve the operability and product quality at the same time.

このように本発明の主な部分は特定の処理剤を適用することにあるが、製糸工程において前駆体繊維束に特定の比率で付与して得るものであるから、以下では該処理剤を付与する前駆体繊維束の製糸に関する内容から順を追って説明する。   As described above, the main part of the present invention is to apply a specific treating agent, but since it is obtained by giving a specific ratio to the precursor fiber bundle in the yarn forming process, the treating agent is given below. A description will be made in order from the contents related to the yarn production of the precursor fiber bundle.

本発明の炭素繊維前駆体アクリル系繊維束を製造するのに用いられる、処理剤組成物を付着させる前のアクリル系繊維束は、アクリロニトリル系重合体を紡糸して得られるアクリル系繊維束であれば特に限定はされず、公知の技術により紡糸されたアクリル系繊維束を用いることができる。   The acrylic fiber bundle used for producing the carbon fiber precursor acrylic fiber bundle of the present invention before the treatment agent composition is attached may be an acrylic fiber bundle obtained by spinning an acrylonitrile polymer. There is no particular limitation, and an acrylic fiber bundle spun by a known technique can be used.

アクリロニトリル系重合体は、アクリロニトリルを主な単量体とし、これを重合して得られる重合体である。アクリロニトリル系重合体は、アクリロニトリルのみから得られるホモポリマーだけでなく、主成分であるアクリロニトリルに加えて他の単量体を用いたアクリロニトリル系共重合体であっても差し支えない。   The acrylonitrile-based polymer is a polymer obtained by polymerizing acrylonitrile as a main monomer. The acrylonitrile-based polymer is not limited to a homopolymer obtained only from acrylonitrile, but may be an acrylonitrile-based copolymer using other monomers in addition to the main component acrylonitrile.

本発明において用いられるアクリロニトリル系共重合体の成分としては、アクリロニトリル95モル%以上であることが、紡糸溶液の安定性の観点で好ましく、より好ましくは98モル%以上である。本発明において用いられるアクリロニトリル系共重合体には耐炎化を促進し、かつ、アクリロニトリルと共重合性のある耐炎化促進成分を0.1モル%以上含有することが好ましい。かかる成分を多量に添加すると、耐炎化時の異常発熱を生じる場合があるので、5モル%以下、より好ましくは2モル%以下の範囲で共重合したものを使用することが好ましい。かかる耐炎化促進成分としては、アクリル酸、メタクリル酸およびイタコン酸からなる群から選ばれた少なくとも一種の単量体を用いることが好ましい。また、かかる耐炎化促進成分以外にも溶媒への溶解性を高める観点から、例えば、アクリル酸メチルなどの(メタ)アクリル酸アルキルエステルを共重合しても構わない。   The component of the acrylonitrile copolymer used in the present invention is preferably 95 mol% or more of acrylonitrile from the viewpoint of the stability of the spinning solution, and more preferably 98 mol% or more. The acrylonitrile copolymer used in the present invention preferably contains 0.1 mol% or more of a flame resistance promoting component which promotes flame resistance and is copolymerizable with acrylonitrile. When such a component is added in a large amount, abnormal heat generation may be caused at the time of flame resistance. Therefore, it is preferable to use a copolymer copolymerized in a range of 5 mol% or less, more preferably 2 mol% or less. As such flame resistance promoting component, it is preferable to use at least one monomer selected from the group consisting of acrylic acid, methacrylic acid and itaconic acid. In addition to the flame resistance promoting component, from the viewpoint of enhancing the solubility in a solvent, for example, a (meth) acrylic acid alkyl ester such as methyl acrylate may be copolymerized.

紡糸溶液は、溶液重合法、懸濁重合法および乳化重合法などの重合法を採用して得ることができる。紡糸溶液に使用される溶媒としては、有機、無機いずれの溶媒も使用することができるが、特に有機溶媒を使用することが好ましい。具体的には、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどが好ましく、特にジメチルスルホキシドがより好ましい。   The spinning solution can be obtained by employing a polymerization method such as a solution polymerization method, a suspension polymerization method, and an emulsion polymerization method. As the solvent used in the spinning solution, both organic and inorganic solvents can be used, and it is particularly preferable to use an organic solvent. Specifically, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, and the like are preferable, and dimethyl sulfoxide is particularly preferable.

紡糸方法は、上記の紡糸溶液を空気中で凝固する乾式紡糸法、凝固浴液中で凝固する湿式紡糸法など公知の紡糸方法を適宜使用できるが、特に湿式紡糸法が好適に使用される。   As the spinning method, a known spinning method such as a dry spinning method in which the above spinning solution is coagulated in the air or a wet spinning method in which the spinning solution is coagulated in a coagulation bath liquid can be used as appropriate, but the wet spinning method is particularly preferably used.

湿式紡糸法による紡糸賦形は、紡糸口金から直接または一旦空気中を経てから凝固浴中に紡糸溶液を吐出し、凝固糸を得る。凝固浴液は、溶剤回収の容易さの点から、紡糸溶液に使用する溶媒と凝固促進成分とから構成することが好ましく、凝固促進成分としては水を用いることが好ましい。凝固浴液中の紡糸溶媒と凝固促進成分の割合および凝固浴液温度は、得られる凝固糸の緻密性、表面平滑性および可紡性などを考慮して適宜選択して使用される。   In the spinning shaping by the wet spinning method, the spinning solution is discharged directly into the coagulation bath directly from the spinneret or after passing through the air to obtain a coagulated yarn. The coagulation bath liquid is preferably composed of a solvent used for the spinning solution and a coagulation accelerating component from the viewpoint of easy solvent recovery, and water is preferably used as the coagulation accelerating component. The ratio of the spinning solvent and the coagulation promoting component in the coagulation bath liquid and the coagulation bath liquid temperature are appropriately selected and used in consideration of the denseness, surface smoothness, spinnability, and the like of the obtained coagulated yarn.

紡糸して得られた凝固糸は、20℃〜98℃の温度に温調された単数または複数の水浴中で水洗され、一次延伸される。一次延伸倍率は、糸切れや単繊維間の接着が生じない範囲で、適宜設定することができるが、表面がより平滑な前駆体繊維を得るためには、一次延伸倍率は5倍以下であることが好ましい。一次延伸倍率は、製糸全工程の延伸倍率を高めることができる点で、1.1倍以上であることが好ましい。   The coagulated yarn obtained by spinning is washed with water in one or more water baths adjusted to a temperature of 20 ° C. to 98 ° C. and subjected to primary stretching. The primary draw ratio can be appropriately set as long as thread breakage or adhesion between single fibers does not occur, but in order to obtain a precursor fiber with a smoother surface, the primary draw ratio is 5 times or less. It is preferable. The primary draw ratio is preferably 1.1 times or more from the viewpoint that the draw ratio of the whole yarn production process can be increased.

また、一次延伸浴の最高温度は、50℃以上とすることが好ましく、より好ましくは70℃以上であるかかる温度範囲を採ることにより、乾燥工程を経て得られる前駆体繊維の緻密性を向上させることが出きるため好ましい。また、一次延伸浴の最高温度が99℃を超えると水の蒸発が激しく、製造エネルギー消費が大きくなるため、一次延伸浴の最高温度は99℃以下であることが好ましい。   Further, the maximum temperature of the primary stretching bath is preferably 50 ° C. or higher, and more preferably 70 ° C. or higher, thereby improving the denseness of the precursor fiber obtained through the drying step. This is preferable because it comes out. Further, when the maximum temperature of the primary stretching bath exceeds 99 ° C., the water is vigorously evaporated and the production energy consumption is increased. Therefore, the maximum temperature of the primary stretching bath is preferably 99 ° C. or less.

一次延伸に続く乾燥工程において糸束の乾燥手段としては、加熱された複数のローラーに糸束を直接接触させる手段が好ましく用いられる。乾燥温度は、高いほど生産性の観点からも好ましく、単繊維間の融着が生じない範囲で高く設定することが好ましい。具体的には、乾燥温度は150℃〜200℃が好ましく、より好ましくは180℃〜190℃である。乾燥温度が200℃を超えると、乾燥工程における単繊維間の融着が顕著となる。また、処理剤を水膨潤糸に付与する場合は、乾燥温度が200℃を超えると処理剤のゲル化が発生するため、続く二次延伸工程において処理剤が繊維の延伸に追従することができず、繊維束の延伸後に処理剤の未付着部が発生し、本発明の効果を奏しない場合がある。乾燥時間は、膨潤糸束が乾燥するのに十分な時間とする。具体的には、乾燥時間は15〜60秒程度である。また、糸束への加熱状態が均一となるように、糸束をできるだけ拡幅した状態でローラーに接触させることが好ましい。   As a means for drying the yarn bundle in the drying step subsequent to the primary stretching, a means for bringing the yarn bundle into direct contact with a plurality of heated rollers is preferably used. The higher the drying temperature, the better from the viewpoint of productivity, and it is preferable to set the drying temperature as high as possible without causing fusion between single fibers. Specifically, the drying temperature is preferably 150 ° C to 200 ° C, more preferably 180 ° C to 190 ° C. When the drying temperature exceeds 200 ° C., the fusion between single fibers in the drying process becomes significant. When the treatment agent is applied to the water-swelling yarn, the gelation of the treatment agent occurs when the drying temperature exceeds 200 ° C., so that the treatment agent can follow the fiber drawing in the subsequent secondary drawing step. In some cases, the non-adhered portion of the treatment agent is generated after the fiber bundle is stretched, and the effect of the present invention may not be achieved. The drying time is set to a time sufficient for the swollen yarn bundle to dry. Specifically, the drying time is about 15 to 60 seconds. Further, it is preferable that the yarn bundle is brought into contact with the roller in a state where the yarn bundle is widened as much as possible so that the heating state to the yarn bundle becomes uniform.

得られる前駆体繊維の緻密性を向上する観点から、乾燥された糸束を、さらに二次延伸することが好ましい。二次延伸の方法としては、加圧水蒸気延伸、乾熱延伸等を用いることができるが、生産性向上の観点から加圧水蒸気延伸が好ましい。加圧水蒸気延伸時の水蒸気圧または温度や二次延伸倍率は、糸切れや毛羽発生のない範囲で適宜選択して使用することができる。   From the viewpoint of improving the denseness of the obtained precursor fiber, the dried yarn bundle is preferably further subjected to secondary stretching. As the method of secondary stretching, pressurized steam stretching, dry heat stretching, or the like can be used, but pressurized steam stretching is preferable from the viewpoint of improving productivity. The water vapor pressure or temperature at the time of pressurized water vapor stretching or the secondary stretching ratio can be appropriately selected and used within a range where yarn breakage and fluff generation do not occur.

その後、糸束はワインダーによって巻き上げ、アクリル系繊維束のパッケージが得られる。   Thereafter, the yarn bundle is wound up by a winder to obtain a package of an acrylic fiber bundle.

前駆体繊維の糸束を構成する単繊維の繊度(単繊維繊度)は、好ましくは0.1〜2.0dTexであり、より好ましくは0.3〜1.5dTexであり、さらに好ましくは0.5〜1.2dTexである。単繊維繊度は、小さいほど得られる炭素繊維の引張強度や弾性率を向上する点で有利であるが、生産性は低下することが多いため、性能とコストのバランスを考慮し選択することが好ましい。   The fineness (single fiber fineness) of the single fiber constituting the yarn bundle of the precursor fiber is preferably 0.1 to 2.0 dTex, more preferably 0.3 to 1.5 dTex, and still more preferably 0.8. 5 to 1.2 dTex. The smaller the single fiber fineness is, the more advantageous it is in terms of improving the tensile strength and elastic modulus of the obtained carbon fiber. However, since the productivity is often lowered, it is preferable to select it in consideration of the balance between performance and cost. .

また、前駆体繊維の糸束を構成する単繊維数は、好ましくは1000〜96000本であり、より好ましくは12000〜48000本であり、さらに好ましくは24000〜48000本である。ここで、前駆体繊維の糸束を構成する単繊維数とは、耐炎化処理される直前の単繊維数をいい、生産性の観点からは単繊維数は多いほど好ましい。単繊維の数が少なすぎると、生産性が悪化することが多く、多すぎると耐炎化の際に焼成むらを発生しやすくなることが多い。   The number of single fibers constituting the yarn bundle of the precursor fibers is preferably 1000 to 96000, more preferably 12000 to 48000, and further preferably 24,000 to 48000. Here, the number of single fibers constituting the yarn bundle of the precursor fibers means the number of single fibers immediately before the flameproofing treatment. From the viewpoint of productivity, the number of single fibers is preferably as large as possible. If the number of single fibers is too small, productivity often deteriorates, and if it is too large, uneven firing is likely to occur during flame resistance.

本発明において処理剤の付与方法としては、公知の方法を使用することができるが、例えば以下の方法を用いて1段階で付与することができる。すなわち、処理剤を乳化剤により水分散液とし、その水分散液を前駆体繊維束に付与し、乾燥させる方法である。用いる分散媒としては、作業環境の側面から、水を用いることが好ましい。付与手段としては、浸漬法、噴霧法、タッチロール法あるいはガイド給油法などが挙げられる。処理剤を付与する工程としては、製糸工程のいずれの工程でも付与することができるが、水分散液とした処理剤を前述の一次延伸後の水膨潤状態にあるアクリル系繊維束に付与すれば、前駆体繊維束の乾燥と溶媒の乾燥工程をあわせて簡略化できるため、特に好ましい。   In the present invention, a known method can be used as a treatment agent application method. For example, the treatment agent can be applied in one step using the following method. That is, it is a method in which the treating agent is made into an aqueous dispersion with an emulsifier, and the aqueous dispersion is applied to the precursor fiber bundle and dried. As the dispersion medium to be used, water is preferably used from the viewpoint of the working environment. Examples of the applying means include an immersion method, a spray method, a touch roll method, and a guide oil supply method. As the step of applying the treating agent, it can be given in any step of the yarn forming step, but if the treating agent as an aqueous dispersion is applied to the acrylic fiber bundle in the water-swollen state after the primary stretching described above. In particular, the drying of the precursor fiber bundle and the drying process of the solvent can be simplified together, which is particularly preferable.

また、本発明における処理剤の付与方法のもう一つの態様として、2段階で付与する方法が挙げられる。すなわち、前記と同じく、1段階目として水膨潤糸に油剤を付与し、乾燥緻密化処理した後、さらに2段階目としてさらに油剤を付与する方法である。本発明における[B]成分は後述するとおり、[A]成分との相溶性に優れ、また粘度も低いことから[B]成分の低粘度化剤として、2階目の処理としてタッチロール法あるいはガイド給油法などを用いることが出来る。タッチロール法やガイド給油法においては、前駆体繊維束に一定量の処理剤を添加することが出来、水等の分散媒を除去する工程が不要となるため、コスト面、設備費面でも好ましい。また、前駆体繊維へ付与する油剤の種類、成分、付着量について、1段目と2段目で成分比率を変更しても構わない。特に、1段目の処理剤のうち[A]の成分比率を前駆体繊維束100質量部当たり、0〜0.1質量部にすることが好ましい。該付着量範囲にすることにより、乾燥緻密化ロール上のガムアップを抑制し、長期間にわたって前駆体繊維の品位を良好に維持できる。さらに好ましくは0〜0.05質量部である。いずれの方法においても、処理剤が繊維束に付与された後、溶媒・分散媒を乾燥する工程において、処理剤混合物が繊維表面を覆うように拡展するため、前駆体繊維の状態において処理剤の成分は繊維表面に均一に付与可能である。   Moreover, the method of providing in two steps is mentioned as another aspect of the provision method of the processing agent in this invention. That is, in the same manner as described above, the oil agent is applied to the water-swelling yarn as the first step, and after the drying and densification treatment, the oil agent is further applied as the second step. As described later, the component [B] in the present invention is excellent in compatibility with the component [A] and has a low viscosity. Guide oil supply method can be used. In the touch roll method and the guide oil supply method, a predetermined amount of treatment agent can be added to the precursor fiber bundle, and a process of removing a dispersion medium such as water is not necessary, which is preferable in terms of cost and equipment cost. . Moreover, you may change a component ratio by the 1st step | paragraph and the 2nd step | paragraph about the kind of oil agent provided to a precursor fiber, a component, and the adhesion amount. In particular, the component ratio of [A] in the first-stage treatment agent is preferably 0 to 0.1 parts by mass per 100 parts by mass of the precursor fiber bundle. By setting it as this adhesion amount range, the gum-up on a dry densification roll can be suppressed and the quality of a precursor fiber can be maintained favorable over a long period of time. More preferably, it is 0-0.05 mass part. In any method, after the treatment agent is applied to the fiber bundle, in the step of drying the solvent / dispersion medium, the treatment agent mixture spreads so as to cover the fiber surface. These components can be uniformly applied to the fiber surface.

処理剤を付与する工程としては、製糸工程のいずれの工程でも付与することができるが、水分散液とした処理剤を前述の一次延伸後の水膨潤状態にあるアクリル系繊維束に付与すれば、前駆体繊維束の乾燥と溶媒の乾燥工程をあわせて簡略化できるため、特に好ましい。   As the step of applying the treating agent, it can be given in any step of the yarn forming step, but if the treating agent as an aqueous dispersion is applied to the acrylic fiber bundle in the water-swollen state after the primary stretching described above. In particular, the drying of the precursor fiber bundle and the drying process of the solvent can be simplified together, which is particularly preferable.

本発明において前駆体繊維束に付与せしめる処理剤は、[A]変性シリコーン化合物、[B]前記式(1)および/または前記式(2)で表される化合物を質量比率で[A]:[B]=30:70〜70:30の範囲で含み、[A]成分と[B]成分を該処理剤中に70〜99質量%含むものである。   In the present invention, the treatment agent imparted to the precursor fiber bundle is [A] a modified silicone compound, [B] the compound represented by the above formula (1) and / or the above formula (2) in a mass ratio [A]: [B] = 30: 70 to 70:30 Inclusive, [A] component and [B] component are included in the treatment agent in an amount of 70 to 99% by mass.

本発明において用いる処理剤の[A]成分は、変性シリコーン化合物である。本発明において、変性シリコーン化合物とは、シリコーン骨格を有し、その末端および/または側鎖に、有機官能基を有することにより、酸素雰囲気下加熱することにより架橋しうるシリコーン化合物のことをいう。加熱時に架橋しゲル化することにより、後述のように単繊維間の融着を防止する効果を有するため本発明の処理剤に必要な成分である。かかる変性シリコーンとしては、アミノ変性シリコーン、ポリエーテル変性シリコーン、エポキシ変性シリコーン、カルビノール変性シリコーン等、公知のものを使用できるが、特にアミノ変性シリコーンであることが好ましい。   [A] component of the processing agent used in the present invention is a modified silicone compound. In the present invention, the modified silicone compound refers to a silicone compound that has a silicone skeleton and has an organic functional group at the terminal and / or side chain thereof and can be crosslinked by heating in an oxygen atmosphere. Since it has the effect of preventing fusion between single fibers as described later, it is a necessary component for the treatment agent of the present invention by crosslinking and gelation upon heating. As such modified silicone, known ones such as amino-modified silicone, polyether-modified silicone, epoxy-modified silicone, and carbinol-modified silicone can be used, and amino-modified silicone is particularly preferable.

本発明に用いるアミノ変性シリコーンとしては、1級側鎖アミノ変性タイプ、1,2級側鎖アミン変性タイプ、両末端アミノ変性タイプのいずれも使用することができるが、1,2級側鎖アミンの構造で、25℃における動粘度が1000〜5000mm/s、アミノ当量が1000〜10000g/molであることが、シリコーン化合物の耐熱性、および次項で述べる耐炎化工程における反応性等の観点において好ましい。 As the amino-modified silicone used in the present invention, any of primary side-chain amino-modified type, 1,2-side-chain amine-modified type, and both-terminal amino-modified type can be used. In view of the heat resistance of the silicone compound and the reactivity in the flameproofing step described in the next section, the kinematic viscosity at 25 ° C. is 1000 to 5000 mm 2 / s and the amino equivalent is 1000 to 10,000 g / mol. preferable.

ここで、単繊維融着の抑制効果について変性シリコーンが、奏効する機構について説明する。アクリル系繊維束を焼成する炭素繊維の製造方法では、前駆体であるアクリル系繊維束を、200℃〜300℃の酸素含有雰囲気下で耐炎化し、その後1000℃以上の不活性雰囲気下で炭素化することによって炭素繊維を製造するが、この中で耐炎化工程は200℃以上の温度で前駆体繊維束を処理して部分的に架橋し不融化させる工程である。耐炎化工程では前駆体繊維束中の単繊維の表面は溶融しており、前駆体繊維束中でかかる単繊維同士が接触することにより容易に融着が生じてしまうが、変性シリコーンを含む処理剤を予め表面に付着せしめた前駆体繊維束においては、変性シリコーン化合物は酸素雰囲気下200℃以上の高温で架橋しゲル化したシリコーン化合物の薄膜が単繊維の表面を被覆することにより、前駆体繊維束中の単繊維同士の接触を妨げることにより、融着が抑制されているものと考えられる。   Here, the mechanism by which the modified silicone responds to the effect of suppressing single fiber fusion will be described. In the carbon fiber manufacturing method for firing the acrylic fiber bundle, the precursor acrylic fiber bundle is flame-resistant in an oxygen-containing atmosphere of 200 ° C. to 300 ° C., and then carbonized in an inert atmosphere of 1000 ° C. or higher. In this process, the flame resistance process is a process in which the precursor fiber bundle is treated at a temperature of 200 ° C. or higher to be partially crosslinked and infusible. In the flameproofing process, the surface of the single fiber in the precursor fiber bundle is melted, and the single fiber in the precursor fiber bundle is easily brought into contact with each other. In the precursor fiber bundle in which the agent is previously adhered to the surface, the modified silicone compound is a precursor obtained by coating the surface of a single fiber with a thin film of a silicone compound that is crosslinked and gelled at a high temperature of 200 ° C. or higher in an oxygen atmosphere. It is considered that fusion is suppressed by preventing contact between single fibers in the fiber bundle.

前駆体繊維に付与する変性シリコーンの量を少なくすると、前駆体の単繊維を被覆するゲル化したシリコーン化合物の膜厚が減少し、ゲル化したシリコーン化合物の薄膜により被覆されていない部分が発生し、その部分で融着が発生すると考えられる。   If the amount of the modified silicone applied to the precursor fiber is reduced, the film thickness of the gelled silicone compound covering the precursor single fiber decreases, and a portion not covered by the gelled silicone compound thin film is generated. It is considered that fusion occurs at that portion.

つまり、変性シリコーンの最適な付着量および付着状態は、繊維上をまんべんなく被覆し、なおかつある程度の厚みを保持することであるといえる。   In other words, it can be said that the optimum amount and state of adhesion of the modified silicone is to cover the fibers evenly and maintain a certain thickness.

本発明においては、次に説明する[B]成分との組合せによる効果が重要な意味を持つため、ここでは上述の[A]成分の定性的な意味を示すに留め、付着量や含有比率等の量的な内容については、[B]成分と併せて後述する。   In the present invention, since the effect by the combination with the [B] component described below has an important meaning, only the qualitative meaning of the above-mentioned [A] component is shown here, and the adhesion amount, the content ratio, etc. The quantitative contents of will be described later together with the [B] component.

本発明において用いる処理剤の[B]成分は、前記式(1)および/または式(2)で表される化合物である。[B]成分は、上述の単繊維の融着を防止する効果を有する[A]成分との相溶性が極めて優れているため、常温での配合時のみならず、従来の処理剤が、製糸工程において前駆体繊維束を高温で処理する乾燥緻密化工程を経た後に繊維表面で生じるシリコーン化合物成分と非シリコーン化合物成分の分離を抑制することができる。本発明における[B]成分を単独で使用した場合、融着抑制効果は見られないため、[A]成分と[B]成分を併用による、効果が現れると考えられる。   [B] component of the processing agent used in the present invention is a compound represented by the formula (1) and / or formula (2). The component [B] is extremely excellent in compatibility with the component [A], which has the effect of preventing the above-mentioned single fibers from being fused. Separation of the silicone compound component and the non-silicone compound component occurring on the fiber surface after the drying densification step of treating the precursor fiber bundle at a high temperature in the step can be suppressed. When the [B] component in the present invention is used alone, the effect of suppressing fusion is not seen, so it is considered that the effect of combining the [A] component and the [B] component appears.

そのメカニズムに関しては、その全てが明らかになっているわけではないが、次のように考えている。   As for the mechanism, not all of them are clarified, but I think as follows.

先に、シリコーン化合物の耐炎化工程におけるはたらきとして、架橋して単繊維表面を被覆することが融着抑制に必要であると述べた。   As described above, as a function in the flameproofing process of the silicone compound, it was stated that it is necessary to suppress the fusion by crosslinking and covering the surface of the single fiber.

従来技術においてシリコーン化合物との併用が検討されてきた非シリコーン化合物では、製糸工程で前駆体繊維束を高温で処理する乾燥緻密化工程の後、繊維表面においてシリコーン成分と非シリコーン成分の分離が発生するため、シリコーン成分由来の架橋物の被覆している範囲およびその厚みはシリコーン化合物の量に比例しているものと考えられる。本発明の処理剤では、この架橋の過程において、[B]成分を保持したままシリコーン化合物が架橋するため、被覆している範囲およびその厚みを増すことができる。つまり、[B]成分はシリコーン架橋物の膜厚保持剤として機能すると考えられる。   In the case of non-silicone compounds that have been studied in combination with silicone compounds in the prior art, separation of the silicone component and non-silicone component occurs on the fiber surface after the drying densification step in which the precursor fiber bundle is treated at a high temperature in the yarn production process. Therefore, it is considered that the range covered with the crosslinked product derived from the silicone component and the thickness thereof are proportional to the amount of the silicone compound. In the treatment agent of the present invention, the silicone compound is crosslinked while retaining the component [B] during the crosslinking process, so that the coated area and the thickness can be increased. That is, it is thought that [B] component functions as a film thickness maintenance agent of a silicone crosslinked product.

続いて[B]成分の好ましい態様について説明する。   Then, the preferable aspect of a [B] component is demonstrated.

式(1)においてRは炭素数4−8の分岐型飽和炭化水素基であり、Aは炭素数3〜20の炭化水素基である。また、式(2)において、R,Rはそれぞれ炭素数4−8の分岐型飽和炭化水素基であり、同一であっても異なっていても良く、Aは炭素数3〜20の炭化水素基である。 In the formula (1), R 1 is a branched saturated hydrocarbon group having 4 to 8 carbon atoms, and A 1 is a hydrocarbon group having 3 to 20 carbon atoms. In Formula (2), R 2 and R 3 are each a branched saturated hydrocarbon group having 4 to 8 carbon atoms, which may be the same or different, and A 2 has 3 to 20 carbon atoms. It is a hydrocarbon group.

,R,Rが直鎖型であったり、分岐型でも炭素数が9以上であると、シリコーン化合物との相溶性が悪化し、繊維表面における成分の分離が見られる。また、炭素数が3以下であると、[B]成分が前駆体繊維内部に浸み込みやすくなり、シリコーン化合物の膜厚増加効果が低減するためか、融着抑制効果が小さくなる。 If R 1 , R 2 , R 3 are linear or branched, but have 9 or more carbon atoms, compatibility with the silicone compound deteriorates and separation of components on the fiber surface is observed. Further, when the number of carbon atoms is 3 or less, the [B] component is likely to penetrate into the precursor fiber, and the effect of increasing the film thickness of the silicone compound is reduced, or the effect of suppressing fusion is reduced.

,R,Rとしては、式(1)におけるR、式(2)におけるR,Rのうち少なくとも一つが、t−ブチル基または分岐オクチル基であることが好ましい。t−ブチル基または分岐オクチル基は4級炭素を有したり、または、分岐鎖の数が多いことから、これらの基を有するエステル化合物は凝集エネルギーが低くなる傾向があり、同じく凝集エネルギーが低いシリコーン化合物との相溶性が向上するためと考えられる。式(1)におけるR、式(2)におけるR,Rに、t−ブチル基または分岐オクチル基を有するエステル化合物は、ネオペンタン酸またはイソノナン酸を原料としてエステル化を行い得ることができる
[B]成分としては、ネオペンタン酸と2,4−ジエチル−1,5−ペンタンジオールから得られるジエステル、ネオペンタン酸と3−メチル−1,5−ペンタンジオールから得られるジエステル、イソノナン酸とネオペンチルグリコールから得られるジエステル、ネオペンタン酸イソステアリルエステル、ネオペンタン酸オクチルドデシルエステル、イソノナン酸イソトリデシルエステル、イソノナン酸イソデシルエステル、イソノナン酸イソノニルエステル、イソノナン酸エチルへキシルエステルが挙げられる。これらは単独で用いても、複数成分を混合して用いても良い。
As R 1 , R 2 , R 3 , it is preferable that at least one of R 1 in formula ( 1 ) and R 2 , R 3 in formula (2) is a t-butyl group or a branched octyl group. Since t-butyl groups or branched octyl groups have quaternary carbons or have a large number of branched chains, ester compounds having these groups tend to have low cohesive energy, and also have low cohesive energy. This is thought to be due to improved compatibility with the silicone compound. An ester compound having a t-butyl group or a branched octyl group in R 1 in formula (1) and R 2 and R 3 in formula (2) can be esterified using neopentanoic acid or isononanoic acid as a raw material. [B] As the component, a diester obtained from neopentanoic acid and 2,4-diethyl-1,5-pentanediol, a diester obtained from neopentanoic acid and 3-methyl-1,5-pentanediol, isononanoic acid and neopentyl Examples include diester obtained from glycol, neopentanoic acid isostearyl ester, neopentanoic acid octyldodecyl ester, isononanoic acid isotridecyl ester, isononanoic acid isodecyl ester, isononanoic acid isononyl ester, and isononanoic acid ethylhexyl ester. These may be used alone or as a mixture of a plurality of components.

[A]成分と[B]成分の質量比率、およびその付着量もまた、本発明の重要な構成要件の一つである。   The mass ratio of the [A] component and the [B] component and the amount of adhesion thereof are also important constituent elements of the present invention.

[B]成分は前述のようにシリコーン成分由来の架橋物の被覆範囲および、その膜厚を保持し、融着抑制効果を補助するが、そのもの自体の融着防止効果は少ない。よって、[A]成分と[B]成分を併用することが、必須であり、[A]成分と[B]成分を質量比率で[A]:[B]=30:70〜70:30の範囲で含むことが必要である。   As described above, the component [B] retains the coating range and the film thickness of the crosslinked product derived from the silicone component and assists the fusion suppressing effect. However, the component [B] itself has little fusion preventing effect. Therefore, it is essential to use the [A] component and the [B] component together, and the [A] component and the [B] component are in a mass ratio of [A]: [B] = 30: 70 to 70:30. It is necessary to include in the range.

[A]成分の[B]成分に対する比率が30:70に満たない範囲では、シリコーン化合物の含有量が少ないため、炭素繊維束の強度が不十分となる。[A]成分の[B]成分に対する比率が70:30を超える範囲では、相対的にシリコーン化合物の付与量が多くなってしまうため、スケール低減効果が不十分となる。スケールの低減と炭素繊維束の強度の両立を勘案すると、[A]:[B]は30:70〜70:30の範囲が好ましく、40:60〜70:30の範囲がより好ましく、50:50〜70:30の範囲がさらに好ましい。   In the range where the ratio of the [A] component to the [B] component is less than 30:70, the content of the silicone compound is small, so that the strength of the carbon fiber bundle is insufficient. In the range where the ratio of the [A] component to the [B] component exceeds 70:30, the amount of silicone compound applied is relatively increased, resulting in an insufficient scale reduction effect. Taking into account the reduction in scale and the strength of the carbon fiber bundle, [A]: [B] is preferably in the range of 30:70 to 70:30, more preferably in the range of 40:60 to 70:30, and 50: The range of 50 to 70:30 is more preferable.

本発明における処理剤における[A]成分と[B]成分の合計の付着量は、炭素繊維前駆体製造条件において用いられるアクリル系繊維束(すなわち、該処理剤が付着される前のアクリル系繊維束)100質量部に対し、0.05〜3.0質量部の範囲で用いると良い。   The total adhesion amount of the [A] component and the [B] component in the treatment agent in the present invention is the acrylic fiber bundle used in the carbon fiber precursor production conditions (that is, the acrylic fiber before the treatment agent is adhered) (Bunch) It is good to use in the range of 0.05-3.0 mass parts with respect to 100 mass parts.

焼成工程において、繊維表面に付着したシリコーン化合物の大部分はスケールとなり繊維から飛散するため、ケイ素化合物の発生量は繊維に付着しているシリコーン化合物の量とほぼ比例関係にある。つまり、スケール抑制の観点からは、前駆体繊維へのシリコーン化合物の付着量は可能な限り少ないほうが好ましい。よって、処理剤の付与量も可能な限り少ない方が好ましい。しかしながら、付着量が0.05質量部に満たない場合、工程中での集束性が低下し、毛羽の発生や単糸切れが顕著になり、操業性が低下する。また、繊維表面を十分な量の処理剤で覆うことができず、耐炎化での融着が増加し炭素繊維束の強度が低下する。   In the firing step, most of the silicone compound adhering to the fiber surface becomes a scale and scatters from the fiber, so that the amount of silicon compound generated is substantially proportional to the amount of silicone compound adhering to the fiber. That is, from the viewpoint of scale suppression, it is preferable that the amount of the silicone compound attached to the precursor fiber is as small as possible. Therefore, it is preferable that the amount of treatment agent applied is as small as possible. However, when the adhesion amount is less than 0.05 parts by mass, the convergence in the process is lowered, the generation of fluff and single yarn breakage become remarkable, and the operability is lowered. In addition, the fiber surface cannot be covered with a sufficient amount of the treatment agent, so that the fusion due to the flame resistance increases and the strength of the carbon fiber bundle decreases.

また、処理剤の付与量が3.0質量部を超える場合はローラーへの巻付き等の工程障害が多くなる。   Moreover, when the application amount of the treatment agent exceeds 3.0 parts by mass, process obstacles such as winding around the roller increase.

本発明において、[A]成分と[B]成分の他に、後述するような他の成分を添加しても良いが、本発明の効果を得るためには、[A]成分と[B]成分は、処理剤中にあわせて60〜100質量%含まれていることが必要である。   In the present invention, in addition to the [A] component and the [B] component, other components as described later may be added. However, in order to obtain the effects of the present invention, the [A] component and the [B] It is necessary that the component is contained in the treatment agent in an amount of 60 to 100% by mass.

なお、処理剤の付着量は、処理剤付着後の前駆体繊維束をメチルエチルケトンやアセトン、クロロホルム等の有機溶剤により抽出し、その前後の繊維束質量を精秤し、その質量の差から求めることができる。   In addition, the amount of the treatment agent attached is obtained by extracting the precursor fiber bundle after the treatment agent is attached with an organic solvent such as methyl ethyl ketone, acetone, or chloroform, accurately weighing the fiber bundle mass before and after the treatment, and obtaining the difference between the masses. Can do.

処理剤の繊維表面への付着状態は、走査型電子顕微鏡や光学顕微鏡を用いて前駆体繊維表面を観察することにより確認可能である。本発明においては、少なくとも[A]成分と[B]成分が繊維表面において分離しないことが必要である。   The adhesion state of the treatment agent to the fiber surface can be confirmed by observing the precursor fiber surface using a scanning electron microscope or an optical microscope. In the present invention, it is necessary that at least the [A] component and the [B] component do not separate on the fiber surface.

本発明の処理剤の構成成分として、[A]成分、[B]成分に加え、糸束の収束性向上、および潤滑性向上を目的とした潤滑性向上剤として、芳香族エステルおよび/またはポリオールエステルを5〜30質量%含むことができる。   As a constituent of the treatment agent of the present invention, in addition to the [A] component and the [B] component, an aromatic ester and / or a polyol as a lubricity improver for the purpose of improving the convergence of the yarn bundle and improving the lubricity. 5-30 mass% of ester can be included.

本発明において[B]成分は、分岐型飽和炭化水素基を有することを特徴としているが、一般に分岐型飽和炭化水素基を有する化合物を付与した繊維は潤滑性に劣り、繊維束とローラーの間の摩擦が高い傾向にあることが知られている。   In the present invention, the component [B] is characterized by having a branched saturated hydrocarbon group, but in general, a fiber provided with a compound having a branched saturated hydrocarbon group is inferior in lubricity and between the fiber bundle and the roller. It is known that the friction tends to be high.

そのため、これまで[A]成分が担っていた潤滑性向上効果について、一部が[B]成分に置き換わる事により相対的に潤滑性が低下し、擦過毛羽発生等の工程障害を引き起こす可能性も考えられる。   Therefore, about the lubricity improvement effect that the [A] component has been responsible for until now, part of the [B] component is replaced with a relatively low lubricity, which may cause process failures such as generation of fuzz. Conceivable.

そこで、本発明の処理剤には、本発明の効果を阻害しない上記の範囲で、潤滑性向上剤を含むことができる。   Therefore, the treatment agent of the present invention can contain a lubricity improver within the above range that does not impair the effects of the present invention.

潤滑性向上剤は、炭素繊維前駆体アクリル繊維用の処理剤として一般に用いられているものであり、潤滑性向上効果および高収束性付与効果を具備するものである。成分としては、公知の潤滑剤を幅広く使用できるが、芳香族エステルおよび/またはポリオールエステルであることが好ましく、トリメリット酸アルキルエステル、ビスフェノールAのエチレンオキサイドあるいはプロピレンオキサイド付加物の両末端脂肪酸エステル化物、ペンタエリスリトール脂肪酸エステル、トリメチロールプロパン脂肪酸エステル、ジペンタエリスリトール脂肪酸エステルから選ばれる少なくとも一つの化合物であることが好ましい。   The lubricity improver is generally used as a treating agent for the carbon fiber precursor acrylic fiber, and has a lubricity improving effect and a high convergence imparting effect. As a component, known lubricants can be widely used, but aromatic esters and / or polyol esters are preferable, and fatty acid esterified products of trimellitic acid alkyl ester, bisphenol A ethylene oxide or propylene oxide adducts. And at least one compound selected from pentaerythritol fatty acid ester, trimethylolpropane fatty acid ester and dipentaerythritol fatty acid ester.

処理剤中の潤滑向上剤の好ましい含有量は、前駆体繊維束の表面形態、繊度、製造条件等により異なるが、、[A]成分と[B]成分の効果を阻害しないように、できるだけ少ない含有量にすることが好ましい。   The preferable content of the lubricity improver in the treatment agent varies depending on the surface morphology, fineness, production conditions, etc. of the precursor fiber bundle, but is as small as possible so as not to inhibit the effects of the [A] component and the [B] component. It is preferable to make it content.

含有量が5%に満たないと、顕著な潤滑性向上効果は見られなくなり、毛羽の発生が多くなることがあり、含有量が30質量%を超えると、[B]成分の膜厚増量効果を阻害し、十分な融着抑制効果を発揮できなくなる。   When the content is less than 5%, the remarkable effect of improving lubricity is not seen, and the occurrence of fluff may increase. When the content exceeds 30% by mass, the effect of increasing the film thickness of the component [B] And the sufficient effect of suppressing fusion cannot be exhibited.

本発明に供する前駆体に付与する処理剤には、上記[A]、[B]、潤滑性向上剤に加え、本発明の効果を阻害しない範囲で、乳化剤、酸化防止剤、制電剤、消泡剤、防腐剤、抗菌剤、浸透剤等の添加剤を含んでいてもよい。   In addition to the above [A], [B] and the lubricity improver, the treatment agent to be applied to the precursor provided for the present invention is an emulsifier, an antioxidant, an antistatic agent, as long as the effects of the present invention are not impaired. Additives such as antifoaming agents, antiseptics, antibacterial agents and penetrants may be included.

特に、前駆体繊維束への付与時の分散媒として水を使用する場合においては、[A]成分および[B]成分は極性が低く水に難溶のものが多いため、適切な乳化剤を用いることが好ましい。   In particular, when water is used as a dispersion medium at the time of application to the precursor fiber bundle, the [A] component and the [B] component are low in polarity and often hardly soluble in water, so an appropriate emulsifier is used. It is preferable.

本発明の炭素繊維前駆体アクリル系繊維束は、次に述べる方法で、耐炎化処理した後、炭素化処理することにより、高性能な炭素繊維束を製造することができる。   The carbon fiber precursor acrylic fiber bundle of the present invention can be produced with a high-performance carbon fiber bundle by subjecting it to a flameproofing treatment by the method described below, followed by a carbonization treatment.

耐炎化処理は、通常、酸素含有気体雰囲気下、200〜300℃の温度で行なわれる。コスト削減および得られる炭素繊維の性能を高める観点から、炭素繊維前駆体アクリル系繊維束が反応熱の蓄積によって糸切れを生じる温度よりも10℃〜20℃低い温度で耐炎化することが好ましい。耐炎化処理の時間は、生産性および炭素繊維の生産性を高める観点から。10〜100分間が好ましく、より好ましくは30〜60分間である。この耐炎化処理の時間とは、糸束が耐炎化炉内に滞留している全時間をいう。この時間が少なすぎると、各単繊維の酸化された外周部分と酸化不足の内側部分の構造差が全体的に顕著となり、炭素繊維の物性を低下させる可能性がある。   The flameproofing treatment is usually performed at a temperature of 200 to 300 ° C. in an oxygen-containing gas atmosphere. From the viewpoint of reducing the cost and improving the performance of the obtained carbon fiber, it is preferable to make the carbon fiber precursor acrylic fiber bundle flame resistant at a temperature that is 10 ° C. to 20 ° C. lower than the temperature at which yarn breakage occurs due to the accumulation of reaction heat. From the viewpoint of improving productivity and carbon fiber productivity, the flameproofing treatment time. It is preferably 10 to 100 minutes, more preferably 30 to 60 minutes. The time for this flameproofing treatment means the total time that the yarn bundle stays in the flameproofing furnace. If this time is too short, the structural difference between the oxidized outer peripheral portion and the insufficiently oxidized inner portion of each single fiber becomes conspicuous as a whole, and the physical properties of the carbon fiber may be lowered.

耐炎化処理工程における糸束の延伸比は、好ましくは0.85〜1.10であり、より好ましくは0.88〜1.06であり、さらに好ましくは0.92〜1.02である。延伸比を高めることにより、同じ熱処理量で炭素繊維の弾性率を向上させることができる。   The draw ratio of the yarn bundle in the flameproofing treatment step is preferably 0.85 to 1.10, more preferably 0.88 to 1.06, and still more preferably 0.92 to 1.02. By increasing the draw ratio, the elastic modulus of the carbon fiber can be improved with the same heat treatment amount.

耐炎化処理工程に続いて、炭素化処理の工程に移るが、その前に温度300℃〜800℃の不活性雰囲気下、好ましくは窒素またはアルゴン雰囲気下で行なう予備炭素化処理の工程を設けることも好ましい態様である。この予備炭素化処理工程における延伸比は、得られる炭素繊維の性能を高める観点から、好ましくは0.90〜1.25であり、より好ましくは1.00〜1.20であり、さらに好ましくは1.05〜1.15である。   Following the flameproofing process, the process proceeds to the carbonization process, but before that, a preliminary carbonization process is performed in an inert atmosphere at a temperature of 300 ° C. to 800 ° C., preferably in a nitrogen or argon atmosphere. Is also a preferred embodiment. The stretch ratio in the preliminary carbonization treatment step is preferably 0.90 to 1.25, more preferably 1.00 to 1.20, and still more preferably from the viewpoint of enhancing the performance of the obtained carbon fiber. 1.05-1.15.

不活性雰囲気下で行なわれる炭素化処理工程の温度は800℃〜2000℃であるのがよい。また、その最高温度は、所望する炭素繊維の要求特性に応じて適宜選択して使用されるが、800℃を下回ると、得られる炭素繊維の引張強度、弾性率が低下することがある。炭素化工程における延伸比は、好ましくは0.95〜1.05、より好ましくは0.97〜1.02、特に好ましくは0.98〜1.01であるのが、得られる炭素繊維の性能を高める点から良い。   The temperature of the carbonization treatment step performed under an inert atmosphere is preferably 800 ° C to 2000 ° C. Further, the maximum temperature is appropriately selected and used according to the required characteristics of the desired carbon fiber, but if it is lower than 800 ° C., the tensile strength and elastic modulus of the resulting carbon fiber may be lowered. The drawing ratio in the carbonization step is preferably 0.95 to 1.05, more preferably 0.97 to 1.02, and particularly preferably 0.98 to 1.01, and the performance of the obtained carbon fiber. It is good from the point of raising.

弾性率がより高い炭素繊維を所望する場合には、炭素化処理に引き続いて、黒鉛化処理を行なうこともできる。黒鉛化処理は、通常、不活性雰囲気下で、2000〜3000℃の温度で行なわれる。その最高温度は、所望する炭素繊維の要求特性に応じて適宜選択して決定される。黒鉛化処理工程における延伸比は、所望する炭素繊維の要求特性に応じて、毛羽発生など品位低下の生じない範囲で適宜選択することができる。   When a carbon fiber having a higher elastic modulus is desired, a graphitization treatment can be performed following the carbonization treatment. The graphitization treatment is usually performed at a temperature of 2000 to 3000 ° C. in an inert atmosphere. The maximum temperature is appropriately selected and determined according to the required characteristics of the desired carbon fiber. The draw ratio in the graphitization treatment step can be appropriately selected within a range in which quality reduction such as generation of fluff does not occur, depending on the required characteristics of the carbon fiber.

得られた炭素繊維に対しては、表面処理を行なうことにより、複合材料としたときのマトリックスとの接着強度をより高めることができる。表面処理方法としては、気相処理や液相処理を採用することができるが、生産性や品質のばらつきを考慮すると、液相処理の中でも電解処理(陽極酸化処理)が好ましく適用される。   By subjecting the obtained carbon fiber to a surface treatment, it is possible to further increase the adhesive strength with the matrix when it is made into a composite material. As the surface treatment method, a gas phase treatment or a liquid phase treatment can be adopted. However, in consideration of productivity and quality variations, an electrolytic treatment (anodic oxidation treatment) is preferably applied among the liquid phase treatments.

電解処理に用いられる電解液としては、硫酸、硝酸および塩酸のような酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムおよびテトラエチルアンモニウムヒドロキシドのようなアルカリ、あるいはそれらの塩を含む水溶液を用いることができるが、特に好ましくはアンモニウムイオンを含む水溶液が用いられる。例えば、硝酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、過硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、燐酸2水素アンモニウム、燐酸水素2アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウムあるいはそれらの混合物を含む水溶液を電解液として用いることができる。   As the electrolytic solution used for the electrolytic treatment, an aqueous solution containing an acid such as sulfuric acid, nitric acid and hydrochloric acid, an alkali such as sodium hydroxide, potassium hydroxide and tetraethylammonium hydroxide, or a salt thereof can be used. Particularly preferably, an aqueous solution containing ammonium ions is used. For example, an aqueous solution containing ammonium nitrate, ammonium sulfate, ammonium persulfate, ammonium chloride, ammonium bromide, ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, ammonium hydrogen carbonate, ammonium carbonate, or a mixture thereof can be used as the electrolyte.

電解処理において炭素繊維に与える電気量は、使用する炭素繊維により異なる。例えば、炭素化度の高い炭素繊維ほど高い通電電気量が必要となるが、一般には、接着特性向上の観点から、X線光電子分光法(ESCA)により測定される炭素繊維の表面酸素濃度O/Cおよび表面窒素濃度N/Cが、それぞれ0.05以上0.40以下および0.02以上0.30以下の範囲になるように電気量を設定することが好ましい。   The amount of electricity given to the carbon fiber in the electrolytic treatment varies depending on the carbon fiber used. For example, a carbon fiber having a higher degree of carbonization requires a higher amount of electricity to be supplied. In general, from the viewpoint of improving adhesive properties, the surface oxygen concentration O / of the carbon fiber measured by X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA) is used. The amount of electricity is preferably set so that C and the surface nitrogen concentration N / C are in the range of 0.05 to 0.40 and 0.02 to 0.30, respectively.

これらの条件を満足することにより、複合材料とした際の炭素繊維とマトリックスとの接着が適正なレベルとなる。したがって、炭素繊維とマトリックスとの接着が強すぎて非常に脆性的な破壊となって複合材料の縦方向の引張強度が低下してしまうという欠点も、あるいは、複合材料の縦方向の引張強度は強いものの、炭素繊維とマトリックスとの接着力が低すぎて、複合材料の非縦方向の機械的特性が発現しないという欠点も防止することができ、繊維束方向および非繊維束方向にバランスのとれた複合材料特性が発現される。   By satisfying these conditions, the adhesion between the carbon fiber and the matrix at the time of forming the composite material becomes an appropriate level. Therefore, the bond between the carbon fiber and the matrix is too strong, resulting in a very brittle fracture and the longitudinal tensile strength of the composite material is reduced, or the longitudinal tensile strength of the composite material is Although it is strong, it can also prevent the disadvantage that the non-longitudinal mechanical properties of the composite material do not appear because the adhesion between the carbon fiber and the matrix is too low, and it can be balanced in the fiber bundle direction and non-fiber bundle direction. Composite material properties are developed.

得られた炭素繊維は、さらに、必要に応じて、サイジング処理がなされる。サイジング剤には、マトリックスとの相溶性のよいサイジング剤が好ましく、マトリックスに併せて選択して使用される。   The obtained carbon fiber is further subjected to sizing treatment as necessary. The sizing agent is preferably a sizing agent having good compatibility with the matrix, and is selected and used in combination with the matrix.

このようにして得られた炭素繊維は、プリプレグ化した後に複合材料に成形することもできるし、織物などのプリフォームとした後、ハンドレイアップ法、プルトルージョン法およびレジントランスファーモールディング法などにより複合材料に成形することもできる。また、炭素繊維は、フィラメントワインディング法や、チョップドファイバーやミルドファイバー化した後、射出成形することにより複合材料に成形することができる。   The carbon fiber obtained in this way can be formed into a composite material after being prepreg, and after being formed into a preform such as a woven fabric, it is combined by a hand lay-up method, a pultrusion method, a resin transfer molding method, etc. It can also be formed into a material. The carbon fiber can be formed into a composite material by a filament winding method, chopped fiber or milled fiber, and then injection-molded.

本発明で得られた炭素繊維を用いた複合材料は、ゴルフシャフトや釣り竿などのスポーツ用途、航空宇宙用途、フードやプロペラシャフトなどの自動車構造部材用途、およびフライホイールやCNGタンクなどのエネルギー関連用途などに好適に用いることができる。   Composite materials using carbon fibers obtained in the present invention are used for sports applications such as golf shafts and fishing rods, aerospace applications, automotive structural member applications such as hoods and propeller shafts, and energy related applications such as flywheels and CNG tanks. It can use suitably for.

以下、実施例を用いて、本発明をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

なお実施例では、各特性を次の方法により測定した。   In the examples, each characteristic was measured by the following method.

<処理剤付着量の測定>
前駆体繊維束を105℃で1時間乾燥させた後、約10gを精秤しサンプルとした。ソックスレー抽出機を用い、還流下のメチルエチルケトン200mlに8時間浸漬して付着した処理剤組成物を溶媒抽出した。処理剤抽出後の前駆体繊維束を1kPaの減圧下40℃で2時間乾燥した。処理剤付着量は、この抽出前後の炭素繊維前駆体繊維束の質量を精秤し、その差から求めた。測定は各水準n=1で行った。求めた処理剤付着量を抽出後の前駆体繊維束の質量で除して規格化し、前駆体繊維束100質量部に対する処理剤の付着部数に換算した後、該処理剤の組成より[A]成分と[B]成分の合計の付着部数に換算し、水準間を比較した。
<Measurement of treatment agent adhesion>
After the precursor fiber bundle was dried at 105 ° C. for 1 hour, about 10 g was precisely weighed to prepare a sample. Using a Soxhlet extractor, the treating agent composition adhering to 200 ml of methyl ethyl ketone under reflux for 8 hours was subjected to solvent extraction. The precursor fiber bundle after extraction of the treatment agent was dried at 40 ° C. under reduced pressure of 1 kPa for 2 hours. The treatment agent adhesion amount was determined from the difference between the masses of the carbon fiber precursor fiber bundles before and after the extraction. Measurements were made at each level n = 1. The obtained treatment agent adhesion amount is normalized by dividing by the mass of the precursor fiber bundle after extraction, and converted to the number of adhesion parts of the treatment agent with respect to 100 parts by mass of the precursor fiber bundle, and then the composition of the treatment agent [A] It converted into the total number of adhesion parts of a component and [B] component, and compared between the levels.

2段付与を行った水準に関しては、1段目の処理剤付着量と、合計の処理剤付着量を測定し、その差から2段目の処理剤の付着量を計算した。   Regarding the level at which the second stage was applied, the first stage treatment agent adhesion amount and the total treatment agent adhesion amount were measured, and the adhesion amount of the second stage treatment agent was calculated from the difference.

<前駆体繊維への処理剤の付着状態の観察>
走査型電子顕微鏡を用いて前駆体繊維表面を観察し、繊維表面における成分分離の有無を評価した。
<Observation of treatment agent on precursor fiber>
The precursor fiber surface was observed using a scanning electron microscope, and the presence or absence of component separation on the fiber surface was evaluated.

前駆体繊維束(単繊維数3000本)をボビンから引き出し、20mm長にカットした後均等に4分割し、約750本の単繊維からなる繊維束を分割面が表面になるようにカーボンテープで試料台に固定した。サンプリングは一水準につき、ボビンの2ヶ所から行った。試料表面にアルゴン雰囲気下イオンビームスパッターで白金を厚さ3nmに蒸着し、観察に供した。   Pull out the precursor fiber bundle (3,000 single fibers) from the bobbin, cut it into 20 mm lengths, and evenly divide it into four parts. Use a carbon tape so that the fiber bundle consisting of about 750 single fibers is on the surface. It fixed to the sample stand. Sampling was performed from two locations on the bobbin for each level. Platinum was vapor-deposited to a thickness of 3 nm on the sample surface by ion beam sputtering in an argon atmosphere and used for observation.

走査型電子顕微鏡は日立製作所社製S−4800を用い、加速電圧1kV、観察倍率2500倍で観察した。無作為に選んだ38×50μmの10視野に対し、上記観察条件にて10枚の画像を得、繊維表面における処理剤成分分離の有無を判別した。繊維表面に直径1μm以上の半球状、又は円状の付着物が観察される場合を処理剤の分離が発生しているとした。なお、分離が発生していないと判別した画像の一例を図1に、分離が発生していると判別した画像の一例を図2に示す。図2において、矢印で示した箇所が、繊維表面に直径1μm以上の半球状、又は円状の付着物が観察された部分である。このような付着物が、視野内に1箇所でも有れば、その画像は、分離発生している画像であるとする。付着状体の評価尺度について、以下のようにした。   The scanning electron microscope was S-4800 manufactured by Hitachi, Ltd., and observed at an acceleration voltage of 1 kV and an observation magnification of 2500 times. Ten images of 38 × 50 μm randomly selected were obtained under the above observation conditions, and the presence or absence of treatment component separation on the fiber surface was determined. When the hemispherical or circular deposit having a diameter of 1 μm or more is observed on the fiber surface, it was determined that separation of the treatment agent occurred. An example of an image that has been determined that no separation has occurred is shown in FIG. 1, and an example of an image that has been determined that separation has occurred is shown in FIG. In FIG. 2, a portion indicated by an arrow is a portion where a hemispherical or circular deposit having a diameter of 1 μm or more is observed on the fiber surface. If there is even one such deposit in the field of view, it is assumed that the image is a segregated image. The evaluation scale of the adherent was as follows.

○:(分離発生の画像の数)=0
△:(分離発生の画像の数)=1〜2
×:(分離発生の画像の数)≧3。
○: (Number of separation-occurring images) = 0
Δ: (Number of separation-generated images) = 1 to 2
×: (Number of images generated by separation) ≧ 3.

<単繊維間融着数(融着数)>
炭素化した炭素繊維束(単繊維数12000本)を3mm長に切断し、アセトン中に分散させ、10分間攪拌した後の全単繊維数と融着数を計数し、単繊維100本あたりの融着数を算出して評価した。評価基準は下記の通りである。
○:融着数(個/100本)≦1
×:融着数(個/100本)>1
測定は各水準n=1で行った。
<Number of fusions between single fibers (number of fusions)>
A carbonized carbon fiber bundle (12,000 single fibers) is cut into 3 mm lengths, dispersed in acetone, and stirred for 10 minutes, and then the total number of single fibers and the number of fusions are counted. The number of fusions was calculated and evaluated. The evaluation criteria are as follows.
○: Number of fusions (pieces / 100 pieces) ≦ 1
×: Number of fusions (pieces / 100 pieces)> 1
Measurements were made at each level n = 1.

<炭素繊維のストランド引張強度および引張弾性率の測定>
炭素繊維束(単繊維数12000本)を下記組成の樹脂に浸漬することにより含浸させ、130℃の温度で35分間硬化させた後、JIS R7601(1986年)に基づいて引張試験を行い、n=6本のストランドについて測定し、平均値でストランド引張強度と引張弾性率を求めた。
[樹脂組成](かっこ内は、メーカー等)
・3,4−エポキシシクロヘキシルメチル−3,4エポキシシクロヘキシルカルボキシレート(ERL−4221、ユニオンカーバイド社製)・・・・・・・・100質量部
・3フッ化ホウ素モノエチルアミン(ステラケミファ(株)製)・・・・・3質量部
・アセトン(和光純薬工業(株)製)・・・・・・・・・・・・・・・・・4質量部
得られた引張強度について、以下の基準を用い、性能を評価した。
◎:5.5GPa以上
○:5.2〜5.5GPa
△:4.8〜5.2GPa
×:4.8GPa以下。
<Measurement of strand tensile strength and tensile modulus of carbon fiber>
Carbon fiber bundles (12,000 single fibers) were impregnated by dipping in a resin having the following composition, cured for 35 minutes at a temperature of 130 ° C., and then subjected to a tensile test based on JIS R7601 (1986). = 6 strands were measured, and the strand tensile strength and tensile elastic modulus were determined as average values.
[Resin composition] (In brackets are manufacturers)
・ 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4 epoxy carboxycarboxylate (ERL-4221, manufactured by Union Carbide) ・ ・ ・ 100 parts by mass ・ Boron trifluoride monoethylamine (Stella Chemifa Co., Ltd.) Manufactured) 3 parts by mass Acetone (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) ... 4 parts by mass The performance was evaluated using the following criteria.
A: 5.5 GPa or more B: 5.2-5.5 GPa
Δ: 4.8 to 5.2 GPa
X: 4.8 GPa or less.

<焼成工程におけるシリコーン化合物由来のケイ素飛散量評価>
焼成工程におけるシリコーン化合物由来のケイ素飛散量は、炭素繊維前駆体アクリル系繊維束とそれを焼成した炭素繊維束、それぞれのケイ素含有量を蛍光X線分析装置にて測定し、それらの差異により焼成工程で飛散したケイ素量を算出し評価の指標とした。
<Evaluation of the amount of silicon scattered from the silicone compound in the firing process>
The amount of silicon scattered from the silicone compound in the firing process is determined by measuring the carbon content of the carbon fiber precursor acrylic fiber bundle and the carbon fiber bundle obtained by firing the fiber bundle using a fluorescent X-ray analyzer, and firing the difference. The amount of silicon scattered in the process was calculated and used as an evaluation index.

(ケイ素飛散量)=前駆体繊維束のケイ素含有量−炭素繊維束のケイ素含有量[g/kg]
蛍光X線分析装置には、日本フィリップス社製蛍光X線装置VENUS200を用いた。一次X線源はScを用い、測定時の条件としては、減圧気圧4〜8Paの条件で、温度37℃、25秒間の測定時間とした。測定試料である前駆体繊維、炭素繊維は長さ30mm、幅30mm、厚さ2mmのテフロン(登録商標)製の板に隙間のないように均一に巻き付け測定に供した。この際、前駆体繊維は長さ60cm、炭素繊維は長さ1mにサンプリングして用いた。得られた前駆体繊維束および炭素繊維束のケイ素元素の蛍光X線強度から、検量線を用い、それぞれの繊維束について、繊維質量に対するケイ素含有量を求めた。測定数はn=10とし、それらの平均値を用い以下のように評価した。
○:ケイ素飛散量 0〜0.9g/kg
△:ケイ素飛散量 0.9〜1.8g/kg
×:ケイ素飛散量 1.8g/kg以上。
(Silicon scattering amount) = silicon content of precursor fiber bundle−silicon content of carbon fiber bundle [g / kg]
As the fluorescent X-ray analyzer, a fluorescent X-ray apparatus VENUS200 manufactured by Nippon Philips Co., Ltd. was used. The primary X-ray source was Sc, and the measurement conditions were a reduced pressure and an atmospheric pressure of 4 to 8 Pa, a temperature of 37 ° C., and a measurement time of 25 seconds. Precursor fibers and carbon fibers, which are measurement samples, were uniformly wound around a Teflon (registered trademark) plate having a length of 30 mm, a width of 30 mm, and a thickness of 2 mm for use in measurement. At this time, the precursor fiber was sampled to a length of 60 cm, and the carbon fiber was sampled to a length of 1 m. From the obtained precursor fiber bundle and the fluorescent X-ray intensity of the silicon element in the carbon fiber bundle, a calibration curve was used to determine the silicon content relative to the fiber mass for each fiber bundle. The number of measurements was n = 10, and the average value thereof was used for evaluation as follows.
○: Silicon scattering amount 0-0.9 g / kg
Δ: Amount of silicon scattered 0.9-1.8 g / kg
×: Silicon scattering amount 1.8 g / kg or more.

本発明において使用した成分は以下の通りである。   The components used in the present invention are as follows.

<[A]成分>
A1:1,2級側鎖アミノ変性シリコーン(商品名『KF−8002』、信越化学工業株式会社製)
A2:1級側鎖アミノ変性シリコーン(『KF−864』、信越化学工業株式会社製)
A3:両末端アミノ変性シリコーン(『KF−8008』、信越化学工業株式会社製)
A4:ポリエーテル変性シリコーン(『KF−615』、信越化学工業株式会社製)。
<[A] component>
A1: 1,2 secondary side chain amino-modified silicone (trade name “KF-8002”, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.)
A2: Primary side chain amino-modified silicone (“KF-864”, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.)
A3: Both-terminal amino-modified silicone (“KF-8008”, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.)
A4: Polyether-modified silicone (“KF-615”, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.).

<[B]成分(B成分と比較する成分含む)>
B1:ネオペンタン酸イソステアリルエステル(『ネオライト(登録商標)180P』、高級アルコール工業株式会社製)
B2:ネオペンタン酸オクチルドデシルエステル(『ネオライト(登録商標)200P』、高級アルコール工業株式会社製)
B3:イソノナン酸エチルヘキシルエステル(『ES108109』、高級アルコール工業株式会社製)
B4:イソノナン酸イソノニルエステル(『KAK 99』、高級アルコール工業株式会社製)
B5:イソノナン酸イソデシルエステル(『KAK 109』、高級アルコール工業株式会社製)
B6:イソノナン酸イソトリデシルエステル(『KAK 139』、高級アルコール工業株式会社製)
B’7:ネオデカン酸オクチルドデシルエステル(『ネオライト(登録商標)2000』、高級アルコール工業株式会社製)(Rの炭素数が式(1)の範囲に含まれないため、本発明の[B]成分には該当しない)
B8:ネオペンタン酸と2,4−ジエチル−1,5−ペンタンジオールから得られるジエステル(『Neosolue(登録商標)−DE』、日本精化株式会社製)
B9:ネオペンタン酸と3−メチル−1,5−ペンタンジオールから得られるジエステル(『Neosolue(登録商標)−MP』、日本精化株式会社製)
B10:イソノナン酸とネオペンチルグリコールから得られるジエステル(『NPDIN』、高級アルコール工業株式会社製)。
<[B] component (including component to be compared with B component)>
B1: Neopentanoic acid isostearyl ester ("Neolite (registered trademark) 180P", manufactured by Higher Alcohol Industry Co., Ltd.)
B2: Neopentanoic acid octyldodecyl ester ("Neolite (registered trademark) 200P", manufactured by Higher Alcohol Industry Co., Ltd.)
B3: ethyl hexyl isononanoate (“ES108109”, manufactured by Higher Alcohol Industry Co., Ltd.)
B4: Isononanoic acid isononyl ester (“KAK 99”, manufactured by Higher Alcohol Industry Co., Ltd.)
B5: Isononanoic acid isodecyl ester (“KAK 109”, manufactured by Higher Alcohol Industry Co., Ltd.)
B6: Isotridecyl isononanoic acid ester (“KAK 139”, manufactured by Higher Alcohol Industry Co., Ltd.)
B′7: Neodecanoic acid octyldodecyl ester (“Neolite (registered trademark) 2000”, manufactured by Higher Alcohol Industry Co., Ltd.) (the carbon number of R 1 is not included in the range of formula (1). ] Not applicable)
B8: Diester obtained from neopentanoic acid and 2,4-diethyl-1,5-pentanediol (“Neosole (registered trademark) -DE”, manufactured by Nippon Seika Co., Ltd.)
B9: Diester obtained from neopentanoic acid and 3-methyl-1,5-pentanediol (“Neosolue®-MP”, manufactured by Nippon Seika Co., Ltd.)
B10: Diester obtained from isononanoic acid and neopentyl glycol (“NPDIN”, manufactured by Higher Alcohol Industry Co., Ltd.).

<その他の成分(乳化剤)>
ブロックポリエーテル型界面活性剤(PEG/PPG−160/30コポリマー、『アデカプルロニック(登録商標)F−68』、株式会社ADEKA製)
なお、使用した上記の成分に関しては、[A]成分を表1に、その他の成分を表2に内容をまとめた。
<Other ingredients (emulsifier)>
Block polyether type surfactant (PEG / PPG-160 / 30 copolymer, “Adekapluronic (registered trademark) F-68”, manufactured by ADEKA Corporation)
In addition, regarding the said component used, the content of [A] component was put together in Table 1, and the other component was put together in Table 2.

<処理剤分散液の調整>
表3に記載した組成で各処理剤を調整し、炭素繊維前駆体繊維束の製造に使用した。
<Adjustment of treatment agent dispersion>
Each processing agent was adjusted with the composition described in Table 3, and used for production of carbon fiber precursor fiber bundles.

処理剤は、表3に示す配合比率で各成分を混合して処理剤を調製し、前記処理剤を水分散液中での濃度が20質量%となるようにイオン交換水を加え、ホモミキサーで攪拌して乳化を行った。この状態では乳化した処理剤の粒子径が1〜2μm程度であるため、さらに高圧ホモジナイザーによって0.2μm以下の粒子径まで分散し、処理剤分散原液を得た。この処理剤分散原液にさらにイオン交換水を加え、表3に示す濃度に調整して処理剤分散液とし、以下の工程で用いた。   The treatment agent is prepared by mixing each component at the blending ratio shown in Table 3, and adding the ion-exchange water to the treatment agent so that the concentration in the aqueous dispersion becomes 20% by mass. And emulsified by stirring. In this state, since the particle diameter of the emulsified processing agent is about 1 to 2 μm, it was further dispersed to a particle diameter of 0.2 μm or less by a high-pressure homogenizer to obtain a processing agent dispersion stock solution. Ion exchanged water was further added to this treating agent dispersion stock solution to adjust the concentration as shown in Table 3 to obtain a treating agent dispersion, which was used in the following steps.

2段目の付与に供した処理剤については、表4に示すとおり、処理分散液を調整せず、[A]および[B]の成分を単独、もしくは混合して用いた。   As shown in Table 4, for the treatment agent used for the second stage application, the treatment dispersion was not adjusted, and the components [A] and [B] were used alone or in combination.

<前駆体繊維束の製造法>
(実施例1〜14,比較例1〜8)
アクリロニトリル99.5モル%とイタコン酸0.5モル%を共重合した共重合体を、ジメチルスルホキシドを溶媒とする溶液重合法により重合し、濃度22質量%の紡糸溶液を得た。重合後、紡糸溶液にアンモニアガスをpH8.5になるまで吹き込み、イタコン酸を中和して、アンモニウム基を成分に導入することにより、紡糸溶液の親水性を向上させた。得られた紡糸溶液を40℃の温度で、直径0.15mm、孔数3000の紡糸口金を用いて、一旦空気中に吐出し、約4mmの距離の空間を通過させた後、10℃の温度にコントロールした40質量%ジメチルスルホキシド水溶液からなる凝固浴に導入する乾湿式紡糸により凝固させた。得られた凝固糸を水洗した後、70℃の温度の温水中で2.8倍に延伸した。さらに上記で調整した処理剤分散液を満たした浴中を通過させることにより、繊維束に処理剤をディップ−ニップ法で付与し、180℃の温度の加熱ローラーを用いて、接触時間40秒の乾燥処理を行った。
<Method for producing precursor fiber bundle>
(Examples 1-14, Comparative Examples 1-8)
A copolymer obtained by copolymerizing 99.5 mol% of acrylonitrile and 0.5 mol% of itaconic acid was polymerized by a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide as a solvent to obtain a spinning solution having a concentration of 22% by mass. After the polymerization, ammonia gas was blown into the spinning solution until the pH reached 8.5 to neutralize itaconic acid and introduce ammonium groups into the components, thereby improving the hydrophilicity of the spinning solution. The obtained spinning solution was discharged into the air once using a spinneret having a diameter of 0.15 mm and a hole number of 3000 at a temperature of 40 ° C., passed through a space of a distance of about 4 mm, and then a temperature of 10 ° C. The solution was coagulated by dry and wet spinning introduced into a coagulation bath composed of a 40% by mass dimethyl sulfoxide aqueous solution controlled to 1%. The obtained coagulated yarn was washed with water and then stretched 2.8 times in warm water at a temperature of 70 ° C. Furthermore, the treatment agent is applied to the fiber bundle by a dip-nip method by passing through a bath filled with the treatment agent dispersion liquid prepared as described above, and the contact time is 40 seconds using a heating roller at a temperature of 180 ° C. A drying treatment was performed.

得られた乾燥糸を、二次延伸倍率を5倍として0.4MPaの加圧水蒸気中で延伸することにより、単繊維繊度1dtex、単繊維本数3000本の前駆体繊維束を得た。   The obtained dried yarn was drawn in 0.4 MPa pressurized water vapor at a secondary draw ratio of 5 times to obtain a precursor fiber bundle having a single fiber fineness of 1 dtex and a single fiber number of 3000.

(実施例15〜17,比較例9〜11)
実施例1と同様の方法で、凝固、水洗、延伸した前駆体繊維を、さらに上記で調整した処理剤分散液を満たした浴中を通過させることにより、繊維束に処理剤をディップ−ニップ法で、第1段目の付与処理を行った。引き続いて、180℃の温度の加熱ローラーを用いて、接触時間40秒の乾燥処理を行った。
(Examples 15 to 17, Comparative Examples 9 to 11)
In the same manner as in Example 1, the precursor fibers coagulated, washed with water and stretched are further passed through a bath filled with the treatment agent dispersion prepared above, so that the treatment agent is dip-niped into the fiber bundle. Then, the first-stage application process was performed. Subsequently, a drying process with a contact time of 40 seconds was performed using a heating roller having a temperature of 180 ° C.

得られた乾燥糸を、二次延伸倍率を5倍として0.4MPaの加圧水蒸気中で延伸をおこなった。二次延伸を終了した前駆体繊維に表4で示す配合比率の処理剤をタッチロール法により、2段目の付与処理を行うことにより、単繊維繊度1dtex、単繊維本数3000本の前駆体繊維束を得た。   The obtained dried yarn was stretched in pressurized water vapor of 0.4 MPa with a secondary stretching ratio of 5 times. By applying a treatment agent having a blending ratio shown in Table 4 to the precursor fiber that has been subjected to secondary stretching by the touch roll method, the precursor fiber having a single fiber fineness of 1 dtex and a single fiber number of 3000 is provided. Got a bunch.

<炭素繊維束の製造法>
得られた前駆体繊維束を4本合糸して単繊維本数を12000本とした後、240〜280℃の温度の空気中で加熱して耐炎化繊維束に転換した。耐炎化処理の時間は40分で、耐炎化処理の工程における延伸比は1.00とした。
<Method for producing carbon fiber bundle>
The resulting precursor fiber bundle was combined into four yarns to make the number of single fibers 12,000, and then heated in air at a temperature of 240 to 280 ° C. to convert it into a flameproof fiber bundle. The flameproofing treatment time was 40 minutes, and the stretch ratio in the flameproofing treatment process was 1.00.

さらに、この耐炎化繊維束を、300〜800℃の温度の窒素雰囲気中で加熱して予備炭素化処理した後、最高温度1300℃の窒素雰囲気中で加熱して炭素化処理した。予備炭素化処理の工程における延伸比は1.10で、炭素化処理の工程における延伸比は0.97とした。さらに、炭素化処理して得られた繊維束を、硫酸水溶液中で10クーロン/g−CFの電気量で陽極酸化処理を行って炭素繊維束を得た。   Further, the flame-resistant fiber bundle was heated in a nitrogen atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. to be pre-carbonized, and then heated in a nitrogen atmosphere at a maximum temperature of 1300 ° C. for carbonization. The stretch ratio in the preliminary carbonization treatment step was 1.10, and the stretch ratio in the carbonization treatment step was 0.97. Furthermore, the fiber bundle obtained by the carbonization treatment was anodized with an electric quantity of 10 coulomb / g-CF in a sulfuric acid aqueous solution to obtain a carbon fiber bundle.

製造した前駆体繊維束および炭素繊維束は、前述の各方法でその性能を評価した。評価結果はまとめて表3、4に示した。以下、各評価水準間の比較を行なう。   The performance of the produced precursor fiber bundle and carbon fiber bundle was evaluated by the above-described methods. The evaluation results are collectively shown in Tables 3 and 4. In the following, comparison between each evaluation level is performed.

<実施例1〜9、比較例1〜3の比較>
処理剤に含まれる[B]成分の種類に関しての比較検討を行った。
<Comparison of Examples 1-9 and Comparative Examples 1-3>
A comparative study was performed on the types of the component [B] contained in the treatment agent.

比較例1は、従来公知の、[B]成分を含有しないシリコーン系処理剤を、炭素繊維の強度および操業性を考慮したうえで、最適量付着せしめた前駆体繊維束の例であり、本発明における比較基準となる。高強度の炭素繊維が得られたが、ケイ素飛散量が多くスケールが発生し、焼成工程の安定性は許容できるレベルではなかった。   Comparative Example 1 is an example of a precursor fiber bundle in which an optimal amount of a conventionally known silicone-based treatment agent containing no [B] component is attached in consideration of the strength and operability of carbon fiber. This is a comparative reference in the invention. Although high-strength carbon fibers were obtained, a large amount of silicon was scattered, scales were generated, and the stability of the firing process was not at an acceptable level.

比較例2のように、比較例1で使用した処理剤の付着量を半減すると、ケイ素飛散量は半減するが、融着数が増え、炭素繊維の大幅な強度低下が見られた。   As in Comparative Example 2, when the adhesion amount of the treatment agent used in Comparative Example 1 was halved, the silicon scattering amount was halved, but the number of fusions increased, and a significant decrease in strength of the carbon fiber was observed.

実施例1〜9においては、[A]成分の付着量が比較例2と同等であり、ケイ素飛散量は半減しているのにもかかわらず、炭素繊維の強度低下は見られず、実施例2〜4、実施例7、実施例8において問題とならない範囲で炭素繊維に多少の毛羽立ちが見られたものの品質、品位良好な炭素繊維を得ることができた。   In Examples 1-9, although the adhesion amount of [A] component is equivalent to Comparative Example 2 and the amount of silicon scattering is halved, no decrease in strength of the carbon fiber is observed. Although some fluff was observed in the carbon fibers within a range not causing any problems in 2 to 4, Example 7 and Example 8, carbon fibers having good quality and quality could be obtained.

つまり、本発明の実施例1〜9においては、比較例1および比較例2で見られた、炭素繊維の強度とケイ素飛散量のトレードオフの関係を解消し、ケイ素化合物の飛散を半減し、なおかつ炭素繊維の機械的強度の低下を抑制することが可能であることが確認できた。なお、実施例1〜9のいずれにおいても、前駆体繊維表面における処理剤成分の分離も観察されなかった。   That is, in Examples 1 to 9 of the present invention, the trade-off relationship between the strength of the carbon fiber and the silicon scattering amount found in Comparative Example 1 and Comparative Example 2 is eliminated, and the scattering of the silicon compound is halved. Moreover, it was confirmed that it was possible to suppress a decrease in the mechanical strength of the carbon fiber. In any of Examples 1 to 9, separation of the treatment agent component on the precursor fiber surface was not observed.

また、比較例3は式(1)におけるRの炭素数が9つであるため本発明の[B]成分には該当しない化合物B’7を使用した水準であるが、前駆体繊維表面においてシリコーン化合物との分離が発生し、融着数も多く、炭素繊維の強度は満足できるレベルではなかった。 In Comparative Example 3, since R 1 in Formula (1) has 9 carbon atoms, it is a level using Compound B′7 that does not correspond to the [B] component of the present invention. Separation from the silicone compound occurred, the number of fusions was large, and the strength of the carbon fibers was not satisfactory.

<実施例1、実施例10〜12の比較>
続いて、本発明の処理剤に用いられる[A]成分の種類に関しての比較検討を行った。
<Comparison of Example 1 and Examples 10-12>
Then, the comparative examination regarding the kind of [A] component used for the processing agent of this invention was performed.

変性シリコーンの種類を変更しても、大きな強度低下は見られず、いずれの水準も品質、品位良好な炭素繊維を得ることができた。   Even if the type of the modified silicone was changed, no significant decrease in strength was observed, and carbon fibers having good quality and quality could be obtained at any level.

前駆体繊維表面における処理剤成分の分離も観察されなかった。また、ケイ素飛散量も良好であった。   No separation of the treatment agent component on the precursor fiber surface was observed. Moreover, the silicon scattering amount was also good.

なお、実施例12においては、問題とならないレベルであるが、焼成工程における単繊維巻付、および毛羽の発生があった。   In Example 12, there was no problem, but there was a single fiber winding and fluffing in the firing process.

<実施例13,実施例14、比較例4〜6の比較>
[A]成分と[B]成分の比率について比較検討を行った。
<Comparison of Example 13, Example 14, and Comparative Examples 4-6>
A comparative study was performed on the ratio of the [A] component and the [B] component.

[A]成分を含有しない処理剤を用いた比較例4においては、焼成工程においてローラーへの巻付きが多発し、前駆体繊維束を得ることができなかった。   In the comparative example 4 using the processing agent which does not contain the [A] component, the winding to the roller frequently occurred in the firing step, and the precursor fiber bundle could not be obtained.

実施例13においては、問題とならない範囲で炭素繊維に多少の毛羽立ちが見られたものの炭素繊維の強度およびケイ素飛散量ともに満足する結果が得られた。繊維表面における処理剤成分の分離も観察されなかった。   In Example 13, although some fluff was observed in the carbon fiber within a range not causing a problem, a result satisfying both the strength of the carbon fiber and the silicon scattering amount was obtained. No separation of the treating agent component on the fiber surface was observed.

さらに[A]成分を減量し、[B]成分を増量した比較例5においては、繊維表面における処理剤成分の分離は観察されなかったが、融着数が多く、炭素繊維の強度は満足できるレベルではなかった。   Furthermore, in Comparative Example 5 in which the amount of the [A] component was reduced and the amount of the [B] component was increased, separation of the treatment agent component on the fiber surface was not observed, but the number of fusions was large and the strength of the carbon fiber was satisfactory. It was not a level.

実施例14においては、炭素繊維の強度低下はみられなかった。多少ケイ素飛散量が多かったが、許容できる範囲であった。繊維表面における処理剤成分の分離は観察されなかった。   In Example 14, no decrease in strength of the carbon fiber was observed. Although the silicon scattering amount was somewhat large, it was within an acceptable range. Separation of the treating agent component on the fiber surface was not observed.

さらに[A]成分を増量し、[B]成分を減量した比較例6においては、炭素繊維の強度低下は見られなかったが、ケイ素飛散量が多くスケールが発生し、焼成工程の安定性は比較例1と同様に許容できるレベルではなかった。   Further, in Comparative Example 6 in which the amount of the [A] component was increased and the amount of the [B] component was decreased, a decrease in the strength of the carbon fiber was not observed, but a large amount of silicon was scattered, a scale was generated, and the stability of the firing process was As in Comparative Example 1, it was not an acceptable level.

<実施例1、比較例7、比較例8の比較>
処理剤の付着量に関して比較検討を行った。
<Comparison of Example 1, Comparative Example 7, and Comparative Example 8>
A comparative study was conducted on the amount of treatment agent deposited.

処理剤を高付着量にした比較例7では、融着数は少ないが、焼成工程におけるローラーへの巻付が多くなり、操業性は満足できるレベルではなかった。また、炭素繊維の強度も低く、ケイ素飛散量が多かった。   In Comparative Example 7 in which the treatment agent had a high adhesion amount, the number of fusions was small, but the winding around the roller in the firing process increased, and the operability was not at a satisfactory level. Moreover, the strength of the carbon fiber was low and the amount of silicon scattering was large.

処理剤を低付着量にした比較例8においては、焼成工程においてローラーへの巻付きが多発し、前駆体繊維束を得ることができなかった。   In Comparative Example 8 in which the treatment agent was used in a low adhesion amount, winding around the roller frequently occurred in the firing step, and a precursor fiber bundle could not be obtained.

<実施例1,15〜17、比較例9〜11の比較>
続いて、本発明の処理剤の付与方法に関して比較検討を行った。2段付与を行った実施例15〜17においては、実施例1と同様に大きな強度低下は見られず、いずれの水準も品質、品位良好な炭素繊維を得ることができた。また、乾燥ローラー上におけるガムアップも少なく、工程通過性も良好であった
一方、2段付与は行ったものの[A]成分を含有しない処理剤を用いた比較例9においては、焼成工程においてローラーへの巻付きが多発し、前駆体繊維束を得ることができなかった。また、[A]成分の比率を低い比較例10〜11においても炭素繊維の強度が大幅に低下し、満足できるものではなかった。
<Comparison of Examples 1, 15-17, and Comparative Examples 9-11>
Subsequently, a comparative study was performed on the method for applying the treatment agent of the present invention. In Examples 15 to 17 in which the two-stage application was performed, no significant strength reduction was observed as in Example 1, and carbon fibers having good quality and quality could be obtained at any level. Also, there was little gum-up on the drying roller, and the process passability was good. On the other hand, in Comparative Example 9 using the treatment agent that did not contain the [A] component although two-stage application was performed, Winding of the wire frequently occurred, and a precursor fiber bundle could not be obtained. Moreover, also in Comparative Examples 10-11 with a low ratio of [A] component, the intensity | strength of carbon fiber fell significantly and was not satisfactory.

Claims (7)

処理剤が表面に付着したアクリル系繊維束であって、該処理剤が、下記[A]成分と下記[B]成分を該処理剤中に60〜100質量%含み、該処理剤中の下記[A]成分と下記[B]成分の合計の付着量が、該処理剤が付着される前のアクリル系繊維束100質量部に対し0.05〜3.0質量部であり、かつ、該処理剤中の下記[A]成分と下記[B]成分との質量比率が[A]:[B]=30:70〜70:30の範囲であることを特徴とする炭素繊維前駆体アクリル系繊維束。
[A]変性シリコーン
[B]下記式(1)および/または式(2)で表される化合物
(式(1)においてRは炭素数4−8の1価の分岐型飽和炭化水素基であり、Aは炭素数3〜20の1価の炭化水素基である。)
(式(2)においてR,Rはそれぞれ炭素数4−8の1価の分岐型飽和炭化水素基であり、同一であっても異なっていても良い。Aは炭素数3〜20の2価の炭化水素基である。)
An acrylic fiber bundle having a treatment agent attached to the surface, wherein the treatment agent contains 60 to 100% by mass of the following [A] component and the following [B] component in the treatment agent, and the following in the treatment agent: The total adhesion amount of the [A] component and the following [B] component is 0.05 to 3.0 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the acrylic fiber bundle before the treatment agent is adhered, and the Carbon fiber precursor acrylic characterized in that the mass ratio of the following [A] component and the following [B] component in the treatment agent is in the range of [A]: [B] = 30: 70 to 70:30 Fiber bundle.
[A] Modified silicone [B] Compound represented by the following formula (1) and / or formula (2)
(In Formula (1), R 1 is a monovalent branched saturated hydrocarbon group having 4 to 8 carbon atoms, and A 1 is a monovalent hydrocarbon group having 3 to 20 carbon atoms.)
(In Formula (2), R 2 and R 3 are each a monovalent branched saturated hydrocarbon group having 4 to 8 carbon atoms, and may be the same or different. A 2 has 3 to 20 carbon atoms. Divalent hydrocarbon group.)
[A]成分が、アミノ変性シリコーンである、請求項1に記載の炭素繊維前駆体アクリル系繊維束。 The carbon fiber precursor acrylic fiber bundle according to claim 1, wherein the component (A) is amino-modified silicone. 前記処理剤に含まれる[A]成分および/または[B]成分の、式(1)におけるR、式(2)におけるR,Rのうち少なくとも一つが、t−ブチル基または分岐オクチル基である、請求項1または2に記載の炭素繊維前駆体アクリル系繊維束。 At least one of R 1 in Formula ( 1 ) and R 2 and R 3 in Formula (2) of the [A] component and / or [B] component contained in the treating agent is a t-butyl group or a branched octyl group. The carbon fiber precursor acrylic fiber bundle according to claim 1 or 2, which is a group. [B]成分が、ネオペンタン酸と2,4−ジエチル−1,5−ペンタンジオールから得られるジエステル、ネオペンタン酸と3−メチル−1,5−ペンタンジオールから得られるジエステル、イソノナン酸とネオペンチルグリコールから得られるジエステル、ネオペンタン酸イソステアリルエステル、ネオペンタン酸オクチルドデシルエステル、イソノナン酸イソトリデシルエステル、イソノナン酸イソデシルエステル、イソノナン酸イソノニルエステル、イソノナン酸エチルへキシルエステルからなる群から選ばれる少なくとも一つの化合物である、請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊維前駆体アクリル系繊維束。 [B] component is a diester obtained from neopentanoic acid and 2,4-diethyl-1,5-pentanediol, a diester obtained from neopentanoic acid and 3-methyl-1,5-pentanediol, isononanoic acid and neopentyl glycol At least one selected from the group consisting of diester, neopentanoic acid isostearyl ester, neopentanoic acid octyldodecyl ester, isononanoic acid isotridecyl ester, isononanoic acid isodecyl ester, isononanoic acid isononyl ester, isononanoic acid ethylhexyl ester The carbon fiber precursor acrylic fiber bundle according to any one of claims 1 to 3, which is one compound. 請求項1〜4に記載の炭素繊維前駆体アクリル系繊維束の製造方法であって、前記処理剤を付与する前のアクリル系繊維束を、該処理剤の分散液で満たされた浴中を通過させて処理剤を付与した後、乾燥処理をする工程を有する炭素繊維前駆体アクリル系繊維束の製造方法。 It is a manufacturing method of the carbon fiber precursor acrylic fiber bundle of Claims 1-4, Comprising: The acrylic fiber bundle before providing the said processing agent is in the bath filled with the dispersion liquid of this processing agent. The manufacturing method of the carbon fiber precursor acrylic fiber bundle which has the process of making it dry process after giving a processing agent through it. 乾燥処理をした後、さらに処理剤を付与する工程を有する、請求項5に記載の炭素繊維前駆体アクリル系繊維束の製造方法。 The method for producing a carbon fiber precursor acrylic fiber bundle according to claim 5, further comprising a step of applying a treatment agent after the drying treatment. 請求項1〜4のいずれかに記載の炭素繊維前駆体アクリル系繊維束、または請求項5または6の方法で製造された炭素繊維前駆体アクリル系繊維束を、酸素含有雰囲気下において200〜300℃で耐炎化し、その後炭化せしめることを特徴とする炭素繊維束の製造方法。 The carbon fiber precursor acrylic fiber bundle according to any one of claims 1 to 4 or the carbon fiber precursor acrylic fiber bundle produced by the method according to claim 5 or 6 in an oxygen-containing atmosphere. A method for producing a carbon fiber bundle, characterized by being flame resistant at 0 ° C. and then carbonized.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016084563A (en) * 2014-10-28 2016-05-19 松本油脂製薬株式会社 Acrylic fiber treatment agent and application thereof
KR20210141499A (en) 2019-03-28 2021-11-23 도레이 카부시키가이샤 Carbon fiber bundle and its manufacturing method

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