JP2011213771A - Method of manufacturing polyacrylonitrile copolymer using tubular continuous reactor - Google Patents

Method of manufacturing polyacrylonitrile copolymer using tubular continuous reactor Download PDF

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克博 伊藤
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博文 米田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a polyacrylonitrile copolymer suitable for the manufacture of a high-grade carbon fiber and to provide a method of manufacturing a carbon fiber using the polyacrylonitrile copolymer.SOLUTION: The method of manufacturing a polyacrylic copolymer comprises (a) a first polymerization step of feeding a raw material mixture comprising at least monomers containing acrylonitrile, a chain transfer agent and a polymerization initiator to a circulation line (I) having incorporated therewith at least one tubular reactor 24 having a structure for static mixing to continuously polymerize it at 30-150°C with a temperature nonuniformity in the reactor controlled within 5°C, (b) a solution-feeding step of feeding the solution from a branched part of the circulation line (I) used in the first polymerization step to a second polymerization step, and (c) a second polymerization step of continuously polymerizing the solution fed from the solution-feeding step at 30-150°C with a temperature nonuniformity in the tubular reactor controlled within 5°C while passing the solution through a non-circulation line (II) having a structure for static mixing so as to attain a polymerization rate of 80-95% at an outlet of the non-circulation line (II).

Description

本発明は、高品位な炭素繊維前駆体繊維と炭素繊維の製造に好適なポリアクリロニトリル共重合体とその製造方法、およびそのポリアクリロニトリル共重合体を用いた炭素繊維の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a high-quality carbon fiber precursor fiber, a polyacrylonitrile copolymer suitable for the production of carbon fiber, a method for producing the same, and a method for producing carbon fiber using the polyacrylonitrile copolymer.

炭素繊維は、他の繊維に比べて高い比強度および比弾性率を有する。このため、複合材料用補強繊維として、従来からのスポーツ用途や航空・宇宙用途に加え、自動車や土木・建築、圧力容器および風車ブレードなどの一般産業用途にも幅広く展開されつつあり、更なる生産性の向上や生産安定化の要請が高い。   Carbon fiber has high specific strength and specific elastic modulus compared to other fibers. For this reason, as a reinforcing fiber for composite materials, in addition to conventional sports and aerospace applications, it is also widely used in general industrial applications such as automobiles, civil engineering / architecture, pressure vessels and windmill blades. There is a high demand for improved productivity and stable production.

炭素繊維の中で、最も広く利用されているポリアクリロニトリル(以下、PANと略記することがある。)系炭素繊維は、その前駆体となるPAN共重合体を湿式紡糸、乾式紡糸または乾湿式紡糸して炭素繊維前駆体繊維を得た後、それを200〜400℃の温度の酸化性雰囲気下で加熱して耐炎化繊維へ転換し、少なくとも1000℃の温度の不活性雰囲気下で加熱して炭素化することによって工業的に製造されている。   Among the carbon fibers, the most widely used polyacrylonitrile (hereinafter sometimes abbreviated as PAN) carbon fiber is a PAN copolymer that is a precursor of wet spinning, dry spinning or dry wet spinning. To obtain a carbon fiber precursor fiber, which is then heated in an oxidizing atmosphere at a temperature of 200 to 400 ° C. to convert to a flame-resistant fiber, and heated in an inert atmosphere at a temperature of at least 1000 ° C. It is manufactured industrially by carbonization.

PAN系炭素繊維の生産性および品質向上は、炭素繊維前駆体繊維の紡糸、耐炎化あるいは炭素化のいずれの観点からも行われている。中でもポリアクリロニトリルの生産性の向上は次に示す問題から困難であった。すなわち、従来技術によるポリアクリロニトリル共重合体の製造は、槽型反応器を用いて実施されている(特許文献1、2参照)。このような槽型反応器において生産性向上のために反応器を大型化することが、まずは考えられる。しかしながら、反応器を単に大型化すると反応器内部での温度斑が大きくなることが知られており、温度斑が大きくなると品質安定性が低下するため、反応器の大型化分の生産性を向上することはできない。また、反応器を大型化せずに生産性を向上させるためには重合速度を速めることも考えられるが、この場合も除熱に不具合が発生し反応器内の温度斑が大きくなり、品質安定性が低下することが懸念されるため、生産性の向上と品質の安定化の両立が困難であるという問題があった。   The productivity and quality improvement of PAN-based carbon fibers are performed from the viewpoints of spinning, flame resistance or carbonization of carbon fiber precursor fibers. Above all, improvement of the productivity of polyacrylonitrile was difficult due to the following problems. That is, the production of a polyacrylonitrile copolymer according to the prior art is carried out using a tank reactor (see Patent Documents 1 and 2). In such a tank reactor, it is first considered to increase the size of the reactor in order to improve productivity. However, it is known that simply increasing the size of the reactor will increase the temperature spot inside the reactor, and if the temperature spot increases, the quality stability will decrease, improving the productivity of the larger reactor size. I can't do it. In order to improve productivity without increasing the size of the reactor, it is conceivable to increase the polymerization rate. However, in this case as well, a problem occurs in heat removal, resulting in a large temperature spot in the reactor and stable quality. Therefore, there is a problem that it is difficult to achieve both improvement in productivity and stabilization of quality.

一方、アクリルースチレン共重合ポリマーなどの重合においては、静的混合部を内部に有する管状反応器をもちいた製造方法が知られている。この製造方法は、高い除熱能力有しており、重合反応器内の温度斑が小さく、重合速度を速めても品質を不安定化することなく生産性を高めることができる技術として知られている(特許文献3,4参照)。   On the other hand, in the polymerization of acrylic-styrene copolymer or the like, a production method using a tubular reactor having a static mixing part inside is known. This production method is known as a technology that has high heat removal capability, small temperature spots in the polymerization reactor, and can increase productivity without destabilizing the quality even if the polymerization rate is increased. (See Patent Documents 3 and 4).

特開2001−146502号公報JP 2001-146502 A 特開平1−26615号公報JP-A-1-26615 特開平9−12638号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-12638 特開平10−45811号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-45811

しかしながら、かかる連続重合法を用いてポリアクリロニトリル共重合体を重合する場合、アクリルースチレン共重合ポリマーに比べ1.5〜2倍の反応熱が発生し、除熱に不具合が発生し品質が不安定化することが分かった。そこで本発明の目的は、炭素繊維前駆体繊維製造用に好適なポリアクリロニトリル共重合体の品質安定性と設備生産性を両立することができる管状反応器を用いた連続重合法による製造方法を提供することにある。   However, when a polyacrylonitrile copolymer is polymerized using such a continuous polymerization method, the reaction heat is 1.5 to 2 times that of an acrylic-styrene copolymer, resulting in defects in heat removal and poor quality. It was found to stabilize. Accordingly, an object of the present invention is to provide a production method by a continuous polymerization method using a tubular reactor that can achieve both the quality stability and equipment productivity of a polyacrylonitrile copolymer suitable for producing a carbon fiber precursor fiber. There is to do.

かかる課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。すなわち、ポリアクリロニトリル共重合体の製造法であって、
(a)アクリロニトリルを含む単量体、連鎖移動剤、ならびに重合開始剤を少なくとも含む原料混合物を、静的混合用構造部を内部に有する1個以上の管状反応器を組み込んである循環ライン(I)に供給し、30〜150℃で管状反応器内の温度斑を5℃以内に制御し、連続重合する第1の重合工程と
(b)第1の重合工程で用いる循環ライン(I)の分岐部から第2の重合工程に送る送液工程と、
(c)送液工程から送られた溶液を静的混合用構造部を内部に有する非循環ライン(II)を通過させながら30〜150℃で、管状反応器内の温度斑を5℃以内に制御し、非循環ライン(II)出口において重合率が80〜95%となるように連続重合する第2の重合工程を有するポリアクリル系共重合体の製造方法である。
In order to solve this problem, the present invention has the following configuration. That is, a process for producing a polyacrylonitrile copolymer,
(a) A circulation line (I) in which one or more tubular reactors having a static mixing structure are incorporated into a raw material mixture containing at least a monomer containing acrylonitrile, a chain transfer agent, and a polymerization initiator (I A first polymerization step in which temperature fluctuations in the tubular reactor are controlled within 5 ° C. at 30 to 150 ° C., and continuous polymerization is performed.
(b) a liquid feeding step for sending from the branch portion of the circulation line (I) used in the first polymerization step to the second polymerization step;
(c) While passing the solution sent from the liquid feeding process through a non-circulation line (II) having a static mixing structure inside, the temperature spots in the tubular reactor are kept within 5 ° C. at 30 to 150 ° C. It is a method for producing a polyacrylic copolymer having a second polymerization step of controlling and continuously polymerizing the polymerization rate at 80 to 95% at the outlet of the non-circulation line (II).

炭素繊維前駆体繊維製造用に好適なポリアクリロニトリル共重合体の品質安定性と設備生産性を両立することができる。   The quality stability and equipment productivity of a polyacrylonitrile copolymer suitable for producing a carbon fiber precursor fiber can be achieved.

本発明の概略を示す工程図である。It is process drawing which shows the outline of this invention.

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

本発明のポリアクリロニトリル(以降PANと記すこともある)共重合体の製造方法に用いる原料混合物は、アクリロニトリルを含む単量体、連鎖移動剤、ならびに重合開始剤を少なくとも含むものである。   The raw material mixture used in the method for producing a polyacrylonitrile (hereinafter sometimes referred to as PAN) copolymer of the present invention contains at least a monomer containing acrylonitrile, a chain transfer agent, and a polymerization initiator.

本発明のポリアクリロニトリル共重合体の製造方法に用いる原料混合物におけるポリアクリロニトリル共重合体を得るための単量体としては、アクリロニトリル(以降ANと記すこともある)が含まれることが必要であり、ANが98〜100モル%でありANと共重合可能な単量体が0〜2モル%含むものが好ましく用いられる。   As a monomer for obtaining the polyacrylonitrile copolymer in the raw material mixture used in the method for producing the polyacrylonitrile copolymer of the present invention, it is necessary to include acrylonitrile (hereinafter sometimes referred to as AN), Those containing AN of 98 to 100 mol% and containing 0 to 2 mol% of monomers copolymerizable with AN are preferably used.

ANと共重合可能な単量体としては、炭素繊維製造の最初の工程である耐炎化工程での処理を促進する観点から、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸およびそれらアルカリ金属塩、アンモニウム塩および低級アルキルエステル類、アクリルアミドおよびその誘導体、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸およびそれらの塩類またはアルキルエステル類などを用いることができる。   Examples of monomers copolymerizable with AN include, for example, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid and alkali metal salts thereof, ammonium, from the viewpoint of accelerating the treatment in the flameproofing process, which is the first process of carbon fiber production. Salts and lower alkyl esters, acrylamide and derivatives thereof, allyl sulfonic acid, methallyl sulfonic acid and salts or alkyl esters thereof can be used.

本発明のポリアクリロニトリル共重合体の製造方法に用いる原料混合物における重合開始剤は、ラジカル発生温度(本発明においては10時間半減期温度をラジカル発生温度と定義する)が30〜150℃のものである。安全面からの取り扱い性および工業的に効率よく重合を行うという観点からは、ラジカル発生温度が30〜100℃の範囲の重合開始剤が好ましい。かかる重合開始剤としては、油溶性アゾ系化合物、水溶性アゾ系化合物および過酸化物などが好ましい。中でも、分解時に重合を阻害する酸素発生の懸念がないアゾ系化合物が好ましく用いられ、溶液重合で重合する場合には、溶解性の観点から油溶性アゾ化合物が好ましく用いられる。油溶性アゾ系化合物の具体例としては、2,2'−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)(ラジカル発生温度30℃)、2,2'−アゾビス(2,4'−ジメチルバレロニトリル)(ラジカル発生温度51℃)、2,2'−アゾビスイソブチロニトリル(ラジカル発生温度65℃)、および1,1’−アゾビス(シクロヘキサン―1―カルボニトリル)(ラジカル発生温度88℃)など、水溶性アゾ系化合物の具体例としては2,2‘アゾビス(2,2’イミダゾリニル)プロパン、(ラジカル発生温度61℃)、過酸化物の具体例としてはジベンゾイルジオキシダン(ラジカル発生温度80℃)が挙げられる。また、かかる重合開始剤の含有量としてはモノマー100重量部につき、0.1〜5.0重量部含まれることが好ましい。0.1重量部に満たない場合は、重合速度が低下し、生産性が低下する場合があり、5.0重量部を越える場合には重合反応初期に発生する反応熱が増大し、除熱に不具合が発生する場合がある。   The polymerization initiator in the raw material mixture used in the method for producing the polyacrylonitrile copolymer of the present invention has a radical generation temperature (in the present invention, the 10-hour half-life temperature is defined as the radical generation temperature) of 30 to 150 ° C. is there. From the viewpoints of handling from a safety aspect and industrially efficient polymerization, a polymerization initiator having a radical generation temperature in the range of 30 to 100 ° C. is preferable. As such a polymerization initiator, oil-soluble azo compounds, water-soluble azo compounds, peroxides, and the like are preferable. Among them, an azo compound that does not cause the generation of oxygen that inhibits polymerization at the time of decomposition is preferably used, and in the case of polymerization by solution polymerization, an oil-soluble azo compound is preferably used from the viewpoint of solubility. Specific examples of the oil-soluble azo compounds include 2,2′-azobis (4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile) (radical generation temperature 30 ° C.), 2,2′-azobis (2,4′- Dimethylvaleronitrile) (radical generation temperature 51 ° C.), 2,2′-azobisisobutyronitrile (radical generation temperature 65 ° C.), and 1,1′-azobis (cyclohexane-1-carbonitrile) (radical generation temperature) 88.degree. C.) as specific examples of water-soluble azo compounds such as 2,2′azobis (2,2′imidazolinyl) propane, (radical generation temperature 61 ° C.), and specific examples of peroxides as dibenzoyldioxidane ( Radical generation temperature 80 ° C.). Further, the content of the polymerization initiator is preferably 0.1 to 5.0 parts by weight per 100 parts by weight of the monomer. When the amount is less than 0.1 parts by weight, the polymerization rate may decrease and the productivity may decrease. When the amount exceeds 5.0 parts by weight, the reaction heat generated at the initial stage of the polymerization reaction increases, and heat removal is performed. May cause problems.

本発明のポリアクリロニトリル共重合体の製造方法に用いる原料混合物における連鎖移動剤は、オクチルメルカプタン、ドデシルメルカプタンなどの連鎖移動作用を有する既知の化合物を用いることができる。また、かかる連鎖移動剤の含有量としては、モノマー100重量部につき、0.00〜0.100重量部含まれることが好ましい。0.10を超える場合には分子量が低下し、炭素繊維弾性率が低下する場合があるためである。   As the chain transfer agent in the raw material mixture used in the method for producing the polyacrylonitrile copolymer of the present invention, a known compound having a chain transfer action such as octyl mercaptan and dodecyl mercaptan can be used. The chain transfer agent content is preferably 0.00 to 0.100 parts by weight per 100 parts by weight of the monomer. This is because if the molecular weight exceeds 0.10, the molecular weight may decrease and the carbon fiber elastic modulus may decrease.

本発明のポリアクリロニトリル共重合体の製造方法において、前記原料混合物は以下の(a)から(c)の各工程を適用して重合する。かかる工程を適用することにより、高い品質安定性および設備生産性を両立することができる。また、重合方式は塊状重合、溶液重合、鹸濁重合などの公知の重合方法から選択することができ、生産性、品質安定性の観点から溶液重合であることが好ましい。   In the method for producing a polyacrylonitrile copolymer of the present invention, the raw material mixture is polymerized by applying the following steps (a) to (c). By applying this process, both high quality stability and equipment productivity can be achieved. The polymerization method can be selected from known polymerization methods such as bulk polymerization, solution polymerization, and saponification polymerization, and is preferably solution polymerization from the viewpoint of productivity and quality stability.

(a) 第1の重合工程では、重合開始反応、成長反応の一部を行い、(c) 第2の重合工程では、成長反応、停止反応を行う。これらの工程を組み合わせることにより、目的の分子量を有するポリアクリロニトリル重合体を得る。 (b) 送液工程は、第1の重合工程から(c)第2の重合工程へ送液をするとともに、必要に応じて重合開始剤または連鎖移動剤を添加する工程である。  (a) In the first polymerization step, a polymerization initiation reaction and a part of the growth reaction are performed. In (c) the second polymerization step, a growth reaction and a termination reaction are performed. By combining these steps, a polyacrylonitrile polymer having the target molecular weight is obtained. (b) The liquid feeding step is a step of feeding a liquid from the first polymerization step to (c) the second polymerization step and adding a polymerization initiator or a chain transfer agent as necessary.

以下各工程について、詳述する。   Each step will be described in detail below.

(a) 第1の重合工程は、前記原料混合物を、静的混合用構造部を内部に有する1個以上の管状反応器を組み込んである循環ライン(I)に供給し、30〜150℃で管状反応器内の温度斑を5℃以内に制御し、連続重合する工程である。 内部に静的混合用構造部を有する管状反応器を有することで、内部熱交換表面積が広くなり、高い熱伝導が達成される。また、静的混合用構造部を内部に有する管状反応器を1個以上組み込んだ循環ライン(I)中では該管状反応器による静的な混合を行いながら連続的に重合を行うことにより、これまで達成することのできなかった、温度斑を小さくコントロールした条件下で連続重合が可能となる。好ましくは、静力学的混合器は、複合湾曲管を持っている。管状反応器の単位体積あたりの伝熱面積は、好ましくは、10m/m以上、より好ましくは、30m/m以上、さらに好ましくは、50m/m以上である。 (a) In the first polymerization step, the raw material mixture is supplied to a circulation line (I) incorporating one or more tubular reactors having a static mixing structure therein, at 30 to 150 ° C. In this step, temperature fluctuations in the tubular reactor are controlled within 5 ° C., and continuous polymerization is performed. By having the tubular reactor having the structure for static mixing inside, the internal heat exchange surface area is increased and high heat conduction is achieved. In addition, in the circulation line (I) incorporating one or more tubular reactors having a structure for static mixing therein, continuous polymerization is performed while performing static mixing in the tubular reactor. Thus, continuous polymerization can be performed under conditions in which temperature spots are controlled to be small. Preferably, the hydrostatic mixer has a compound curved tube. The heat transfer area per unit volume of the tubular reactor is preferably 10 m 2 / m 3 or more, more preferably 30 m 2 / m 3 or more, and even more preferably 50 m 2 / m 3 or more.

静的混合用構造部を内部に有する管状反応器は、好ましくは、静的ミキシングエレメントを内部に有する管状反応器である。ミキシングエレメントとしては、例えば管内に流入した重合液の流れの分割と流れの方向を変え、分割と合流を繰り返すことにより、乱流を形成し重合液を混合するものが挙げられる。   The tubular reactor having the static mixing structure therein is preferably a tubular reactor having a static mixing element therein. As the mixing element, for example, there is an element that mixes the polymerization liquid by forming a turbulent flow by changing the flow of the polymerization liquid flowing into the pipe and changing the flow direction and repeating the division and merging.

静的静的混合用構造部を内部に有する管状反応器としては、撹拌効率および伝熱面積の点で優れるスルザー(Sulzer)式のSMR型の管状ミキサー(Sulzer社製)を内部に有する管状反応器を用いることが好ましい。かかる連続ラインは、同一あるいは異なる種類の静的混合用構造部を複数個所に有していてもよい。   As a tubular reactor having a static static mixing structure inside, a tubular reaction having a Sulzer type SMR type tubular mixer (manufactured by Sulzer) excellent in stirring efficiency and heat transfer area. It is preferable to use a vessel. Such a continuous line may have a plurality of static mixing structures of the same or different types.

第1の重合工程における重合温度は30〜150℃であり、40〜120℃であることがより好ましく、90〜120℃であることがさらに好ましい。先述したとおり、ラジカル重合においては重合温度が高いほど重合速度が高くなる傾向にあり、加えて反応溶液の粘度は低下するため生産性には有利に働くが、ポリアクリロニトリル系重合体では環化反応や架橋反応などの副反応が顕著となるため、高すぎないことも重要である。重合温度が30℃よりも低いと重合速度が低下し、重合開始剤濃度を高めるなどの対策が必要となることがあるため好ましくない。また150℃よりも高いと、反応溶液が重合中に受ける副反応の影響が顕著となるため好ましくない。重合温度が40〜120℃の範囲にあるとき、生産性とポリマー特性安定性が特に優れる結果が得られる。さらに、重合温度を90〜120℃とすることで、ポリアクリロニトリル系重合体の生産において一般的に用いられている常圧あるいは微加圧下でのバッチ式溶液重合と比較して、大幅に生産性を高めることができる。このとき、前記重合工程で供給する単量体混合物または溶媒の重合温度での飽和蒸気圧以上に加圧して重合することが好ましい。各原料の飽和蒸気圧以下で重合を行うと、原料が蒸発し、原料組成が変化するため品質が安定しない場合がある。   The polymerization temperature in the first polymerization step is 30 to 150 ° C, more preferably 40 to 120 ° C, and further preferably 90 to 120 ° C. As described above, in radical polymerization, the higher the polymerization temperature, the higher the polymerization rate tends to increase. In addition, the viscosity of the reaction solution decreases, which is advantageous for productivity, but the polyacrylonitrile polymer has a cyclization reaction. It is also important that the reaction is not too high because side reactions such as and crosslinking reactions become significant. When the polymerization temperature is lower than 30 ° C., the polymerization rate is decreased, and measures such as increasing the concentration of the polymerization initiator may be necessary, which is not preferable. On the other hand, if the temperature is higher than 150 ° C., the side reaction that the reaction solution undergoes during polymerization becomes significant, which is not preferable. When the polymerization temperature is in the range of 40 to 120 ° C., results in which productivity and polymer property stability are particularly excellent are obtained. Furthermore, by setting the polymerization temperature to 90 to 120 ° C., productivity is significantly higher than that of batch type solution polymerization under normal pressure or slight pressure generally used in the production of polyacrylonitrile polymers. Can be increased. At this time, it is preferable to perform polymerization by pressurizing the monomer mixture or solvent supplied in the polymerization step to a pressure equal to or higher than the saturated vapor pressure at the polymerization temperature. When the polymerization is carried out at or below the saturation vapor pressure of each raw material, the raw material evaporates and the raw material composition changes, so the quality may not be stable.

また、前記連続重合においては、循環ライン(I)における管状反応器内の温度は、温度斑を5℃以内に制御する必要がある。温度斑が5℃を超える場合には品質が不安定化し、生産性が低下するためである。かかる観点から、3℃以内であれば更に好ましい。   In the continuous polymerization, the temperature in the tubular reactor in the circulation line (I) needs to be controlled within 5 ° C. This is because when the temperature spots exceed 5 ° C., the quality becomes unstable and the productivity decreases. From this viewpoint, it is more preferably within 3 ° C.

また、第1の重合工程における重合速度は5〜20%/hrとなるように重合開始剤の種類、濃度と重合温度を設定することが好ましい。5%/hr未満であると、生産性が低下し、20%/hrであると反応熱の発生が多く、除熱に不具合が発生することがある。   Further, it is preferable to set the type, concentration and polymerization temperature of the polymerization initiator so that the polymerization rate in the first polymerization step is 5 to 20% / hr. If it is less than 5% / hr, the productivity is lowered, and if it is 20% / hr, there is a large amount of heat of reaction, which may cause problems in heat removal.

(b) 送液工程は第1の重合工程で用いる循環ライン(I)の分岐部から第2の重合工程に送る工程である。かかる送液工程において、必要に応じて単量体、重合開始剤、連鎖移動剤を添加することも好ましい形態である。例えば、第1の重合工程出口において重合率が目標以下であった場合には重合開始剤を添加し、Mzが目標以上であった場合には連鎖移動剤を添加し、ポリマー濃度が目標以下で合った場合には単量体及び重合開始剤を投入することが好ましい。   (b) The liquid feeding step is a step of sending the branched portion of the circulation line (I) used in the first polymerization step to the second polymerization step. In this liquid feeding step, it is also a preferred form to add a monomer, a polymerization initiator, and a chain transfer agent as necessary. For example, a polymerization initiator is added when the polymerization rate is below the target at the outlet of the first polymerization step, a chain transfer agent is added when Mz is above the target, and the polymer concentration is below the target. When they match, it is preferable to add a monomer and a polymerization initiator.

(c) 第2の重合工程は、前記送液工程から供給されたポリアクリロニトリル重合体を、静的混合用構造部を内部に有する1個以上の管状反応器を組み込んである非循環ライン(II)に供給し、30〜150℃で管状反応器内の温度斑を5℃以内に制御し、連続重合する工程である。   (c) In the second polymerization step, the polyacrylonitrile polymer supplied from the liquid feeding step is a non-circulation line (II) incorporating one or more tubular reactors having a static mixing structure therein. ), Temperature fluctuations in the tubular reactor at 30 to 150 ° C. are controlled within 5 ° C., and continuous polymerization is performed.

第2の重合工程の非循環ライン中に組み込む管状反応器の静的混合用構造部としては、第1の重合工程と同様に撹拌効率および伝熱面積の点で優れるスルザー(Sulzer)式のSMR型の管状ミキサー(Sulzer社製)を用いることが好ましい。かかる連続ラインには、同一あるいは異なる種類の静的混合用構造部を複数個所に有していてもよい。   As the static mixing structure portion of the tubular reactor incorporated in the non-circulation line of the second polymerization step, a Sulzer type SMR having excellent stirring efficiency and heat transfer area as in the first polymerization step. It is preferable to use a type of tubular mixer (manufactured by Sulzer). Such continuous lines may have the same or different types of static mixing structures at a plurality of locations.

第2の重合工程における重合温度は30〜150℃であり、40〜150℃であることがより好ましく、90〜150℃であることがさらに好ましい。先述したとおり、ラジカル重合においては重合温度が高いほど重合速度が高くなる傾向にあり、加えて反応溶液の粘度は低下するため生産性には有利に働くが、ポリアクリロニトリル系重合体では環化反応や架橋反応などの副反応が顕著となるため、高すぎないことも重要である。重合温度が30℃よりも低いと重合速度が低下し、重合開始剤濃度を高めるなどの対策が必要となることがあるため好ましくない。また150℃よりも高いと、反応溶液が重合中に受ける副反応の影響が顕著となるため好ましくない。重合温度が40〜120℃の範囲にあるとき、生産性とポリマー特性安定性が特に優れる結果が得られる。このとき、前記重合工程で供給する単量体混合物または溶媒の重合温度での飽和蒸気圧以上に加圧して重合することが好ましい。各原料の飽和蒸気圧以下で重合を行うと、原料が蒸発し、原料組成が変化するため品質が安定しない場合がある。さらに、重合温度を90〜120℃とすることで、ポリアクリロニトリル系重合体の生産において一般的に用いられている常圧あるいは微加圧下でのバッチ式溶液重合と比較して、大幅に生産性を高めることができる。
また、前記連続重合においては、非循環ライン(II)における管状反応器内の温度は、温度斑を5℃以内に制御する必要がある。温度斑が5℃を超える場合には品質が不安定化し、生産性が低下するためである。かかる観点から、3℃以内であれば更に好ましい。
また、第1の重合工程における重合速度は5〜20%/hrであることが好ましく、5%/hr未満であると、生産性が低下し、20%/hrであると反応熱の発生が多く、除熱に不具合が発生することがある。第2の重合工程の出口における重合率は80〜95%であることが好ましい。重合率が80%より小さいと、生産性が低下する。一方で重合率は90%を越えると重合速度が低下するため、95%以上の重合率を得るには重合反応時間が増加し、生産性が低下する。
The polymerization temperature in the second polymerization step is 30 to 150 ° C, more preferably 40 to 150 ° C, and further preferably 90 to 150 ° C. As described above, in radical polymerization, the higher the polymerization temperature, the higher the polymerization rate tends to increase. In addition, the viscosity of the reaction solution decreases, which is advantageous for productivity, but the polyacrylonitrile polymer has a cyclization reaction. It is also important that the reaction is not too high because side reactions such as and crosslinking reactions become prominent. When the polymerization temperature is lower than 30 ° C., the polymerization rate is decreased, and measures such as increasing the concentration of the polymerization initiator may be necessary, which is not preferable. On the other hand, if the temperature is higher than 150 ° C., the side reaction that the reaction solution undergoes during polymerization becomes significant, which is not preferable. When the polymerization temperature is in the range of 40 to 120 ° C., results in which productivity and polymer property stability are particularly excellent are obtained. At this time, it is preferable to perform polymerization by pressurizing the monomer mixture or solvent supplied in the polymerization step to a pressure equal to or higher than the saturated vapor pressure at the polymerization temperature. When the polymerization is carried out at or below the saturation vapor pressure of each raw material, the raw material evaporates and the raw material composition changes, so the quality may not be stable. Furthermore, by setting the polymerization temperature to 90 to 120 ° C., productivity is significantly higher than that of batch type solution polymerization under normal pressure or slight pressure generally used in the production of polyacrylonitrile polymers. Can be increased.
In the continuous polymerization, the temperature in the tubular reactor in the non-circulation line (II) needs to be controlled within 5 ° C. This is because when the temperature spots exceed 5 ° C., the quality becomes unstable and the productivity decreases. From this viewpoint, it is more preferably within 3 ° C.
Further, the polymerization rate in the first polymerization step is preferably 5 to 20% / hr, and if it is less than 5% / hr, the productivity is lowered, and if it is 20% / hr, reaction heat is generated. In many cases, problems may occur in heat removal. The polymerization rate at the outlet of the second polymerization step is preferably 80 to 95%. When the polymerization rate is less than 80%, the productivity is lowered. On the other hand, when the polymerization rate exceeds 90%, the polymerization rate is lowered. Therefore, in order to obtain a polymerization rate of 95% or more, the polymerization reaction time is increased and the productivity is lowered.

次に、本発明の製造方法で得られたPAN系重合体を用いた炭素繊維前駆体繊維の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the carbon fiber precursor fiber using the PAN-type polymer obtained with the manufacturing method of this invention is demonstrated.

本発明の製造方法で得られたPAN系共重合体を凝固浴中に導入して凝固させ凝固糸を形成した後、水洗工程、浴中延伸工程、油剤付与工程および乾燥工程を経て、炭素繊維前駆体繊維が得られる。また、上記の工程に乾熱延伸工程や蒸気延伸工程を加えてもよい。凝固後の糸条は、水洗工程を省略して直接浴中延伸を行っても良いし、溶媒を水洗工程により除去した後に浴中延伸を行っても良い。浴中延伸は、通常、30〜98℃の温度に温調された単一または複数の延伸浴中で行うことが好ましい。そのときの延伸倍率は、1〜5倍であることが好ましく、1〜3倍であることがより好ましい。   After the PAN copolymer obtained by the production method of the present invention is introduced into a coagulation bath and coagulated to form a coagulated yarn, it is subjected to a water washing step, an in-bath drawing step, an oil agent application step, and a drying step, and then carbon fiber. Precursor fibers are obtained. Moreover, you may add a dry heat extending process and a steam extending process to said process. The solidified yarn may be directly stretched in the bath without the water washing step, or may be stretched in the bath after removing the solvent by the water washing step. Usually, the stretching in the bath is preferably performed in a single or a plurality of stretching baths adjusted to a temperature of 30 to 98 ° C. The draw ratio at that time is preferably 1 to 5 times, and more preferably 1 to 3 times.

浴中延伸工程の後、単繊維同士の接着を防止する目的から、延伸された繊維糸条にシリコーン等からなる油剤を付与することが好ましい。シリコーン油剤は、耐熱性の高いアミノ変性シリコーン等の変性されたシリコーンを含有するものを用いることが好ましい。   After the stretching step in the bath, it is preferable to apply an oil agent made of silicone or the like to the stretched fiber yarn for the purpose of preventing adhesion between single fibers. As the silicone oil, it is preferable to use a silicone oil containing a modified silicone such as amino-modified silicone having high heat resistance.

乾燥工程としては、例えば、乾燥温度が70〜200℃で乾燥時間が10秒から200秒の乾燥条件が好ましい結果を与える。生産性の向上や結晶配向度の向上として、乾燥工程後に加熱熱媒中で延伸することが好ましい。加熱熱媒としては、例えば、加圧水蒸気あるいは過熱水蒸気が操業安定性やコストの面で好適に用いられ、延伸倍率は通常1.5〜10倍である。   As the drying step, for example, a drying condition in which a drying temperature is 70 to 200 ° C. and a drying time is 10 seconds to 200 seconds gives preferable results. As an improvement in productivity and an improvement in the degree of crystal orientation, it is preferable to stretch in a heating heat medium after the drying step. As the heating heat medium, for example, pressurized steam or superheated steam is suitably used in terms of operational stability and cost, and the draw ratio is usually 1.5 to 10 times.

次に、本発明の炭素繊維の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the carbon fiber of this invention is demonstrated.

本発明では、前記のようにして得た炭素繊維前駆体繊維を、200〜300℃の温度の空気中において耐炎化する耐炎化工程と、耐炎化工程で得られた繊維を、300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において予備炭化する予備炭化工程と、予備炭化工程で得られた繊維を1,000〜3,000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化する炭化工程を順次経て炭素繊維を得ることができる。
本発明により得られる炭素繊維は、プリプレグとしてオートクレーブ成形、織物などのプリフォームとしてレジントランスファ
ーモールディングで成形するなど種々の成形法により、衝撃後圧縮強度など様々な機械特性に優れた炭素繊維強化複合材料を与えることから、航空機用構造材料、自動車用途、船舶用途、スポーツ用途およびその他一般産業用途に衝撃後圧縮強度に優れる炭素繊維強化複合材料として好適に用いることができる。
In the present invention, the carbon fiber precursor fiber obtained as described above is flame-resistant in which the carbon fiber precursor fiber is flame-resistant in air at a temperature of 200 to 300 ° C., and the fiber obtained in the flame resistance process is 300 to 800 ° C. Carbon fiber through a preliminary carbonization step of precarbonizing in an inert atmosphere at a temperature of 5 and a carbonization step of carbonizing the fiber obtained in the preliminary carbonization step in an inert atmosphere at a temperature of 1,000 to 3,000 ° C. Can be obtained.
The carbon fiber obtained by the present invention is a carbon fiber reinforced composite material excellent in various mechanical properties such as post-impact compressive strength by various molding methods such as autoclave molding as a prepreg and molding by resin transfer molding as a preform such as a woven fabric. Therefore, it can be suitably used as a carbon fiber reinforced composite material having excellent post-impact compressive strength for aircraft structural materials, automotive applications, marine applications, sports applications and other general industrial applications.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。本実施例で用いた測定方法を次に説明する。
<反応器温度斑>
接触式温度計を管状反応器長手方向中央部の反応器壁面から反応器中心部にわたり等間隔に5箇所設置し、第1の重合工程における管状反応器長手方向中央部の反応器中心部の温度が製造条件Iの重合温度に到達してから1時間経過後、3時間経過後、6時間経過後、9時間経過後、12時間経過後の計5回温度分布を測定した。各経過時間における温度分布の最高値と最低値の差を求め、これらの平均を反応器温度斑とした。
<重量平均分子量(Mw);GPC法>
第1の重合工程における管状反応器長手方向中央部の反応器中心部の温度が製造条件Iの重合温度に到達してから1時間後にサンプリングを実施し、測定しようとする重合体をその濃度が0.1重量%となるように、ジメチルホルムアミド(0.01N−臭化リチウム添加)に溶解し、検体溶液を得た。得られた検体溶液について、GPC装置を用いて、次の条件で測定したGPC曲線から分子量の分布曲線を求め、Mwを算出した。測定は3回行い、Mzの値を平均して用いた。
・カラム :極性有機溶媒系GPC用カラム
・流速 :0.5ml/min
・温度 :70℃
・試料濾過 :メンブレンフィルター(0.45μmカット)
・注入量 :200μl
・検出器 :示差屈折率検出器
分子量は、分子量が異なる分子量既知の単分散ポリスチレンを少なくとも6種類用いて、溶出時間−分子量の検量線を作成し、その検量線上において、該当する溶出時間に対応するポリスチレン換算の分子量を読み取ることにより求めた。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The measurement method used in this example will be described next.
<Reactor temperature spots>
Five contact-type thermometers are installed at equal intervals from the reactor wall in the longitudinal center of the tubular reactor to the center of the reactor, and the temperature in the center of the reactor in the longitudinal center of the tubular reactor in the first polymerization step. The temperature distribution was measured a total of 5 times after 1 hour, 3 hours, 6 hours, 9 hours and 12 hours had elapsed since the polymerization temperature of Production Condition I was reached. The difference between the maximum value and the minimum value of the temperature distribution at each elapsed time was determined, and the average of these was taken as the reactor temperature spot.
<Weight average molecular weight (Mw); GPC method>
Sampling was performed 1 hour after the temperature of the reactor center in the longitudinal center of the tubular reactor in the first polymerization step reached the polymerization temperature of Production Condition I, and the concentration of the polymer to be measured was A sample solution was obtained by dissolving in dimethylformamide (0.01N-lithium bromide added) so as to be 0.1% by weight. About the obtained sample solution, the molecular weight distribution curve was calculated | required from the GPC curve measured on the following conditions using GPC apparatus, and Mw was computed. The measurement was performed three times, and Mz values were averaged.
・ Column: Column for polar organic solvent GPC ・ Flow rate: 0.5 ml / min
・ Temperature: 70 ℃
・ Sample filtration: Membrane filter (0.45μm cut)
・ Injection volume: 200 μl
・ Detector: Differential refractive index detector Molecular weight is based on at least 6 types of monodisperse polystyrenes with different molecular weights and known molecular weights, and a calibration curve of elution time-molecular weight is created, and corresponding to the corresponding elution time on the calibration curve. It was determined by reading the molecular weight in terms of polystyrene.

本実施例では、GPC装置として(株)島津製作所製CLASS−LC2010を、カラムとして東ソー(株)製TSK−GEL−α−M(×2)を、ジメチルホルムアミドおよび臭化リチウムとして和光純薬工業(株)製を、メンブレンフィルターとしてミリポアコーポレーション製0.45μ−FHLP FILTERを、示差屈折率検出器として(株)島津製作所製RID−10AVを、検量線作成用の単分散ポリスチレンとして、分子量184000、427000、791000、1300000、1810000および4240000のものを、それぞれ用いた。
<ポリアクリロニトリル混合溶液の粘度ηt>
PAN系重合体溶液の粘度ηt(Pa・s)は、B型粘度計により測定した。具体的には、第1の重合工程における管状反応器長手方向中央部の反応器中心部の温度が製造条件Iの重合温度に到達してから1時間後にサンプリングを実施したPAN系重合体溶液をビーカーに入れ、測定温度t(K)に温度調節された温水浴に浸して調温した後、B型粘度計として(株)東京計器製B8L型粘度計を用い、ローターNo.4を使用し、PAN系重合体溶液の粘度が0〜100Pa・sの範囲はローター回転数6r.p.m.で測定し、またそのPAN系重合体溶液の粘度が100〜1000Pa・sの範囲はローター回転数0.6r.p.m.で測定した。
<重合率>
重合率は、連続反応器のそれぞれの位置から反応溶液をサンプリングし、そのポリマー濃度cを前記の方法で求め、仕込みの単量体濃度[M]で割って、c/[M]×100(%)のように算出した。
<重合速度>
重合速度は、上記重合率を用いて各重合を反応時間すなわち第1の重合工程および/または第2の重合工程における平均滞留時間で割ることで算出した。平均滞留時間は、各重合工程への投入から、各重合工程出口への平均到達時間であり、各重合工程の重合装置の容積を時間当たりの投入量で除することにより算出した。
(実施例1)
AN100重量部、イタコン酸1重量部、重合開始剤として2,2'−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN、10時間半減期温度=65℃)0.40重量部、連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.01重量部をジメチルスルホキシド400重量部に均一に溶解した原料混合物を、第1の重合工程内での平均滞留時間が2時間となるようにプランジャーポンプを用いて10.0t/hrの流量で第1の重合工程に導入し、ギヤポンプで循環させながら63℃の温度で重合した。このときの第1の重合工程出口における重合率は60%、第1の重合工程における重合速度は30%/hrであり、Mwは38万であった。反応溶液は第1の重合工程から第2の重合工程に連続的に導入され、80℃の温度で3時間かけて重合を完結させ、ポリアクリロニトリル混合溶液(PAN系重合体溶液)を得た。このときの第2の重合工程出口の重合率は92%、ポリマー濃度は19.3wt%、Mwは30万、75℃における粘度は23.5Pa・sであった。
第1の重合工程の反応器内温度斑は4.8℃であり、槽型反応器に比べて、品質安定性低下の原因となる温度斑が小さくなっていた。
In this example, CLASS-LC2010 manufactured by Shimadzu Corporation as a GPC apparatus, TSK-GEL-α-M (× 2) manufactured by Tosoh Corporation as a column, Wako Pure Chemical Industries as dimethylformamide and lithium bromide Made by Millipore Corporation 0.45μ-FHLP FILTER as a membrane filter, Shimadzu Corporation RID-10AV as a differential refractive index detector, and monodispersed polystyrene for preparing a calibration curve, molecular weight 184000, 427,000, 791000, 1300000, 1810000 and 4240000 were used, respectively.
<Viscosity ηt of polyacrylonitrile mixed solution>
The viscosity ηt (Pa · s) of the PAN-based polymer solution was measured with a B-type viscometer. Specifically, the PAN-based polymer solution that was sampled 1 hour after the temperature of the reactor center in the longitudinal center of the tubular reactor in the first polymerization step reached the polymerization temperature of Production Condition I was measured. After placing in a beaker and immersing in a warm water bath adjusted to the measurement temperature t (K) and adjusting the temperature, use a B8L viscometer manufactured by Tokyo Keiki Co., Ltd., and use rotor No. 4. The range of the viscosity of the PAN-based polymer solution from 0 to 100 Pa · s is that the rotor rotational speed is 6 r. p. m. The viscosity of the PAN-based polymer solution is in the range of 100 to 1000 Pa · s. p. m. Measured with
<Polymerization rate>
The polymerization rate was determined by sampling the reaction solution from each position of the continuous reactor, obtaining the polymer concentration c by the above method, dividing by the charged monomer concentration [M], and c / [M] × 100 ( %).
<Polymerization rate>
The polymerization rate was calculated by dividing each polymerization by the reaction time, that is, the average residence time in the first polymerization step and / or the second polymerization step, using the above polymerization rate. The average residence time is the average arrival time from the input to each polymerization step to the outlet of each polymerization step, and was calculated by dividing the volume of the polymerization apparatus in each polymerization step by the input amount per time.
Example 1
AN 100 parts by weight, itaconic acid 1 part by weight, 2,2′-azobisisobutyronitrile (AIBN, 10 hour half-life temperature = 65 ° C.) 0.40 part by weight as a polymerization initiator, octyl mercaptan 0 as a chain transfer agent A raw material mixture in which 0.01 parts by weight is uniformly dissolved in 400 parts by weight of dimethyl sulfoxide, a flow rate of 10.0 t / hr using a plunger pump so that the average residence time in the first polymerization step is 2 hours. Into the first polymerization step, polymerization was carried out at a temperature of 63 ° C. while circulating with a gear pump. At this time, the polymerization rate at the outlet of the first polymerization step was 60%, the polymerization rate in the first polymerization step was 30% / hr, and Mw was 380,000. The reaction solution was continuously introduced from the first polymerization step to the second polymerization step, and the polymerization was completed at 80 ° C. over 3 hours to obtain a polyacrylonitrile mixed solution (PAN-based polymer solution). At this time, the polymerization rate at the outlet of the second polymerization step was 92%, the polymer concentration was 19.3 wt%, the Mw was 300,000, and the viscosity at 75 ° C. was 23.5 Pa · s.
The temperature spot in the reactor in the first polymerization step was 4.8 ° C., and the temperature spot causing the deterioration of quality stability was smaller than that in the tank reactor.

次に、得られたPAN系重合体溶液に、アンモニアガスをpHが8.5になるまで吹き込むことによりイタコン酸を中和し、紡糸溶液を作製した。紡糸溶液中のポリマー生産量は46.4t/日であった。   Next, itaconic acid was neutralized by blowing ammonia gas into the obtained PAN-based polymer solution until the pH reached 8.5 to prepare a spinning solution. The polymer production in the spinning solution was 46.4 t / day.

上記の紡糸溶液を用いて紡糸・焼成・評価を行った。
まず、紡糸溶液を、乾湿式紡糸法により紡糸し凝固・水洗・浴延伸した後、アミノ変性シリコーン系シリコーン油剤を付与し、165℃の温度に加熱したローラーを用いて乾燥し、加圧水蒸気延伸を行い、単繊維繊度0.8dtex、フィラメント数12000の炭素繊維前駆体繊維を得た。
Spinning, firing and evaluation were performed using the above spinning solution.
First, the spinning solution is spun by a dry and wet spinning method, coagulated, washed with water, and bath-stretched, then provided with an amino-modified silicone-based silicone oil, dried using a roller heated to a temperature of 165 ° C., and subjected to pressurized steam stretching. The carbon fiber precursor fiber having a single fiber fineness of 0.8 dtex and a filament number of 12,000 was obtained.

製糸工程の工程通過性は良好であった。また、単位ポリマー生産量あたりの糸切れ回数は0.04回/t−ポリマーであった。   The processability of the yarn making process was good. The number of yarn breaks per unit polymer production was 0.04 times / t-polymer.

得られた炭素繊維前駆体繊維を、240〜260℃の温度の温度分布を有する空気中において延伸比1.0で延伸しながらで90分間耐炎化処理し、耐炎化繊維を得た。続いて、得られた耐炎化繊維を300〜700℃の温度の温度分布を有する窒素雰囲気中において、延伸比1.0で延伸しながら予備炭化処理を行い、さらに最高温度1500℃の窒素雰囲気中において、炭化処理を行い、連続した炭素繊維を得た。焼成工程の工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維の品位は良好であった。得られた炭素繊維束のストランド物性を測定したところ、強度は5.0GPaであり、弾性率は300GPaであった。
(実施例2)
AN100重量部、イタコン酸1重量部、重合開始剤として2,2'−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN、10時間半減期温度=65℃)0.20重量部、連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.05重量部をジメチルスルホキシド400重量部に均一に溶解した原料混合物を、第1の重合工程内での平均滞留時間が7時間となるようにプランジャーポンプを用いて2.9t/hrの流量で第1の重合工程に導入し、ギヤポンプで循環させながら50℃の温度で重合した。このときの第1の重合工程出口における重合率は42%、第1の重合工程における重合速度は6%/hrであり、Mwは58万であった。反応溶液は第1の重合工程から第2の重合工程に連続的に導入され、80℃の温度8時間かけて重合を完結させ、ポリアクリロニトリル混合溶液(PAN系重合体溶液)を得た。このときの第2の重合工程出口での重合率は81%、ポリマー濃度は17.0wt%、Mwは42万、75℃における粘度は25.8Pa・sであった。また、ポリマー生産量は11.7t/日であった。
第1の重合工程の反応器内温度斑は2.0℃であり、同ポリマー製造能力を有する槽型反応器における重合槽中心部と壁面部の温度差6.0℃に対して小さいものであり、品質バラツキの原因となる温度斑が小さくなっていた。以降、実施例1と同様に製糸・焼成を行い、連続した炭素繊維を得た。得られた炭素繊維束のストランド物性を測定したところ、強度は5.0GPaであり、弾性率は300GPaであった。
製糸工程の工程通過性は良好であった。単位ポリマー生産量あたりの糸切れ回数は0.01回/t−ポリマーであった。
(実施例3)
AN100重量部、イタコン酸1重量部、重合開始剤として2,2'−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN、10時間半減期温度=65℃)0.20重量部、連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.02重量部をジメチルスルホキシド400重量部に均一に溶解し、溶存酸素濃度が1ppmとなるように窒素置換して調製した原料混合物を、第1の重合工程内での平均滞留時間が5時間となるようにプランジャーポンプを用いて4.0t/hrの流量で第1の重合工程に導入し、ギヤポンプで循環させながら60℃の温度で重合した。このときの第1の重合工程出口における重合率は55%、第1の重合工程における重合速度は11%/hrであり、Mwは50万であった。反応溶液は第1の重合工程から第2の重合工程に連続的に導入され、75℃の温度で6時間かけて重合を完結させ、ポリアクリロニトリル混合溶液(PAN系重合体溶液)を得た。このときの第2の重合工程出口での重合率は90%、ポリマー濃度は18.9wt%、Mwは38万、75℃における粘度は26.4Pa・sであった。また、ポリマー生産量は18.1t/日であった。
第1の重合工程の反応器内温度斑は2.4℃であった。以降、実施例1と同様に製糸・焼成を行い、連続した炭素繊維を得た。得られた炭素繊維束のストランド物性を測定したところ、強度は5.0GPaであり、弾性率は300GPaであった。
製糸工程の工程通過性は良好であった。単位ポリマー生産量あたりの糸切れ回数は0.01回/t−ポリマーであった。
(実施例4)
AN100重量部、イタコン酸1重量部、重合開始剤として2,2'−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN、10時間半減期温度=65℃)0.30重量部、連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.01重量部をジメチルスルホキシド400重量部に均一に溶解した原料混合物を、第1の重合工程内での平均滞留時間が3時間となるようにプランジャーポンプを用いて6.7t/hrの流量で第1の重合工程に導入し、ギヤポンプで循環させながら63℃の温度で重合した。このときの第1の重合工程出口における重合率は60%、第1の重合工程における重合速度は20%/hrであり、Mwは45万であった。反応溶液は第1の重合工程から第2の重合工程に連続的に導入され、75℃の温度で5時間かけて重合を完結させ、ポリアクリロニトリル混合溶液(PAN系重合体溶液)を得た。このときの第2の重合工程出口での重合率は91%、ポリマー濃度は19.1wt%、Mwは35万、75℃における粘度は26.8Pa・sであった。また、ポリマー生産量は30.6t/日であった。
循環ライン(I)内の反応器中心部と反応器壁面部の温度差が3.0℃であった。以降、実施例1と同様に製糸・焼成を行い、連続した炭素繊維を得た。得られた炭素繊維束のストランド物性を測定したところ、強度は5.0GPaであり、弾性率は300GPaであった。
The obtained carbon fiber precursor fiber was flameproofed for 90 minutes while being stretched at a stretch ratio of 1.0 in air having a temperature distribution of 240 to 260 ° C. to obtain flameproofed fibers. Subsequently, in the nitrogen atmosphere having a temperature distribution of 300 to 700 ° C., the obtained flame-resistant fiber is subjected to a preliminary carbonization treatment while being drawn at a draw ratio of 1.0, and further in a nitrogen atmosphere having a maximum temperature of 1500 ° C. The carbonization treatment was performed to obtain continuous carbon fibers. The process passability of the firing process was good, and the quality of the obtained carbon fiber was good. When the strand physical property of the obtained carbon fiber bundle was measured, the strength was 5.0 GPa and the elastic modulus was 300 GPa.
(Example 2)
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, 0.22 parts by weight of 2,2′-azobisisobutyronitrile (AIBN, 10 hour half-life temperature = 65 ° C.) as a polymerization initiator, 0 octyl mercaptan as a chain transfer agent A flow rate of 2.9 t / hr using a plunger pump so that a raw material mixture in which 0.05 parts by weight is uniformly dissolved in 400 parts by weight of dimethyl sulfoxide is used so that the average residence time in the first polymerization step is 7 hours. Into the first polymerization step, polymerization was carried out at a temperature of 50 ° C. while circulating with a gear pump. At this time, the polymerization rate at the outlet of the first polymerization step was 42%, the polymerization rate in the first polymerization step was 6% / hr, and Mw was 580,000. The reaction solution was continuously introduced from the first polymerization step to the second polymerization step, and the polymerization was completed at 80 ° C. for 8 hours to obtain a polyacrylonitrile mixed solution (PAN-based polymer solution). At this time, the polymerization rate at the outlet of the second polymerization step was 81%, the polymer concentration was 17.0 wt%, the Mw was 420,000, and the viscosity at 75 ° C. was 25.8 Pa · s. The polymer production amount was 11.7 t / day.
The temperature variation in the reactor in the first polymerization step is 2.0 ° C., which is small with respect to the temperature difference of 6.0 ° C. between the central portion of the polymerization tank and the wall surface in the tank reactor having the same polymer production capability. There were small temperature spots that caused quality variations. Thereafter, yarn production and firing were performed in the same manner as in Example 1 to obtain continuous carbon fibers. When the strand physical property of the obtained carbon fiber bundle was measured, the strength was 5.0 GPa and the elastic modulus was 300 GPa.
The processability of the yarn making process was good. The number of yarn breaks per unit polymer production was 0.01 times / t-polymer.
(Example 3)
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, 0.22 parts by weight of 2,2′-azobisisobutyronitrile (AIBN, 10 hour half-life temperature = 65 ° C.) as a polymerization initiator, 0 octyl mercaptan as a chain transfer agent A raw material mixture prepared by uniformly dissolving 0.02 parts by weight in 400 parts by weight of dimethyl sulfoxide and substituting with nitrogen so that the dissolved oxygen concentration becomes 1 ppm is obtained. The average residence time in the first polymerization step is 5 hours. Thus, it was introduced into the first polymerization step at a flow rate of 4.0 t / hr using a plunger pump, and polymerization was carried out at a temperature of 60 ° C. while circulating through a gear pump. At this time, the polymerization rate at the outlet of the first polymerization step was 55%, the polymerization rate in the first polymerization step was 11% / hr, and Mw was 500,000. The reaction solution was continuously introduced from the first polymerization step to the second polymerization step, and the polymerization was completed at a temperature of 75 ° C. over 6 hours to obtain a polyacrylonitrile mixed solution (PAN-based polymer solution). At this time, the polymerization rate at the outlet of the second polymerization step was 90%, the polymer concentration was 18.9 wt%, the Mw was 380,000, and the viscosity at 75 ° C. was 26.4 Pa · s. The polymer production amount was 18.1 t / day.
The temperature variation in the reactor of the first polymerization step was 2.4 ° C. Thereafter, yarn production and firing were performed in the same manner as in Example 1 to obtain continuous carbon fibers. When the strand physical property of the obtained carbon fiber bundle was measured, the strength was 5.0 GPa and the elastic modulus was 300 GPa.
The processability of the yarn making process was good. The number of yarn breaks per unit polymer production was 0.01 times / t-polymer.
(Example 4)
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, 0.30 part by weight of 2,2′-azobisisobutyronitrile (AIBN, 10 hour half-life temperature = 65 ° C.) as a polymerization initiator, 0 octyl mercaptan as a chain transfer agent A flow rate of 6.7 t / hr was obtained by using a plunger pump so that a raw material mixture in which 0.01 parts by weight was uniformly dissolved in 400 parts by weight of dimethyl sulfoxide was used so that the average residence time in the first polymerization step was 3 hours. Into the first polymerization step, polymerization was carried out at a temperature of 63 ° C. while circulating with a gear pump. At this time, the polymerization rate at the outlet of the first polymerization step was 60%, the polymerization rate in the first polymerization step was 20% / hr, and Mw was 450,000. The reaction solution was continuously introduced from the first polymerization step to the second polymerization step, and the polymerization was completed at 75 ° C. for 5 hours to obtain a polyacrylonitrile mixed solution (PAN-based polymer solution). At this time, the polymerization rate at the outlet of the second polymerization step was 91%, the polymer concentration was 19.1 wt%, the Mw was 350,000, and the viscosity at 75 ° C. was 26.8 Pa · s. The polymer production amount was 30.6 t / day.
The temperature difference between the reactor center and the reactor wall surface in the circulation line (I) was 3.0 ° C. Thereafter, yarn production and firing were performed in the same manner as in Example 1 to obtain continuous carbon fibers. When the strand physical property of the obtained carbon fiber bundle was measured, the strength was 5.0 GPa and the elastic modulus was 300 GPa.

製糸工程・焼成工程の工程通過性は良好であり、得られた前駆体繊維および炭素繊維の品位は良好であり、製糸工程での糸切れ回数は0.02回/t−ポリマーであった。
(比較例1)
AN100重量部、イタコン酸1重量部、重合開始剤として2,2'−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN、10時間半減期温度=65℃)0.20重量部、連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.05重量部をジメチルスルホキシド400重量部に均一に溶解した原料混合物を、平均滞留時間が7時間となるようにプランジャーポンプを用いて2.9t/hrの流量で容量が20M3の第1の槽型反応器に導入し、第2の槽型反応器に抜き出しながら50℃の温度で重合した。このときの第1の槽型反応器における重合率は42%、重合速度は6.0%/hrであり、Mwは60万であった。反応溶液は同容量の第2の槽型反応器に導入され、80℃の温度で7時間かけて重合を完結させ、ポリアクリロニトリル混合溶液(PAN系重合体溶液)を得た。このときの重合率は79%、ポリマー濃度は16.6wt%、Mwは43万、75℃における粘度は21.7Pa・sであった。この時、槽型反応器(I)における反応器温度斑は6℃であった。また、ポリマー生産量は11.4t/日であった。以降、実施例1と同様に製糸・焼成を行い、連続した炭素繊維を得た。得られた炭素繊維束のストランド物性を測定したところ、強度は5.0GPaであり、弾性率は300GPaであった。
製糸工程の工程通過性は良好であった。単位ポリマー生産量あたりの糸切れ回数は0.04回/t−ポリマーであった。
(比較例2)
AN100重量部、イタコン酸1重量部、重合開始剤として2,2'−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN、10時間半減期温度=65℃)0.20重量部、連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.02重量部をジメチルスルホキシド400重量部に均一に溶解した原料混合物を、平均滞留時間が5時間となるようにプランジャーポンプを用いて4.0t/hrの流量で容量:20M3の第1の槽型反応器に導入し、第2の槽型反応器に抜き出しながら60℃の温度で重合した。このときの第1の槽型反応器における重合率は55%、重合速度は10.3%/hrであり、Mwは51万であった。反応溶液は同容量の第2の槽型反応器に導入され、75℃の温度で6時間かけて重合を完結させ、ポリアクリロニトリル混合溶液(PAN系重合体溶液)を得た。このときの重合率は90%、ポリマー濃度は18.9wt%、Mwは39万、75℃における粘度は26.7Pa・sであった。この時、槽型反応器(I)において、反応器温度斑は8℃であった。また、ポリマー生産量は18.1t/hrであった。以降、実施例1と同様に製糸・焼成を行い、連続した炭素繊維を得た。得られた炭素繊維束のストランド物性を測定したところ、強度は5.0GPaであり、弾性率は300GPaであった。
製糸工程の工程通過性は良好であった。単位ポリマー生産量あたりの糸切れ回数は0.06回/t−ポリマーであった。
(比較例3)
AN100重量部、イタコン酸1重量部、重合開始剤として2,2'−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN、10時間半減期温度=65℃)0.30重量部、連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.01重量部をジメチルスルホキシド400重量部に均一に溶解して調製した原料混合物を、平均滞留時間が3時間となるようにプランジャーポンプを用いて6.7m3/hrの流量で容量:20M3の第1の槽型反応器に導入し、第2の槽型反応器に抜き出しながら63℃の温度で重合した。反応開始直後に除熱不足となり反応器温度が制御範囲を著しく上回ったため、重合を中止した。
上記の実施例1〜4と比較例1〜3の製造条件を表1に、また得られたポリアクリロニトリル共重合体の特性を表2に、ポリアクリロニトリル重合体を用いて製造した炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維の特性を表3にまとめて示す。
The processability of the yarn making process and the firing process was good, the quality of the obtained precursor fiber and carbon fiber was good, and the number of yarn breaks in the yarn making process was 0.02 times / t-polymer.
(Comparative Example 1)
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, 0.22 parts by weight of 2,2′-azobisisobutyronitrile (AIBN, 10 hour half-life temperature = 65 ° C.) as a polymerization initiator, 0 octyl mercaptan as a chain transfer agent A first raw material mixture having a capacity of 20 M3 at a flow rate of 2.9 t / hr is added to a raw material mixture in which 0.05 part by weight is uniformly dissolved in 400 parts by weight of dimethyl sulfoxide using a plunger pump so that the average residence time is 7 hours. It introduce | transduced into the tank reactor and superposed | polymerized at the temperature of 50 degreeC, extracting to a 2nd tank reactor. In this case, the polymerization rate in the first tank reactor was 42%, the polymerization rate was 6.0% / hr, and Mw was 600,000. The reaction solution was introduced into a second tank reactor having the same capacity, and the polymerization was completed at a temperature of 80 ° C. over 7 hours to obtain a polyacrylonitrile mixed solution (PAN-based polymer solution). The polymerization rate at this time was 79%, the polymer concentration was 16.6 wt%, the Mw was 430,000, and the viscosity at 75 ° C. was 21.7 Pa · s. At this time, the reactor temperature spot in the tank reactor (I) was 6 ° C. The polymer production amount was 11.4 t / day. Thereafter, yarn production and firing were performed in the same manner as in Example 1 to obtain continuous carbon fibers. When the strand physical property of the obtained carbon fiber bundle was measured, the strength was 5.0 GPa and the elastic modulus was 300 GPa.
The processability of the yarn making process was good. The number of yarn breaks per unit polymer production was 0.04 times / t-polymer.
(Comparative Example 2)
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, 0.22 parts by weight of 2,2′-azobisisobutyronitrile (AIBN, 10 hour half-life temperature = 65 ° C.) as a polymerization initiator, 0 octyl mercaptan as a chain transfer agent A raw material mixture in which 0.02 parts by weight is uniformly dissolved in 400 parts by weight of dimethyl sulfoxide is mixed with a first pump having a capacity of 20 M3 at a flow rate of 4.0 t / hr using a plunger pump so that the average residence time is 5 hours. It introduce | transduced into the tank reactor and superposed | polymerized at the temperature of 60 degreeC, extracting to a 2nd tank reactor. At this time, the polymerization rate in the first tank reactor was 55%, the polymerization rate was 10.3% / hr, and Mw was 510,000. The reaction solution was introduced into a second tank reactor having the same capacity, and the polymerization was completed at a temperature of 75 ° C. over 6 hours to obtain a polyacrylonitrile mixed solution (PAN-based polymer solution). At this time, the polymerization rate was 90%, the polymer concentration was 18.9 wt%, the Mw was 390,000, and the viscosity at 75 ° C. was 26.7 Pa · s. At this time, the reactor temperature spot was 8 ° C. in the tank reactor (I). Moreover, the polymer production amount was 18.1 t / hr. Thereafter, yarn production and firing were performed in the same manner as in Example 1 to obtain continuous carbon fibers. When the strand physical property of the obtained carbon fiber bundle was measured, the strength was 5.0 GPa and the elastic modulus was 300 GPa.
The processability of the yarn making process was good. The number of yarn breaks per unit polymer production was 0.06 times / t-polymer.
(Comparative Example 3)
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, 0.30 part by weight of 2,2′-azobisisobutyronitrile (AIBN, 10 hour half-life temperature = 65 ° C.) as a polymerization initiator, 0 octyl mercaptan as a chain transfer agent A raw material mixture prepared by uniformly dissolving 0.01 parts by weight in 400 parts by weight of dimethyl sulfoxide was used at a flow rate of 6.7 m 3 / hr using a plunger pump so that the average residence time was 3 hours. It introduce | transduced into the 1st tank type reactor and superposed | polymerized at the temperature of 63 degreeC, extracting to a 2nd tank type reactor. Immediately after the start of the reaction, the heat removal was insufficient, and the reactor temperature significantly exceeded the control range, so the polymerization was stopped.
The production conditions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1, the properties of the obtained polyacrylonitrile copolymer are shown in Table 2, and the carbon fiber precursor produced using the polyacrylonitrile polymer. The properties of the fibers and carbon fibers are summarized in Table 3.

Figure 2011213771
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Figure 2011213771
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実施例1〜4の結果から明らかなように、本発明のポリアクリロニトリル共重合体の製造方法は反応器内の温度斑が小さいことから、得られたポリアクリロニトリルの品質が安定化し、紡糸工程での糸切れ回数が減少した。比較例1〜3の製造方法に比べて、生産能力も向上し、生産性・品質の両面において優れていた。実施例2〜4の製造方法は実施例1と比較して温度斑低減することにより、単位ポリマーあたりの糸切れ回数が著しく減少しており、より品質安定性を向上することができた。 As is clear from the results of Examples 1 to 4, the production method of the polyacrylonitrile copolymer of the present invention has small temperature spots in the reactor, so that the quality of the obtained polyacrylonitrile is stabilized and the spinning process is performed. The number of thread breaks of has decreased. Compared with the manufacturing methods of Comparative Examples 1 to 3, the production capacity was also improved, and both productivity and quality were excellent. In the production methods of Examples 2 to 4, by reducing temperature spots as compared with Example 1, the number of yarn breaks per unit polymer was remarkably reduced, and the quality stability could be further improved.

(1)プランジャーポンプ
(2)静的混合用構造部を内部に有する管状反応器
(3)ギヤポンプ
(4)静的混合用構造部を内部に有する管状反応器
(5)ギヤポンプ
(I)循環ライン
(II)主重合ライン
(1) Plunger pump (2) Tubular reactor with static mixing structure inside (3) Gear pump (4) Tubular reactor with static mixing structure inside (5) Gear pump (I) Circulation Line (II) Main polymerization line

Claims (6)

ポリアクリロニトリル共重合体の製造法であって、
(a)アクリロニトリルを含む単量体、連鎖移動剤、ならびに重合開始剤を少なくとも含む原料混合物を、静的混合用構造部を内部に有する1個以上の管状反応器を組み込んである循環ライン(I)に供給し、30〜150℃で管状反応器内の温度斑を5℃以内に制御し、連続重合する第1の重合工程と
(b)第1の重合工程で用いる循環ライン(I)の分岐部から第2の重合工程に送る送液工程と、
(c)送液工程から送られた溶液を静的混合用構造部を内部に有する非循環ライン(II)を通過させながら30〜150℃で、管状反応器内の温度斑を5℃以内に制御し、非循環ライン(II)出口において重合率が80〜95%となるように連続重合する第2の重合工程を有するポリアクリル系共重合体の製造方法。
A process for producing a polyacrylonitrile copolymer, comprising:
(a) A circulation line (I) in which one or more tubular reactors having a static mixing structure are incorporated into a raw material mixture containing at least a monomer containing acrylonitrile, a chain transfer agent, and a polymerization initiator (I A first polymerization step in which temperature fluctuations in the tubular reactor are controlled within 5 ° C. at 30 to 150 ° C., and continuous polymerization is performed.
(b) a liquid feeding step for sending from the branch portion of the circulation line (I) used in the first polymerization step to the second polymerization step;
(c) While passing the solution sent from the liquid feeding process through a non-circulation line (II) having a static mixing structure inside, the temperature spots in the tubular reactor are kept within 5 ° C. at 30 to 150 ° C. A method for producing a polyacrylic copolymer, comprising a second polymerization step of controlling and continuously polymerizing the polymerization rate at 80 to 95% at the outlet of the non-circulation line (II).
第1の重合工程における本文中に定義する重合速度を5〜20%/hrとする請求項1記載のポリアクリロニトリル共重合体の製造方法。 The method for producing a polyacrylonitrile copolymer according to claim 1, wherein the polymerization rate defined in the main text in the first polymerization step is 5 to 20% / hr. 第1の重合工程に供給するアクリロニトリルを含む単量体、連鎖移動剤、ならびに重合開始剤を少なくとも含む原料混合物における重合開始剤濃度が0.1〜5重量%である請求項1または2に記載のポリアクリロニトリル共重合体の製造方法。 The polymerization initiator concentration in the raw material mixture containing at least a monomer containing acrylonitrile, a chain transfer agent, and a polymerization initiator to be supplied to the first polymerization step is 0.1 to 5% by weight. A process for producing a polyacrylonitrile copolymer. 第1の重合工程および/または第2の重合工程を40〜120℃の温度で、かつ前記重合工程で供給する単量体混合物または溶媒の重合温度での飽和蒸気圧以上に加圧して重合を行う請求項1〜3のいずれかに記載のポリアクリロニトリル共重合体の製造方法。 The first polymerization step and / or the second polymerization step is carried out by pressurizing at a temperature of 40 to 120 ° C. and higher than the saturated vapor pressure at the polymerization temperature of the monomer mixture or solvent supplied in the polymerization step. The manufacturing method of the polyacrylonitrile copolymer in any one of Claims 1-3 performed. 請求項1〜4のいずれかに記載のポリアクリロニトリル共重合体を紡糸することを特徴とする炭素繊維前駆体繊維の製造方法。 A method for producing a carbon fiber precursor fiber, comprising spinning the polyacrylonitrile copolymer according to claim 1. 請求項5に記載の炭素繊維前駆体繊維の製造方法により得られた炭素繊維前駆体繊維を、200〜300℃の温度の空気中において耐炎化処理した後、300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において予備炭化処理し、次いで1,000〜3,000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化処理することを特徴とする炭素繊維の製造方法。 The carbon fiber precursor fiber obtained by the method for producing a carbon fiber precursor fiber according to claim 5 is subjected to flame resistance treatment in air at a temperature of 200 to 300 ° C, and then inert at a temperature of 300 to 800 ° C. A method for producing carbon fiber, characterized by pre-carbonizing in an atmosphere and then carbonizing in an inert atmosphere at a temperature of 1,000 to 3,000 ° C.
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