JP2011213773A - Polyacrylonitrile-based polymer and carbon fiber - Google Patents

Polyacrylonitrile-based polymer and carbon fiber Download PDF

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Kengo Hayashida
賢吾 林田
Akihiko Shirahase
彰彦 白波瀬
Masashi Ise
昌史 伊勢
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer which ensures high polymerization stability and drawability after yarn-making without spoiling productivity and processability and a method for producing the same.SOLUTION: The method for producing the polymer comprises polymerizing an acrylonitrile-based polymer by heat treating a solution comprising acrylonitrile, a radical polymerization initiator, a polymerization inhibitor, a component copolymerizable with acrylonitrile and a solvent, wherein a weight ratio (B/A) between the radical polymerization initiator (A) and the polymerization inhibitor (B) satisfies 2≤(B/A)<210 and the polymerization inhibitor is used in an amount of 10-140 ppm relative to the total amount of the solution.

Description

本発明は、重合安定性と製糸後延伸性に優れた重合体、さらには、高い焼成延伸性を得られる重合体とその製造方法に関する。   The present invention relates to a polymer excellent in polymerization stability and stretchability after spinning, and further to a polymer capable of obtaining high firing stretchability and a method for producing the same.

炭素繊維は、環境問題の高まりから複合材料の強化繊維として、益々その用途が各種方面に拡がり、重要性が高まっているとともに、更なる高性能化が強く求められている。従来は引張特性など単一の特性向上要求が中心であり、その要求に応えて炭素繊維の諸特性の向上が図られてきた。しかし、近年は、複数の特性を同時に、かつ高いレベルで満足することが求められている。特に、航空機の構造部材のように、いろいろな方向からの応力受ける部位に適用される炭素繊維においては、引張弾性率と圧縮強度を同時に向上させることが、さらなる軽量化を達成するための重要な課題となっている。   Carbon fiber is increasingly used as a reinforced fiber for composite materials due to increasing environmental problems, and its importance has been increasing. In addition, there is a strong demand for higher performance. Conventionally, there has been a demand for improving single properties such as tensile properties, and various properties of carbon fibers have been improved in response to such requests. However, in recent years, it has been required to satisfy a plurality of characteristics simultaneously and at a high level. In particular, in carbon fibers applied to parts subjected to stress from various directions, such as aircraft structural members, simultaneously improving the tensile modulus and compressive strength is important for achieving further weight reduction. It has become a challenge.

最も広く利用されているポリアクリロニトリル系炭素繊維は、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を200乃至300℃の酸化性雰囲気下で耐炎化繊維へ転換する耐炎化工程、300乃至3000℃の不活性雰囲気下で炭素化する炭化工程を経て、工業的に製造される。この際、一般的に炭素繊維の引張弾性率は炭化工程における最高温度を高くするほど、得られる炭素繊維の引張弾性率を高くできることが知られている。しかしながら、炭化工程の最高温度を上げることにより、黒鉛結晶の成長に伴い、得られる炭素繊維の圧縮強度は低下する。すなわち、同一のポリアクリロニトリル系前駆体繊維束を用いて炭化温度の調整を行う限り、炭素繊維の引張弾性率と圧縮強度はトレードオフの関係にある。そのため、圧縮強度を必要とする用途においては、炭化温度の制御以外で、引張弾性率を高める技術が必要である。   The most widely used polyacrylonitrile-based carbon fiber is a flame-proofing process in which a polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle is converted to a flame-resistant fiber in an oxidizing atmosphere of 200 to 300 ° C., under an inert atmosphere of 300 to 3000 ° C. It is manufactured industrially through a carbonization step that is carbonized in the process. At this time, it is generally known that the tensile elastic modulus of carbon fibers can be increased as the maximum temperature in the carbonization process is increased. However, by increasing the maximum temperature of the carbonization step, the compressive strength of the resulting carbon fiber decreases with the growth of the graphite crystals. That is, as long as the carbonization temperature is adjusted using the same polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle, the tensile elastic modulus and the compressive strength of the carbon fiber are in a trade-off relationship. Therefore, in applications that require compressive strength, a technique for increasing the tensile modulus other than the control of the carbonization temperature is required.

炭素繊維の引張弾性率を向上させるためには、焼成時に繊維を延伸することにより、得られる炭素繊維の配向度を高めることが有効であることが知られている。しかし、単に延伸倍率を高めるだけでは、毛羽の発生や糸切れを誘発し、操業性の低下や、得られる炭素繊維の品位の低下が避けられない。そのため、これまでいくつかの提案がなされている。   In order to improve the tensile modulus of carbon fiber, it is known that it is effective to increase the degree of orientation of the obtained carbon fiber by stretching the fiber during firing. However, simply increasing the draw ratio inevitably leads to the occurrence of fluff and yarn breakage, and the operability and the quality of the resulting carbon fibers are unavoidable. Therefore, some proposals have been made so far.

これまでに提案されてきた炭化における延伸を安定して行うための技術として、用いるポリアクリロニトリル系重合体の分子量を高分子量化する技術が提案されている。ポリアクリロニトリル系重合体を重合するに際し、分子量を向上させるためには重合開始剤の濃度を低減させ、重合開始点を減少させることによる高分子量化技術が開示されている(特許文献1)。また、高分子量に限定されるわけではないが、かかる技術においてポリマに重合禁止剤が含まれていてもかまわないとされている(特許文献2)。ここで、特許文献2における重合禁止剤の意味は次のようなものである。アクリロニトリル等のラジカル重合性のモノマには保存時の安定性確保するために一般的に重合禁止剤が添加されている。そして、アクリロニトリル等をラジカル重合するに際しては、通常、蒸留等によるモノマと重合禁止剤の分離は行わず、重合禁止剤を含んだ系で重合を行うのが一般的である。また、ラジカル重合後のポリマの後重合を防止するために重合後のポリマに重合禁止剤を添加するのが一般的である(例えば、特許文献3)。かかる場合において、重合禁止剤の残存量は定かではないが、重合禁止剤を含んだポリマを炭素繊維に用いても、焼成工程において消失し、炭素繊維の諸物性として影響がないとされている。   As a technique for stably performing stretching in carbonization that has been proposed so far, a technique for increasing the molecular weight of a polyacrylonitrile-based polymer to be used has been proposed. When polymerizing a polyacrylonitrile-based polymer, a technique for increasing the molecular weight by reducing the concentration of the polymerization initiator and decreasing the polymerization start point is disclosed in order to improve the molecular weight (Patent Document 1). Moreover, although it is not necessarily limited to a high molecular weight, it is said that the polymer may contain the polymerization inhibitor in this technique (patent document 2). Here, the meaning of the polymerization inhibitor in Patent Document 2 is as follows. In general, a polymerization inhibitor is added to radically polymerizable monomers such as acrylonitrile in order to ensure stability during storage. When radically polymerizing acrylonitrile or the like, usually, the monomer and the polymerization inhibitor are not separated by distillation or the like, and the polymerization is generally carried out in a system containing a polymerization inhibitor. Moreover, in order to prevent post-polymerization of the polymer after radical polymerization, it is common to add a polymerization inhibitor to the polymer after polymerization (for example, Patent Document 3). In such a case, the residual amount of the polymerization inhibitor is not clear, but even if a polymer containing the polymerization inhibitor is used for the carbon fiber, it disappears in the firing step and has no influence on the physical properties of the carbon fiber. .

しかしながら特許文献1や、特許文献2の技術により得たアクリル系繊維束おいては、重合時の条件を厳密に制御しなければ分子量分布が変動する場合があり、それに起因して製糸後延伸工程における後延伸性が変動するという問題が生じる場合があった。   However, in the acrylic fiber bundles obtained by the techniques of Patent Document 1 and Patent Document 2, the molecular weight distribution may fluctuate unless the conditions during polymerization are strictly controlled. In some cases, the problem of fluctuations in the post-stretchability in the case may occur.

かかる問題に対し、分子量分布の変動を抑制する技術として、ラジカルを発生する重合開始剤を間欠的に添加することでラジカル濃度を制御し、分子量分布を制御する技術が提案されている(特許文献4)。   As a technique for suppressing fluctuations in the molecular weight distribution, a technique for controlling the molecular weight distribution by controlling the radical concentration by intermittently adding a polymerization initiator that generates radicals has been proposed (Patent Document). 4).

国際公開2007/069511号International Publication No. 2007/069511 特開2009−256816号公報JP 2009-256816 A 特開平1−168750号公報JP-A-1-168750 特開平11−172217号公報JP-A-11-172217

しかしながら、特許文献4の技術はラジカル濃度を制御するために、重合開始剤を数回に分けて投入するため、プロセスが複雑化するばかりでなく、モノマ中の重合禁止剤や、重合系内の酸素濃度など、量が変動するラジカルトラップ元を相殺するよう、重合開始剤量を制御する必要があり、特許文献1や3の技術への適用は、重合初期の極短時間の間に分子量または重合系内の有効ラジカル濃度を測定し、重合開始剤量を制御する必要があり、実質的に不可能である。そのため、量が変動するラジカルトラップ元に対し、重合開始剤の量を制御するという技術は、重合初期の分子量を制御する技術にはなり得ない本発明の目的は、生産性およびプロセス性を損なうことなく、高い重合安定性と製糸後延伸性、さらには、焼成延伸性を得られるポリアクリロニトリル系重合体を提供することにある。   However, since the technique of Patent Document 4 controls the radical concentration to introduce the polymerization initiator in several times, not only the process becomes complicated, but also the polymerization inhibitor in the monomer, It is necessary to control the amount of the polymerization initiator so as to cancel out the radical trap source whose amount fluctuates, such as the oxygen concentration, and the application to the techniques of Patent Documents 1 and 3 can be applied to the molecular weight or the The effective radical concentration in the polymerization system must be measured to control the amount of the polymerization initiator, which is substantially impossible. Therefore, the technique of controlling the amount of the polymerization initiator with respect to the radical trap source whose amount varies cannot be a technique for controlling the molecular weight at the initial stage of polymerization. The object of the present invention is to impair productivity and processability. It is an object of the present invention to provide a polyacrylonitrile-based polymer that can obtain high polymerization stability and post-filament stretchability, and furthermore, fired stretchability.

本発明者らは、酸素やモノマ中の重合禁止剤等のラジカルトラップ元より過剰なラジカルトラップ能力を付与することでプロセス製を損なうことなく分子量のばらつきを低減できることを見出し、これにより製造したポリアクリロニトリル系重合体が製糸工程においてきわめて安定して後延伸が可能で、続く炭素化工程においても極めて高い焼成延伸性が得られることを見出し、本発明に到達した。上記の目的を達成するための本発明の炭素繊維用ポリアクリロニトリル重合体の製造方法は、アクリロニトリルとラジカル重合開始剤と重合禁止剤とアクリロニトリルとの共重合成分及び溶媒を含み、ラジカル重合開始剤(A)と重合禁止剤(B)の重量比(B/A)が式(1)を満たし、
2≦(B/A)<210 式(1)
かつ重合禁止剤が溶液総量に対して8ppm〜140ppmであり、溶存酸素濃度が1〜10ppmである溶液を、加熱処理するものである。
本発明に用いる重合禁止剤の種類としては、多環芳香族構造、単環芳香族構造を有する1種以上を含有することが好ましく、具体的にはヒドロキノン、メチルヒドロキノン、ヒドロキノンモノメチルエーテル、4-メトキシ-1-ナフトール、p-ハイドロオキシジフェニルアミン、N,N-ジフェニルジアミン、2−ターシャリーブチルハイドロキノン、2,5-ジターシャリーブチルハイドロキノン、t−ブチルカテコール、ニトロナフトールから選ばれる1種以上を含有することがさらに好ましい。また、本発明のポリアクリロニトリル系重合体は、ゲルパーミエーションクロマトグラフ(GPC)法で測定される重量平均分子量(Mw)が50〜70万で、極限粘度が2.0〜3.0であるであることが好ましい。
The present inventors have found that the dispersion of molecular weight can be reduced without impairing the process by imparting an excessive radical trapping capability from the radical trapping source such as oxygen or a polymerization inhibitor in the monomer, and the polymer produced thereby. It has been found that the acrylonitrile-based polymer can be post-stretched very stably in the yarn production process, and extremely high fired stretchability can be obtained in the subsequent carbonization process. The method for producing a polyacrylonitrile polymer for carbon fiber of the present invention for achieving the above object comprises a copolymerization component of acrylonitrile, a radical polymerization initiator, a polymerization inhibitor, acrylonitrile, and a solvent, and a radical polymerization initiator ( The weight ratio (B / A) between A) and the polymerization inhibitor (B) satisfies the formula (1),
2 ≦ (B / A) <210 Formula (1)
And a polymerization inhibitor is 8 ppm-140 ppm with respect to the total amount of solution, and the solution whose dissolved oxygen concentration is 1-10 ppm is heat-processed.
The polymerization inhibitor used in the present invention preferably contains at least one polycyclic aromatic structure or monocyclic aromatic structure. Specifically, hydroquinone, methylhydroquinone, hydroquinone monomethyl ether, 4- Contains one or more selected from methoxy-1-naphthol, p-hydroxydiphenylamine, N, N-diphenyldiamine, 2-tertiarybutylhydroquinone, 2,5-ditertiarybutylhydroquinone, t-butylcatechol, and nitronaphthol More preferably. The polyacrylonitrile polymer of the present invention has a weight average molecular weight (Mw) measured by gel permeation chromatography (GPC) method of 500 to 700,000 and an intrinsic viscosity of 2.0 to 3.0. It is preferable that

本発明のポリアクリロニトリル系重合体の製造方法を適用することで、ラジカルを発生させる重合開始剤が少ない重合系においても安定した分子量の重合体を重合することができ、かかる製造方法により得られたポリアクリロニトリル系重合体は、高分子量のポリアクリロニトリル系重合体であるにも関わらず、製糸後延伸工程において安定した後延伸性を実現することができるので、重合のバッチ間で製糸後延伸工程における後延伸性の差が殆どなく安定して品位の良いポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維を得ることができ、その結果、焼成延伸性に優れ、品位の優れた炭素繊維を安定して製造することができる。   By applying the method for producing a polyacrylonitrile-based polymer of the present invention, a polymer having a stable molecular weight can be polymerized even in a polymerization system having few polymerization initiators that generate radicals. Although the polyacrylonitrile-based polymer is a high-molecular weight polyacrylonitrile-based polymer, stable post-drawability can be achieved in the post-yarn drawing step, so that in the post-yarn drawing step between polymerization batches. It is possible to obtain a polyacrylonitrile-based carbon fiber precursor fiber having almost no difference in post-stretchability and stable and good quality, and as a result, stably producing carbon fiber having excellent firing stretchability and excellent quality. Can do.

本発明者らは、重合初期において発生する有効ラジカル数を制御し、生成する重合体の分子量が安定化することで、重合終了時における重合体の分子量分布が安定化したポリアクリロニトリル系重合体を得ることができ、かかる製造方法により得られたポリアクリロニトリル系重合体は、製糸後延伸工程において後延伸性が安定して発現し、かつ、焼成において高い延伸性を示すことを見出し、本発明に到達した。   The present inventors control the number of effective radicals generated at the initial stage of polymerization, and stabilize the molecular weight of the polymer to be produced, so that a polyacrylonitrile-based polymer having a stabilized molecular weight distribution at the end of polymerization can be obtained. It was found that the polyacrylonitrile-based polymer obtained by such a production method stably exhibits post-stretchability in the post-yarn-stretching step, and exhibits high stretchability in firing. Reached.

以下本発明のポリアクリロニトリル系重合体の製造方法及び炭素繊維の製造方法について詳しく説明する。
本発明の炭素繊維用ポリアクリロニトリル系重合体は、アクリロニトリルとラジカル重合開始剤と重合禁止剤とアクリロニトリルとの共重合成分及び溶媒を含み、ラジカル重合開始剤(A)と重合禁止剤(B)の重量比(B/A)が式(1)を満たし
2≦(B/A)<210 式(1)
かつ重合禁止剤が溶液総量に対して8ppm〜140ppmであり、溶存酸素濃度が1〜10ppmである溶液(以降、本発明における重合原液と記す場合もある)を、加熱処理するポリアクリロニトリル系重合体での製造方法ある。
Hereinafter, the production method of the polyacrylonitrile polymer and the production method of the carbon fiber of the present invention will be described in detail.
The polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber of the present invention includes a copolymerization component of acrylonitrile, a radical polymerization initiator, a polymerization inhibitor, and acrylonitrile and a solvent, and includes a radical polymerization initiator (A) and a polymerization inhibitor (B). Weight ratio (B / A) satisfies formula (1) 2 ≦ (B / A) <210 formula (1)
And the polyacrylonitrile polymer which heat-processes the solution (it may be described as the polymerization undiluted solution in this invention) whose polymerization inhibitor is 8 ppm-140 ppm with respect to the total solution amount, and whose dissolved oxygen concentration is 1-10 ppm. There is a manufacturing method.

かかる特定の重合禁止剤量等の条件の下重合することにより、製糸後延伸工程において安定して延伸できるポリアクリロニトリル系重合体を得ることができるメカニズムは必ずしも定かではないが、以下のように考えている。重合禁止剤量が特定範囲以下の物においてはモノマに含まれる重合禁止剤や重合系内の残存酸素などのラジカルトラップ作用のあるものの量が重合バッチ毎に変動することにより重合初期において重合開始剤の少ない系においては発生したラジカルが相殺され、重合初期の高分子が生成しやすい誘導期間に有効に働くラジカル数がばらつくことにより、重合初期に生成する高分子の分子量が極端に変動し、結果として重合終了時の分子量分布がばらつき製糸後延伸工程において後延伸性が不安定になると考えられる。製糸後延伸工程における後延伸性を変動させる分子量要因としては、重合初期においてラジカルがトラップされた結果有効に働くラジカル数が極端に減少し、重合開始点が少なくなるために高分子量がさらに高分子化し、このさらに高分子化した成分が続く製糸工程において延伸を阻害することで後延伸性を低下させると考えられる。そのため、本発明の重合体は重合禁止剤量を特定の範囲とすることで、モノマに含まれる重合禁止剤や、重合系内の残存酸素等のラジカルトラップ能力に比べ極端に多いラジカルトラップ能力を付与することで、モノマに含まれる重合禁止剤や重合系内の残存酸素量が変動しても重合初期において有効に働くラジカル数が殆ど変動しないため、重合初期において生成する高分子成分の分子量が安定化し、結果として重合終了時の分子量分布が安定化し、重合のバッチが変わっても分子量分布が殆ど同一の物となり、続く製糸工程において重合バッチ間の差が殆どないため、安定した後延伸性を発現すると考えている。   The mechanism for obtaining a polyacrylonitrile-based polymer that can be stably stretched in the post-yarn-stretching step by polymerizing under conditions such as the specific polymerization inhibitor amount is not necessarily clear, but is considered as follows. ing. In the case where the amount of the polymerization inhibitor is less than a specific range, the polymerization initiator contained in the monomer and the amount of radical trapping action such as residual oxygen in the polymerization system varies from one polymerization batch to another, so that the polymerization initiator at the initial stage of polymerization In a system with a small amount, the generated radicals are offset, and the number of radicals that work effectively during the induction period, during which the polymer in the initial stage of polymerization is likely to vary, greatly varies the molecular weight of the polymer generated in the initial stage of polymerization. As described above, the molecular weight distribution at the end of the polymerization varies, and the post-drawing property is considered to be unstable in the post-yarn drawing drawing step. The molecular weight factor that fluctuates the post-drawing property in the post-yarn drawing step is that the number of radicals that work effectively as a result of radicals being trapped in the initial stage of polymerization is extremely reduced, and the polymerization starting point is reduced. It is considered that this further polymerized component inhibits stretching in the subsequent spinning process, thereby reducing post-stretchability. For this reason, the polymer of the present invention has an extremely large radical trapping ability compared to the radical inhibitory ability of the polymerization inhibitor contained in the monomer and the residual oxygen in the polymerization system by setting the amount of the polymerization inhibitor within a specific range. By adding, the number of radicals that work effectively in the initial stage of polymerization does not vary even if the amount of residual oxygen in the polymerization inhibitor or polymerization system contained in the monomer varies. As a result, the molecular weight distribution at the end of the polymerization is stabilized, and even if the polymerization batch changes, the molecular weight distribution becomes almost the same, and there is almost no difference between the polymerization batches in the subsequent spinning process, so stable post-drawability I think that expresses.

ここで、重合初期および誘導期間の定義は以下の通りである。ラジカル重合開始剤は種類によりラジカルが発生する温度が異なるが、重合に供する溶液を加熱し、特定の温度に達したときにすべてがラジカル発生するのではなく、過熱過程の各温度においてある割合でラジカルが発生していくものであり、過熱過程においてはラジカル濃度が上昇していく領域が存在し、これを誘導期間とする。また、誘導期間初めのラジカルが発生し始めたときを重合初期とする。   Here, the definitions of the initial stage of polymerization and the induction period are as follows. The temperature at which radicals are generated varies depending on the type of radical polymerization initiator, but when a solution used for polymerization is heated and a specific temperature is reached, all radicals are not generated, but at a certain rate at each temperature of the superheating process. Radicals are generated, and there is a region where the radical concentration increases in the overheating process, and this is the induction period. In addition, the time at which radicals at the beginning of the induction period begin to occur is defined as the initial stage of polymerization.

ここで、重合とは、発生したラジカルを起点にモノマがつながっていくことを言い、特定のモノマ量においては起点となるラジカルが少ないほど一つの起点当たりにつながるモノマが多くなるため、高分子量のポリマを得ることができる。そのため、重合初期に高分子量の重合体が生成するのである。   Here, polymerization means that monomers are connected starting from the generated radicals, and in a specific monomer amount, the smaller the number of radicals that are the starting point, the more monomers connected per one starting point. A polymer can be obtained. Therefore, a high molecular weight polymer is formed at the initial stage of polymerization.

本発明に用いられるアクリロニトリルは、単独保存状態での重合が進まないよう重合禁止剤を含む物が好ましく、不活性気体にて保存されることがさらに好ましい。
本発明に用いる重合禁止剤は、多環芳香族構造、単環芳香族構造を有する物が好ましくヒドロキノン、メチルヒドロキノン、ヒドロキノンモノメチルエーテル、4-メトキシ-1-ナフトール、p-ハイドロオキシジフェニルアミン、N,N-ジフェニルジアミン、2,5-ジターシャリーブチルハイドロキノン、ニトロナフトールから選ばれる1種以上を含有することがさらに好ましい。
The acrylonitrile used in the present invention is preferably one containing a polymerization inhibitor so that polymerization in a single storage state does not proceed, and more preferably stored in an inert gas.
The polymerization inhibitor used in the present invention preferably has a polycyclic aromatic structure or a monocyclic aromatic structure, preferably hydroquinone, methylhydroquinone, hydroquinone monomethyl ether, 4-methoxy-1-naphthol, p-hydroxydiphenylamine, N, More preferably, it contains one or more selected from N-diphenyldiamine, 2,5-ditertiarybutylhydroquinone, and nitronaphthol.

また、本発明においては、アクリロニトリルに含まれる重合禁止剤との和が溶液総重量に対して8ppm〜140ppmであることが必須である。重合禁止剤量が8ppm未満では十分な重合安定性が得られず、また、140ppmより多いと、重合開始剤や重合禁止剤の使用量によるコスト増加や、重合開始剤ではバランスがとれずに得られる重合体中の高分子量成分の重合度が十分に高くならない等の問題があるからである。本発明に用いるアクリロニトリルに含まれる重合禁止剤の量及び種類は特に限定されないが、アクリロニトリル単独での安定性の観点で、アクリロニトリル重量比20ppm〜40ppm含まれていることが好ましい。アクリロニトリルに含まれる重合禁止剤の量は、アクリロニトリルの吸光度により測定する。本発明における重合禁止剤量の調整方法は、アクリロニトリルに含まれる重合禁止剤の量を測定し、溶液総重量に対して8ppm〜140ppmとなるよう、重合禁止剤追加分を精秤し、該重合禁止剤を溶媒にて溶解後、アクリロニトリルと混合することで溶液総重量に対して重合禁止剤が8ppm〜140ppmである溶液を調整する。   Moreover, in this invention, it is essential that the sum with the polymerization inhibitor contained in acrylonitrile is 8 ppm-140 ppm with respect to the total solution weight. When the amount of the polymerization inhibitor is less than 8 ppm, sufficient polymerization stability cannot be obtained, and when it exceeds 140 ppm, the cost is increased due to the amount of the polymerization initiator and the polymerization inhibitor used, and the polymerization initiator is not balanced. This is because there is a problem that the degree of polymerization of the high molecular weight component in the obtained polymer is not sufficiently high. The amount and type of the polymerization inhibitor contained in acrylonitrile used in the present invention is not particularly limited, but it is preferably contained in an acrylonitrile weight ratio of 20 ppm to 40 ppm from the viewpoint of stability of acrylonitrile alone. The amount of the polymerization inhibitor contained in acrylonitrile is measured by the absorbance of acrylonitrile. The method for adjusting the amount of the polymerization inhibitor in the present invention is to measure the amount of the polymerization inhibitor contained in acrylonitrile, precisely weigh the added amount of the polymerization inhibitor so that it becomes 8 ppm to 140 ppm with respect to the total weight of the solution, A solution having a polymerization inhibitor of 8 ppm to 140 ppm with respect to the total weight of the solution is prepared by dissolving the inhibitor in a solvent and then mixing with acrylonitrile.

本発明に用いられるラジカル重合開始剤は特に限定されないが、油溶性アゾ化合物、水溶性アゾ化合物、過酸化物等が好ましく、安全面からの取り扱い性及び工業的に効率よく重合を行うという観点から、ラジカル発生温度が30〜150℃の範囲の物が好ましく用いられる。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る。   The radical polymerization initiator used in the present invention is not particularly limited, but is preferably an oil-soluble azo compound, a water-soluble azo compound, a peroxide, etc., from the viewpoint of easy handling from a safety aspect and industrially efficient polymerization. Those having a radical generation temperature in the range of 30 to 150 ° C. are preferably used. Among them, an azo compound that does not have a concern of oxygen generation that inhibits polymerization at the time of decomposition is preferably used.

本発明のポリアクリロニトリル系重合体の製造方法は、製糸性の観点および、本発明により得られた重合体を紡糸して得た炭素繊維前駆体繊維束を耐炎化する時空に気中での熱処理を効率よく行う観点等から、共重合成分を本発明における重合原液に含むことが必須である。製糸性の観点から一般に、共重合成分の量が少ないと(極端な例としてポリアクリロニトリル単独では)、可塑性が低下し製糸延伸性が低下するため好ましくない。共重合体の量が多いと耐熱性が低下し、融着が発生しやすくなるため好ましくない。好ましい共重合成分の量としては、0.1乃至0.5mol%である。また、耐炎化時の空気中での熱処理を効率よく行う観点からは、少なくとも0.1mol%以上の耐炎化促進成分を共重合成分として共重合させることが好ましい。耐炎化促進成分としては、カルボキシル基またはアミド基を一つ以上有するものが好ましく例示される。耐炎化促進成分の共重合量を多くするほど耐炎化反応が促進され、短時間で耐炎化処理でき、生産性を高める目的から好ましい態様である。しかし一方で、該耐炎化促進成分の共重合量が多くなるほど、耐熱性が低下したり、発熱速度が大きくなり暴走反応の危険が生じることがあるため、0.5mol%を超えない範囲とすることが好ましい。共重合成分である耐炎化促進成分の具体例としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸、メサコン酸、アクリルアミドおよびメタクリルアミドなどが好ましく例示される。耐熱性の低下を防止するという目的からは、耐炎化促進効果の高いモノマを少量用いることが好ましく、アミド基よりもカルボキシル基を有する耐炎化促進成分を用いることが好ましい。また、含有されるアミド基とカルボキシル基の数は、1つよりも2つ以上であることがより好ましく、その観点からは、共重合成分である耐炎化促進成分としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸およびメサコン酸が好ましく、イタコン酸、マレイン酸およびメサコン酸がより好ましく、中でも、イタコン酸が最も好ましい。本発明により得られた重合体の、製糸性を向上させる目的から、アクリレートやメタクリレートなど、耐炎化促進成分以外の共重合成分を共重合してもよいが、重合体を紡糸して得た炭素繊維前駆体繊維束の耐炎化工程時の耐熱性の低下を防止するという目的からは、アクリロニトリル以外の共重合成分のトータル量は0.5mol%を超えないことが好ましい。   The method for producing the polyacrylonitrile-based polymer of the present invention is a heat treatment in the air in the space-time in which the carbon fiber precursor fiber bundle obtained by spinning the polymer obtained by the present invention is flame-resistant. From the viewpoint of efficiently performing the process, it is essential that the copolymerization component is contained in the polymerization stock solution in the present invention. In general, from the standpoint of yarn-making property, if the amount of the copolymer component is small (as an extreme example, polyacrylonitrile alone) is not preferable because the plasticity is lowered and the yarn-drawing property is lowered. When the amount of the copolymer is large, the heat resistance is lowered, and fusion is likely to occur. A preferable amount of the copolymer component is 0.1 to 0.5 mol%. Further, from the viewpoint of efficiently performing heat treatment in air at the time of flame resistance, it is preferable to copolymerize at least 0.1 mol% or more of the flame resistance promoting component as a copolymer component. Preferred examples of the flame resistance promoting component include those having at least one carboxyl group or amide group. As the amount of copolymerization of the flameproofing promoting component is increased, the flameproofing reaction is promoted, flameproofing treatment can be performed in a short time, and this is a preferred embodiment for the purpose of increasing productivity. However, on the other hand, the greater the amount of copolymerization of the flameproofing promoting component, the lower the heat resistance, or the higher the heat generation rate and the risk of a runaway reaction, so that it does not exceed 0.5 mol%. It is preferable. Specific examples of the flame resistance promoting component which is a copolymer component are preferably exemplified by acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, mesaconic acid, acrylamide and methacrylamide. The For the purpose of preventing a decrease in heat resistance, it is preferable to use a small amount of a monomer having a high flame resistance promoting effect, and it is preferable to use a flame resistance promoting component having a carboxyl group rather than an amide group. Further, the number of amide groups and carboxyl groups contained is more preferably two or more than one, and from that viewpoint, as the flame resistance promoting component which is a copolymer component, acrylic acid, methacrylic acid are used. Itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid and mesaconic acid are preferred, itaconic acid, maleic acid and mesaconic acid are more preferred, and itaconic acid is most preferred. For the purpose of improving the spinning property of the polymer obtained by the present invention, a copolymer component other than the flame resistance promoting component such as acrylate or methacrylate may be copolymerized, but carbon obtained by spinning the polymer is used. For the purpose of preventing a decrease in heat resistance during the flameproofing process of the fiber precursor fiber bundle, it is preferable that the total amount of copolymer components other than acrylonitrile does not exceed 0.5 mol%.

本発明で用いられるポリアクリロニトリル系重合体を製造する重合方法としては、共重合成分を均一に重合する目的から溶液重合を用いることが必須である。溶液重合で用いられる溶液としては、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のポリアクリロニトリルが可溶な溶媒を用いることが好ましい。中でも、生成したポリアクリロニトリル系重合体の溶解性の観点から、ジメチルスルホキシドがより好ましく用いられる。   As a polymerization method for producing the polyacrylonitrile-based polymer used in the present invention, it is essential to use solution polymerization for the purpose of uniformly polymerizing the copolymer component. As the solution used in the solution polymerization, it is preferable to use a solvent in which polyacrylonitrile is soluble, such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and dimethylacetamide. Among these, dimethyl sulfoxide is more preferably used from the viewpoint of solubility of the produced polyacrylonitrile-based polymer.

また、本発明のポリアクリロニトリル系重合体を得るのに供する加熱前の該溶液は溶存酸素濃度が1乃至10ppmであることが必須である。溶液に含まれる酸素量が10ppm以上であると、本発明の重合禁止剤を適用した重合系においても有効ラジカル数を制御しきれず、分子量がばらつくため好ましくない。下限については、溶液に含まれる溶存酸素濃度を1ppm以下にすることは工業的には不可能であることから、左記の値に設定し、かかる値を前提として、奏効する範囲に他の成分を設定している。加熱前の該溶液を実質的に酸素を含まない不活性ガスを絶えず供給し、不活性ガスにてシールされた雰囲気で攪拌することにより該溶液中の酸素を1乃至10ppmとすることができる。用いる不活性ガスとしてはコスト面で窒素が好ましい。本発明のポリアクリロニトリル系重合体は、該溶液を加熱処理することによって得られる。なお、本発明においてポリアクリロニトリル系重合体とは、少なくともアクリロニトリルが重合体骨格の主構成成分となっているものをいい、主構成成分とは、通常、重合体骨格の95乃至100mol%を占めることを言う。   Further, it is essential that the solution before heating used for obtaining the polyacrylonitrile-based polymer of the present invention has a dissolved oxygen concentration of 1 to 10 ppm. If the amount of oxygen contained in the solution is 10 ppm or more, the number of effective radicals cannot be controlled even in a polymerization system to which the polymerization inhibitor of the present invention is applied, and the molecular weight varies. As for the lower limit, it is industrially impossible to make the dissolved oxygen concentration contained in the solution 1 ppm or less. Therefore, the lower limit is set to the value shown on the left. It is set. By continuously supplying an inert gas substantially free of oxygen to the solution before heating and stirring in an atmosphere sealed with the inert gas, the oxygen in the solution can be adjusted to 1 to 10 ppm. The inert gas used is preferably nitrogen in terms of cost. The polyacrylonitrile-based polymer of the present invention can be obtained by heat-treating the solution. In the present invention, the polyacrylonitrile-based polymer means that at least acrylonitrile is the main constituent of the polymer skeleton, and the main constituent usually occupies 95 to 100 mol% of the polymer skeleton. Say.

本発明の製造方法により得られるポリアクリロニトリル系重合体はゲルパーミエーションクロマトグラフ(GPC)法で測定される重量平均分子量(Mw)が50〜70万で、かつ極限粘度が2.0〜3.0であることが好ましい。重量平均分子量が50万以下では焼成における延伸性が低く好ましくない。重量平均分子量が70万以上では重合体を溶媒に分散状態としたときに粘度が高く、製糸する上で重合体の濃度を下げる必要があり、生産コストが上がるため好ましくない。重量平均分子量Mwはラジカルを発生する重合開始剤、モノマ濃度、連鎖移動剤、重合時間により制御することができる。重合開始剤量を減らすことで重量平均分子量Mwを高めることができるが、重合開始剤を減らすと同一の重合時間としたとき重合率が低下することに留意すべきである。   The polyacrylonitrile polymer obtained by the production method of the present invention has a weight average molecular weight (Mw) measured by gel permeation chromatography (GPC) method of 500 to 700,000 and an intrinsic viscosity of 2.0 to 3. 0 is preferred. If the weight average molecular weight is 500,000 or less, the stretchability in firing is low, which is not preferable. A weight average molecular weight of 700,000 or more is not preferable because the viscosity is high when the polymer is dispersed in a solvent, and it is necessary to lower the concentration of the polymer for spinning, which increases production costs. The weight average molecular weight Mw can be controlled by a polymerization initiator that generates radicals, a monomer concentration, a chain transfer agent, and a polymerization time. Although it is possible to increase the weight average molecular weight Mw by reducing the amount of the polymerization initiator, it should be noted that if the polymerization initiator is decreased, the polymerization rate decreases when the same polymerization time is used.

以下本発明の製造方法により得られるポリアクリロニトリル系重合体を用いて得られる炭素繊維用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の製造方法について詳しく説明する。   Hereinafter, a method for producing a polyacrylonitrile-based precursor fiber for carbon fiber obtained using the polyacrylonitrile-based polymer obtained by the production method of the present invention will be described in detail.

かかる炭素繊維用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の製造方法に用いられる紡糸原液は、本発明のポリアクリロニトリル系重合体を、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のポリアクリロニトリルが可溶な溶媒に溶解したものである。溶液重合を用いる場合、重合に用いられる溶媒と紡糸溶媒を同じものにしておくと、得られたポリアクリロニトリル系重合体を分離し紡糸溶媒に再溶解する工程が不要となるため好ましい。本発明に用いるポリアクリロニトリル系重合体は濃度を10乃至20重量%未満の紡糸原液とすることが好ましい。該紡糸原液の濃度が10重量%に満たないと、炭素繊維製造用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の紡糸原液に対する収率が悪く生産性が悪いため好ましくない。また、該紡糸原液の濃度が20重量%を超えると、紡糸原液とした際の粘度が高く、製糸工程において口金からの吐出圧が高くなりプロセス性上好ましくない。また、該濃度は、ポリアクリロニトリル系重合体に対する、溶媒の割合により調整することができる。   The spinning dope used in the method for producing a polyacrylonitrile-based precursor fiber for carbon fiber is obtained by dissolving the polyacrylonitrile-based polymer of the present invention in a solvent in which polyacrylonitrile such as dimethylsulfoxide, dimethylformamide, and dimethylacetamide is soluble. Is. In the case of using solution polymerization, it is preferable that the solvent used for the polymerization and the spinning solvent are the same because the step of separating the obtained polyacrylonitrile-based polymer and re-dissolving in the spinning solvent becomes unnecessary. The polyacrylonitrile polymer used in the present invention is preferably a spinning dope having a concentration of 10 to less than 20% by weight. If the concentration of the spinning dope is less than 10% by weight, the yield of the polyacrylonitrile-based precursor fiber for carbon fiber production with respect to the spinning dope is poor and productivity is unfavorable. On the other hand, if the concentration of the spinning dope exceeds 20% by weight, the viscosity of the spinning dope becomes high, and the discharge pressure from the die becomes high in the spinning process, which is not preferable in terms of processability. Moreover, this density | concentration can be adjusted with the ratio of the solvent with respect to a polyacrylonitrile-type polymer.

かかる炭素繊維用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の製造方法には、該紡糸原液を湿式紡糸法または乾湿式紡糸法により紡糸口金から吐出させ紡糸する紡糸工程と、該紡糸工程で得られた繊維を水浴中で洗浄する水洗工程と、該水洗工程で得られた繊維を水浴中で延伸する水浴延伸工程と、該水浴延伸工程で得られた繊維を乾燥熱処理する乾燥熱処理工程と、該乾燥熱処理工程で得られた繊維をスチーム延伸するスチーム延伸工程からなる製造方法が好ましく適用される。   Such a method for producing a polyacrylonitrile-based precursor fiber for carbon fiber includes a spinning process in which the spinning solution is spun by spinning from a spinneret by a wet spinning method or a dry-wet spinning method, and the fiber obtained in the spinning step is bathed in a water bath. A water washing step for washing in, a water bath drawing step for drawing the fiber obtained in the water washing step in a water bath, a drying heat treatment step for drying and heat treating the fiber obtained in the water bath drawing step, and the drying heat treatment step. A production method comprising a steam stretching step of steam stretching the obtained fiber is preferably applied.

かかる炭素繊維用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の製造方法における紡糸工程では、高強度な炭素繊維を得るため、前述紡糸原液を紡糸する前に目開き1μm以下のフィルターに通し、ポリアクリロニトリル系重合体原料および各工程において混入した不純物を除去することが好ましい。紡糸原液を、湿式紡糸法または乾湿式紡糸法により口金から紡出し、凝固浴に導入して繊維を凝固せしめる。得られる炭素繊維用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の緻密性を高め、また得られる炭素繊維の力学物性を高める目的からは、乾湿式紡糸法を用いることが、好ましい。   In the spinning step in the method for producing the polyacrylonitrile-based precursor fiber for carbon fiber, in order to obtain high-strength carbon fiber, the polyacrylonitrile-based polymer raw material is passed through a filter having an opening of 1 μm or less before spinning the spinning raw solution. It is preferable to remove impurities mixed in each step. The spinning solution is spun from the die by a wet spinning method or a dry-wet spinning method, and introduced into a coagulation bath to coagulate the fibers. In order to increase the denseness of the obtained polyacrylonitrile-based precursor fiber for carbon fiber and to increase the mechanical properties of the obtained carbon fiber, it is preferable to use a dry and wet spinning method.

かかる炭素繊維用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の製造方法において、前記凝固浴には、紡糸原液の溶媒として用いた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の溶媒と、いわゆる凝固促進成分を含ませることが好ましい。凝固促進成分としては、前記ポリアクリロニトリル系重合体を溶解せず、かつ紡糸原液に用いる溶媒と相溶性があるものを使用することができる。具体的には、凝固促進成分として水を使用することが好ましい。凝固浴中に紡糸した繊維糸条を導入して凝固せしめる紡糸工程の後、水洗工程、水浴延伸工程、乾燥熱処理工程およびスチーム延伸工程を経て、炭素繊維製造用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維が得られる。   In the method for producing a polyacrylonitrile-based precursor fiber for carbon fiber, the coagulation bath may contain a solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide used as a solvent for the spinning dope and a so-called coagulation promoting component. preferable. As the coagulation accelerating component, a component that does not dissolve the polyacrylonitrile-based polymer and is compatible with the solvent used for the spinning dope can be used. Specifically, it is preferable to use water as a coagulation promoting component. A polyacrylonitrile-based precursor fiber for carbon fiber production can be obtained through a washing step, a water bath drawing step, a drying heat treatment step, and a steam drawing step after a spinning step in which fiber yarns spun into a coagulation bath are introduced and solidified. .

かかる炭素繊維用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の製造方法においては、溶媒を水洗工程により除去した後に該水洗工程で得られた繊維を水浴中で延伸する水浴延伸工程を有する。ここで、水浴延伸工程とは、水洗工程後の糸条を水浴中で少なくとも1.3倍延伸する工程のことであり、60乃至80℃の水浴中で予備延伸した後、最高温度60乃至98℃の水浴中で延伸することが好ましい。また、水洗工程における水浴温度が10乃至60℃の複数段からなる水洗浴を用い水洗することが好ましい。また、水浴中延伸における延伸倍率は、1.3〜5倍であることが好ましく、より好ましくは2〜4倍である。   Such a method for producing a polyacrylonitrile-based precursor fiber for carbon fiber has a water bath stretching step of stretching the fiber obtained in the water washing step in a water bath after removing the solvent by the water washing step. Here, the water bath stretching step is a step of stretching the yarn after the water washing step at least 1.3 times in a water bath, and after pre-stretching in a water bath at 60 to 80 ° C., the maximum temperature 60 to 98. It is preferable to stretch in a water bath at ° C. Moreover, it is preferable to wash with water using the water bath which consists of several steps whose water bath temperature in a water-washing process is 10 thru | or 60 degreeC. Moreover, it is preferable that the draw ratio in extending | stretching in a water bath is 1.3-5 times, More preferably, it is 2-4 times.

水浴延伸工程の後、単繊維同士の接着を防止する目的から、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。かかるシリコーン油剤は、変性されたシリコーンを用いることが好ましく、耐熱性の高いアミノ変性シリコーンを含有するものを用いることができる。   After the water bath stretching step, it is preferable to apply an oil agent made of silicone or the like to the yarn for the purpose of preventing adhesion between single fibers. As such a silicone oil agent, it is preferable to use a modified silicone, and one containing an amino-modified silicone having high heat resistance can be used.

前記した水洗工程、水浴延伸工程および必要に応じ油剤付与工程の後、乾燥熱処理およびスチーム延伸を行うことにより、炭素繊維用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維が得られる。   A polyacrylonitrile-based precursor fiber for carbon fiber is obtained by performing a drying heat treatment and steam stretching after the above-described washing step, water bath stretching step, and if necessary an oil agent application step.

本発明において、乾燥熱処理は、繊維軸方向の結晶性を高める目的から、160〜200℃の温度で行うことが好ましい。乾燥熱処理は、糸条を加熱されたローラーに直接接触させても、加熱された雰囲気を走行させ非接触で乾燥させてもよいが、乾燥効率という観点からは、加熱されたローラーに直接接触させることが好ましく、糸条の含有水分量が1重量%となるまで乾燥し、繊維構造を緻密化させることが好ましい。   In the present invention, the drying heat treatment is preferably performed at a temperature of 160 to 200 ° C. for the purpose of increasing crystallinity in the fiber axis direction. In the drying heat treatment, the yarn may be brought into direct contact with the heated roller, or the heated atmosphere may be run in a non-contact manner, but from the viewpoint of drying efficiency, the yarn is brought into direct contact with the heated roller. It is preferable to dry the yarn until the moisture content in the yarn is 1% by weight, thereby densifying the fiber structure.

また、本発明において、スチーム延伸は、加圧スチーム中において、少なくとも3倍以上、より好ましくは4倍以上、さらに好ましくは5倍以上延伸するのがよい。前記した水洗工程、水浴延伸工程とスチーム延伸工程を含めたトータルの延伸倍率は、繊維軸方向の結晶性を高める観点から、11〜15倍であることが好ましい。延伸倍率が11倍を下回ると、繊維軸方向の結晶性が低くストランド引張強度が発現しにくく、また、延伸倍率が15倍を超えると延伸切れが顕著となり、得られる炭素繊維用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維および炭素繊維の品位が低下する傾向を示す。   In the present invention, the steam stretching is preferably performed at least 3 times, more preferably 4 times or more, and further preferably 5 times or more in the pressurized steam. The total draw ratio including the water washing step, the water bath drawing step and the steam drawing step is preferably 11 to 15 times from the viewpoint of increasing the crystallinity in the fiber axis direction. When the draw ratio is less than 11 times, the crystallinity in the fiber axis direction is low, and the strand tensile strength is difficult to be exhibited. When the draw ratio exceeds 15 times, the draw breakage becomes remarkable, and the resulting polyacrylonitrile precursor for carbon fiber is obtained. It shows a tendency for the quality of body fibers and carbon fibers to decrease.

また、本発明において、炭素繊維用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の1糸条当たりのフィラメント数は、好ましくは1,000〜3,000,000本であり、より好ましくは6,000〜3,000,000本であり、さらに好ましくは12,000〜2,500,000本である。該フィラメント数は、生産性の向上の目的からは、1,000本以上で多い方が好ましいが、3,000,000本を超えると炭素繊維用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維糸条内部まで均一に耐炎化処理できないことがある。
次に、本発明の炭素繊維の製造方法について説明する。本発明の炭素繊維の製造方法は、前記のようにして得られたポリアクリロニトリル系前駆体繊維を、耐炎化、予備炭化した後、特定の炭化張力下で炭化して得られる。
まず、耐炎化工程から説明する。耐炎化は、暴走反応を生じない範囲でできるだけ高い温度で行うことが好ましく、具体的には200乃至300℃の空気中において行うことが好ましい。
In the present invention, the number of filaments per yarn of the polyacrylonitrile-based precursor fiber for carbon fiber is preferably 1,000 to 3,000,000, more preferably 6,000 to 3,000. 2,000, more preferably 12,000 to 2,500,000. The number of filaments is preferably 1,000 or more for the purpose of improving productivity. However, when the number exceeds 3,000,000, the inside of the polyacrylonitrile-based precursor fiber yarn for carbon fiber is evenly distributed. Flameproofing treatment may not be possible.
Next, the manufacturing method of the carbon fiber of this invention is demonstrated. The method for producing a carbon fiber of the present invention is obtained by subjecting the polyacrylonitrile-based precursor fiber obtained as described above to flame resistance and preliminary carbonization, and then carbonizing under a specific carbonization tension.
First, the flameproofing process will be described. The flame resistance is preferably performed at as high a temperature as possible without causing a runaway reaction. Specifically, it is preferably performed in air at 200 to 300 ° C.

耐炎化する際の延伸比は、0.80乃至1.20であることが好ましく、0.90乃至1.20であることがより好ましく、0.85乃至1.10であることが更に好ましい。延伸比が0.80を下回ると、得られる耐炎化繊維の配向度が不十分となり、また、得られる炭素繊維のストランド引張弾性率が低下することがある。また、延伸比が1.20を超えると、毛羽発生、糸切れ発生により、プロセス性が低下することがある。   The stretch ratio when making flame resistant is preferably 0.80 to 1.20, more preferably 0.90 to 1.20, and still more preferably 0.85 to 1.10. When the draw ratio is less than 0.80, the degree of orientation of the obtained flame-resistant fiber becomes insufficient, and the strand tensile modulus of the obtained carbon fiber may be lowered. On the other hand, when the draw ratio exceeds 1.20, processability may be deteriorated due to generation of fluff and yarn breakage.

耐炎化の処理時間は、10乃至100分の範囲で適宜選択することができるが、続く予備炭化のプロセス性、および、得られる炭素繊維の力学物性向上の目的から、得られる耐炎化繊維の比重が1.3乃至1.38の範囲となるように設定することが好ましい。   The treatment time for flame resistance can be appropriately selected within a range of 10 to 100 minutes, but for the purpose of the subsequent preliminary carbonization process and the improvement of the mechanical properties of the resulting carbon fiber, the specific gravity of the flame resistant fiber obtained. Is preferably set in a range of 1.3 to 1.38.

次に、本発明の予備炭化工程および炭化工程について説明する。   Next, the preliminary carbonization step and the carbonization step of the present invention will be described.

本発明の炭素繊維の製造方法では、前記した耐炎化繊維を、300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において予備炭化した後、1000〜2000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化することで得られる。必要に応じて2000〜3000℃の温度の不活性雰囲気中において行う黒鉛化工程を含んでも良い。   In the carbon fiber production method of the present invention, the above-mentioned flameproof fiber is pre-carbonized in an inert atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C., and then carbonized in an inert atmosphere at a temperature of 1000 to 2000 ° C. can get. You may include the graphitization process performed in the inert atmosphere of the temperature of 2000-3000 degreeC as needed.

本発明において、予備炭化工程、炭化工程および黒鉛化工程は不活性雰囲気中で行なわれるが、用いられる不活性ガスとしては、例えば、窒素、アルゴンおよびキセノンなどが好ましく例示され、経済的な観点からは窒素が好ましく用いられる。     In the present invention, the preliminary carbonization step, the carbonization step, and the graphitization step are performed in an inert atmosphere. Preferred examples of the inert gas used include nitrogen, argon, and xenon, from an economical viewpoint. Is preferably nitrogen.

本発明において、予備炭化の温度は、300乃至800℃であることが好ましく、予備炭化における昇温速度は、500℃/分以下に設定されることが好ましい。   In the present invention, the pre-carbonization temperature is preferably 300 to 800 ° C., and the temperature increase rate in the pre-carbonization is preferably set to 500 ° C./min or less.

予備炭化を行う際の延伸比は、1.00乃至1.30であることが好ましく、1.10乃至1.30であることがより好ましく、1.10乃至1.20であることが更に好ましい。延伸比が1.00を下回ると、得られる予備炭化繊維の配向度が不十分となり、炭素繊維のストランド引張弾性率が低下することがある。また、延伸比が1.30を超えると、毛羽発生や糸切れ発生により、プロセス性が低下することがある。
本発明において、炭化工程における温度は1000〜2000℃であることが好ましく、より好ましくは1300〜1700℃であり、さらに好ましくは1400〜1650℃である。その最高温度が高いほど、引張弾性率は高まるものの、黒鉛化が進行し、炭素構造の二次元性が高まり、その結果、伝導電子量が増加、ひいては圧縮強度の低下が生じることがあるので、両者のバランスを勘案して、炭化工程における温度を設定する。
本発明の炭素繊維は前記前駆体繊維を耐炎化、予備炭化した後、特定の範囲の張力条件下で炭化することにより得られる。本発明の炭素繊維の炭化工程における張力は2.2乃至17.5mN/dTexであることが好ましく、3.5乃至16.5であることが好ましく、3.2乃至15.5であることが更に好ましい。張力が2.2mN/dTexを下回ると、得られる炭素繊維の配向度や緻密性が不十分となり、ストランド引張弾性率が低下することがある。また、張力が17.5mN/dTexを超えると、毛羽発生や糸切れ発生により、プロセス性が低下することがある。
The draw ratio during the preliminary carbonization is preferably 1.00 to 1.30, more preferably 1.10 to 1.30, and even more preferably 1.10 to 1.20. . When the draw ratio is less than 1.00, the degree of orientation of the obtained preliminary carbonized fiber may be insufficient, and the strand tensile elastic modulus of the carbon fiber may decrease. On the other hand, when the draw ratio exceeds 1.30, the processability may be deteriorated due to the occurrence of fluff and yarn breakage.
In this invention, it is preferable that the temperature in a carbonization process is 1000-2000 degreeC, More preferably, it is 1300-1700 degreeC, More preferably, it is 1400-1650 degreeC. The higher the maximum temperature, the higher the tensile modulus, but the graphitization proceeds, the two-dimensionality of the carbon structure increases, and as a result, the amount of conduction electrons may increase, and consequently the compressive strength may decrease. Considering the balance between the two, the temperature in the carbonization process is set.
The carbon fiber of the present invention can be obtained by making the precursor fiber flame resistant and pre-carbonized and then carbonizing it under a specific range of tension conditions. The tension in the carbonization step of the carbon fiber of the present invention is preferably 2.2 to 17.5 mN / dTex, more preferably 3.5 to 16.5, and preferably 3.2 to 15.5. Further preferred. When the tension is less than 2.2 mN / dTex, the degree of orientation and denseness of the obtained carbon fiber may be insufficient, and the strand tensile elastic modulus may decrease. On the other hand, when the tension exceeds 17.5 mN / dTex, processability may be deteriorated due to generation of fluff or yarn breakage.

ここで、炭化工程における張力とは炭化炉出側のロールで測定した張力(mN)を炭素繊維製造用ポリアクリロニトリル系前駆体繊維の絶乾時の繊度(dTex)で割った値で示すものとする。炭化工程における張力はロールを具備した固定軸に糸条を走行させ、固定軸間の糸条にウェイトを具備した滑車状のロールを掛けることにより付与し、ウェイトを調整することにより制御することができる。   Here, the tension in the carbonization step is the value obtained by dividing the tension (mN) measured with the roll on the exit side of the carbonization furnace by the fineness (dTex) at the time of absolutely dry of the polyacrylonitrile-based precursor fiber for carbon fiber production. To do. The tension in the carbonization process can be controlled by adjusting the weight by applying a pulley-like roll having a weight to the yarn between the fixed shafts by running the yarn on the fixed shaft having the roll. it can.

得られた炭素繊維は、その表面改質のため、電解処理することができる。電解処理に用いられる電解液には、硫酸、硝酸および塩酸等の酸性溶液や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、炭酸アンモニウムおよび重炭酸アンモニウムのようなアルカリまたはそれらの塩を水溶液として使用することができる。ここで、電解処理に要する電気量は、適用する炭素繊維の炭化度に応じて適宜選択することができる。かかる電解処理により、得られる複合材料において炭素繊維とマトリックスとの接着性が適正化でき、接着が強すぎることによる複合材料のブリトルな破壊や、繊維方向の引張強度が低下する問題や、繊維方向における引張強度は高いものの、樹脂との接着性に劣り、非繊維方向における強度特性が発現しないというような問題が解消され、得られる複合材料において、繊維方向と非繊維方向の両方向にバランスのとれた強度特性が発現されるようになる。   The obtained carbon fiber can be electrolytically treated for surface modification. The electrolytic solution used for the electrolytic treatment includes an acidic solution such as sulfuric acid, nitric acid and hydrochloric acid, an alkali solution such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, ammonium carbonate and ammonium bicarbonate, or a salt thereof as an aqueous solution. Can be used as Here, the amount of electricity required for the electrolytic treatment can be appropriately selected according to the carbonization degree of the carbon fiber to be applied. Such electrolytic treatment can optimize the adhesion between the carbon fiber and the matrix in the resulting composite material, causing a brittle breakage of the composite material due to excessive adhesion, a problem in which the tensile strength in the fiber direction decreases, the fiber direction Although the tensile strength is high, the problem of poor adhesion to the resin and non-fibrous strength properties is solved, and the resulting composite material is balanced in both the fiber and non-fiber directions. Strength characteristics are developed.

かかる電解処理の後、得られた炭素繊維に集束性を付与するため、サイジング処理をすることもできる。サイジング剤には、複合材料に使用されるマトリックス樹脂の種類に応じて、マトリックス樹脂との相溶性の良いサイジング剤を適宜選択することができる。付与したサイジング剤の乾燥は特に限定されないが、糸条を加熱されたローラーに直接接触させると、炭素繊維は伸度が低いため品位が悪化することがあるので、非接触型の熱風炉を用いることが好ましい。   After the electrolytic treatment, a sizing treatment can be performed in order to give the obtained carbon fiber a focusing property. As the sizing agent, a sizing agent having good compatibility with the matrix resin can be appropriately selected according to the type of the matrix resin used in the composite material. The drying of the applied sizing agent is not particularly limited, but if the yarn is brought into direct contact with a heated roller, the carbon fiber may deteriorate in quality because of its low elongation, so use a non-contact type hot air furnace. It is preferable.

本発明の製造方法により得られる炭素繊維は、圧縮強度および引張弾性率が高い。そのため、本発明の炭素繊維は、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、フィラメントワインディングで成形するなど種々の成形法により、航空機部材、圧力容器部材、自動車部材、釣り竿およびゴルフシャフトなどのスポーツ部材として、好適に用いることができる。   The carbon fiber obtained by the production method of the present invention has high compressive strength and tensile elastic modulus. Therefore, the carbon fiber of the present invention is an aircraft member, a pressure vessel member, an automobile member, a fishing rod and the like by various molding methods such as autoclave molding as a prepreg, resin transfer molding as a preform such as a woven fabric, and filament winding. It can be suitably used as a sports member such as a golf shaft.

本明細書に記載の各種物性値の測定方法は、次の通りである。   The measuring method of various physical property values described in this specification is as follows.

<アクリロニトリル含有重合禁止剤量測定>
重合に供するアクリロニトリル20mlを栓付三角フラスコに精秤し、濃硝酸10mlを加え、1分間振り混ぜ、2分間静置して検体溶液を得る。該検体溶液を10ml石英セルに入れ吸光度計にて波長400nmの吸光度を測定し、検量線上の数値を読み取ることで、重合禁止剤量を求める。
アクリロニトリルに含有されている重合禁止剤量は、重合禁止剤量が異なる重合禁止剤量が既知のアクリロニトリル4種以上を用いて重合禁止剤量−吸光度の検量線を作成する。
重合禁止剤量が既知のアクリロニトリルとして、重合禁止剤重量比が40ppm、100ppm、150ppm、200ppmのものを用い吸光度測定を行う。本発明では吸光度測定装置として(株)島津製作所製自記分光光度計UV−240を用いた。
<Measurement of amount of acrylonitrile-containing polymerization inhibitor>
20 ml of acrylonitrile for polymerization is precisely weighed in a conical flask with a stopper, 10 ml of concentrated nitric acid is added, shaken for 1 minute, and allowed to stand for 2 minutes to obtain a sample solution. The sample solution is placed in a 10 ml quartz cell, the absorbance at a wavelength of 400 nm is measured with an absorptiometer, and the value on the calibration curve is read to determine the amount of polymerization inhibitor.
The amount of polymerization inhibitor contained in acrylonitrile is a polymerization inhibitor amount-absorbance calibration curve using at least four types of acrylonitrile with known amounts of polymerization inhibitors with different amounts of polymerization inhibitor.
The absorbance is measured using acrylonitrile having a known polymerization inhibitor amount and having a polymerization inhibitor weight ratio of 40 ppm, 100 ppm, 150 ppm, and 200 ppm. In the present invention, a self-recording spectrophotometer UV-240 manufactured by Shimadzu Corporation was used as an absorbance measurement apparatus.

<重量平均分子量(Mw)>
重合体の濃度が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、検体溶液を得る。得られた検体溶液について、GPC装置を用いて、次の条件(i)(ii)で測定したGPC曲線から分子量の分布曲線を求め、Mwを算出する。測定はそれぞれの条件で3回行い、算術平均値をその重合体のMwとする。なお、条件(i)(ii)でデータが異なるときには条件(ii)のデータを採用するものとする。
条件(i)
・カラム:極性有機溶媒系GPC用カラム
・流速:0.8ml/min
・温度:40℃
・試料濾過:メンブレンフィルター(0.45μmカット)
・注入量:20μl
・検出器:示差屈折率検出器
条件(ii)
・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
Mw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種以上用いて、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とることにより求める。使用するGPC装置およびカラムは上記条件を満たすものであれば特に限定されないが、後述する実施例および比較例においては、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及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及び4240000のものをそれぞれ用いた。なお、同一の組成において5回の重合を行い各々の重合体についてMwを算出し、その算術平均値を重量平均分子量Mwとした。また、標準偏差を算出し、標準偏差/算術平均×100をばらつき(CV)とした
<炭素繊維用前駆体繊維の品位等級の基準>
検査項目は3000本の繊維束を1m/分の速度で走行させながら、スタート後15m以上走行させた後、毛羽・毛玉の個数を300mの範囲について目視にて数え、以下の三段階で評価する。評価基準は下記の通りである。なお、測定は、任意の1糸条を選択して行うものとする。
<Weight average molecular weight (Mw)>
A sample solution is obtained by dissolving in dimethylformamide (0.01N-lithium bromide added) so that the concentration of the polymer is 0.1% by weight. For the obtained sample solution, a molecular weight distribution curve is obtained from the GPC curve measured under the following conditions (i) and (ii) using a GPC apparatus, and Mw is calculated. The measurement is performed three times under each condition, and the arithmetic average value is defined as Mw of the polymer. It should be noted that the data of the condition (ii) is adopted when the data is different between the conditions (i) and (ii).
Condition (i)
-Column: Column for polar organic solvent GPC-Flow rate: 0.8 ml / min
・ Temperature: 40 ℃
・ Sample filtration: Membrane filter (0.45μm cut)
・ Injection volume: 20 μl
-Detector: Differential refractive index detector condition (ii)
-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: The differential refractive index detector Mw uses at least six types of monodisperse polystyrenes with different molecular weights and known molecular weights to prepare an elution time-molecular weight calibration curve, and at the corresponding elution time on the calibration curve. It is determined by reading the corresponding polystyrene equivalent molecular weight. The GPC apparatus and column to be used are not particularly limited as long as the above conditions are satisfied. In Examples and Comparative Examples described later, CLASS-LC2010 manufactured by Shimadzu Corporation is used as the GPC apparatus, and Tosoh Corporation is used as the column. TSK-GEL-α-M (× 2) manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. as dimethylformamide and lithium bromide, 0.45 μ-FHLP FILTER manufactured by Millipore Corporation as a membrane filter, differential refractive index detector RID-10AV manufactured by Shimadzu Corporation as a monodisperse polystyrene for preparing a calibration curve was used with molecular weights of 184000, 427000, 791000, 1300000, 1810000, and 4240000, respectively. In addition, it superposed | polymerized 5 times in the same composition, Mw was calculated about each polymer, and the arithmetic average value was made into the weight average molecular weight Mw. In addition, the standard deviation was calculated, and the standard deviation / arithmetic mean × 100 was regarded as the variation (CV). <Criteria for Quality Grade of Carbon Fiber Precursor Fiber>
The inspection items were as follows: 3,000 fiber bundles were run at a speed of 1 m / min, and after running 15 m or more after starting, the number of fluff and pills was visually counted in the range of 300 m and evaluated in the following three stages. To do. The evaluation criteria are as follows. In addition, measurement shall be performed by selecting any one yarn.

等級1:繊維300m中、1個以内
等級2:繊維300m中、2から15個以内
等級3:繊維300m中、16個以上
<極限粘度>
120℃の温度で2時間熱処理し乾燥したポリアクリロニトリル系重合体150mgを、60℃の温度において、50mlのチオシアン酸ナトリウム0.1mol/リットル添加ジメチルホルムアミドに溶解する。得られた溶液について、25℃の温度においてオストワルド粘度計を用いて標線間の落下時間を1/100秒の精度で測定する。測定した落下時間をt(秒)とする。同様に、ポリアクリロニトリル系重合体を溶解していないチオシアン酸ナトリウム0.1mol/リットル添加ジメチルホルムアミドについても測定し、その落下時間をt(秒)とする。次式を用いて、極限粘度[η]を算出した。
[η]={(1+1.32×ηsp)(1/2)−1}/0.198
ηsp=(t/t)−1
上記測定を3回行い、その算術平均を、そのポリアクリロニトリル系重合体の極限粘度とする。なお、各実施および例比較例において同一組成で5回重合し、各々の重合体について極限粘度を測定し、その算術平均を極限粘度[η]とする。
なお、後述の実施例および比較例においては、上記チオシアン酸ナトリウム、および、ジメチルホルムアミドとして、いずれも和光純薬社製特級を用いた。
Grade 1: Within 300 m of fiber, within 1 piece Grade 2: Within 300 m of fiber, within 2 to 15 grade 3: Over 16 pieces of fiber in 300 m <Intrinsic viscosity>
At a temperature of 60 ° C., 150 mg of a polyacrylonitrile-based polymer that has been heat-treated at 120 ° C. for 2 hours and dried is dissolved in 50 ml of dimethylformamide containing 0.1 mol / liter of sodium thiocyanate. About the obtained solution, the fall time between marked lines is measured with the accuracy of 1/100 second using an Ostwald viscometer in the temperature of 25 degreeC. Let the measured fall time be t (seconds). Similarly, measurement is also performed on dimethylformamide added with 0.1 mol / liter of sodium thiocyanate in which the polyacrylonitrile-based polymer is not dissolved, and the dropping time is defined as t 0 (seconds). The intrinsic viscosity [η] was calculated using the following formula.
[η] = {(1 + 1.32 × ηsp) (1/2) −1} /0.198
ηsp = (t / t 0 ) −1
The said measurement is performed 3 times and let the arithmetic mean be the intrinsic viscosity of the polyacrylonitrile-type polymer. In each of the examples and comparative examples, polymerization was carried out five times with the same composition, the intrinsic viscosity was measured for each polymer, and the arithmetic average was taken as the intrinsic viscosity [η].
In Examples and Comparative Examples described later, Wako Pure Chemicals special grades were used as the sodium thiocyanate and dimethylformamide.

<溶存酸素濃度>
溶存酸素分析計としてハックウルトラ(株)製モデル410を用い、重合に供する溶液でセンサー部が満たされるよう、重合槽の底部にセンサーを設置し、重合に供するアクリロニトリルとアクリロニトリルとの共重合成分及び溶媒、重合禁止剤を重合槽へ投入時リアルタイムで重合に供する溶液の溶存酸素濃度測定を行い、不活性ガスによる置換を行う際もリアルタイムで測定する。
<Dissolved oxygen concentration>
Using a model 410 manufactured by Hack Ultra Co., Ltd. as a dissolved oxygen analyzer, a sensor is installed at the bottom of the polymerization tank so that the sensor is filled with the solution used for polymerization, and a copolymerization component of acrylonitrile and acrylonitrile used for polymerization and The dissolved oxygen concentration of the solution to be subjected to polymerization is measured in real time when the solvent and the polymerization inhibitor are charged into the polymerization tank, and also measured in real time when the inert gas is replaced.

<炭素繊維のストランド引張弾性率および強度>
炭素繊維のストランド引張弾性率および強度はJIS R7601(1986)「樹脂含浸ストランド試験法」に従って求める。なお、試験片は、次の樹脂組成物を炭素繊維に含浸し、130℃で35分熱処理の硬化条件により作製する。
樹脂組成:3、4−エポキシシクロヘキシルメチル−3、4−エポキシ−シクロヘキサン−カルボキシレート(100重量部)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(3重量部)/アセトン(4重量部)
また、ストランドの測定本数は6本とし、各測定結果の算術平均値を、その炭素繊維のストランド引張弾性率および強度とする。
なお、後述の実施例および比較例においては、上記3、4−エポキシシクロヘキシルメチル−3、4−エポキシ−シクロヘキサン−カルボキシレートとしては、ユニオンカーバイド(株)製、“BAKELITE(登録商標)”ERL−4221を用いた。
<Strand tensile modulus and strength of carbon fiber>
The strand tensile modulus and strength of the carbon fiber are determined according to JIS R7601 (1986) “Resin-impregnated strand test method”. The test piece is prepared by impregnating carbon fiber with the following resin composition and curing conditions of heat treatment at 130 ° C. for 35 minutes.
Resin composition: 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexane-carboxylate (100 parts by weight) / 3 boron fluoride monoethylamine (3 parts by weight) / acetone (4 parts by weight)
The number of strands to be measured is six, and the arithmetic average value of each measurement result is the strand tensile modulus and strength of the carbon fiber.
In Examples and Comparative Examples described later, as the 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexane-carboxylate, “BAKELITE (registered trademark)” ERL- manufactured by Union Carbide Co., Ltd. 4221 was used.

以下に記載する実施例1〜11および比較例1〜6は、次の包括的実施例に記載の実施方法において、表1に記載の各条件を用いて行ったものである。
包括的実施例:
アクリロニトリル99.6molと共重合成分としてイタコン酸0.4mol%からなるモノマ20wt%をジメチルスルホキシド80wt%を溶媒とし、表1記載の重合禁止剤を表1記載の量添加し、2,2'-アゾビスイソブチロニトリルを表1記載の重合開始剤/重合禁止剤となるよう仕込んだ後、該溶液の攪拌を行いながら窒素にて重合槽内を置換して、該溶液の溶存酸素濃度が表1記載の濃度に達した時点で加熱して溶液重合法によりポリアクリロニトリル系重合体を製造した。ここで、アクリロニトリルとしては重合禁止剤として4メトキシ−1ナフトールを40ppm含むものを用いた。
Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 6 described below were carried out using the conditions described in Table 1 in the method of implementation described in the following comprehensive examples.
Comprehensive example:
A monomer composed of 99.6 mol of acrylonitrile and 0.4 mol% of itaconic acid as a copolymer component, 20 wt% of dimethyl sulfoxide as a solvent, a polymerization inhibitor described in Table 1 in an amount shown in Table 1, and 2,2′- After charging azobisisobutyronitrile to be a polymerization initiator / polymerization inhibitor listed in Table 1, the inside of the polymerization tank was replaced with nitrogen while stirring the solution, and the dissolved oxygen concentration of the solution was When the concentration shown in Table 1 was reached, a polyacrylonitrile polymer was produced by a solution polymerization method by heating. Here, as acrylonitrile, a polymerization inhibitor containing 40 ppm of 4-methoxy-1-naphthol was used.

製造されたポリアクリロニトリル系重合体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つつ、アンモニウム基をポリアクリロニトリル系共重合体に導入し、紡糸原液を得た。なお、同一の組成において、5回重合を行い、得られた各々の紡糸原液について、重量平均分子量、極限粘度を測定した。測定結果を表1に示す。
得られた紡糸原液を、40℃で、直径0.12mm、孔数3,000の紡糸口金を用い、一旦空気中に吐出し、約4mmの空間を通過させた後、3℃にコントロールした35%ジメチルスルホキシドの水溶液からなる凝固浴に導入する乾湿式紡糸法により凝固糸条とした。
Ammonia gas was blown into the manufactured polyacrylonitrile polymer until the pH reached 8.5, and ammonium groups were introduced into the polyacrylonitrile copolymer while neutralizing itaconic acid to obtain a spinning dope. In addition, it superposed | polymerized 5 times in the same composition, the weight average molecular weight and the intrinsic viscosity were measured about each obtained spinning dope. The measurement results are shown in Table 1.
The obtained spinning dope was discharged at 40 ° C. using a spinneret having a diameter of 0.12 mm and a hole number of 3,000, and once discharged into the air, passed through a space of about 4 mm, and then controlled at 3 ° C. 35 A coagulated yarn was obtained by a dry and wet spinning method introduced into a coagulation bath comprising an aqueous solution of% dimethyl sulfoxide.

この凝固糸条を、常法により水洗した後、水浴延伸工程を独立した2槽の温水槽を用い、3.5倍の延伸を行い、さらにアミノ変性シリコーン系シリコーン油剤を付与した後、160℃の加熱ローラーを用いて、乾燥緻密化処理を行い、次いで、加圧スチーム中で3.7倍延伸することにより、製糸全延伸倍率を13倍とし、単繊維繊度0.7dtex、単繊維本数3,000本のポリアクリロニトリル系前駆体繊維を得た。次に、得られたアクリル系繊維を4本合糸し、単繊維本数12,000本とし、温度240乃至260℃の空気中において、延伸比1.0で延伸しながらで耐炎化処理し、比重1.35の耐炎化繊維束を得た。得られた耐炎化繊維束を、温度300乃至800℃の窒素雰囲気中において、延伸比1.15で延伸しながら予備炭化処理を行い次いで、最高温度1,500℃の窒素雰囲気中において、張力を2.2mN/dTexから0.1mN/dTexずつ上げていき、糸切れが生じない最高の張力、すなわち、表3に示す炭化延伸限界張力を見出し、この炭化延伸限界張力において、炭化処理を行い炭素繊維束を得た。得られた炭素繊維束について、ストランド引張強度(GPa)、ストランド引張弾性率(GPa)を測定した。各測定結果を表1に合わせて示す。
[比較例1]表1記載の条件にて重合製糸した。重合禁止剤の量が、本発明の下限に満たないため、得られた重合体は重量平均分子量ばらつきが大きく、前駆体繊維品位等級が悪いことがわかった。得られたポリアクリロニトリル系前駆体繊維を、耐炎化、予備炭化し、炭素繊維束を製造した。炭化延伸限界張力が低く、得られた炭素繊維はストランド引張弾性率が低いことがわかった。
[比較例2]表1記載の条件にて重合製糸した。重合禁止剤の量が、本発明の上限より多いため、得られた重合体は重量平均分子量が低いことがわかった。得られたポリアクリロニトリル系前駆体繊維を、耐炎化、予備炭化し、炭素繊維束を製造した。炭化延伸限界張力が低く、得られた炭素繊維はストランド引張弾性率が低いことがわかった。
[比較例3]表1記載の条件にて重合製糸した。重合開始剤/重合禁止剤の比が、本発明の下限に満たないため、得られた重合体は重量平均分子量が低いことがわかった。得られたポリアクリロニトリル系前駆体繊維を、耐炎化、予備炭化し、炭素繊維束を製造した。炭化延伸限界張力が低く、得られた炭素繊維はストランド引張弾性率が低いことがわかった。
[比較例4]表1記載の条件にて重合製糸した。重合開始剤/重合禁止剤の比が、本発明の上限より大きいため、得られた重合体は重量平均分子量及び極限粘度が低いことがわかった。得られたポリアクリロニトリル系前駆体繊維を、耐炎化、予備炭化し、炭素繊維束を製造した。炭化延伸限界張力が低く、得られた炭素繊維はストランド引張弾性率が低いことがわかった。
[比較例5]表1記載の条件にて重合製糸した。溶存酸素濃度が、本発明の上限より多いため、得られた重合体は重量平均分子量ばらつきが大きく、前駆体繊維品位等級が悪いことがわかった。得られたポリアクリロニトリル系前駆体繊維を、耐炎化、予備炭化し、炭素繊維束を製造した。炭化延伸限界張力が低く、得られた炭素繊維はストランド引張弾性率が低いことがわかった。
[比較例6]表1記載の条件にて重合製糸した。重合禁止剤の代わりに蒸留水を用いたため、得られた重合体は重量平均分子量ばらつきが大きく、前駆体繊維品位等級が悪いことがわかった。得られたポリアクリロニトリル系前駆体繊維を、耐炎化、予備炭化し、炭素繊維束を製造した。炭化延伸限界張力が低く、得られた炭素繊維はストランド引張弾性率が低いことがわかった。
After this coagulated yarn was washed with water by a conventional method, the water bath stretching process was performed using a two-warm warm water tank and stretched 3.5 times, and after addition of an amino-modified silicone silicone oil, 160 ° C. Then, a drying densification treatment was performed using a heating roller of No. 3, and then the resultant yarn was stretched 3.7 times in a pressurized steam, so that the total spinning ratio was 13 times, the single fiber fineness was 0.7 dtex, and the number of single fibers was 3 1,000 polyacrylonitrile-based precursor fibers were obtained. Next, four acrylic fibers obtained were combined, and the number of single fibers was 12,000. In air at a temperature of 240 to 260 ° C., a flameproofing treatment was performed while drawing at a draw ratio of 1.0. A flame-resistant fiber bundle having a specific gravity of 1.35 was obtained. The obtained flame-resistant fiber bundle is pre-carbonized while being stretched at a stretch ratio of 1.15 in a nitrogen atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C., and then tension is applied in a nitrogen atmosphere at a maximum temperature of 1,500 ° C. The maximum tension at which yarn breakage does not occur, that is, the carbonized stretch limit tension shown in Table 3, is found by increasing from 2.2 mN / dTex by 0.1 mN / dTex. A fiber bundle was obtained. About the obtained carbon fiber bundle, strand tensile strength (GPa) and strand tensile elasticity modulus (GPa) were measured. Each measurement result is shown in Table 1.
[Comparative Example 1] Polymerized yarn was produced under the conditions shown in Table 1. Since the amount of the polymerization inhibitor was less than the lower limit of the present invention, it was found that the obtained polymer had a large variation in weight average molecular weight and a poor precursor fiber quality grade. The obtained polyacrylonitrile-based precursor fiber was flame-resistant and pre-carbonized to produce a carbon fiber bundle. It was found that the carbonized stretch critical tension was low, and the obtained carbon fiber had a low strand tensile modulus.
[Comparative Example 2] Polymerized yarn was produced under the conditions shown in Table 1. Since the amount of the polymerization inhibitor was larger than the upper limit of the present invention, it was found that the obtained polymer had a low weight average molecular weight. The obtained polyacrylonitrile-based precursor fiber was flame-resistant and pre-carbonized to produce a carbon fiber bundle. It was found that the carbonized stretch critical tension was low, and the obtained carbon fiber had a low strand tensile modulus.
[Comparative Example 3] Polymerized yarn was produced under the conditions shown in Table 1. Since the ratio of polymerization initiator / polymerization inhibitor was less than the lower limit of the present invention, it was found that the obtained polymer had a low weight average molecular weight. The obtained polyacrylonitrile-based precursor fiber was flame-resistant and pre-carbonized to produce a carbon fiber bundle. It was found that the carbonized stretch critical tension was low, and the obtained carbon fiber had a low strand tensile modulus.
[Comparative Example 4] Polymerized yarn was produced under the conditions shown in Table 1. Since the ratio of the polymerization initiator / polymerization inhibitor was larger than the upper limit of the present invention, the obtained polymer was found to have a low weight average molecular weight and intrinsic viscosity. The obtained polyacrylonitrile-based precursor fiber was flame-resistant and pre-carbonized to produce a carbon fiber bundle. It was found that the carbonized stretch critical tension was low, and the obtained carbon fiber had a low strand tensile modulus.
[Comparative Example 5] Polymerized yarn was produced under the conditions shown in Table 1. Since the dissolved oxygen concentration was higher than the upper limit of the present invention, it was found that the obtained polymer had a large variation in weight average molecular weight and poor precursor fiber grade. The obtained polyacrylonitrile-based precursor fiber was flame-resistant and pre-carbonized to produce a carbon fiber bundle. It was found that the carbonized stretch critical tension was low, and the obtained carbon fiber had a low strand tensile modulus.
[Comparative Example 6] Polymerized yarn was produced under the conditions shown in Table 1. Since distilled water was used instead of the polymerization inhibitor, it was found that the obtained polymer had a large variation in weight average molecular weight and a poor precursor fiber quality grade. The obtained polyacrylonitrile-based precursor fiber was flame-resistant and pre-carbonized to produce a carbon fiber bundle. It was found that the carbonized stretch critical tension was low, and the obtained carbon fiber had a low strand tensile modulus.

Figure 2011213773
Figure 2011213773

アクリロニトリルとラジカル重合開始剤と重合禁止剤とアクリロニトリルとの共重合成分及び溶媒を含み、ラジカル重合開始剤と重合禁止剤の重量比を特定の範囲とし、かつ重合禁止剤が溶液総量に対して特定の量とした溶液を、加熱処理することによってアクリロニトリル系重合体を重合することで得られる重合体は分子量が安定した物となり、かつ製糸後延伸工程において安定した後延伸が可能であることがわかった。 It contains a copolymerization component of acrylonitrile, radical polymerization initiator, polymerization inhibitor, and acrylonitrile, and a solvent. The weight ratio of radical polymerization initiator and polymerization inhibitor is within a specific range, and the polymerization inhibitor is specified based on the total amount of the solution. It was found that the polymer obtained by polymerizing the acrylonitrile-based polymer by heat-treating the solution in the amount of 5% was stable in molecular weight, and stable post-stretching was possible in the post-yarn-stretching step. It was.

本発明によれば、生産性とプロセス性を損なうことなく、ラジカルを発生させる重合開始剤が少ない重合系においても安定した分子量の重合体を重合することができ、かつ、高分子量のポリアクリロニトリル系重合体でも製糸後延伸工程において安定した後延伸性を実現することができ、重合のバッチが変わっても製糸後延伸工程における後延伸性の差が殆どない重合体を製造できる。その結果、品位の優れた炭素繊維を安定して製造することができる。   According to the present invention, a polymer having a stable molecular weight can be polymerized even in a polymerization system with few polymerization initiators that generate radicals without impairing productivity and processability, and a high molecular weight polyacrylonitrile system Even with a polymer, stable post-drawability can be realized in the post-yarn drawing step, and a polymer with little difference in post-drawability in the post-yarn drawing step can be produced even if the polymerization batch changes. As a result, carbon fibers having excellent quality can be stably produced.

本発明により得られる炭素繊維は、高い圧縮強度及び引張弾性率を有する。従って、本発明の炭素繊維は、プリプレグを用いたオートクレーブ成型法、織物などのプリフォームを用いたレジントランスファーモールディング成型法、フィラメントワインディング成型法などの種々の成型法に適用可能であり、これらの成型法を用いた、航空機部材、圧力容器部材、自動車部材、釣り竿およびゴルフシャフトなどのスポーツ部材の形成に好適に用いられる。   The carbon fiber obtained by the present invention has high compressive strength and tensile elastic modulus. Therefore, the carbon fiber of the present invention is applicable to various molding methods such as an autoclave molding method using a prepreg, a resin transfer molding method using a preform such as a woven fabric, and a filament winding molding method. It is suitably used for the formation of sports members such as aircraft members, pressure vessel members, automobile members, fishing rods, and golf shafts.

Claims (5)

アクリロニトリルとラジカル重合開始剤と重合禁止剤とアクリロニトリルとの共重合成分及び溶媒を含み、ラジカル重合開始剤(A)と重合禁止剤(B)の重量比(B/A)が式(1)を満たし、
2≦(B/A)<210 式(1)
かつ重合禁止剤が溶液総量に対して8ppm〜140ppmであり、溶存酸素濃度が1〜10ppmである溶液を、加熱処理するポリアクリロニトリル系重合体の製造方法。
It contains a copolymerization component of acrylonitrile, a radical polymerization initiator, a polymerization inhibitor, and acrylonitrile and a solvent, and the weight ratio (B / A) of the radical polymerization initiator (A) to the polymerization inhibitor (B) is represented by the formula (1). Meet,
2 ≦ (B / A) <210 Formula (1)
And the manufacturing method of the polyacrylonitrile type polymer which heat-processes the solution whose polymerization inhibitor is 8 ppm-140 ppm with respect to the total solution amount, and whose dissolved oxygen concentration is 1-10 ppm.
重合禁止剤が多環芳香族構造、および/または単環芳香族構造を有する重合禁止剤の1種以上を含有する請求項1記載のポリアクリロニトリル系重合体の製造方法。 The method for producing a polyacrylonitrile-based polymer according to claim 1, wherein the polymerization inhibitor contains at least one polymerization inhibitor having a polycyclic aromatic structure and / or a monocyclic aromatic structure. 重合禁止剤がヒドロキノン、メチルヒドロキノン、ヒドロキノンモノメチルエーテル、4-メトキシ-1-ナフトール、p-ハイドロオキシジフェニルアミン、N,N-ジフェニルジアミン、2−ターシャリーブチルハイドロキノン、2,5-ジターシャリーブチルハイドロキノン、t−ブチルカテコール、ニトロナフトールから選ばれる1種以上を含有する請求項2記載のポリアクリロニトリル系重合体の製造方法。 Polymerization inhibitors are hydroquinone, methylhydroquinone, hydroquinone monomethyl ether, 4-methoxy-1-naphthol, p-hydroxydiphenylamine, N, N-diphenyldiamine, 2-tertiary butyl hydroquinone, 2,5-ditertiary butyl hydroquinone, The method for producing a polyacrylonitrile-based polymer according to claim 2, comprising at least one selected from t-butylcatechol and nitronaphthol. ゲルパーミエーションクロマトグラフ(GPC)法で測定される重量平均分子量(Mw)が50〜70万、かつ極限粘度が2.0〜3.0である請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法で得られたポリアクリロニトリル系重合体。 The weight-average molecular weight (Mw) measured by a gel permeation chromatograph (GPC) method is 500 to 700,000, and the intrinsic viscosity is 2.0 to 3.0. The production according to any one of claims 1 to 3. A polyacrylonitrile polymer obtained by the method. 請求項4記載のポリアクリロニトリル系重合体を製糸、耐炎化、予備炭化した後、炭化張力を2.2mN/dTex乃至17.5mN/dTexで炭化せしめることを特徴とする炭素繊維の製造方法。 A method for producing carbon fibers, comprising spinning, flameproofing, and preliminary carbonizing the polyacrylonitrile-based polymer according to claim 4 and then carbonizing the carbonized tension at 2.2 mN / dTex to 17.5 mN / dTex.
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