JP2012082541A - Method for producing carbon fiber - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a high-performance carbon fiber that satisfies both excellent tensile strength and excellent tensile modulus of elasticity without deteriorating productivity and processability.SOLUTION: In a method for producing a carbon fiber, a polyacrylonitrile-based fiber for a carbon fiber is subjected to heat treatment at a temperature of 220°C or more in air, and an integrated value of heat quantity given in the heat treatment is 100 J h/g-800 J h/g.

Description

本発明は、優れた引張弾性率と優れた引張強度を同時に満足する高性能炭素繊維を、生産性良く製造する方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a high-performance carbon fiber satisfying both an excellent tensile elastic modulus and an excellent tensile strength with high productivity.

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共に、更なる高性能化が強く求められている。炭素繊維については、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。しかしながら、近年は、炭素繊維について、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、引張弾性率と引張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 is increasing. Further, high performance is strongly demanded. Conventionally, for carbon fibers, there has been a central demand for improvement of single properties such as tensile properties, and various properties of carbon fibers have been improved in response to such requirements. In recent years, however, carbon fibers have 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 tensile 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、炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維(炭素繊維用前駆体)を、200〜300℃の温度の酸化性雰囲気下で熱処理して耐炎化繊維へと転換する耐炎化工程と、300〜3000℃の温度の不活性雰囲気下で熱処理して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は、黒鉛結晶の成長を促進し、得られる炭素繊維の引張強度を低下させてしまう。すなわち、同一の炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維(炭素繊維用前駆体)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引張強度はトレードオフの関係にあり、どちらかの特性が犠牲になることが不可避である。そのため、引張強度を必要とする用途においては、炭化温度の制御以外の手段で引張弾性率を高める技術が求められている。   The most widely used polyacrylonitrile-based carbon fiber is a polyacrylonitrile-based fiber for carbon fibers (precursor for carbon fiber) that is heat-treated in an oxidizing atmosphere at a temperature of 200 to 300 ° C. to convert it into flame-resistant fibers. It is industrially manufactured through a flameproofing step to be performed and a carbonization step in which carbonization is performed by heat treatment in an inert atmosphere at a temperature of 300 to 3000 ° C. 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, increasing the maximum temperature of the carbonization process promotes the growth of graphite crystals and reduces the tensile strength of the resulting carbon fiber. That is, as long as the carbonization temperature is adjusted using the same polyacrylonitrile fiber for carbon fiber (precursor for carbon fiber), the tensile modulus and tensile strength of carbon fiber are in a trade-off relationship. Is inevitable to be sacrificed. Therefore, in applications that require tensile strength, a technique for increasing the tensile modulus by means other than control of the carbonization temperature is required.

また、産業用途では、性能と同時に低コストであることも強く要求されており、炭素繊維製造工程の中では、特に処理時間の長い耐炎化工程の生産性を向上することが必要である。   In industrial applications, there is a strong demand for low cost as well as performance. In the carbon fiber production process, it is necessary to improve the productivity of the flameproofing process, which requires a long processing time.

これまで、耐炎化での工程時間を短縮する方法として、温度の異なる複数の炉を用いることにより耐炎化温度を高温化する方法や、耐炎化での工程時間を短縮とさらには炭素繊維の引張強度と弾性率を向上させる方法として、複数個の炉から構成される耐炎化炉において、各炉を通過した炭素繊維前駆体繊維の密度に併せて伸長させる方法が提案されている(特許文献1〜3参照。)。   Up to now, as a method of shortening the process time in flame resistance, a method of increasing the flame resistance temperature by using a plurality of furnaces having different temperatures, shortening the process time in flame resistance and further pulling the carbon fiber As a method for improving the strength and elastic modulus, a method of extending in accordance with the density of the carbon fiber precursor fiber that has passed through each furnace in a flameproofing furnace composed of a plurality of furnaces has been proposed (Patent Document 1). -3)).

しかしながら、特許文献1の提案では、耐炎化工程の温度制御領域を2〜3にして、各領域でなるべく高温で処理しようとしているが、その処理時間は44〜60分を要している。また、特許文献2の提案では、同様に耐炎化工程の温度制御領域を2〜3にし、高温の領域での熱処理時間をより長くすることにより短時間での耐炎化を行なっているが、各領域の滞留時間を長くする手法では、連続的な耐炎化処理ができず、連続的に処理を行なうためには、対中時間を任意に変えることができる装置構成とする必要がある。また、特許文献3の提案では、耐炎化炉での伸長程度を複数段設定することや、耐炎化時間短縮のために3〜6個の炉を要するなど、装置の巨大化と装置機構の複雑化をまねき、さらには耐炎糸の総伸長度が50%程度と非常に高く、品位の低下の問題がある。   However, in the proposal of Patent Document 1, the temperature control region of the flameproofing process is set to 2 to 3, and processing is performed at as high a temperature as possible in each region. However, the processing time is 44 to 60 minutes. Further, in the proposal of Patent Document 2, similarly, the temperature control region of the flameproofing process is set to 2 to 3, and the heat treatment time in the high temperature region is made longer to perform the flameproofing in a short time. In the method of increasing the residence time of the region, continuous flameproofing treatment cannot be performed, and in order to perform the treatment continuously, it is necessary to have a device configuration that can arbitrarily change the time in the middle. Further, in the proposal of Patent Document 3, the apparatus is enlarged and the apparatus mechanism is complicated, such as setting a plurality of stages of extension in the flameproofing furnace and requiring 3 to 6 furnaces for shortening the flameproofing time. Further, the total elongation of the flame resistant yarn is as high as about 50%, and there is a problem of deterioration in quality.

これら従来の技術は、特に耐炎化の工程時間短縮を目的としており、得られた炭素繊維の性能は十分高いものではない。以上のように、炭素繊維の性能および品質を損なうことなく生産性に優れた耐炎化の方法は、従来技術では不十分である。   These conventional techniques are particularly aimed at shortening the flame resistance process time, and the performance of the obtained carbon fiber is not sufficiently high. As described above, the flameproofing method that is excellent in productivity without impairing the performance and quality of the carbon fiber is insufficient with the prior art.

また別に、熱媒粒子中で耐炎化処理し、耐炎化時の発熱を積極的に除熱することにより短時間で耐炎化を完了させる方法が提案されている(特許文献4参照。)。しかしながら、この提案では、繊維に付着した熱媒粒子を除去するための設備が必要であり、さらには熱媒粒子が不純物として炭素繊維の欠陥となるため、十分な強度が得られていない。   In addition, a method has been proposed in which flameproofing is completed in a short time by performing a flameproofing treatment in the heat medium particles and actively removing heat generated during the flameproofing (see Patent Document 4). However, in this proposal, equipment for removing the heat medium particles adhering to the fibers is necessary, and furthermore, since the heat medium particles become defects of the carbon fibers as impurities, sufficient strength is not obtained.

特開昭58−163729号公報JP 58-163729 A 特開平6−294020号公報JP-A-6-294020 特開昭62−257422号公報JP-A-62-257422 特開平3−33220号公報JP-A-3-33220

そこで本発明の目的は、優れた引張強度と優れた引張弾性率を同時に満足する高性能炭素繊維を、生産性およびプロセス性を損なうことなく製造する方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing high-performance carbon fibers that simultaneously satisfy excellent tensile strength and excellent tensile modulus without impairing productivity and processability.

本発明は、上記目的を達成せんとするものであり、本発明の炭素繊維の製造方法は、炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維が空気中220℃以上の温度で熱処理され、その際に与えられる熱量の積算値が100J・h/g以上800J・h/g以下であることを特徴とする炭素繊維の製造方法である。   The present invention is intended to achieve the above object, and the carbon fiber production method of the present invention is such that the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber is heat-treated in air at a temperature of 220 ° C. or higher, and the amount of heat given at that time. The carbon fiber production method is characterized in that an integrated value of 100 J · h / g to 800 J · h / g.

また、本発明の炭素繊維の製造方法は、炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維を空気中で熱処理する工程が220℃以上の温度で連続的に複数段で行なわれ、それぞれの段における熱処理温度が前段で熱処理されたポリアクリロニトリル繊維の減量開始温度よりも20℃以上低い温度であり、かつポリアクリロニトリル系繊維に対して与えられる熱量の積算値が100J・h/g以上500J・h/g以下であることを特徴とする炭素繊維の製造方法である。   Further, in the method for producing carbon fiber of the present invention, the step of heat-treating the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber in air is continuously performed in a plurality of stages at a temperature of 220 ° C. or more, and the heat treatment temperature in each stage is the preceding stage. The temperature is at least 20 ° C. lower than the temperature at which the polyacrylonitrile fiber heat-treated in the heat treatment is reduced, and the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber is 100 J · h / g or more and 500 J · h / g or less. This is a method for producing a carbon fiber.

また、本発明の炭素繊維の製造方法は、炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維を空気中で熱処理する工程が220℃以上の温度で連続的に1段行なわれ、その際の熱処理温度がポリアクリロニトリル系繊維の減量開始温度よりも20℃以上低い温度であり、かつポリアクリロニトリル系繊維に対して与えられる熱量の積算値が100J・h/g以上700J・h/g以下であることを特徴とする炭素繊維の製造方法である。   In the method for producing carbon fiber of the present invention, the step of heat-treating the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber in air is continuously performed in a single step at a temperature of 220 ° C. or higher, and the heat treatment temperature at that time is polyacrylonitrile-based. Carbon having a temperature lower by 20 ° C. or more than the fiber weight loss starting temperature, and an integrated value of heat given to the polyacrylonitrile fiber is 100 J · h / g or more and 700 J · h / g or less It is a manufacturing method of a fiber.

本発明の炭素繊維の製造方法の好ましい態様によれば、前記の炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維を空気中で熱処理する工程が複数段で行なわれる際、それぞれの段における熱処理時間が、後段の熱処理時間が前段の熱処理時間と同じもしくは短く、かつ、第1段目の熱処理工程で熱処理されたポリアクリロニトリル繊維の比重が、1.32g/cc以下である。   According to a preferred aspect of the method for producing carbon fiber of the present invention, when the step of heat-treating the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber in air is performed in a plurality of stages, the heat treatment time in each stage is the heat treatment in the subsequent stage. The time is the same as or shorter than the heat treatment time of the previous stage, and the specific gravity of the polyacrylonitrile fiber heat-treated in the first heat treatment step is 1.32 g / cc or less.

本発明の炭素繊維の製造方法の好ましい態様によれば、前記の炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維は、極限粘度が1.0〜10の範囲にあるポリアクリロニトリル系重合体からなるものである。   According to a preferred embodiment of the method for producing carbon fiber of the present invention, the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber is made of a polyacrylonitrile polymer having an intrinsic viscosity in the range of 1.0 to 10.

本発明の炭素繊維の製造方法の好ましい態様によれば、前記の炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維は、極限粘度が1.0〜5.0の範囲にあり、Z平均分子量Mzと重量平均分子量Mwとの比で示される多分散度Mz/Mwが2.7〜10.0であるポリアクリロニトリル系重合体からなるものである。   According to a preferred aspect of the method for producing carbon fiber of the present invention, the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber has an intrinsic viscosity in the range of 1.0 to 5.0, and has a Z average molecular weight Mz and a weight average molecular weight Mw. The polydispersity Mz / Mw indicated by the ratio is 2.7 to 10.0 and is made of a polyacrylonitrile-based polymer.

本発明の炭素繊維の製造方法の好ましい態様によれば、前記の炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維は、ポリアクリロニトリル系重合体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を経て製造された繊維である。   According to a preferred aspect of the method for producing carbon fiber of the present invention, the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber is spun by discharging a polyacrylonitrile polymer from a spinneret by a wet spinning method or a dry-wet spinning method. It is a fiber manufactured through a process, a drying heat treatment process for drying and heat treating the fiber obtained in the spinning process, and a steam stretching process for steam stretching the fiber obtained in the drying heat treatment process.

本発明の炭素繊維の製造方法の好ましい態様によれば、前記の炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維を空気中において耐炎化する耐炎化工程と、該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、該予備炭化工程で得られた繊維を1,000〜2,000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化する炭化工程とからなるものである。   According to the preferable aspect of the manufacturing method of the carbon fiber of this invention, the flame-proofing process which makes the said polyacrylonitrile-type fiber for carbon fibers flame-resistant in the air, and the fiber obtained by this flame-proofing process are 300-800 degreeC. A pre-carbonization step of pre-carbonizing in an inert atmosphere at a temperature of 5 and a carbonization step of carbonizing the fibers obtained in the pre-carbonization step in an inert atmosphere at a temperature of 1,000 to 2,000 ° C. It is.

本発明の炭素繊維の製造方法の好ましい態様によれば、前記の炭化工程における張力を4.0mN/dTex〜35.0mN/dTexで炭化処理することである。   According to a preferred aspect of the method for producing carbon fiber of the present invention, the carbonization is carried out at a tension in the carbonization step of 4.0 mN / dTex to 35.0 mN / dTex.

本発明によれば、引張強度および引張弾性率を両立した炭素繊維を、生産性およびプロセス性を損なうことなく製造することができる。   According to the present invention, carbon fibers having both tensile strength and tensile elastic modulus can be produced without impairing productivity and processability.

本発明者らは、引張強度と引張弾性率を両立できる高性能炭素繊維を製造するのに好適な耐炎糸を、生産性およびプロセス性を損なうことなく製造する課題に対して、耐炎化工程での温度と時間を制御することによりポリアクリロニトリル系繊維に対して与える熱量の積算値を小さくすることにより、安定的に高い引張強度を発現する炭素繊維が得られることを見出し、本発明に到達した。   The present inventors addressed the problem of producing a flame resistant yarn suitable for producing a high-performance carbon fiber capable of achieving both tensile strength and tensile elastic modulus without impairing productivity and processability. It has been found that carbon fibers that stably exhibit high tensile strength can be obtained by reducing the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber by controlling the temperature and the time, and have reached the present invention. .

本発明の炭素繊維の製造方法は、炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維が空気中220℃以上の温度で熱処理される際に与えられる熱量の積算値を、100J・h/g以上800J・h/g以下とするものである。   The method for producing carbon fiber of the present invention is such that the integrated value of the amount of heat given when the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber is heat-treated in air at a temperature of 220 ° C. or higher is 100 J · h / g or more and 800 J · h / g. It is as follows.

すなわち本発明において、炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維を空気中で熱処理する際に与えられる熱量の積算値は、100J・h/g以上800J・h/g以下であり、好ましくは120J・h/g以上750J・h/g以下であり、更に好ましくは150J・h/g以上700J・h/g以下である。熱量の積算値が100J・h/g未満では、その後の予備炭化工程で糸切れが発生し炭素繊維として得ることができず、また、熱量の積算値が800J・h/gを上回ると、得られる炭素繊維の引張強度が高まらない。   That is, in the present invention, the integrated value of the amount of heat given when the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber is heat-treated in air is 100 J · h / g or more and 800 J · h / g or less, preferably 120 J · h / g. It is 750 J · h / g or less, more preferably 150 J · h / g or more and 700 J · h / g or less. If the integrated value of heat is less than 100 J · h / g, yarn breakage will occur in the subsequent preliminary carbonization process and carbon fibers cannot be obtained, and if the integrated value of heat exceeds 800 J · h / g, it will be obtained. The tensile strength of the carbon fiber is not increased.

熱量の積算値は、熱処理されるポリアクリロニトリル繊維の温度を実測することでより正確に求めることができるが、走行するポリアクリロニトリル繊維の温度の測定は技術的に難しい。また、耐炎化温度に設定したオーブンにポリアクリロニトリル繊維の糸束を導入し、該繊維糸束の温度を実測すると、通常の耐炎化時間(数十分)に対して十分短い時間でオーブン内雰囲気温度と糸束温度が一致した。従って、ここでいうところの熱量の積算値は、耐炎化炉内のポリアクリロニトリル繊維の温度は、耐炎化温度と同じとみなし、耐炎化温度T(K)と耐炎化炉の滞留時間t(h)、およびポリアクリルニトリル繊維の熱容量1.507J/g・℃を用いて、下式により求めた値である。
・熱量の積算値(J・h/g)=T×t×1.507
T:炉耐炎化温度(K)
t:炉滞留時間(h)。
The integrated value of heat can be obtained more accurately by actually measuring the temperature of the polyacrylonitrile fiber to be heat-treated, but it is technically difficult to measure the temperature of the running polyacrylonitrile fiber. Moreover, when a polyacrylonitrile fiber bundle is introduced into an oven set at a flameproofing temperature and the temperature of the fiber bundle is measured, the atmosphere in the oven is sufficiently short in comparison with the normal flameproofing time (several tens of minutes). The temperature and yarn bundle temperature matched. Therefore, the integrated value of the heat amount referred to here is that the temperature of the polyacrylonitrile fiber in the flameproofing furnace is regarded as the same as the flameproofing temperature, and the flameproofing temperature T (K) and the residence time t (h) of the flameproofing furnace. ), And a polyacrylonitrile fiber heat capacity of 1.507 J / g · ° C.
・ Integrated value of heat (J · h / g) = T × t × 1.507
T: Furnace flameproof temperature (K)
t: Furnace residence time (h).

ここで耐炎化が1炉以上の耐炎化炉を用いて行なうことができ、1炉毎に温度と滞留時間が異なる場合は、下式となる。
・熱量の積算値(J・h/g)=(T1×t1+・・・+Tn×tn)×1.507
T1:第1炉耐炎化温度(K)
t1:第1炉滞留時間(h)
Tn:第n炉耐炎化温度(K)
tn:第n炉滞留時間(h)。
Here, flameproofing can be performed using one or more flameproofing furnaces, and when the temperature and residence time are different for each furnace, the following equation is obtained.
・ Integrated value of heat (J · h / g) = (T1 × t1 +... + Tn × tn) × 1.507
T1: First furnace flameproof temperature (K)
t1: First furnace residence time (h)
Tn: nth furnace flameproof temperature (K)
tn: nth furnace residence time (h).

また、耐炎化炉が個別に分かれておらず、温度の異なる領域(段やセクション)に区切られている場合は、下式となる。
・熱量の積算値(J・h/g)=(T1s×t1s+・・・+Tns×tns)×1.507
T1s:第1領域耐炎化温度(K)
t1s:第1領域炉滞留時間(h)
Tns:第n領域耐炎化温度(K)
tns:第n領域滞留時間(h)。
In addition, when the flameproofing furnace is not individually divided and divided into regions (stages or sections) having different temperatures, the following equation is obtained.
・ Integrated value of heat (J · h / g) = (T1s × t1s +... + Tns × tns) × 1.507
T1s: first region flameproofing temperature (K)
t1s: First region furnace residence time (h)
Tns: nth region flameproofing temperature (K)
tns: n-th region residence time (h).

さらに、炉内の温度が一定でない場合においては、下式となる。
・熱量の積算値(J・h/g)=Σ(Tnk×Δtnk)×1.507
Tnk:第n炉の位置kにおける耐炎化温度(K)
Δtnk:第n炉の位置kの炉滞留時間(h)。
Further, when the temperature in the furnace is not constant, the following equation is obtained.
・ Integrated value of heat (J · h / g) = Σ (Tnk × Δtnk) × 1.507
Tnk: Flame resistance temperature (K) at the position k of the nth furnace
Δtnk: Furnace residence time (h) at position k of the nth furnace.

耐炎化炉の構成が1炉のみである場合、ポリアクリロニトリル系繊維を空気中で熱処理する際に与えられる熱量の積算値は、100J・h/g以上700J・h/g以下であることが好ましく、より好ましくは120J・h/g以上650J・h/g以下であり、更に好ましくは150J・h/g以上600J・h/g以下である。   When the structure of the flameproofing furnace is only one furnace, the integrated value of the amount of heat given when the polyacrylonitrile fiber is heat-treated in air is preferably 100 J · h / g or more and 700 J · h / g or less. More preferably, it is 120 J · h / g or more and 650 J · h / g or less, and further preferably 150 J · h / g or more and 600 J · h / g or less.

また、耐炎化炉が複数炉である場合、もしくは複数の温度の異なる領域で構成される場合は、熱量の積算値は100J・h/g以上500J・h/g以下であることが好ましく、より好ましくは120J・h/g以上450J・h/g以下であり、更に好ましくは150J・h/g以上400J・h/g以下である。   In addition, when the flameproofing furnace is a plurality of furnaces, or when the flameproofing furnace is composed of a plurality of regions having different temperatures, the integrated value of heat is preferably 100 J · h / g or more and 500 J · h / g or less. It is preferably 120 J · h / g or more and 450 J · h / g or less, and more preferably 150 J · h / g or more and 400 J · h / g or less.

本発明において、耐炎化工程でポリアクリロニトリル系繊維に与えられる熱量の積算値が炭素繊維の強度に影響を与える理由は明確ではないが、一定以下の熱量のみを与えることにより、揮発分の生成が抑制され、炭素繊維の強度に影響を与えるボイドや欠陥の生成を抑えることができると考える。   In the present invention, the reason why the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber in the flameproofing process affects the strength of the carbon fiber is not clear, but by giving only the amount of heat below a certain level, the generation of volatile matter is generated. It is considered that generation of voids and defects that are suppressed and affect the strength of the carbon fiber can be suppressed.

本発明において、耐炎化温度の下限は、220℃以上であり、好ましくは225℃以上であり、さらに好ましくは230℃以上である。耐炎化温度が220℃未満では、反応速度が非常に遅く、生産性を損なうだけでなく実質的にポリアクリロニトリル系繊維に与えられる熱量が過大になる。   In the present invention, the lower limit of the flameproofing temperature is 220 ° C. or higher, preferably 225 ° C. or higher, and more preferably 230 ° C. or higher. When the flameproofing temperature is less than 220 ° C., the reaction rate is very slow, not only the productivity is impaired, but also the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber is substantially excessive.

また、耐炎化温度の上限は、耐炎化炉で熱処理される前駆体繊維の熱重量分析測定より得られる重量減少開始温度よりも20℃以上低い温度が好ましく、より好ましくは25℃以下であり、更に好ましくは30℃以下である。耐炎化温度が20℃未満の場合は、揮発成分の多量生成によるボイドの発生や、糸痛みによる欠陥の生成により高強度な炭素繊維が得られず、場合によっては蓄熱が激しいことによる糸切れが生じることがある。ここで言うところの前駆体繊維とは、耐炎化炉が1炉である場合は、原料ポリアクリロニトリル系繊維のことであり、耐炎化炉が複数炉あるいは複数の温度の異なる領域で構成される場合は、その直前の炉または領域で耐炎化された耐炎化途中糸の繊維のことである。温度の異なる領域とは、糸束の進行方向に対して水平に炉内が分割された段状のそれぞれの段が異なる温度となっている場合や、糸束の進行方向に対して垂直方向に温度の異なるヒーターが配されており、それぞれのヒーターセクションが異なる温度となっている場合を示す。   Further, the upper limit of the flameproofing temperature is preferably a temperature that is 20 ° C. or more lower than the weight loss starting temperature obtained from the thermogravimetric analysis measurement of the precursor fiber heat-treated in the flameproofing furnace, more preferably 25 ° C. or less, More preferably, it is 30 degrees C or less. When the flameproofing temperature is less than 20 ° C, high-strength carbon fibers cannot be obtained due to the generation of voids due to the generation of a large amount of volatile components and the generation of defects due to yarn pain, and in some cases, yarn breakage due to intense heat storage May occur. The term “precursor fiber” as used herein refers to a raw material polyacrylonitrile fiber when the number of flameproofing furnaces is one, and the flameproofing furnace is composed of a plurality of furnaces or a plurality of regions having different temperatures. Is a flame-resistant intermediate yarn fiber that has been flame-resistant in the furnace or area immediately before it. Regions with different temperatures are when the temperature of each step in the furnace divided horizontally with respect to the direction of travel of the yarn bundle is different, or in the direction perpendicular to the direction of travel of the yarn bundle. The case where heaters with different temperatures are arranged and each heater section has a different temperature is shown.

耐炎化に用いられる耐炎化炉が複数炉あるいは複数の温度の異なる領域(段やセクション)で構成される場合、それぞれの段における熱処理時間が、後段の熱処理時間が前段の熱処理時間と同じかもしくは短いことが好ましい。後段の熱処理時間が前段の熱処理時間よりも長い場合で、さらに耐炎化で与えられる熱量を前述の範囲内にしようとする場合では、前段での熱処理が足りないことにより後段での熱処理時に糸切れが生じ、また、後段での熱処理ができる程度まで前段での熱処理をおこなうと、耐炎化で与えられる熱量が大きくなり、得られる炭素繊維の引張強度向上の効果が小さくなる。   When the flameproofing furnace used for flameproofing is composed of a plurality of furnaces or a plurality of regions (stages or sections) having different temperatures, the heat treatment time in each stage is the same as the heat treatment time in the previous stage or Short is preferred. If the heat treatment time in the subsequent stage is longer than the heat treatment time in the previous stage, and if the amount of heat given by flameproofing is to be within the above-mentioned range, the yarn breakage may occur during the heat treatment in the subsequent stage due to insufficient heat treatment in the previous stage. In addition, when the heat treatment in the former stage is performed to such an extent that the heat treatment in the latter stage can be performed, the amount of heat given by the flame resistance is increased, and the effect of improving the tensile strength of the obtained carbon fiber is reduced.

また、1炉目あるいは最初の温度領域で熱処理されたポリアクリロニトリル系繊維の比重は、1.32g/cc以下であることが好ましく、より好ましくは1.31g/cc以下であり、さらに好ましくは1.30g/cc以下である。この比重が1.31g/ccを超えると、耐炎化の熱で糸切れが発生しない温度範囲で耐炎化を行う場合、耐炎化工程にかかる時間が長時間化するほか、耐炎化で与えられる熱量が大きくなり、得られる炭素繊維の引張強度向上の効果が小さくなる。   The specific gravity of the polyacrylonitrile fiber heat-treated in the first furnace or the first temperature range is preferably 1.32 g / cc or less, more preferably 1.31 g / cc or less, and still more preferably 1 .30 g / cc or less. If this specific gravity exceeds 1.31 g / cc, when performing flame resistance in a temperature range where yarn breakage does not occur due to the heat of flame resistance, the time required for the flame resistance process will be prolonged and the amount of heat given by flame resistance. Increases, and the effect of improving the tensile strength of the resulting carbon fiber decreases.

本発明における炭素繊維製造用のポリアクリロニトリル系重合体は、少なくともアクリロニトリルが95mol%以上からなることが好ましく、製糸性の向上や耐炎化促進の目的から5mol%を超えない範囲で共重合成分を共重合させてもよい。   In the present invention, the polyacrylonitrile-based polymer for producing carbon fibers is preferably composed of at least 95 mol% of acrylonitrile. For the purpose of improving yarn-making property and promoting flame resistance, the copolymer component is not more than 5 mol%. It may be polymerized.

共重合量は、好ましくは3mol%以下であり、より好ましくは1mol%以下であり、更に好ましくは0.5mol%以下である。耐炎化反応を、速やかに進める目的から、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態様である。   The amount of copolymerization is preferably 3 mol% or less, more preferably 1 mol% or less, and still more preferably 0.5 mol% or less. For the purpose of promptly promoting the flameproofing reaction, it is preferable to copolymerize at least 0.1 mol% or more of the flameproofing promoting component as a copolymerization component.

上記の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等が挙げられる。湿熱下融点Tm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ー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が好ましく用いられる。   Specific examples of the flame retardant promoting component which is the above copolymer component include, for example, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, mesaconic acid, acrylamide and methacrylamide. It is done. For the purpose of preventing the melting point Tm from decreasing under wet heat, it is preferable to use a small amount of a monomer having a high flame resistance promoting effect, and a flame resistance promoting component having a carboxyl group rather than an amide group is preferably used.

また、耐炎化促進成分に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く用いられる。   In addition, the number of amide groups and carboxyl groups contained in the flameproofing promoting component is preferably two or more than one, and from that point of view, the flameproofing promoting component that is a copolymerization component is acrylic. Acid, methacrylic acid, 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 preferably used.

本発明で用いられる炭素繊維製造用のポリアクリロニトリル系重合体は、溶液重合、懸濁重合および乳化重合など公知の重合方式により得ることができるが、製糸延伸時の安定性を高める目的からは、溶液重合を用いることが好ましい。溶液重合は、重合開始から終了まで、また、紡糸原液となり紡糸に供する段階まで、ポリアクリロニトリルを単離する必要がなく、ポリアクリロニトリル溶液の状態における溶媒中のポリアクリロニトリル分子鎖の絡み合い状態が均一となることから、他の重合方法に比べて好ましい。   The polyacrylonitrile-based polymer for producing carbon fibers used in the present invention can be obtained by a known polymerization method such as solution polymerization, suspension polymerization and emulsion polymerization, but for the purpose of increasing the stability during yarn drawing and stretching, It is preferred to use solution polymerization. In the solution polymerization, it is not necessary to isolate polyacrylonitrile from the start to the end of polymerization, or until the stage of spinning to be used for spinning, and the entangled state of polyacrylonitrile molecular chains in the solvent in the state of polyacrylonitrile solution is uniform. Therefore, it is preferable compared to other polymerization methods.

本発明における炭素繊維製造用ポリアクリロニトリルは、ラジカル重合やアニオン重合など公知の重合方法により得ることができるが、工業的な観点からはラジカル重合を用いることが好ましい。   The polyacrylonitrile for producing carbon fibers in the present invention can be obtained by a known polymerization method such as radical polymerization or anion polymerization, but radical polymerization is preferably used from an industrial viewpoint.

本発明で用いられるポリアクリロニトリル系重合体の要件としては、次の(a)と(b)のいずれかを満たすものであることが好ましい。
(a)ポリアクリロニトリル系重合体A:極限粘度が1.0〜10.0
(b)ポリアクリロニトリル系重合体B:極限粘度が1.0〜5.0を満たし、かつZ平均分子量Mzと重量平均分子量Mwとの比で示される多分散度Mz/Mwが、2.7〜10.0であり、好ましくは1.5〜6.0である。
As a requirement of the polyacrylonitrile-based polymer used in the present invention, it is preferable to satisfy either of the following (a) and (b).
(A) Polyacrylonitrile polymer A: intrinsic viscosity is 1.0 to 10.0
(B) Polyacrylonitrile-based polymer B: the intrinsic viscosity satisfies 1.0 to 5.0, and the polydispersity Mz / Mw indicated by the ratio of the Z average molecular weight Mz to the weight average molecular weight Mw is 2.7. -10.0, preferably 1.5-6.0.

上記の極限粘度が1.0を下回ると、得られる炭素繊維の引張弾性率や引張強度が高まらないことがある。また、極限粘度が10.0を上回ると、紡糸原液としたときのゲル化が顕著となり、紡糸することが困難となることがある。   When said intrinsic viscosity is less than 1.0, the tensile elasticity modulus and tensile strength of the carbon fiber obtained may not increase. When the intrinsic viscosity is more than 10.0, gelation when used as a spinning dope becomes remarkable, and spinning may be difficult.

本発明において、前記した極限粘度は、重合時のモノマー、開始剤および連鎖移動剤などの量を変えることにより制御することができる。   In the present invention, the above-mentioned intrinsic viscosity can be controlled by changing the amounts of monomers, initiators, chain transfer agents and the like during polymerization.

上記の(b)ポリアクリロニトリル系重合体Bにおいては、極限粘度は、1.0〜5.0を満たし、かつZ平均分子量Mzと重量平均分子量Mwとの比で示される多分散度Mz/Mwが2.7〜10.0であるポリアクリロニトリル系重合体を用いることができる。(b)ポリアクリロニトリル系重合体Bの極限粘度のより好ましい範囲は1.2〜4.5であり、さらに好ましくは1.5〜3.5である。多分散度Mz/Mwは、その数値が大きくなるほど分子量分布が高分子量側を中心としてブロードになることを示している。このような特徴から、ポリアクリロニトリル系重合体Bは、ポリアクリロニトリル系重合体Aと比較して低極限粘度においても製糸性が安定しているが、ポリアクリロニトリル系重合体Bの極限粘度が1.0を下回ると、ポリアクリロニトリル重合体Aと同様に、得られる炭素繊維の引張弾性率や引張強度が高まらない。また、ポリアクリロニトリル系重合体Bの極限粘度が5.0を上回ると紡糸原液としたときのゲル化が顕著となり、紡糸することが困難となることがある。多分散度Mz/Mwは、好ましくは2.7〜8.0であり、さらに好ましくは3.0〜6.0である。多分散度Mz/Mwが2.7未満では口金からの吐出が安定せず、10.0を上回ると紡糸が困難となることがある。上記範囲の多分散度Mz/Mwを満たす手法としては、分解温度の異なる複数の重合開始剤を用いる方法、開始剤を逐次添加する方法、および分子量の異なる2種類以上のポリアクリロニトリル系重合体を混合する方法が挙げられる。   In the above (b) polyacrylonitrile-based polymer B, the intrinsic viscosity satisfies 1.0 to 5.0, and the polydispersity Mz / Mw indicated by the ratio of the Z average molecular weight Mz and the weight average molecular weight Mw. A polyacrylonitrile polymer having a 2.7 to 10.0 can be used. (B) The more preferable range of the intrinsic viscosity of the polyacrylonitrile-based polymer B is 1.2 to 4.5, and more preferably 1.5 to 3.5. The polydispersity Mz / Mw indicates that the larger the value, the broader the molecular weight distribution centering on the high molecular weight side. From these characteristics, the polyacrylonitrile-based polymer B has a stable yarn-forming property even at a low intrinsic viscosity as compared with the polyacrylonitrile-based polymer A, but the intrinsic viscosity of the polyacrylonitrile-based polymer B is 1. If it is less than 0, as in the case of the polyacrylonitrile polymer A, the tensile elastic modulus and tensile strength of the obtained carbon fiber do not increase. Further, when the intrinsic viscosity of the polyacrylonitrile polymer B exceeds 5.0, gelation when used as a spinning dope becomes remarkable, and spinning may be difficult. The polydispersity Mz / Mw is preferably 2.7 to 8.0, and more preferably 3.0 to 6.0. If the polydispersity Mz / Mw is less than 2.7, the discharge from the die is not stable, and if it exceeds 10.0, spinning may be difficult. As a method of satisfying the polydispersity Mz / Mw within the above range, a method using a plurality of polymerization initiators having different decomposition temperatures, a method of sequentially adding initiators, and two or more types of polyacrylonitrile polymers having different molecular weights are used. The method of mixing is mentioned.

本発明の炭素繊維の製造方法に用いられるポリアクリロニトリル系重合体溶液において、重合体濃度はポリアクリロニトリル系重合体Aでは好ましくは10〜18重量%であり、より好ましくは11〜17重量%であり、さらに好ましくは12〜16重量%である。また、ポリアクリロニトリル系重合体Bでは、重合体濃度は好ましくは15〜25重量%であり、より好ましくは17〜23重量%であり、さらに好ましくは18〜22重量%である。   In the polyacrylonitrile-based polymer solution used in the carbon fiber production method of the present invention, the polymer concentration in the polyacrylonitrile-based polymer A is preferably 10 to 18% by weight, more preferably 11 to 17% by weight. More preferably, it is 12 to 16% by weight. In the polyacrylonitrile-based polymer B, the polymer concentration is preferably 15 to 25% by weight, more preferably 17 to 23% by weight, and further preferably 18 to 22% by weight.

重合体濃度は高いほど、重合および製糸における設備効率が高くなり好ましいが、ポリアクリロニトリル系重合体Aでは18重量%を超えると、ポリアクリロニトリル系重合体Bでは25重量%を超えると、いずれも紡糸原液のゲル化が顕著となり、安定した紡糸が困難となることがある。また、重合体濃度が、ポリアクリロニトリル系重合体Aでは10重量%を下回ると、ポリアクリロニトリル系重合体Bでは15重量%を下回ると、いずれも得られる炭素繊維の圧縮強度や引張強度が高まらないことがある。また、この重合体濃度は、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 higher the polymer concentration, the higher the equipment efficiency in polymerization and spinning, which is preferable. However, when the polyacrylonitrile-based polymer A exceeds 18% by weight, the polyacrylonitrile-based polymer B exceeds 25% by weight. The gelation of the stock solution becomes remarkable, and stable spinning may be difficult. Further, when the polymer concentration is less than 10% by weight for the polyacrylonitrile polymer A and less than 15% by weight for the polyacrylonitrile polymer B, the compressive strength and tensile strength of the obtained carbon fiber are not increased. Sometimes. Moreover, this polymer concentration can be adjusted by the ratio of the solvent with respect to the polyacrylonitrile-type polymer.

本発明で用いられる炭素繊維製造用のポリアクリロニトリル系重合体溶液に用いられる溶媒は、ポリアクリロニトリルを溶解できるものであり、例えば、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を好ましく例示することができる。中でも、溶解性の観点から、ジメチルスルホキシドが好ましく用いられる。ポリアクリロニトリル系重合体の重合に溶液重合を用いる場合、重合に用いられる溶媒と紡糸に用いられる溶媒とを同じ溶媒にしておくと、得られたポリアクリロニトリル系重合体を分離し再溶解する工程が不要となる。   The solvent used in the polyacrylonitrile-based polymer solution for producing carbon fibers used in the present invention is a solvent capable of dissolving polyacrylonitrile. For example, polyacrylonitrile such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide is preferably exemplified. Can do. Of these, dimethyl sulfoxide is preferably used from the viewpoint of solubility. When solution polymerization is used for the polymerization of the polyacrylonitrile polymer, if the solvent used for the polymerization and the solvent used for spinning are made the same solvent, the step of separating and re-dissolving the obtained polyacrylonitrile polymer will be performed. It becomes unnecessary.

次に、本発明の炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維(炭素繊維前駆体)の製造方法について、具体的に説明する。   Next, the manufacturing method of the polyacrylonitrile-type fiber (carbon fiber precursor) for carbon fibers of this invention is demonstrated concretely.

本発明において、炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維は、前記したように、本発明で用いられるポリアクリロニトリル系重合体溶液(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した後、紡糸工程で得られた繊維を乾燥熱処理し、次いで乾燥熱処理工程で得られた繊維をスチーム延伸することにより製造することができる。   In the present invention, as described above, the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber is spun by discharging the polyacrylonitrile polymer solution (spinning stock solution) used in the present invention from a spinneret by a wet spinning method or a dry-wet spinning method. Then, the fiber obtained in the spinning process can be dried and heat-treated, and then the fiber obtained in the drying and heat-treating process can be steam-stretched.

本発明では、高強度な炭素繊維を得るため、かかる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、重合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。   In the present invention, in order to obtain a high-strength carbon fiber, it is preferable to pass through a filter having an opening of 1 μm or less before the spinning solution is spun to remove polymerization raw materials and impurities mixed in each step.

紡糸原液は、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れ、凝固浴に導入されて凝固され、炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維(炭素繊維前駆体)を形成する。得られる炭素繊維用ポリアクリロニトリル系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、紡糸原液を凝固浴に直接吐出する湿式紡糸法よりも、紡糸原液を、一旦、空気中に吐出した後、凝固浴中に導入する乾湿式紡糸法を用いることが好ましい。   The spinning solution is discharged from a spinneret by a wet spinning method or a dry and wet spinning method, introduced into a coagulation bath, and solidified to form a polyacrylonitrile fiber for carbon fibers (carbon fiber precursor). For the purpose of improving the denseness of the obtained polyacrylonitrile fiber for carbon fiber and enhancing the mechanical properties of the obtained carbon fiber, the spinning dope is temporarily used rather than the wet spinning method in which the spinning dope is directly discharged into a coagulation bath. It is preferable to use a dry-wet spinning method that is discharged into the air and then introduced into the coagulation bath.

本発明において、紡糸工程において用いられる凝固浴には、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、ポリアクリロニトリル系重合体を溶解せず、かつ、紡糸原液に用いられ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。   In the present invention, the coagulation bath used in the spinning step preferably contains a solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide used as a solvent for the spinning dope and a so-called coagulation promoting component. As the coagulation accelerating component, a component that does not dissolve the polyacrylonitrile-based polymer and is compatible with the solvent used in the spinning dope can be used. Specifically, it is preferable to use water as a coagulation promoting component.

次に、紡糸口金から紡糸された多数本のフィラメントからなる繊維束を凝固浴中に導入して各フィラメントを凝固させた後、水洗工程、浴中延伸工程、油剤付与工程、乾燥熱処理工程およびスチーム延伸工程を経て、炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維が得られる。   Next, after a fiber bundle consisting of a large number of filaments spun from a spinneret is introduced into a coagulation bath to coagulate each filament, a water washing step, a bath drawing step, an oil agent application step, a drying heat treatment step, and steam A polyacrylonitrile fiber for carbon fiber is obtained through a drawing process.

本発明においては、凝固浴から導出された繊維束を、水洗工程を省略して、直接浴中延伸工程に導入しても良く、溶媒を水洗工程において除去した後に浴中延伸工程に導入しても良い。浴中延伸は、通常、30〜98℃の温度に維持された単一または複数の延伸浴中で行うことができる。延伸倍率は、好ましくは1〜5倍であり、より好ましくは2〜4倍である。   In the present invention, the fiber bundle derived from the coagulation bath may be directly introduced into the in-bath drawing step by omitting the water washing step, or may be introduced into the in-bath drawing step after removing the solvent in the water washing step. Also good. The stretching in the bath can be usually performed in a single or a plurality of stretching baths maintained at a temperature of 30 to 98 ° C. The draw ratio is preferably 1 to 5 times, more preferably 2 to 4 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、繊維束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。シリコーン油剤としては、変性されたシリコーンを用いることが好ましい。このようなシリコーン油剤として、耐熱性の高いアミノ変性シリコーンを含有する油剤を用いることができる。   For the purpose of preventing adhesion between single fibers after the stretching step in the bath, it is preferable to apply an oil agent made of silicone or the like to the fiber bundle. As the silicone oil, it is preferable to use a modified silicone. As such a silicone oil agent, an oil agent containing amino-modified silicone having high heat resistance can be used.

乾燥熱処理の温度は、160〜200℃であることが好ましく、より好ましくは165〜198℃であり、さらに好ましくは175〜195℃である。乾燥熱処理の温度が160℃を下回ると、得られる炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維の緻密性が不十分となり、本発明の効果が得られにくくなる場合がある。また、乾燥熱処理の温度が200℃を超えると、単繊維間の融着が顕著となり、得られる炭素繊維の引張強度が低下することがある。   The temperature of the drying heat treatment is preferably 160 to 200 ° C, more preferably 165 to 198 ° C, and further preferably 175 to 195 ° C. When the temperature of the drying heat treatment is lower than 160 ° C., the resulting polyacrylonitrile fiber for carbon fiber is insufficiently dense, and the effects of the present invention may not be obtained. On the other hand, when the temperature of the drying heat treatment exceeds 200 ° C., the fusion between the single fibers becomes remarkable, and the tensile strength of the obtained carbon fibers may be lowered.

乾燥熱処理は、繊維束を加熱されたローラーに接触させて行っても、加熱された雰囲気中を走行させて行っても良いが、乾燥効率と云う観点からは、加熱されたローラーに接触させ行うことが好ましい。   The drying heat treatment may be performed by bringing the fiber bundle into contact with a heated roller or by running in a heated atmosphere. From the viewpoint of drying efficiency, the drying heat treatment is performed by contacting with a heated roller. It is preferable.

スチーム延伸は、加圧スチーム中において、繊維束を好ましくは3倍以上、より好ましくは4倍以上、更に好ましくは5倍以上延伸することにより行われる。水洗工程、浴中延伸工程およびスチーム延伸工程の全体に亘る延伸倍率(トータル延伸倍率)は、得られる炭素繊維の力学物性を高める目的から、8〜15倍であることが好ましい。トータル延伸倍率は、より好ましくは10乃至14.5倍であり、更に好ましくは11乃至14倍である。トータル延伸倍率が8倍を下回ると、得られる炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維の配向度が低下し、続く炭素繊維を製造するための焼成工程において、高い延伸性が得られないことがある。また、トータル延伸倍率が15倍を超えると、延伸中におけるフィラメント切れが顕著となり、得られる炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維および炭素繊維の品位が低下する傾向がある。   The steam stretching is performed by stretching the fiber bundle preferably 3 times or more, more preferably 4 times or more, and still more preferably 5 times or more in the pressurized steam. It is preferable that the draw ratio (total draw ratio) throughout the washing step, the in-bath drawing step and the steam drawing step is 8 to 15 times for the purpose of enhancing the mechanical properties of the obtained carbon fiber. The total draw ratio is more preferably 10 to 14.5 times, still more preferably 11 to 14 times. When the total draw ratio is less than 8, the degree of orientation of the resulting polyacrylonitrile fiber for carbon fiber is lowered, and in the subsequent firing step for producing the carbon fiber, high drawability may not be obtained. When the total draw ratio exceeds 15 times, filament breakage during drawing becomes remarkable, and the quality of the obtained polyacrylonitrile fiber for carbon fiber and carbon fiber tends to be lowered.

本発明において、炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維の単繊維繊度は、0.3〜1.3dtexであることが好ましい。単繊維繊度が0.3dtexを下回ると、製糸工程における可紡性低下により操業性が低下したり、吐出孔数当たりの生産性が低下し、コストアップが顕著となることがある。一方、単繊維繊度が1.3dtexを超えると、得られる耐炎化繊維束を形成している各フィラメントおける内外構造差が顕著となり、得られる炭素繊維の引張強度とストランド引張弾性率が低下することがある。   In the present invention, the single fiber fineness of the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber is preferably 0.3 to 1.3 dtex. When the single fiber fineness is less than 0.3 dtex, the operability may be reduced due to a decrease in spinnability in the spinning process, the productivity per number of discharge holes may be reduced, and the cost increase may be significant. On the other hand, when the single fiber fineness exceeds 1.3 dtex, the difference between the inner and outer structures of each filament forming the obtained flame-resistant fiber bundle becomes remarkable, and the tensile strength and strand tensile elastic modulus of the obtained carbon fiber decrease. There is.

炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維の繊維束を形成するフィラメントの本数は、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、更に好ましくは12,000〜2,500,000本であり、最も好ましくは24,000〜2,000,000である。フィラメントの本数は、生産性の向上の目的からは、1,000以上で多い方が好ましいが、3,000,000を超えると炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維束の内部まで均一に耐炎化処理できないことがある。   The number of filaments forming the fiber bundle of the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber is preferably 1,000 to 3,000,000, more preferably 6,000 to 3,000,000, The number is preferably 12,000 to 2,500,000, and most preferably 24,000 to 2,000,000. The number of filaments is preferably greater than 1,000 for the purpose of improving productivity. However, when the number exceeds 3,000,000, the inside of the polyacrylonitrile fiber bundle for carbon fibers cannot be uniformly flameproofed. Sometimes.

次に、本発明の炭素繊維の製造方法について説明する。耐炎化における温度と時間に関しては、前述の炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維を空気中で熱処理する際に与えられる熱量の積算値を満たす必要があり、耐炎化した後、好ましくは300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において予備炭化し、好ましくは1,000〜2,000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化することにより、炭素繊維を製造することができる。   Next, the manufacturing method of the carbon fiber of this invention is demonstrated. Regarding the temperature and time in flame resistance, it is necessary to satisfy the integrated value of the amount of heat given when the above-mentioned polyacrylonitrile fiber for carbon fiber is heat-treated in air, and after flame resistance, preferably 300 to 800 ° C. Carbon fibers can be produced by pre-carbonizing in an inert atmosphere at a temperature, and preferably carbonizing in an inert atmosphere at a temperature of 1,000 to 2,000 ° C.

耐炎化する際の延伸比は、0.80〜1.30であることが好ましく、より好ましくは0.90乃至1.20であり、さらに好ましくは0.85乃至1.10である。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1.30を超えると、毛羽発生と糸切れ発生により、プロセス性が低下することがある。また、耐炎化に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1.3〜1.45の範囲となるように設定することが好ましい。   The stretch ratio when making flame resistant is preferably 0.80 to 1.30, 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 1.30, processability may be deteriorated due to generation of fluff and yarn breakage. Moreover, it is preferable to set the specific gravity of the obtained flame-resistant fiber to be in the range of 1.3 to 1.45 for the purpose of improving the mechanical properties of the pre-carbonization and the obtained carbon fiber following the flame resistance. .

予備炭化および炭化は、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用いられ、経済的な観点からは、窒素が好ましく用いられる。   The preliminary carbonization and carbonization are performed in an inert atmosphere. As the inert gas used, for example, nitrogen, argon, xenon, or the like is used, and nitrogen is preferably used from an economical viewpoint.

予備炭化の温度は、300〜800℃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。   The temperature of preliminary carbonization is preferably 300 to 800 ° C., and the rate of temperature increase in preliminary carbonization is preferably set to 500 ° C./min or less.

予備炭化を行う際の延伸比は、1.00〜1.30であることが好ましく、より好ましくは1.10〜1.30であり、さらに好ましくは1.10〜1.20である。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。   The stretch ratio at the time of 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 or yarn breakage.

炭化の温度は、1,000〜2,000℃であることが好ましく、より好ましくは1,200〜1950℃であり、さらに好ましくは1,300〜1,850℃である。炭化の最高温度が高いほど、ストランド引張弾性率は高まるものの、黒鉛化が進行し、結晶サイズが高まり、その結果、引張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、炭化の温度を設定する。   The temperature of carbonization is preferably 1,000 to 2,000 ° C, more preferably 1,200 to 1950 ° C, and still more preferably 1,300 to 1,850 ° C. The higher the maximum carbonization temperature, the higher the tensile modulus of the strand, but the graphitization proceeds and the crystal size increases. As a result, the tensile strength may decrease. Set the temperature.

炭化を行う際の張力は、4.0〜35.0mN/dTexであることが好ましく、より好ましくは7.0〜33.0であり、さらに好ましくは7.5〜31.0である。張力が4.0mN/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35.0mN/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。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)を炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維の絶乾時の繊度(dTex)で割った値で示すものとする。   The tension during carbonization is preferably 4.0 to 35.0 mN / dTex, more preferably 7.0 to 33.0, and even more preferably 7.5 to 31.0. When the tension is less than 4.0 mN / dTex, the degree of orientation and denseness of the obtained carbon fiber may be insufficient, and the strand tensile modulus may be lowered. On the other hand, when the tension exceeds 35.0 mN / dTex, processability may be deteriorated due to generation of fluff or yarn breakage. Here, the tension in the carbonization step is represented by a value obtained by dividing the tension (mN) measured by the roll on the outlet side of the carbonization furnace by the fineness (dTex) of the polyacrylonitrile-based fiber for carbon fibers when dry.

得られた炭素繊維は、その表面を改質するために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としては、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の水溶液を使用することができる。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。   The obtained carbon fiber can be subjected to electrolytic treatment in order to modify its surface. Examples of the electrolytic solution used for the electrolytic treatment include acidic solutions such as sulfuric acid, nitric acid and hydrochloric acid, and aqueous solutions of alkalis or salts thereof such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, ammonium carbonate and ammonium bicarbonate. Can be used. The amount of electricity required for the electrolytic treatment can be appropriately selected according to the carbonization degree of the applied carbon fiber.

かかる電解処理により、複合材料の製造において、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性を適正化することができ、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云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。   Such electrolytic treatment can optimize the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin in the production of the composite material, resulting in a brittle breakage of the composite material due to excessive adhesion and a tensile strength in the fiber direction. Although the problem and the problem that the tensile strength in the fiber direction is high but the adhesiveness with the resin is inferior and the strength property in the non-fiber direction is not expressed are solved, in the resulting composite material, the fiber direction and the non-fiber direction Strength characteristics balanced in both directions will be expressed.

このような電解処理の後、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ができる。サイジング剤としては、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。   After such an electrolytic treatment, a sizing treatment can be performed in order to impart convergence to the obtained carbon fiber. 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.

本発明により得られる炭素繊維は、高い引張強度および高いストランド引張弾性率を有する。従って、本発明により得られる炭素繊維は、プリプレグを用いたオートクレーブ成形法、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形法、およびフィラメントワインディング成形法などの種々の成形法に適用可能であり、これらの成形法を用いた、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成形に、好適に用いられる。   The carbon fiber obtained by the present invention has high tensile strength and high strand tensile modulus. Therefore, the carbon fiber obtained by the present invention can be applied 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 molding sports members such as aircraft members, pressure vessel members, automobile members, fishing rods, and golf shafts using these molding methods.

本発明において用いられる各種物性値の測定方法は、次のとおりである。   The measuring method of various physical property values used in the present invention is as follows.

<TG測定による重量減少開始温度>
重量減少開始温度は、ブルカーAXS社製TG2010を用い、昇温速度50℃/分、25〜600℃の間、窒素ガス100ml/分条件下で測定した。また、測定試料は、耐炎化繊維10.0mgを用いた。得られたチャートは、重量減少開始温度の少し手前から低い勾配で減少し、徐々に勾配を高め、その後、勾配は徐々に低くなった。このチャートにおいて、重量減少が始まる前の平坦部と、急激な重量減少部に見られる変曲点とに、それぞれ接線を引き、それら接線の交点から重量減少開始温度を求めた。
<Weight reduction start temperature by TG measurement>
The weight reduction start temperature was measured using a TG2010 manufactured by Bruker AXS Co., at a temperature rising rate of 50 ° C./min and 25-600 ° C. under conditions of 100 ml / min of nitrogen gas. Moreover, 10.0 mg of flameproof fiber was used for the measurement sample. The obtained chart decreased with a low gradient from slightly before the weight reduction start temperature, gradually increased the gradient, and then the gradient gradually decreased. In this chart, a tangent line was drawn to each of the flat part before the weight reduction started and the inflection point seen in the sudden weight reduction part, and the weight reduction start temperature was obtained from the intersection of these tangent lines.

<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]を算出する。
[η]={(1+1.32×ηsp)(1/2)−1}/0.198
ηsp=(t/t)−1
上記の測定を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[η]とする。なお、後述の実施例および比較例においては、上記のチオシアン酸ナトリウムおよびジメチルホルムアミドは、いずれも和光純薬社製特級を用いた。
<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] is calculated using the following formula.
[η] = {(1 + 1.32 × ηsp) (1/2) −1} /0.198
ηsp = (t / t 0 ) −1
The above measurement is performed three times, and the arithmetic average is defined as the intrinsic viscosity [η] of the polyacrylonitrile-based polymer. In Examples and Comparative Examples described later, Wako Pure Chemicals special grades were used for the sodium thiocyanate and dimethylformamide.

<平均分子量:Z平均分子量Mz、重量平均分子量Mw>
測定しようとするポリアクリロニトリル系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、検体溶液を得る。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、Z平均分子量Mz、重量平均分子量Mwを算出した。測定は3回行い、算術平均値を用いた。
・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。
<Average molecular weight: Z average molecular weight Mz, weight average molecular weight Mw>
The polyacrylonitrile polymer to be measured is dissolved in dimethylformamide (0.01N-lithium bromide added) so that its concentration is 0.1% by weight to obtain a sample solution. About the obtained sample solution, the molecular weight distribution curve was calculated | required from the GPC curve measured on the following conditions using the GPC apparatus, and the Z average molecular weight Mz and the weight average molecular weight Mw were computed. The measurement was performed 3 times and the arithmetic average value was used.
-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: A differential refractive index detector.

平均分子量は、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た。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、TSKスタンダードポリスチレンF−20(Mw:184000)、F−40(Mw:427000)、F−80(Mw:791000)、F-128(Mw:1300000)、F−288(Mw:2110000およびよF−450(Mw:4240000)をそれぞれ用いた。   For the average molecular weight, use at least 6 types of monodispersed polystyrenes with different molecular weights and known molecular weights to create an elution time-molecular weight calibration curve, and read the molecular weight in terms of polystyrene corresponding to the corresponding elution time on the calibration curve. Was determined by In Examples, 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, Ltd. as dimethylformamide and lithium bromide ( Made by Millipore Corporation as a membrane filter, RID-10AV made by Shimadzu Corporation as a differential refractive index detector, and TSK standard polystyrene F as monodisperse polystyrene for creating a calibration curve -20 (Mw: 184000), F-40 (Mw: 427000), F-80 (Mw: 791000), F-128 (Mw: 1300000), F-288 (Mw: 2110000) and F-450 (Mw: 4240000) were used respectively.

<炭素繊維のストランド引張弾性率および引張強度>
炭素繊維のストランド引張弾性率および引張強度は、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℃の温度で35分間熱処理の硬化条件により作製した。
<Strand tensile modulus and tensile strength of carbon fiber>
The strand tensile modulus and tensile strength of the carbon fiber are determined according to JIS R7601 (1986) “Resin-impregnated strand test method”. The test piece was prepared by impregnating carbon fiber with the following resin composition and curing conditions of heat treatment at a temperature of 130 ° C. for 35 minutes.

[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引張強度とする。なお、後述の実施例および比較例においては、上記の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、ユニオンカーバイド(株)製、“BAKELITE”(登録商標)ERL−4221を用いた。
[Resin composition]
3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexane-carboxylate (100 parts by weight)
・ Boron trifluoride monoethylamine (3 parts by weight)
Acetone (4 parts by weight)
In addition, the number of strands to be measured is 6, and the arithmetic average value of each measurement result is the strand tensile modulus and tensile strength of the carbon fiber. In Examples and Comparative Examples described below, as the above 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexane-carboxylate, “BAKELITE” (registered trademark) ERL- manufactured by Union Carbide Co., Ltd. 4221 was used.

<比重測定>
1.0〜3.0gの繊維を採取し、120℃で2時間絶乾する。次に絶乾質量A(g)を測定した後、メタノールに含浸させ十分脱泡してから、溶媒浴中の繊維質量B(g)を測定し、繊維比重=(A×ρ)/(A−B)により繊維比重を求めた。
<Specific gravity measurement>
1.0 to 3.0 g of fiber is collected and dried at 120 ° C. for 2 hours. Next, after measuring the absolute dry mass A (g), it was impregnated with methanol and sufficiently degassed, and then the fiber mass B (g) in the solvent bath was measured, and the fiber specific gravity = (A × ρ) / (A The fiber specific gravity was determined by -B).

(実施例1)
アクリロニトリル99.5mol%とイタコン酸0.5mol%からなるポリアクリルニトリル系共重合体を、ジメチルスルホキシドを溶媒とし、2,2’-アゾビスイソブチロニトリル(以下、AIBNと称す。)を重合開始剤として用い、窒素雰囲気下で溶液重合法により重合を行ない、極限粘度が2.68のポリアクリルニトリル系重合体溶液(紡糸原液)を得た。
Example 1
A 2,2′-azobisisobutyronitrile (hereinafter referred to as AIBN) is polymerized from a polyacrylonitrile copolymer consisting of 99.5 mol% of acrylonitrile and 0.5 mol% of itaconic acid using dimethyl sulfoxide as a solvent. Using as an initiator, polymerization was carried out by a solution polymerization method in a nitrogen atmosphere to obtain a polyacrylonitrile-based polymer solution (spinning solution) having an intrinsic viscosity of 2.68.

得られた紡糸原液を、40℃の温度で、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℃の温度にコントロールされた30%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。このようにして得られた凝固糸条を、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、それぞれの温水槽に対して、予備延伸の最高温度、予備延伸後の最高温度を設定することにより、2.4倍の延伸を行い、水浴延伸糸を得た。得られた水浴延伸糸に、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℃の温度の加熱ローラーを用いて、水浴延伸糸に乾燥緻密化処理を行った。得られた乾燥緻密化糸を、加圧スチーム中で5倍延伸することにより製糸全延伸倍率を12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繊維を得た。得られたポリアクリロニトリル系繊維の窒素中でのTG測定による重量減少開始温度は、315℃であった。   The obtained spinning dope was discharged into air once at a temperature of 40 ° C. using a spinneret having a diameter of 0.12 mm and a hole number of 3,000, and passed through a space of about 4 mm, and then a temperature of 3 ° C. A coagulated yarn was obtained by a dry-wet spinning method introduced into a coagulation bath consisting of an aqueous solution of 30% dimethyl sulfoxide controlled to 1%. After the coagulated yarn thus obtained is washed with water by a conventional method, the water bath stretching process is performed independently using two hot water tanks, and after each hot water tank, the maximum temperature for preliminary stretching, after preliminary stretching. Was set to 2.4 times to obtain a water bath drawn yarn. An amino-modified silicone-based silicone oil agent was further added to the obtained water bath drawn yarn, and then the water bath drawn yarn was subjected to dry densification treatment using a heating roller at a temperature of 160 ° C. The obtained dried densified yarn is stretched 5 times in pressurized steam to obtain a total yarn drawing ratio of 12 times to obtain a polyacrylonitrile fiber having a single fiber fineness of 0.7 dtex and a single fiber number of 3,000. It was. The weight reduction start temperature of the obtained polyacrylonitrile fiber by TG measurement in nitrogen was 315 ° C.

次に、得られたポリアクリロニトリル系繊維を4本合糸し、単繊維本数12,000本とし、2炉で構成された耐炎化炉を用い、第1炉を250℃の温度とし、第2炉を290℃、第2炉での熱処理時間を第1炉での熱処理時間より短くして耐炎化を行なった。その際、第1炉で熱処理したポリアクリロニトリル繊維の比重は1.27g/ccであり、ポリアクリロニトリル系繊維に対して与えられる熱量の積算値は、330J・h/gであった。第1炉を出た直後の耐炎化途中糸の重量減少開始温度は、333℃であった。得られた耐炎化繊維束を、温度300℃〜800℃の窒素雰囲気中において、延伸張力1.4mN/dTexで延伸しながら予備炭化処理を行ない、予備炭化繊維束を得た。得られた予備炭化繊維束を、最高温度1,500℃の窒素雰囲気中において、張力を14mN/dTexとして予備炭化繊維束の炭化処理を行い炭素繊維束を得た。得られた炭素繊維のストランド物性を測定したところ、引張強度が7.3GPaであり、引張弾性率は350GPaであった。結果を表1に示す。   Next, four polyacrylonitrile fibers obtained are combined, 12,000 single fibers are used, a flameproofing furnace constituted by two furnaces is used, the first furnace is set to a temperature of 250 ° C., and the second The furnace was made 290 ° C., and the heat treatment time in the second furnace was made shorter than the heat treatment time in the first furnace, thereby making flame resistance. At that time, the specific gravity of the polyacrylonitrile fiber heat-treated in the first furnace was 1.27 g / cc, and the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber was 330 J · h / g. Immediately after leaving the first furnace, the flame reduction starting temperature of the flameproofing intermediate yarn was 333 ° C. The obtained flame-resistant fiber bundle was subjected to preliminary carbonization while being stretched at a stretch tension of 1.4 mN / dTex in a nitrogen atmosphere at a temperature of 300 ° C. to 800 ° C. to obtain a preliminary carbonized fiber bundle. The obtained pre-carbonized fiber bundle was carbonized with a tension of 14 mN / dTex in a nitrogen atmosphere at a maximum temperature of 1,500 ° C. to obtain a carbon fiber bundle. When the strand physical property of the obtained carbon fiber was measured, the tensile strength was 7.3 GPa and the tensile modulus was 350 GPa. The results are shown in Table 1.

(実施例2)
実施例1の耐炎化で、耐炎糸の比重が1.33g/ccになるまで第1炉で熱処理したこと以外は、実施例1と同様に耐炎化を行った。このときにポリアクリロニトリル系繊維に対して与えられる熱量の積算値は490J・h/gであった。予備炭化工程以降は、実施例1と同様にして炭素繊維の製造を行ったところ、得られた炭素繊維のストランド物性は、引張強度が6.5GPaであり、引張弾性率は350GPaであった。結果を表1に示す。
(Example 2)
Flame resistance was achieved in the same manner as in Example 1 except that heat resistance was performed in the first furnace until the specific gravity of the flame resistant yarn became 1.33 g / cc. At this time, the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber was 490 J · h / g. After the preliminary carbonization step, carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1. As a result, the strand properties of the obtained carbon fibers were 6.5 GPa in tensile strength and 350 GPa in tensile modulus. The results are shown in Table 1.

(実施例3)
実施例1と同じポリアクリロニトリル系繊維を用いて、第1炉を250℃の温度とし、第2炉を270℃の温度とし、第3炉を285℃とし、第2炉での熱処理時間を第1炉での熱処理時間より短くして耐炎化処理を行なった。その際、第1炉で熱処理したポリアクリロニトリル繊維の比重は1.27g/ccであり、ポリアクリロニトリル繊維に対して与えられる熱量の積算値は、190J・h/gであった。予備炭化工程以降は、実施例1と同様にして炭素繊維の製造を行ったところ、得られた炭素繊維のストランド物性は、引張強度が6.9GPaであり、引張弾性率は350GPaであった。結果を表1に示す。
(Example 3)
Using the same polyacrylonitrile fiber as in Example 1, the first furnace is set to a temperature of 250 ° C., the second furnace is set to a temperature of 270 ° C., the third furnace is set to 285 ° C., and the heat treatment time in the second furnace is set to The flameproofing treatment was performed for shorter than the heat treatment time in one furnace. At that time, the specific gravity of the polyacrylonitrile fiber heat-treated in the first furnace was 1.27 g / cc, and the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber was 190 J · h / g. After the preliminary carbonization step, carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1. As a result, the strand properties of the obtained carbon fibers were 6.9 GPa in tensile strength and 350 GPa in tensile modulus. The results are shown in Table 1.

(実施例4)
実施例1の炭化温度を1800℃としたこと以外は、実施例1と同様にして炭素繊維の製造を行なった。得られた炭素繊維のストランド物性は、引張強度が6.7GPaであり、引張弾性率は390GPaであった。結果を表1に示す。
Example 4
A carbon fiber was produced in the same manner as in Example 1 except that the carbonization temperature of Example 1 was 1800 ° C. Regarding the strand properties of the obtained carbon fiber, the tensile strength was 6.7 GPa and the tensile modulus was 390 GPa. The results are shown in Table 1.

(実施例5)
実施例1と同じポリアクリロニトリル系繊維を用いて、1炉のみで構成された耐炎化炉を用いて260℃の温度で耐炎化処理を行なった。この耐炎化工程におけるポリアクリロニトリル繊維に対して与えられる熱量の積算値は、450J・h/gであった。予備炭化工程以降は、実施例1と同様にして炭素繊維の製造を行なったところ、得られた炭素繊維のストランド物性は、引張強度が6.9GPaであり、引張弾性率は350GPaであった。結果を表1に示す。
(Example 5)
Using the same polyacrylonitrile fiber as in Example 1, a flameproofing treatment was performed at a temperature of 260 ° C. using a flameproofing furnace composed of only one furnace. The integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber in this flameproofing process was 450 J · h / g. After the preliminary carbonization step, carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1. As a result, the strand properties of the obtained carbon fibers were 6.9 GPa in tensile strength and 350 GPa in tensile modulus. The results are shown in Table 1.

(実施例6)
実施例1と同じポリアクリロニトリル系繊維を用いて、1炉のみで構成された耐炎化炉を用いて250℃の温度で耐炎化処理を行なった。この耐炎化工程におけるポリアクリロニトリル繊維に対して与えられる熱量の積算値は、690J・h/gであった。予備炭化工程以降は、実施例1と同様にして炭素繊維の製造を行なったところ、得られた炭素繊維のストランド物性は、引張強度が6.6GPaであり、引張弾性率は350GPaであった。結果を表1に示す。
(Example 6)
Using the same polyacrylonitrile fiber as in Example 1, a flameproofing treatment was performed at a temperature of 250 ° C. using a flameproofing furnace composed of only one furnace. The integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber in this flameproofing process was 690 J · h / g. After the preliminary carbonization step, carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1. As a result, the strand properties of the obtained carbon fibers were a tensile strength of 6.6 GPa and a tensile elastic modulus of 350 GPa. The results are shown in Table 1.

(実施例7)
アクリロニトリル100重量部、イタコン酸1重量部およびジメチルスルホキシド130重量部を混合し、重量開始剤として2,2’-アゾビスイソブチロニトリル(以下、AIBNと称す。)0.001重量部を添加した後、窒素雰囲気下70℃の温度で4時間重合を行ない、重合体溶液を得た。次に、得られた重合体溶液中に、ジメチルスルホキシド240重量部、AIBN0.4重量部、および連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.1重量部を添加し、60℃の温度で4時間保持した後に、80℃の温度で6時間保持しポリアクリルニトリル系重合体溶液(紡糸原液)を得た。得られたポリアクリルニトリル系重合体溶液(紡糸原液)の極限粘度は2.0であり、多分散度Mz/Mwは3.0であった。
(Example 7)
100 parts by weight of acrylonitrile, 1 part by weight of itaconic acid and 130 parts by weight of dimethyl sulfoxide are mixed, and 0.001 part by weight of 2,2′-azobisisobutyronitrile (hereinafter referred to as AIBN) is added as a weight initiator. Then, polymerization was carried out at a temperature of 70 ° C. for 4 hours under a nitrogen atmosphere to obtain a polymer solution. Next, 240 parts by weight of dimethyl sulfoxide, 0.4 parts by weight of AIBN, and 0.1 parts by weight of octyl mercaptan as a chain transfer agent were added to the obtained polymer solution, and held at a temperature of 60 ° C. for 4 hours. And kept at 80 ° C. for 6 hours to obtain a polyacrylonitrile-based polymer solution (spinning solution). The resulting polyacrylonitrile-based polymer solution (spinning stock solution) had an intrinsic viscosity of 2.0, and the polydispersity Mz / Mw was 3.0.

得られた紡糸原液を用いて、実施例1と同様にして製糸を行ない、ポリアクリロニトリル系繊維を得た。得られたポリアクリロニトリル系繊維の窒素中でのTG測定による重量減少開始温度は、310℃であった。   Using the obtained spinning dope, yarn production was performed in the same manner as in Example 1 to obtain polyacrylonitrile fiber. The weight reduction start temperature of the obtained polyacrylonitrile fiber by TG measurement in nitrogen was 310 ° C.

次に、得られたポリアクリロニトリル系繊維を4本合糸し、単繊維本数12,000本とし、2炉で構成された耐炎化炉を用い、第1炉の温度を250℃とし、第2炉の温度を270℃とし、第2炉での熱処理時間を第1炉での熱処理時間より短くして耐炎化処理を行なった。その際、第1炉で熱処理したポリアクリロニトリル繊維の比重は1.27g/ccであり、ポリアクリロニトリル繊維に対して与えられる熱量の積算値は、470J・h/gであった。また、第1炉を出た直後の耐炎化途中糸の重量減少開始温度は330℃であった。予備炭化工程以降は、実施例1と同様にして炭素繊維の製造を行なったところ、得られた炭素繊維のストランド物性は、引張強度が7.1GPaであり、引張弾性率は350GPaであった。結果を表1に示す。   Next, four polyacrylonitrile fibers obtained were combined, 12,000 single fibers were used, a flameproofing furnace constituted by two furnaces was used, the temperature of the first furnace was set to 250 ° C., and the second The temperature of the furnace was set to 270 ° C., and the heat treatment time in the second furnace was made shorter than the heat treatment time in the first furnace to perform the flameproofing treatment. At that time, the specific gravity of the polyacrylonitrile fiber heat-treated in the first furnace was 1.27 g / cc, and the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber was 470 J · h / g. Moreover, the weight reduction start temperature of the flameproofing yarn immediately after leaving the first furnace was 330 ° C. After the preliminary carbonization step, carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1. As a result, the strand properties of the obtained carbon fibers were 7.1 GPa in tensile strength and 350 GPa in tensile modulus. The results are shown in Table 1.

(実施例8)
アクリロニトリル99.5mol%とイタコン酸0.5mol%からなるポリアクリロニトリル系共重合体を、ジメチルスルホキシドを溶媒とし、2,2’-アゾビスイソブチロニトリル(以下、AIBNと称す。)を重合開始剤として、窒素雰囲気下で溶液重合法により重合を行ない、極限粘度が1.8のポリアクリルニトリル系重合体溶液(紡糸原液)を得た。得られた紡糸原液を用い、実施例1と同様にして製糸を行い、ポリアクリロニトリル系繊維を得た。得られたポリアクリロニトリル系繊維の窒素中でのTG測定による重量減少開始温度は、310℃であった。耐炎化工程以降は、実施例6と同様にして炭素繊維の製造を行なったところ、第1炉で熱処理したポリアクリロニトリル繊維の比重は1.29g/ccであり、得られた炭素繊維のストランド物性は、引張強度が7.4GPaであり、引張弾性率は350GPaであった。結果を表1に示す。
(Example 8)
Polymerization of 2,2'-azobisisobutyronitrile (hereinafter referred to as AIBN) was started with a polyacrylonitrile copolymer consisting of 99.5 mol% of acrylonitrile and 0.5 mol% of itaconic acid using dimethyl sulfoxide as a solvent. As an agent, polymerization was performed by a solution polymerization method in a nitrogen atmosphere to obtain a polyacrylonitrile-based polymer solution (spinning solution) having an intrinsic viscosity of 1.8. Using the obtained spinning dope, yarn was produced in the same manner as in Example 1 to obtain polyacrylonitrile fiber. The weight reduction start temperature of the obtained polyacrylonitrile fiber by TG measurement in nitrogen was 310 ° C. After the flameproofing step, carbon fibers were produced in the same manner as in Example 6. As a result, the specific gravity of the polyacrylonitrile fibers heat-treated in the first furnace was 1.29 g / cc, and the strand properties of the obtained carbon fibers Had a tensile strength of 7.4 GPa and a tensile modulus of 350 GPa. The results are shown in Table 1.

(実施例9)
実施例8と同じポリアクリルニトリル系重合体溶液(紡糸原液)を用いて、単繊維繊度を0.4dtexとしたこと以外は、実施例7と同様にして炭素繊維を製造した。第1炉で熱処理したポリアクリロニトリル繊維の比重は1.29g/ccであり、得られた炭素繊維のストランド物性は、引張強度が8.3GPaであり、引張弾性率は360GPaであった。結果を表1に示す。
Example 9
Using the same polyacrylonitrile-based polymer solution (spinning stock solution) as in Example 8, carbon fibers were produced in the same manner as in Example 7 except that the single fiber fineness was 0.4 dtex. The specific gravity of the polyacrylonitrile fiber heat-treated in the first furnace was 1.29 g / cc, and the strand properties of the obtained carbon fiber were a tensile strength of 8.3 GPa and a tensile elastic modulus of 360 GPa. The results are shown in Table 1.

(実施例10)
実施例8と同じポリアクリルニトリル系重合体溶液(紡糸原液)を用いて、単繊維繊度を1.1dtexとしたこと以外は、実施例7と同様にして炭素繊維を製造した。第1炉で熱処理したポリアクリロニトリル繊維の比重は1.28g/ccであり、得られた炭素繊維のストランド物性は、引張強度が6.4GPaであり、引張弾性率は320GPaであった。結果を表1に示す。
(Example 10)
Carbon fibers were produced in the same manner as in Example 7 except that the same polyacrylonitrile polymer solution (spinning stock solution) as in Example 8 was used and the single fiber fineness was 1.1 dtex. The specific gravity of the polyacrylonitrile fiber heat-treated in the first furnace was 1.28 g / cc, and the strand properties of the obtained carbon fiber were a tensile strength of 6.4 GPa and a tensile elastic modulus of 320 GPa. The results are shown in Table 1.

(実施例11)
実施例8の炭化温度を1800℃としたこと以外は、実施例8と同様にして炭素繊維を製造した。得られた炭素繊維のストランド物性は、引張強度が6.3GPaであり、引張弾性率は390GPaであった。結果を表1に示す。
(Example 11)
A carbon fiber was produced in the same manner as in Example 8 except that the carbonization temperature of Example 8 was 1800 ° C. Regarding the strand properties of the obtained carbon fiber, the tensile strength was 6.3 GPa and the tensile modulus was 390 GPa. The results are shown in Table 1.

(比較例1)
実施例1と同じポリアクリロニトリル系繊維を用いて、1炉のみで構成された耐炎化炉を用いて215℃の温度で、耐炎化工程におけるポリアクリロニトリル繊維に対して与えられる熱量の積算値を3900J・h/gの下で、耐炎化処理を行なった。予備炭化工程以降は、実施例1と同様にして炭素繊維の製造を行ったところ、得られた炭素繊維のストランド物性は、引張弾性率は350GPaであったものの引張強度が5.5GPaと低い値であった。結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
Using the same polyacrylonitrile fiber as in Example 1, the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber in the flameproofing process is 3900 J at a temperature of 215 ° C. using a flameproofing furnace composed of only one furnace. A flameproofing treatment was performed under h / g. After the preliminary carbonization step, carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1. As a result, the strand properties of the obtained carbon fibers had a tensile strength as low as 5.5 GPa although the tensile modulus was 350 GPa. Met. The results are shown in Table 1.

(比較例2)
比較例1の耐炎化工程において、ポリアクリロニトリル系繊維に対して与えられる熱量の積算値を500J・h/gの下で行なったところ、予備炭化工程で糸切れし、炭素繊維を得ることができなかった。
(Comparative Example 2)
In the flameproofing step of Comparative Example 1, when the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber was performed under 500 J · h / g, the yarn was broken in the preliminary carbonization step, and carbon fibers could be obtained. There wasn't.

(比較例3)
実施例1の耐炎化処理を第1炉の温度を240℃とし、第2炉の温度を250℃とし、第2炉での熱処理時間を第1炉での熱処理時間より短くしておこなった。その際、第1炉で熱処理したポリアクリロニトリル繊維の比重は1.29g/ccであり、ポリアクリロニトリル系繊維に対して与えられる熱量の積算値を920J・h/gの下で行なった。予備炭化工程以降は、実施例1と同様にして炭素繊維の製造を行なったところ、得られた炭素繊維のストランド物性は、引張弾性率は350GPaであったものの引張強度が5.9GPaと低い値であった。結果を表1に示す。
(Comparative Example 3)
The flameproofing treatment of Example 1 was performed by setting the temperature of the first furnace to 240 ° C., the temperature of the second furnace to 250 ° C., and the heat treatment time in the second furnace shorter than the heat treatment time in the first furnace. At that time, the specific gravity of the polyacrylonitrile fiber heat-treated in the first furnace was 1.29 g / cc, and the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber was 920 J · h / g. After the preliminary carbonization step, carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1. As a result, the strand physical properties of the obtained carbon fibers were as low as 5.9 GPa although the tensile modulus was 350 GPa. Met. The results are shown in Table 1.

(比較例4)
実施例1の耐炎化処理において、第2炉での熱処理時間を第1炉での熱処理時間より短くしたが、第2炉の温度を320℃で行なったところ、第1炉で熱処理したポリアクリロニトリル繊維の比重は1.27g/ccであり、ポリアクリロニトリル系繊維に対して与えられる熱量の積算値は290J・h/gであったが、得られた耐炎糸に糸切れが多数あり品位が低下した。予備炭化工程以降は、実施例1と同様にして炭素繊維の製造を行なったところ、得られた炭素繊維のストランド物性は、引張弾性率は350GPaであったものの引張強度が6.3GPaと低い値であった。結果を表1に示す。
(Comparative Example 4)
In the flameproofing treatment of Example 1, the heat treatment time in the second furnace was shorter than the heat treatment time in the first furnace. When the temperature in the second furnace was 320 ° C., the polyacrylonitrile heat-treated in the first furnace was used. The specific gravity of the fiber was 1.27 g / cc, and the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber was 290 J · h / g. did. After the preliminary carbonization step, carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1. As a result, the strand physical properties of the obtained carbon fibers were as low as 6.3 GPa, although the tensile modulus was 350 GPa. Met. The results are shown in Table 1.

(比較例5)
実施例1の耐炎化処理において、第2炉での熱処理時間を第1炉での熱処理時間より短くしつつ炉内滞留時間を長時間化して耐炎化をおこなった。その際、第1炉で熱処理したポリアクリロニトリル繊維の比重は1.33g/ccであり、ポリアクリロニトリル系繊維に対して与えられる熱量の積算値を960J・h/gとして耐炎化処理を行なった。予備炭化工程以降は、実施例1と同様にして炭素繊維の製造を行なった。得られた炭素繊維のストランド物性は、引張弾性率は350GPaであったものの引張強度が6.1GPaと低い値であった。結果を表1に示す。
(Comparative Example 5)
In the flameproofing treatment of Example 1, flameproofing was performed by increasing the residence time in the furnace while making the heat treatment time in the second furnace shorter than the heat treatment time in the first furnace. At that time, the specific gravity of the polyacrylonitrile fiber heat-treated in the first furnace was 1.33 g / cc, and the flame resistance treatment was performed by setting the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber to 960 J · h / g. After the preliminary carbonization step, carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1. As for the strand properties of the obtained carbon fiber, although the tensile modulus was 350 GPa, the tensile strength was a low value of 6.1 GPa. The results are shown in Table 1.

(比較例6)
実施例5の耐炎化を300℃の温度で行ったところ、耐炎化途中において糸切れが頻発し、安定して耐炎糸を得ることができなかった。結果を表1に示す。
(Comparative Example 6)
When flame resistance of Example 5 was performed at a temperature of 300 ° C., yarn breakage frequently occurred during flame resistance, and a flame resistant yarn could not be stably obtained. The results are shown in Table 1.

Figure 2012082541
Figure 2012082541

Claims (9)

炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維が空気中220℃以上の温度で熱処理され、その際に与えられる熱量の積算値が100J・h/g〜800J・h/gであることを特徴とする炭素繊維の製造方法。   The carbon fiber polyacrylonitrile fiber is heat-treated in air at a temperature of 220 ° C. or higher, and the integrated value of the amount of heat applied at that time is 100 J · h / g to 800 J · h / g. Production method. 炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維を空気中で熱処理する工程が220℃以上の温度で連続的に複数段で行なわれ、それぞれの段における熱処理温度が前段で熱処理されたポリアクリロニトリル繊維の減量開始温度よりも20℃以上低い温度であり、かつポリアクリロニトリル系繊維に対して与えられる熱量の積算値が100J・h/g〜500J・h/gであることを特徴とする炭素繊維の製造方法。   The process of heat-treating the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber in air is continuously performed in a plurality of stages at a temperature of 220 ° C. or higher, and the heat treatment temperature in each stage is based on the weight loss starting temperature of the polyacrylonitrile fiber heat-treated in the previous stage. Is a temperature lower than 20 ° C., and the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber is 100 J · h / g to 500 J · h / g. 炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維を空気中で熱処理する工程が220℃以上の温度で連続的に1段行なわれ、その際の熱処理温度がポリアクリロニトリル系繊維の減量開始温度よりも20℃以上低い温度であり、かつポリアクリロニトリル系繊維に対して与えられる熱量の積算値が100J・h/g〜700J・h/gであることを特徴とする炭素繊維の製造方法。   The step of heat-treating the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber in air is continuously performed at a temperature of 220 ° C. or higher, and the heat treatment temperature at that time is 20 ° C. or more lower than the weight loss starting temperature of the polyacrylonitrile fiber. And the integrated value of the amount of heat given to the polyacrylonitrile fiber is 100 J · h / g to 700 J · h / g. それぞれの段における熱処理時間が、後段の熱処理時間が前段の熱処理時間と同じもしくは短く、かつ、第1段目の熱処理工程で熱処理されたポリアクリロニトリル繊維の比重が、1.32g/cc以下である請求項2記載の炭素繊維の製造方法。   The heat treatment time in each stage is the same as or shorter than the heat treatment time in the subsequent stage, and the specific gravity of the polyacrylonitrile fiber heat-treated in the first heat treatment step is 1.32 g / cc or less. The manufacturing method of the carbon fiber of Claim 2. 炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維が、極限粘度1.0〜10の範囲にあるポリアクリロニトリル系重合体からなることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の炭素繊維の製造方法。   The method for producing carbon fiber according to any one of claims 1 to 4, wherein the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber comprises a polyacrylonitrile polymer having an intrinsic viscosity of 1.0 to 10. 炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維が、極限粘度1.0〜5.0の範囲にあり、Z平均分子量Mzと重量平均分子量Mwとの比で示される多分散度Mz/Mwが2.7〜10.0であるポリアクリロニトリル系重合体からなることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の炭素繊維の製造方法。   The polyacrylonitrile fiber for carbon fibers is in the range of intrinsic viscosity of 1.0 to 5.0, and the polydispersity Mz / Mw indicated by the ratio of the Z average molecular weight Mz to the weight average molecular weight Mw is 2.7 to 10 The carbon fiber production method according to claim 1, comprising a polyacrylonitrile-based polymer that is 0.0. 炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維が、ポリアクリロニトリル系重合体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を経て製造された繊維であることを特徴とする請求項5または6記載の炭素繊維の製造方法。   The polyacrylonitrile fiber for carbon fiber is a spinning process in which a polyacrylonitrile polymer is spun by spinning from a spinneret by a wet spinning method or a dry-wet spinning method, and a dry heat treatment in which the fiber obtained in the spinning step is subjected to a dry heat treatment. The method for producing a carbon fiber according to claim 5 or 6, wherein the fiber is produced through a steam drawing step of steam drawing the fiber obtained in the step and the drying heat treatment step. 請求項7に記載の炭素繊維用ポリアクリロニトリル系繊維を空気中において耐炎化する耐炎化工程と、該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、該予備炭化工程で得られた繊維を1,000〜2,000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化する炭化工程とからなることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の炭素繊維の製造方法。   A flameproofing step in which the polyacrylonitrile fiber for carbon fiber according to claim 7 is flameproofed in the air, and the fiber obtained in the flameproofing step is pre-carbonized in an inert atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. The carbonization process which carbonizes the fiber obtained by this preliminary carbonization process and the fiber obtained by this preliminary carbonization process in the inert atmosphere of the temperature of 1,000-2,000 degreeC, The any one of the Claims 1-4 A method for producing the carbon fiber according to claim 1. 炭化工程における張力を4.0mN/dTex〜35.0mN/dTexで炭化処理する請求項8記載の炭素繊維の製造方法。   The carbon fiber manufacturing method according to claim 8, wherein the carbonization is carried out at a carbonization step of 4.0 mN / dTex to 35.0 mN / dTex.
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