JP2012211410A - Quality control method of carbon fiber precursor acrylic fiber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭素繊維前駆体アクリル繊維の品質管理方法に関する。 The present invention relates to a quality control method for a carbon fiber precursor acrylic fiber.
炭素繊維は、他の繊維に比べて高い比強度及び比弾性率を有することが知られている。このため、複合材料用補強繊維として、従来からのスポーツ用途及び航空・宇宙用途に加え、自動車や土木、建築、圧力容器、風車ブレード等の一般産業用途にも幅広く展開されつつある。さらに、従来利用されてきたスポーツ用途、航空・宇宙用途においても、より高強度化や高弾性率化の要請が高い。 It is known that carbon fibers have a high specific strength and specific elastic modulus compared to other fibers. For this reason, in addition to conventional sports and aerospace applications, composite fibers are being widely deployed in general industrial applications such as automobiles, civil engineering, architecture, pressure vessels, and windmill blades. Furthermore, there is a high demand for higher strength and higher elastic modulus in sports and aerospace applications that have been used in the past.
炭素繊維の中で、ポリアクリロニトリル系炭素繊維は最も広く利用されているものである。ポリアクリロニトリル系炭素繊維は、例えば、油剤を付着させたアクリル繊維を炭素繊維前駆体とし、該炭素繊維前駆体を200〜400℃の酸素存在雰囲気下で加熱処理することにより耐炎化繊維に転換し、引き続いて1000℃以上の不活性雰囲気下で炭素化して得られるものである。この方法で得られた炭素繊維は、優れた機械的物性により、特に複合材料用の強化繊維として工業的に広く利用されている。 Among the carbon fibers, polyacrylonitrile-based carbon fibers are the most widely used. The polyacrylonitrile-based carbon fiber is converted into a flame-resistant fiber by, for example, using an acrylic fiber with an oil agent as a carbon fiber precursor, and heat-treating the carbon fiber precursor in an oxygen-containing atmosphere at 200 to 400 ° C. Subsequently, it is obtained by carbonization under an inert atmosphere of 1000 ° C. or higher. The carbon fiber obtained by this method is widely used industrially as a reinforcing fiber for composite materials because of its excellent mechanical properties.
炭素繊維の強度、弾性率に影響を与える因子として鉄元素があげられている(特許文献1)。そのため、炭素繊維前駆体中に強度に影響を与えないような鉄元素量を維持するための品質管理方法が求められている。 An iron element is cited as a factor that affects the strength and elastic modulus of carbon fibers (Patent Document 1). Therefore, there is a need for a quality control method for maintaining the amount of iron element that does not affect the strength in the carbon fiber precursor.
アクリル繊維中の鉄元素量を測定するためには、灰化、溶解した後原子吸光やICP測定などで鉄元素量を定量することができるが、定量までに時間と手間がかかる。時間がかかることは、鉄元素量が規定値を超えるような状況を検出するまでの製品ロスが多くなるため製品コストが上がるため好ましくない。手間がかかることも製品コストに跳ね返るため好ましくない。 In order to measure the amount of iron element in acrylic fiber, the amount of iron element can be quantified by atomic absorption or ICP measurement after ashing and dissolution, but it takes time and labor to quantitate. It takes time, which is not preferable because a product loss increases until a situation in which the amount of iron element exceeds a specified value is detected, resulting in an increase in product cost. It takes time and effort, which is undesirable because it rebounds on the product cost.
そこで、本発明は、より簡便に強度低下を起こすような量の鉄元素を含む炭素繊維前駆体繊維を見分ける方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for discriminating carbon fiber precursor fibers containing an iron element in an amount that causes a decrease in strength more easily.
本発明者らは、鋭意検討の結果、強度低下を起こすような量の鉄元素が炭素繊維前駆体アクリル繊維に混入した場合、該当する繊維に熱処理を行い、同様の処理を行った通常の炭素繊維前駆体アクリル繊維と比較した際に色に差が出ることを見出し本発明に至った。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that when an amount of iron element that causes a decrease in strength is mixed in the carbon fiber precursor acrylic fiber, the corresponding fiber is heat-treated and the same treatment is performed on the normal carbon. The present inventors have found that there is a difference in color when compared with the fiber precursor acrylic fiber, leading to the present invention.
すなわち、次の(1)〜(5)の工程を行い炭素繊維前駆体アクリル繊維の品質管理を行なう。
(1)鉄分を0.5ppm未満含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維および鉄分を0.5ppm以上含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維を同じ焼成条件で焼成して、炭素繊維を得る工程、
(2)前記(1)で得たそれぞれの炭素繊維のストランド強度を求めて、前記鉄分を0.5ppm未満含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維を焼成して得た炭素繊維のストランド強度に対して、前記鉄分を0.5ppm以上含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維を焼成して得た炭素繊維のストランド強度の強度低下率が0.5%以上20%以下となる鉄分の含有率を求める工程、
(3)鉄分を0.5ppm未満含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維および前記強度低下率が0.5%以上20%以下となる鉄分を含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維を、温度が180〜300℃、時間が1〜20分の同じ条件で熱処理する工程、
(4)前記(3)で得た熱処理した繊維の色差を色差計により求める工程、
(5)前記(4)で得た色差を基準として、工程異常を検知する工程。
That is, the following steps (1) to (5) are performed to control the quality of the carbon fiber precursor acrylic fiber.
(1) A step of firing carbon fiber precursor acrylic fiber containing less than 0.5 ppm of iron and a carbon fiber precursor acrylic fiber containing more than 0.5 ppm of iron under the same firing conditions to obtain carbon fiber,
(2) The strand strength of each carbon fiber obtained in (1) above is determined, and the strand strength of the carbon fiber obtained by firing the carbon fiber precursor acrylic fiber containing less than 0.5 ppm of the iron content. A step of determining the iron content at which the strength reduction rate of the strand strength of the carbon fiber obtained by firing the carbon fiber precursor acrylic fiber containing 0.5 ppm or more of the iron content is 0.5% or more and 20% or less,
(3) A carbon fiber precursor acrylic fiber containing less than 0.5 ppm of iron and a carbon fiber precursor acrylic fiber containing iron that has a strength reduction rate of 0.5% or more and 20% or less. A step of heat-treating at the same conditions for 1 minute to 20 minutes at a time;
(4) A step of obtaining a color difference of the heat-treated fiber obtained in (3) with a color difference meter,
(5) A step of detecting a process abnormality based on the color difference obtained in (4).
本発明によれば、より簡便に焼成時に炭素繊維の強度低下を引き起こすような炭素繊維前駆体アクリル繊維への鉄元素混入を見分けることが出来る。 According to the present invention, it is possible to more easily identify iron element contamination in a carbon fiber precursor acrylic fiber that causes a decrease in strength of the carbon fiber during firing.
(色差による品質管理方法)
次の(1)〜(5)のを行い炭素繊維前駆体アクリル繊維の品質管理を行なう。
(1)鉄分を0.5ppm未満含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維および鉄分を0.5ppm以上含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維を同じ焼成条件で焼成して、炭素繊維を得る工程、
(2)前記(1)で得たそれぞれの炭素繊維のストランド強度を求めて、前記鉄分を0.5ppm未満含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維を焼成して得た炭素繊維のストランド強度に対して、前記鉄分を0.5ppm以上含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維を焼成して得た炭素繊維のストランド強度の強度低下率が0.5%以上20%以下となる鉄分の含有率を求める工程、
(3)鉄分を0.5ppm未満含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維および前記強度低下率が0.5%以上20%以下となる鉄分を含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維を、温度が180〜300℃、時間が1〜20分の同じ条件で熱処理する工程、
(4)前記(3)で得た熱処理した繊維の色差を色差計により求める工程、
(5)前記(4)で得た色差を基準として、工程異常を検知する工程。
(Quality control method by color difference)
The following (1) to (5) are performed to control the quality of the carbon fiber precursor acrylic fiber.
(1) A step of firing carbon fiber precursor acrylic fiber containing less than 0.5 ppm of iron and a carbon fiber precursor acrylic fiber containing more than 0.5 ppm of iron under the same firing conditions to obtain carbon fiber,
(2) The strand strength of each carbon fiber obtained in (1) above is determined, and the strand strength of the carbon fiber obtained by firing the carbon fiber precursor acrylic fiber containing less than 0.5 ppm of the iron content. A step of determining the iron content at which the strength reduction rate of the strand strength of the carbon fiber obtained by firing the carbon fiber precursor acrylic fiber containing 0.5 ppm or more of the iron content is 0.5% or more and 20% or less,
(3) A carbon fiber precursor acrylic fiber containing less than 0.5 ppm of iron and a carbon fiber precursor acrylic fiber containing iron that has a strength reduction rate of 0.5% or more and 20% or less. A step of heat-treating at the same conditions for 1 minute to 20 minutes at a time;
(4) A step of obtaining a color difference of the heat-treated fiber obtained in (3) with a color difference meter,
(5) A step of detecting a process abnormality based on the color difference obtained in (4).
管理する際の熱処理の条件が変わると色差もかわるため、また、炭素繊維の強度レベルに応じて求められる強度低下率も変わってくるため上記手法が必要である。 The above method is necessary because the color difference changes depending on the heat treatment conditions during management, and the strength reduction rate required according to the strength level of the carbon fiber also changes.
強度低下率は0.5%以上20%以下が好ましい。より好ましくは1%以上15%以下、さらに好ましくは1%以上10%以下である。この範囲内だと、誤差範囲にかぶらずに好ましくない強度低下を判別することが出来る。 The strength reduction rate is preferably 0.5% or more and 20% or less. More preferably, they are 1% or more and 15% or less, More preferably, they are 1% or more and 10% or less. Within this range, it is possible to determine an undesired drop in strength without affecting the error range.
(熱処理の条件)
熱処理の温度は特に限定しないが、180℃〜300℃の範囲が好ましく、190℃から280℃の間がより好ましい。200℃〜240℃がさらに好ましい。この範囲内であると色差が判別しやすい。熱処理の雰囲気は特に限定しないが大気下が好ましい。
(Heat treatment conditions)
Although the temperature of heat processing is not specifically limited, The range of 180 to 300 degreeC is preferable, and between 190 to 280 degreeC is more preferable. 200 degreeC-240 degreeC is further more preferable. Within this range, the color difference is easy to distinguish. The atmosphere for the heat treatment is not particularly limited, but is preferably in the air.
熱処理の時間は特に限定しないが1分〜20分が好ましく、3分〜15分がより好ましく、5分〜12分がさらに好ましい。範囲内であると色差が判別しやすい。 Although the time of heat processing is not specifically limited, 1 minute-20 minutes are preferable, 3 minutes-15 minutes are more preferable, and 5 minutes-12 minutes are further more preferable. If it is within the range, it is easy to distinguish the color difference.
各繊維を熱処理する条件は揃える必要がある。比較する繊維は並べて同時に熱処理することが好ましい。対象となる繊維と、検査する繊維の繊度は揃えることが好ましく、その差は対象となる繊維の繊度との差が、50%以下であることが好ましく、20%以下であることがより好ましく、10%以下であることがさらに好ましい。目付けに関しても揃えることが好ましく、その差は対象となる繊維の繊度との差が、50%以下であることが好ましく、20%以下であることがより好ましく、10%以下であることがさらに好ましい。 The conditions for heat-treating each fiber must be aligned. It is preferable that the fibers to be compared are aligned and heat-treated at the same time. It is preferable to align the fineness of the target fiber and the fiber to be inspected, and the difference between the fineness of the target fiber is preferably 50% or less, more preferably 20% or less, More preferably, it is 10% or less. It is preferable to arrange the basis weight, and the difference is preferably 50% or less, more preferably 20% or less, and even more preferably 10% or less, with respect to the fineness of the target fiber. .
(炭素繊維前駆体アクリル繊維)
炭素繊維前駆体アクリル繊維とは、アクリロニトリル系重合体を紡糸して得られる繊維である。
(Carbon fiber precursor acrylic fiber)
The carbon fiber precursor acrylic fiber is a fiber obtained by spinning an acrylonitrile polymer.
本発明で用いられるアクリロニトリル系重合体は、アクリロニトリルを主な単量体とし、これを重合して得られる重合体である。アクリロニトリル系重合体は、アクリロニトリルのみから得られるホモポリマーだけでなく、主成分であるアクリロニトリルに加えて他の単量体を用いたアクリロニトリル系重合体であってもよい。 The acrylonitrile-based polymer used in the present invention is a polymer obtained by polymerizing acrylonitrile as a main monomer. The acrylonitrile-based polymer is not limited to a homopolymer obtained only from acrylonitrile, but may be an acrylonitrile-based polymer using other monomers in addition to the main component acrylonitrile.
アクリロニトリル系重合体中のアクリロニトリルの組成比は、得られる炭素繊維に求める品質等を勘案して決定でき、例えば、96〜98.5質量%が好ましい。アクリロニトリルの組成比が96質量%以上であれば、前駆体繊維を炭素繊維に転換するための焼成工程で、繊維同士の融着を招くことなく、炭素繊維の優れた品質及び性能を維持できる。 加えて、アクリロニトリル系重合体の耐熱性が低下せず、前駆体繊維を紡糸する際に乾燥を抑制できる。さらに、加熱ローラーや加圧水蒸気による延伸等の処理において、単繊維間の接着を回避できる。アクリロニトリルの組成比が98.5質量%以下であれば、溶剤への溶解性が低下せず、アクリロニトリル系重合体の析出・凝固を防止し、紡糸原液の安定を維持できるため、前駆体繊維を安定して製造できる。 The composition ratio of acrylonitrile in the acrylonitrile-based polymer can be determined in consideration of the quality required for the obtained carbon fiber, and is preferably 96 to 98.5% by mass, for example. If the composition ratio of acrylonitrile is 96% by mass or more, the excellent quality and performance of the carbon fiber can be maintained without causing the fusion of the fibers in the firing step for converting the precursor fiber into the carbon fiber. In addition, the heat resistance of the acrylonitrile polymer does not decrease, and drying can be suppressed when the precursor fiber is spun. Furthermore, adhesion between single fibers can be avoided in processing such as stretching with a heating roller or pressurized steam. If the composition ratio of acrylonitrile is 98.5% by mass or less, the solubility in a solvent does not decrease, precipitation / coagulation of acrylonitrile polymer can be prevented, and the stability of the spinning dope can be maintained. Can be manufactured stably.
アクリロニトリル系重合体には、アクリロニトリル以外の単量体を共重合することができる。アクリロニトリル以外の単量体としては、アクリロニトリルと共重合可能なビニル系単量体から適宣選択することができ、アクリロニトリル系重合体の親水性を向上するビニル系単量体、耐炎化促進効果を有するビニル系単量体が好ましい。 A monomer other than acrylonitrile can be copolymerized with the acrylonitrile-based polymer. As a monomer other than acrylonitrile, a vinyl monomer that can be copolymerized with acrylonitrile can be selected as appropriate, and a vinyl monomer that improves the hydrophilicity of the acrylonitrile polymer, and a flame resistance promoting effect. The vinyl-type monomer which has is preferable.
アクリロニトリル系重合体の親水性を向上する単量体としては、例えば、カルボキシル基、スルホ基、アミノ基、アミド基等の親水性の官能基を有するビニル化合物がある。カルボキシル基を有する単量体としては、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、メサコン酸等が挙げられ、中でもアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸が好ましい。スルホ基を有する単量体としては、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸、ビニルスルホン酸、スルホプロピルメタクリレート等が挙げられ、中でも、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸が好ましい。アミノ基を有する単量体としては、ジメチルアミノエチルメタクリレート、ジエチルアミノエチルメタクリレート、ジメチルアミノエチルアクリレート、ジエチルアミノエチルアクリレート、ターシャリーブチルアミノエチルメタクリレート、アリルアミン、o−アミノスチレン、p−アミノスチレン等が挙げられ、中でもジメチルアミノエチルメタクリレート、ジエチルアミノエチルメタクリレート、ジメチルアミノエチルアクリレート、ジエチルアミノエチルアクリレートが好ましい。アミド基を有する単量体としては、アクリルアミド、メタクリルアミド、ジメチルアクリルアミド、クロトンアミドが好ましい。このような単量体を共重合することで、アクリロニトリル系重合体は親水性が向上する。親水性が向上すると、得られる前駆体繊維の緻密性が向上し、表層部のミクロボイド発生を抑制することができる。上述の単量体は、1種単独で又は2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。
このようなアクリロニトリル系重合体の親水性を向上する単量体の組成比は、アクリロニトリル系重合体中0.5〜3.5質量%が好ましい。
Examples of the monomer that improves the hydrophilicity of the acrylonitrile-based polymer include vinyl compounds having a hydrophilic functional group such as a carboxyl group, a sulfo group, an amino group, and an amide group. Examples of the monomer having a carboxyl group include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, mesaconic acid and the like, among which acrylic acid, methacrylic acid, and itaconic acid are preferable. Examples of the monomer having a sulfo group include allyl sulfonic acid, methallyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid, vinyl sulfonic acid, and sulfopropyl methacrylate. Acid, methallylsulfonic acid, styrenesulfonic acid, and 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid are preferred. Examples of the monomer having an amino group include dimethylaminoethyl methacrylate, diethylaminoethyl methacrylate, dimethylaminoethyl acrylate, diethylaminoethyl acrylate, tertiary butylaminoethyl methacrylate, allylamine, o-aminostyrene, and p-aminostyrene. Of these, dimethylaminoethyl methacrylate, diethylaminoethyl methacrylate, dimethylaminoethyl acrylate, and diethylaminoethyl acrylate are preferable. As the monomer having an amide group, acrylamide, methacrylamide, dimethylacrylamide, and crotonamide are preferable. By copolymerizing such monomers, the hydrophilicity of the acrylonitrile polymer is improved. When the hydrophilicity is improved, the density of the obtained precursor fiber is improved, and generation of microvoids in the surface layer portion can be suppressed. The above-mentioned monomers can be used alone or in combination of two or more.
As for the composition ratio of the monomer which improves the hydrophilicity of such an acrylonitrile-type polymer, 0.5-3.5 mass% is preferable in an acrylonitrile-type polymer.
耐炎化促進効果を有する単量体としては、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、メサコン酸又はこれらのアルカリ金属塩もしくはアンモニウム塩、アクリルアミド、メタクリルアミド等が挙げられる。中でも、少量の配合量でより高い耐炎化促進効果を得る観点から、カルボキシル基を有する単量体が好ましく、特にアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸等のカルボキシル基含有ビニル系単量体がより好ましい。このような単量体を共重合することで、後述する耐炎化工程の時間を短縮でき、製造コストを低減できる。上述の単量体は、1種単独で又は2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。
このような耐炎化促進効果を有する単量体の組成比は、アクリロニトリル系重合体中0.5〜2.0質量%が好ましい。
Examples of the monomer having an effect of promoting flame resistance include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, mesaconic acid, or alkali metal salts or ammonium salts thereof, acrylamide, methacrylamide, etc. Is mentioned. Among them, a monomer having a carboxyl group is preferable from the viewpoint of obtaining a higher flame resistance-promoting effect with a small amount of blending, and a carboxyl group-containing vinyl monomer such as acrylic acid, methacrylic acid, and itaconic acid is more preferable. . By copolymerizing such a monomer, the time required for the flameproofing step described later can be shortened, and the production cost can be reduced. The above-mentioned monomers can be used alone or in combination of two or more.
The composition ratio of the monomer having the effect of promoting flame resistance is preferably 0.5 to 2.0% by mass in the acrylonitrile-based polymer.
前駆体繊維は、油剤組成物を付着させたものである。
油剤組成物は、前駆体繊維に求める機能等を勘案して決定でき、例えば、シリコーン系油剤組成物が好ましい。シリコーン系油剤組成物としては、例えば、アミノ変性シリコーン、エポキシ変性シリコーン等のシリコーンオイルが挙げられ、中でもアミノ変性シリコーンが好ましい。アミノ変性シリコーンとしては、側鎖1級アミノ変性シリコーン、側鎖1,2級アミノ変性シリコーン、あるいは両末端アミノ変性シリコーンが挙げられる。このようなシリコーン系油剤組成物を用いることで、紡糸工程での繊維の集束性が増し、高い製造効率で生産でき、機械的物性に優れた炭素繊維を得ることができる。
Precursor fibers are those to which an oil composition is attached.
The oil agent composition can be determined in consideration of the function required for the precursor fiber, and for example, a silicone oil agent composition is preferable. Examples of the silicone-based oil composition include silicone oils such as amino-modified silicone and epoxy-modified silicone. Of these, amino-modified silicone is preferable. Examples of the amino-modified silicone include side-chain primary amino-modified silicone, side-chain primary and secondary amino-modified silicone, and both-end amino-modified silicone. By using such a silicone-based oil composition, it is possible to obtain carbon fibers that can be produced with high production efficiency and have excellent mechanical properties by increasing the fiber converging property in the spinning process.
前駆体繊維における油剤組成物の付着量は、前駆体繊維の乾燥質量に対して0.1〜2.0質量%であることが好ましく、0.5〜1.5質量%であることがさらに好ましい。油剤組成物の付着量が0.1質量%未満であると、油剤組成物の機能を十分に発現させることが困難になる場合がある。油剤組成物の付着量が2.0質量%を超えると、余分に付着した油剤組成物が、焼成工程において高分子化して単繊維間の接着の誘因となる場合がある。 The adhesion amount of the oil composition in the precursor fiber is preferably 0.1 to 2.0% by mass, and more preferably 0.5 to 1.5% by mass with respect to the dry mass of the precursor fiber. preferable. When the adhesion amount of the oil composition is less than 0.1% by mass, it may be difficult to sufficiently develop the function of the oil composition. When the adhesion amount of the oil agent composition exceeds 2.0% by mass, the excessively adhered oil agent composition may be polymerized in the firing step to cause adhesion between single fibers.
(鉄元素の添加)
前駆体繊維に含有又は付着する鉄元素は、鉄イオン、鉄化合物等あらゆる形態で含有又は付着している鉄元素である。鉄元素の添加方法は特に限定しないが、ポリマーを溶媒に溶かす原液工程にて、硝酸鉄(III)等の金属塩を添加する方法や、油剤に硝酸鉄(III)等の金属塩を添加し付着することで、炭素繊維前駆体アクリル繊維に鉄元素を保持させることができる。
(Addition of iron element)
The iron element contained or attached to the precursor fiber is an iron element contained or attached in any form such as iron ions and iron compounds. The method of adding the iron element is not particularly limited, but a method of adding a metal salt such as iron (III) nitrate in the stock solution step in which the polymer is dissolved in a solvent, or a metal salt such as iron (III) nitrate is added to the oil agent. By adhering, the iron element can be held in the carbon fiber precursor acrylic fiber.
(製造方法)
本発明の前駆体繊維の製造方法は、原液工程と、アクリロニトリル系重合体溶液を紡糸する紡糸工程と、得られた繊維に前記油剤分散液を含浸する工程とを有するものである。
(Production method)
The method for producing a precursor fiber of the present invention includes a stock solution step, a spinning step of spinning an acrylonitrile-based polymer solution, and a step of impregnating the obtained fiber with the oil dispersion.
〔原液工程〕
アクリロニトリル系重合体溶液は、アクリロニトリル系重合体溶液を溶媒に溶解した紡糸原液である。
溶剤は、アクリロニトリル系重合体の種類等を勘案して決定でき、例えば、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等の有機溶剤、塩化亜鉛、チオシアン酸ナトリウム等の無機化合物の水溶液が挙げられ、中でもジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドが緻密な前駆体繊維が得られる点で好ましい。
[Undiluted solution process]
The acrylonitrile polymer solution is a spinning dope obtained by dissolving an acrylonitrile polymer solution in a solvent.
The solvent can be determined in consideration of the type of acrylonitrile polymer, and examples thereof include organic solvents such as dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, and aqueous solutions of inorganic compounds such as zinc chloride and sodium thiocyanate. Acetamide, dimethyl sulfoxide, and dimethylformamide are preferable in that a dense precursor fiber can be obtained.
アクリロニトリル系重合体溶液のアクリロニトリル系重合体の濃度は、特に限定されないが、例えば、17〜25質量%が好ましく、19〜25質量%がより好ましい。17質量%以上であれば、緻密な凝固糸を得ることができ、25質量%以下であれば紡糸原液として適度な粘度と流動性が得られるためである。 The concentration of the acrylonitrile polymer in the acrylonitrile polymer solution is not particularly limited, but is preferably 17 to 25% by mass, and more preferably 19 to 25% by mass. If the content is 17% by mass or more, a dense coagulated yarn can be obtained, and if it is 25% by mass or less, an appropriate viscosity and fluidity can be obtained as a spinning dope.
[紡糸工程]
紡糸工程は、アクリロニトリル系重合体溶液を紡出し、繊維(凝固糸)を得る工程である。紡糸方法としては、例えば、直接凝固浴中に紡出して凝固させる湿式紡糸法、空気中で凝固させる乾式紡糸法、一旦、空気中に紡出した後、凝固浴中で凝固させる乾湿式紡糸法等、公知の紡糸方法が挙げられる。中でも、炭素繊維の強度及び弾性率をより向上させる観点から、湿式紡糸法又は乾湿式紡糸法が好ましい。
[Spinning process]
The spinning step is a step of spinning an acrylonitrile polymer solution to obtain fibers (coagulated yarn). As the spinning method, for example, a wet spinning method in which spinning is directly performed in a coagulation bath, a dry spinning method in which coagulation is performed in air, and a dry wet spinning method in which spinning is performed once in air and then coagulated in a coagulation bath. For example, a known spinning method can be used. Among these, from the viewpoint of further improving the strength and elastic modulus of the carbon fiber, the wet spinning method or the dry wet spinning method is preferable.
湿式紡糸法又は乾湿式紡糸法による紡糸賦形は、上記のアクリロニトリル系重合体溶液を略円形断面の孔を有するノズルより凝固浴中に紡出する方法が挙げられる。 Examples of the spinning shaping by the wet spinning method or the dry-wet spinning method include a method in which the acrylonitrile-based polymer solution is spun into a coagulation bath from a nozzle having a substantially circular cross section.
凝固浴としては、アクリロニトリル系重合体溶液に用いられる溶剤を含む水溶液を用いることが好ましい。このような凝固浴が、溶剤回収の容易さの観点から好ましい。 As the coagulation bath, it is preferable to use an aqueous solution containing a solvent used for an acrylonitrile-based polymer solution. Such a coagulation bath is preferred from the viewpoint of easy solvent recovery.
凝固浴として溶剤を含む水溶液を用いる場合、該水溶液中の溶剤濃度は、50〜85質量%が好ましい。上記範囲内であれば、前駆体繊維をボイド発生のない緻密な構造とし、高強度、高弾性率の炭素繊維を得られる。加えて、延伸性が確保でき生産性に優れるためである。 When using the aqueous solution containing a solvent as a coagulation bath, the solvent concentration in the aqueous solution is preferably 50 to 85% by mass. If it is in the said range, a precursor fiber will be made into the precise | minute structure without a void generation | occurrence | production, and a carbon fiber with high strength and a high elastic modulus can be obtained. In addition, stretchability can be secured and productivity is excellent.
凝固浴の温度は、特に限定されないが、10〜60℃が好ましい。上記範囲内であれば、前駆体繊維をボイド発生のない緻密な構造とし、高強度、高弾性率の炭素繊維を得られる。加えて、延伸性が確保でき生産性に優れるためである。 Although the temperature of a coagulation bath is not specifically limited, 10-60 degreeC is preferable. If it is in the said range, a precursor fiber will be made into the precise | minute structure without a void generation | occurrence | production, and a carbon fiber with high strength and a high elastic modulus can be obtained. In addition, stretchability can be secured and productivity is excellent.
紡糸工程では、凝固糸を凝固浴中又は延伸浴中で延伸することができる。あるいは、凝固糸を空中で延伸した後、再度、浴中で延伸することができる。また、あるいは、延伸の前後又は延伸中に水洗し、凝固糸を水膨潤状態とすることができる。 In the spinning process, the coagulated yarn can be drawn in a coagulation bath or a drawing bath. Alternatively, the coagulated yarn can be drawn in the air and then drawn again in the bath. Alternatively, the coagulated yarn can be made into a water-swollen state by washing with water before or after stretching or during stretching.
延伸浴は、例えば、水又はアクリロニトリル系重合体溶液に用いられる溶剤を含む水溶液等が挙げられる。 Examples of the stretching bath include water and an aqueous solution containing a solvent used for an acrylonitrile-based polymer solution.
延伸は、50〜98℃の凝固浴又は延伸浴に凝固糸を入れ、凝固糸に張力を掛けることで行われる。延伸は、例えば、1回で所望の倍率としてもよいし、2回以上に分けて多段に延伸することで所望の倍率としてもよい。例えば、空中での延伸と延伸浴中での延伸を組み合わせ、合計で5〜15倍に延伸することが好ましい。このように延伸することで、炭素繊維の高強度化、高弾性率が図れる。 Drawing is performed by putting the coagulated yarn in a coagulation bath of 50 to 98 ° C. or a drawing bath and applying tension to the coagulated yarn. For example, the stretching may be performed at a desired ratio once, or may be performed at a desired ratio by stretching in two or more stages. For example, it is preferable that stretching in the air and stretching in the stretching bath are combined and stretched 5 to 15 times in total. By stretching in this way, the carbon fiber can be increased in strength and elastic modulus.
[油剤付着工程]
油剤付着工程は、紡糸工程で得られた繊維に、油剤分散液を含浸させ、油剤を付着させる工程である。油剤の種類は特に限定されないが、アミノシリコーン系油剤が好適に使用される。
油剤を付着させる繊維は、凝固糸であり、例えば、前述の浴中延伸後、浴中延伸又は洗浄を行った後に得られる水膨潤状態にある凝固糸であることが好ましい。
[Oil agent adhesion process]
The oil agent attaching step is a step in which the fiber obtained in the spinning step is impregnated with the oil agent dispersion and the oil agent is attached. Although the kind of oil agent is not specifically limited, Amino silicone type oil agent is used suitably.
The fiber to which the oil agent is attached is a coagulated yarn, and is preferably a coagulated yarn in a water-swollen state obtained after stretching in the bath, or after stretching in the bath or washing.
油剤分散液を凝固糸に含浸する方法としては、ローラー法、ガイド法、スプレー法、ディップ法等、公知の方法を用いることができる。ローラー法は、ローラーをその軸方向が水平となる様に設置し、該ローラーの下方を油剤分散液に浸漬させ、該ローラーの上方に凝固糸を接触させながら進行させる方法である。ガイド法は、ポンプで一定量の油剤分散液をガイドから吐出し、該ガイド表面に凝固糸を接触させるものである。スプレー法は、ノズルから一定量の油剤分散液を凝固糸に噴射するものである。ディップ法は、油剤分散液の中に凝固糸を浸漬した後にローラー等で絞って余分な油剤分散液を除去するものである。
均一付着の観点から、凝固糸に十分に油剤分散液を含浸させ、余分な油剤分散液を除去するディップ法が好ましい。
As a method for impregnating the coagulated yarn with the oil dispersion, known methods such as a roller method, a guide method, a spray method, a dip method, and the like can be used. The roller method is a method in which a roller is placed so that its axial direction is horizontal, the lower part of the roller is immersed in an oil dispersion, and the coagulated yarn is brought into contact with the upper part of the roller. In the guide method, a fixed amount of oil dispersion is discharged from a guide by a pump, and the coagulated yarn is brought into contact with the surface of the guide. In the spray method, a certain amount of oil dispersion is sprayed from a nozzle onto a coagulated yarn. In the dip method, the coagulated yarn is immersed in the oil dispersion and then squeezed with a roller or the like to remove excess oil dispersion.
From the viewpoint of uniform adhesion, a dip method is preferred in which the coagulated yarn is sufficiently impregnated with the oil dispersion and the excess oil dispersion is removed.
油剤付着工程は、上述の方法により、油剤分散液の含浸を1回としてもよく、上述の方法を2回以上繰り返す多段処理としてもよい。より均一に凝固糸に油剤を付着させる観点から、多段処理とすることが好ましい。
こうして、凝固糸に油剤が付着された前駆体繊維を製造することができる。
In the oil agent attaching step, the impregnation of the oil agent dispersion may be performed once by the above-described method, or may be a multistage process in which the above-described method is repeated twice or more. From the viewpoint of more uniformly attaching the oil agent to the coagulated yarn, multistage treatment is preferable.
Thus, a precursor fiber in which an oil agent is attached to the coagulated yarn can be produced.
[乾燥工程]
本発明の前駆体繊維は、油剤付着工程で得られたものをそのまま炭素繊維の製造に供してもよいし、油脂付着工程の後段に乾燥工程を設け、前駆体繊維を乾燥緻密化してもよい。
[Drying process]
The precursor fiber of the present invention may be subjected to the production of carbon fiber as it is obtained in the oil agent attaching step, or may be provided with a drying step after the oil attaching step to dry and densify the precursor fiber. .
乾燥工程は、従来公知の方法で前駆体繊維を乾燥でき、例えば、加熱ローラーによる乾燥が好ましい乾燥方法として挙げられる。なお、加熱ローラーの数量は1個であっても2個以上であってもよい。 A drying process can dry precursor fiber by a conventionally well-known method, for example, drying with a heating roller is mentioned as a preferable drying method. Note that the number of heating rollers may be one or two or more.
乾燥工程における乾燥温度は、前駆体繊維のガラス転移温度を超えた温度とすることが好ましい。このような乾燥温度で処理することで、前駆体繊維の乾燥と緻密化が達成できる。乾燥温度は前駆体繊維の含水量の変動により異なるが、例えば、100〜200℃の範囲で決定することが好ましい。 The drying temperature in the drying step is preferably a temperature exceeding the glass transition temperature of the precursor fiber. By treating at such a drying temperature, drying and densification of the precursor fiber can be achieved. Although drying temperature changes with fluctuation | variation of the moisture content of a precursor fiber, it is preferable to determine in the range of 100-200 degreeC, for example.
乾燥工程では、前駆体繊維を乾燥した後、さらに加圧水蒸気延伸することができる。加圧水蒸気延伸することで、前駆体繊維の緻密性や配向度をさらに高め、炭素繊維のさらなる高強度化、高弾性率化が図れる。加圧水蒸気延伸とは、加圧水蒸気雰囲気中で延伸を行う方法である。加圧水蒸気延伸によれば、高倍率の延伸が可能であり、より高速で安定な紡糸が行えると同時に、得られる繊維の緻密性や配向度向上にも寄与する。 In the drying step, the precursor fiber can be dried and then subjected to pressurized steam stretching. By performing the steam stretching under pressure, the denseness and orientation degree of the precursor fiber can be further increased, and the carbon fiber can be further increased in strength and elastic modulus. Pressurized steam stretching is a method of stretching in a pressurized steam atmosphere. According to pressurized steam drawing, drawing at a high magnification is possible, stable spinning can be performed at a higher speed, and at the same time, it contributes to improving the denseness and orientation degree of the obtained fiber.
加圧水蒸気延伸は、例えば、前駆体繊維を加熱ローラーで予備加熱した後、加圧水蒸気の存在下で前駆繊維に張力を加える方法が挙げられる。このような加圧水蒸気延伸において、加圧水蒸気延伸装置の直前の加熱ローラーの温度を120〜190℃とし、前駆体繊維を予熱することが好ましい。加熱ローラーの温度が120℃未満では前駆体繊維の温度が十分に上がらず延伸性が低下する。 The pressurized steam stretching includes, for example, a method in which the precursor fiber is preheated with a heating roller and then tension is applied to the precursor fiber in the presence of pressurized steam. In such pressurized steam stretching, it is preferable to preheat the precursor fiber by setting the temperature of the heating roller immediately before the pressurized steam stretching apparatus to 120 to 190 ° C. When the temperature of the heating roller is less than 120 ° C., the temperature of the precursor fiber does not rise sufficiently and the drawability is lowered.
また、加圧水蒸気延伸における水蒸気圧力の変動率を0.5%以下に制御することが好ましい。 Moreover, it is preferable to control the fluctuation rate of the water vapor pressure in the pressurized water vapor stretching to 0.5% or less.
このように、加熱ローラーの温度と水蒸気圧力の変動率を制御することで、前駆体繊維になされる延伸倍率の変動及び該変動により発生するトウ繊度の変動を抑制することができる。 Thus, by controlling the fluctuation rate of the temperature of the heating roller and the water vapor pressure, it is possible to suppress the fluctuation of the draw ratio made to the precursor fiber and the fluctuation of the tow fineness caused by the fluctuation.
加圧水蒸気延伸における水蒸気の圧力は、加熱ローラーによる延伸の抑制や加圧水蒸気延伸法の特徴が明確に現れるようにするため、200kPa/g以上が好ましい。この水蒸気圧は、処理時間を勘案して適宜調節することが好ましく、高圧にすると水蒸気の漏れが増大したりする場合があるので、工業的には600kPa/g程度以下が好ましい。 The pressure of water vapor in the pressurized water vapor stretching is preferably 200 kPa / g or more so that the stretching of the heated roller and the characteristics of the pressurized water vapor stretching method appear clearly. The water vapor pressure is preferably adjusted as appropriate in consideration of the treatment time. If the pressure is high, leakage of water vapor may increase. Therefore, it is preferably about 600 kPa / g or less industrially.
乾燥工程の後、前駆体繊維は、室温のロール等を通すことにより、常温の状態まで冷却する。冷却した前駆体繊維は、ワインダーでボビンに巻き取られ、あるいはケンスに振込まれて収納され、炭素繊維の製造に供される。 After the drying step, the precursor fiber is cooled to a normal temperature state by passing it through a room temperature roll or the like. The cooled precursor fiber is wound around a bobbin by a winder, or transferred into a can and stored, and used for the production of carbon fiber.
[焼成工程]
焼成工程は、前駆体繊維を焼成し、炭素繊維を得るものである。焼成工程は、耐炎化処理と炭化処理とからなり、必要に応じて黒鉛化処理が設けられる。焼成工程における各処理の条件は特に限定されないが、繊維内部にボイド等の構造的欠陥が発生しにくい条件を設定するのが好ましい。
[Baking process]
In the firing step, the precursor fibers are fired to obtain carbon fibers. A baking process consists of a flame-proofing process and a carbonization process, and a graphitization process is provided as needed. The conditions for each treatment in the firing step are not particularly limited, but it is preferable to set conditions under which structural defects such as voids are unlikely to occur inside the fiber.
<耐炎化処理>
耐炎化処理は、前駆体繊維を酸化性雰囲気中で緊張あるいは延伸条件下で、任意の時間加熱し、耐炎化繊維とするものである。耐炎化処理の方法は、例えば、熱風循環方式、多孔板表面を有する固定熱板方式等が挙げられる。
耐炎化処理の加熱温度は、例えば200〜300℃とされる。
耐炎化処理では、耐炎化繊維の密度が1.30g/cm3〜1.50g/cm3になるまで処理することが好ましい。
<Flame resistance treatment>
In the flameproofing treatment, the precursor fiber is heated for an arbitrary time under tension or stretching conditions in an oxidizing atmosphere to form a flameproof fiber. Examples of the flameproofing method include a hot air circulation method and a fixed hot plate method having a porous plate surface.
The heating temperature of the flameproofing treatment is, for example, 200 to 300 ° C.
In flame-resistant treatment is preferably the density of the oxidized fiber is processed until the 1.30g / cm 3 ~1.50g / cm 3 .
<炭化処理>
炭化処理は、耐炎化処理で得られた耐炎化繊維を不活性ガス雰囲気下で加熱することで、炭素繊維を得るものである。炭化処理は、前炭素化操作と炭素化操作とからなる。
前炭素化操作は、最高温度550〜800℃の不活性ガス雰囲気中、緊張下で、300〜500℃の温度領域においては、500℃/分以下、好ましくは300℃/分以下の昇温速度で、耐炎化繊維を加熱し前炭素化繊維とする。この前炭素化操作により、炭素繊維の機械的特性を向上できる。
不活性ガスは、窒素、アルゴン、ヘリウム等、公知の不活性ガスを採用できるが、経済性の面から窒素が望ましい。
炭素化操作は、1200〜3000℃の不活性雰囲気中、1000〜1200℃の温度領域において、500℃/分以下、好ましくは300℃/分以下の昇温速度で、前炭素化繊維を加熱し炭素繊維とする。この炭素化操作により、炭素繊維の機械的特性を向上できる。
雰囲気ガスは、前炭素化操作の雰囲気ガスと同様である。
<Carbonization treatment>
In the carbonization treatment, the carbon fiber is obtained by heating the flame resistant fiber obtained by the flame resistance treatment in an inert gas atmosphere. Carbonization treatment consists of a pre-carbonization operation and a carbonization operation.
The pre-carbonization operation is performed under a tension in an inert gas atmosphere having a maximum temperature of 550 to 800 ° C., and in a temperature range of 300 to 500 ° C., the heating rate is 500 ° C./min or less, preferably 300 ° C./min or less. Then, the flame resistant fiber is heated to be pre-carbonized fiber. This pre-carbonization operation can improve the mechanical properties of the carbon fiber.
As the inert gas, a known inert gas such as nitrogen, argon, helium or the like can be adopted, but nitrogen is desirable in terms of economy.
The carbonization operation is performed by heating the pre-carbonized fiber at a temperature increase rate of 500 ° C./min or less, preferably 300 ° C./min or less in a temperature range of 1000 to 1200 ° C. in an inert atmosphere of 1200 to 3000 ° C. Carbon fiber. This carbonization operation can improve the mechanical properties of the carbon fiber.
The atmospheric gas is the same as that of the pre-carbonization operation.
<表面処理>
得られた炭素繊維は、さらに、表面処理されることにより、複合材料のマトリックスとの接着性の改善が図られる。表面処理方法としては、気相、液相処理を用いることができるが、生産性、バラツキなどから、電解処理が好ましい。電解処理に用いられる電解液としては、硫酸、硝酸、塩酸といった酸、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といったアルカリあるいはそれらの塩を用いることができるが、より好ましくはアンモニウムイオンを含む水溶液が好ましい。例えば、硝酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、過硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、燐酸2水素アンモニウム、燐酸水素2アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウム、あるいは、それらの混合物を用いることができる。
電解処理の電気量は、使用する炭素繊維により異なり、例えば、炭化度の高い炭素繊維ほど、高い通電電気量が必要となる。
得られた炭素繊維は、さらに、必要に応じて、サイジング処理がなされる。サイジング剤には、マトリックスとの相溶性の良いサイジング剤が好ましく、マトリックスに合せて選択される。
これらの表面処理を施すことにより、炭素繊維とマトリックスとの接着が、適正なレベルとなるため、縦および横方向にバランスのとれた機械的特性が発現される。
<Surface treatment>
The obtained carbon fiber is further subjected to a surface treatment to improve the adhesion to the matrix of the composite material. As the surface treatment method, a gas phase or a liquid phase treatment can be used, but electrolytic treatment is preferable from the viewpoint of productivity and variation. As an electrolytic solution used for the electrolytic treatment, an acid such as sulfuric acid, nitric acid or hydrochloric acid, an alkali such as sodium hydroxide, potassium hydroxide or tetraethylammonium hydroxide or a salt thereof can be used, but more preferably contains an ammonium ion. An aqueous solution is preferred. For example, ammonium nitrate, ammonium sulfate, ammonium persulfate, ammonium chloride, ammonium bromide, ammonium dihydrogen phosphate, ammonium dihydrogen phosphate, ammonium hydrogen carbonate, ammonium carbonate, or a mixture thereof can be used.
The amount of electricity in the electrolytic treatment varies depending on the carbon fiber used. For example, the higher the degree of carbonization, the higher the amount of electricity that needs to be supplied.
The obtained carbon fiber is further subjected to sizing treatment as necessary. The sizing agent is preferably a sizing agent having good compatibility with the matrix, and is selected according to the matrix.
By performing these surface treatments, the adhesion between the carbon fibers and the matrix becomes an appropriate level, and thus mechanical properties balanced in the vertical and horizontal directions are exhibited.
(色差の求め方)
本特許記載の鉄元素を含む炭素繊維前駆アクリル繊維を熱処理すると、通常の炭素繊維前駆アクリル繊維を同条件の熱処理したものと比較して濃い色となる。これら熱処理後の繊維の色差の求め方は特には限定しないが、例えば、色差計にてL*、a*、b*を求め、色差=(L*×L*+a*×a*+b*×b*)1/2にて求めることが出来る。
(How to find the color difference)
When the carbon fiber precursor acrylic fiber containing an iron element described in this patent is heat-treated, the color becomes darker than that obtained by heat-treating a normal carbon fiber precursor acrylic fiber under the same conditions. The method for obtaining the color difference of the fibers after the heat treatment is not particularly limited. For example, L *, a *, and b * are obtained by a color difference meter, and the color difference = (L * × L * + a * × a * + b * ×). b *) Can be obtained by 1/2 .
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples, but the present invention is not limited thereto.
(測定方法)
[前駆体繊維に含まれる鉄元素の含有量]
前駆体繊維2gを白金製ルツボに秤量後、ホットプレート上で煙が出なくなるまで加熱する。さらに600℃マッフル炉内に移して灰化させる。濃塩酸/水(1:1)2mlを加えて、ホットプレート上で灰を溶解し、濃縮・乾固直前まで加熱する。0.1mol/l塩酸水溶液に溶解後、10mlにメスップする。ICP発光分光分析法で鉄元素量を測定する。
ICP発光分析は、CID高周波プラズマ発光分光分析装置(サーモエレクトロン(株)製、型番:IRIS-AP advantage)を用い測定した。
(Measuring method)
[Content of iron element contained in precursor fiber]
After weighing 2 g of the precursor fiber in a platinum crucible, it is heated on the hot plate until no smoke is produced. Further, it is transferred to a 600 ° C. muffle furnace and incinerated. Add 2 ml of concentrated hydrochloric acid / water (1: 1) to dissolve the ash on a hot plate, and heat until just before concentration and drying. After dissolving in 0.1 mol / l hydrochloric acid aqueous solution, it is made into 10 ml. The amount of iron element is measured by ICP emission spectroscopy.
The ICP emission analysis was measured using a CID high-frequency plasma emission spectrometer (manufactured by Thermo Electron Co., Ltd., model number: IRIS-AP advantage).
[炭素繊維ストランド強度、弾性率]
炭素繊維ストランド強度及び弾性率は、JIS−R−7608に準じたエポキシ樹脂含浸炭素繊維ストランド法に準じて測定した。なお、測定回数は10回とし、その平均値を評価の対象とした。
[Carbon fiber strand strength, elastic modulus]
The carbon fiber strand strength and elastic modulus were measured according to an epoxy resin-impregnated carbon fiber strand method according to JIS-R-7608. The number of measurements was 10 times, and the average value was used as an evaluation target.
[色差]
目的の糸を、3cm×3cmの板に板が見えなくなるまで巻きつけ測定サンプルを作成した。次に、日本電色製のSE−2000にて光源はC/2、スポットサイズは0.6mmにて測定を行った。測定はn=7で行い、最も大きな値及び最も小さな値の2点を除き、残りを平均してL*、a*、b*を求めた。次に、対象となる鉄含量が低く、強度低下の無いプレカーサーのL*、a*、b*と検査対照となるプレカーサーL*、a*、b*より、色差=(L*×L*+a*×a*+b*×b*)1/2の式に当てはめ色差を得た。
[Color difference]
The target yarn was wound around a 3 cm × 3 cm plate until the plate disappeared to prepare a measurement sample. Next, measurement was performed with SE-2000 manufactured by Nippon Denshoku Co., Ltd. with a light source of C / 2 and a spot size of 0.6 mm. The measurement was performed at n = 7, and two points of the largest value and the smallest value were excluded, and the rest were averaged to obtain L *, a *, and b *. Next, color difference = (L * × L * + a) from the precursor L *, a *, b * and the precursor L *, a *, b *, which are the low iron content and no decrease in strength * × a * + b * × b *) A color difference was obtained by applying the equation of 1/2 .
[繊維の熱処理]
大気中、前駆体繊維束に対して風向きを垂直方向とし、その風速を0.5m/secに制御した熱風循環型加熱炉を使用し、炉の入口および出口に幅5mmの溝ロールを設置することにより前駆体繊維束の幅を規制して、炉内での処理温度200℃、かつ1.5g/texの荷重下にて7分間熱処理を行った。
[Fiber heat treatment]
In the atmosphere, a hot air circulation type heating furnace in which the wind direction is perpendicular to the precursor fiber bundle and the wind speed is controlled to 0.5 m / sec is used, and groove rolls with a width of 5 mm are installed at the inlet and outlet of the furnace. Thus, the width of the precursor fiber bundle was regulated, and heat treatment was performed for 7 minutes under a treatment temperature of 200 ° C. in a furnace and a load of 1.5 g / tex.
(参考例1)
[アクリロニトリル系重合体の製造]
オーバーフロー式の重合容器内が常に脱イオン交換水74.75質量%、モノマー25質量%(組成比はアクリロニトリル(AN):アクリルアミド(AAm):メタクリル酸(MAA)=96質量%:3質量%:1質量%)と、過硫酸アンモニウム0.1質量%、亜硫酸水素アンモニウム0.15質量%、硫酸第一鉄7水和物2ppmになるようそれぞれの原料を連続して供給すると同時にpHを3.0になるよう硫酸を適量添加し、容器内温度を50℃に維持しながら撹拌した。オーバーフローした重合スラリーを洗浄、乾燥してAN/AAm/MAA=96.5/2.7/0.8(質量比)からなるアクリロニトリル系重合体を得た。
(Reference Example 1)
[Production of acrylonitrile polymer]
The inside of the overflow type polymerization vessel is always 74.75% by mass of deionized water and 25% by mass of monomer (composition ratio is acrylonitrile (AN): acrylamide (AAm): methacrylic acid (MAA) = 96% by mass: 3% by mass: 1% by mass), ammonium persulfate 0.1% by mass, ammonium hydrogen sulfite 0.15% by mass, and ferrous sulfate heptahydrate 2ppm. A suitable amount of sulfuric acid was added so that the temperature in the vessel was maintained, and stirring was performed while maintaining the temperature in the vessel at 50 ° C. The overflowed polymerization slurry was washed and dried to obtain an acrylonitrile-based polymer having AN / AAm / MAA = 96.5 / 2.7 / 0.8 (mass ratio).
[アクリロニトリル系重合体溶液(紡糸原液)の製造]
上記で得たアクリロニトリル系重合体21.2質量%、ジメチルホルムアミド78.8質量%を混合し、加熱溶解して紡糸原液を得た。
[Production of acrylonitrile polymer solution (spinning stock solution)]
21.2% by mass of the acrylonitrile polymer obtained above and 78.8% by mass of dimethylformamide were mixed and dissolved by heating to obtain a spinning dope.
[油剤分散液の製造]
PTFE製容器内にてアミノ変性シリコーン(信越化学工業(株)製、商品名:KF−8002)100質量部に、乳化剤(花王(株)製、製品名:エマルゲン108)40質量部を混合した後、水25質量部を添加しながらPTFEコーティングしたホモミキサーで攪拌しゲルを得た。このゲルをホモミキサーで攪拌しながらアミノ変性シリコーンを乳化剤に対して8当量になるように添加した。次いで、水:アミノ変性シリコーン:乳化剤(質量比)=98.65:1.2:0.15になるようにホモミキサーで攪拌しながら水を加え、油剤分散液を得た。
[Production of oil dispersion]
In a PTFE container, 100 parts by mass of amino-modified silicone (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., trade name: KF-8002) was mixed with 40 parts by mass of an emulsifier (manufactured by Kao Corporation, product name: Emulgen 108). Thereafter, the mixture was stirred with a homomixer coated with PTFE while adding 25 parts by mass of water to obtain a gel. While stirring this gel with a homomixer, amino-modified silicone was added so as to be 8 equivalents to the emulsifier. Subsequently, water was added while stirring with a homomixer so that water: amino-modified silicone: emulsifier (mass ratio) = 98.65: 1.2: 0.15 to obtain an oil dispersion.
[前駆体繊維の製造]
上記紡糸原液を濃度67質量%、温度38℃のジメチルアセトアミド水溶液からなる凝固浴中に、孔径75μm、孔数6000の紡糸ノズルより吐出し凝固糸を得た。得られた凝固糸を空気中で1.1倍に延伸し、続いて熱水中で3.0倍に延伸しながら洗浄、脱溶剤した。脱溶剤した凝固糸を上記油剤分散液中に浸漬し、140℃の加熱ローラーで緻密乾燥化した。次いで、圧力0.22MPaの蒸気中で3.0倍に延伸し、捲取速度100m/分にて単繊度1.2dtexの円形断面を有する前駆体繊維を製造した。製造した前駆体繊維の鉄元素の量は、0.4ppmであった。
[Precursor fiber production]
The spinning solution was discharged into a coagulation bath composed of an aqueous dimethylacetamide solution having a concentration of 67% by mass and a temperature of 38 ° C. from a spinning nozzle having a pore diameter of 75 μm and a hole number of 6000 to obtain a coagulated yarn. The obtained coagulated yarn was stretched 1.1 times in air, then washed and desolvated while being stretched 3.0 times in hot water. The solvent-removed coagulated yarn was immersed in the oil dispersion and densely dried with a 140 ° C. heating roller. Next, a precursor fiber having a circular cross section with a single fineness of 1.2 dtex was produced at a drawing speed of 100 m / min by stretching 3.0 times in steam at a pressure of 0.22 MPa. The amount of iron element in the produced precursor fiber was 0.4 ppm.
[炭素繊維の製造]
前駆体繊維を、220〜260℃の温度勾配を有する耐炎化炉に通し(耐炎化処理)、窒素雰囲気中で400〜1300℃の温度勾配を有する炭素化炉で焼成した(炭素化処理)。その後、電解酸化処理、サイジング処理を施し、炭素繊維とした。得られた炭素繊維のストランド強度は5.8GPa、弾性率は280GPaとなった。
[Manufacture of carbon fiber]
The precursor fiber was passed through a flameproofing furnace having a temperature gradient of 220 to 260 ° C. (flameproofing treatment) and fired in a carbonization furnace having a temperature gradient of 400 to 1300 ° C. in a nitrogen atmosphere (carbonization treatment). Thereafter, electrolytic oxidation treatment and sizing treatment were performed to obtain carbon fibers. The obtained carbon fiber had a strand strength of 5.8 GPa and an elastic modulus of 280 GPa.
(実施例1)
10%以下の強度低下に収まる含量の鉄を含んだ、炭素繊維前駆体及び炭素繊維の製造と各種測定。
油剤分散液中の鉄元素量が0.3×10−6g/gとなるように硝酸鉄(III)を油剤分散液に添加した以外は、参考例1と同様にして炭素繊維を得た。製造した前駆体繊維の鉄元素の量は、0.9ppmであった。得られた炭素繊維のストランド強度は5.7GPa、弾性率は270GPa、参考例1の炭素繊維前駆体と共に熱処理を行った際の色差は3.0であった。強度低下率は1.8%であった。
Example 1
Manufacture and various measurements of carbon fiber precursors and carbon fibers containing iron in a content that falls within 10% strength reduction.
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Reference Example 1 except that iron (III) nitrate was added to the oil dispersion so that the amount of iron element in the oil dispersion was 0.3 × 10 −6 g / g. . The amount of iron element in the produced precursor fiber was 0.9 ppm. The obtained carbon fiber had a strand strength of 5.7 GPa, an elastic modulus of 270 GPa, and a color difference of 3.0 when heat-treated with the carbon fiber precursor of Reference Example 1. The strength reduction rate was 1.8%.
(実施例2)
10%以上の強度低下を引き起こす鉄元素を含んだ炭素繊維前駆体及び炭素繊維の製造と各種測定。
油剤分散液中の鉄元素量が2.0×10−6g/gとなるように硝酸鉄(III)を油剤分散液に添加した以外は、参考例1と同様にして炭素繊維を得た。製造した前駆体繊維の鉄元素の量は、6.3ppmであった。得られた炭素繊維のストランド強度は5.0GPa、弾性率は240GPaとなった。参考例1の炭素繊維前駆体と共に熱処理を行った際の色差は12.0であった。強度低下率は13.8%であった。
(Example 2)
Manufacture and various measurements of carbon fiber precursors and carbon fibers containing iron elements that cause a strength drop of 10% or more.
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Reference Example 1 except that iron (III) nitrate was added to the oil dispersion so that the amount of iron element in the oil dispersion was 2.0 × 10 −6 g / g. . The amount of iron element in the produced precursor fiber was 6.3 ppm. The obtained carbon fiber had a strand strength of 5.0 GPa and an elastic modulus of 240 GPa. The color difference when heat-treated with the carbon fiber precursor of Reference Example 1 was 12.0. The strength reduction rate was 13.8%.
以上の結果から、熱処理を行い、色差を測定することにより鉄元素の影響により強度低下が起こる可能性のある炭素繊維前駆体アクリル繊維を見分けることができる。実施例1の値を用いれば1.8%の強度低下を見分けることが出来、実施例2の値を用いれば13.8%の強度低下を見分けることが出来る。 From the above results, it is possible to discriminate a carbon fiber precursor acrylic fiber that may undergo strength reduction due to the influence of iron element by performing heat treatment and measuring the color difference. If the value of Example 1 is used, the strength reduction of 1.8% can be discerned, and if the value of Example 2 is used, the strength reduction of 13.8% can be discerned.
Claims (1)
(1)鉄分を0.5ppm未満含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維および鉄分を0.5ppm以上含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維を同じ焼成条件で焼成して、炭素繊維を得る工程、
(2)前記(1)で得たそれぞれの炭素繊維のストランド強度を求めて、前記鉄分を0.5ppm未満含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維を焼成して得た炭素繊維のストランド強度に対して、前記鉄分を0.5ppm以上含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維を焼成して得た炭素繊維のストランド強度の強度低下率が0.5%以上20%以下となる鉄分の含有率を求める工程、
(3)鉄分を0.5ppm未満含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維および前記強度低下率が0.5%以上20%以下となる鉄分を含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維を、温度が180〜300℃、時間が1〜20分の同じ条件で熱処理する工程、
(4)前記(3)で得た熱処理した繊維の色差を色差計により求める工程、
(5)前記(4)で得た色差を基準として、工程異常を検知する工程。 A quality control method for carbon fiber precursor acrylic fibers comprising at least the following steps (1) to (5).
(1) A step of firing carbon fiber precursor acrylic fiber containing less than 0.5 ppm of iron and a carbon fiber precursor acrylic fiber containing more than 0.5 ppm of iron under the same firing conditions to obtain carbon fiber,
(2) The strand strength of each carbon fiber obtained in (1) above is determined, and the strand strength of the carbon fiber obtained by firing the carbon fiber precursor acrylic fiber containing less than 0.5 ppm of the iron content. A step of determining the iron content at which the strength reduction rate of the strand strength of the carbon fiber obtained by firing the carbon fiber precursor acrylic fiber containing 0.5 ppm or more of the iron content is 0.5% or more and 20% or less,
(3) A carbon fiber precursor acrylic fiber containing less than 0.5 ppm of iron and a carbon fiber precursor acrylic fiber containing iron that has a strength reduction rate of 0.5% or more and 20% or less. A step of heat-treating at the same conditions for 1 minute to 20 minutes at a time;
(4) A step of obtaining a color difference of the heat-treated fiber obtained in (3) with a color difference meter,
(5) A step of detecting a process abnormality based on the color difference obtained in (4).
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