JP2014167039A - Polyacrylonitrile-based polymer, carbon fiber precursor fiber, method for producing the same, and method for producing carbon fiber - Google Patents

Polyacrylonitrile-based polymer, carbon fiber precursor fiber, method for producing the same, and method for producing carbon fiber Download PDF

Info

Publication number
JP2014167039A
JP2014167039A JP2013038527A JP2013038527A JP2014167039A JP 2014167039 A JP2014167039 A JP 2014167039A JP 2013038527 A JP2013038527 A JP 2013038527A JP 2013038527 A JP2013038527 A JP 2013038527A JP 2014167039 A JP2014167039 A JP 2014167039A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon fiber
polyacrylonitrile
viii metal
group viii
fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2013038527A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomohisa Noguchi
知久 野口
Yuki Okishima
勇紀 沖嶋
Fumiyoshi Watanabe
史宜 渡邉
Makoto Endo
真 遠藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toray Industries Inc filed Critical Toray Industries Inc
Priority to JP2013038527A priority Critical patent/JP2014167039A/en
Publication of JP2014167039A publication Critical patent/JP2014167039A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polyacrylonitrile-based polymer required for producing carbon fiber precursor fibers with high productivity, which have a catalytic metal uniformly dispersed therein at a high concentration and are capable of causing a catalyst graphitization reaction.SOLUTION: The polyacrylonitrile-based polymer contains as copolymerization components at least acrylonitrile (a) and a salt (b) which comprises an organic acid having a group VIII metal and a vinyl group and an organic acid having no vinyl group.

Description

本発明は、結晶性の高い炭素繊維の製造に好適なポリアクリロニトリル系重合体、およびそのポリアクリロニトリル系重合体を用いた炭素繊維前駆体繊維およびその製造方法、ならびに炭素繊維の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a polyacrylonitrile polymer suitable for the production of highly crystalline carbon fibers, a carbon fiber precursor fiber using the polyacrylonitrile polymer, a method for producing the same, and a method for producing carbon fibers. is there.

炭素繊維は、他の繊維に比べて高い比強度および比弾性率を有するため、複合材料用補強繊維として、従来からのスポーツ用途や航空・宇宙用途に加え、自動車や土木・建築、圧力容器および風車ブレードなどの一般産業用途にも幅広く展開されており、さらなる生産性の向上と高弾性率化両立の要請が高い。   Since carbon fiber has higher specific strength and specific modulus than other fibers, it can be used as a reinforcing fiber for composite materials in addition to conventional sports applications, aerospace applications, automobiles, civil engineering / architecture, pressure vessels and It is widely deployed in general industrial applications such as windmill blades, and there is a strong demand for both higher productivity and higher elastic modulus.

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

弾性率の高い炭素繊維を得るためには、炭素繊維の配向度を上げる、または、結晶性を上げる方法がある。炭素繊維の配向度を高く制御する手法としては、前述の各製造工程において、繊維束の張力を高くする、あるいは延伸倍率を高く設定することがよく行われるが、その結果毛羽立ちや糸切れを起こすことが多い。また、炭素繊維の結晶性を上げる一般的な方法としては、炭化工程の温度を高める方法があるが、炭素繊維の生産性との両立が難しい。炭化温度を上げずに結晶性を向上させる方法として、触媒黒鉛化という技術がある。触媒金属を使用することで炭素化反応の活性化エネルギーを低下させ、低温で炭化させた場合にも高温で炭化した炭素繊維同様の炭素構造を形成することが可能となる。   In order to obtain a carbon fiber having a high elastic modulus, there is a method of increasing the degree of orientation of the carbon fiber or increasing the crystallinity. As a method for controlling the degree of orientation of the carbon fiber to be high, it is often performed to increase the tension of the fiber bundle or set the draw ratio to a high value in each of the manufacturing processes described above. There are many cases. Moreover, as a general method for increasing the crystallinity of the carbon fiber, there is a method for increasing the temperature of the carbonization step, but it is difficult to achieve a balance with the productivity of the carbon fiber. As a method for improving crystallinity without raising the carbonization temperature, there is a technique called catalytic graphitization. By using the catalyst metal, the activation energy of the carbonization reaction is reduced, and even when carbonized at a low temperature, it is possible to form a carbon structure similar to a carbon fiber carbonized at a high temperature.

これまで、触媒黒鉛化を利用して弾性率の高い炭素繊維を得る方法として、PAN系重合体からなる紡糸溶液や炭素繊維前駆体繊維に触媒金属の粉や塩や錯体を添加する方法(特許文献1、2参照。)が知られている。しかしながら、炭素繊維前駆体繊維の表面に触媒金属を添加すると炭素繊維の表面のみが高結晶化し、弾性率の向上は認められない。また、紡糸溶液中に金属の粉を添加した際には均一に分散させることが難しく強度の低下が著しい、金属塩や錯体を添加した場合には紡糸工程において触媒金属が溶出してしまう等の問題がある。   Up to now, as a method of obtaining carbon fiber with high elastic modulus using catalytic graphitization, a method of adding catalyst metal powder, salt or complex to spinning solution or carbon fiber precursor fiber made of PAN polymer (patent) Documents 1 and 2) are known. However, when a catalyst metal is added to the surface of the carbon fiber precursor fiber, only the surface of the carbon fiber is highly crystallized, and an improvement in the elastic modulus is not recognized. In addition, when metal powder is added to the spinning solution, it is difficult to disperse uniformly and the strength is significantly reduced. When a metal salt or complex is added, the catalyst metal is eluted in the spinning process. There's a problem.

この問題を解決する方法として、発明者らは第VIII族金属とビニル基を有する有機酸の塩を共重合成分として含有するポリアクリロニトリル系重合体を用いることを提案した(特願2012−168130)。しかしながら、かかる重合体は紡糸時の延伸性が低く、生産性の向上に課題を有していた。   As a method for solving this problem, the inventors proposed using a polyacrylonitrile-based polymer containing a salt of a group VIII metal and an organic acid having a vinyl group as a copolymerization component (Japanese Patent Application No. 2012-168130). . However, such a polymer has low stretchability at the time of spinning, and has a problem in improving productivity.

特許第734856号公報Japanese Patent No. 734856 特許第826096号公報Japanese Patent No. 826096

本発明は、第VIII族金属を有する塩を共重合成分として含有しつつ、紡糸時の延伸性を向上させることが可能な、ポリアクリロニトリル系重合体を提供することを課題とする。   An object of the present invention is to provide a polyacrylonitrile-based polymer that can improve stretchability during spinning while containing a salt having a Group VIII metal as a copolymerization component.

かかる課題を解決するための本発明は、次の構成を有するものである。すなわち、本発明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(a)、および、第VIII族金属、ビニル基を有する有機酸およびビニル基を有さない有機酸からなる塩(b)を共重合成分として含有するポリアクリロニトリル系重合体である。   The present invention for solving this problem has the following configuration. That is, the polyacrylonitrile-based polymer of the present invention is a copolymer of at least acrylonitrile (a) and a salt (b) comprising a Group VIII metal, an organic acid having a vinyl group and an organic acid not having a vinyl group. It is a polyacrylonitrile polymer contained as a component.

本発明のポリアクリロニトリル系重合体の好ましい態様によれば、さらに、第VIII族金属とビニル基を有する有機酸の塩(c)を共重合成分として含有するポリアクリロニトリル系重合体である。   According to a preferred embodiment of the polyacrylonitrile-based polymer of the present invention, the polyacrylonitrile-based polymer further contains a Group VIII metal and a salt (c) of an organic acid having a vinyl group as a copolymerization component.

本発明のポリアクリロニトリル系重合体の好ましい態様によれば、前記ポリアクリロニトリル系重合体に含まれる第VIII族金属は、鉄、コバルト、およびニッケルからなる群から選択される少なくとも一種の金属である。   According to a preferred aspect of the polyacrylonitrile polymer of the present invention, the Group VIII metal contained in the polyacrylonitrile polymer is at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel.

本発明の炭素繊維前駆体繊維は、前記ポリアクリロニトリル系重合体を湿式または乾湿式紡糸法により紡糸することによって製造することができる。   The carbon fiber precursor fiber of the present invention can be produced by spinning the polyacrylonitrile-based polymer by a wet or dry wet spinning method.

本発明の炭素繊維前駆体繊維の好ましい態様によれば、炭素繊維前駆体繊維に含まれる第VIII族金属の含有量は、炭素繊維前駆体繊維を構成する重合体の全モノマーのモル数に対して0.1モル%以上である。   According to a preferred embodiment of the carbon fiber precursor fiber of the present invention, the content of the Group VIII metal contained in the carbon fiber precursor fiber is relative to the number of moles of all monomers of the polymer constituting the carbon fiber precursor fiber. And 0.1 mol% or more.

また、本発明の炭素繊維は、前記炭素繊維前駆体繊維を200〜300℃の温度の空気中において耐炎化する耐炎化工程と、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1000〜2000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化する炭化工程を順次経ることによって製造することができる。   Moreover, the carbon fiber of the present invention comprises a flameproofing step in which the carbon fiber precursor fiber is flameproofed in air at a temperature of 200 to 300 ° C, and a fiber obtained in the flameproofing step is heated to 300 to 800 ° C. A pre-carbonization step of pre-carbonizing in an inert atmosphere at a temperature and a carbonization step of carbonizing the fiber obtained in the pre-carbonization step in an inert atmosphere at a temperature of 1000 to 2000 ° C. it can.

本発明によれば、少なくとも、アクリロニトリル(a)、および、第VIII族金属、ビニル基を有する有機酸およびビニル基を有さない有機酸からなる塩(b)を共重合成分として含有するポリアクリロニトリル系重合体を使用することにより、触媒金属が均一かつ高濃度に分散した、触媒黒鉛化反応を起こすことが可能な炭素繊維前駆体繊維を高い生産性で製造することができる。   According to the present invention, at least acrylonitrile (a) and a polyacrylonitrile containing a group (VIII) metal, a salt (b) comprising an organic acid having a vinyl group and an organic acid not having a vinyl group, as a copolymerization component By using the system polymer, it is possible to produce a carbon fiber precursor fiber in which the catalytic metal is uniformly dispersed at a high concentration and capable of causing the catalytic graphitization reaction with high productivity.

本発明者らは、触媒金属が均一かつ高濃度に分散した、触媒黒鉛化反応を起こすことが可能な炭素繊維前駆体繊維を高い生産性で製造するために、鋭意検討を重ねた結果、本発明に到達した。   The present inventors have conducted extensive studies to produce a carbon fiber precursor fiber capable of causing catalytic graphitization reaction in which the catalyst metal is dispersed uniformly and at a high concentration. The invention has been reached.

本発明におけるポリアクリロニトリル系共重合体(以下、単にPAN系共重合体と記述することがある。)は、少なくとも、アクリロニトリル(a)、および、第VIII族金属、ビニル基を有する有機酸およびビニル基を有さない有機酸からなる塩(b)を共重合成分として含有するポリアクリロニトリル系重合体である。   The polyacrylonitrile copolymer in the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as a PAN copolymer) includes at least acrylonitrile (a), a Group VIII metal, an organic acid having a vinyl group, and vinyl. It is a polyacrylonitrile-based polymer containing a salt (b) composed of an organic acid having no group as a copolymerization component.

本発明のポリアクリロニトリル系重合体を用いた際に炭素繊維前駆体繊維製造時の延伸性が向上するメカニズムについては必ずしも明らかにはなっていないが、以下のようなメカニズムが考えられる。第VIII族金属とビニル基を有する有機酸の塩であって、ビニル基を有さない有機酸を有さない塩(以下単に、第VIII族金属とビニル基を有する有機酸の塩(c)という。)は、第VIII族金属1原子とビニル基を有する有機酸2分子から構成されている。そのため、第VIII族金属とビニル基を有する有機酸の塩を共重合成分として含有するポリアクリロニトリル系重合体は、第VIII族金属とビニル基を有する有機酸のイオン結合を介した架橋構造を生成し、製糸時の延伸性が低下することがある。これに対し、第VIII族金属と、ビニル基を有する有機酸およびビニル基を有さない有機酸からなる塩(b)を共重合成分として含有するポリアクリロニトリル系重合体では、第VIII族金属とビニル基を有する有機酸のイオン結合を介した架橋構造を生成しにくいため、ポリアクリロニトリル系重合体同士の距離を離し、延伸性を向上させることができる。
もっとも、本発明のポリアクリロニトリル系重合体中は、本発明の目的を損なわない範囲で、前述の第VIII族金属とビニル基を有する有機酸の塩(c)を共重合成分として用いても差し支えはない。延伸性の低下を抑制するためには、共重合成分中の第VIII族金属とビニル基を有する有機酸およびビニル基を有さない有機酸からなる塩(b)と第VIII族金属とビニル基を有する有機酸の塩(c)の質量比((b)/(c))が0.3以上であることが好ましい。さらに好ましくは1以上である。(b)/(c)が0.3以上であるとポリアクリロニトリル系重合体同士の距離を離し易く、(b)/(c)が1以上であるとさらに距離を離し易くなるため、延伸性を大幅に向上させることができる。
Although the mechanism for improving the stretchability at the time of producing the carbon fiber precursor fiber when the polyacrylonitrile-based polymer of the present invention is used is not necessarily clarified, the following mechanism is conceivable. A salt of a Group VIII metal and an organic acid having a vinyl group and not having an organic acid having no vinyl group (hereinafter simply referred to as a salt of an organic acid having a Group VIII metal and a vinyl group (c)) Is composed of two organic acid molecules having one group VIII metal atom and a vinyl group. Therefore, a polyacrylonitrile polymer containing a salt of a Group VIII metal and an organic acid having a vinyl group as a copolymerization component produces a crosslinked structure through an ionic bond between the Group VIII metal and an organic acid having a vinyl group. In addition, the drawability at the time of spinning may be lowered. On the other hand, in the polyacrylonitrile-based polymer containing a group (VIII) metal and a salt (b) composed of an organic acid having a vinyl group and an organic acid not having a vinyl group, a group VIII metal and Since it is difficult to generate a cross-linked structure via an ionic bond of an organic acid having a vinyl group, the distance between the polyacrylonitrile polymers can be increased, and the stretchability can be improved.
However, in the polyacrylonitrile-based polymer of the present invention, the above-mentioned Group VIII metal and organic acid salt (c) having a vinyl group may be used as a copolymerization component within the range not impairing the object of the present invention. There is no. In order to suppress a decrease in stretchability, a salt (b) comprising a Group VIII metal and an organic acid having a vinyl group and an organic acid not having a vinyl group in the copolymerization component, a Group VIII metal and a vinyl group It is preferable that the mass ratio ((b) / (c)) of the salt (c) of the organic acid having a ratio of 0.3 or more. More preferably, it is 1 or more. When (b) / (c) is 0.3 or more, the distance between the polyacrylonitrile polymers is easily separated, and when (b) / (c) is 1 or more, the distance is further easily separated. Can be greatly improved.

第VIII族金属としては、鉄、コバルト、およびニッケルからなる群から選択される少なくとも一種の金属であることが好ましい。鉄、コバルト、およびニッケルは触媒黒鉛化に用いられる触媒金属の中でも、低い炭化温度から触媒黒鉛化効果を発現することができるため、炭素繊維の高結晶化を促進しやすい。   The Group VIII metal is preferably at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel. Among catalyst metals used for catalytic graphitization, iron, cobalt, and nickel can exhibit a catalytic graphitization effect from a low carbonization temperature, and thus facilitate high crystallization of carbon fibers.

本発明のポリアクリロニトリル系共重合体の共重合成分として用いられるビニル基を有する有機酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸、などを用いることができ、ビニル基を有さない有機酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、等の飽和脂肪酸、乳酸、リンゴ酸、クエン酸、等のヒドロキシ酸、安息香酸、サリチル酸、没食子酸、等の芳香族カルボン酸、または、メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、等のスルホン酸などを用いることができる。   As the organic acid having a vinyl group used as a copolymerization component of the polyacrylonitrile-based copolymer of the present invention, acrylic acid, methacrylic acid, allyl sulfonic acid, methallyl sulfonic acid, and the like can be used. Examples of organic acids that do not have are saturated fatty acids such as formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid, caproic acid, hydroxy acids such as lactic acid, malic acid, citric acid, benzoic acid, salicylic acid, gallic acid, etc. Aromatic carboxylic acid or sulfonic acid such as methanesulfonic acid, benzenesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, or the like can be used.

また、アクリロニトリルと共重合可能な他のビニル化合物として、耐炎化を促進する観点から、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸およびそれらアルカリ金属塩、アンモニウム塩および低級アルキルエステル類、アクリルアミドおよびその誘導体、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸およびそれらのアルカリ金属塩類またはアルキルエステル類などを用いることができる。   In addition, as other vinyl compounds copolymerizable with acrylonitrile, from the viewpoint of promoting flame resistance, for example, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid and alkali metal salts thereof, ammonium salts and lower alkyl esters, acrylamide and derivatives thereof Allyl sulfonic acid, methallyl sulfonic acid and alkali metal salts or alkyl esters thereof can be used.

本発明のポリアクリロニトリル系重合体を製造する方法としては、溶液重合、懸濁重合、乳化重合など公知の重合方法を選択することができるが、共重合成分を均一に重合するという観点からは、溶液重合を用いることが好ましい。溶液重合で行う場合の溶液としては、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどのポリアクリロニトリルが可溶な有機溶媒を用いるのが一般的である。   As a method for producing the polyacrylonitrile-based polymer of the present invention, a known polymerization method such as solution polymerization, suspension polymerization, emulsion polymerization can be selected, but from the viewpoint of uniformly polymerizing the copolymer component, It is preferred to use solution polymerization. As the solution in the case of solution polymerization, an organic solvent in which polyacrylonitrile is soluble such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide is generally used.

なお、本発明のポリアクリロニトリル系重合体を前述の溶液重合により製造する際に、第VIII族金属の含有量を増加させすぎると、粘度が上昇して撹拌が困難になる場合がある。このような場合であっても、第VIII族金属の配位子となる化合物を添加することで粘度を減少させて重合を継続させることができる。第VIII族金属の配位子となる化合物としては、アセチルアセトン等の公知の化合物を使用することができる。第VIII族金属の配位子を添加することで粘度が減少するメカニズムは必ずしも明らかにされていないが、配位子の添加によって第VIII族金属とポリアクリロニトリル系重合体の相互作用が弱まることで粘度が減少するのではないかと推察される。   In addition, when the polyacrylonitrile polymer of the present invention is produced by the above-described solution polymerization, if the content of the Group VIII metal is excessively increased, the viscosity may increase and stirring may be difficult. Even in such a case, it is possible to continue the polymerization by reducing the viscosity by adding a compound that becomes a ligand of the Group VIII metal. Known compounds such as acetylacetone can be used as the compound that becomes the ligand of the Group VIII metal. The mechanism by which the viscosity is reduced by adding a Group VIII metal ligand has not been clarified, but the addition of the ligand weakens the interaction between the Group VIII metal and the polyacrylonitrile polymer. It is presumed that the viscosity will decrease.

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

本発明の炭素繊維前駆体繊維は、前記したポリアクリロニトリル系重合体を用いる。通常、かかる重合体をジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどのポリアクリロニトリル可溶な溶媒に溶解し、紡糸原液とする。溶液重合を用いる場合、重合に用いる溶媒と紡糸原液に用いる溶媒を同じものにしておくと、再溶解する工程が不要となり好ましい。紡糸原液中の重合体の濃度は、原液安定性の観点から、10〜40質量%であることが好ましい。   The above-mentioned polyacrylonitrile-based polymer is used for the carbon fiber precursor fiber of the present invention. Usually, such a polymer is dissolved in a polyacrylonitrile-soluble solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, or dimethylacetamide to obtain a spinning dope. When using solution polymerization, it is preferable that the solvent used for the polymerization and the solvent used for the spinning dope are the same because the step of re-dissolution is unnecessary. The concentration of the polymer in the spinning dope is preferably 10 to 40% by mass from the viewpoint of stock solution stability.

本発明では、紡糸原液を、湿式紡糸法または乾湿式紡糸法により口金から紡出し、凝固浴に導入して繊維を凝固せしめる。得られる炭素繊維前駆体繊維の緻密性を高める観点からは、乾湿式紡糸法が、より好ましい。本発明において、前記凝固浴には、紡糸原液に溶媒として用いた、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどの溶媒と、いわゆる凝固促進成分を含ませることが好ましい。凝固促進成分としては、前記重合体を溶解せず、かつ紡糸原液に用いる溶媒と相溶性があるものが使用できる。具体的には、水を使用するのが好ましい。   In the present invention, the spinning dope is spun from a die by a wet spinning method or a dry and wet spinning method and introduced into a coagulation bath to coagulate the fibers. From the viewpoint of improving the denseness of the obtained carbon fiber precursor fiber, the dry and wet spinning method is more preferable. In the present invention, the coagulation bath preferably contains a solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, or dimethylacetamide used as a solvent in the spinning dope and a so-called coagulation promoting component. As the coagulation accelerating component, a component that does not dissolve the polymer and is compatible with the solvent used in the spinning dope can be used. Specifically, it is preferable to use water.

紡出された繊維は、通常、水洗工程で溶媒が除去された後、浴中延伸温度30〜98℃で約2〜6倍に浴中延伸されるが、本発明はこれに限定されない。水洗工程を省略して紡出後、すぐに浴中延伸を行ってから水洗処理しても良い。   The spun fiber is usually stretched in the bath at a stretching temperature of 30 to 98 ° C. by about 2 to 6 times after the solvent is removed in the water washing step, but the present invention is not limited to this. The water washing process may be omitted, and after spinning, the film may be stretched in a bath and then washed with water.

浴中延伸工程の後、単繊維同士の接着を防止する意味から、油剤を付与することが好ましい。油剤の成分としては、耐熱性の面から、例えば、アミノ変性シリコーンなどの変性シリコーンを含有する油剤が好適である。乾燥工程は、浴中延伸後の糸条をホットドラムなどで乾燥することによって行われるが、乾燥温度および時間等は適宜選択することができる。また、最後に、乾燥緻密化後の糸条を加圧水蒸気延伸することも行われる。   It is preferable to apply an oil agent from the meaning of preventing adhesion between single fibers after the stretching step in the bath. As the component of the oil agent, for example, an oil agent containing a modified silicone such as amino-modified silicone is preferable from the viewpoint of heat resistance. The drying step is performed by drying the yarn after stretching in a bath with a hot drum or the like, and the drying temperature, time, and the like can be appropriately selected. Finally, the dried and densified yarn is also subjected to pressurized steam stretching.

得られる炭素繊維前駆体繊維は、通常、連続のマルチフィラメント(束)の形状であり、フィラメント数は好ましくは1,000〜3,000,000本であり、より好ましくは6,000〜36,000本である。単繊維の繊度は、0.5〜1.5dtexであることが好ましい。   The obtained carbon fiber precursor fiber is usually in the form of a continuous multifilament (bundle), and the number of filaments is preferably 1,000 to 3,000,000, more preferably 6,000 to 36,000. 000. The fineness of the single fiber is preferably 0.5 to 1.5 dtex.

本発明の炭素繊維前駆体繊維中の第VIII族金属の含有量としては、本発明に係る炭素繊維前駆体繊維を構成する重合体の全モノマーのモル数に対して0.1モル%以上であることが好ましい。炭素繊維前駆体繊維を構成する重合体の全モノマーとは、本発明の炭素繊維前駆体繊維を構成する重合体の共重合成分として用いられる、アクリロニトリル、第VIII族金属とビニル基を有する有機酸およびビニル基を有さない有機酸からなる塩(b)、第VIII族金属とビニル基を有する有機酸からなる塩(c)の他、これら以外のアクリロニトリルと共重合可能なビニル化合物のことである。   The content of the Group VIII metal in the carbon fiber precursor fiber of the present invention is 0.1 mol% or more with respect to the number of moles of all monomers of the polymer constituting the carbon fiber precursor fiber according to the present invention. Preferably there is. The total monomer of the polymer constituting the carbon fiber precursor fiber is an organic acid having acrylonitrile, a Group VIII metal and a vinyl group used as a copolymerization component of the polymer constituting the carbon fiber precursor fiber of the present invention. And a salt (b) composed of an organic acid not having a vinyl group, a salt (c) composed of a Group VIII metal and an organic acid having a vinyl group, and other vinyl compounds copolymerizable with acrylonitrile. is there.

本発明で使用される第VIII族金属の含有量を、炭素繊維前駆体繊維を構成する重合体の全モノマーのモル数に対して0.1モル%より少なくすると、触媒黒鉛化効果が現れにくくなり、本発明の効果が得られなくなることがある。なお、第VIII族金属の含有量を、炭素繊維前駆体繊維を構成する重合体の全モノマーのモル数に対して10モル%以上とすると、共重合部分での熱分解による分子断裂が顕著となり、得られる炭素繊維の引張強度が大幅に低下することが懸念されるため、かかる観点から、第VIII族金属の含有量としては、炭素繊維前駆体繊維を構成するモノマーのモル数に対して0.1〜10モル%であることがより好ましい。さらに好ましくは、0.2〜3モル%である。   When the content of the Group VIII metal used in the present invention is less than 0.1 mol% with respect to the number of moles of all monomers of the polymer constituting the carbon fiber precursor fiber, the catalyst graphitizing effect is hardly exhibited. Thus, the effects of the present invention may not be obtained. In addition, when the content of the Group VIII metal is 10 mol% or more with respect to the number of moles of all monomers of the polymer constituting the carbon fiber precursor fiber, molecular breakage due to thermal decomposition at the copolymerized portion becomes remarkable. From this point of view, there is a concern that the tensile strength of the resulting carbon fiber will be significantly reduced, so that the content of the Group VIII metal is 0 with respect to the number of moles of monomers constituting the carbon fiber precursor fiber. More preferably, it is 1-10 mol%. More preferably, it is 0.2-3 mol%.

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

前記した方法により製造された炭素繊維前駆体繊維を、200〜300℃の温度の空気中において、好ましくは延伸比0.8〜2.5で延伸しながら、耐炎化処理した後、300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において、好ましくは延伸比0.9〜1.5で延伸しながら予備炭化処理し、1000〜2000℃の最高温度の不活性雰囲気中において、好ましくは延伸比0.9〜1.1で延伸しながら、炭化処理して炭素繊維を製造する。不活性雰囲気に用いられるガスとしては、窒素、アルゴンおよびキセノンなどを例示することができ、経済的な観点からは窒素が好ましく用いられる。   The carbon fiber precursor fiber produced by the above-described method is subjected to a flame resistance treatment in air at a temperature of 200 to 300 ° C., preferably with a draw ratio of 0.8 to 2.5, and then 300 to 800. In an inert atmosphere at a temperature of ° C., pre-carbonization treatment is preferably performed while stretching at a stretch ratio of 0.9 to 1.5, and in an inert atmosphere at a maximum temperature of 1000 to 2000 ° C., the stretch ratio is preferably 0.1. Carbon fiber is produced by carbonizing while stretching at 9 to 1.1. Nitrogen, argon, xenon, etc. can be illustrated as gas used for an inert atmosphere, and nitrogen is preferably used from an economical viewpoint.

このようにして製造される炭素繊維は、炭化温度を上げずとも触媒黒鉛化により結晶性が高いものとなり、スポーツ用途、航空・宇宙用途、ならびに自動車や土木・建築、圧力容器および風車ブレードなどの一般産業用途に好適な炭素繊維を生産性良く製造することができる。   Carbon fibers produced in this way have high crystallinity by catalytic graphitization without raising the carbonization temperature, and are used in sports applications, aerospace applications, automobiles, civil engineering / architecture, pressure vessels, windmill blades, etc. Carbon fibers suitable for general industrial applications can be produced with high productivity.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。本実施例で用いた測定方法を次に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The measurement method used in this example will be described next.

<炭素繊維前駆体繊維およびポリアクリロニトリル系重合体溶液中の第VIII族金属含有量>
炭素繊維前駆体繊維の第VIII族金属含有量は、蛍光X線分析装置にて測定した。 蛍光X線分析装置には、日本フィリップス社製蛍光X線装置VENUS200を用いた。一次X線源はScを用い、測定時の条件としては、減圧気圧4〜8Paの条件で、温度37℃、25秒間の測定時間とした。測定試料であるポリアクリロニトリル系重合体、炭素繊維前駆体繊維は長さ30mm、幅30mm、厚さ2mmのテフロン(登録商標)製の板に隙間のないように巻き付けて測定に供した。この際、炭素繊維前駆体繊維は長さ60cmにサンプリングして用いた。
<Group VIII metal content in carbon fiber precursor fiber and polyacrylonitrile polymer solution>
The Group VIII metal content of the carbon fiber precursor fiber was measured with a fluorescent X-ray analyzer. As the fluorescent X-ray analyzer, a fluorescent X-ray apparatus VENUS200 manufactured by Nippon Philips Co., Ltd. was used. The primary X-ray source was Sc, and the measurement conditions were a reduced pressure and an atmospheric pressure of 4 to 8 Pa, a temperature of 37 ° C., and a measurement time of 25 seconds. The polyacrylonitrile-based polymer and carbon fiber precursor fiber, which are measurement samples, were wound around a Teflon (registered trademark) plate having a length of 30 mm, a width of 30 mm, and a thickness of 2 mm without any gaps. At this time, the carbon fiber precursor fiber was sampled to a length of 60 cm.

得られた炭素繊維前駆体繊維の第VIII族金属の蛍光X線強度から、検量線を用い、それぞれについて第VIII族金属の含有量を求めた。また、ポリアクリロニトリル系重合体溶液中の第VIII族金属含有量は、添加した第VIII族金属のモル数とポリアクリロニトリル系重合体を構成するモノマーのモル数から計算によって求めた。   From the fluorescence X-ray intensity of the Group VIII metal of the obtained carbon fiber precursor fiber, the content of the Group VIII metal was determined for each using a calibration curve. Further, the Group VIII metal content in the polyacrylonitrile-based polymer solution was obtained by calculation from the number of moles of the added Group VIII metal and the number of moles of monomers constituting the polyacrylonitrile-based polymer.

<炭素繊維前駆体繊維の加圧水蒸気延伸限界倍率の測定>
加圧水蒸気延伸前の速度を30m/分にし、引き取り側の速度を60m/分から約2m/秒の速度で増加させ、断糸したときの引き取り側の速度を読み取り、かかる速度を加熱水蒸気延伸に前の速度で除した値を、延伸限界倍率とした。また、供給するスチーム圧力を0.05GPaずつ変化させながら試験を行ない、延伸限界倍率のピーク値を求め、その値を用いて延伸性を評価した。n=2で測定し、その平均値を用いた。
(実施例1〜5、比較例1、2)
アクリロニトリルと、表1に示した共重合組成(残りはアクリロニトリル)からなる共重合成分を、ジメチルスルホキシドを溶媒とする溶液重合法により、アゾビスイソブチロニトリルを開始剤としてラジカル重合し、濃度20質量%のポリアクリロニトリル系重合体の溶液を得た。表1の共重合成分欄に示すアクリル酸コバルトはアクリル酸とコバルトからなる塩、アクリル酸・酢酸コバルトはアクリル酸と酢酸とコバルトからなる塩を指す。なお、重合中に粘度が上昇して撹拌が困難になった場合には、アセチルアセトンを添加し、粘度を低下させて重合を継続した。
得られたポリアクリロニトリル系重合体溶液を、40℃の温度で、単孔の直径0.15mm、孔数6000の紡糸口金を用い、一旦空気中に吐出し、約2mmの空間を通過させた後、10℃の温度にコントロールした40質量%ジメチルスルホキシド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、90℃の温水中で3倍に延伸し、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て浴中延伸糸を得た。この浴中延伸糸を、180℃の温度に加熱したローラーを用いて乾燥熱処理を行った後、加圧水蒸気延伸限界倍率の測定を行った。
いずれの実施例も比較例よりも加圧水蒸気延伸限界倍率が高く、延伸性の向上が確認できた。
<Measurement of pressure steam drawing limit magnification of carbon fiber precursor fiber>
The speed before stretched with steam is increased to 30 m / min, the speed on the take-up side is increased from 60 m / min to a speed of about 2 m / sec, the speed on the take-up side when the yarn is broken is read, and this speed is The value divided by the speed was determined as the stretching limit magnification. Further, the test was performed while changing the supplied steam pressure by 0.05 GPa, the peak value of the stretch limit magnification was determined, and the stretchability was evaluated using the value. Measurement was performed at n = 2, and the average value was used.
(Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 and 2)
A copolymer component composed of acrylonitrile and the copolymer composition shown in Table 1 (the rest is acrylonitrile) is radically polymerized using azobisisobutyronitrile as an initiator by a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide as a solvent. A solution of a mass% polyacrylonitrile-based polymer was obtained. The cobalt acrylate shown in the copolymerization component column of Table 1 refers to a salt composed of acrylic acid and cobalt, and acrylic acid / cobalt acetate refers to a salt composed of acrylic acid, acetic acid and cobalt. When the viscosity increased during the polymerization and stirring became difficult, acetylacetone was added to lower the viscosity and the polymerization was continued.
The obtained polyacrylonitrile-based polymer solution was discharged into the air once at a temperature of 40 ° C. using a spinneret having a single hole diameter of 0.15 mm and a hole number of 6000, and passed through a space of about 2 mm. A coagulated yarn was obtained by a dry and wet spinning method introduced into a coagulation bath composed of an aqueous solution of 40% by mass dimethyl sulfoxide controlled at a temperature of 10 ° C. The coagulated yarn thus obtained was washed with water by a conventional method, then stretched 3 times in warm water at 90 ° C., and further an amino-modified silicone silicone oil was added to obtain a stretched yarn in the bath. This stretched yarn in the bath was subjected to a drying heat treatment using a roller heated to a temperature of 180 ° C., and then the pressure water vapor stretching limit magnification was measured.
In any of the examples, the limit ratio of stretched steam with water vapor was higher than that of the comparative example, and it was confirmed that the stretchability was improved.

Figure 2014167039
Figure 2014167039

Claims (6)

少なくとも、アクリロニトリル(a)、および、第VIII族金属、ビニル基を有する有機酸およびビニル基を有さない有機酸からなる塩(b)を共重合成分として含有するポリアクリロニトリル系重合体。 A polyacrylonitrile-based polymer containing at least acrylonitrile (a) and a salt (b) comprising a Group VIII metal, an organic acid having a vinyl group and an organic acid not having a vinyl group as a copolymerization component. さらに、第VIII族金属とビニル基を有する有機酸の塩(c)を共重合成分として含有する、請求項1に記載のポリアクリロニトリル系重合体。 Furthermore, the polyacrylonitrile-type polymer of Claim 1 which contains the salt (c) of the organic acid which has a Group VIII metal and a vinyl group as a copolymerization component. 第VIII族金属が、鉄、コバルト、およびニッケルからなる群から選択される少なくとも一種の金属である、請求項1または2に記載のポリアクリロニトリル系重合体。 The polyacrylonitrile-based polymer according to claim 1 or 2, wherein the Group VIII metal is at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt, and nickel. 請求項1〜3のいずれかに記載のポリアクリロニトリル系重合体を湿式または乾湿式紡糸法により紡糸する炭素繊維前駆体繊維の製造方法。 The manufacturing method of the carbon fiber precursor fiber which spins the polyacrylonitrile-type polymer in any one of Claims 1-3 by the wet or dry wet spinning method. 請求項4に記載の方法で得られた炭素繊維前駆体繊維であって、第VIII族金属の含有量が、前記炭素繊維前駆体繊維を構成する重合体の全モノマーのモル数に対して0.1モル%以上である炭素繊維前駆体繊維。 The carbon fiber precursor fiber obtained by the method according to claim 4, wherein the content of the Group VIII metal is 0 with respect to the number of moles of all monomers of the polymer constituting the carbon fiber precursor fiber. The carbon fiber precursor fiber which is 1 mol% or more. 請求項4に記載の方法により製造される炭素繊維前駆体繊維、または請求項5に記載の炭素繊維前駆体繊維を、200〜300℃の温度の空気中において耐炎化する耐炎化工程と、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1000〜2000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化する炭化工程を順次経て炭素繊維を得る炭素繊維の製造方法。 A flameproofing step of flameproofing the carbon fiber precursor fiber produced by the method according to claim 4 or the carbon fiber precursor fiber according to claim 5 in air at a temperature of 200 to 300 ° C, and A preliminary carbonization step of precarbonizing the fiber obtained in the flameproofing step in an inert atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C, and an inert atmosphere of the fiber obtained in the preliminary carbonization step at a temperature of 1000 to 2000 ° C The manufacturing method of the carbon fiber which obtains carbon fiber through the carbonization process which carbonizes inside sequentially.
JP2013038527A 2013-02-28 2013-02-28 Polyacrylonitrile-based polymer, carbon fiber precursor fiber, method for producing the same, and method for producing carbon fiber Pending JP2014167039A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013038527A JP2014167039A (en) 2013-02-28 2013-02-28 Polyacrylonitrile-based polymer, carbon fiber precursor fiber, method for producing the same, and method for producing carbon fiber

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013038527A JP2014167039A (en) 2013-02-28 2013-02-28 Polyacrylonitrile-based polymer, carbon fiber precursor fiber, method for producing the same, and method for producing carbon fiber

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2014167039A true JP2014167039A (en) 2014-09-11

Family

ID=51616906

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013038527A Pending JP2014167039A (en) 2013-02-28 2013-02-28 Polyacrylonitrile-based polymer, carbon fiber precursor fiber, method for producing the same, and method for producing carbon fiber

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2014167039A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017178492A1 (en) 2016-04-11 2017-10-19 Sgl Carbon Se Polyacrylonitrile-based graphite fiber

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017178492A1 (en) 2016-04-11 2017-10-19 Sgl Carbon Se Polyacrylonitrile-based graphite fiber

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2008308776A (en) Method for producing polyacrylonitrile-based precursor fiber, method for producing carbon fiber, and carbon fiber
JP5656185B2 (en) Method for producing flame-resistant acrylonitrile polymer
US20150118142A1 (en) Formation of carbon nanotube-enhanced fibers and carbon nanotube-enahnced hybrid structures
JP2011046942A (en) Polyacrylonitrile copolymer, polyacrylonitrile precursor fiber for carbon fiber, and manufacturing method for carbon fiber
JP5724647B2 (en) Polyacrylonitrile-based copolymer, method for producing the same, carbon fiber precursor fiber, and carbon fiber
JP2014167039A (en) Polyacrylonitrile-based polymer, carbon fiber precursor fiber, method for producing the same, and method for producing carbon fiber
JP4887219B2 (en) Method for producing carbon fiber precursor acrylonitrile fiber
JP2014167038A (en) Polyacrylonitrile-based polymer, carbon fiber precursor fiber, and method for producing carbon fiber
JP6264819B2 (en) Acrylonitrile copolymer, carbon fiber precursor acrylonitrile fiber, carbon fiber, and method for producing carbon fiber
KR101909892B1 (en) The method of producing the polyacrylonitrile precursor for carbon fiber and the method of producing carbon fiber
JP2015183166A (en) Acrylonitrile-based copolymer, acrylonitrile-based carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber
JP2004232155A (en) Light-weight polyacrylonitrile-based carbon fiber and method for producing the same
JP2008280632A (en) Method for producing precursor fiber bundle of carbon fiber
JP2009256859A (en) Acrylonitrile-based copolymer solution and polyacrylonitrile-based precursor fiber for carbon fiber
JP2010235794A (en) Manufacturing methods of polyacrylonitrile polymer solution, carbon fiber precursor fiber, and carbon fiber
JP6048395B2 (en) Polyacrylonitrile-based polymer, carbon fiber precursor fiber, and method for producing carbon fiber
JP7319955B2 (en) Carbon fiber precursor fiber bundle, flameproof fiber bundle, method for producing them, and method for producing carbon fiber bundle
JP7343538B2 (en) Carbon fiber and its manufacturing method
CN114108136B (en) Method for producing carbon fiber
JP6359860B2 (en) Carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber precursor fiber
JP2014125706A (en) Carbon fiber and method of manufacturing carbon fiber
JP2014025019A (en) Polyacrylonitrile-based polymer, and method for producing carbon fiber precursor fiber and carbon fiber
KR20120007183A (en) Manufacturing method of carbon fiber
JP2020507016A (en) Continuous production method of heat stabilized multifilament yarn, multifilament yarn and fiber
JP2018084002A (en) Method for producing polyacrylonitrile precursor fiber and method for producing carbon fiber