JP2015001039A - Carbon fiber precursor fiber and carbon fiber - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide carbon fiber precursor fiber and carbon fiber, capable of improving the productivity of a flame resistant step and enhancing a carbonization yield.SOLUTION: Carbon fiber precursor fibers are formed of a mixture containing an aromatic polymer including a structural unit represented by the following general formula (1) and a polyacrylonitrile based polymer. Carbon fibers are obtained by flame-proofing and carbonizing the carbon fiber precursor fiber. R-Rand R-Rare independently selected from a group consisting of -H, -OH, -COOH, -SOH, metal salt of -SOH and -NH(where, except the case that all of R-Rare -H). A is -C≡C- or an aromatic group represented by the above-mentioned general formula (2), and m is 0 or 1.

Description

本発明は、炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維に関する。   The present invention relates to a carbon fiber precursor fiber and a carbon fiber.

炭素繊維は、機械的特性に優れ、複合材料用補強材として幅広く用途展開されている。炭素繊維は、炭素繊維となる前駆体繊維を耐炎化処理(耐炎化工程)して耐炎化繊維とした後、この耐炎化繊維を炭素化処理(炭素化工程)することにより製造されており、これまで様々な原料を用いて炭素繊維を製造する検討が行なわれてきた。   Carbon fiber has excellent mechanical properties and is widely used as a reinforcing material for composite materials. The carbon fiber is manufactured by subjecting the precursor fiber to be a carbon fiber to flame resistance treatment (flame resistance step) to make the flame resistant fiber, and then carbonizing the flame resistant fiber (carbonization step). So far, studies have been made on producing carbon fibers using various raw materials.

特に、ポリアクリロニトリル系炭素繊維(以下、「PAN系炭素繊維」と略する。)は、その軽量性と優れた機械的特性により、スポーツや宇宙用途、土木・建築、圧力容器、風車ブレードなどの一般産業用途に採用されてきた。近年では、航空機用途や自動車用途への展開が大きな注目を集めている。
PAN系炭素繊維のさらなる市場用途拡大のためには、製造コスト削減が不可欠であり、近年、耐炎化処理の生産性や炭素化収率の向上などを目的とした取り組みが行われている。
In particular, polyacrylonitrile-based carbon fibers (hereinafter abbreviated as “PAN-based carbon fibers”) are used for sports and space applications, civil engineering / architecture, pressure vessels, windmill blades, etc. due to their light weight and excellent mechanical properties. It has been adopted for general industrial use. In recent years, development for aircraft and automobile applications has attracted a great deal of attention.
In order to further expand the market application of PAN-based carbon fibers, it is indispensable to reduce manufacturing costs. In recent years, efforts have been made to improve the productivity of the flameproofing treatment and the carbonization yield.

しかし、PAN系炭素繊維の前駆体繊維には、次のような問題があった。すなわち、耐炎化処理の生産性向上等を目的として耐炎化炉内に導入する前駆体繊維の量を増やしたり、耐炎化炉内の雰囲気温度を高温化したりすると、耐炎化反応に伴う発熱が急激に起こるため、繊維束内に過剰に蓄熱しやすくなる。その結果、繊維束が燃焼・切断損傷するといった暴走反応が起こりやすくなる。   However, the PAN-based carbon fiber precursor fiber has the following problems. That is, if the amount of precursor fiber introduced into the flameproofing furnace is increased for the purpose of improving the productivity of the flameproofing process, or if the ambient temperature in the flameproofing furnace is increased, the heat generated by the flameproofing reaction is rapidly increased. Therefore, it becomes easy to store heat excessively in the fiber bundle. As a result, a runaway reaction such that the fiber bundle is burnt / damaged is likely to occur.

この問題を解決するため、耐炎化処理をできるだけ低い雰囲気温度で行い、耐炎化反応に伴う発熱を抑制する方法が提案されている。
しかし、この方法には、耐炎化処理に長時間を費やす、耐炎化速度の向上を図りにくい、大量の熱エネルギーを必要とする、などの課題があった。また、PAN系炭素繊維の前駆体繊維として用いられるPAN系重合体は、雰囲気温度を高温化して炭素化処理すると部分的に熱分解しやすく、炭素化収率を理論的に予測される程度まで向上することが困難であった。
In order to solve this problem, a method has been proposed in which the flameproofing treatment is performed at the lowest possible atmospheric temperature to suppress the heat generation associated with the flameproofing reaction.
However, this method has problems such as spending a long time for the flameproofing treatment, difficult to improve the flameproofing speed, and requiring a large amount of heat energy. In addition, PAN-based polymers used as precursor fibers for PAN-based carbon fibers tend to be partially thermally decomposed when the ambient temperature is raised and carbonized, and the carbonization yield is theoretically predicted. It was difficult to improve.

上記の課題を解決する技術として、これまで様々な技術が報告されてきた。例えば特許文献1には、アクリロニトリル単量体と、カルボキシ基のような官能基を有する単量体とを共重合して、PAN系重合体のニトリル基の耐炎化反応を促進する技術が開示されている。
特許文献2には、PAN系炭素繊維の前駆体繊維にホウ素もしくはホウ素化合物を0.01〜10質量%含有させることにより、繊維断面方向に均一な耐炎化糸構造を形成させた後、これを炭素化して高い強度・弾性率を有する炭素繊維を得る技術が提案されている。
Various techniques have been reported so far to solve the above problems. For example, Patent Document 1 discloses a technique for accelerating a flame resistance reaction of a nitrile group of a PAN polymer by copolymerizing an acrylonitrile monomer and a monomer having a functional group such as a carboxy group. ing.
In Patent Document 2, by adding 0.01 to 10% by mass of boron or a boron compound to a precursor fiber of a PAN-based carbon fiber, a uniform flameproof yarn structure is formed in the fiber cross-sectional direction, Techniques for obtaining carbon fibers having high strength and elastic modulus by carbonization have been proposed.

特開2002−145939号公報JP 2002-145939 A 特開平3―174019号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-174019

特許文献1に記載の技術は、耐炎化工程の生産性や炭素化収率の向上に一定の効果を有するが、炭素繊維の物性や品質を維持するには、アクリロニトリル単量体と共重合させる単量体の量には限界があった。
特許文献2に記載の技術は、炭素繊維の物性向上に一定の効果を有するが、特許文献2には耐炎化処理中の発熱抑制や、炭素繊維の最終的な炭素化収率については特に記載されていない。
The technique described in Patent Document 1 has a certain effect in improving the productivity and carbonization yield of the flameproofing process, but in order to maintain the physical properties and quality of the carbon fiber, it is copolymerized with an acrylonitrile monomer. There was a limit to the amount of monomer.
The technique described in Patent Document 2 has a certain effect on improving the physical properties of the carbon fiber, but Patent Document 2 particularly describes the suppression of heat generation during the flameproofing treatment and the final carbonization yield of the carbon fiber. It has not been.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、耐炎化工程の生産性が向上し、かつ炭素化収率が高い炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維の提供を課題とする。   This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it a subject to provide the carbon fiber precursor fiber and carbon fiber with improved productivity of a flame-proofing process, and a high carbonization yield.

本発明は以下の態様を有する。
[1] 下記一般式(1)で表される構造単位を含む芳香族系重合体と、ポリアクリロニトリル系重合体とを含有する混合物からなる、炭素繊維前駆体繊維。
The present invention has the following aspects.
[1] A carbon fiber precursor fiber comprising a mixture containing an aromatic polymer containing a structural unit represented by the following general formula (1) and a polyacrylonitrile polymer.

Figure 2015001039
Figure 2015001039

式(1)中、R、R、R、Rは独立して、水素原子、ヒドロキシ基、カルボキシ基、スルホン酸基、スルホン酸基の金属塩、アミノ基からなる群より選ばれる。ただし、R、R、R、Rの全てが水素原子である場合を除く。Aは−C≡C−または下記一般式(2)で表される芳香族基であり、mは0または1である。 In formula (1), R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are independently selected from the group consisting of a hydrogen atom, a hydroxy group, a carboxy group, a sulfonic acid group, a metal salt of a sulfonic acid group, and an amino group. . However, the case where all of R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are hydrogen atoms is excluded. A is —C≡C— or an aromatic group represented by the following general formula (2), and m is 0 or 1.

Figure 2015001039
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式(2)中、R、R、R、Rは独立して、水素原子、ヒドロキシ基、カルボキシ基、スルホン酸基、スルホン酸基の金属塩、アミノ基からなる群より選ばれる。 In formula (2), R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are independently selected from the group consisting of a hydrogen atom, a hydroxy group, a carboxy group, a sulfonic acid group, a metal salt of a sulfonic acid group, and an amino group. .

[2] 前記混合物が、ポリアクリロニトリル系重合体100質量部に対して、前記芳香族系重合体を30質量部以上100質量部以下含有する、[1]に記載の炭素繊維前駆体繊維。
[3] [1]または[2]に記載の炭素繊維前駆体繊維を耐炎化および炭素化して得られる、炭素繊維。
[2] The carbon fiber precursor fiber according to [1], wherein the mixture contains the aromatic polymer in an amount of 30 parts by mass to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the polyacrylonitrile polymer.
[3] A carbon fiber obtained by flameproofing and carbonizing the carbon fiber precursor fiber according to [1] or [2].

本発明によれば、耐炎化工程の生産性が向上し、かつ炭素化収率が高い炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the productivity of a flameproofing process improves and the carbon fiber precursor fiber and carbon fiber with a high carbonization yield can be provided.

以下、本発明を詳細に説明する。
[炭素繊維前駆体繊維]
本発明の炭素繊維前駆体繊維は、以下に説明する芳香族系重合体と、ポリアクリロニトリル系重合体(以下、「PAN系重合体」ともいう。)とを含有する混合物からなる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[Carbon fiber precursor fiber]
The carbon fiber precursor fiber of the present invention comprises a mixture containing an aromatic polymer described below and a polyacrylonitrile polymer (hereinafter also referred to as “PAN polymer”).

<芳香族系重合体>
芳香族系重合体は、下記一般式(1)で表される構造単位を含む。
<Aromatic polymer>
The aromatic polymer includes a structural unit represented by the following general formula (1).

Figure 2015001039
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式(1)中、R、R、R、Rは独立して、水素原子、ヒドロキシ基、カルボキシ基、スルホン酸基、スルホン酸基の金属塩、アミノ基からなる群より選ばれる。ただし、R、R、R、Rの全てが水素原子である場合を除く。Aは−C≡C−または下記一般式(2)で表される芳香族基であり、mは0または1である。 In formula (1), R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are independently selected from the group consisting of a hydrogen atom, a hydroxy group, a carboxy group, a sulfonic acid group, a metal salt of a sulfonic acid group, and an amino group. . However, the case where all of R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are hydrogen atoms is excluded. A is —C≡C— or an aromatic group represented by the following general formula (2), and m is 0 or 1.

Figure 2015001039
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式(2)中、R、R、R、Rは独立して、水素原子、ヒドロキシ基、カルボキシ基、スルホン酸基、スルホン酸基の金属塩、アミノ基からなる群より選ばれる。 In formula (2), R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are independently selected from the group consisting of a hydrogen atom, a hydroxy group, a carboxy group, a sulfonic acid group, a metal salt of a sulfonic acid group, and an amino group. .

すなわち、上記一般式(1)で表される構造単位は、主鎖構造中に少なくとも1つのベンゼン環を有し、かつ該ベンゼン環の1つまたは2つの水素原子がアセチレン基(−C≡C−)で置換され、残りの水素原子のうちの少なくとも1つがヒドロキシ基、カルボキシ基、スルホン酸基、スルホン酸基の金属塩、アミノ基からなる群より選ばれる極性官能基で置換されている。
アセチレン基を有するベンゼン環に上記極性官能基を1つ以上導入することにより、PAN系重合体を溶解する極性溶媒に可溶となり、しかも、芳香族系重合体とPAN系重合体との相溶性が向上する。
ベンゼン環1個当たりの上記極性官能基の置換数については特に制限されないが、ベンゼン環1個当たり1置換ないしは2置換であれば、PAN系重合体との相溶性を良好に維持できる。
That is, the structural unit represented by the general formula (1) has at least one benzene ring in the main chain structure, and one or two hydrogen atoms of the benzene ring are an acetylene group (—C≡C -), And at least one of the remaining hydrogen atoms is substituted with a polar functional group selected from the group consisting of a hydroxy group, a carboxy group, a sulfonic acid group, a metal salt of a sulfonic acid group, and an amino group.
By introducing one or more of the above polar functional groups into a benzene ring having an acetylene group, it becomes soluble in a polar solvent that dissolves the PAN-based polymer, and the compatibility between the aromatic polymer and the PAN-based polymer. Will improve.
The number of substitution of the polar functional group per benzene ring is not particularly limited, but if it is 1 substitution or 2 substitution per benzene ring, the compatibility with the PAN polymer can be maintained well.

上記一般式(1)で表される構造単位は、下記一般式(3)、(4)、(5)で表される構造単位のいずれかである。これら構造単位は1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。2種以上を併用する場合、アセチレン基(−C≡C−)がAの位置に対してメタ位で結合している下記一般式(4)で表される構造単位と、アセチレン基がAの位置に対してオルト位で結合している下記一般式(5)で表される構造単位の割合が多いほど、芳香族系重合体の極性溶媒に対する溶解性が高くなり、芳香族系重合体とPAN系重合体の相溶性が向上し、炭素化収率も高くなることから好ましい。   The structural unit represented by the general formula (1) is any of the structural units represented by the following general formulas (3), (4), and (5). These structural units may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When two or more types are used in combination, a structural unit represented by the following general formula (4) in which the acetylene group (—C≡C—) is bonded to the position of A at the meta position, and the acetylene group is A The greater the proportion of the structural unit represented by the following general formula (5) bonded in the ortho position with respect to the position, the higher the solubility of the aromatic polymer in the polar solvent becomes. This is preferable because the compatibility of the PAN-based polymer is improved and the carbonization yield is increased.

Figure 2015001039
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式(3)、(4)、(5)中のR、R、R、R、A、mは、それぞれ上記一般式(1)中のR、R、R、R、A、mと同じである。 R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , A and m in the formulas (3), (4) and (5) are respectively R 1 , R 2 , R 3 and R in the general formula (1). 4. Same as A, m.

上記一般式(2)で表される芳香族基は、下記一般式(6)、(7)、(8)で表される芳香族基のいずれかである。これら芳香族基は1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。2種以上を併用する場合、2つの結合手がメタ位の関係にある下記一般式(7)で表される芳香族基と、2つの結合手がオルト位の関係にある下記一般式(8)で表される芳香族基の割合が多いほど、芳香族系重合体の極性溶媒に対する溶解性が高く、芳香族系重合体とPAN系重合体の相溶性が向上し、炭素化収率も高くなることから好ましい。   The aromatic group represented by the general formula (2) is any of the aromatic groups represented by the following general formulas (6), (7), and (8). These aromatic groups may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together. When two or more kinds are used in combination, the aromatic group represented by the following general formula (7) in which two bonds are in a meta position and the following general formula (8 in which two bonds are in an ortho position) ), The higher the aromatic group ratio, the higher the solubility of the aromatic polymer in the polar solvent, the better the compatibility of the aromatic polymer and the PAN polymer, and the higher the carbonization yield. Since it becomes high, it is preferable.

Figure 2015001039
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式(6)、(7)、(8)中のR、R、R、Rは、それぞれ上記一般式(2)中のR、R、R、Rと同じである。 Equation (6), (7), R 5, R 6, R 7, R 8 in (8), respectively the same as R 5, R 6, R 7 , R 8 in the general formula (2) is there.

上記一般式(1)で表される構造単位としては、具体的に下記一般式(9)、(10)、(11)で表される構造単位が挙げられる。これらの構造単位を含む芳香族系重合体を用いることで、従来のPAN系炭素繊維の前駆体繊維の課題であった、耐炎化工程の生産性や炭素化収率の問題を改善できる。   Specific examples of the structural unit represented by the general formula (1) include structural units represented by the following general formulas (9), (10), and (11). By using an aromatic polymer containing these structural units, it is possible to improve the problem of productivity of the flameproofing process and the carbonization yield, which are problems of the precursor fiber of the conventional PAN-based carbon fiber.

Figure 2015001039
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式(9)、(10)、(11)中のR、R、R、R、A、mは、それぞれ上記一般式(1)中のR、R、R、R、A、mと同じであり、式(9)中のR、R、R、Rは、それぞれ上記一般式(2)中のR、R、R、Rと同じである。 R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , A and m in the formulas (9), (10) and (11) are respectively R 1 , R 2 , R 3 and R in the general formula (1). 4, a, is the same as m, R 5, R 6, R 7, R 8 in the formula (9), and R 5, R 6, R 7 , R 8 in each of the above general formula (2) The same.

上記一般式(9)、(10)、(11)で表される構造単位のいずれかを含む芳香族系重合体を得る方法としては、下記の公知の方法を用いることができるが、これらの方法に特に限定されるものではない。
例えば、式(9)で表される構造単位を含む芳香族系重合体は、下記(a)〜(c)に示す何れかの組み合わせの化合物を、トリエチルアミン等の塩基性化合物の存在下、パラジウム触媒(塩化パラジウムとトリフェニルホスフィンの組合せや、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウムなど)と助触媒(酢酸銅やヨウ化銅など)を用いて重縮合させるHeck反応法(J.Organomet.Chem.,93,259(1975))により得られる。
式(10)で表される構造単位を含む芳香族系重合体は、下記(b)に示す組み合わせの化合物を用いて、上記Heck反応法により得られる。
(a):ジエチニルベンゼン置換体と、ジハロゲン化ベンゼンとの組み合わせ
(b):ジエチニルベンゼン置換体と、ジハロゲン化ベンゼン置換体との組み合わせ
(c):ジエチニルベンゼンと、ジハロゲン化ベンゼン置換体との組み合わせ
As a method for obtaining an aromatic polymer containing any of the structural units represented by the general formulas (9), (10), and (11), the following known methods can be used. The method is not particularly limited.
For example, the aromatic polymer containing the structural unit represented by the formula (9) is prepared by combining a compound of any combination shown in the following (a) to (c) with palladium in the presence of a basic compound such as triethylamine. A Heck reaction method (J. Organomet. Chem., J. Org. 93, 259 (1975)).
The aromatic polymer containing the structural unit represented by the formula (10) is obtained by the above Heck reaction method using a combination of compounds shown in the following (b).
(A): Combination of a diethynylbenzene substitute and a dihalogenated benzene (b): A combination of a diethynylbenzene substitute and a dihalogenated benzene substitute (c): A diethynylbenzene and a dihalogenated benzene substitute Combination with

式(11)で表される構造単位を含む芳香族系重合体は、ジエチニルベンゼン置換体を、二座配位子をもつ銅錯体(銅−TMEDA(テトラメチルエチレンジアミン)など)を触媒として用い、酸素雰囲気中で酸化的重縮合させるHayカップリング法(J.Polym.Sci.,PartA,7,1652,(1969))により得られる。   The aromatic polymer containing the structural unit represented by the formula (11) uses a diethynylbenzene substitution product as a catalyst with a copper complex having a bidentate ligand (such as copper-TMEDA (tetramethylethylenediamine)). And a Hay coupling method (J. Polym. Sci., Part A, 7, 1652, (1969)) in which oxidative polycondensation is performed in an oxygen atmosphere.

ジエチニルベンゼンとしては、1,4−ジエチニルベンゼン、1,3−ジエチニルベンゼン、1,2−ジエチニルベンゼンが挙げられる。
ジエチニルベンゼン置換体としては、1,4−ジエチニルベンゼン、1,3−ジエチニルベンゼン、1,2−ジエチニルベンゼンのベンゼン環上の少なくとも1つ以上の水素原子が、ヒドロキシ基、カルボキシ基、スルホン酸基、スルホン酸基の金属塩、アミノ基からなる群より選ばれる少なくとも1種の置換基(極性官能基)で置換されている化合物が挙げられる。具体的には、1,4−ジエチニル−2−ヒドロキシベンゼン、1,4−ジエチニル−2−カルボキシベンゼン、1,4−ジエチニル−2−ベンゼンスルホン酸、1,4−ジエチニル−2−アミノベンゼン、1,3−ジエチニル−5−ヒドロキシベンゼン、1,3−ジエチニル−5−カルボキシベンゼン、1,3−ジエチニル−5−ベンゼンスルホン酸、1,3−ジエチニル−5−ベンゼンスルホン酸ナトリウム、1,3−ジエチニル−5−アミノベンゼンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
Examples of the diethynylbenzene include 1,4-diethynylbenzene, 1,3-diethynylbenzene, and 1,2-diethynylbenzene.
Examples of the substituted diethynylbenzene include 1,4-diethynylbenzene, 1,3-diethynylbenzene, and at least one hydrogen atom on the benzene ring of 1,2-diethynylbenzene, which is a hydroxy group or a carboxy group. , Sulfonic acid groups, metal salts of sulfonic acid groups, and compounds substituted with at least one substituent (polar functional group) selected from the group consisting of amino groups. Specifically, 1,4-diethynyl-2-hydroxybenzene, 1,4-diethynyl-2-carboxybenzene, 1,4-diethynyl-2-benzenesulfonic acid, 1,4-diethynyl-2-aminobenzene, 1,3-diethynyl-5-hydroxybenzene, 1,3-diethynyl-5-carboxybenzene, 1,3-diethynyl-5-benzenesulfonic acid, sodium 1,3-diethynyl-5-benzenesulfonate, 1,3 Examples include, but are not limited to, -diethynyl-5-aminobenzene.

ジハロゲン化ベンゼンとしては、例えば1,4−ジブロモベンゼン、1,3−ジブロモベンゼン、1,2−ジブロモベンゼン、1,4−ジクロロベンゼン、1,3−ジクロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、1,4−ジヨードベンゼン、1,3−ジヨードベンゼン、1,2−ジヨードベンゼン、1−ブロモ−4−クロロベンゼン、1−ブロモ−3−クロロベンゼンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the dihalogenated benzene include 1,4-dibromobenzene, 1,3-dibromobenzene, 1,2-dibromobenzene, 1,4-dichlorobenzene, 1,3-dichlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, 1 , 4-diiodobenzene, 1,3-diiodobenzene, 1,2-diiodobenzene, 1-bromo-4-chlorobenzene, 1-bromo-3-chlorobenzene, and the like. is not.

ジハロゲン化ベンゼン置換体としては、上記ジハロゲン化ベンゼンのベンゼン環上の少なくとも1つ以上の水素原子が、ヒドロキシ基、カルボキシ基、スルホン酸基、スルホン酸基の金属塩、アミノ基からなる群より選ばれる少なくとも1種の置換基(極性官能基)で置換されている化合物等が挙げられる。具体的には、1,4−ジブロモ−2−ヒドロキシベンゼン、1,4−ジブロモ−2−カルボキシベンゼン(2,5−ジブロモ安息香酸)、1,4−ジブロモ−2−ベンゼンスルホン酸、1,4−ジブロモ−2−アミノベンゼン、1,3−ジブロモ−5−ヒドロキシベンゼン、1,3−ジブロモ−5−カルボキシベンゼン、1,3−ジブロモ−5−ベンゼンスルホン酸、1,3−ジブロモ−5−ベンゼンスルホン酸ナトリウム、1,3−ジブロモ−5−アミノベンゼン、1,4−ジクロロ−2−ヒドロキシベンゼン、1,4−ジクロロ−2,5−ジヒドロキシベンゼン(2,5−ジクロロ−1,4−ベンゼンジオール)、1,4−ジクロロ−2−カルボキシベンゼン(2,5−ジクロロ安息香酸)、1,4−ジクロロ−2−ベンゼンスルホン酸(2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸)、1,4−ジクロロ−2−アミノベンゼン、1,4−ジクロロ−2,5−ジアミノベンゼン(2,5−ジクロロ−1,4−フェニレンジアミン)、1,3−ジクロロ−5−ヒドロキシベンゼン、1,3−ジクロロ−5−カルボキシベンゼン、1,3−ジクロロ−5−ベンゼンスルホン酸、1,3−ジクロロ−5−ベンゼンスルホン酸ナトリウム、1,3−ジクロロ−5−アミノベンゼンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。   The substituted dihalogenated benzene is selected from the group consisting of at least one hydrogen atom on the benzene ring of the dihalogenated benzene, consisting of a hydroxy group, a carboxy group, a sulfonic acid group, a metal salt of a sulfonic acid group, and an amino group. And a compound substituted with at least one substituent (polar functional group). Specifically, 1,4-dibromo-2-hydroxybenzene, 1,4-dibromo-2-carboxybenzene (2,5-dibromobenzoic acid), 1,4-dibromo-2-benzenesulfonic acid, 1, 4-dibromo-2-aminobenzene, 1,3-dibromo-5-hydroxybenzene, 1,3-dibromo-5-carboxybenzene, 1,3-dibromo-5-benzenesulfonic acid, 1,3-dibromo-5 -Sodium benzenesulfonate, 1,3-dibromo-5-aminobenzene, 1,4-dichloro-2-hydroxybenzene, 1,4-dichloro-2,5-dihydroxybenzene (2,5-dichloro-1,4 -Benzenediol), 1,4-dichloro-2-carboxybenzene (2,5-dichlorobenzoic acid), 1,4-dichloro-2-benzenesulfonic acid 2,5-dichlorobenzenesulfonic acid), 1,4-dichloro-2-aminobenzene, 1,4-dichloro-2,5-diaminobenzene (2,5-dichloro-1,4-phenylenediamine), 1, 3-dichloro-5-hydroxybenzene, 1,3-dichloro-5-carboxybenzene, 1,3-dichloro-5-benzenesulfonic acid, sodium 1,3-dichloro-5-benzenesulfonate, 1,3-dichloro Although -5-aminobenzene etc. are mentioned, it is not limited to these.

芳香族系重合体を構成する全単位(100mol%)のうち、上記一般式(1)で表される構造単位の割合は80mol%以上であることが好ましく、より好ましくは90mol%以上であり、特に好ましくは100mol%である。
芳香族系重合体が、上記一般式(1)で表される構造単位のみで構成される場合、該構造単位の繰り返し数(n)は1以上であれば特に制限されないが、好ましくは2以上であり、より好ましくは10以上であり、特に好ましくは30以上である。また、この場合の繰り返し数(n)の上限は特に制限されないが、芳香族系重合体とPAN系重合体との相溶性を良好に維持できる点で、1000以下であることが好ましい。
Of the total units (100 mol%) constituting the aromatic polymer, the proportion of the structural unit represented by the general formula (1) is preferably 80 mol% or more, more preferably 90 mol% or more, Especially preferably, it is 100 mol%.
When the aromatic polymer is composed of only the structural unit represented by the general formula (1), the number of repeating units (n) is not particularly limited as long as it is 1 or more, preferably 2 or more. More preferably, it is 10 or more, and particularly preferably 30 or more. In addition, the upper limit of the number of repetitions (n) in this case is not particularly limited, but is preferably 1000 or less from the viewpoint that good compatibility between the aromatic polymer and the PAN polymer can be maintained.

芳香族系重合体は、上記一般式(1)で表される構造単位以外の他の構造単位を含んでいてもよい。
他の構造単位の由来となるモノマーとしては、例えば上述したジエチニルベンゼンおよびその置換体、ジハロゲン化ベンゼンおよびその置換体と共重合可能なモノマーが好ましい。
The aromatic polymer may contain other structural units other than the structural unit represented by the general formula (1).
As the monomer from which the other structural unit is derived, for example, the above-described diethynylbenzene and a substituted product thereof, a dihalogenated benzene and a monomer copolymerizable with the substituted product are preferable.

<ポリアクリロニトリル系重合体>
PAN系重合体としては、アクリロニトリルの単独重合体(ポリアクリロニトリル)、またはアクリロニトリルと他のモノマーとの共重合体を用いることができる。また、これら単独重合体と共重合体とを併用してもよい。
共重合体を用いる場合は、炭素繊維にした際の共重合成分に起因する欠陥点を少なくし、炭素繊維の品位並びに性能を向上させる観点から、共重合体を構成する全単位(100mol%)のうち、アクリロニトリル単位の割合が80mol%以上であることが好ましい。
<Polyacrylonitrile polymer>
As the PAN-based polymer, a homopolymer of acrylonitrile (polyacrylonitrile) or a copolymer of acrylonitrile and another monomer can be used. These homopolymers and copolymers may be used in combination.
When a copolymer is used, all the units (100 mol%) constituting the copolymer are reduced from the viewpoint of reducing defects caused by the copolymer component when the carbon fiber is formed and improving the quality and performance of the carbon fiber. Of these, the proportion of acrylonitrile units is preferably 80 mol% or more.

他のモノマーとしては、アクリロニトリルと共重合可能なモノマーであれば特に制限されないが、例えばアクリル酸メチル、アクリル酸エチル等のアクリル酸エステル類;メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル等のメタクリル酸エステル類;アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸、アクリルアミド、スチレン、ビニルトルエン等の不飽和モノマー類;メタリルスルホン酸、アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸及びこれらのアルカリ金属類などが挙げられる。これら他のモノマーは1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。溶融紡糸性を保持する点で、他のモノマー単位の割合は5mol%以上であることが好ましい。   Other monomers are not particularly limited as long as they are copolymerizable with acrylonitrile. For example, acrylic esters such as methyl acrylate and ethyl acrylate; methacrylic esters such as methyl methacrylate and ethyl methacrylate; Examples thereof include unsaturated monomers such as acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, itaconic acid, acrylamide, styrene, and vinyl toluene; methallylsulfonic acid, allylsulfonic acid, styrenesulfonic acid, and alkali metals thereof. These other monomers may be used alone or in combination of two or more. In terms of maintaining melt spinnability, the proportion of other monomer units is preferably 5 mol% or more.

PAN系重合体は、例えばアクリロニトリルと、必要に応じて他のモノマーとをラジカル重合することで得られる。ラジカル重合は、操作が容易である点から好適である。
ラジカル重合を行う場合、溶液重合、懸濁重合、乳化重合など、いずれの重合法を採用してもよい。特に懸濁重合や乳化重合は、重合度の高い重合体を比較的容易に得ることができるため好ましい。
The PAN-based polymer can be obtained, for example, by radical polymerization of acrylonitrile and other monomers as necessary. Radical polymerization is preferred because it is easy to operate.
When performing radical polymerization, any polymerization method such as solution polymerization, suspension polymerization, and emulsion polymerization may be employed. In particular, suspension polymerization and emulsion polymerization are preferable because a polymer having a high degree of polymerization can be obtained relatively easily.

ラジカル重合に用いる重合開始剤や触媒としては特に限定されず、例えばアゾ系化合物、有機過酸化物、または過硫酸/亜硫酸、塩素酸/亜硫酸あるいはそれらのアンモニウム塩等のレドックス触媒などが挙げられる。   The polymerization initiator and catalyst used for radical polymerization are not particularly limited, and examples thereof include azo compounds, organic peroxides, or redox catalysts such as persulfuric acid / sulfurous acid, chloric acid / sulfurous acid, or ammonium salts thereof.

ラジカル乳化重合の場合、乳化剤および分散剤の少なくとも一方が必要となる。この場合の乳化剤や分散剤は特に限定されるものではなく、各種アニオン型、ノニオン型、カチオン型を使用できる。
特に乳化剤としてアニオン系界面活性剤(例えば脂肪族石鹸、アルキル硫酸塩、ジアルキルスルホコハク酸塩、スルホン化エステル、スルホン化アミドなど)や、非イオン性界面活性剤(例えばポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等の脂肪酸エステル類、ゾルビタン脂肪族エステル類など)等を用い、分子量調節剤としてプロピルメルカプタン、イソプロピルメルカプタン、ブチルメルカプタン、ベンジルメルカプタン、オクチルメルカプタン、ラウリルメルカプタン等を比較的多量に用いたラジカル乳化重合が好適である。
In the case of radical emulsion polymerization, at least one of an emulsifier and a dispersant is required. The emulsifier and dispersant in this case are not particularly limited, and various anionic types, nonionic types, and cationic types can be used.
In particular, as an emulsifier, an anionic surfactant (for example, aliphatic soap, alkyl sulfate, dialkyl sulfosuccinate, sulfonated ester, sulfonated amide, etc.) and a nonionic surfactant (for example, fatty acid such as polyethylene glycol, polypropylene glycol) Radical emulsion polymerization using propyl mercaptan, isopropyl mercaptan, butyl mercaptan, benzyl mercaptan, octyl mercaptan, lauryl mercaptan, etc. as molecular weight regulators is suitable. .

<他の成分>
混合物は、少なくとも上述した芳香族系重合体とPAN系重合体を含有するものであるが、本発明の効果を損なわない範囲内であれば、必要に応じて芳香族系重合体およびPAN系重合体以外の他の成分を含有してもよい。
<Other ingredients>
The mixture contains at least the above-mentioned aromatic polymer and PAN-based polymer, but if it is within the range not impairing the effects of the present invention, the aromatic polymer and the PAN-based polymer may be used as necessary. You may contain other components other than coalescence.

<混合物の組成>
混合物は、PAN系重合体100質量部に対して、芳香族系重合体を30質量部以上100質量部以下含有することが好ましく、より好ましくは40質量部以上80質量部以下であり、特に好ましくは50質量部以上60質量部以下である。芳香族系重合体の含有量が30質量部以上であれば、耐炎化処理時の発熱反応を十分に抑制し、炭素化収率がより向上する。一方、芳香族系重合体の含有量が100質量部以下であれば、紡糸性を良好に維持しつつ、得られる炭素繊維前駆体繊維の強度を十分なものとすることができる。
なお、混合物が他の成分を含有する場合、その含有量はPAN系重合体100質量部に対して、20質量部以下が好ましく、より好ましくは10質量部以下である。
<Composition of the mixture>
The mixture preferably contains 30 to 100 parts by mass of an aromatic polymer, more preferably 40 to 80 parts by mass, particularly preferably 100 parts by mass of the PAN polymer. Is 50 parts by mass or more and 60 parts by mass or less. If content of an aromatic polymer is 30 mass parts or more, the exothermic reaction at the time of a flame-proofing process will fully be suppressed, and a carbonization yield will improve more. On the other hand, when the content of the aromatic polymer is 100 parts by mass or less, the strength of the obtained carbon fiber precursor fiber can be made sufficient while maintaining spinnability.
In addition, when a mixture contains another component, the content is preferable 20 mass parts or less with respect to 100 mass parts of PAN polymers, More preferably, it is 10 mass parts or less.

<炭素繊維前駆体繊維の製造方法>
炭素繊維前駆体繊維は、例えば、芳香族系重合体とPAN系重合体とを含有する混合物を溶媒に溶解して重合体溶液を調製する調製工程と、該重合体溶液から湿式紡糸法または乾湿式紡糸法により前駆体繊維を得る紡糸工程とを経て得られる。すなわち、本発明に用いる紡糸原液は、少なくとも芳香族系重合体とPAN系重合体と溶媒とを含む重合体溶液である。
<Method for producing carbon fiber precursor fiber>
The carbon fiber precursor fiber includes, for example, a preparation step in which a polymer solution is prepared by dissolving a mixture containing an aromatic polymer and a PAN polymer in a solvent, and a wet spinning method or a wet and dry method from the polymer solution. It is obtained through a spinning step of obtaining precursor fibers by a type spinning method. That is, the spinning dope used in the present invention is a polymer solution containing at least an aromatic polymer, a PAN polymer, and a solvent.

調製工程に用いる溶媒としては、非プロトン性極性溶媒を用いることができる。非プロトン性極性溶媒としては、例えばジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトミド、テトラヒドロフラン、N−メチルピロリドン、スルホランなどが挙げられる。これら非プロトン性極性溶媒は1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上述した非プロトン性極性溶媒は、芳香族系重合体およびPAN系重合体の溶解性に優れる。その中でも特に、紡糸原液の凝固性が高いという点で、N−メチルピロリドンが好ましい。
As the solvent used in the preparation step, an aprotic polar solvent can be used. Examples of the aprotic polar solvent include dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, sulfolane and the like. These aprotic polar solvents may be used alone or in combination of two or more.
The aprotic polar solvent mentioned above is excellent in the solubility of an aromatic polymer and a PAN polymer. Among them, N-methylpyrrolidone is particularly preferable in that the spinning stock solution has high coagulability.

この重合体溶液を用いて、安定して紡糸を行ない、さらに緻密で均質な凝固糸を得るためには、紡糸原液の重合体濃度を適正な範囲とすることが重要である。
紡糸原液中の芳香族系重合体とPAN系重合体の濃度は合計で、1質量%以上40質量%以下であることが好ましく、より好ましくは5質量%以上30質量%以下であり、特に好ましくは10質量%以上20質量%以下である。重合体濃度が1質量%以上であれば、紡糸原液が十分な曳糸性を有するため安定して紡糸を行なうことができる。一方、重合体濃度が40質量%以下であれば、芳香族系重合体とPAN系重合体を溶媒に均一に溶解することができ、また紡糸原液を長時間放置しても急激な粘度上昇が起きにくい。
In order to perform stable spinning using this polymer solution and obtain a dense and homogeneous coagulated yarn, it is important that the polymer concentration of the spinning dope is in an appropriate range.
The total concentration of the aromatic polymer and the PAN polymer in the spinning dope is preferably 1% by mass or more and 40% by mass or less, more preferably 5% by mass or more and 30% by mass or less, and particularly preferably. Is 10 mass% or more and 20 mass% or less. If the polymer concentration is 1% by mass or more, the spinning dope has sufficient spinnability, so that spinning can be performed stably. On the other hand, if the polymer concentration is 40% by mass or less, the aromatic polymer and the PAN polymer can be uniformly dissolved in the solvent, and the viscosity increases rapidly even if the spinning solution is left for a long time. It's hard to get up.

本発明者は、上述した芳香族系重合体とPAN系重合体とを含有する混合物の繊維化の検討を行う中で、これらの重合体が非プロトン性極性溶媒(良溶媒)に溶解することに着目した。そして、重合体溶液を紡糸原液として、ある特定の溶媒(貧溶媒)に吐出すると凝固作用により繊維状物を形成することを見出した。   The present inventor is examining the fiberization of the mixture containing the aromatic polymer and the PAN polymer described above, and that these polymers are dissolved in an aprotic polar solvent (good solvent). Focused on. The inventors have found that when the polymer solution is used as a spinning stock solution and discharged into a specific solvent (poor solvent), a fibrous material is formed by a coagulation action.

すなわち、本発明であれば、湿式紡糸法または乾湿式紡糸法を用いて、重合体溶液から前駆体繊維を得ることができる。
ここで、「湿式紡糸法」とは、所定の孔径を有する口金から紡糸原液を凝固浴溶液に吐出して凝固糸(前駆体繊維)を得る方法のことである。一方、「乾湿式紡糸法」とは、所定の孔径を有する口金から紡糸原液を一旦空気中に吐出した後、凝固浴溶液中に導入して凝固糸を得る方法のことである。
本発明に用いる凝固浴溶液としては、水(水道水、純水、イオン交換水など)が好ましい。
That is, according to the present invention, the precursor fiber can be obtained from the polymer solution using a wet spinning method or a dry wet spinning method.
Here, the “wet spinning method” is a method of obtaining a coagulated yarn (precursor fiber) by discharging a spinning solution from a die having a predetermined pore diameter to a coagulation bath solution. On the other hand, the “dry and wet spinning method” is a method in which a spinning stock solution is once discharged into the air from a die having a predetermined pore diameter and then introduced into a coagulating bath solution to obtain a coagulated yarn.
The coagulation bath solution used in the present invention is preferably water (tap water, pure water, ion exchange water, etc.).

凝固浴溶液には、必要に応じて重合体溶液に用いた非プロトン性極性溶媒を含有させることもできる。
凝固浴溶液100質量%中の非プロトン性極性溶媒の濃度は5質量%以上40質量%以下が好ましく、より好ましくは10質量%以上30質量%以下であり、特に好ましくは15質量%以上20質量%以下である。非プロトン性極性溶媒の濃度が5質量%以上であれば、凝固速度が上昇することを容易に防ぎ、凝固糸が急激に収縮したり、糸緻密性が低下したりすることを容易に防ぐことができる。一方、非プロトン性極性溶媒の濃度が40質量%以下であれば、凝固速度が低下することを容易に防ぎ、得られる前駆体繊維の単糸間の接着を抑制できる。
If necessary, the coagulation bath solution may contain the aprotic polar solvent used in the polymer solution.
The concentration of the aprotic polar solvent in 100% by mass of the coagulation bath solution is preferably 5% by mass to 40% by mass, more preferably 10% by mass to 30% by mass, and particularly preferably 15% by mass to 20% by mass. % Or less. If the concentration of the aprotic polar solvent is 5% by mass or more, it is easy to prevent the coagulation rate from increasing, and it is easy to prevent the coagulated yarn from shrinking rapidly or the yarn compactness from decreasing. Can do. On the other hand, if the concentration of the aprotic polar solvent is 40% by mass or less, it is possible to easily prevent the coagulation rate from being lowered, and to suppress adhesion between single yarns of the obtained precursor fiber.

凝固浴溶液の温度は20℃以上45℃以下が好ましく、25℃以上40℃以下がより好ましい。凝固浴溶液の温度が20℃以上であれば、凝固張力が上昇することを容易に防ぎ、凝固浴溶液中での単糸切れの発生を抑制できる。一方、凝固浴溶液の温度が45℃以下であれば、前駆体繊維を焼成して得られる炭素繊維のストランド強度が低下することを防止できる。   The temperature of the coagulation bath solution is preferably 20 ° C. or higher and 45 ° C. or lower, and more preferably 25 ° C. or higher and 40 ° C. or lower. If the temperature of the coagulation bath solution is 20 ° C. or more, it is possible to easily prevent the coagulation tension from increasing and to suppress the occurrence of single yarn breakage in the coagulation bath solution. On the other hand, if the temperature of the coagulation bath solution is 45 ° C. or lower, it is possible to prevent the strand strength of the carbon fibers obtained by firing the precursor fibers from being lowered.

<作用効果>
以上説明した本発明の炭素繊維前駆体繊維は、芳香族系重合体とPAN系重合体とを含有する混合物を紡糸したものである。芳香族系重合体は上記一般式(1)で表される構造単位を含む重合体であり、加熱処理された際の発熱量がきわめて少なく、炭素化収率に優れている特徴を有している。芳香族系重合体のベンゼン環上の少なくとも1つ以上の水素原子が、ヒドロキシ基、カルボキシ基、スルホン酸基、スルホン酸基の金属塩、アミノ基からなる群より選ばれる少なくとも1種の極性官能基で置換されることにより、芳香族系重合体とPAN系重合との相溶性が向上する効果がある。
<Effect>
The carbon fiber precursor fiber of the present invention described above is obtained by spinning a mixture containing an aromatic polymer and a PAN polymer. The aromatic polymer is a polymer containing the structural unit represented by the above general formula (1), and has a feature that the calorific value upon heat treatment is extremely small and the carbonization yield is excellent. Yes. At least one polar function selected from the group consisting of at least one hydrogen atom on the benzene ring of the aromatic polymer, a hydroxy group, a carboxy group, a sulfonic acid group, a metal salt of a sulfonic acid group, and an amino group. Substitution with a group has an effect of improving the compatibility between the aromatic polymer and the PAN-based polymerization.

また、本発明の炭素繊維前駆体繊維は、PAN系重合体に対し芳香族系重合体が配合されている効果により、PAN系重合体単独からなる炭素繊維前駆体繊維と比較して、耐炎化反応の発熱量と発熱速度が抑制される。これにより、従来のPAN系炭素繊維の前駆体繊維では制御が難しかった耐炎化処理の操作が容易となり、生産性が向上する。
加えて、本発明の炭素繊維前駆体繊維は、炭素化処理後の炭素化収率についても、PAN系重合体単独からなる炭素繊維前駆体繊維と比較して、格段に向上する。
これらの特徴は、PAN系重合体と芳香族系重合体が均一に相溶して、PAN系重合体と芳香族系重合体との間で耐炎化反応および炭素化反応が協奏的、相乗的に進行するためと考えられる。
In addition, the carbon fiber precursor fiber of the present invention has flame resistance compared to a carbon fiber precursor fiber made of a PAN polymer alone, due to the effect that an aromatic polymer is blended with a PAN polymer. The reaction exotherm and exotherm rate are suppressed. Thereby, the operation of the flame resistance treatment, which was difficult to control with the precursor fiber of the conventional PAN-based carbon fiber, becomes easy, and the productivity is improved.
In addition, the carbon fiber precursor fiber of the present invention also has a marked improvement in carbonization yield after carbonization compared to a carbon fiber precursor fiber made of a PAN polymer alone.
These characteristics are that the PAN polymer and the aromatic polymer are uniformly compatible, and the flameproofing reaction and the carbonization reaction are synergistic and synergistic between the PAN polymer and the aromatic polymer. It is thought that it progresses to.

また、上記一般式(1)で表される構造単位を含む芳香族系重合体は、PAN系重合体を溶解する極性溶媒に可溶であるため、芳香族系重合体とPAN系重合体とを例えば、上述した非プロトン性極性溶媒に混合、溶解して紡糸原液とすることができる。この紡糸原液から、湿式紡糸法または乾湿式紡糸法により炭素繊維前駆体繊維を安定に得ることができる。しかも、得られた炭素繊維前駆体繊維は、十分な機械的強度をも有している。   Moreover, since the aromatic polymer containing the structural unit represented by the general formula (1) is soluble in a polar solvent that dissolves the PAN polymer, the aromatic polymer, the PAN polymer, Can be mixed and dissolved in the above-mentioned aprotic polar solvent to obtain a spinning dope. From this spinning dope, carbon fiber precursor fibers can be stably obtained by a wet spinning method or a dry and wet spinning method. Moreover, the obtained carbon fiber precursor fiber also has sufficient mechanical strength.

従って、本発明の炭素繊維前駆体繊維を用いれば、低温かつ少ない熱供給量で、安定して耐炎化繊維を製造でき、炭素化収率が高い炭素繊維を低コストで製造できる。   Therefore, if the carbon fiber precursor fiber of the present invention is used, flame-resistant fibers can be stably produced at a low temperature and with a small amount of heat supply, and carbon fibers having a high carbonization yield can be produced at low cost.

[炭素繊維]
次に、本発明の炭素繊維について説明する。
本発明の炭素繊維は、上述した本発明の炭素繊維前駆体繊維を耐炎化および炭素化して得られる。具体的には、まず、炭素繊維前駆体繊維を耐炎化処理(耐炎化工程)して耐炎化繊維を得た後、該耐炎化繊維を炭素化処理(炭素化工程)して炭素繊維を製造する。
[Carbon fiber]
Next, the carbon fiber of the present invention will be described.
The carbon fiber of the present invention is obtained by flameproofing and carbonizing the above-described carbon fiber precursor fiber of the present invention. Specifically, first, a carbon fiber precursor fiber is subjected to a flameproofing treatment (flameproofing step) to obtain a flameproofed fiber, and then the flameproofing fiber is carbonized (carbonization step) to produce a carbon fiber. To do.

耐炎化処理は公知の方法で行うことができる。耐炎化処理の温度は150℃以上400℃以下が好ましい。耐炎化処理の温度が150℃未満であると、耐炎化反応の進行速度が遅くなり、短時間での耐炎化処理が難しくなるため、製造コストの削減が困難となる。一方、耐炎化処理の温度が400℃を超えると、炭素繊維前駆体繊維を構成する芳香族系重合体やPAN系重合体が熱分解しやすくなる。
耐炎化処理の時間は、生産性の観点から5時間以下が好ましく、より好ましくは3時間以下である。
The flameproofing treatment can be performed by a known method. The temperature of the flameproofing treatment is preferably 150 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. When the temperature of the flameproofing treatment is less than 150 ° C., the progress rate of the flameproofing reaction is slowed down, and it becomes difficult to perform the flameproofing treatment in a short time, so that it is difficult to reduce the manufacturing cost. On the other hand, if the temperature of the flameproofing treatment exceeds 400 ° C., the aromatic polymer or PAN polymer constituting the carbon fiber precursor fiber is likely to be thermally decomposed.
The time for the flameproofing treatment is preferably 5 hours or less, more preferably 3 hours or less from the viewpoint of productivity.

耐炎化処理を行う雰囲気は、不活性雰囲気と酸化性雰囲気のどちらも利用可能であるが、芳香族系重合体の熱安定性の面から、不活性雰囲気が好ましい。
ここで、「不活性雰囲気」とは、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの公知の不活性物質を含む雰囲気のことである。中でも、経済性の面から窒素雰囲気が好ましい。窒素純度としては、99%以上であればよい。一方、「酸化性雰囲気」とは、空気、酸素、二酸化窒素などの公知の酸化性物質を含む雰囲気のことである。
As the atmosphere for performing the flameproofing treatment, either an inert atmosphere or an oxidizing atmosphere can be used, but an inert atmosphere is preferable from the viewpoint of the thermal stability of the aromatic polymer.
Here, the “inert atmosphere” is an atmosphere containing a known inert substance such as nitrogen, argon, or helium. Among these, a nitrogen atmosphere is preferable from the viewpoint of economy. The nitrogen purity may be 99% or more. On the other hand, the “oxidizing atmosphere” is an atmosphere containing a known oxidizing substance such as air, oxygen, or nitrogen dioxide.

炭素化処理は公知の方法で行うことができる。炭素化処理の温度は500℃以上2000℃以下が好ましい。
炭素化処理を行う雰囲気は、不活性雰囲気が好ましい。
The carbonization treatment can be performed by a known method. The carbonization treatment temperature is preferably 500 ° C. or more and 2000 ° C. or less.
The atmosphere for performing the carbonization treatment is preferably an inert atmosphere.

炭素化工程で得られた炭素化繊維は、そのまま炭素繊維として用いることができる。また、必要に応じて公知の方法により炭素化繊維を黒鉛化したもの(黒鉛繊維)を炭素繊維として用いてもよい。例えば炭素化繊維を不活性雰囲気中、最高温度が2000℃を超えて3500℃以下で緊張下に加熱することにより黒鉛化された炭素繊維が得られる。   The carbonized fiber obtained in the carbonization step can be used as carbon fiber as it is. Moreover, you may use what carbonized fiber was graphitized by the well-known method as needed (graphite fiber) as carbon fiber. For example, graphitized carbon fiber is obtained by heating the carbonized fiber under an inert atmosphere at a maximum temperature exceeding 2000 ° C. and not exceeding 3500 ° C.

<作用効果>
以上説明したように、本発明の炭素繊維は、本発明の炭素繊維前駆体繊維を用いるので、耐炎化工程の生産性と炭素化収率が大幅に向上する。しかも、本発明によれば、低コストで炭素繊維を製造できる。
<Effect>
As described above, since the carbon fiber of the present invention uses the carbon fiber precursor fiber of the present invention, the productivity and carbonization yield in the flameproofing process are greatly improved. And according to this invention, carbon fiber can be manufactured at low cost.

<用途>
本発明の炭素繊維は、防炎材料、断熱材料等に好適である。また該浄水、空気浄化、ガス吸着、水処理、脱色、タバコフィルター、クリーンルーム用フィルター等の用途や、二次電池用、電解コンデンサー用、電気二重層キャパシタ用等の電極材料にも有用である。
<Application>
The carbon fiber of the present invention is suitable for a flameproof material, a heat insulating material and the like. It is also useful for electrode materials for applications such as water purification, air purification, gas adsorption, water treatment, decolorization, tobacco filters, clean room filters, secondary batteries, electrolytic capacitors, and electric double layer capacitors.

以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。
本実施例における各測定・評価方法は以下の通りである。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is not limited to these.
Each measurement / evaluation method in this example is as follows.

[測定・評価]
<最大発熱速度、最大発熱温度、および発熱量の測定>
示差走査型熱量測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製、「DSC220」)を用いて、DSC測定を以下の手順で実施した。
炭素繊維前駆体繊維2mg±0.5mgをサンプル容器に入れ、窒素雰囲気下、30℃で30分間保持した。次いで、窒素雰囲気下、30℃から400℃まで昇温速度10℃/分で昇温した。DSC測定においては、若干の誘導期間の後、発熱が始まり、発熱量がピークに達した後発熱量が減衰してゆく。発熱ピークが最大値を示す温度を最大発熱温度とした。また、発熱ピークの最大値を最大発熱速度とし、発熱ピークの面積を発熱量とした。
[Measurement / Evaluation]
<Measurement of maximum heat generation rate, maximum heat generation temperature, and heat generation>
Using a differential scanning calorimeter (“DSC220” manufactured by SII Nano Technology Co., Ltd.), DSC measurement was performed according to the following procedure.
2 mg ± 0.5 mg of carbon fiber precursor fiber was put in a sample container and kept at 30 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere. Next, the temperature was increased from 30 ° C. to 400 ° C. at a temperature increase rate of 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere. In DSC measurement, heat generation starts after a slight induction period, and the heat generation amount attenuates after the heat generation amount reaches a peak. The temperature at which the exothermic peak showed the maximum value was taken as the maximum exothermic temperature. The maximum value of the exothermic peak was defined as the maximum exothermic rate, and the area of the exothermic peak was defined as the calorific value.

<炭素化収率の測定>
炭素繊維前駆体繊維の質量、および炭素繊維前駆体繊維から得られた炭素繊維の質量を測定し、下記式(I)より炭素化収率を求めた。
炭素化収率(%)=(炭素繊維の質量/炭素繊維前駆体繊維の質量)×100 ・・・(I)
<Measurement of carbonization yield>
The mass of the carbon fiber precursor fiber and the mass of the carbon fiber obtained from the carbon fiber precursor fiber were measured, and the carbonization yield was determined from the following formula (I).
Carbonization yield (%) = (mass of carbon fiber / mass of carbon fiber precursor fiber) × 100 (I)

<紡糸性の評価>
重合体を所定の溶媒に、濃度が6質量%となるように溶解して紡糸原液を調製した。得られた紡糸原液を30℃に温度調節し、30℃に温調した凝固浴溶液中に、0.1mmの孔径を有する口金から1.0m/分の速度で吐出した。これにより賦形された凝固糸を駆動ローラーにて1.5m/分の速度で30分間巻き取った。この時間中に凝固浴溶液中で糸切れした回数を数え、以下の評価基準より紡糸性を評価した。
◎:糸切れ回数が5回以下である。
○:糸切れ回数が6回以上10回以下である。
△:糸切れ回数が11回以上であるが、凝固糸を巻き取ることはできた。
×:凝固糸を巻き取ること困難である。
<Evaluation of spinnability>
The spinning solution was prepared by dissolving the polymer in a predetermined solvent to a concentration of 6% by mass. The obtained spinning dope was temperature adjusted to 30 ° C., and discharged into a coagulation bath solution adjusted to 30 ° C. from a die having a pore diameter of 0.1 mm at a speed of 1.0 m / min. The solidified yarn thus shaped was wound on a drive roller at a speed of 1.5 m / min for 30 minutes. During this time, the number of yarn breaks in the coagulation bath solution was counted, and the spinnability was evaluated according to the following evaluation criteria.
A: The number of thread breaks is 5 or less.
○: The thread breakage number is 6 times or more and 10 times or less.
Δ: The yarn breakage number was 11 or more, but the coagulated yarn could be wound up.
X: It is difficult to wind up the coagulated yarn.

[製造例1:化合物Aの合成]
反応容器に1,4−ジエチニルベンゼン3.3g(26mmol)と、2,5−ジクロロ安息香酸5.1g(26mmol)と、0.1mol当量の塩化パラジウムと、0.1mol当量の酢酸銅と、0.31mol当量のトリフェニルホスフィンと、トリエチルアミン300mLとを仕込み、窒素雰囲気下、70℃で16時間反応することにより、下記一般式(12)で表される化合物A(ポリ[(2−カルボキシ−p−フェニレンエチニレン)−(p−フェニレンエチニレン)])を4.3g得た(収率61%)。
得られた化合物Aをテトラヒドロフラン(THF)に溶解し、メンブランフィルターでろ過して試料溶液を調製した。この試料溶液中の化合物Aの質量平均分子量(Mw)をゲル濾過クロマトグラフィー(GPC)により測定し、ポリスチレン換算したところ、6300であった。
[Production Example 1: Synthesis of Compound A]
In a reaction vessel, 3.3 g (26 mmol) of 1,4-diethynylbenzene, 5.1 g (26 mmol) of 2,5-dichlorobenzoic acid, 0.1 mol equivalent of palladium chloride, 0.1 mol equivalent of copper acetate, , 0.31 mol equivalent of triphenylphosphine and 300 mL of triethylamine were reacted in a nitrogen atmosphere at 70 ° C. for 16 hours, whereby compound A represented by the following general formula (12) (poly [(2-carboxyl 4.3 g of -p-phenyleneethynylene)-(p-phenyleneethynylene)]) was obtained (yield 61%).
The obtained compound A was dissolved in tetrahydrofuran (THF) and filtered through a membrane filter to prepare a sample solution. It was 6300 when the mass mean molecular weight (Mw) of the compound A in this sample solution was measured by gel filtration chromatography (GPC), and converted into polystyrene.

Figure 2015001039
Figure 2015001039

[製造例2:化合物Bの合成]
2,5−ジクロロ安息香酸の代わりに、2,5−ジクロロ−1,4−ベンゼンジオール5.0g(28mmol)を用いた以外は、製造例1と同様にして下記一般式(13)で表される化合物B(ポリ[(2,5−ジヒドロキシ−p−フェニレンエチニレン)−(p−フェニレンエチニレン)])を4.9g得た(収率76%)。
得られた化合物Bについて、化合物Aと同様にして質量平均分子量(Mw)を測定し、ポリスチレン換算したところ、7500であった。
[Production Example 2: Synthesis of Compound B]
In the same manner as in Production Example 1 except that 5.0 g (28 mmol) of 2,5-dichloro-1,4-benzenediol was used in place of 2,5-dichlorobenzoic acid, it was represented by the following general formula (13). 4.9 g of the compound B (poly [(2,5-dihydroxy-p-phenyleneethynylene)-(p-phenyleneethynylene)]) was obtained (76% yield).
About the obtained compound B, it was 7500 when the mass mean molecular weight (Mw) was measured like the compound A, and polystyrene conversion was carried out.

Figure 2015001039
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[製造例3:化合物Cの合成]
2,5−ジクロロ安息香酸の代わりに、2,5−ジクロロベンゼンスルホン酸6.0g(26mmol)を用いた以外は、製造例1と同様にして下記一般式(14)で表される化合物C(ポリ[(2−スルホン酸−p−フェニレンエチニレン)−(p−フェニレンエチニレン)])を5.7g得た(収率70%)。
得られた化合物Cについて、化合物Aと同様にして質量平均分子量(Mw)を測定し、ポリスチレン換算したところ、7200であった。
[Production Example 3: Synthesis of Compound C]
Compound C represented by the following general formula (14) in the same manner as in Production Example 1 except that 6.0 g (26 mmol) of 2,5-dichlorobenzenesulfonic acid was used instead of 2,5-dichlorobenzoic acid. 5.7 g of poly [(2-sulfonic acid-p-phenyleneethynylene)-(p-phenyleneethynylene)]) was obtained (yield 70%).
About the obtained compound C, it was 7200 when the mass mean molecular weight (Mw) was measured like the compound A, and polystyrene conversion was carried out.

Figure 2015001039
Figure 2015001039

[製造例4:化合物Dの合成]
2,5−ジクロロ安息香酸の代わりに、2,5−ジクロロ−1,4−フェニレンジアミン5.0g(28mmol)を用いた以外は、製造例1と同様にして下記一般式(15)で表される化合物D(ポリ[(2,5−ジアミノ−p−フェニレンエチニレン)−(p−フェニレンエチニレン)])を4.9g得た(収率76%)。
得られた化合物Dについて、化合物Aと同様にして質量平均分子量(Mw)を測定し、ポリスチレン換算したところ、6500であった。
[Production Example 4: Synthesis of Compound D]
In the same manner as in Production Example 1, except that 5.0 g (28 mmol) of 2,5-dichloro-1,4-phenylenediamine was used in place of 2,5-dichlorobenzoic acid, it was represented by the following general formula (15). 4.9 g of the compound D (poly [(2,5-diamino-p-phenyleneethynylene)-(p-phenyleneethynylene)]) obtained was obtained (76% yield).
About the obtained compound D, it was 6500 when the mass mean molecular weight (Mw) was measured like the compound A, and polystyrene conversion was carried out.

Figure 2015001039
Figure 2015001039

[製造例5:化合物Eの合成]
反応容器に、1,4−ジエチニル−2−カルボキシベンゼン2.5g(15mmol)と、0.26mol当量の塩化銅と、0.25mol当量のN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミンと、THF400mLとを仕込み、酸素雰囲気下、25℃で16時間反応することにより、下記一般式(16)で表される化合物E(ポリ(2−カルボキシ−p−フェニレンブタジイニレン))を2.0g得た(収率80%)。
得られた化合物Eについて、化合物Aと同様にして質量平均分子量(Mw)を測定し、ポリスチレン換算したところ、8100であった。
[Production Example 5: Synthesis of Compound E]
In a reaction vessel, 2.5 g (15 mmol) of 1,4-diethynyl-2-carboxybenzene, 0.26 mol equivalent of copper chloride, 0.25 mol equivalent of N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine and Then, 400 mL of THF was charged and reacted at 25 ° C. for 16 hours in an oxygen atmosphere, whereby compound E (poly (2-carboxy-p-phenylenebutadienylene)) represented by the following general formula (16) was added. 0 g was obtained (yield 80%).
About the obtained compound E, it was 8100 when the mass mean molecular weight (Mw) was measured like the compound A, and polystyrene conversion.

Figure 2015001039
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[製造例6:化合物Fの合成]
反応容器に1,4−ジエチニル−2−カルボキシベンゼン4.9g(24mmol)と、2,5−ジブロモ安息香酸6.7g(24mmol)と、0.03mol当量のヨウ化銅と、0.01mol当量のテトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウムと、THF60mLと、トリエチルアミン25mLとを仕込み、窒素雰囲気下、25℃で16時間反応することにより、下記一般式(17)で表される化合物F(ポリ(2−カルボキシ−p−フェニレンエチニレン))を6.2g得た(収率93%)。
得られた化合物Fについて、化合物Aと同様にして質量平均分子量(Mw)を測定し、ポリスチレン換算したところ、7600であった。
[Production Example 6: Synthesis of Compound F]
In a reaction vessel, 4.9 g (24 mmol) of 1,4-diethynyl-2-carboxybenzene, 6.7 g (24 mmol) of 2,5-dibromobenzoic acid, 0.03 mol equivalent of copper iodide, 0.01 mol equivalent Of tetrakis (triphenylphosphine) palladium, THF (60 mL), and triethylamine (25 mL) were reacted in a nitrogen atmosphere at 25 ° C. for 16 hours, whereby compound F represented by the following general formula (17) (poly (2- 6.2 g of carboxy-p-phenyleneethynylene)) was obtained (yield 93%).
About the obtained compound F, it was 7600 when the mass mean molecular weight (Mw) was measured like the compound A, and polystyrene conversion was carried out.

Figure 2015001039
Figure 2015001039

[製造例7:化合物Gの合成]
1,4−ジエチニル−2−カルボキシベンゼンの代わりに、1,4−ジエチニルベンゼン1.9g(15mmol)を用いた以外は、製造例5と同様にして下記一般式(18)で表される化合物G(ポリ(p−フェニレンブタジイニレン))を1.5g得た(収率82%)。
得られた化合物Gについて、化合物Aと同様にして質量平均分子量(Mw)を測定し、ポリスチレン換算したところ、8800であった。
[Production Example 7: Synthesis of Compound G]
It is represented by the following general formula (18) in the same manner as in Production Example 5 except that 1.9 g (15 mmol) of 1,4-diethynylbenzene is used instead of 1,4-diethynyl-2-carboxybenzene. 1.5 g of compound G (poly (p-phenylenebutadienylene)) was obtained (yield 82%).
About the obtained compound G, it was 8800 when the mass mean molecular weight (Mw) was measured like the compound A, and polystyrene conversion.

Figure 2015001039
Figure 2015001039

[製造例8:化合物Hの合成]
1,4−ジエチニル−2−カルボキシベンゼンの代わりに、1,4−ジエチニルベンゼン3.0g(24mmol)を用い、2,5−ジブロモ安息香酸の代わりに、1,4−ジブロモベンゼン5.7g(24mmol)を用いた以外は、製造例6と同様にして下記一般式(19)で表される化合物H(ポリ(p−フェニレンエチニレン))を8.1g得た(収率93%)。
得られた化合物Hについて、化合物Aと同様にして質量平均分子量(Mw)を測定し、ポリスチレン換算したところ、8600であった。
[Production Example 8: Synthesis of Compound H]
In place of 1,4-diethynyl-2-carboxybenzene, 3.0 g (24 mmol) of 1,4-diethynylbenzene was used, and in place of 2,5-dibromobenzoic acid, 5.7 g of 1,4-dibromobenzene was used. Except for using (24 mmol), 8.1 g of compound H (poly (p-phenyleneethynylene)) represented by the following general formula (19) was obtained in the same manner as in Production Example 6 (yield: 93%). .
About the obtained compound H, it was 8600 when the mass mean molecular weight (Mw) was measured like the compound A, and polystyrene conversion.

Figure 2015001039
Figure 2015001039

[製造例9:化合物Iの合成]
アクリロニトリルを水系懸濁重合法により単独重合し、化合物I(ポリアクリロニトリル)を得た。
得られた化合物Iについて、化合物Aと同様にして質量平均分子量(Mw)を測定し、ポリスチレン換算したところ、82000であった。
[Production Example 9: Synthesis of Compound I]
Acrylonitrile was homopolymerized by an aqueous suspension polymerization method to obtain Compound I (polyacrylonitrile).
About the obtained compound I, it was 82000 when the mass mean molecular weight (Mw) was measured like the compound A, and polystyrene conversion.

[例1]
<炭素繊維前駆体繊維の製造>
PAN系重合体として製造例9で合成した化合物Iを濃度6質量%になるようにN−メチルピロリドンに溶解して重合体溶液(i)を調製した。得られた重合体溶液(i)を紡糸溶液として用い、純水を凝固浴溶液として用い、上述した紡糸性の評価方法に従い凝固糸を得た。得られた凝固糸を回収し、水洗浄とメタノール洗浄を繰り返し行った後、乾燥して炭素繊維前駆体繊維を得た。
示差走査型熱量測定装置を用いて測定した炭素繊維前駆体繊維の最大発熱速度は10mW/mg、発熱量は720mJ/mg、最大発熱温度は310℃であった。
紡糸性の評価結果と、最大発熱速度、発熱量および最大発熱温度の測定結果とを表1に示す。
[Example 1]
<Manufacture of carbon fiber precursor fiber>
The compound I synthesized in Production Example 9 as a PAN-based polymer was dissolved in N-methylpyrrolidone to a concentration of 6% by mass to prepare a polymer solution (i). The obtained polymer solution (i) was used as a spinning solution, pure water was used as a coagulation bath solution, and a coagulated yarn was obtained according to the spinning property evaluation method described above. The obtained coagulated yarn was collected, repeatedly washed with water and washed with methanol, and then dried to obtain a carbon fiber precursor fiber.
The carbon fiber precursor fiber measured using a differential scanning calorimeter had a maximum heat generation rate of 10 mW / mg, a heat generation amount of 720 mJ / mg, and a maximum heat generation temperature of 310 ° C.
Table 1 shows the evaluation results of the spinnability and the measurement results of the maximum heat generation rate, the heat generation amount and the maximum heat generation temperature.

<炭素繊維の製造>
得られた炭素繊維前駆体繊維を窒素雰囲気下、250℃で60分間加熱し、耐炎化処理した。引き続き、昇温速度10℃/分で1400℃まで昇温加熱して炭素化処理した後、室温まで冷却して炭素繊維を得た。
炭素化収率を測定したところ、30%であった。結果を表1に示す。
例1は比較例である。
<Manufacture of carbon fiber>
The obtained carbon fiber precursor fiber was heated at 250 ° C. for 60 minutes in a nitrogen atmosphere to flameproof. Then, after heating up to 1400 degreeC with the temperature increase rate of 10 degree-C / min and carbonizing, it cooled to room temperature and obtained carbon fiber.
The carbonization yield was measured and found to be 30%. The results are shown in Table 1.
Example 1 is a comparative example.

[例2]
PAN系重合体として製造例9で合成した化合物Iを濃度6質量%になるようにN−メチルピロリドンに溶解して重合体溶液(i)を調製した。
別途、芳香族系重合体として製造例1で合成した化合物Aを濃度6質量%になるようにN−メチルピロリドンに溶解して重合体溶液(ii)を調製した。
PAN系重合体(化合物I)と芳香族系重合体(化合物A)の質量比(PAN系重合体(化合物I)/芳香族系重合体(化合物A))が100/33となるように、重合体溶液(i)と重合体溶液(ii)とを混合した後、3時間攪拌溶解して紡糸溶液を調製した。
得られた紡糸溶液を用いた以外は、例1と同様にして炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維を製造した。
得られた炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維等について、各種測定・評価を行った。結果を表1に示す。
例2は実施例である。
[Example 2]
The compound I synthesized in Production Example 9 as a PAN-based polymer was dissolved in N-methylpyrrolidone to a concentration of 6% by mass to prepare a polymer solution (i).
Separately, Compound A synthesized in Production Example 1 as an aromatic polymer was dissolved in N-methylpyrrolidone so as to have a concentration of 6% by mass to prepare a polymer solution (ii).
The mass ratio of the PAN polymer (compound I) to the aromatic polymer (compound A) (PAN polymer (compound I) / aromatic polymer (compound A)) is 100/33. The polymer solution (i) and the polymer solution (ii) were mixed and then dissolved by stirring for 3 hours to prepare a spinning solution.
A carbon fiber precursor fiber and a carbon fiber were produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained spinning solution was used.
Various measurements and evaluations were performed on the obtained carbon fiber precursor fibers and carbon fibers. The results are shown in Table 1.
Example 2 is an example.

[例3、4]
PAN系重合体(化合物I)と芳香族系重合体(化合物A)の質量比が100/50、または100/100となるように、重合体溶液(i)と重合体溶液(ii)とを混合した以外は、例2と同様にして紡糸溶液を調製した。
得られた紡糸溶液を用いた以外は、例1と同様にして炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維を製造した。
得られた炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維等について、各種測定・評価を行った。結果を表1に示す。
例3、4は実施例である。
[Examples 3 and 4]
The polymer solution (i) and the polymer solution (ii) are prepared so that the mass ratio of the PAN polymer (Compound I) and the aromatic polymer (Compound A) is 100/50 or 100/100. A spinning solution was prepared in the same manner as in Example 2 except for mixing.
A carbon fiber precursor fiber and a carbon fiber were produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained spinning solution was used.
Various measurements and evaluations were performed on the obtained carbon fiber precursor fibers and carbon fibers. The results are shown in Table 1.
Examples 3 and 4 are examples.

[例5]
芳香族系重合体として製造例1で合成した化合物Aを濃度6質量%になるようにN−メチルピロリドンに溶解して重合体溶液(ii)を調製した。
得られた重合体溶液(ii)を紡糸溶液として用いた以外は、例1と同様にして炭素繊維前駆体繊維の製造を試みたところ、芳香族系重合体(化合物A)が凝固浴溶液中に分散してしまい、凝固糸の取得は困難であった。そのため、最大発熱速度、発熱量、および最大発熱温度の測定は、芳香族系重合体(化合物A)の固形粉末を用いて行なった。しかし、芳香族系重合体(化合物A)単独では、発熱ピークは観測されず、最大発熱速度、最大発熱温度、および発熱量を測定できなかった。この結果を「N.D.」として表1に示す。
また、炭素化収率の測定は、芳香族系重合体(化合物A)の固形粉末を耐炎化処理および炭素化処理して行った。結果を表1に示す。
例5は比較例である。
[Example 5]
The polymer A synthesized in Production Example 1 as an aromatic polymer was dissolved in N-methylpyrrolidone so as to have a concentration of 6% by mass to prepare a polymer solution (ii).
Except for using the obtained polymer solution (ii) as a spinning solution, an attempt was made to produce a carbon fiber precursor fiber in the same manner as in Example 1. As a result, the aromatic polymer (compound A) was found in the coagulation bath solution. It was difficult to obtain coagulated yarn. Therefore, the maximum heat generation rate, the heat generation amount, and the maximum heat generation temperature were measured using a solid powder of an aromatic polymer (Compound A). However, with the aromatic polymer (compound A) alone, no exothermic peak was observed, and the maximum exothermic rate, maximum exothermic temperature, and exothermic amount could not be measured. The results are shown in Table 1 as “ND”.
The carbonization yield was measured by subjecting a solid powder of the aromatic polymer (compound A) to flameproofing treatment and carbonization treatment. The results are shown in Table 1.
Example 5 is a comparative example.

[例6〜8]
芳香族系重合体として、化合物Aの代わりに製造例2で合成した化合物Bを用い、PAN系重合体(化合物I)と芳香族系重合体(化合物B)の質量比が100/33、100/50、または100/100となるように、重合体溶液(i)と重合体溶液(ii)とを混合した以外は、例2と同様にして紡糸溶液を調製した。
得られた紡糸溶液を用いた以外は、例1と同様にして炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維を製造した。
得られた炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維等について、各種測定・評価を行った。結果を表1に示す。
例6〜8は実施例である。
[Examples 6 to 8]
As the aromatic polymer, the compound B synthesized in Production Example 2 was used instead of the compound A, and the mass ratio of the PAN polymer (Compound I) to the aromatic polymer (Compound B) was 100/33, 100. A spinning solution was prepared in the same manner as in Example 2 except that the polymer solution (i) and the polymer solution (ii) were mixed so as to be / 50 or 100/100.
A carbon fiber precursor fiber and a carbon fiber were produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained spinning solution was used.
Various measurements and evaluations were performed on the obtained carbon fiber precursor fibers and carbon fibers. The results are shown in Table 1.
Examples 6-8 are examples.

[例9]
芳香族系重合体として製造例2で合成した化合物Bを濃度6質量%になるようにN−メチルピロリドンに溶解して重合体溶液(ii)を調製した。
得られた重合体溶液(ii)を紡糸溶液として用いた以外は、例1と同様にして炭素繊維前駆体繊維の製造を試みたところ、芳香族系重合体(化合物B)が凝固浴溶液中に分散してしまい、凝固糸の取得は困難であった。そのため、最大発熱速度、発熱量、および最大発熱温度の測定は、芳香族系重合体(化合物B)の固形粉末を用いて行なった。しかし、芳香族系重合体(化合物B)単独では、発熱ピークは観測されず、最大発熱速度、最大発熱温度、および発熱量を測定できなかった。この結果を「N.D.」として表1に示す。
また、炭素化収率の測定は、芳香族系重合体(化合物B)の固形粉末を耐炎化処理および炭素化処理して行った。結果を表1に示す。
例9は比較例である。
[Example 9]
A polymer solution (ii) was prepared by dissolving the compound B synthesized in Production Example 2 as an aromatic polymer in N-methylpyrrolidone so as to have a concentration of 6% by mass.
Except for using the obtained polymer solution (ii) as a spinning solution, an attempt was made to produce a carbon fiber precursor fiber in the same manner as in Example 1. As a result, the aromatic polymer (compound B) was found in the coagulation bath solution. It was difficult to obtain coagulated yarn. Therefore, the maximum heat generation rate, the heat generation amount, and the maximum heat generation temperature were measured using a solid powder of an aromatic polymer (Compound B). However, with the aromatic polymer (compound B) alone, no exothermic peak was observed, and the maximum exothermic rate, maximum exothermic temperature, and exothermic amount could not be measured. The results are shown in Table 1 as “ND”.
Further, the carbonization yield was measured by subjecting the solid powder of the aromatic polymer (compound B) to flame resistance treatment and carbonization treatment. The results are shown in Table 1.
Example 9 is a comparative example.

[例10〜12]
芳香族系重合体として、化合物Aの代わりに製造例3で合成した化合物Cを用い、PAN系重合体(化合物I)と芳香族系重合体(化合物C)の質量比が100/33、100/50、または100/100となるように、重合体溶液(i)と重合体溶液(ii)とを混合した以外は、例2と同様にして紡糸溶液を調製した。
得られた紡糸溶液を用いた以外は、例1と同様にして炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維を製造した。
得られた炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維等について、各種測定・評価を行った。結果を表1に示す。
例10〜12は実施例である。
[Examples 10 to 12]
As the aromatic polymer, the compound C synthesized in Production Example 3 was used instead of the compound A, and the mass ratio of the PAN polymer (Compound I) to the aromatic polymer (Compound C) was 100/33, 100. A spinning solution was prepared in the same manner as in Example 2 except that the polymer solution (i) and the polymer solution (ii) were mixed so as to be / 50 or 100/100.
A carbon fiber precursor fiber and a carbon fiber were produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained spinning solution was used.
Various measurements and evaluations were performed on the obtained carbon fiber precursor fibers and carbon fibers. The results are shown in Table 1.
Examples 10-12 are examples.

[例13]
芳香族系重合体として製造例3で合成した化合物Cを濃度6質量%になるようにN−メチルピロリドンに溶解して重合体溶液(ii)を調製した。
得られた重合体溶液(ii)を紡糸溶液として用いた以外は、例1と同様にして炭素繊維前駆体繊維の製造を試みたところ、芳香族系重合体(化合物C)が凝固浴溶液中に分散してしまい、凝固糸の取得は困難であった。そのため、最大発熱速度、発熱量、および最大発熱温度の測定は、芳香族系重合体(化合物C)の固形粉末を用いて行なった。しかし、芳香族系重合体(化合物C)単独では、発熱ピークは観測されず、最大発熱速度、最大発熱温度、および発熱量を測定できなかった。この結果を「N.D.」として表1に示す。
また、炭素化収率の測定は、芳香族系重合体(化合物C)の固形粉末を耐炎化処理および炭素化処理して行った。結果を表1に示す。
例13は比較例である。
[Example 13]
Compound C synthesized in Production Example 3 as an aromatic polymer was dissolved in N-methylpyrrolidone so as to have a concentration of 6% by mass to prepare a polymer solution (ii).
Except that the obtained polymer solution (ii) was used as a spinning solution, an attempt was made to produce a carbon fiber precursor fiber in the same manner as in Example 1. As a result, the aromatic polymer (compound C) was found in the coagulation bath solution. It was difficult to obtain coagulated yarn. Therefore, the maximum heat generation rate, the heat generation amount, and the maximum heat generation temperature were measured using a solid powder of an aromatic polymer (Compound C). However, with the aromatic polymer (compound C) alone, no exothermic peak was observed, and the maximum exothermic rate, maximum exothermic temperature, and exothermic amount could not be measured. The results are shown in Table 1 as “ND”.
The carbonization yield was measured by subjecting a solid powder of the aromatic polymer (compound C) to flameproofing treatment and carbonization treatment. The results are shown in Table 1.
Example 13 is a comparative example.

[例14、15]
芳香族系重合体として、化合物Aの代わりに製造例4で合成した化合物Dを用い、PAN系重合体(化合物I)と芳香族系重合体(化合物D)の質量比が100/33、または100/50となるように、重合体溶液(i)と重合体溶液(ii)とを混合した以外は、例2と同様にして紡糸溶液を調製した。
得られた紡糸溶液を用いた以外は、例1と同様にして炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維を製造した。
得られた炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維等について、各種測定・評価を行った。結果を表1に示す。
例14、15は実施例である。
[Examples 14 and 15]
As the aromatic polymer, the compound D synthesized in Production Example 4 was used instead of the compound A, and the mass ratio of the PAN polymer (Compound I) to the aromatic polymer (Compound D) was 100/33, or A spinning solution was prepared in the same manner as in Example 2 except that the polymer solution (i) and the polymer solution (ii) were mixed so as to be 100/50.
A carbon fiber precursor fiber and a carbon fiber were produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained spinning solution was used.
Various measurements and evaluations were performed on the obtained carbon fiber precursor fibers and carbon fibers. The results are shown in Table 1.
Examples 14 and 15 are examples.

[例16]
芳香族系重合体として製造例4で合成した化合物Dを濃度6質量%になるようにN−メチルピロリドンに溶解して重合体溶液(ii)を調製した。
得られた重合体溶液(ii)を紡糸溶液として用いた以外は、例1と同様にして炭素繊維前駆体繊維の製造を試みたところ、芳香族系重合体(化合物D)が凝固浴溶液中に分散してしまい、凝固糸の取得は困難であった。そのため、最大発熱速度、発熱量、および最大発熱温度の測定は、芳香族系重合体(化合物D)の固形粉末を用いて行なった。しかし、芳香族系重合体(化合物D)単独では、発熱ピークは観測されず、最大発熱速度、最大発熱温度、および発熱量を測定できなかった。この結果を「N.D.」として表1に示す。
また、炭素化収率の測定は、芳香族系重合体(化合物D)の固形粉末を耐炎化処理および炭素化処理して行った。結果を表1に示す。
例16は比較例である。
[Example 16]
A compound D synthesized in Production Example 4 as an aromatic polymer was dissolved in N-methylpyrrolidone so as to have a concentration of 6% by mass to prepare a polymer solution (ii).
Except for using the obtained polymer solution (ii) as a spinning solution, an attempt was made to produce a carbon fiber precursor fiber in the same manner as in Example 1. As a result, the aromatic polymer (compound D) was found in the coagulation bath solution. It was difficult to obtain coagulated yarn. Therefore, the maximum heat generation rate, the heat generation amount, and the maximum heat generation temperature were measured using a solid powder of an aromatic polymer (Compound D). However, with the aromatic polymer (compound D) alone, no exothermic peak was observed, and the maximum exothermic rate, maximum exothermic temperature, and exothermic amount could not be measured. The results are shown in Table 1 as “ND”.
The carbonization yield was measured by subjecting the solid powder of the aromatic polymer (compound D) to flameproofing treatment and carbonization treatment. The results are shown in Table 1.
Example 16 is a comparative example.

[例17、18]
芳香族系重合体として、化合物Aの代わりに製造例5で合成した化合物E、または製造例6で合成した化合物Fを用いた以外は、例2と同様にして紡糸溶液を調製した。
得られた紡糸溶液を用いた以外は、例1と同様にして炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維を製造した。
得られた炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維等について、各種測定・評価を行った。結果を表1に示す。
例17、18は実施例である。
[Examples 17 and 18]
A spinning solution was prepared in the same manner as in Example 2 except that Compound E synthesized in Production Example 5 or Compound F synthesized in Production Example 6 was used instead of Compound A as the aromatic polymer.
A carbon fiber precursor fiber and a carbon fiber were produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained spinning solution was used.
Various measurements and evaluations were performed on the obtained carbon fiber precursor fibers and carbon fibers. The results are shown in Table 1.
Examples 17 and 18 are examples.

[例19、20]
芳香族系重合体として、化合物Aの代わりに製造例7で合成した化合物G、または製造例8で合成した化合物Hを用いた以外は、例2と同様にして紡糸溶液の調製を試みたところ、芳香族系重合体(化合物H、G)がN−メチルピロリドンに溶解しないため、紡糸原液を得ることができなかった。
例19、20は比較例である。
[Examples 19 and 20]
An attempt was made to prepare a spinning solution in the same manner as in Example 2 except that Compound G synthesized in Production Example 7 or Compound H synthesized in Production Example 8 was used instead of Compound A as the aromatic polymer. Since the aromatic polymer (compounds H and G) was not dissolved in N-methylpyrrolidone, a spinning dope could not be obtained.
Examples 19 and 20 are comparative examples.

Figure 2015001039
Figure 2015001039

例2〜4、6〜8、10〜12、14、15、17、18の結果に示されるように、湿式紡糸法を用いることによって、PAN系重合体と芳香族系重合体とからなる炭素繊維前駆体繊維を安定に製造することができた。これらの例から得られた炭素繊維前駆体繊維は、例1のPAN系重合体からなる炭素繊維前駆体繊維と比較して、最大発熱速度と発熱量に減少が見られ、耐炎化工程の生産性が向上していた。しかも、炭素化収率も高かった。
一方、例5、9、13、16の結果に示されるように、芳香族系重合体単独では炭素繊維前駆体繊維の取得が困難であった。
As shown in the results of Examples 2 to 4, 6 to 8, 10 to 12, 14, 15, 17, and 18, carbon composed of a PAN polymer and an aromatic polymer by using a wet spinning method. The fiber precursor fiber could be stably produced. The carbon fiber precursor fibers obtained from these examples show a decrease in maximum heat generation rate and calorific value compared to the carbon fiber precursor fibers made of the PAN-based polymer of Example 1, and production in the flameproofing process. Improved. Moreover, the carbonization yield was high.
On the other hand, as shown in the results of Examples 5, 9, 13, and 16, it was difficult to obtain the carbon fiber precursor fiber with the aromatic polymer alone.

本発明は、従来のPAN系炭素繊維よりも最大発熱速度と発熱量が低く、急激な発熱反応を抑制することができる、芳香族系重合体とPAN系重合体とを含有する混合物を炭素繊維前駆体繊維の紡糸原料として用いることにより、耐炎化工程の生産性向上が可能となり、続く炭素化工程でも品位の良い炭素繊維を製造することができ、有用である。   The present invention relates to a mixture containing an aromatic polymer and a PAN polymer, which has a maximum exotherm rate and a calorific value lower than those of conventional PAN-based carbon fibers and can suppress a rapid exothermic reaction. By using it as a raw material for spinning precursor fibers, it is possible to improve the productivity of the flameproofing process, and it is possible to produce high-quality carbon fibers in the subsequent carbonization process, which is useful.

Claims (3)

下記一般式(1)で表される構造単位を含む芳香族系重合体と、ポリアクリロニトリル系重合体とを含有する混合物からなる、炭素繊維前駆体繊維。
Figure 2015001039
式(1)中、R、R、R、Rは独立して、水素原子、ヒドロキシ基、カルボキシ基、スルホン酸基、スルホン酸基の金属塩、アミノ基からなる群より選ばれる。ただし、R、R、R、Rの全てが水素原子である場合を除く。Aは−C≡C−または下記一般式(2)で表される芳香族基であり、mは0または1である。
Figure 2015001039
式(2)中、R、R、R、Rは独立して、水素原子、ヒドロキシ基、カルボキシ基、スルホン酸基、スルホン酸基の金属塩、アミノ基からなる群より選ばれる。
A carbon fiber precursor fiber composed of a mixture containing an aromatic polymer containing a structural unit represented by the following general formula (1) and a polyacrylonitrile polymer.
Figure 2015001039
In formula (1), R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are independently selected from the group consisting of a hydrogen atom, a hydroxy group, a carboxy group, a sulfonic acid group, a metal salt of a sulfonic acid group, and an amino group. . However, the case where all of R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are hydrogen atoms is excluded. A is —C≡C— or an aromatic group represented by the following general formula (2), and m is 0 or 1.
Figure 2015001039
In formula (2), R 5 , R 6 , R 7 and R 8 are independently selected from the group consisting of a hydrogen atom, a hydroxy group, a carboxy group, a sulfonic acid group, a metal salt of a sulfonic acid group, and an amino group. .
前記混合物が、ポリアクリロニトリル系重合体100質量部に対して、前記芳香族系重合体を30質量部以上100質量部以下含有する、請求項1に記載の炭素繊維前駆体繊維。   The carbon fiber precursor fiber according to claim 1, wherein the mixture contains 30 to 100 parts by mass of the aromatic polymer with respect to 100 parts by mass of the polyacrylonitrile polymer. 請求項1または2に記載の炭素繊維前駆体繊維を耐炎化および炭素化して得られる、炭素繊維。   Carbon fiber obtained by making the carbon fiber precursor fiber according to claim 1 or 2 flameproof and carbonized.
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