JP2015161056A - Acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fiber and production method thereof - Google Patents

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友孝 吉森
Tomotaka Yoshimori
友孝 吉森
嘉子 行政
Yoshiko Ikumasa
嘉子 行政
杉浦 直樹
Naoki Sugiura
直樹 杉浦
廣田 憲史
Norifumi Hirota
憲史 廣田
二井 健
Takeshi Futai
健 二井
橋本 弘
Hiroshi Hashimoto
弘 橋本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an acrylonitrile precursor fiber bundle which has appropriate surface denseness suitable for formation of carbon fiber having higher mechanical characteristics and its production method.SOLUTION: A method of producing an acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fiber includes obtaining a fiber bundle spun under a specified drawing condition through a step of causing the fiber bundle to shrink or stretch 0.95-1.3 times in a water bath at 40°C or higher under a specified coagulation condition in spinning by dry-wet spinning, and applying an oil agent containing a silicone compound to the fiber bundle to a specified coating amount of the silicone compound.

Description

本発明は、炭素繊維の製造に使用されるアクリロニトリル前駆体繊維束及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an acrylonitrile precursor fiber bundle used for producing carbon fibers and a method for producing the same.

樹脂系成型品の機械特性を向上させる目的で、繊維を強化材として樹脂と複合化することが一般的に行われている。特に、比強度、比弾性に優れた炭素繊維を高性能樹脂と複合化した成形材料は、非常に優れた機械特性を発現することから、航空機、高速移動体などの構造材料として使用することが積極的に進められている。また、この成形材料には、更なる高強度化及び高剛性化の要請や、更なる比強度及び比剛性の向上の要請もあり、炭素繊維の性能についても、より高強度化及び高弾性率化が求められている。   For the purpose of improving the mechanical properties of a resin-based molded product, it is generally performed to combine a fiber with a resin as a reinforcing material. In particular, molding materials made by combining carbon fibers with excellent specific strength and specific elasticity with high-performance resins exhibit very good mechanical properties, so they can be used as structural materials for aircraft, high-speed moving bodies, etc. It is being actively promoted. In addition, there is a demand for higher strength and higher rigidity for this molding material as well as a request for further improvement in specific strength and specific rigidity. With regard to the performance of carbon fiber, higher strength and higher elastic modulus are also required. Is required.

このような高性能炭素繊維を製造するには、強度発現性の優れる炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束を得ることが望まれる。これまで、前駆体繊維の構造緻密性を高め、欠陥点を排除する技術などが検討されているが、炭素繊維の破断は大部分が表面から開始されており、特に繊維表面の緻密化及び欠陥点の排除等が、炭素繊維の更なる高強度化には不可欠である。この欠陥点形成の要因の一つとしては、前駆体繊維に付与される油剤が挙げられ、この油剤の耐熱性不足や過少過剰付着等に起因する単繊維間接着、及び油剤の繊維内部への浸透に起因するミクロボイドの影響が大きい。   In order to produce such a high-performance carbon fiber, it is desired to obtain an acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fiber having excellent strength development. Up to now, technologies for improving the structural density of precursor fibers and eliminating defect points have been studied. However, most of the fractures of carbon fibers have started from the surface, and in particular, the densification and defects of the fiber surface Elimination of points is indispensable for further strengthening the carbon fiber. One of the causes of this defect point formation is an oil agent imparted to the precursor fiber. Adhesion between single fibers due to insufficient heat resistance or excessive excess adhesion of this oil agent, and the oil agent inside the fiber. The effect of microvoids due to penetration is large.

特許文献1では、繊維全体として緻密性が高いとともに繊維表面の緻密性が極めて高いアクリロニトリル系前駆体繊維束を製造する方法が提案されている。特許文献2では、油剤が繊維内部に浸入して緻密化を阻害することから、繊維表面のミクロ空隙に注目し、油剤の浸透を抑制する技術が提案されている。特許文献3では、紡糸繊維の凝固条件及び延伸条件を適正化することで、緻密な内部構造を有し、更に表面近傍においては、油剤浸透を抑制可能な炭素繊維用アクリロニトリル膨潤繊維に関する技術が提案されている。   Patent Document 1 proposes a method for producing an acrylonitrile-based precursor fiber bundle having high density as a whole and extremely high density on the fiber surface. In Patent Document 2, since the oil agent penetrates into the inside of the fiber to inhibit densification, a technique for suppressing the permeation of the oil agent has been proposed by paying attention to micro voids on the fiber surface. Patent Document 3 proposes a technique related to acrylonitrile-swelling fibers for carbon fibers that have a dense internal structure by optimizing the coagulation and drawing conditions of the spun fiber and that can suppress oil penetration in the vicinity of the surface. Has been.

特公平6−15722号公報Japanese Patent Publication No. 6-15722 特開平11−124744号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-124744 国際公開第2010/143680号International Publication No. 2010/143680

しかしながら、これらの特許文献に記載の技術で得られる前駆体繊維束では、油剤浸透が過剰抑制されることがあり、繊維表面への油剤の付着斑や過剰付着を引き起こす場合があった。このため、これらの技術では、前駆体繊維束における油剤の付着浸透状態を安定的に制御する効果が不十分な場合があり、本発明者らが求める炭素繊維強度の安定的な発現に至らない場合があった。よって、本発明の目的は、より高い機械的特性を有する炭素繊維を得るための、適度な表面緻密性を有するアクリロニトリル前駆体繊維束、及びその製造方法を提供することにある。   However, in the precursor fiber bundle obtained by the techniques described in these patent documents, the oil agent permeation may be excessively suppressed, and the adhesion of the oil agent to the fiber surface or excessive adhesion may be caused. For this reason, in these techniques, the effect of stably controlling the adhesion and penetration state of the oil agent in the precursor fiber bundle may be insufficient, and the carbon fiber strength required by the present inventors cannot be stably expressed. There was a case. Accordingly, an object of the present invention is to provide an acrylonitrile precursor fiber bundle having an appropriate surface density and a method for producing the same in order to obtain carbon fibers having higher mechanical properties.

本発明は、シリコーン化合物が付着した炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束を製造する方法であって、(1)アクリロニトリル単位の含有率が96.0質量%以上である重合体を有機溶剤に溶解させた紡糸原液から、乾湿式紡糸法によって凝固繊維束を作製する工程と、(2)該凝固繊維束を空気中で1.0倍以上1.2倍以下に延伸する工程と、(3)工程2より得られる繊維束を、有機溶剤を含む水溶液中で延伸し、その際、工程1より得られる凝固繊維束に対する、工程2および工程3の合計延伸倍率を2.0倍以上4.0倍以下とする工程と、(4)工程3より得られる繊維束から有機溶剤を除去する工程と、(5)工程4より得られる繊維束を、40℃以上の水浴中で0.95倍以上1.3倍以下に収縮または延伸する工程と、(6)工程5より得られる繊維束に、シリコーン化合物を含む油剤を付着させる工程と、(7)工程6より得られる繊維束を乾燥させる工程とを含み、工程3において、該有機溶剤を含む水溶液の温度(℃)をAで表し、該有機溶剤を含む水溶液中の有機溶剤の濃度(質量比)をBで表し、該有機溶剤を含む水溶液中における工程2より得られる繊維束に付与する延伸倍率(比率)をCで表し、工程5において、該水浴の温度(℃)をDで表した場合に、下記の数式(1)で表される関係を満たし、工程6において、工程7後の乾燥させた繊維束に対する該シリコーン化合物の含有量が0.7質量%以上2.0質量%以下になる該油剤の量を繊維束に付与する、炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束の製造方法である。   The present invention is a method for producing an acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fibers to which a silicone compound is adhered, wherein (1) a polymer having an acrylonitrile unit content of 96.0% by mass or more is dissolved in an organic solvent. A step of producing a coagulated fiber bundle from the raw spinning solution by a dry and wet spinning method, (2) a step of stretching the coagulated fiber bundle in air to 1.0 to 1.2 times, and (3) step The fiber bundle obtained from step 2 is stretched in an aqueous solution containing an organic solvent. At that time, the total draw ratio of step 2 and step 3 with respect to the solidified fiber bundle obtained from step 1 is 2.0 times or more and 4.0 times. (4) the step of removing the organic solvent from the fiber bundle obtained from step 3, and (5) the fiber bundle obtained from step 4 in a water bath at 40 ° C. or higher 0.95 times or more 1 .Shrinking or stretching to 3 times or less (6) including a step of attaching an oil agent containing a silicone compound to the fiber bundle obtained from step 5; and (7) a step of drying the fiber bundle obtained from step 6; The temperature (° C.) of the aqueous solution containing is represented by A, the concentration (mass ratio) of the organic solvent in the aqueous solution containing the organic solvent is represented by B, and applied to the fiber bundle obtained from step 2 in the aqueous solution containing the organic solvent. When the draw ratio (ratio) to be expressed is represented by C and the temperature (° C.) of the water bath is represented by D in Step 5, the relationship represented by the following formula (1) is satisfied. Production of an acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fiber, which gives the fiber bundle an amount of the oil agent such that the content of the silicone compound with respect to the later dried fiber bundle is 0.7% by mass or more and 2.0% by mass or less. Is the method.

また、本発明は、シリコーン化合物が付着した炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束であって、該繊維束中の該シリコーン化合物の含有量が、0.7質量%以上2.0質量%以下であり、単繊維の繊度が0.5dtex以上0.95dtex以下、単繊維の繊維断面の長径と短径との比(長径/短径)が1.00以上1.01以下、中心線平均粗さ(Ra)が3nm以上10nm以下である、炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束である。   Further, the present invention is an acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fiber to which a silicone compound is adhered, wherein the content of the silicone compound in the fiber bundle is 0.7% by mass or more and 2.0% by mass or less. The fineness of the single fiber is 0.5 dtex or more and 0.95 dtex or less, the ratio of the major axis to the minor axis (major axis / minor axis) of the fiber section of the single fiber is 1.00 or more and 1.01 or less, and the center line average roughness ( Ra) is an acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fibers having a size of 3 nm to 10 nm.

本発明は、単繊維の繊維軸方向に延びる表面凹凸構造が無い炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束であることが好ましい。   The present invention is preferably an acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fibers having no surface uneven structure extending in the fiber axis direction of single fibers.

さらに、前記シリコーン化合物が、以下の条件(1)及び(2)を満たすアミノ変性シリコーン化合物である炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束が好ましい。
(1)25℃における動粘度が50cst以上5000cst以下、
(2)アミノ当量が1700g/mol以上15000g/mol以下。
Furthermore, an acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fibers, in which the silicone compound is an amino-modified silicone compound that satisfies the following conditions (1) and (2), is preferable.
(1) Kinematic viscosity at 25 ° C. is 50 cst or more and 5000 cst or less,
(2) An amino equivalent is 1700 g / mol or more and 15000 g / mol or less.

本発明により、より高い機械的特性を有する炭素繊維を得るための、適度な表面緻密性を有するアクリロニトリル前駆体繊維束及びその製造方法を提供できる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide an acrylonitrile precursor fiber bundle having moderate surface density and a method for producing the same in order to obtain carbon fibers having higher mechanical properties.

本発明者らは上記課題に対して鋭意検討を行った結果、炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束が、特定の凝固条件及び特定の延伸条件で紡糸した繊維束に、シリコーン化合物を含む油剤を、このシリコーン化合物の付着量が特定量になるように付与することで、上記課題が解決できることを見出した。   As a result of intensive studies on the above problems, the inventors of the present invention obtained an oil agent containing a silicone compound in a fiber bundle obtained by spinning an acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fiber under a specific coagulation condition and a specific drawing condition. It discovered that the said subject could be solved by providing so that the adhesion amount of this silicone compound might become a specific amount.

このように、特定の凝固条件及び特定の延伸条件で紡糸することにより緻密な繊維構造を有する繊維束を得ることができる。また、この得られた繊維束にシリコーン化合物の付着量が特定の範囲になるように油剤を付与することで、油剤の付着浸透状態を制御することができ、適度な表面緻密性を有する炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束を得ることができる。なお、本発明において、前記「表面」は、表層の意味も含む。   Thus, a fiber bundle having a dense fiber structure can be obtained by spinning under specific coagulation conditions and specific drawing conditions. Further, by applying an oil agent to the obtained fiber bundle so that the adhesion amount of the silicone compound falls within a specific range, the carbon fiber having an appropriate surface density can be controlled. An acrylonitrile precursor fiber bundle can be obtained. In the present invention, the “surface” includes the meaning of the surface layer.

さらに、この前駆体繊維束を、耐炎化処理及び炭素化処理することによって、優れた機械的性能を有し、航空機用途、産業用途等に用いることができる高品質かつ高性能な炭素繊維束を得ることができる。また、この炭素繊維束によって、高い機械的特性を有する成形材料(繊維強化樹脂)を得ることが出来る。   Furthermore, this precursor fiber bundle has a high-quality and high-performance carbon fiber bundle that has excellent mechanical performance by being subjected to flameproofing treatment and carbonization treatment, and can be used for aircraft use, industrial use, etc. Can be obtained. Further, a molding material (fiber reinforced resin) having high mechanical properties can be obtained by the carbon fiber bundle.

以下、本発明について詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

<炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束>
本発明の炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束(以降、「前駆体繊維束」と称することがある。)は、シリコーン化合物を含む油剤が例えば表面全体に付着している。この炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束は、炭素繊維の前駆体となる繊維束であり、この繊維束を構成する各繊維は、後述するアクリロニトリル系重合体からなることができる。
<Acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fiber>
In the acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fibers of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “precursor fiber bundle”), an oil containing a silicone compound adheres to the entire surface, for example. The acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fiber is a fiber bundle that becomes a precursor of carbon fiber, and each fiber constituting the fiber bundle can be made of an acrylonitrile-based polymer described later.

本発明の炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束は、例えば、以下のアクリロニトリル系重合体と有機溶剤とからなる紡糸原液を紡糸して得られる繊維束(油剤付着前の前駆体繊維束)に、シリコーン化合物を含有する油剤を付与して乾燥させた後、熱延伸もしくはスチーム延伸にて延伸処理を施すことによって得ることができる。   The acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fiber of the present invention is obtained by, for example, applying a silicone fiber to a fiber bundle (precursor fiber bundle before oil agent adhesion) obtained by spinning a spinning stock solution comprising the following acrylonitrile-based polymer and an organic solvent. After applying and drying the oil containing a compound, it can be obtained by subjecting it to a stretching treatment by hot stretching or steam stretching.

また、本発明の炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束中の上記シリコーン化合物の含有量(付着量)は、乾燥及び延伸処理を施した後の段階の前駆体繊維束に対して、0.7質量%以上2.0質量%以下である   Further, the content (attachment amount) of the silicone compound in the acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fiber of the present invention is 0.7 mass relative to the precursor fiber bundle at the stage after drying and stretching treatments. % To 2.0% by mass

〔アクリロニトリル系重合体〕
前駆体繊維束の原料となる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単位を含めば良く、アクリロニトリルの単独重合体であっても良いし、アクリロニトリルと他のモノマーとからなる共重合体であっても良い。なお、この他のモノマーは1種を単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良い。
[Acrylonitrile polymer]
The acrylonitrile-based polymer used as a raw material for the precursor fiber bundle may contain at least an acrylonitrile unit, and may be a homopolymer of acrylonitrile or a copolymer of acrylonitrile and another monomer. . Other monomers may be used alone or in combination of two or more.

しかしながら、この重合体中のアクリロニトリル単位の含有率は、96.0質量%以上が好ましく、97.0質量%以上がより好ましく、97.5質量%以上が更に好ましい。また、この重合体中のアクリロニトリル単位の含有率は、99.7質量%以下が好ましく、99.0質量%以下がより好ましく、98.5質量%以下が更に好ましい。   However, the content of acrylonitrile units in the polymer is preferably 96.0% by mass or more, more preferably 97.0% by mass or more, and further preferably 97.5% by mass or more. Further, the content of acrylonitrile units in this polymer is preferably 99.7% by mass or less, more preferably 99.0% by mass or less, and further preferably 98.5% by mass or less.

この重合体中のアクリロニトリル単位の含有量を96.0質量%以上99.7質量%以下とすることで、耐炎化反応で形成させるラダーポリマーの構造不整を一層小さくすることが出来、その後の高温度処理時の分解反応を一層抑制することが出来、強度低下の原因となる欠陥点の少ない緻密な炭素繊維を容易に得ることが出来る。   By making the content of the acrylonitrile unit in this polymer 96.0 mass% or more and 99.7 mass% or less, the structural irregularity of the ladder polymer formed by the flameproofing reaction can be further reduced. The decomposition reaction during the temperature treatment can be further suppressed, and a dense carbon fiber with few defects that cause a decrease in strength can be easily obtained.

なお、アクリロニトリル(第1成分)と共重合させる他のモノマーは炭素繊維の分野で公知のモノマーを適宜用いることができるが、本発明では、この他のモノマーとして、カルボキシル基及びエステル基のいずれか一方または両方を1つ以上有する不飽和炭化水素(不飽和炭化水素化合物)(第2成分)を用いることが好ましい。この不飽和炭化水素を用いることで、耐炎化における分子内環化反応に伴う自己発熱を抑え、熱的ダメージの抑制を可能とすることができる。カルボキシル基及びエステル基のいずれか一方または両方を1つ以上有する不飽和炭化水素としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル、アクリル酸エチルを挙げることができる。これらの不飽和炭化水素は、1種を単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良い。   In addition, as the other monomer copolymerized with acrylonitrile (first component), a known monomer in the field of carbon fiber can be used as appropriate. In the present invention, any one of a carboxyl group and an ester group is used as the other monomer. It is preferable to use an unsaturated hydrocarbon (unsaturated hydrocarbon compound) (second component) having one or both. By using this unsaturated hydrocarbon, the self-heating accompanying the intramolecular cyclization reaction in flame resistance can be suppressed, and thermal damage can be suppressed. Examples of the unsaturated hydrocarbon having one or both of a carboxyl group and an ester group include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, methyl acrylate, methyl methacrylate, and ethyl acrylate. . These unsaturated hydrocarbons may be used alone or in combination of two or more.

上記アクリロニトリル系重合体中の上記不飽和炭化水素単位の含有率は、0.3質量%以上4.0質量%以下が好ましく、1.0質量%以上3.0質量%以下がより好ましく、1.5質量%以上2.5質量%以下が更に好ましい。   The content of the unsaturated hydrocarbon unit in the acrylonitrile-based polymer is preferably 0.3% by mass or more and 4.0% by mass or less, more preferably 1.0% by mass or more and 3.0% by mass or less. More preferably, the content is 5% by mass or more and 2.5% by mass or less.

この特定の官能基を有する不飽和炭化水素成分は、耐炎化反応の起点となることが知られている。上記重合体中のこの不飽和炭化水素の含有量が0.3質量%以上であれば、適度な耐炎化反応を容易に生じさせることができ、耐炎化繊維の構造形成に支障をきたすことを容易に抑制することができる。一方、上記不飽和炭化水素の含有量が4.0質量%以下であれば、反応起点が多数存在することによる急激な反応を容易に抑制することができ、その結果、荒れた構造形態の形成を容易に抑制し、高い性能を有する炭素繊維を容易に得ることができる。即ち、上記重合体中の上記不飽和炭化水素成分の含有量を0.3質量%以上4.0質量%以下とすることで、耐炎化反応の開始点や反応速度のバランスが容易に良好となり、構造が緻密で、炭素化工程で欠陥点となるような構造不整合部の形成を容易に抑制することが可能である。また、適度な反応性を有することから、比較的低い温度領域で耐炎化反応を生じさせることが出来、経済性と安全性の両面に優れた耐炎化処理を実施することが出来る。従って、構造不整や欠陥の少ないグラフェン積層構造からなる炭素繊維を高収率で得るのに適した耐炎化繊維を得ることが出来る。   It is known that the unsaturated hydrocarbon component having this specific functional group serves as a starting point for the flameproofing reaction. If the content of the unsaturated hydrocarbon in the polymer is 0.3% by mass or more, an appropriate flameproofing reaction can be easily caused, and the structure formation of the flameproofed fiber can be hindered. It can be easily suppressed. On the other hand, if the content of the unsaturated hydrocarbon is 4.0% by mass or less, a rapid reaction due to the presence of a large number of reaction starting points can be easily suppressed, and as a result, formation of a rough structural form is achieved. Can be easily suppressed, and a carbon fiber having high performance can be easily obtained. That is, when the content of the unsaturated hydrocarbon component in the polymer is 0.3% by mass or more and 4.0% by mass or less, the balance between the start point of the flameproofing reaction and the reaction rate is easily improved. In addition, it is possible to easily suppress the formation of a structural mismatching portion that has a dense structure and becomes a defect point in the carbonization process. Moreover, since it has moderate reactivity, a flameproofing reaction can be caused in a relatively low temperature range, and a flameproofing process excellent in both economic efficiency and safety can be performed. Therefore, it is possible to obtain a flame-resistant fiber suitable for obtaining a carbon fiber having a graphene laminated structure with few structural irregularities and defects in a high yield.

以上より、上記アクリロニトリル系重合体は、アクリロニトリル単位を96.0質量%以上99.7質量%以下と、カルボキシル基及びエステル基のいずれか一方または両方を1つ以上有する不飽和炭化水素化合物単位を0.3質量%以上4.0質量%以下含むアクリロニトリル系共重合体であることが好ましい。   From the above, the acrylonitrile-based polymer contains 96.0% by mass or more and 99.7% by mass or less of acrylonitrile units, and an unsaturated hydrocarbon compound unit having one or both of a carboxyl group and an ester group. An acrylonitrile-based copolymer containing 0.3% by mass or more and 4.0% by mass or less is preferable.

また、上記アクリロニトリル系重合体中に、第3成分として、アクリルアミド、メタクリルアミド、N−メチロールアクリルアミド、N、N−ジメチルアクリルアミド等のアクリルアミド誘導体、酢酸ビニルなどを含有しても良い。   Further, the acrylonitrile-based polymer may contain acrylamide derivatives such as acrylamide, methacrylamide, N-methylolacrylamide, N, N-dimethylacrylamide, vinyl acetate and the like as the third component.

なお、アクリロニトリル系重合体中の各構成単位の含有量は、NMRにより特定することができる。   In addition, content of each structural unit in an acrylonitrile-type polymer can be specified by NMR.

アクリロニトリル系重合体を合成する際の重合方法は、特に限定されず、例えば水溶液中におけるレドックス重合、不均一系における懸濁重合、分散剤を使用した乳化重合、有機溶媒中のラジカル重合、その他どのような重合方法を用いても良く、これら重合方法の相違によって本発明が制約されるものではない。   The polymerization method for synthesizing the acrylonitrile-based polymer is not particularly limited. For example, redox polymerization in an aqueous solution, suspension polymerization in a heterogeneous system, emulsion polymerization using a dispersant, radical polymerization in an organic solvent, etc. Such polymerization methods may be used, and the present invention is not limited by the difference in these polymerization methods.

アクリロニトリル系重合体の質量平均分子量は、10万以上70万以下が好ましく、20万以上60万以下がより好ましい。通常、このアクリロニトリル系重合体を繊維に賦型する際に用いる紡糸原液は、安定に紡糸を続けるために最適な曳糸性を有することが望まれる。曳糸性は、用いる重合体の分子量と紡糸原液中の重合体濃度に関連し、重合体の分子量が低い場合には、通常、紡糸原液中の重合体濃度を高く設定して、最適な曳糸性を得ている。ここで、上記重合体の質量平均分子量が10万以上であれば、紡糸原液中の重合体濃度を高く設定することで、適度な曳糸性を容易に発現することができ、紡糸原液中の重合体濃度が高い場合であっても、容易に均一に溶解することができる。また、上記重合体の質量平均分子量が70万以下であれば、紡糸原液に用いる溶剤に容易に溶解させることができ、紡糸原液中の重合体濃度を低くしなくても済み、炭素繊維性能の発現に必要な緻密性を容易に保持でき、紡糸時の生産性の低下を容易に防ぐことができる。   The mass average molecular weight of the acrylonitrile polymer is preferably 100,000 or more and 700,000 or less, more preferably 200,000 or more and 600,000 or less. Usually, it is desired that the spinning dope used for shaping the acrylonitrile polymer into fibers has an optimum spinnability in order to continue spinning stably. Spinnability is related to the molecular weight of the polymer used and the polymer concentration in the spinning dope. When the molecular weight of the polymer is low, the polymer concentration in the spinning dope is usually set to a high Yarn is obtained. Here, if the mass average molecular weight of the polymer is 100,000 or more, by setting the polymer concentration in the spinning dope high, appropriate spinnability can be easily expressed, Even when the polymer concentration is high, it can be easily and uniformly dissolved. Further, if the polymer has a mass average molecular weight of 700,000 or less, it can be easily dissolved in a solvent used for the spinning dope, and it is not necessary to lower the polymer concentration in the spinning dope. The denseness required for expression can be easily maintained, and the decrease in productivity during spinning can be easily prevented.

〔シリコーン化合物を含む油剤〕
本発明に用いる油剤は、シリコーン化合物を含み、必要に応じて後述する他の添加剤を含むことができる。この油剤を(油剤付着前の)前駆体繊維束に付着させることによって、繊維同士の融着を抑制することができ、さらに繊維の耐擦過性を向上させることができる。
[Oil agent containing silicone compound]
The oil used in the present invention contains a silicone compound, and may contain other additives as described later as required. By adhering this oil agent to the precursor fiber bundle (before attaching the oil agent), fusion between the fibers can be suppressed, and the abrasion resistance of the fibers can be further improved.

なお、上記油剤中のシリコーン化合物の含有量は、30質量%以上95質量%以下が好ましく、より好ましくは50質量%以上93質量%以下、更に好ましくは70質量%以上91質量%以下である。この含有量が30質量%以上であれば、油剤の役割である繊維同士の融着抑制や耐擦過性の効果を十分に発揮することが容易に出来る。また、この含有量が95質量%以下であれば、油剤(エマルジョン)の安定性を容易に十分なレベルにすることができ、安定した前駆体繊維束の製造が容易に行える。なお、上記油剤は、シリコーン化合物を主成分(最も多く含まれる成分)として含むことができる。   In addition, 30 mass% or more and 95 mass% or less are preferable, as for content of the silicone compound in the said oil agent, More preferably, they are 50 mass% or more and 93 mass% or less, More preferably, they are 70 mass% or more and 91 mass% or less. If this content is 30% by mass or more, the effect of suppressing fusion between fibers and the effect of scratch resistance, which are roles of the oil agent, can be easily exerted. Moreover, if this content is 95 mass% or less, stability of an oil agent (emulsion) can be easily made into sufficient level, and manufacture of the stable precursor fiber bundle can be performed easily. In addition, the said oil agent can contain a silicone compound as a main component (component contained most).

[シリコーン化合物]
シリコーン化合物は、シロキサン結合を例えば主鎖(主骨格)に有していれば良く、公知のシリコーン化合物を適宜用いることができる。しかしながら、繊維を構成するアクリロニトリル系重合体との相互作用の観点から、シリコーン化合物として、アミノ基で変性されたアミノ変性ポリジメチルシロキサン及びエポキシ基で変性されたエポキシ変性ポリジメチルシロキサンのいずれか一方または両方を用いることが好ましい。特に、油剤付着前の前駆体繊維表面の被覆のし易さ、及び、この表面からの脱離し難さの観点から、シリコーン化合物として、アミノ変性ポリジメチルシロキサンを用いることがより好ましい。
[Silicone compound]
The silicone compound only needs to have a siloxane bond in the main chain (main skeleton), for example, and a known silicone compound can be appropriately used. However, from the viewpoint of interaction with the acrylonitrile-based polymer constituting the fiber, as the silicone compound, either one of amino-modified polydimethylsiloxane modified with an amino group and epoxy-modified polydimethylsiloxane modified with an epoxy group or It is preferable to use both. In particular, it is more preferable to use amino-modified polydimethylsiloxane as the silicone compound from the viewpoint of easy coating of the precursor fiber surface before adhesion of the oil agent and difficulty of desorption from the surface.

また、これらの変性ポリジメチルシロキサンは、ポリジメチルシロキサン骨格のメチル基の一部がフェニル基に置換されていても良く、この場合、前駆体繊維束に優れた耐熱性を付与することができる。   Further, in these modified polydimethylsiloxanes, a part of methyl groups of the polydimethylsiloxane skeleton may be substituted with phenyl groups, and in this case, excellent heat resistance can be imparted to the precursor fiber bundle.

上記アミノ変性ポリジメチルシロキサンにおけるアミノ変性タイプは、特に限定されない。しかし、例えば、1級アミンが導入された1級側鎖タイプ、1級及び2級アミンが導入された1,2級側鎖タイプ、ポリジメチルシロキサン骨格の両末端にアミノ基が導入された両末端変性タイプを、好適に用いることができる。また、これらの混合タイプを用いても良いし、複数種を混合させて用いても良い。   The amino-modified type in the amino-modified polydimethylsiloxane is not particularly limited. However, for example, primary side chain type in which primary amine is introduced, primary side chain type in which primary and secondary amines are introduced, both amino group introduced into both ends of polydimethylsiloxane skeleton. A terminal-modified type can be preferably used. Moreover, these mixed types may be used, and multiple types may be mixed and used.

なお、最も好適なアミノ変性ポリジメチルシロキサンは、25℃における動粘度が5.0×10-52/s(50cSt)以上、5.0×10-32/s(5000cSt)以下、かつ、アミノ当量が1700g/mol以上15000g/mol以下のものである。 The most preferred amino-modified polydimethylsiloxane has a kinematic viscosity at 25 ° C. of 5.0 × 10 −5 m 2 / s (50 cSt) or more and 5.0 × 10 −3 m 2 / s (5000 cSt) or less. And an amino equivalent is 1700 g / mol or more and 15000 g / mol or less.

この動粘度が5.0×10-52/s以上であれば、揮発しない十分な分子量を容易に
有することができ、耐炎化工程の全般において、前駆体繊維からのシリコーン化合物の飛散を容易に抑えることができる。その結果、油剤が本来の機能を容易に発現することができ、安定した炭素繊維の製造が容易に可能となる。また、上記動粘度が5.0×10-32/s以下であれば、以下の現象の発生を容易に抑制することができる。即ち、耐炎化工
程において前駆体繊維束からロール等に油剤の一部が転移し、この転移した油剤が比較的長時間の熱処理を受けることによりその粘度が上昇し粘着性が出て、前駆体繊維束の一部がロール等に巻きつく現象を容易に防ぐことができる。
If this kinematic viscosity is 5.0 × 10 −5 m 2 / s or more, it can easily have a sufficient molecular weight that does not volatilize, and the silicone compound can be scattered from the precursor fiber throughout the flameproofing process. It can be easily suppressed. As a result, the oil agent can easily exhibit its original function, and stable carbon fiber can be easily produced. Moreover, if the said kinematic viscosity is 5.0 * 10 < -3 > m < 2 > / s or less, generation | occurrence | production of the following phenomena can be suppressed easily. That is, in the flameproofing process, part of the oil agent is transferred from the precursor fiber bundle to a roll or the like, and the transferred oil agent is subjected to a heat treatment for a relatively long time to increase its viscosity and become sticky. A phenomenon in which a part of the fiber bundle is wound around a roll or the like can be easily prevented.

また、上記アミノ当量を1700g/mol以上とすることにより、シリコーン化合物の熱反応性が容易に抑えられ、繊維束からロール等に油剤の一部が転移し、繊維束の一部がロールに巻きつくことを容易に防ぐことができる。アミノ当量を15000g/mol以下とすることにより、前駆体繊維とシリコーン化合物との十分な親和性を容易に得ることができるため、耐炎化工程の全般で前駆体繊維からのシリコーン化合物の飛散を容易に抑えることができる。   In addition, by setting the amino equivalent to 1700 g / mol or more, the thermal reactivity of the silicone compound can be easily suppressed, a part of the oil agent is transferred from the fiber bundle to the roll, and a part of the fiber bundle is wound on the roll. Sticking can be easily prevented. By setting the amino equivalent to 15000 g / mol or less, sufficient affinity between the precursor fiber and the silicone compound can be easily obtained, so that the silicone compound can be easily scattered from the precursor fiber throughout the flameproofing process. Can be suppressed.

即ち、アミノ変性ポリジメチルシロキサンの25℃における動粘度が5.0×10-52/s以上5.0×10-32/s以下、アミノ当量が1700g/mol以上15000g/mol以下であれば、ロールなどへの油剤の転移に起因する繊維の巻きつきや耐炎化工程での急激な油剤の飛散がなく、紡糸から耐炎化処理まで長時間連続して安定に行うことが容易に出来る。 That is, the kinematic viscosity at 25 ° C. of the amino-modified polydimethylsiloxane is 5.0 × 10 −5 m 2 / s or more and 5.0 × 10 −3 m 2 / s or less, and the amino equivalent is 1700 g / mol or more and 15000 g / mol or less. If so, there is no wrapping of fibers due to the transfer of the oil agent to a roll or the like, and there is no sudden scattering of the oil agent in the flameproofing process, and it is easy to perform stably continuously from spinning to flameproofing treatment for a long time. I can do it.

なお25℃における動粘度は、ASTM D 445−46Tによるウッベローデ粘度計により測定できる。   The kinematic viscosity at 25 ° C. can be measured with an Ubbelohde viscometer according to ASTM D 445-46T.

1級側鎖タイプのアミノ変性ポリジメチルシロキサンとしては、KF−864、KF−865、KF−868、KF−8003(いずれも商品名、信越化学工業社製)などが挙げられる。1、2級側鎖タイプのものとしては、KF−859、KF−860、KF−869、KF−8005(いずれも商品名、信越化学工業社製)などが挙げられる。両末端変性タイプのものとしては、サイラプレーンFM−3311、FM−3221、FM−3325(いずれも商品名、チッソ株式会社製)やKF−8012(商品名、信越化学工業社製)などが挙げられる。なお、これらのシロキサンは全て、上記動粘度範囲及びアミノ当量範囲を満たしている。   Examples of the primary side chain type amino-modified polydimethylsiloxane include KF-864, KF-865, KF-868, KF-8003 (all trade names, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) and the like. Examples of the first and second class side chain types include KF-859, KF-860, KF-869, and KF-8005 (all trade names, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.). Examples of both-end-modified types include Silaplane FM-3311, FM-3221, FM-3325 (all trade names, manufactured by Chisso Corporation) and KF-8012 (trade names, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.). It is done. These siloxanes all satisfy the above kinematic viscosity range and amino equivalent range.

[他の添加剤]
上記油剤は、油剤を水系エマルジョンにするための界面活性剤や、優れた工程通過性を付与するための柔軟剤及び平滑剤等の添加剤を含有することができる。この界面活性剤としては、通常、ノニオン系の界面活性剤が用いられ、特に、プルロニック型や高級アルコールのエチレンオキサイド(EO)/プロピレンオキサイド(PO)付加物が用いられる。この界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレン/ポリオキシプロピレンブロックポリマーであるニューポールPE−78、PE−108、PE−128(いずれも商品名、三洋化成工業(株)製)、NIKKOL BL−9EX(商品名、日光ケミカルズ株式会社製、乳化剤)などが好適である。柔軟剤や平滑剤は、エステル化合物やウレタン化合物などを用いることができる。
[Other additives]
The oil agent can contain additives such as a surfactant for converting the oil agent into a water-based emulsion and a softener and a smoothing agent for imparting excellent process passability. As this surfactant, a nonionic surfactant is usually used, and in particular, an ethylene oxide (EO) / propylene oxide (PO) adduct of a pluronic type or higher alcohol is used. Examples of this surfactant include Newpol PE-78, PE-108, and PE-128 (all trade names, manufactured by Sanyo Chemical Industries), which are polyoxyethylene / polyoxypropylene block polymers, NIKKOL BL. -9EX (trade name, manufactured by Nikko Chemicals Co., Ltd., emulsifier) is preferable. As the softener and the smoothing agent, an ester compound, a urethane compound, or the like can be used.

〔前駆体繊維束中のシリコーン化合物の含有量〕
本発明の炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束中のシリコーン化合物の含有量(付着量)は、油剤を付着させ、乾燥及び延伸処理を行った前駆体繊維束100質量%に対して、0.7質量%以上2.0質量%以下である。また、シリコーン化合物の含有量は、好ましくは0.9質量%以上1.9質量%以下、より好ましくは1.0質量%以上1.7質量%以下である。この含有量が0.7質量%以上であれば、油剤による繊維表面の被覆不足に起因する繊維同士の融着や耐擦過性の低下を防ぐことが出来る。2.0質量%以下であれば、油剤の繊維内部への過剰浸透を防ぎ、欠陥点の形成を抑制し、過剰付着に起因する繊維同士の膠着や酸素の拡散不足による耐炎化構造の不整を低減することができる。
[Content of silicone compound in precursor fiber bundle]
The content (attachment amount) of the silicone compound in the acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fiber of the present invention is 0.7% with respect to 100% by mass of the precursor fiber bundle to which the oil agent is attached, dried and stretched. The mass is not less than 2.0% by mass. The content of the silicone compound is preferably 0.9% by mass or more and 1.9% by mass or less, more preferably 1.0% by mass or more and 1.7% by mass or less. When the content is 0.7% by mass or more, it is possible to prevent fusion between fibers and a decrease in scratch resistance due to insufficient coating of the fiber surface with the oil agent. If it is 2.0% by mass or less, excessive penetration of the oil into the fiber is prevented, the formation of defect points is suppressed, and the flame-resistant structure is irregular due to fiber sticking or insufficient oxygen diffusion due to excessive adhesion. Can be reduced.

この前駆体繊維束中のシリコーン化合物の含有量は、上述したように、繊維束に油剤を付着させ、乾燥及び延伸処理を行った前駆体繊維束に対して測定され、この前駆体繊維束の油剤付着量と、使用した油剤中のシリコーン化合物の含有量とから求めることができる。前駆体繊維束の油剤付着量は、油剤が付着した前駆体繊維束をメチルエチルケトンで8時間ソックスレー抽出し、抽出前後の前駆体繊維束の質量を精秤して、この差から求めることができる。   As described above, the content of the silicone compound in the precursor fiber bundle is measured with respect to the precursor fiber bundle obtained by attaching an oil agent to the fiber bundle and performing drying and stretching treatment. It can be determined from the amount of oil attached and the content of the silicone compound in the used oil. The oil agent adhesion amount of the precursor fiber bundle can be obtained from this difference by Soxhlet extraction of the precursor fiber bundle to which the oil agent is adhered with methyl ethyl ketone for 8 hours, and the mass of the precursor fiber bundle before and after extraction is precisely weighed.

この前駆体繊維束は、単繊維の繊度が、0.5dtex以上0.95dtex以下であり、単繊維の繊維断面の長径と短径との比(長径/短径)が1.00以上1.01以下、単繊維の繊維軸方向に延びる表面凹凸構造が無く、中心線平均粗さ(Ra)が3nm以上10nm以下であることが好ましい。   This precursor fiber bundle has a single fiber fineness of 0.5 dtex or more and 0.95 dtex or less, and the ratio of the major axis to the minor axis (major axis / minor axis) of the fiber section of the monofilament is 1.00 or more and 1. 01 or less, it is preferable that there is no surface uneven structure extending in the fiber axis direction of the single fiber, and the center line average roughness (Ra) is 3 nm or more and 10 nm or less.

Ra値が3nm以上であれば、前駆体繊維フィラメント表面の平滑性が過剰ではない。このことは凝固工程で形成されたスキン層由来の紡糸工程での低延伸性により、表層フィブリルの小さな破断が生じることがなく、微小な欠陥点の形成を避けることができる。さらにまた、フィラメントの集合体である繊維束としての過剰な収束により、耐炎化工程でのフィラメント内部への酸素拡散の阻害による、不均一な耐炎化処理も避けることができる。一方、Ra値を10nm以下にすることにより、表層近傍の構造の緻密性を十分なレベルとすることができると考えられる。   If the Ra value is 3 nm or more, the smoothness of the precursor fiber filament surface is not excessive. This is because the low stretchability in the spinning process derived from the skin layer formed in the solidification process does not cause small breakage of the surface layer fibrils, and the formation of minute defect points can be avoided. Furthermore, due to excessive convergence as a fiber bundle that is an aggregate of filaments, non-uniform flame resistance treatment due to inhibition of oxygen diffusion into the filament in the flame resistance process can be avoided. On the other hand, by setting the Ra value to 10 nm or less, it is considered that the denseness of the structure in the vicinity of the surface layer can be made to a sufficient level.

Ra値が3nm以上10nm以下であるような表面を有する場合、表層近傍の構造の緻密性が十分なレベルにあり、また十分な延伸性も有した構造とすることができ、紡糸から焼成工程において、表層近傍の欠陥点形成の機会を小さくすることが可能となる。その結果、高強度の炭素繊維束を得ることができる。前記観点から、Ra値の下限値は、4nm以上が好ましく、5nm以上がより好ましい。またRa値の上限値は、8nm以下が好ましく、7nm以下がより好ましい。   When the surface has a Ra value of 3 nm or more and 10 nm or less, the structure in the vicinity of the surface layer is at a sufficient level and can have a structure having sufficient stretchability. It is possible to reduce the chance of forming defect points in the vicinity of the surface layer. As a result, a high-strength carbon fiber bundle can be obtained. From the above viewpoint, the lower limit of the Ra value is preferably 4 nm or more, and more preferably 5 nm or more. The upper limit of the Ra value is preferably 8 nm or less, and more preferably 7 nm or less.

ここで、繊維軸方向に延びる表面凹凸構造とは、繊維軸方向にほぼ平行に存在する皺構造を示したものである。アクリロニトリル繊維束は、凝固およびその後の延伸処理により、体積収縮が生じ、表面に繊維軸方向に伸びる皺構造が形成される。本発明においては、この皺構造が顕著な形態で存在しないものである。凝固工程で強固なスキン層の形成を抑え、緩やかな体積収縮を実現することによりこの皺構造の形成が抑制される。また、乾湿式紡糸によりこの皺構造の形成が大きく抑制されることが知られている。   Here, the surface concavo-convex structure extending in the fiber axis direction indicates a ridge structure that exists substantially parallel to the fiber axis direction. The acrylonitrile fiber bundle undergoes volume shrinkage due to solidification and subsequent stretching treatment, and a wrinkle structure extending in the fiber axis direction is formed on the surface. In the present invention, this wrinkle structure does not exist in a remarkable form. By suppressing the formation of a strong skin layer in the solidification process and realizing a gradual volume shrinkage, the formation of the ridge structure is suppressed. Further, it is known that the formation of this wrinkle structure is greatly suppressed by dry and wet spinning.

単繊維断面の長径と短径との比(長径/短径)が1.00〜1.01である繊維は、真円或いは真円に近い断面を有する単繊維であり、繊維表面近傍の構造均一性が優れている。より好ましい長径と短径との比(長径/短径)は1.00〜1.005である。   A fiber having a ratio of a major axis to a minor axis (major axis / minor axis) of a single fiber cross section of 1.00 to 1.01 is a single fiber having a perfect circle or a cross section close to a perfect circle, and a structure near the fiber surface. Excellent uniformity. A more preferable ratio of the major axis to the minor axis (major axis / minor axis) is 1.00 to 1.005.

単繊維の繊度範囲が0.5〜0.95dtexである繊維は、繊維径が小さいので、焼成工程で生じる断面方向の構造不均一性を低減できる。より好ましい範囲は、0.6〜0.90dtexである。尚、dtexとは、長さ10000m当たりの単繊維の質量(g)を表す。   Since the fiber having a single fiber fineness range of 0.5 to 0.95 dtex has a small fiber diameter, it can reduce the structural non-uniformity in the cross-sectional direction that occurs in the firing step. A more preferable range is 0.6-0.90 dtex. In addition, dtex represents the mass (g) of the single fiber per length 10,000 m.

〔前駆体繊維の表面凹凸構造の測定〕
前駆体繊維束の単繊維の両端を、走査型プローブ顕微鏡装置付属の金属製サンプルホルダー板上にカーボンペーストで固定し、走査型プローブ顕微鏡にて以下の条件で測定する。先ず走査型プローブ顕微鏡により単繊維の形状像を測定する。測定画像について、画像解析により繊維軸に垂直な方向の断面プロファイルを10点計測して中心線平均粗さRaを求める。単繊維10本について測定を行い、平均値を求める。
[Measurement of surface uneven structure of precursor fiber]
Both ends of the single fiber of the precursor fiber bundle are fixed with a carbon paste on a metal sample holder plate attached to the scanning probe microscope apparatus, and measured with a scanning probe microscope under the following conditions. First, the shape image of a single fiber is measured with a scanning probe microscope. For the measurement image, 10 cross-sectional profiles in the direction perpendicular to the fiber axis are measured by image analysis to determine the centerline average roughness Ra. Measurement is performed on 10 single fibers, and an average value is obtained.

〔測定条件〕
装置:エスアイアイナノテクノロジーズ社 SPI4000プローブステーション、SPA400(ユニット)、
走査モード:ダイナミックフォースモード(DFM)(形状像測定)、
探針:エスアイアイナノテクノロジーズ社製 SI−DF−20、
Rotation:90°(繊維軸方向に対して垂直方向にスキャン)、
走査領域:繊軸方向3.0μm×円周方向3.0μm、
走査速度:1.0Hz、
ピクセル数:512×512、
測定環境:室温、大気中。
〔Measurement condition〕
Equipment: SII Nano Technologies, Inc. SPI4000 probe station, SPA400 (unit),
Scanning mode: Dynamic force mode (DFM) (shape image measurement),
Probe: SI-DF-20, manufactured by SII Nano Technologies
Rotation: 90 ° (scanned in a direction perpendicular to the fiber axis direction),
Scanning region: fiber axis direction 3.0 μm × circumferential direction 3.0 μm,
Scanning speed: 1.0 Hz
Number of pixels: 512 × 512,
Measurement environment: room temperature, in air.

単繊維1本に対して、上記条件にて1画像を得て、前記画像を画像解析ソフト(SPIWin)で以下条件にて画像解析する。   For one single fiber, one image is obtained under the above conditions, and the image is subjected to image analysis under the following conditions with image analysis software (SPIWin).

〔画像解析条件〕
得られた形状像に、フラット処理、メディアン8処理、及び、三次傾き補正を行い、曲面を平面にフィッティング補正した画像を得る。平面補正した画像の表面粗さ解析より、繊維軸に垂直な方向の断面プロファイルを計測し、中心線平均粗さRaを求める。
(Image analysis conditions)
The obtained shape image is subjected to flat processing, median 8 processing, and cubic inclination correction to obtain an image obtained by fitting the curved surface to a flat surface. From the surface roughness analysis of the flattened image, the cross-sectional profile in the direction perpendicular to the fiber axis is measured to determine the centerline average roughness Ra.

[フラット処理]
リフト、振動、スキャナのクリープ等によってイメージデータに現れたZ軸方向の歪み、うねりを除去する処理であり、SPM測定上の装置因によるデータのひずみを除去する処理である。
[Flat processing]
This is a process for removing distortion and waviness in the Z-axis direction that appear in the image data due to lift, vibration, scanner creep, and the like, and is a process for removing distortion of data due to device factors in SPM measurement.

[メディアン8処理]
処理するデータ点Sを中心とする3×3の窓(マトリクス)においてSおよびD1〜D8の間で演算を行い、SのZデータを置き換えることで、スムージングやノイズ除去といったフィルタの効果を得るものである。メディアン8処理は、SおよびD1〜D8の9点のZデータの中央値を求めて、Sを置き換えるものである。
[Median 8 processing]
By performing operations between S and D1 to D8 in a 3 × 3 window (matrix) centered on the data point S to be processed, and replacing the Z data of S, a filter effect such as smoothing or noise removal is obtained. It is. In the median 8 process, the median value of 9 points of Z data of S and D1 to D8 is obtained and S is replaced.

[三次傾き補正]
傾き補正は、処理対象イメージの全データから最小二乗近似によって曲面を求めてフィッティングし、傾きを補正するものである。(1次)(2次)(3次)はフィッティングする曲面の次数を示し、3次では3次曲面をフィッティングする。三次傾き補正処理によって、データの繊維の曲率をなくしフラットな像とする。
[Third-order tilt correction]
Inclination correction is to correct the inclination by obtaining and fitting a curved surface by least square approximation from all data of the processing target image. (Primary), (Secondary), and (Cubic) indicate the order of the curved surface to be fitted, and in the cubic, the cubic curved surface is fitted. By the cubic inclination correction process, the curvature of the fiber of the data is eliminated and a flat image is obtained.

〔前駆体繊維の断面形状の評価〕
繊維束を構成する単繊維の繊維断面の長径と短径との比(長径/短径)は、以下のように決定する。内径1mmの塩化ビニル樹脂製のチューブ内に測定用の繊維束を通した後、これをナイフで輪切りにして試料を準備する。ついで、この試料を繊維断面が上を向くようにしてSEM試料台に接着し、さらにAuを約10nmの厚さにスパッタリングしてから、電子顕微鏡(フィリップス社製、製品名:XL20走査型)により、加速電圧7.00kV、作動距離31mmの条件で繊維断面を観察し、単繊維の繊維断面の長径及び短径を測定する。
[Evaluation of cross-sectional shape of precursor fiber]
The ratio of the major axis to the minor axis (major axis / minor axis) of the fiber cross section of the single fiber constituting the fiber bundle is determined as follows. After passing a fiber bundle for measurement through a tube made of vinyl chloride resin having an inner diameter of 1 mm, the sample is prepared by cutting the fiber bundle with a knife. Next, this sample was bonded to the SEM sample stage with the fiber cross section facing upward, and Au was further sputtered to a thickness of about 10 nm, and then an electron microscope (manufactured by Philips, product name: XL20 scanning type) was used. The cross section of the fiber is observed under conditions of an acceleration voltage of 7.00 kV and a working distance of 31 mm, and the major axis and the minor axis of the fiber section of the single fiber are measured.

<炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束の製造方法>
本発明の炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束は、例えば、以下の工程を含む製造方法によって得ることができる。
(i)アクリロニトリル単位を含む重合体を有機溶剤に溶解させた紡糸原液を紡糸して、凝固繊維束を作製する工程(紡糸工程)。
(ii)得られた凝固繊維束を延伸および洗浄処理する工程(延伸及び洗浄工程)。
(iii)工程iiより得られる繊維束に、シリコーン化合物を含む油剤を付着させる工程(油剤付着工程)。
<Method for producing acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fiber>
The acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fibers of the present invention can be obtained, for example, by a production method including the following steps.
(I) A step of spinning a spinning solution in which a polymer containing an acrylonitrile unit is dissolved in an organic solvent to produce a coagulated fiber bundle (spinning step).
(Ii) A step of stretching and washing the obtained coagulated fiber bundle (stretching and washing step).
(Iii) A step of attaching an oil containing a silicone compound to the fiber bundle obtained from step ii (oil agent attaching step).

〔工程i〕
まず、前駆体繊維束の繊維を構成する重合体を有機溶剤に溶解させて得られた紡糸原液を、紡糸することによって、凝固繊維束を作製する。
[Step i]
First, a coagulated fiber bundle is prepared by spinning a spinning solution obtained by dissolving a polymer constituting the fibers of the precursor fiber bundle in an organic solvent.

工程iに用いる重合体としては、上述したアクリロニトリル系重合体を適宜用いることができ、例えば、重合体中のアクリロニトリル単位の含有率を96.0質量以上とすることができる。凝固繊維束(糸束)を構成する繊維(糸)数は、例えば600〜24000本とすることができる。この繊維束を構成する繊維数は、以降の工程でも変化することなく、前駆体繊維束や耐炎化繊維束や炭素繊維束を構成する繊維数となることができる。   As the polymer used in step i, the acrylonitrile-based polymer described above can be used as appropriate. For example, the content of acrylonitrile units in the polymer can be 96.0 mass or more. The number of fibers (yarns) constituting the coagulated fiber bundle (yarn bundle) can be 600 to 24,000, for example. The number of fibers constituting the fiber bundle can be the number of fibers constituting the precursor fiber bundle, the flame-resistant fiber bundle, and the carbon fiber bundle without changing in subsequent steps.

紡糸原液に用いる有機溶剤は、使用する重合体を溶解させることができるものであれば特に限定されない。しかし、溶解能力の観点から、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、またはジメチルスルホキシドが好ましく用いられる。より好ましくは、アクリロニトリル系重合体の溶解能力に優れたジメチルホルムアミドである。   The organic solvent used for the spinning dope is not particularly limited as long as it can dissolve the polymer to be used. However, from the viewpoint of solubility, dimethylformamide, dimethylacetamide, or dimethyl sulfoxide is preferably used. More preferred is dimethylformamide, which has an excellent ability to dissolve acrylonitrile-based polymers.

なお、この紡糸原液の固形分濃度、即ち、紡糸原液中の上記重合体の濃度は、20質量%以上25質量%以下が好ましく、より好ましくは22質量%以上24質量%以下である。この固形分濃度が20質量%以上であれば、凝固過程において、繊維(フィラメント)内部から繊維外に移動する有機溶剤量を容易に少なくすることができ、必要な緻密性を有する凝固繊維束を容易に得ることができる。また、この固形分濃度が25質量%以下であれば、適度な原液粘度を容易に有することができ、紡糸する際に、ノズルからの原液吐出が一層安定化し、製造がし易くなる。即ち、紡糸原液中の固形分濃度を20質量%以上25質量%以下とすることにより、緻密性が高くかつ均質な構造を有する凝固繊維束を安定に製造することが容易にできる。   The solid concentration of the spinning dope, that is, the concentration of the polymer in the spinning dope is preferably 20% by mass or more and 25% by mass or less, and more preferably 22% by mass or more and 24% by mass or less. If the solid content concentration is 20% by mass or more, the amount of the organic solvent that moves from the inside of the fiber (filament) to the outside of the fiber can be easily reduced in the solidification process, and a solidified fiber bundle having the necessary denseness can be obtained. Can be easily obtained. Moreover, if this solid content concentration is 25 mass% or less, it can have moderate stock solution viscosity easily, and when spinning, the stock solution discharge from a nozzle will be stabilized further, and manufacture will become easy. That is, by setting the solid content concentration in the spinning dope to 20% by mass or more and 25% by mass or less, it is easy to stably produce a coagulated fiber bundle having a high density and a homogeneous structure.

また、この紡糸原液の温度は、50℃以上70℃以下とすることが好ましい。紡糸原液の温度が50℃以上であれば、固形分濃度を低く調整することなく、適度な原液粘度に容易にすることができ、また70℃以下であれば、凝固液との温度差を容易に小さくすることができる。即ち、紡糸原液の温度が50℃以上70℃以下であることにより、緻密性が高くかつ均質な構造を有する凝固繊維束を安定に製造することが容易にできる。   The temperature of the spinning dope is preferably 50 ° C. or higher and 70 ° C. or lower. If the temperature of the spinning dope is 50 ° C. or higher, the viscosity of the stock solution can be easily adjusted without adjusting the solid concentration low, and if it is 70 ° C. or less, the temperature difference from the coagulating solution is easy. Can be made smaller. That is, when the temperature of the spinning dope is 50 ° C. or higher and 70 ° C. or lower, it is easy to stably produce a coagulated fiber bundle having a high density and a homogeneous structure.

紡糸方法は、例えば、湿式紡糸法及び乾湿式紡糸法のいずれでも良いが、好ましくは、乾湿式紡糸法である。これは、緻密な凝固繊維を形成し易く、特に前駆体繊維表面の緻密性を容易に高めることができるからである。乾湿式紡糸法は、調製した紡糸原液を、ノズル孔が多数配置された紡糸口金から一旦空気中に紡出した後、調温した凝固液(凝固浴)中に吐出し凝固させ、その凝固繊維を引取る方法である。   The spinning method may be, for example, either a wet spinning method or a dry wet spinning method, but is preferably a dry wet spinning method. This is because it is easy to form dense solidified fibers, and in particular, the denseness of the precursor fiber surface can be easily increased. In the dry-wet spinning method, the prepared spinning solution is once spun into the air from a spinneret having a large number of nozzle holes, and then discharged into a conditioned coagulating liquid (coagulating bath) to coagulate the coagulated fiber. Is the method of taking over.

なお、この凝固液には、通常、有機溶剤と水との混合溶液が用いられる。この有機溶剤には、紡糸原液に用いることのできる有機溶剤を同様に用いることができるが、凝固液に用いる有機溶剤には、通常、紡糸原液に用いた有機溶剤が使用される。   Note that a mixed solution of an organic solvent and water is usually used for the coagulation liquid. As the organic solvent, an organic solvent that can be used for the spinning dope can be used in the same manner, but the organic solvent used for the spinning dope is usually used for the coagulating solution.

凝固液中の有機溶剤濃度は、78.5質量%以上82.0質量%以下とするのが好ましく、より好ましくは79.0質量%以上81.7質量%以下、更に好ましくは79.6質量%以上81.4質量%以下である。   The concentration of the organic solvent in the coagulation liquid is preferably 78.5% by mass or more and 82.0% by mass or less, more preferably 79.0% by mass or more and 81.7% by mass or less, and still more preferably 79.6% by mass. % Or more and 81.4% by mass or less.

なお、凝固繊維の繊維構造は後の油剤付与とも深く関係しており、凝固液の有機溶剤濃度が78.5質量%以上であれば、以下のようにすることができる。即ち、繊維内部の適度な緻密性を容易に維持しつつスキン層の形成を容易に抑制することができ、油剤を付与した際の繊維表面への良好な油剤なじみが容易に得られ、油剤の付着斑や表面への過剰付着を容易に抑制することが出来る。また、凝固液中の有機溶剤濃度が、82.0質量%以下であれば、繊維表面の適度な緻密性を容易に維持しながら、繊維内部への過剰な油剤の浸透を容易に抑えることが出来る。即ち、凝固液中の有機溶剤濃度を78.5質量%以上82.0質量%以下とすることにより、繊維の表面及び内部が共に緻密で、後の油剤付与工程において油剤の付着浸透状態が良好となる凝固繊維束が容易に得られる。   The fiber structure of the coagulated fiber is also deeply related to the later application of the oil agent. If the concentration of the organic solvent in the coagulated liquid is 78.5% by mass or more, the following can be achieved. That is, it is possible to easily suppress the formation of the skin layer while easily maintaining an appropriate denseness inside the fiber, and it is possible to easily obtain a good oil agent familiarity to the fiber surface when the oil agent is applied. Adhering spots and excessive adhesion to the surface can be easily suppressed. In addition, if the concentration of the organic solvent in the coagulation liquid is 82.0% by mass or less, it is possible to easily suppress the permeation of excess oil into the fiber while easily maintaining an appropriate density on the fiber surface. I can do it. That is, when the concentration of the organic solvent in the coagulation liquid is 78.5% by mass or more and 82.0% by mass or less, both the surface and the inside of the fiber are dense, and the adhesion and penetration state of the oil agent is good in the subsequent oil agent application step. A coagulated fiber bundle can be easily obtained.

ここで、凝固液の温度は、−5℃以上20℃以下が好ましく、より好ましくは0℃以上15℃以下、更に好ましくは5℃以上10℃以下である。凝固液の温度が−5℃以上20℃以下であれば、緻密な凝固繊維を形成し易く、特に繊維表面の緻密性を高めることが出来る。   Here, the temperature of the coagulation liquid is preferably −5 ° C. or higher and 20 ° C. or lower, more preferably 0 ° C. or higher and 15 ° C. or lower, and further preferably 5 ° C. or higher and 10 ° C. or lower. When the temperature of the coagulation liquid is −5 ° C. or more and 20 ° C. or less, it is easy to form dense coagulated fibers, and in particular, the denseness of the fiber surface can be improved.

以上より、例えば、工程iは、アクリロニトリル単位の含有率が96.0質量%以上である重合体を有機溶剤に溶解させた紡糸原液から、乾湿式紡糸法によって凝固繊維束を作製する工程(工程1)であることができる。   From the above, for example, step i is a step of producing a coagulated fiber bundle by a wet and wet spinning method from a spinning stock solution in which a polymer having an acrylonitrile unit content of 96.0% by mass or more is dissolved in an organic solvent (step) 1).

〔工程ii〕
次に、得られた凝固繊維束に、延伸及び洗浄処理を施す。その際、延伸及び洗浄処理の順序は特に制限はなく、延伸後洗浄しても良く、延伸と洗浄を同時に行っても良い。また洗浄方法は繊維束から有機溶剤を除去出来ればいかなる方法でも良い。
[Step ii]
Next, the obtained solidified fiber bundle is subjected to stretching and washing treatment. In that case, there is no restriction | limiting in particular in the order of extending | stretching and a washing process, You may wash after extending | stretching and you may perform extending | stretching and washing | cleaning simultaneously. The cleaning method may be any method as long as the organic solvent can be removed from the fiber bundle.

しかしながら、この工程iiは、以下の工程2〜5を含む多段階延伸工程であることが好ましい。なお、工程5では繊維束を延伸させるのではなく、緩和収縮させても良い。
(2)この凝固繊維束を空気中で1.0倍以上1.2倍以下に延伸する工程(第1の延伸工程)。
(3)工程2より得られる繊維束を、有機溶剤を含む水溶液中で延伸し、その際、工程1より得られる凝固繊維束に対する、工程2および工程3の合計延伸倍率を2.0倍以上4.0倍以下とする工程(第2の延伸工程)。
(4)工程3より得られる繊維束から有機溶剤を除去する工程(洗浄工程)。
(5)工程4より得られる繊維束を、40℃以上の水浴中で0.95倍以上1.3倍以下に収縮または延伸する工程(収縮又は第3の延伸工程)。
However, it is preferable that this process ii is a multistage extending | stretching process including the following processes 2-5. In step 5, the fiber bundle may be relaxed and contracted instead of being stretched.
(2) A step of stretching the coagulated fiber bundle to 1.0 times or more and 1.2 times or less in the air (first stretching step).
(3) The fiber bundle obtained from step 2 is stretched in an aqueous solution containing an organic solvent, and the total draw ratio of step 2 and step 3 with respect to the solidified fiber bundle obtained from step 1 is 2.0 times or more. The process of making it 4.0 times or less (2nd extending process).
(4) A step of removing the organic solvent from the fiber bundle obtained from step 3 (cleaning step).
(5) A step of shrinking or stretching the fiber bundle obtained from step 4 to 0.95 times or more and 1.3 times or less in a water bath at 40 ° C. or higher (shrinking or third stretching step).

なお、工程2、3及び5における繊維束の延伸倍率及び収縮倍率は、以下の方法により測定することができる。即ち、各工程の前後に配置されて走行する糸を把持するロールの回転速度の差から測定する。   In addition, the draw ratio and shrinkage ratio of the fiber bundle in steps 2, 3 and 5 can be measured by the following methods. That is, it is measured from the difference in rotational speed between rolls that are arranged before and after each step and grip the traveling yarn.

以下に、工程2〜工程5の各工程を詳しく説明する。   Below, each process of the process 2-the process 5 is demonstrated in detail.

・工程2(第1の延伸工程)
まず、工程i(例えば工程1)より得られる凝固繊維束を空気中で1.0倍以上1.25倍以下に延伸する。なお、工程iより得られる凝固繊維束は、通常、使用した有機溶剤を多量に含み膨潤しており、さらに、フィブリル構造を有する。この凝固繊維束の空気中における延伸率が1.0倍以上であれば、不均一な収縮を容易に抑えることができる。さらに、この延伸率が、1.0倍以上1.2倍以下であれば、疎なフィブリル構造の形成を容易に避けることができる。また、空気中での延伸率は、多段階延伸処理における繊維の構造破壊を抑制する観点から、1.0倍以上1.15倍以下であることが好ましい。
-Step 2 (first stretching step)
First, the coagulated fiber bundle obtained from step i (for example, step 1) is stretched in air to 1.0 to 1.25 times. The coagulated fiber bundle obtained from step i is usually swollen with a large amount of the organic solvent used, and further has a fibril structure. If the stretch ratio in the air of the coagulated fiber bundle is 1.0 times or more, non-uniform shrinkage can be easily suppressed. Furthermore, if this stretch ratio is 1.0 times or more and 1.2 times or less, formation of a sparse fibril structure can be easily avoided. Moreover, it is preferable that the extending | stretching rate in the air is 1.0 times or more and 1.15 times or less from a viewpoint of suppressing the structural destruction of the fiber in a multistage extending | stretching process.

・工程3(第2の延伸工程)
次に、第1の延伸処理を行った繊維束を、有機溶剤を含む水溶液で延伸する。その際、第1の延伸工程(空気中)と、第2の延伸工程(水溶液中)との合計延伸倍率を2.0倍以上4.0倍以下とする。
-Step 3 (second stretching step)
Next, the fiber bundle subjected to the first stretching treatment is stretched with an aqueous solution containing an organic solvent. At that time, the total draw ratio of the first drawing step (in the air) and the second drawing step (in the aqueous solution) is 2.0 times or more and 4.0 times or less.

この合計延伸倍率が2.0倍以上であれば、凝固繊維束に対して十分な延伸を容易に施すことができ、繊維軸方向に配向したフィブリル構造を容易に形成させることができる。また、この合計延伸倍率が4.0倍以下であれば、フィブリル構造自体の破断の発生を容易に抑制でき、緻密な構造形態を持つ前駆体繊維束を容易に得ることができる。即ち、合計延伸倍率を2.0倍以上4.0倍以下とすることによって、繊維の軸方向に配向した緻密なフィブリル構造を容易に形成させることができる。より好ましい合計延伸倍率は2.2倍以上3.7倍以下であり、更に好ましくは2.4倍以上3.4倍以下である。   If the total draw ratio is 2.0 times or more, sufficient stretching can be easily performed on the solidified fiber bundle, and a fibril structure oriented in the fiber axis direction can be easily formed. Moreover, if this total draw ratio is 4.0 times or less, the occurrence of breakage of the fibril structure itself can be easily suppressed, and a precursor fiber bundle having a dense structure can be easily obtained. That is, when the total draw ratio is 2.0 times or more and 4.0 times or less, a dense fibril structure oriented in the axial direction of the fiber can be easily formed. A more preferable total draw ratio is 2.2 times or more and 3.7 times or less, and further preferably 2.4 times or more and 3.4 times or less.

また、第1及び第2の延伸工程では、空気中での延伸を1.0倍以上1.15倍以下とし、上記水溶液中での延伸倍率を2.2倍以上とすることが特に好ましい。この水溶液中での延伸は、比較的高い温度で行うために構造破壊を生じさせずに延伸が出来るため、空気中と水溶液中での延伸配分は、水溶液中の方を高く設定するのが好ましい。   In the first and second stretching steps, it is particularly preferable that the stretching in air is 1.0 to 1.15 and the stretching ratio in the aqueous solution is 2.2 or more. Since the stretching in this aqueous solution is performed at a relatively high temperature and can be stretched without causing structural destruction, the stretching distribution in the air and in the aqueous solution is preferably set higher in the aqueous solution. .

このように2段階の延伸処理を行うことにより、繊維表面が緻密な膨潤繊維束を得ることができる。なお、膨潤度が160質量%以下の有機溶剤を含む凝固繊維束を用いることで、凝固繊維の内部構造の緻密性が向上し、それにより表面緻密性が優れた膨潤繊維束を得ることができる。   Thus, by performing a two-stage drawing process, a swollen fiber bundle with a dense fiber surface can be obtained. In addition, by using a coagulated fiber bundle containing an organic solvent having a degree of swelling of 160% by mass or less, the density of the internal structure of the coagulated fiber is improved, and thereby a swollen fiber bundle having excellent surface density can be obtained. .

膨潤度は採取したサンプルを卓上遠心脱水機にて3000rpmで10分間処理した後秤量しこの数値を湿質量とする。そのサンプルを水洗して乾燥機で105℃にて3時間処理した後、デシケーター内で30分間保管したあと秤量してこの数値を乾質量とする。膨潤度は、以下の数式(2)にて計算される。   The degree of swelling is determined by treating the collected sample with a tabletop centrifugal dehydrator at 3000 rpm for 10 minutes and weighing it, and setting this value as the wet mass. The sample was washed with water and treated in a dryer at 105 ° C. for 3 hours, then stored in a desiccator for 30 minutes and then weighed to obtain this value as the dry mass. The degree of swelling is calculated by the following formula (2).

なお、上記有機溶剤を含む水溶液に用いる有機溶剤は、紡糸原液に使用できる有機溶剤を同様に使用することができるが、通常、この紡糸原液に用いた有機溶剤と同じものを使用する。また、本発明では、工程iに用いた凝固液よりも温度が高く、有機溶剤濃度が低い水溶液(延伸槽)中にて延伸(工程3)を行い、その後、洗浄処理(後述する工程4)を行うことが特に好ましい。これにより、凝固繊維に均一なフィブリル構造を容易に形成させることができる。   The organic solvent used in the aqueous solution containing the organic solvent can be the same organic solvent that can be used in the spinning dope, but the same organic solvent as that used in the spinning dope is usually used. Further, in the present invention, stretching (step 3) is performed in an aqueous solution (stretching tank) having a higher temperature and a lower organic solvent concentration than the coagulation liquid used in step i, and then a cleaning treatment (step 4 described later). It is particularly preferable to carry out. Thereby, a uniform fibril structure can be easily formed in the coagulated fiber.

具体的には、この有機溶剤を含む水溶液中の有機溶剤濃度は、20質量%以上70質量%以下が好ましい。この範囲内であれば、得られた凝固繊維に対して安定した延伸処理を容易に行うことができ、緻密で均一なフィブリル構造を、前記体繊維の内部と表面において形成することができる。凝固液中の有機溶剤濃度は、より好ましくは30質量%以上65質量%以下、更に好ましくは40質量%以上60質量%以下である。   Specifically, the organic solvent concentration in the aqueous solution containing the organic solvent is preferably 20% by mass or more and 70% by mass or less. Within this range, stable stretching treatment can be easily performed on the obtained coagulated fiber, and a dense and uniform fibril structure can be formed inside and on the body fiber. The concentration of the organic solvent in the coagulation liquid is more preferably 30% by mass to 65% by mass, and still more preferably 40% by mass to 60% by mass.

また、この有機溶剤を含む水溶液の温度は、40℃以上80℃以下が好ましく、より好ましくは50℃以上78℃以下、更に好ましくは55℃以上70℃以下である。温度を40℃以上とすることにより、良好な延伸性を容易に確保することができ、均一なフィブリル構造の形成が容易となる。80℃以下であれば、過度な可塑化作用の発生を容易に抑制でき、繊維表面での適度な脱溶剤化が容易に進み、均一な延伸を容易に行うことができる。その結果、得られる繊維束の質を容易に良好にすることができる。   The temperature of the aqueous solution containing the organic solvent is preferably 40 ° C. or higher and 80 ° C. or lower, more preferably 50 ° C. or higher and 78 ° C. or lower, and further preferably 55 ° C. or higher and 70 ° C. or lower. By setting the temperature to 40 ° C. or higher, good stretchability can be easily ensured, and formation of a uniform fibril structure is facilitated. If it is 80 degrees C or less, generation | occurrence | production of an excessive plasticization effect | action can be suppressed easily, moderate solvent removal on the fiber surface will advance easily, and uniform extending | stretching can be performed easily. As a result, the quality of the obtained fiber bundle can be easily improved.

・工程4
引き続き、2段階の延伸処理より得られた繊維束(糸束)を洗浄し、この繊維束に含まれる有機溶剤(例えば、工程1の紡糸原液や凝固浴、工程3の有機溶剤を含む水溶液に使用した有機溶剤)を除去する。洗浄処理は、50℃以上97℃以下の水洗浄槽で行うのが好ましい。より好ましい水洗浄槽の温度は、55℃以上75℃以下である。50℃以上であれば、有機溶剤の十分な除去を容易に行うことができ、97℃以下であれば、急激な体積収縮によるフィブリル構造の破壊を容易に避けることができる。洗浄槽を通過したあとの繊維束中の有機溶剤濃度は0.2%以下であることが好ましい。
・ Process 4
Subsequently, the fiber bundle (yarn bundle) obtained by the two-stage drawing treatment is washed, and the organic solvent contained in this fiber bundle (for example, the spinning stock solution and coagulation bath in step 1 and the aqueous solution containing the organic solvent in step 3) Remove the organic solvent used). The washing treatment is preferably performed in a water washing tank at 50 ° C. or higher and 97 ° C. or lower. A more preferable temperature of the water washing tank is 55 ° C. or higher and 75 ° C. or lower. If it is 50 degreeC or more, sufficient removal of an organic solvent can be performed easily, and if it is 97 degreeC or less, destruction of the fibril structure by rapid volume contraction can be avoided easily. The organic solvent concentration in the fiber bundle after passing through the washing tank is preferably 0.2% or less.

・工程5(収縮又は第3の延伸工程)
洗浄工程より得られる繊維束を、40℃以上の水浴中で0.95倍以上1.3倍以下に収縮または延伸する。即ち、洗浄工程後の有機溶剤分の無い膨潤状態にある繊維束を、特定の温度の水浴中で、特定の収縮率で収縮、または特定の延伸率で延伸することにより、繊維の配向を更に高めることができる。
-Step 5 (shrinkage or third stretching step)
The fiber bundle obtained from the washing step is contracted or stretched 0.95 times or more and 1.3 times or less in a water bath at 40 ° C. or higher. That is, the fiber bundle in the swollen state free from the organic solvent after the washing step is contracted at a specific shrinkage rate or stretched at a specific draw rate in a water bath at a specific temperature, thereby further adjusting the fiber orientation. Can be increased.

なお、工程5より得られる膨潤繊維の繊維構造は直後の油剤付与と密接に関係する。水浴の温度を40℃以上とすることにより、繊維の膨潤を抑制とすることができる。また、水浴の温度は、50℃以上98℃以下とすることが好ましく、より好ましくは55℃以上85℃以下、更に好ましくは60℃以上80℃以下である。水浴の温度が50℃以上であれば、繊維の膨潤を容易に抑制することができ、繊維内部への過剰な油剤の浸透を容易に抑えることができる。また、水浴の温度が98℃以下であれば、繊維束を適度に膨潤させることが容易にでき、油剤を付与した際の繊維表面への良好な油剤なじみを容易に得ることができ、油剤の付着斑や表面への過剰付着を容易に抑制することができる。即ち、水浴の温度を50℃以上98℃以下とすることにより、直後の油剤付与工程において油剤の付着浸透状態が良好となる膨潤繊維を容易に得ることができる。   In addition, the fiber structure of the swelling fiber obtained from the step 5 is closely related to the oil agent application immediately after. By setting the temperature of the water bath to 40 ° C. or higher, the swelling of the fibers can be suppressed. Moreover, it is preferable that the temperature of a water bath shall be 50 to 98 degreeC, More preferably, it is 55 to 85 degreeC, More preferably, it is 60 to 80 degreeC. If the temperature of a water bath is 50 degreeC or more, the swelling of a fiber can be suppressed easily and the penetration | infiltration of the excess oil agent to the inside of a fiber can be suppressed easily. Further, if the temperature of the water bath is 98 ° C. or less, the fiber bundle can be easily swollen appropriately, and good oil agent familiarity to the fiber surface when the oil agent is applied can be easily obtained. Adhering spots and excessive adhesion to the surface can be easily suppressed. That is, by setting the temperature of the water bath to 50 ° C. or more and 98 ° C. or less, it is possible to easily obtain a swollen fiber in which the oil agent adhesion and penetration state is favorable in the immediately subsequent oil agent application step.

工程5における収縮または延伸倍率は、0.95倍以上1.3倍以下とする。工程5の倍率(収縮倍率)が0.95倍以上1.0倍未満であれば、工程4より得られる繊維束に対して若干の緩和を加えることができ、第1及び第2の延伸工程により生じる延伸歪みを容易に取ることが可能となる。第1及び第2の延伸工程において高い延伸倍率で延伸された繊維束の延伸歪みをこの工程5でとることにより、その後の延伸(例えば、後述する工程iiiにおける延伸)の際に、安定した延伸を容易に行うことができる。工程5の倍率(延伸倍率)が1.0倍以上1.3倍以下であれば、フィブリル構造の配向度の向上と繊維表面の緻密性アップが容易に図られる。工程5では、0.97倍以上1.2倍以下の倍率で、工程4に得られる繊維束に対して収縮または延伸を行うことがより好ましい。   The shrinkage or stretching ratio in step 5 is 0.95 times or more and 1.3 times or less. If the magnification (shrinkage ratio) in step 5 is 0.95 times or more and less than 1.0 times, the fiber bundle obtained in step 4 can be slightly relaxed, and the first and second stretching steps. It is possible to easily remove the stretching distortion caused by the above. By taking the stretching strain of the fiber bundle stretched at a high stretching ratio in the first and second stretching steps in this step 5, stable stretching is performed during the subsequent stretching (for example, stretching in step iii described later). Can be easily performed. If the magnification (stretching magnification) in step 5 is 1.0 to 1.3, the degree of orientation of the fibril structure and the denseness of the fiber surface can be easily improved. In step 5, it is more preferable to contract or stretch the fiber bundle obtained in step 4 at a magnification of 0.97 times to 1.2 times.

さらに、本発明の製造方法では、以下の数式(1)を満たすことが好ましい。   Furthermore, in the manufacturing method of this invention, it is preferable to satisfy | fill following numerical formula (1).

なお、上記数式(1)中、各符号は以下のものを表す。
A:工程3における有機溶剤を含む水溶液の温度(℃)、
B:工程3における有機溶剤を含む水溶液中の有機溶剤の濃度(質量比)、
C:工程3の水溶液中における工程2より得られる繊維束に付与する延伸倍率(比率)、D:工程5における水浴の温度(℃)。
In addition, in said numerical formula (1), each code | symbol represents the following.
A: Temperature (° C.) of an aqueous solution containing an organic solvent in Step 3
B: The concentration (mass ratio) of the organic solvent in the aqueous solution containing the organic solvent in Step 3,
C: Stretch ratio (ratio) to be applied to the fiber bundle obtained in Step 2 in the aqueous solution in Step 3, and D: Temperature of the water bath in Step 5 (° C.).

この数式(1)を満たすように、上記A〜Dを設定することにより、前駆体繊維束に対する適度な油剤浸透を容易に得ることができ、油剤を付与した際に繊維表面への油剤なじみが非常に良く、油剤の付着斑や表面への過剰付着を容易に抑制することができる。   By setting the above A to D so as to satisfy this mathematical formula (1), it is possible to easily obtain appropriate oil penetration into the precursor fiber bundle, and when the oil is applied, the oil agent is familiar to the fiber surface. It is very good, and it is possible to easily suppress adhesion spots of oil agent and excessive adhesion to the surface.

ここで、数式(1)について詳細を説明する。本発明の前駆体繊維束を製造するに当たり、シリコーン化合物を含有する油剤の浸透状態が重要であることは既に述べた通りである。その油剤の浸透状態に大きく影響するのは、油剤処理を施すときの繊維束の状態であり、したがって工程3から工程5の間で形成される構造と考えられる。この工程3から工程5において、繊維束の構造形成を支配する製造条件としては、工程3の延伸倍率と延伸槽水の有機溶剤濃度と温度、工程5の延伸倍率と延伸槽の温度が挙げられる。特に前駆体繊維束の構造形成において、有機溶剤を含む水溶液中での延伸工程である工程3の製造条件が非常に重要であり、この工程での延伸倍率が最も重要な製造条件と考えられる。   Here, the details of Equation (1) will be described. As described above, in manufacturing the precursor fiber bundle of the present invention, the penetration state of the oil containing the silicone compound is important. It is considered that the structure formed between the step 3 and the step 5 is a state of the fiber bundle when the oil agent treatment is performed, which greatly affects the permeation state of the oil agent. In Step 3 to Step 5, the production conditions governing the structure formation of the fiber bundle include the draw ratio of Step 3 and the organic solvent concentration and temperature of the draw bath water, the draw ratio of Step 5 and the temperature of the draw bath. . In particular, in the formation of the structure of the precursor fiber bundle, the production conditions of step 3 which is a drawing step in an aqueous solution containing an organic solvent are very important, and the draw ratio in this step is considered to be the most important production condition.

ここで、この工程3で延伸される繊維束は、有機溶剤を多量に含み、また延伸層内の水溶液中にも有機溶剤を含んでいる。したがって、ここでの繊維束の延伸処理は、膨潤したポリマーよりなる繊維束を有機溶剤の存在下で延伸する工程といえる。したがって、延伸処理の繊維束に及ぼす作用の大きさは、延伸槽内の有機溶剤濃度に大きく影響されるものとなっている。そこで、延伸倍率の実質的な効果は、実際に施した延伸倍率ではなく、延伸槽内の有機溶剤濃度を考慮した有効延伸倍率を考える必要がある。実際に施した延伸倍率Cから有効延伸倍率は、下記の数式(3)による補正を施すことにより見積もることができることがわかった。   Here, the fiber bundle drawn in this step 3 contains a large amount of an organic solvent, and also contains an organic solvent in the aqueous solution in the drawn layer. Therefore, the fiber bundle stretching treatment here can be said to be a step of stretching a fiber bundle made of a swollen polymer in the presence of an organic solvent. Therefore, the magnitude of the effect of the stretching treatment on the fiber bundle is greatly affected by the concentration of the organic solvent in the stretching tank. Therefore, the substantial effect of the draw ratio needs to consider the effective draw ratio in consideration of the organic solvent concentration in the draw tank, not the actually applied draw ratio. It has been found that the effective draw ratio can be estimated by performing correction according to the following mathematical formula (3) from the actually applied draw ratio C.

同様に、工程5における延伸処理について考えてみると、溶剤洗浄を施されたものであることから延伸槽内の水の温度が重要となるが、アクリロニトリル系ポリマーのTg以下の温度での延伸となることから、工程3のような大きな延伸倍率を設定することができず、0.95以上1.3倍以下の範囲である。したがって、工程5における延伸倍率は、0.95以上1.3倍以下の範囲で処理を施す状況においては、工程3における延伸倍率に比べ影響度が小さい。しかしながら、工程5における延伸槽内の水の温度が繊維束の構造に大きく影響する。これは、有機溶剤を含まない、つまりは膨潤状態ではないポリマーより成る繊維束の熱処理工程と位置づけられることが要因である。したがって、工程3で延伸処理された繊維束の構造は、有機溶剤を含有した膨潤状態のポリマーに延伸処理を施したものであり、一方、工程5は、工程3で形成された繊維束に熱処理を施して、構造緩和を引き起こさせるものと考えられる。特にこの緩和は、繊維軸と垂直な方向である、繊維断面方向の収縮である。この緩和効果の見積もりとして、工程3における膨潤状態のポリマーのTgと有機溶剤を含まない工程5におけるポリマーのTgの差をスケールパラメーターとし、工程3と工程5の処理温度差で表現することが妥当を考えられる。また、緩和効果であることから、工程5の温度が高ければ緩和の程度が大きくなり、その結果、工程3で施された延伸処理の作用量を減少させる方向に働くことになる。したがって、この緩和作用は、先に記載した工程3における有効延伸倍率の補正項と位置づけることができる。   Similarly, when considering the stretching treatment in step 5, the temperature of water in the stretching tank is important because it has been subjected to solvent washing, and stretching at a temperature below Tg of the acrylonitrile-based polymer Therefore, a large draw ratio as in step 3 cannot be set, and the range is 0.95 or more and 1.3 or less. Accordingly, the stretch ratio in step 5 is less affected than the stretch ratio in step 3 in a situation where the treatment is performed in the range of 0.95 to 1.3 times. However, the temperature of the water in the drawing tank in step 5 greatly affects the structure of the fiber bundle. This is due to the fact that it is positioned as a heat treatment step for a fiber bundle made of a polymer not containing an organic solvent, that is, not in a swollen state. Therefore, the structure of the fiber bundle stretched in step 3 is obtained by stretching the polymer in a swollen state containing an organic solvent, while step 5 is a heat treatment on the fiber bundle formed in step 3. Is considered to cause structural relaxation. In particular, this relaxation is contraction in the fiber cross-sectional direction, which is a direction perpendicular to the fiber axis. As an estimate of this relaxation effect, it is appropriate to express the difference between the Tg of the swollen polymer in step 3 and the Tg of the polymer in step 5 not containing an organic solvent as a scale parameter, and the difference in the processing temperature between step 3 and step 5. Can be considered. Moreover, since it is a relaxation effect, if the temperature of the step 5 is high, the degree of relaxation increases, and as a result, it acts in the direction of reducing the amount of action of the stretching treatment performed in the step 3. Therefore, this relaxation action can be positioned as a correction term for the effective stretch ratio in Step 3 described above.

ポリアクリロニトリルポリマーのTgについては、いくつか報告されている。たとえば、R. B. Beeversの報文“Dependence of the glass transition temperature of polyacrylonitrileon molecular weight”(Journal of Polymer Science Part A:General Papers Volume 2, Issue 12, pages 5257, 1964)に、溶剤を含むポリアクリロニトリルポリマーのTgが下記の数式(4)で推算できると記載されている。   Several reports have been made on the Tg of polyacrylonitrile polymers. For example, in the RB Beevers report “Dependence of the glass transition temperature of polyacrylonitrile on molecular weight” (Journal of Polymer Science Part A: General Papers Volume 2, Issue 12, pages 5257, 1964), Tg of polyacrylonitrile polymer containing solvent Can be estimated by the following formula (4).

w2:有機溶剤を含むポリマーに含まれるポリマー量(質量%)、
有効範囲:90質量%<w2<100質量% 。
w2: polymer amount (% by mass) contained in the polymer containing the organic solvent,
Effective range: 90% by mass <w2 <100% by mass.

したがって、有機溶剤約10質量%を含有するポリマーのTgは、55℃と見積もられる。実際に工程3における繊維束のTgは55〜60℃程度であった。一方、有機溶剤を含まないポリアクリロニトリルポリマーのTgは100℃程度である。以上のように、工程3から工程5を通して、実質的な延伸処理の効果は、実質的延伸倍率として下記の数式(5)により表現することができる。   Accordingly, the Tg of a polymer containing about 10% by mass of an organic solvent is estimated to be 55 ° C. Actually, the Tg of the fiber bundle in Step 3 was about 55 to 60 ° C. On the other hand, the Tg of polyacrylonitrile polymer not containing an organic solvent is about 100 ° C. As described above, the effect of the substantial stretching treatment can be expressed by the following mathematical formula (5) as the substantial stretching ratio through the steps 3 to 5.

Tgp:有機溶剤を含まないポリマーのTg(100℃とする。)
Tgs:有機溶剤を含むポリマーのTg(60℃とする。)
ここで「Tgp−Tgs」は、96.0質量%以上のアクリロニトリルを含有するポリアクリロニトリル系ポリマーであれば、有機溶剤によらずまた有機溶剤の含有量が10〜15質量%であれば大きくは変わらないと考えられることから、通常「Tgp−Tgs=40℃」とすることができる、したがって、実質的延伸倍率は、下記の数式(6)により表現することができる。
Tgp: Tg of a polymer not containing an organic solvent (100 ° C.)
Tgs: Tg of a polymer containing an organic solvent (60 ° C.)
Here, “Tgp-Tgs” is a polyacrylonitrile-based polymer containing 96.0% by mass or more of acrylonitrile, regardless of the organic solvent, and if the content of the organic solvent is 10 to 15% by mass, Since it is considered that it does not change, it can be normally set as “Tgp−Tgs = 40 ° C.”. Therefore, the substantial stretching ratio can be expressed by the following mathematical formula (6).

工程3における延伸処理は、フィブリル構造自体の破断の発生を防ぐ目的で、2.0倍から4.0倍の範囲としている。その範囲を前提とし、本発明の最適な実質的延伸倍率の範囲は、2.25倍以上、3.25倍以下である。より好ましくは、2.00倍以上、3.10倍以下である。   The stretching process in step 3 is performed in the range of 2.0 times to 4.0 times in order to prevent the fibril structure itself from being broken. Based on that range, the optimum range of the substantial draw ratio of the present invention is 2.25 times or more and 3.25 times or less. More preferably, it is 2.00 times or more and 3.10 times or less.

〔工程iii〕
次に、工程ii(例えば、上記工程2〜5)より得られる膨潤糸束に、シリコーン化合物を含有する油剤を付着させる。なお、本発明では、工程6において、この油剤を付着させた繊維束中のシリコーン化合物の含有量は0.7質量%以上2.0質量%以下とする。この油剤としては、上述したシリコーン化合物を含む油剤を適宜用いることができる。この油剤の付着方法としては、例えば、ディップニップ方式を用いることができる。
[Step iii]
Next, an oil agent containing a silicone compound is attached to the swollen yarn bundle obtained from step ii (for example, steps 2 to 5 above). In addition, in this invention, content of the silicone compound in the fiber bundle to which this oil agent was made to adhere in process 6 shall be 0.7 mass% or more and 2.0 mass% or less. As this oil agent, the oil agent containing the silicone compound mentioned above can be used suitably. As a method for attaching the oil agent, for example, a dip nip method can be used.

続いて、通常、この油剤が付着した繊維束(糸束)に対して、乾燥緻密化処理を行う。乾燥緻密化処理は、公知の乾燥法により、油剤が付着した繊維束を乾燥及び緻密化させれば良く、特に制限はなく、例えば、この繊維束を複数の加熱ロールに接触させて通過させる方法が好ましく用いられる。   Subsequently, dry densification treatment is usually performed on the fiber bundle (yarn bundle) to which the oil agent is adhered. The drying densification treatment may be performed by drying and densifying the fiber bundle to which the oil agent is adhered by a known drying method, and is not particularly limited. For example, a method of passing the fiber bundle in contact with a plurality of heating rolls. Is preferably used.

また、乾燥緻密化後の繊維束は、例えば、130℃以上200℃以下の加圧スチーム中、または100℃以上200℃以下の乾熱熱媒中、または150℃以上220℃以下の加熱ロール間や加熱板上で延伸して、更なる配向の向上と緻密化を行うことができる。その際、好ましい延伸倍率は1.8倍以上6.0倍以下であり、より好ましくは2.4倍以上6.0倍以下、更に好ましくは2.6倍以上6.0倍以下である。   The fiber bundle after drying and densification is, for example, in pressurized steam of 130 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, in a dry heat medium of 100 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, or between heated rolls of 150 ° C. or higher and 220 ° C. or lower. Further, the film can be stretched on a heating plate to further improve the orientation and densification. In that case, a preferable draw ratio is 1.8 times or more and 6.0 times or less, more preferably 2.4 times or more and 6.0 times or less, and still more preferably 2.6 times or more and 6.0 times or less.

以上より、得られた繊維束を適宜巻き取り、炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束を得ることができる。   From the above, the obtained fiber bundle can be appropriately wound to obtain an acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fibers.

<耐炎化繊維束の製造方法>
本発明より得られる前駆体繊維束を、酸化雰囲気下(例えば空気中)で熱処理(耐炎化処理)することによって、耐炎化繊維束を得ることができる。その際、この前駆体繊維束を、例えば、220℃以上280℃以下の熱風循環型の耐炎化炉に、30分以上100分以下通過させ、伸長率0%以上10%以下として、密度1.335g/cm3以上1.3
60g/cm3以下の耐炎化繊維束を得ることができる。なお、前駆体繊維束は、複数の
束を等間隔かつ同一平面を形成するように配置し、シート状の前駆体繊維束(前駆体シート)として、耐炎化工程や後述する炭素化工程に供することができる。
<Method for producing flame-resistant fiber bundle>
A flame-resistant fiber bundle can be obtained by heat-treating the precursor fiber bundle obtained from the present invention in an oxidizing atmosphere (for example, in air) (flame-proofing treatment). At this time, the precursor fiber bundle is passed through a hot air circulation type flameproofing furnace of, for example, 220 ° C. or more and 280 ° C. or less for 30 minutes or more and 100 minutes or less, and the elongation rate is 0% or more and 10% or less. 335 g / cm 3 or more 1.3
A flame resistant fiber bundle of 60 g / cm 3 or less can be obtained. In addition, a precursor fiber bundle arrange | positions so that several bundles may form equal intervals and the same plane, and uses for a flame-proofing process and the carbonization process mentioned later as a sheet-like precursor fiber bundle (precursor sheet). be able to.

なお、耐炎化反応には、熱による環化反応と、酸素による酸化反応とがあり、この2つの反応をバランス良く行うこと重要である。この2つの反応をバランス良く行うためには、耐炎化処理時間は30分以上100分以下が好適である。処理時間が30分以上の場合、酸化反応が十分に生じていない部分が単繊維の内側に存在することを容易に抑制でき、単繊維の径方向で大きな構造斑が生じることを容易に抑制できる。その結果、均一な構造を有する炭素繊維を容易に製造することができ、高い機械的性能を容易に発現させることができる。処理時間が100分以下の場合は、単繊維の表面に近い部分により多くの酸素が存在することを容易に抑制でき、その後の高温での熱処理によって過剰の酸素が消失する反応が生じることを容易に抑制でき、欠陥点のない高強度の炭素繊維を容易に得ることができる。また、より好ましい耐炎化処理時間は、40分以上80分以下である。   The flameproofing reaction includes a cyclization reaction by heat and an oxidation reaction by oxygen, and it is important to perform these two reactions in a well-balanced manner. In order to perform these two reactions in a well-balanced manner, the flameproofing treatment time is preferably from 30 minutes to 100 minutes. When the treatment time is 30 minutes or more, it can be easily suppressed that the portion where the oxidation reaction has not sufficiently occurred is present inside the single fiber, and the occurrence of large structural spots in the radial direction of the single fiber can be easily suppressed. . As a result, carbon fibers having a uniform structure can be easily produced, and high mechanical performance can be easily expressed. When the treatment time is 100 minutes or less, it is possible to easily suppress the presence of more oxygen in the portion close to the surface of the single fiber, and it is easy to cause a reaction in which excess oxygen disappears by heat treatment at a high temperature thereafter. It is possible to easily obtain a high-strength carbon fiber having no defects. A more preferable flameproofing treatment time is 40 minutes or more and 80 minutes or less.

耐炎化処理温度が220℃以上の場合、単繊維の表面に近い部分により多くの酸素が存在することを容易に抑制することができ、260℃以下の場合、酸化反応が十分に生じていない部分が単繊維の内側に存在することを容易に抑制することができる。また、より好ましい耐炎化処理温度は、225℃以上255℃以下である。   When the flameproofing treatment temperature is 220 ° C. or higher, it is possible to easily suppress the presence of more oxygen in the portion near the surface of the single fiber. When the temperature is 260 ° C. or lower, the portion where the oxidation reaction is not sufficiently generated Can be easily suppressed from existing inside the single fiber. A more preferable flameproofing treatment temperature is 225 ° C. or higher and 255 ° C. or lower.

耐炎化処理より得られる繊維束の密度が1.335g/cm3以上の場合、十分な耐炎
化反応を容易に行うことができ、その後の高温での熱処理により分解反応が生じることを容易に抑制でき、欠陥点のない高強度の炭素繊維を容易に得ることができる。耐炎化繊維束の密度が1.360g/cm3以下の場合、繊維の酸素含有量を適度な量に容易にする
ことができ、その後の高温での熱処理により過剰の酸素が消失する反応が生じることを容易に抑制でき、欠陥点のない高強度の炭素繊維を容易に得ることができる。より好ましい耐炎化繊維束の密度は、1.340g/cm3以上1.350g/cm3以下である。
If the density of the fiber bundle obtained from the flame-resistant treatment of 1.335 g / cm 3 or more, it is possible to easily perform sufficient oxidization reaction easily suppress the decomposition reaction caused by the heat treatment in the subsequent high temperature It is possible to easily obtain a high-strength carbon fiber having no defects. When the density of the flame-resistant fiber bundle is 1.360 g / cm 3 or less, the oxygen content of the fiber can be easily adjusted to an appropriate amount, and a reaction in which excess oxygen disappears due to subsequent heat treatment at a high temperature occurs. This can be easily suppressed, and a high-strength carbon fiber free from defects can be easily obtained. The density of the flame-resistant fiber bundle is more preferably 1.340 g / cm 3 or more and 1.350 g / cm 3 or less.

耐炎化炉での適度な伸長は、繊維を形成しているフィブリル構造の配向を維持、向上させるために重要である。伸長率が0%以上では、フィブリル構造の配向を容易に維持でき、炭素繊維の構造形成における繊維軸での十分な配向を容易に得ることができ、優れた機械的性能を容易に発現させることができる。一方、伸長率が10%以下では、フィブリル構造自体の破断を容易に抑制でき、その後の炭素繊維の構造形成を損なったり、破断点が欠陥点となったりすることなく、高強度の炭素繊維を容易に得ることができる。より好ましい伸長率は、3%以上8%以下である。   Proper elongation in the flameproofing furnace is important for maintaining and improving the orientation of the fibril structure forming the fiber. When the elongation rate is 0% or more, the orientation of the fibril structure can be easily maintained, sufficient orientation at the fiber axis in the formation of the carbon fiber structure can be easily obtained, and excellent mechanical performance can be easily expressed. Can do. On the other hand, when the elongation rate is 10% or less, the fibril structure itself can be easily broken, and the high-strength carbon fiber can be formed without damaging the subsequent formation of the carbon fiber structure or causing the break point to be a defect point. Can be easily obtained. A more preferable elongation rate is 3% or more and 8% or less.

更に、前駆体繊維束を酸化雰囲気下で熱処理する工程(耐炎化工程)では、多段階に分けて前駆体繊維束を伸長させることが好ましく、例えば、伸長処理条件を少なくとも3つのブロックに分割した耐炎化条件を設定することが好ましい。具体的には、以下の工程(1)〜(3)を有する耐炎化処理が挙げられる。
(1)前駆体繊維束を伸長率3.0%以上8.0%以下で伸長させ、繊維密度1.200g/cm3以上1.260g/cm3以下の繊維束を得る工程。
(2)得られた繊維束を、伸長率0.0%以上3.0%以下で伸長させ、繊維密度1.240g/cm3以上1.310g/cm3以下の繊維束を得る工程。
(3)得られた繊維束を、−1.0%以上2.0%以下で収縮または伸長させ、繊維密度1.300g/cm3以上1.360g/cm3以下の耐炎化繊維束を得る工程。
なお、各工程における繊維束の伸長率または収縮率は、各工程の前後に配置されて走行する糸を把持するロールの回転速度の差により特定することができる。
Furthermore, in the step of heat-treating the precursor fiber bundle in an oxidizing atmosphere (flame-proofing step), it is preferable to extend the precursor fiber bundle in multiple stages. For example, the extension treatment conditions are divided into at least three blocks. It is preferable to set flameproofing conditions. Specifically, the flameproofing process which has the following processes (1)-(3) is mentioned.
(1) the precursor fiber bundle is the elongation at an elongation of 3.0% or more and 8.0% or less, the fiber density of 1.200 g / cm 3 or more 1.260 g / cm 3 to obtain the following fiber bundle.
(2) A step of stretching the obtained fiber bundle at an elongation rate of 0.0% or more and 3.0% or less to obtain a fiber bundle having a fiber density of 1.240 g / cm 3 or more and 1.310 g / cm 3 or less.
(3) The obtained fiber bundle is contracted or elongated at −1.0% or more and 2.0% or less to obtain a flame-resistant fiber bundle having a fiber density of 1.300 g / cm 3 or more and 1.360 g / cm 3 or less. Process.
In addition, the elongation rate or shrinkage rate of the fiber bundle in each process can be specified by the difference in the rotation speed of the roll that holds the traveling yarn arranged before and after each process.

<炭素繊維束の製造方法>
次に、得られた耐炎化繊維束を、窒素などの不活性雰囲気中、熱処理(炭素化処理)することによって、炭素繊維束を製造することができる。この炭素化処理は複数の段階に分けて行うことができ、耐炎化繊維束に対して、例えば、以下の第1及び第2(必要に応じて第3)の炭素化工程を行うことにより、炭素繊維束を得ることができる。
(1)耐炎化繊維束を、不活性雰囲気中、温度勾配を有する第一炭素化炉にて、300℃以上800℃以下で2%以上7%以下の伸長を加えながら1.0分以上3.0分以下、熱処理する第1の炭素化工程。
(2)第1の炭素化工程より得られる繊維束を、不活性雰囲気中、温度勾配を設定できる第二炭素化炉にて、1000℃以上1600℃以下、緊張下で熱処理をする第2の炭素化工程。
(3)第2の炭素化工程より得られる繊維束を、所望する温度勾配を有する第三炭素化炉にて不活性雰囲気中緊張下で熱処理をする第3の炭素化工程。
<Method for producing carbon fiber bundle>
Next, a carbon fiber bundle can be manufactured by heat-treating the obtained flame-resistant fiber bundle in an inert atmosphere such as nitrogen (carbonization treatment). This carbonization treatment can be carried out in a plurality of stages. For example, by performing the following first and second (optionally third) carbonization steps on the flameproof fiber bundle, A carbon fiber bundle can be obtained.
(1) The flame-resistant fiber bundle is added in the first carbonization furnace having a temperature gradient in an inert atmosphere at a temperature of 300 ° C. or higher and 800 ° C. or lower while adding 2% or more and 7% or less for 1.0 minute or longer 3 A first carbonization step in which heat treatment is performed for 0 minute or less.
(2) A second bundle in which the fiber bundle obtained from the first carbonization step is heat-treated under tension in a second carbonization furnace capable of setting a temperature gradient in an inert atmosphere under tension of 1000 ° C. to 1600 ° C. Carbonization process.
(3) A third carbonization step in which the fiber bundle obtained from the second carbonization step is heat-treated under tension in an inert atmosphere in a third carbonization furnace having a desired temperature gradient.

〔第1の炭素化工程〕
耐炎化処理温度を220〜260℃に設定した場合、反応を効率的に進行させる観点から、第1の炭素化工程における開始処理温度は300℃以上とすることが好ましい。第1の炭素化工程における処理温度(最高処理温度)が800℃以下であると、繊維が非常に脆くなることを容易に抑制でき、次の工程への移行が容易である。第1の炭素化工程における、より好ましい処理温度範囲は300℃以上750℃以下であり、更に好ましくは300℃以上700℃以下である。
[First carbonization process]
When the flameproofing treatment temperature is set to 220 to 260 ° C, the starting treatment temperature in the first carbonization step is preferably set to 300 ° C or higher from the viewpoint of allowing the reaction to proceed efficiently. When the treatment temperature (maximum treatment temperature) in the first carbonization step is 800 ° C. or less, it can be easily suppressed that the fiber becomes very brittle, and the transition to the next step is easy. A more preferable treatment temperature range in the first carbonization step is 300 ° C. or higher and 750 ° C. or lower, and more preferably 300 ° C. or higher and 700 ° C. or lower.

第1の炭素化炉が有する温度勾配については特に制限はないが、処理温度300℃以上800℃以下で、直線的な勾配を設定するのが急激な分解を抑えて機械的強度発現の観点から好ましい。   Although there is no restriction | limiting in particular about the temperature gradient which a 1st carbonization furnace has, From the viewpoint of mechanical strength expression, setting a linear gradient at process temperature 300 degreeC or more and 800 degrees C or less suppresses rapid decomposition | disassembly. preferable.

伸長率が2%以上では、フィブリル構造の配向を容易に維持でき、炭素繊維の構造形成における繊維軸での十分な配向を容易に得ることができ、優れた機械的性能発現ができる。伸長率が7%以下では、フィブリル構造自体の破断が生じることを容易に抑制でき、その後の炭素繊維の構造形成を損なったり、破断点が欠陥点となったりすることなく、高強度な炭素繊維を容易に得ることができる。より好ましい伸長率は3%以上5%以下である。   When the elongation ratio is 2% or more, the orientation of the fibril structure can be easily maintained, and sufficient orientation at the fiber axis in the formation of the carbon fiber structure can be easily obtained, and excellent mechanical performance can be expressed. When the elongation rate is 7% or less, the fibril structure itself can be easily prevented from breaking, and the subsequent formation of the carbon fiber structure is not impaired, and the high-strength carbon fiber does not become a defect point. Can be easily obtained. A more preferable elongation rate is 3% or more and 5% or less.

第1の炭素化工程における好適な処理時間は1.0分以上3.0分以下である。1.0分以上の処理では、急激な温度上昇に伴う激しい分解反応が生じることを容易に抑制でき、高強度の炭素繊維を容易に得ることができる。3.0分以下であると、可塑化の影響が発生して結晶の配向度が低下することを容易に抑制でき、その結果、機械的性能の優れた炭素繊維を容易に得ることができる。より好ましい処理時間は、1.2分以上2.5分以下である。   A suitable treatment time in the first carbonization step is 1.0 minute or more and 3.0 minutes or less. In the treatment for 1.0 minute or longer, it is possible to easily suppress the occurrence of a violent decomposition reaction accompanying a rapid temperature rise, and it is possible to easily obtain a high-strength carbon fiber. If it is 3.0 minutes or less, it is possible to easily suppress the effect of plasticization and decrease the degree of crystal orientation, and as a result, it is possible to easily obtain carbon fibers having excellent mechanical performance. A more preferable treatment time is 1.2 minutes or more and 2.5 minutes or less.

〔第2の炭素化工程〕
次いで、窒素などの不活性雰囲気中、1000℃以上1600℃以下の範囲で温度勾配を設定出来る第二炭素化炉にて緊張下で熱処理を行う。
[Second carbonization process]
Next, heat treatment is performed under tension in a second carbonization furnace in which a temperature gradient can be set in a range of 1000 ° C. to 1600 ° C. in an inert atmosphere such as nitrogen.

第二炭素化炉は、第一炭素化炉の温度設定にもよるが1000℃以上であればよい。好ましくは1050℃以上である。温度勾配については特に制限はないが、直線的な勾配を設定するのが好ましい。処理時間は1.0分以上5.0分以下が好ましく、より好ましくは1.5分以上4.2分以下である。第2の炭素化工程における熱処理によって、繊維束は大きな収縮を伴うために、緊張下で熱処理をすることが重要である。その際、繊維束に対して、−6.0%以上2.0%以下の収縮(緩和)または伸長を付与することが好適である。−6.0%以上では、結晶の繊維軸方向での良好な配向を容易に得ることができ、十分な性能を容易に得ることができる。2.0%以下の場合は、繊維構造自体が破壊されることを容易に抑制でき、欠陥点の形成を容易に抑制でき、強度の大幅な低下が生じることを容易に抑制できる。第2の炭素化工程においては、繊維束に対して−5.0%以上0.5%以下の収縮または伸長を付与することがより好ましい。   The second carbonization furnace may be 1000 ° C. or higher although it depends on the temperature setting of the first carbonization furnace. Preferably it is 1050 degreeC or more. The temperature gradient is not particularly limited, but it is preferable to set a linear gradient. The treatment time is preferably from 1.0 minute to 5.0 minutes, more preferably from 1.5 minutes to 4.2 minutes. Since the fiber bundle is greatly contracted by the heat treatment in the second carbonization step, it is important to perform the heat treatment under tension. At that time, it is preferable to impart shrinkage (relaxation) or elongation of −6.0% to 2.0% to the fiber bundle. If it is −6.0% or more, good orientation in the fiber axis direction of crystals can be easily obtained, and sufficient performance can be easily obtained. In the case of 2.0% or less, it is possible to easily suppress the destruction of the fiber structure itself, to easily suppress the formation of defect points, and to easily suppress a significant decrease in strength. In the second carbonization step, it is more preferable to impart shrinkage or elongation of −5.0% to 0.5% to the fiber bundle.

〔第3の炭素化工程〕
また、必要ならば、追加で所望する温度勾配を有する第三炭素化炉にて不活性雰囲気中、緊張下で熱処理を行う。第3の炭素化工程における処理温度の設定は、炭素繊維の所望弾性率に応じて適宜設定することができる。また、第三炭素化炉が有する温度勾配についても特に制限はないが、直線的な勾配を設定するのが好ましい。高機械性能を有する炭素繊維を得るためには、炭素化処理の最高処理温度は低ければ低いほど良い。また、処理時間を長くすることにより弾性率を高くすることができるため、処理時間を長くすることにより、炭素化処理の最高処理温度を下げることができる。更に、処理時間を長くすることにより、温度勾配を緩やかに設定することが可能となり、欠陥点形成を抑制するのに効果がある。
[Third carbonization process]
Further, if necessary, heat treatment is performed under tension in an inert atmosphere in a third carbonization furnace having an additional desired temperature gradient. The setting of the treatment temperature in the third carbonization step can be appropriately set according to the desired elastic modulus of the carbon fiber. The temperature gradient of the third carbonization furnace is not particularly limited, but it is preferable to set a linear gradient. In order to obtain carbon fibers having high mechanical performance, the lower the maximum treatment temperature for carbonization treatment, the better. Further, since the elastic modulus can be increased by increasing the treatment time, the maximum treatment temperature of the carbonization treatment can be lowered by increasing the treatment time. Furthermore, by increasing the processing time, the temperature gradient can be set gently, which is effective in suppressing defect point formation.

〔表面処理工程〕
このようにして得られた炭素繊維束は、必要に応じて、表面処理に供される。表面処理方法としては、公知の方法、即ち、電解酸化、薬剤酸化及び空気酸化などによる酸化処理が挙げられ、いずれでも良い。工業的に広く実施されている電解酸化処理は、安定な表面酸化処理が可能であること、また、表面処理状態の制御が電気量を変えて行えるという観点から最も好適な方法である。ここで、同一電気量であっても、用いる電解質及びその濃度によって表面状態は大きく異なってくるが、pHが7より大きいアルカリ性水溶液中で炭素繊維を陽極として10クーロン/g以上200クーロン/g以下の電気量を流して酸化処理を行うことが好ましい。電解質としては、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどを用いるのが好適である。
[Surface treatment process]
The carbon fiber bundle obtained in this way is subjected to surface treatment as necessary. Examples of the surface treatment method include a known method, that is, an oxidation treatment such as electrolytic oxidation, chemical oxidation, and air oxidation. The electrolytic oxidation treatment widely practiced industrially is the most suitable method from the viewpoint that stable surface oxidation treatment is possible and that the surface treatment state can be controlled by changing the amount of electricity. Here, even if the amount of electricity is the same, the surface state varies greatly depending on the electrolyte used and its concentration. However, in an alkaline aqueous solution having a pH higher than 7, the carbon fiber is used as an anode and the coercivity is 10 coulomb / g or more and 200 coulomb / g or less. It is preferable to carry out the oxidation treatment by flowing a quantity of electricity. As the electrolyte, it is preferable to use ammonium carbonate, ammonium bicarbonate, calcium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, or the like.

〔サイジング処理工程〕
次に、得られた炭素繊維束は、必要に応じてサイジング処理に供される。サイジング剤は、有機溶剤に溶解させたサイジング液や、乳化剤などで水に分散させたエマルジョン液を、ローラ浸漬法、ローラ接触法等によって炭素繊維束に付与し、これを乾燥することによって行うことができる。なお、炭素繊維の表面へのサイジング剤の付着量の調節は、サイジング剤液の濃度調整や絞り量調整によって行うことができる。又、乾燥は、熱風、熱板、加熱ローラ、各種赤外線ヒーターなどを利用して行うことができる。引き続いて、サイシング剤を付着させ乾燥させた後、ボビンに巻きとることで、サイジング剤が付着した炭素繊維束を得ることができる。
[Sizing process]
Next, the obtained carbon fiber bundle is subjected to a sizing treatment as necessary. The sizing agent is performed by applying a sizing solution dissolved in an organic solvent or an emulsion solution dispersed in water with an emulsifier to the carbon fiber bundle by a roller dipping method, a roller contact method, etc., and drying it. Can do. The amount of the sizing agent attached to the surface of the carbon fiber can be adjusted by adjusting the concentration of the sizing agent solution or adjusting the amount of drawing. Drying can be performed using hot air, a hot plate, a heating roller, various infrared heaters, and the like. Subsequently, a sizing agent is attached and dried, and then wound around a bobbin to obtain a carbon fiber bundle to which the sizing agent is attached.

本発明の前駆体繊維束に対して、上述した焼成方法(耐炎化処理及び炭素化処理)を適用することにより、機械的性能に優れた炭素繊維束を得ることができる。   By applying the above-described firing method (flame-proofing treatment and carbonization treatment) to the precursor fiber bundle of the present invention, a carbon fiber bundle excellent in mechanical performance can be obtained.

〔炭素繊維束の物性〕
本発明の前駆体繊維束より得られる炭素繊維束は、樹脂含浸ストランド強度が6500MPa以上であることが好ましく、ASTM法で測定されるストランド弾性率が260GPa以上380GPa以下であることが好ましい。
[Physical properties of carbon fiber bundles]
The carbon fiber bundle obtained from the precursor fiber bundle of the present invention preferably has a resin-impregnated strand strength of 6500 MPa or more, and preferably has a strand elastic modulus of 260 GPa or more and 380 GPa or less measured by the ASTM method.

樹脂含浸炭素繊維束のストランド試験体の調製及び強度の測定は、JIS R7608に準拠して実施することができる。ただし、弾性率の算出には、ASTM法に準じたひずみ範囲を用いて実施する。   Preparation of the strand test body of the resin-impregnated carbon fiber bundle and measurement of the strength can be performed according to JIS R7608. However, the elastic modulus is calculated using a strain range according to the ASTM method.

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
〔1.前駆体繊維束の調製〕
アクリロニトリル及びメタクリル酸を水系懸濁重合により重合し、アクリロニトリル単位/メタクリル酸単位=98/2(質量%)からなる、質量平均分子量415000のアクリロニトリル系共重合体を得た。得られた重合体をジメチルホルムアミドに溶解して、この重合体の濃度が23.5質量%の紡糸原液を調製した。
Example 1
[1. Preparation of precursor fiber bundle)
Acrylonitrile and methacrylic acid were polymerized by aqueous suspension polymerization to obtain an acrylonitrile copolymer having an acrylonitrile unit / methacrylic acid unit = 98/2 (mass%) and having a mass average molecular weight of 415,000. The obtained polymer was dissolved in dimethylformamide to prepare a spinning dope having a concentration of this polymer of 23.5% by mass.

ここで、作製したポリアクリロニトリル系共重合体の質量平均分子量は以下のように測定した。東ソー(株)製のGPCシステム HLC−8120(商品名)を使用し、カラムには東ソー(株)製 TOSOH TSK−GEL,SuperHZM−H(商品名)を2本直列で用いた。溶離液に0.01mol/l塩化リチウムのジメチルホルムアミド溶液を使用し、カラム流量0.6ml/min、ポリマー濃度0.001g/ml、注入量20μlとして測定した。標準物質としてポリスチレンを用いて、ポリアクリロニトリル系共重合体の質量平均分子量を求めた。   Here, the mass average molecular weight of the prepared polyacrylonitrile-based copolymer was measured as follows. GPC system HLC-8120 (trade name) manufactured by Tosoh Corporation was used, and two TOSOH TSK-GEL and SuperHZM-H (trade name) manufactured by Tosoh Corporation were used in series for the column. A dimethylformamide solution of 0.01 mol / l lithium chloride was used as an eluent, the column flow rate was 0.6 ml / min, the polymer concentration was 0.001 g / ml, and the injection amount was 20 μl. Using polystyrene as a standard substance, the mass average molecular weight of the polyacrylonitrile copolymer was determined.

この紡糸原液を直径0.13mm、孔数2000の吐出孔を配置した紡糸口金から一旦空気中に紡出した後、約4mmの空間を通過させ、8℃に調温した80.1質量%ジメチルホルムアミドを含有する水溶液を満たした凝固液中に吐出し凝固させ、凝固繊維束を引取った(工程1)。   This spinning stock solution was once spun into air from a spinneret having a diameter of 0.13 mm and a discharge hole with 2000 holes, and then passed through a space of about 4 mm and adjusted to 8 ° C. and 80.1% by mass dimethyl. It was discharged and coagulated in a coagulation liquid filled with an aqueous solution containing formamide, and a coagulated fiber bundle was taken up (step 1).

次いで、得られた凝固繊維束を空気中で1.1倍延伸し(工程2)、その後、60℃に調温した55質量%ジメチルホルムアミドを含有する水溶液を満たした前延伸槽中で3.0倍延伸した(工程3)。即ち、工程1より得られた凝固繊維束に対する工程2及び3の合計延伸倍率は、3.3倍であった。続いて、得られた、有機溶剤を含有している繊維束を清浄な温水で洗浄し(工程4)、55℃の水中で1.01倍の延伸を行った(工程5)。   Next, the obtained coagulated fiber bundle was stretched 1.1 times in the air (step 2), and then in a pre-stretching tank filled with an aqueous solution containing 55% by mass dimethylformamide adjusted to 60 ° C. Stretched 0 times (step 3). That is, the total draw ratio of steps 2 and 3 with respect to the coagulated fiber bundle obtained from step 1 was 3.3 times. Subsequently, the obtained fiber bundle containing the organic solvent was washed with clean warm water (step 4), and stretched 1.01 times in water at 55 ° C. (step 5).

引き続き、工程5より得られた繊維束に、アミノ変性シリコーン化合物を主成分とする油剤を付与し(工程6)、その後、乾燥緻密化処理を行った。   Then, the oil agent which has an amino modified silicone compound as a main component was provided to the fiber bundle obtained from the process 5 (process 6), and the dry densification process was performed after that.

ここで、上記アミノ変性シリコーンを主成分とする油剤としては、以下のアミノ変性シリコーン85質量%と、乳化剤15質量%とからなる油剤を用いた。なお、工程6より得られる油剤が付着した繊維束中のシリコーン化合物の含有量は、1.04質量%であった。
・アミノ変性シリコーン:KF−865(商品名、信越化学工業(株)製、1級側鎖タイプ、粘度110cSt(25℃)、アミノ当量5,000g/mol)。
・乳化剤:NIKKOL BL−9EX(商品名、日光ケミカルズ株式会社製、POE(9)ラウリルエーテル)。
Here, as the oil agent mainly composed of the amino-modified silicone, an oil agent comprising 85% by mass of the following amino-modified silicone and 15% by mass of an emulsifier was used. In addition, content of the silicone compound in the fiber bundle which the oil agent obtained from the process 6 adhered was 1.04 mass%.
Amino-modified silicone: KF-865 (trade name, manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., primary side chain type, viscosity 110 cSt (25 ° C.), amino equivalent 5,000 g / mol).
Emulsifier: NIKKOL BL-9EX (trade name, manufactured by Nikko Chemicals, POE (9) lauryl ether).

また、乾燥緻密化後の繊維束を、180℃の加熱ロール間で3.1倍延伸して、更なる配向の向上と緻密化を行った後に巻き取って前駆体繊維束を得た。前駆体繊維の単繊維繊度は、0.77dtexであった。   Further, the fiber bundle after drying and densification was stretched 3.1 times between heating rolls at 180 ° C., and after further improving the orientation and densification, it was wound up to obtain a precursor fiber bundle. The single fiber fineness of the precursor fiber was 0.77 dtex.

〔2.耐炎化処理〕
次いで、得られた前駆体繊維束を複数、平行に揃えた状態(シート状)で耐炎化炉に導入し、220℃以上280℃以下に加熱された空気を前駆体繊維束に吹き付けることによって、前駆体繊維束を耐炎化して、密度1.342g/cm3の耐炎繊維束を得た。具体的には、この複数の前駆体繊維束を伸長率5.0%で伸長させた状態で、密度1.200g/cm3以上1.250g/cm3以下まで耐炎化処理し、更に伸長率1.5%で伸長させた状態で、密度1.250g/cm3以上1.300g/cm3以下まで耐炎化処理し、更に、収縮率−0.5%で緩和させた状態で、密度1.300g/cm3以上1.350
g/cm3以下まで耐炎化処理し、耐炎化繊維束を得た。なお、この耐炎化処理における
合計の伸長率は6%であり、合計の耐炎化処理時間は40分であった。
[2. (Flame resistance treatment)
Next, a plurality of the obtained precursor fiber bundles are introduced into a flameproofing furnace in a state of being aligned in parallel (sheet form), and air heated to 220 ° C. or more and 280 ° C. or less is blown onto the precursor fiber bundles, The precursor fiber bundle was made flame resistant to obtain a flame resistant fiber bundle having a density of 1.342 g / cm 3 . Specifically, in a state where the plurality of precursor fiber bundles are stretched at an elongation rate of 5.0%, a flameproofing treatment is performed to a density of 1.200 g / cm 3 or more and 1.250 g / cm 3 or less. In a state of being stretched at 1.5%, a flame resistance treatment is applied to a density of 1.250 g / cm 3 or more and 1.300 g / cm 3 or less, and further, a state of relaxation at a shrinkage rate of −0.5% is performed. .300 g / cm 3 or more 1.350
Flame-resistant treatment was performed up to g / cm 3 or less to obtain a flame-resistant fiber bundle. The total elongation rate in this flameproofing treatment was 6%, and the total flameproofing treatment time was 40 minutes.

〔3.炭素化処理〕
次に、得られた耐炎化繊維束を、窒素中、300℃以上700℃以下の第一炭素化炉にて4.5%の伸長を加えながら通過させた(第1の炭素化工程)。なお、この第一炭素化炉は、炭素化処理開始温度が300℃となり、終了温度が700℃となる、直線的な温度勾配を有していた。また、炭素化処理時間は1.9分とした。
[3. Carbonization treatment)
Next, the obtained flame-resistant fiber bundle was passed through nitrogen in a first carbonization furnace at 300 ° C. or more and 700 ° C. or less while adding 4.5% elongation (first carbonization step). The first carbonization furnace had a linear temperature gradient in which the carbonization treatment start temperature was 300 ° C. and the end temperature was 700 ° C. The carbonization time was 1.9 minutes.

続いて、得られた繊維束を、窒素雰囲気中で1000℃以上1250℃以下の第二炭素化炉を用いて収縮率−3.8%で緩和させた状態で、熱処理を行った(第2の炭素化工程)。なお、この第二炭素化炉は、炭素化処理開始温度が1000℃となり、終了温度が1250℃となる、直線的な温度勾配を有していた。   Subsequently, the obtained fiber bundle was subjected to heat treatment in a state where the fiber bundle was relaxed at a shrinkage rate of −3.8% using a second carbonization furnace having a temperature of 1000 ° C. to 1250 ° C. in a nitrogen atmosphere (second). Carbonization process). The second carbonization furnace had a linear temperature gradient in which the carbonization treatment start temperature was 1000 ° C. and the end temperature was 1250 ° C.

引き続き、得られた繊維束を、窒素雰囲気中1250℃以上1500℃以下の第三炭素化炉を用いて収縮率−0.1%で緩和させた状態で、熱処理を行い(第3の炭素化工程)、炭素繊維束を得た。なお、この第三炭素化炉は、炭素化処理開始温度が1250℃となり、終了温度が1500℃となる、直線的な温度勾配を有していた。第2及び第3の炭素化工程における合計収縮率は、−3.9%であり、合計の炭素化処理時間は3.7分であった。   Subsequently, the obtained fiber bundle was subjected to heat treatment in a state of being relaxed at a shrinkage of −0.1% using a third carbonization furnace having a temperature of 1250 ° C. or more and 1500 ° C. or less in a nitrogen atmosphere (third carbonization). Step), a carbon fiber bundle was obtained. This third carbonization furnace had a linear temperature gradient in which the carbonization treatment start temperature was 1250 ° C. and the end temperature was 1500 ° C. The total shrinkage in the second and third carbonization steps was −3.9%, and the total carbonization treatment time was 3.7 minutes.

〔4.炭素繊維束の表面処理〕
引き続いて、重炭酸アンモニウムを10質量%含む水溶液中に、得られた炭素繊維束を走行させ、この炭素繊維束を陽極として、処理対象となるこの炭素繊維1g当り40クーロンの電気量となる様に対極との間で通電処理を行い、温水90℃で洗浄した後、乾燥した。次に、得られた繊維束に対して、ハイドランN320(商品名、DIC株式会社製)を0.5質量%付着させ、ボビンに巻きとり、表面処理した炭素繊維束を得た。
[4. (Surface treatment of carbon fiber bundle)
Subsequently, the obtained carbon fiber bundle is run in an aqueous solution containing 10% by mass of ammonium bicarbonate, and this carbon fiber bundle is used as an anode so that the amount of electricity is 40 coulomb per 1 g of the carbon fiber to be treated. The electrode was subjected to an energization treatment with the counter electrode, washed with warm water at 90 ° C., and then dried. Next, 0.5 mass% of Hydran N320 (trade name, manufactured by DIC Corporation) was attached to the obtained fiber bundle, wound around a bobbin, and a surface-treated carbon fiber bundle was obtained.

(実施例2〜24及び比較例1〜10)
表1に示すように、紡糸条件及び前駆体繊維束に付着させるシリコーン化合物の量を変更した以外は、実施例1と同様にして、前駆体繊維束を得た。さらに、この前駆体繊維束から、実施例1と同様にして、表面処理した炭素繊維束を製造した。
(Examples 2 to 24 and Comparative Examples 1 to 10)
As shown in Table 1, a precursor fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the spinning conditions and the amount of the silicone compound adhered to the precursor fiber bundle were changed. Furthermore, a surface-treated carbon fiber bundle was produced from this precursor fiber bundle in the same manner as in Example 1.

表1に紡糸条件、前駆体繊維束中のシリコーン化合物の含有(付与)量、表面処理した炭素繊維束の樹脂含浸ストランド強度及びストランド弾性率をまとめて示す。   Table 1 summarizes the spinning conditions, the content (giving) of the silicone compound in the precursor fiber bundle, the resin-impregnated strand strength and the strand elastic modulus of the surface-treated carbon fiber bundle.

表1に示すように、実施例1〜24の本発明の製造方法により得られた油剤が付着した前駆体繊維束を焼成した炭素繊維束の樹脂含浸ストランド強度及びストランド弾性率は、いずれも高く、高い機械的特性を有する繊維強化樹脂を得るのに十分な強度を有していた。   As shown in Table 1, the resin-impregnated strand strength and strand elastic modulus of the carbon fiber bundle obtained by firing the precursor fiber bundle to which the oil agent obtained by the production method of Examples 1 to 24 of the present invention was adhered were both high. And sufficient strength to obtain a fiber reinforced resin having high mechanical properties.

Claims (5)

シリコーン化合物が付着した炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束を製造する方法であって、
(1)アクリロニトリル単位の含有率が96.0質量%以上である重合体を有機溶剤に溶解させた紡糸原液から、乾湿式紡糸法によって凝固繊維束を作製する工程と、
(2)該凝固繊維束を空気中で1.0倍以上1.2倍以下に延伸する工程と、
(3)工程2より得られる繊維束を、有機溶剤を含む水溶液中で延伸し、その際、工程1より得られる凝固繊維束に対する、工程2および工程3の合計延伸倍率を2.0倍以上4.0倍以下とする工程と、
(4)工程3より得られる繊維束から有機溶剤を除去する工程と、
(5)工程4より得られる繊維束を、40℃以上の水浴中で0.95倍以上1.3倍以下に収縮または延伸する工程と、
(6)工程5より得られる繊維束に、シリコーン化合物を含む油剤を付着させる工程と、(7)工程6より得られる繊維束を乾燥させる工程と、を含み、
工程3において、該有機溶剤を含む水溶液の温度(℃)をAで表し、該有機溶剤を含む水溶液中の有機溶剤の濃度(質量比)をBで表し、該有機溶剤を含む水溶液中における工程2より得られる繊維束に付与する延伸倍率(比率)をCで表し、工程5において、該水浴の温度(℃)をDで表した場合に、下記の数式(1)で表される関係を満たし、工程6において、工程7後の乾燥させた繊維束に対する該シリコーン化合物の含有量が0.7質量%以上2.0質量%以下になる該油剤の量を繊維束に付与にする、炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束の製造方法:
A method for producing an acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fibers to which a silicone compound is attached,
(1) A step of producing a coagulated fiber bundle by a dry-wet spinning method from a spinning stock solution in which a polymer having an acrylonitrile unit content of 96.0% by mass or more is dissolved in an organic solvent;
(2) stretching the coagulated fiber bundle in air to 1.0 to 1.2 times;
(3) The fiber bundle obtained from step 2 is stretched in an aqueous solution containing an organic solvent, and the total draw ratio of step 2 and step 3 with respect to the solidified fiber bundle obtained from step 1 is 2.0 times or more. A step of 4.0 times or less;
(4) removing the organic solvent from the fiber bundle obtained from step 3,
(5) The step of shrinking or stretching the fiber bundle obtained from step 4 to 0.95 times or more and 1.3 times or less in a water bath at 40 ° C. or higher;
(6) a step of attaching an oil agent containing a silicone compound to the fiber bundle obtained from step 5, and (7) a step of drying the fiber bundle obtained from step 6.
In step 3, the temperature (° C.) of the aqueous solution containing the organic solvent is represented by A, the concentration (mass ratio) of the organic solvent in the aqueous solution containing the organic solvent is represented by B, and the step in the aqueous solution containing the organic solvent When the draw ratio (ratio) imparted to the fiber bundle obtained from 2 is represented by C, and the temperature (° C.) of the water bath is represented by D in Step 5, the relationship represented by the following mathematical formula (1) is obtained. Carbon, which gives the fiber bundle an amount of the oil agent in which the content of the silicone compound with respect to the dried fiber bundle after Step 7 is 0.7% by mass or more and 2.0% by mass or less in Step 6 Method for producing acrylonitrile precursor fiber bundle for fiber:
シリコーン化合物として、以下の条件(1)及び(2)を満たすアミノ変性シリコーン化合物を用いる請求項1に記載の方法:
(1)25℃における動粘度が50cst以上5000cst以下、
(2)アミノ当量が1700g/mol以上15000g/mol以下。
The method according to claim 1, wherein an amino-modified silicone compound satisfying the following conditions (1) and (2) is used as the silicone compound:
(1) Kinematic viscosity at 25 ° C. is 50 cst or more and 5000 cst or less,
(2) An amino equivalent is 1700 g / mol or more and 15000 g / mol or less.
シリコーン化合物が付着した炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束であって、該繊維束中の該シリコーン化合物の含有量が、0.7質量%以上2.0質量%以下であり、単繊維の繊度が0.5dtex以上0.95dtex以下、単繊維の繊維断面の長径と短径との比(長径/短径)が1.00以上1.01以下、中心線平均粗さ(Ra)が3nm以上10nm以下である、炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束。   An acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fibers to which a silicone compound is adhered, wherein the content of the silicone compound in the fiber bundle is 0.7% by mass or more and 2.0% by mass or less, and the fineness of a single fiber is 0.5 dtex or more and 0.95 dtex or less, the ratio of the major axis to the minor axis (major axis / minor axis) of the fiber cross section of the single fiber is 1.00 or more and 1.01 or less, and the center line average roughness (Ra) is 3 nm or more and 10 nm. The following are acrylonitrile precursor fiber bundles for carbon fibers. 単繊維の繊維軸方向に延びる表面凹凸構造が無い請求項3に記載の炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束。   The acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fibers according to claim 3, which has no surface uneven structure extending in the fiber axis direction of single fibers. 前記シリコーン化合物が、以下の条件(1)及び(2)を満たすアミノ変性シリコーン化合物である請求項3または4に記載の炭素繊維用アクリロニトリル前駆体繊維束:
(1)25℃における動粘度が50cst以上5000cst以下、
(2)アミノ当量が1700g/mol以上15000g/mol以下。
The acrylonitrile precursor fiber bundle for carbon fibers according to claim 3 or 4, wherein the silicone compound is an amino-modified silicone compound that satisfies the following conditions (1) and (2):
(1) Kinematic viscosity at 25 ° C. is 50 cst or more and 5000 cst or less,
(2) An amino equivalent is 1700 g / mol or more and 15000 g / mol or less.
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