JP2016210925A - Raw material pitch for producing carbon fiber - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a raw material pitch for producing a carbon fiber, enabling the carbon fiber excellent in tensile strength to be produced relatively inexpensively .SOLUTION: The raw material pitch for producing a carbon fiber of the present invention is a pitch which is obtained from coal and is used for producing a carbon fiber by melt spinning and has a content percentage of oxygen of 1.0 mass% or more and a content percentage of toluene soluble component of 20 mass% or more. The coal is preferably bituminous coal or sub-bituminous coal. The raw material pitch for producing a carbon fiber is preferably one obtained by heat treatment of a soluble component at a temperature of 150°C or more, the soluble component being separated from a thermal decomposition of coal in a solvent by a solvent extraction treatment at a temperature less than 300°C.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、炭素繊維製造用原料ピッチに関する。   The present invention relates to a raw material pitch for producing carbon fibers.

炭素繊維は、例えば樹脂、コンクリート、セラミック等の構造材料のための強化材として広く利用されている。また、他にも炭素繊維は、例えば断熱材、活性炭原料、導電材料、伝熱材料等としても利用される。   Carbon fiber is widely used as a reinforcing material for structural materials such as resin, concrete, and ceramic. In addition, carbon fiber is also used as, for example, a heat insulating material, activated carbon raw material, conductive material, heat transfer material, and the like.

炭素繊維は、一般に、ポリアクリロニトリル等の合成樹脂や、石油又は石炭から得られるピッチを紡糸により繊維状に成形し、この糸を不融化(空気酸化)及び炭素化することにより製造される。上記原料のうち、石炭ピッチは、石炭を乾留してコークスを製造する際に副生する液状物質であるコールタールから蒸留によりナフタレン等の揮発性の成分を取り出した後の残渣であり、粘稠な黒色物質である。このような石炭ピッチは、ベンゼン環をその骨格に多数含んだ芳香族化合物を多く含む多数の化合物の混合物である。   The carbon fiber is generally produced by forming a synthetic resin such as polyacrylonitrile or a pitch obtained from petroleum or coal into a fiber shape by spinning, and making the yarn infusible (air oxidation) and carbonized. Among the above raw materials, coal pitch is a residue after removing volatile components such as naphthalene by distillation from coal tar, which is a liquid material by-produced when carbon is produced by carbonization to produce coke. Black material. Such a coal pitch is a mixture of many compounds containing many aromatic compounds containing many benzene rings in their skeletons.

より詳しく説明すると、石炭ピッチは、コークス製造時に1000℃程度まで加熱されるため、環縮合度の高い多環芳香族化合物が主成分であり、例えばメチル基、エチル基、プロピル基等のアルキル側鎖や、例えばエーテル結合、フェノール基等の酸素を含有する構造の含有率が極めて小さい。これらの構造の含有率の指標としては、酸素含有率を用いることができるが、石炭ピッチの酸素含有率は、一般的には1質量%以下、多くの場合には0.5質量%以下である。   More specifically, since the coal pitch is heated to about 1000 ° C. during coke production, the main component is a polycyclic aromatic compound having a high degree of ring condensation, such as a methyl group, an ethyl group, or a propyl group. The content of chains and oxygen-containing structures such as ether bonds and phenol groups is extremely small. Although the oxygen content can be used as an index of the content of these structures, the oxygen content of the coal pitch is generally 1% by mass or less, and in many cases 0.5% by mass or less. is there.

このような石炭ピッチは、100℃から200℃程度に加熱すると、溶融して粘稠な液体となるので、これをノズルから押し出すことにより紡糸することができる。しかしながら、上述のように、石炭ピッチは、コークス製造時の副生成物であって、残渣として回収されるものであるため、例えば金属不純物や固形炭素分等の紡糸並びにその後の不融化及び炭素化を阻害する様々な成分を含んでいる。このため、石炭ピッチから安定して効率よく炭素繊維を製造することは難しい。また、これらの不純物は、製造される炭素繊維の欠陥の原因となり得るため、得られる炭素繊維の引張強さを低下させる。   Such a coal pitch melts and becomes a viscous liquid when heated from about 100 ° C. to about 200 ° C., and can be spun by extruding it from a nozzle. However, as described above, coal pitch is a by-product during coke production and is recovered as a residue. For example, spinning of metal impurities and solid carbon, and subsequent infusibilization and carbonization are performed. It contains various ingredients that inhibit it. For this reason, it is difficult to produce carbon fiber stably and efficiently from coal pitch. Moreover, since these impurities can cause the defect of the carbon fiber manufactured, the tensile strength of the carbon fiber obtained is reduced.

また、炭素繊維の製造に用いる原料ピッチは、紡糸時に一定の温度で均一に溶融することが好ましい。また、原料ピッチの軟化点としては、原料ピッチを紡糸した繊維の形状固定のための不融化処理の温度を上げて効率化できるよう150℃以上が好ましく、かつ紡糸時に熱分解反応が起こらない温度で紡糸できるよう350℃以下が好ましい。   Moreover, it is preferable that the raw material pitch used for manufacture of carbon fiber melts uniformly at a constant temperature during spinning. Further, the softening point of the raw material pitch is preferably 150 ° C. or higher so that the temperature of the infusibilization treatment for fixing the shape of the fiber on which the raw material pitch is spun can be increased, and the temperature at which no thermal decomposition reaction occurs during spinning. 350 ° C. or lower is preferable so that spinning can be performed at

これらの要求を満たすため、石炭の溶剤抽出処理により得られたピッチに対して例えば成分の調整、不純物の除去等の処理を行って石炭ピッチを改質することが提案されている(例えば特公平7−15099号公報参照)。   In order to satisfy these requirements, it has been proposed to modify the pitch of the coal obtained by, for example, adjusting the components and removing impurities from the pitch obtained by the solvent extraction treatment of the coal (for example, Tokuhei) No. 7-15099).

しかしながら、上記のような石炭ピッチの改質処理は、炭素繊維の製造コストを押し上げる要因となる。   However, the coal pitch reforming process as described above is a factor that increases the production cost of carbon fibers.

特公平7−15099号公報Japanese Patent Publication No. 7-15099

上記不都合に鑑みて、本発明は、比較的安価に引張強さに優れる炭素繊維を製造できる炭素繊維製造用原料ピッチを提供することを課題とする。   In view of the above disadvantages, an object of the present invention is to provide a raw material pitch for producing carbon fibers that can produce carbon fibers having excellent tensile strength at a relatively low cost.

上記課題を解決するためになされた発明は、石炭から得られ、溶融紡糸により炭素繊維を製造するためのピッチであって、酸素の含有率が1.0質量%以上、かつトルエン可溶分の含有率が20質量%以上であることを特徴とする炭素繊維製造用原料ピッチである。   The invention made to solve the above-mentioned problems is a pitch for producing carbon fiber obtained from coal and melt-spun, and has an oxygen content of 1.0% by mass or more and a toluene-soluble component. It is a raw material pitch for carbon fiber production characterized by having a content of 20% by mass or more.

当該炭素繊維製造用原料ピッチは、酸素の含有率が1.0質量%以上であることによって、炭素化工程で、酸素が分子間に架橋を形成する。このため、当該炭素繊維製造用原料ピッチは、芳香環の積層形成を阻害して、結晶の発達を抑制することができる。これにより、炭素繊維に応力が作用したときの微結晶間への応力集中を緩和することができるので、得られる炭素繊維の引張強さが向上する。また、当該炭素繊維製造用原料ピッチは、比較的分子量の小さい化合物から構成されるトルエン可溶分の含有率が20質量%以上であることによって、溶融紡糸工程での溶融性や紡糸性に優れる。従って、当該炭素繊維製造用原料ピッチを用いることで、比較的安価に引張強さに優れる炭素繊維を製造できる。   The carbon fiber production raw material pitch has an oxygen content of 1.0% by mass or more, so that oxygen forms crosslinks between molecules in the carbonization step. For this reason, the said raw material pitch for carbon fiber manufacture can inhibit the lamination | stacking formation of an aromatic ring, and can suppress the development of a crystal | crystallization. Thereby, since stress concentration between the microcrystals when stress acts on the carbon fiber can be relaxed, the tensile strength of the obtained carbon fiber is improved. The carbon fiber raw material pitch is excellent in meltability and spinnability in the melt spinning process because the content of toluene-soluble component composed of a compound having a relatively small molecular weight is 20% by mass or more. . Therefore, by using the raw material pitch for producing carbon fibers, carbon fibers having excellent tensile strength can be produced at a relatively low cost.

上記石炭が瀝青炭又は亜瀝青炭であるとよい。このように、上記石炭が瀝青炭又は亜瀝青炭であることによって、当該炭素繊維製造用原料ピッチの収率が比較的高くなるので、結果として、当該炭素繊維製造用原料ピッチ、ひいては炭素繊維を比較的安価に製造することができる。   The coal may be bituminous coal or subbituminous coal. Thus, since the above-mentioned coal is bituminous coal or subbituminous coal, the yield of the raw material pitch for carbon fiber production becomes relatively high. As a result, the raw material pitch for carbon fiber production, and consequently the carbon fiber, It can be manufactured at low cost.

当該炭素繊維製造用原料ピッチは、石炭の溶剤中での熱分解物から300℃未満の温度での溶剤抽出処理により分離した可溶成分を150℃以上の温度で熱処理したものであるとよい。このように、炭素繊維製造用原料ピッチが、石炭の溶剤中での熱分解物から300℃未満の温度での溶剤抽出処理により分離した可溶成分を150℃以上の温度で熱処理したものであることによって、酸素の含有率及びトルエン可溶分の含有率を容易かつ確実に上記範囲内とすることできる。この結果、当該炭素繊維製造用原料ピッチ、ひいては引張強さに優れる炭素繊維を比較的安価に製造することができる。   The carbon fiber-producing raw material pitch may be obtained by heat-treating a soluble component separated from a thermal decomposition product in a coal solvent by a solvent extraction process at a temperature of less than 300 ° C. at a temperature of 150 ° C. or more. As described above, the raw material pitch for carbon fiber production is obtained by heat-treating a soluble component separated from a thermal decomposition product in a solvent of coal by a solvent extraction treatment at a temperature of less than 300 ° C. at a temperature of 150 ° C. or more. Thus, the oxygen content and the toluene soluble content can be easily and reliably within the above ranges. As a result, the carbon fiber production raw material pitch, and hence the carbon fiber excellent in tensile strength, can be produced at a relatively low cost.

ここで、「酸素の含有率」とは、酸素分子だけでなく他の原子と結合している原子を含む酸素原子の含有率を意味し、具体的にはJIS−M8813(2004)に準拠して測定される値を意味する。また、「トルエン可溶分の含有率」とは、JIS−K2207(1996)に準拠して測定される値である。また、「歴青炭」及び「亜歴青炭」とは、JIS−M1002(1978)に規定される炭質を有する石炭をいう。   Here, the “content ratio of oxygen” means the content ratio of oxygen atoms including not only oxygen molecules but also atoms bonded to other atoms, and specifically conforms to JIS-M8813 (2004). Means the measured value. The “content of toluene-soluble content” is a value measured according to JIS-K2207 (1996). Further, “bituminous coal” and “subbituminous coal” refer to coal having a coal quality defined in JIS-M1002 (1978).

以上のように、本発明の炭素繊維製造用原料ピッチを使用することで、安価に炭素繊維を製造できる。   As described above, carbon fiber can be produced at low cost by using the raw material pitch for producing carbon fiber of the present invention.

本発明の一実施形態の炭素繊維製造用原料ピッチの製造方法の手順を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the procedure of the manufacturing method of the raw material pitch for carbon fiber manufacture of one Embodiment of this invention.

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.

[炭素繊維製造用原料ピッチ]
本発明の一実施形態に係る炭素繊維製造用原料ピッチは、石炭から得られ、溶融紡糸により炭素繊維を製造するための原料ピッチである。
[Raw material pitch for carbon fiber production]
The raw material pitch for producing carbon fibers according to an embodiment of the present invention is a raw material pitch obtained from coal and for producing carbon fibers by melt spinning.

当該炭素繊維製造用原料ピッチは、石炭の溶剤中での熱分解物から得られるものであることが好ましい。石炭は、比較的高温で処理されている石炭タールや石油製造残渣に比べて、アルキル側鎖等の酸素を含有する構造を多く含み、かつトルエン可溶分を多く含む。このため、石炭の溶剤中での熱分解物から得られる当該炭素繊維製造用原料ピッチは、以下に説明するような特徴を備えることができる。   It is preferable that the said raw material pitch for carbon fiber manufacture is a thing obtained from the thermal decomposition thing in the solvent of coal. Coal contains more oxygen-containing structures such as alkyl side chains and more toluene-soluble matter than coal tar and petroleum production residues processed at relatively high temperatures. For this reason, the said raw material pitch for carbon fiber manufacture obtained from the thermal decomposition thing in the solvent of coal can be equipped with the characteristic which is demonstrated below.

当該炭素繊維製造用原料ピッチにおける酸素の含有率の下限としては、1.0質量%であり、1.5質量%が好ましく、1.7質量%がより好ましい。一方、酸素の含有率の上限としては、5.0質量%が好ましく、4.0質量%がより好ましく、3.0質量%がさらに好ましい。酸素の含有率が上記下限に満たない場合、炭素化時の結晶発達を十分に抑制することができず、得られる炭素繊維が応力集中により破断し易くなるおそれがある。逆に、酸素の含有率が上記上限を超える場合、炭素化時の質量減少率が大きく、炭素繊維の収率が低下することにより炭素繊維の製造コストが上昇するおそれがある。   As a minimum of the content rate of oxygen in the raw material pitch for carbon fiber manufacture, it is 1.0 mass%, 1.5 mass% is preferred, and 1.7 mass% is more preferred. On the other hand, the upper limit of the oxygen content is preferably 5.0% by mass, more preferably 4.0% by mass, and even more preferably 3.0% by mass. When the oxygen content is less than the above lower limit, crystal growth during carbonization cannot be sufficiently suppressed, and the resulting carbon fiber may be easily broken by stress concentration. Conversely, if the oxygen content exceeds the above upper limit, the mass reduction rate during carbonization is large, and the carbon fiber production cost may increase due to a decrease in the yield of carbon fibers.

当該炭素繊維製造用原料ピッチにおけるトルエン可溶分の含有率の下限としては、20質量%であり、30質量%が好ましく、35質量%がより好ましい。一方、トルエン可溶分の含有率の上限としては、80質量%が好ましく、60質量%がより好ましく、50質量%がさらに好ましい。トルエン可溶分の含有率が上記下限に満たない場合、溶融紡糸時の溶融性や紡糸性が不十分となるおそれがある。逆に、トルエン可溶分の含有率が上記上限を超える場合、炭素繊維の収率が低下することにより炭素繊維の製造コストが上昇するおそれがある。   The lower limit of the content of toluene-soluble components in the raw material pitch for producing carbon fibers is 20% by mass, preferably 30% by mass, and more preferably 35% by mass. On the other hand, as an upper limit of the content rate of toluene soluble part, 80 mass% is preferable, 60 mass% is more preferable, and 50 mass% is further more preferable. When the content of toluene-soluble components is less than the lower limit, the meltability and spinnability during melt spinning may be insufficient. On the other hand, when the content of the toluene-soluble component exceeds the above upper limit, the carbon fiber production cost may increase due to a decrease in the yield of the carbon fiber.

当該炭素繊維製造用原料ピッチの原料とされる石炭としては、石炭化度が高い順に、無煙炭、瀝青炭、亜瀝青炭、褐炭等が挙げられ、中でも中程度の石炭化度を有する瀝青炭又は亜瀝青炭が好ましい。瀝青炭及び亜瀝青炭は、トルエン可溶分の含有率が比較的高く、適度な酸素含有率を有するため、瀝青炭及び亜瀝青炭を原料石炭とすることによって、酸素含有率及びトルエン可溶分含有率を上記範囲内とした当該炭素繊維製造用原料ピッチの収率を大きくすることができる。なお、石炭化度が亜瀝青炭よりも低い褐炭は、酸素含有率が大きすぎて原料ピッチからの炭素繊維の収率が低くなるという欠点がある。また、石炭化度が瀝青炭よりも高い無煙炭は、酸素含有率及びトルエン可溶分含有率が小さいため原料ピッチの溶融紡糸が容易でなくなるという欠点がある。   Examples of the coal used as the raw material pitch for carbon fiber production include anthracite coal, bituminous coal, subbituminous coal, lignite, etc., in descending order of coalification degree. preferable. Bituminous coal and sub-bituminous coal have a relatively high content of toluene-soluble components and have an appropriate oxygen content. Therefore, by using bituminous coal and sub-bituminous coal as raw material coal, The yield of the raw material pitch for producing carbon fibers within the above range can be increased. In addition, the brown coal whose coalification degree is lower than subbituminous coal has the fault that the yield of carbon fiber from a raw material pitch becomes low because oxygen content rate is too large. In addition, anthracite coal having a degree of coalification higher than that of bituminous coal has a drawback that it becomes difficult to melt-spin the raw material pitch because the oxygen content and the toluene soluble content are small.

[炭素繊維製造用原料ピッチの製造方法]
続いて、当該炭素繊維製造用原料ピッチの製造方法について説明する。
[Production method of raw material pitch for carbon fiber production]
Then, the manufacturing method of the said raw material pitch for carbon fiber manufacture is demonstrated.

当該炭素繊維製造用原料ピッチは、図1に示す製造方法によって製造することができる。図1炭素繊維製造用原料ピッチの製造方法は、石炭の溶剤中での熱分解及び抽出処理により石炭の熱分解物である無灰炭を形成する工程(熱分解物形成工程:ステップS1)と、この熱分解物形成工程で得られた無灰炭を低温溶剤抽出処理により可溶成分及び不溶成分に分離する工程(分離工程:ステップS2)と、この分離工程で得られた可溶成分を熱処理する工程(熱処理工程:ステップS3)とを備える。   The raw material pitch for producing carbon fiber can be produced by the production method shown in FIG. Fig. 1 A method for producing a raw material pitch for carbon fiber production includes a step of forming ashless coal which is a pyrolyzate of coal by pyrolysis and extraction in a solvent of coal (pyrolysate formation step: step S1); The step of separating the ashless coal obtained in this pyrolyzate formation step into a soluble component and an insoluble component by a low-temperature solvent extraction process (separation step: step S2), and the soluble component obtained in this separation step A heat treatment step (heat treatment step: step S3).

<熱分解物形成工程>
ステップS1の熱分解物形成工程では、原料石炭と溶剤とを混合したスラリーを、原料石炭の熱分解温度以上に加熱して、熱分解した原料石炭の可溶成分を溶剤に抽出し、この熱分解温度における不溶成分を分離することによって無灰炭を得る。なお、「無灰炭」とは、石炭を改質した改質炭であり、灰分含有量が5%以下、好ましくは3%以下、より好ましくは1%以下であるものをいう。なお、「灰分」とは、JIS−M8812(2004)に準拠して測定される値を意味する。
<Thermal decomposition product formation process>
In the pyrolysate forming step of step S1, the slurry obtained by mixing the raw coal and the solvent is heated to a temperature equal to or higher than the thermal decomposition temperature of the raw coal, and the soluble component of the pyrolyzed raw coal is extracted into the solvent. Ashless coal is obtained by separating insoluble components at the decomposition temperature. The “ashless coal” is a modified coal obtained by reforming coal and has an ash content of 5% or less, preferably 3% or less, more preferably 1% or less. In addition, "ash content" means the value measured based on JIS-M8812 (2004).

上記溶剤としては、原料石炭を溶解する性質を有するものであれば特に限定されず、例えばベンゼン、トルエン、キシレン等の単環芳香族化合物、ナフタレン、メチルナフタレン、ジメチルナフタレン、トリメチルナフタレン等の2環芳香族化合物、アントラセン等の3環芳香族化合物などを用いることができる。なお、上記2環芳香族化合物には、脂肪族鎖を有するナフタレン類や長鎖脂肪族鎖を有するビフェニル類が含まれる。   The solvent is not particularly limited as long as it has a property of dissolving the raw material coal. For example, monocyclic aromatic compounds such as benzene, toluene and xylene, bicyclic rings such as naphthalene, methylnaphthalene, dimethylnaphthalene and trimethylnaphthalene. Aromatic compounds, tricyclic aromatic compounds such as anthracene, and the like can be used. The bicyclic aromatic compound includes naphthalene having an aliphatic chain and biphenyl having a long aliphatic chain.

上記溶剤の中でも、石炭乾留生成物から精製した石炭誘導体である2環乃至3環芳香族化合物が好ましい。石炭誘導体の2環芳香族化合物は、加熱状態でも安定しており、石炭との親和性に優れている。そのため、溶剤としてこのような2環芳香族化合物を用いることで、溶剤に抽出される石炭成分の割合を高めることができると共に、蒸留等の方法で容易に溶剤を回収し循環使用することができる。   Among the above solvents, a bicyclic to tricyclic aromatic compound which is a coal derivative purified from a coal carbonization product is preferable. The bicyclic aromatic compound of the coal derivative is stable even in a heated state and has an excellent affinity with coal. Therefore, by using such a bicyclic aromatic compound as a solvent, the ratio of coal components extracted into the solvent can be increased, and the solvent can be easily recovered and reused by a method such as distillation. .

スラリーの加熱温度(熱分解抽出温度)の下限としては、300℃が好ましく、350℃がより好ましく、380℃がさらに好ましい。一方、スラリーの加熱温度の上限としては、450℃が好ましく、420℃がより好ましい。スラリーの加熱温度が上記下限に満たない場合、石炭を構成する分子間の結合を十分に弱めることができないため、例えば原料石炭として低品位炭を使用した場合に、抽出される無灰炭の再固化温度を高めることができないおそれや、収率が低く不経済となるおそれがある。逆に、スラリーの加熱温度が上記上限を超える場合、石炭の熱分解反応が非常に活発になるため、無灰炭の酸素含有率が不十分となるおそれや、生成した熱分解ラジカルの再結合が起こることで無灰炭の抽出率が低下するおそれがある。   As a minimum of heating temperature (pyrolysis extraction temperature) of a slurry, 300 ° C is preferred, 350 ° C is more preferred, and 380 ° C is still more preferred. On the other hand, the upper limit of the heating temperature of the slurry is preferably 450 ° C, more preferably 420 ° C. If the heating temperature of the slurry is less than the above lower limit, the bonds between the molecules constituting the coal cannot be sufficiently weakened. For example, when low grade coal is used as the raw coal, There is a possibility that the solidification temperature cannot be increased, and the yield may be low and uneconomical. On the contrary, when the heating temperature of the slurry exceeds the above upper limit, the pyrolysis reaction of coal becomes very active, so that the oxygen content of ashless coal may become insufficient, and recombination of generated pyrolysis radicals As a result, the extraction rate of ashless coal may be reduced.

熱分解物形成工程での石炭からの抽出率(無灰炭の収率)としては、原料となる石炭の品質にもよるが、瀝青炭又は亜瀝青炭の場合には例えば20質量%以上60質量%以下とされる。   The extraction rate from coal in the pyrolysate formation step (the yield of ashless coal) depends on the quality of the coal used as a raw material, but in the case of bituminous coal or sub-bituminous coal, for example, 20% by mass to 60% by mass It is as follows.

<分離工程>
ステップS2の分離工程では、上記ステップS1の熱分解物形成工程において得られた無灰炭を低温溶剤抽出処理に供することにより、低温で溶剤抽出される比較的低分子量の可溶成分と溶剤抽出されない比較的高分子量の不溶成分とに分離する。これにより、溶融紡糸可能な可溶成分が得られる。
<Separation process>
In the separation step of Step S2, the ashless coal obtained in the pyrolyzate formation step of Step S1 is subjected to a low temperature solvent extraction treatment, whereby a relatively low molecular weight soluble component and a solvent extraction are extracted at low temperature. Separated into relatively high molecular weight insoluble components that are not. Thereby, the soluble component which can be melt-spun is obtained.

より詳しくは、粉砕した無灰炭を溶剤中に分散したスラリーを調製し、このスラリーを所定の温度範囲内で一定時間保持してから、スラリー中の固形分つまり不溶成分と、液体分つまり可溶成分が溶出した溶剤とを分離する。   More specifically, a slurry in which pulverized ashless coal is dispersed in a solvent is prepared, and this slurry is held within a predetermined temperature range for a certain period of time. Separate the solvent from which the dissolved components have been eluted.

溶剤に分散する無灰炭の平均粒径の下限としては、50μmが好ましく、100μmがより好ましい。一方、溶剤に分散する無灰炭の平均粒径の上限としては、3mmが好ましく、1mmがより好ましい。溶剤に分散する無灰炭の平均粒径が上記下限に満たない場合、抽出した可溶成分を含む液体と、不溶成分である固形分とを分離することが困難となるおそれがある。逆に、溶剤に分散する無灰炭の平均粒径が上記上限を超える場合、可溶成分の抽出効率が低下するおそれがある。なお、「平均粒径」とは、レーザー回折散乱法によって測定される粒度分布において体積積算値50%となる粒径を意味する。   The lower limit of the average particle size of the ashless coal dispersed in the solvent is preferably 50 μm, and more preferably 100 μm. On the other hand, the upper limit of the average particle size of the ashless coal dispersed in the solvent is preferably 3 mm, and more preferably 1 mm. When the average particle diameter of the ashless coal dispersed in the solvent is less than the above lower limit, it may be difficult to separate the liquid containing the extracted soluble component from the solid component that is an insoluble component. On the other hand, when the average particle size of ashless coal dispersed in the solvent exceeds the above upper limit, the extraction efficiency of soluble components may be reduced. The “average particle size” means a particle size at which the volume integrated value is 50% in the particle size distribution measured by the laser diffraction scattering method.

上記スラリーの溶剤に対する無灰炭の混合率の下限としては、3質量%が好ましく、5質量%がより好ましい。一方、溶剤に対する無灰炭の混合率の上限としては、40質量%が好ましく、30質量%がより好ましい。溶剤に対する無灰炭の混合率が上記下限に満たない場合、製造効率が低く、不経済となるおそれがある。逆に、溶剤に対する無灰炭の混合率が上記上限を超える場合、スラリーの取り扱いや不溶成分の分離が困難となるおそれがある。   The lower limit of the mixing ratio of ashless coal with respect to the solvent of the slurry is preferably 3% by mass, and more preferably 5% by mass. On the other hand, the upper limit of the mixing ratio of ashless coal to the solvent is preferably 40% by mass, and more preferably 30% by mass. If the mixing ratio of ashless coal to the solvent is less than the above lower limit, the production efficiency is low, which may be uneconomical. Conversely, when the mixing ratio of ashless coal with respect to the solvent exceeds the above upper limit, handling of the slurry and separation of insoluble components may be difficult.

可溶成分が溶出した溶剤と不溶成分との分離方法としては、特に限定されず、濾過法、遠心分離法、重力沈降法等の公知の分離方法、あるいはこれらのうちの2法の組合せを採用できる。これらの中でも、流体の連続操作が可能であり、低コストで大量の処理にも適しており、かつ不溶成分を確実に除去できる遠心分離法と濾過法との組合せが好ましい。   There is no particular limitation on the method for separating the solvent from which soluble components are eluted and the insoluble components, and a known separation method such as a filtration method, a centrifugal separation method, a gravity sedimentation method, or a combination of these two methods is employed. it can. Among these, a combination of a centrifugal separation method and a filtration method that can continuously operate a fluid, is suitable for a large amount of processing at low cost, and can reliably remove insoluble components is preferable.

このようにして不溶成分を分離した液体(上澄み液)から溶剤を除去することで、無灰炭の可溶成分が分離回収され、固形分濃縮液から溶剤を除去することで、無灰炭の不溶成分が分離回収される。上記上澄み液及び固形分濃縮液から溶剤を除去する方法としては、特に限定されず、一般的な蒸留法や蒸発法等を用いることができる。特に不溶成分からの溶剤の除去は、溶剤を回収して再利用するために蒸留によることが好ましい。   By removing the solvent from the liquid (supernatant liquid) from which the insoluble components have been separated in this way, the soluble components of ashless coal are separated and recovered, and by removing the solvent from the solids concentrate, Insoluble components are separated and recovered. It does not specifically limit as a method of removing a solvent from the said supernatant liquid and solid concentration liquid, A general distillation method, an evaporation method, etc. can be used. In particular, the removal of the solvent from the insoluble component is preferably performed by distillation in order to recover and reuse the solvent.

上記分離工程で用いる溶剤としては、無灰炭の低分子量成分を溶出できるものであればよく、上記熱分解物形成工程に使用する溶剤と同様のものを使用することができる。分離工程用の溶剤としては、中でも低い温度、好ましくは常温で十分な抽出率が得られる溶剤が好ましく、そのような好ましい溶剤としては、例えばピリジン、メチルナフタレン、テトラヒドロフラン、アントラセン等が挙げられる。   The solvent used in the separation step may be any solvent that can elute low molecular weight components of ashless coal, and the same solvents as those used in the thermal decomposition product forming step can be used. As the solvent for the separation step, a solvent capable of obtaining a sufficient extraction rate at a low temperature, preferably room temperature is preferable, and examples of such a preferable solvent include pyridine, methylnaphthalene, tetrahydrofuran, anthracene and the like.

分離工程での溶剤抽出処理温度は、溶剤の種類により最適な温度が異なる。しかしながら、一般的に、溶剤抽出処理温度しては、300℃未満が好ましく、200℃以下がより好ましく、150℃以下がさらに好ましい。一方、溶剤抽出処理温度の下限としては、特に限定されないが、常温、例えば20℃が好ましい。溶剤抽出処理温度が上記上限を超える場合、抽出される可溶成分の分子量が大きくなることにより軟化温度が高くなり過ぎ、溶融紡糸時に紡糸効率が低下するおそれがある。逆に、溶剤抽出処理温度が上記下限に満たない場合、冷却が必要となり、不必要にコストが上昇するおそれがある。   The solvent extraction processing temperature in the separation process varies depending on the type of solvent. However, generally, the solvent extraction treatment temperature is preferably less than 300 ° C, more preferably 200 ° C or less, and further preferably 150 ° C or less. On the other hand, the lower limit of the solvent extraction treatment temperature is not particularly limited, but normal temperature, for example, 20 ° C. is preferable. When the solvent extraction treatment temperature exceeds the above upper limit, the molecular weight of the soluble component to be extracted increases, so that the softening temperature becomes too high, and the spinning efficiency may be lowered during melt spinning. Conversely, when the solvent extraction treatment temperature is less than the above lower limit, cooling is required, and the cost may increase unnecessarily.

分離工程での抽出時間、つまり上記溶剤抽出処理温度で保持される時間の下限としては、10分が好ましく、15分がより好ましい。一方、抽出時間の上限としては、120分が好ましく、90分がより好ましい。抽出時間が上記下限に満たない場合、無灰炭の低分子量成分を十分に溶出させられないおそれがある。逆に、抽出時間が上記上限を超える場合、製造コストが不必要に増大するおそれがある。   The lower limit of the extraction time in the separation step, that is, the time maintained at the solvent extraction treatment temperature is preferably 10 minutes, and more preferably 15 minutes. On the other hand, the upper limit of the extraction time is preferably 120 minutes, more preferably 90 minutes. When extraction time is less than the said minimum, there exists a possibility that the low molecular weight component of ashless coal may not fully be eluted. Conversely, when the extraction time exceeds the above upper limit, the manufacturing cost may increase unnecessarily.

分離工程での無灰炭からの可溶成分の抽出率の下限としては、10質量%が好ましく、20質量%がより好ましく、30質量%がさらに好ましい。一方、無灰炭からの可溶成分の抽出率の上限としては、90質量%が好ましく、70質量%がより好ましく、50質量%がさらに好ましい。分離工程での無灰炭からの可溶成分の抽出率が上記下限に満たない場合、歩留まりが低く、当該炭素繊維製造用原料ピッチの製造コストが増加するおそれがある。逆に、分離工程での無灰炭からの可溶成分の抽出率が上記上限を超える場合、可溶成分の軟化温度が高くなり、紡糸効率が低下するおそれがある。   As a minimum of the extraction rate of the soluble component from ashless coal in a separation process, 10 mass% is preferred, 20 mass% is more preferred, and 30 mass% is still more preferred. On the other hand, as an upper limit of the extraction rate of the soluble component from ashless coal, 90 mass% is preferable, 70 mass% is more preferable, and 50 mass% is further more preferable. When the extraction rate of soluble components from ashless coal in the separation step is less than the lower limit, the yield is low, and the production cost of the raw material pitch for producing carbon fibers may increase. On the contrary, when the extraction rate of the soluble component from the ashless coal in the separation step exceeds the upper limit, the softening temperature of the soluble component is increased, and the spinning efficiency may be decreased.

<熱処理工程>
ステップS3の熱処理工程では、ステップS2の分離工程で得られた可溶成分を加熱して低分子量成分を揮発させると共に、低温で熱分解する成分を予め分解して除去することにより、当該炭素繊維製造用原料ピッチを得る。このように、溶融紡糸を阻害することがある揮発性成分及び分解性成分を予め除去することによって、当該炭素繊維製造用原料ピッチは、溶融紡糸が容易となり、比較的安価に引張強さに優れる炭素繊維を製造可能にする。
<Heat treatment process>
In the heat treatment step of step S3, the soluble component obtained in the separation step of step S2 is heated to volatilize the low molecular weight component, and the carbon fiber is decomposed and removed in advance at a low temperature. A raw material pitch for production is obtained. Thus, by previously removing volatile components and decomposable components that may hinder melt spinning, the raw material pitch for producing carbon fibers can be easily melt-spun and has excellent tensile strength at a relatively low cost. Carbon fiber can be manufactured.

上記熱処理は、非酸化性ガス雰囲気中で加熱することが好ましい。このように、非酸化性ガス雰囲気中で加熱して酸化架橋を防止することで、軟化温度の上昇等の不都合を防止できる。上記非酸化性ガスとしては、ピッチの酸化を抑制できるものであれば特に限定されないが、経済的観点から窒素ガスがより好ましい。   The heat treatment is preferably performed in a non-oxidizing gas atmosphere. Thus, by heating in a non-oxidizing gas atmosphere to prevent oxidative crosslinking, inconveniences such as an increase in softening temperature can be prevented. The non-oxidizing gas is not particularly limited as long as the oxidation of pitch can be suppressed, but nitrogen gas is more preferable from the economical viewpoint.

また、上記熱処理は、減圧状態で行うことが好ましい。このように減圧状態で熱処理することによって、揮発性成分の蒸気及び熱分解物のガスをピッチから効率よく除去することができる。   The heat treatment is preferably performed in a reduced pressure state. Thus, by heat-processing in a pressure-reduced state, the vapor | steam of a volatile component and the gas of a thermal decomposition product can be efficiently removed from pitch.

上記熱処理工程での熱処理温度の下限としては、150℃が好ましく、170℃がより好ましく、200℃がさらに好ましい。一方、上記熱処理温度の上限としては、350℃が好ましく、320℃がより好ましく、280℃がさらに好ましい。上記熱処理温度が上記下限に満たない場合、不溶成分中の揮発性成分を十分に除去することができず、当該炭素繊維製造用原料ピッチの曳糸性が不十分となり、紡糸効率が低下するおそれがある。逆に、上記熱処理温度が上記上限を超える場合、不必要にエネルギーコストが増大するおそれや、有用な成分が熱分解されて炭素繊維の製造効率が低下するおそれや、さらに炭素化が進んで紡糸性が低下するおそれがある。   As a minimum of heat processing temperature in the above-mentioned heat processing process, 150 ° C is preferred, 170 ° C is more preferred, and 200 ° C is still more preferred. On the other hand, the upper limit of the heat treatment temperature is preferably 350 ° C, more preferably 320 ° C, and even more preferably 280 ° C. When the heat treatment temperature is less than the lower limit, volatile components in the insoluble component cannot be sufficiently removed, and the spinnability of the carbon fiber production raw material pitch becomes insufficient, and the spinning efficiency may decrease. There is. Conversely, if the heat treatment temperature exceeds the upper limit, the energy cost may increase unnecessarily, the useful components may be thermally decomposed and the production efficiency of the carbon fiber may decrease, and the carbonization may proceed and spinning. May decrease.

また、熱処理工程での熱処理温度は、ステップS2の分離工程における溶剤抽出処理温度よりも高いことが好ましい。このように、熱処理温度が溶剤抽出処理温度よりも高いことによって、沸点が溶剤抽出処理温度よりも高い揮発性成分をピッチから除去することができる。これにより、紡糸時に当該炭素繊維製造用原料ピッチから揮発性成分が抜け出ることによって、気孔が形成されることや糸状体が断線することを防止できる。   Moreover, it is preferable that the heat processing temperature in a heat processing process is higher than the solvent extraction processing temperature in the isolation | separation process of step S2. Thus, when the heat treatment temperature is higher than the solvent extraction treatment temperature, volatile components having a boiling point higher than the solvent extraction treatment temperature can be removed from the pitch. Thereby, it can prevent that a void | hole is formed or a filament breaks because a volatile component escapes from the said raw material pitch for carbon fiber manufacture at the time of spinning.

また、熱処理工程での熱処理温度は、溶融紡糸温度よりも高いことがより好ましい。このように、熱処理温度が溶融紡糸温度よりも高いことによって、溶融紡糸時に熱分解し得る成分をこの熱処理工程において予め熱分解して除去することができる。これにより、紡糸時に生成される熱分解物がピッチを紡糸した糸状体を断線することや、これらの熱分解物が最終的に得られる炭素繊維中に欠陥を形成することを防止できる。   The heat treatment temperature in the heat treatment step is more preferably higher than the melt spinning temperature. In this way, when the heat treatment temperature is higher than the melt spinning temperature, components that can be thermally decomposed during melt spinning can be previously thermally decomposed and removed in this heat treatment step. As a result, it is possible to prevent the pyrolyzate generated during spinning from breaking the filaments obtained by spinning the pitch, and the formation of defects in the carbon fiber from which these pyrolysates are finally obtained.

上記熱処理工程での熱処理時間(上記熱処理温度に保持される時間)の下限としては、10分が好ましく、15分がより好ましい。一方、上記熱処理工程での熱処理時間の上限としては、120分が好ましく、90分がより好ましい。上記熱処理工程での熱処理時間が上記下限に満たない場合、低分子量成分を十分に除去できないおそれがある。逆に、上記熱処理工程での熱処理時間が上記上限を超える場合、不必要に処理コストが増大するおそれがある。   As a minimum of the heat processing time in the said heat processing process (time hold | maintained at the said heat processing temperature), 10 minutes are preferable and 15 minutes are more preferable. On the other hand, the upper limit of the heat treatment time in the heat treatment step is preferably 120 minutes, more preferably 90 minutes. When the heat treatment time in the heat treatment step is less than the lower limit, the low molecular weight component may not be sufficiently removed. Conversely, when the heat treatment time in the heat treatment step exceeds the upper limit, the treatment cost may be unnecessarily increased.

可溶成分を熱処理して得られる当該炭素繊維製造用原料ピッチの軟化温度の下限としては、150℃が好ましく、170℃がより好ましい。一方、当該炭素繊維製造用原料ピッチの軟化温度の上限としては、280℃が好ましく、250℃がより好ましい。当該炭素繊維製造用原料ピッチの軟化温度が上記下限に満たない場合、不融化処理温度を高くすることができず、不融化処理が非効率となるおそれがある。逆に、当該炭素繊維製造用原料ピッチの軟化温度が上記上限を超える場合、溶融紡糸温度を高くする必要があり、紡糸が不安定となるおそれや、コストが増大するおそれがある。なお、「軟化温度」とは、ASTM−D36に準拠したリングアンドボール法によって測定される値である。   As a minimum of the softening temperature of the raw material pitch for carbon fiber production obtained by heat-treating the soluble component, 150 ° C is preferable, and 170 ° C is more preferable. On the other hand, the upper limit of the softening temperature of the raw material pitch for carbon fiber production is preferably 280 ° C, and more preferably 250 ° C. When the softening temperature of the raw material pitch for carbon fiber production is less than the lower limit, the infusibilization temperature cannot be increased, and the infusibilization treatment may be inefficient. On the contrary, when the softening temperature of the raw material pitch for carbon fiber production exceeds the above upper limit, it is necessary to increase the melt spinning temperature, which may cause unstable spinning and increase the cost. The “softening temperature” is a value measured by a ring and ball method in accordance with ASTM-D36.

この熱処理工程における上記分離工程で得た可溶成分からの当該炭素繊維製造用原料ピッチの収率の下限としては、80質量%が好ましく、85質量%がより好ましい。一方、熱処理工程における可溶成分からの当該炭素繊維製造用原料ピッチの収率の上限としては、98質量%が好ましく、96質量%がより好ましい。熱処理工程における可溶成分からの当該炭素繊維製造用原料ピッチの収率が上記下限に満たない場合、不必要に当該炭素繊維製造用原料ピッチの歩留まりが低下するおそれがある。逆に、熱処理工程における可溶成分からの当該炭素繊維製造用原料ピッチの収率が上記上限を超える場合、当該炭素繊維製造用原料ピッチ中への揮発性成分や低温で熱分解する成分の残留により、ピッチの曳糸性が不十分となり、紡糸効率が低下するおそれがある。   As a minimum of the yield of the said raw material pitch for carbon fiber manufacture from the soluble component obtained at the said isolation | separation process in this heat processing process, 80 mass% is preferable and 85 mass% is more preferable. On the other hand, the upper limit of the yield of the raw material pitch for producing carbon fibers from the soluble component in the heat treatment step is preferably 98% by mass, and more preferably 96% by mass. When the yield of the carbon fiber production raw material pitch from the soluble component in the heat treatment step is less than the lower limit, the yield of the carbon fiber production raw material pitch may be unnecessarily lowered. Conversely, if the yield of the carbon fiber production raw material pitch from the soluble component in the heat treatment process exceeds the above upper limit, residual volatile components or components thermally decomposed at a low temperature in the carbon fiber production raw material pitch As a result, the spinnability of the pitch becomes insufficient, and the spinning efficiency may be reduced.

[炭素繊維の製造方法]
さらに、当該炭素繊維製造用原料ピッチを用いて炭素繊維を製造する方法について説明する。
[Method for producing carbon fiber]
Furthermore, the method of manufacturing carbon fiber using the said raw material pitch for carbon fiber manufacture is demonstrated.

当該炭素繊維製造用原料ピッチを使用する炭素繊維の製造方法は、当該炭素繊維製造用原料ピッチを溶融紡糸する工程と、この溶融紡糸により得られる糸状体を不融化する工程と、不融化した糸状体を炭素化する工程とを備える。   The carbon fiber production method using the carbon fiber production raw material pitch includes a step of melt spinning the carbon fiber production raw material pitch, a step of infusibilizing the filament obtained by the melt spinning, and an infusible yarn shape. And carbonizing the body.

<溶融紡糸工程>
溶融紡糸工程では、当該炭素繊維製造用原料ピッチを公知の紡糸装置を用いて溶融紡糸する。つまり、溶融状態の原料ピッチをノズル(口金)を通過させることにより糸状に成形し、冷却により原料ピッチの形状を糸状に固定する。
<Melt spinning process>
In the melt spinning step, the carbon fiber production raw material pitch is melt-spun using a known spinning device. That is, the raw material pitch in a molten state is formed into a thread by passing through a nozzle (die), and the shape of the raw material pitch is fixed to the thread by cooling.

この溶融紡糸に用いるノズルとしては、公知のものを使用すればよく、例えば直径0.1mm以上0.5mm以下、長さ0.2mm以上1mm以下のものを使用することができる。原料ピッチを溶融紡糸した糸状体は、例えば直径100mm以上300mm以下程度のドラムによって巻き取られる。   As the nozzle used for the melt spinning, a known nozzle may be used. For example, a nozzle having a diameter of 0.1 mm to 0.5 mm and a length of 0.2 mm to 1 mm can be used. The filamentous material obtained by melt spinning the raw material pitch is wound, for example, by a drum having a diameter of about 100 mm to 300 mm.

溶融紡糸温度の下限としては、180℃が好ましく、200℃がより好ましい。一方、溶融紡糸温度の上限としては、350℃が好ましく、300℃がより好ましい。溶融紡糸温度が上記下限に満たない場合、原料ピッチの溶融が不十分となり安定した紡糸ができないおそれがある。逆に、溶融紡糸温度が上記上限を超える場合、原料ピッチ中の成分が熱分解して紡糸した糸状体が断線するおそれがある。   As a minimum of melt spinning temperature, 180 ° C is preferred and 200 ° C is more preferred. On the other hand, the upper limit of the melt spinning temperature is preferably 350 ° C, more preferably 300 ° C. When the melt spinning temperature is less than the above lower limit, the raw material pitch may not be sufficiently melted and stable spinning may not be possible. On the other hand, when the melt spinning temperature exceeds the above upper limit, the spun filaments may be disconnected due to thermal decomposition of components in the raw material pitch.

溶融紡糸の線速の下限としては、特に限定されないが、100m/minが好ましく、150m/minがより好ましい。一方、溶融紡糸の線速の上限としては、500m/minが好ましく、400m/minがより好ましい。溶融紡糸の線速が上記下限に満たない場合、製造効率が低く、炭素繊維が高価となるおそれがある。逆に、溶融紡糸の線速が上記上限を超える場合、紡糸が不安定になることにより却って製造効率が低下し、炭素繊維がやはり高価となるおそれがある。   Although it does not specifically limit as a minimum of the linear velocity of melt spinning, 100 m / min is preferable and 150 m / min is more preferable. On the other hand, the upper limit of the melt spinning linear velocity is preferably 500 m / min, and more preferably 400 m / min. When the line speed of melt spinning is less than the lower limit, the production efficiency is low and the carbon fiber may be expensive. On the other hand, when the linear speed of melt spinning exceeds the above upper limit, the spinning becomes unstable, so that the production efficiency is lowered, and the carbon fiber may still be expensive.

溶融紡糸において紡糸する糸状体の平均径の下限としては、5μmが好ましく、7μmがより好ましい。一方、溶融紡糸において紡糸する糸状体の平均径の上限としては、20μmが好ましく、15μmがより好ましい。糸状体の平均径が上記下限に満たない場合、安定して紡糸できないおそれがある。逆に、糸状体の平均径が上記上限を超える場合、糸状体の可撓性が不十分となるおそれがある。   The lower limit of the average diameter of the filaments spun in melt spinning is preferably 5 μm, more preferably 7 μm. On the other hand, the upper limit of the average diameter of the filaments spun in melt spinning is preferably 20 μm and more preferably 15 μm. When the average diameter of the filamentous body is less than the lower limit, there is a possibility that spinning cannot be stably performed. On the other hand, when the average diameter of the filamentous body exceeds the above upper limit, the flexibility of the filamentous body may be insufficient.

<不融化工程>
不融化工程では、溶融紡糸工程で得られる糸状体を酸素を含む雰囲気中で加熱することにより架橋して不融化する。酸素を含む雰囲気としては、一般に空気が用いられる。
<Infusibilization process>
In the infusibilization process, the filament obtained in the melt spinning process is crosslinked and infusible by heating in an atmosphere containing oxygen. As an atmosphere containing oxygen, air is generally used.

不融化処理温度の下限としては、150℃が好ましく、200℃がより好ましい。一方、不融化処理温度の上限としては、300℃が好ましく、280℃がより好ましい。不融化処理温度が上記下限に満たない場合、不融化が不十分となるおそれや、不融化処理時間が長くなり、非効率となるおそれがある。逆に、不融化処理温度が上記上限を超える場合、酸素架橋される前に糸状体が溶融するおそれがある。   The lower limit of the infusibilization treatment temperature is preferably 150 ° C, more preferably 200 ° C. On the other hand, the upper limit of the infusibilization treatment temperature is preferably 300 ° C, and more preferably 280 ° C. When the infusibilization treatment temperature is less than the lower limit, infusibilization may be insufficient, or the infusibilization treatment time may be increased, resulting in inefficiency. Conversely, when the infusibilization temperature exceeds the above upper limit, the filamentous body may be melted before oxygen crosslinking.

不融化処理時間の下限としては、10分が好ましく、20分がより好ましい。一方、不融化処理時間の上限としては、120分が好ましく、90分がより好ましい。不融化処理時間が上記下限に満たない場合、不融化が不十分となるおそれがある。逆に、不融化処理時間が上記上限を超える場合、不必要に炭素繊維の製造コストが増大するおそれがある。   The lower limit of the infusibilization time is preferably 10 minutes, and more preferably 20 minutes. On the other hand, the upper limit of the infusibilization time is preferably 120 minutes, more preferably 90 minutes. If the infusibilization time is less than the lower limit, infusibilization may be insufficient. Conversely, when the infusibilization treatment time exceeds the above upper limit, the production cost of the carbon fiber may be unnecessarily increased.

<炭素化工程>
炭素化工程では、不融化工程で不融化した糸状体を加熱して炭素化することによって、炭素繊維を得る。
<Carbonization process>
In the carbonization step, carbon fibers are obtained by heating and carbonizing the filaments infusible in the infusibilization step.

具体的には、糸状体を電気炉等の任意の加熱装置へ装入し、内部を非酸化性ガスで置換した後、この加熱装置内へ非酸化性ガスを吹き込みながら加熱する。   Specifically, the filamentous body is charged into an arbitrary heating device such as an electric furnace, the inside is replaced with a non-oxidizing gas, and then heated while blowing the non-oxidizing gas into the heating device.

炭素化工程における熱処理温度の下限としては、700℃が好ましく、800℃がより好ましい。一方、熱処理温度の上限としては、3000℃が好ましく、2800℃がより好ましい。熱処理温度が上記下限に満たない場合、炭素化が不十分となるおそれがある。逆に、熱処理温度が上記上限を超える場合、設備の耐熱性向上や燃料消費量の観点から製造コストが上昇するおそれがある。   As a minimum of heat processing temperature in a carbonization process, 700 ° C is preferred and 800 ° C is more preferred. On the other hand, as an upper limit of heat processing temperature, 3000 degreeC is preferable and 2800 degreeC is more preferable. If the heat treatment temperature is less than the lower limit, carbonization may be insufficient. Conversely, when the heat treatment temperature exceeds the above upper limit, the production cost may increase from the viewpoint of improving the heat resistance of the equipment and fuel consumption.

炭素化工程における加熱時間も炭素材料に求める特性により適宜設定すればよく、特に制限されないが、加熱時間としては、15分以上10時間以下が好ましい。加熱時間が上記下限に満たない場合、炭素化が不十分となるおそれがある。逆に、加熱時間が上記上限を超える場合、炭素材料の生産効率が低下するおそれがある。   The heating time in the carbonization step may be appropriately set depending on the characteristics required of the carbon material, and is not particularly limited, but the heating time is preferably 15 minutes or longer and 10 hours or shorter. If the heating time is less than the lower limit, carbonization may be insufficient. Conversely, when the heating time exceeds the above upper limit, the production efficiency of the carbon material may be reduced.

上記非酸化性ガスとしては、炭素材料の酸化を抑えられるものであれば特に限定されないが、経済的観点から窒素ガスが好ましい。   The non-oxidizing gas is not particularly limited as long as it can suppress the oxidation of the carbon material, but nitrogen gas is preferable from an economical viewpoint.

[その他の実施形態]
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
[Other Embodiments]
The said embodiment does not limit the structure of this invention. Therefore, in the above-described embodiment, the components of each part of the above-described embodiment can be omitted, replaced, or added based on the description and common general knowledge of the present specification, and they are all interpreted as belonging to the scope of the present invention. Should.

例として、当該炭素繊維製造用原料ピッチの製造方法において、熱分解物形成工程でスラリー中の灰分等と無灰炭とを分離せず、この灰分等を次の分離工程で無灰炭中の不溶成分と共に分離してもよい。   As an example, in the method for producing the raw material pitch for carbon fiber production, ash and the like in the slurry are not separated from the ashless coal in the thermal decomposition product forming step, and the ash and the like in the ashless coal in the next separation step. You may isolate | separate with an insoluble component.

また、当該炭素繊維製造用原料ピッチの製造方法において、熱処理工程は省略してもよい。   Moreover, in the manufacturing method of the said raw material pitch for carbon fiber manufacture, you may abbreviate | omit a heat treatment process.

以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is explained in full detail based on an Example, this invention is not interpreted limitedly based on description of this Example.

<炭素繊維製造用原料ピッチ>
以下に説明するように、製造条件の異なる炭素繊維製造用原料ピッチの実施例1〜6及び比較例1,2を試作し、これらの原料ピッチの実施例1〜6及び比較例1,2を同一条件で溶融紡糸、不融化及び炭素化することによってそれぞれ炭素繊維を試作した。
<Raw material pitch for carbon fiber production>
As will be described below, Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 of raw material pitches for carbon fiber production with different production conditions were made as prototypes. Carbon fibers were prototyped by melt spinning, infusibilization and carbonization under the same conditions.

(実施例1)
原料石炭として、酸素含有率が無水無灰ベースで6.5質量%のオーストラリア産出の瀝青炭を使用した。先ず、1mm以下に粉砕した上記瀝青炭1kgをメチルナフタレン5kgに混合してオートクレーブに装填し、窒素雰囲気中で400℃で1時間保持してから冷却して熱分解物を得た。次に、この熱分解物に、さらにメチルナフタレン5kgを加えて抽出温度60℃で1時間撹拌することで可溶成分を抽出してから濾過し、得られた濾液を減圧蒸留して可溶成分を分離した。この可溶成分を熱処理温度230℃の窒素雰囲気下で1時間熱処理することにより、実施例1の炭素繊維製造用原料ピッチを得た。
Example 1
As raw coal, an Australian bituminous coal with an oxygen content of 6.5% by mass on an anhydrous ashless basis was used. First, 1 kg of the above bituminous coal pulverized to 1 mm or less was mixed with 5 kg of methylnaphthalene, charged in an autoclave, held at 400 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, and then cooled to obtain a thermal decomposition product. Next, 5 kg of methylnaphthalene is further added to this pyrolyzate, and the soluble component is extracted by stirring at an extraction temperature of 60 ° C. for 1 hour, followed by filtration. The obtained filtrate is distilled under reduced pressure to dissolve the soluble component. Separated. The soluble component was heat-treated in a nitrogen atmosphere at a heat treatment temperature of 230 ° C. for 1 hour to obtain a raw material pitch for carbon fiber production of Example 1.

(実施例2〜6)
実施例2は、抽出温度を80℃とした以外は上記実施例1と同じ条件で試作した。実施例3は、抽出温度を100℃とした以外は上記実施例1と同じ条件で試作した。実施例4は、熱処理温度を250℃とした以外は上記実施例1と同じ条件で試作した。実施例5は、抽出温度を80℃とし、熱処理温度を250℃とした以外は上記実施例1と同じ条件で試作した。実施例6は、抽出温度を100℃とし、熱処理温度を250℃とした以外は上記実施例1と同じ条件で試作した。
(Examples 2 to 6)
Example 2 was experimentally manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the extraction temperature was 80 ° C. Example 3 was experimentally manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the extraction temperature was 100 ° C. Example 4 was experimentally manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 250 ° C. Example 5 was manufactured on the same conditions as Example 1 except that the extraction temperature was 80 ° C. and the heat treatment temperature was 250 ° C. Example 6 was made on the same conditions as Example 1 except that the extraction temperature was 100 ° C. and the heat treatment temperature was 250 ° C.

(比較例1)
実施例1と同じ瀝青炭を1mm以下に粉砕したもの1kgをメチルナフタレン5kgに混合してオートクレーブに装填し、窒素雰囲気中で400℃で1時間保持してから濾過した無灰炭を熱処理温度200℃の窒素雰囲気下で1時間熱処理することにより、比較例1の炭素繊維製造用原料ピッチを得た。
(Comparative Example 1)
1 kg of the same bituminous coal crushed to 1 mm or less as in Example 1 was mixed with 5 kg of methylnaphthalene and charged in an autoclave. The raw material pitch for carbon fiber manufacture of the comparative example 1 was obtained by heat-treating for 1 hour under nitrogen atmosphere.

(比較例2)
比較例2の炭素繊維製造用原料ピッチとして、酸素含有量0.9質量%、トルエン可溶分含有量64質量%の市販の硬ピッチを用意し、これを熱処理温度350℃の窒素雰囲気下で20時間熱処理することにより、比較例2の炭素繊維製造用原料ピッチを得た。
(Comparative Example 2)
A commercially available hard pitch having an oxygen content of 0.9% by mass and a toluene soluble content of 64% by mass was prepared as a raw material pitch for carbon fiber production in Comparative Example 2, and this was prepared in a nitrogen atmosphere at a heat treatment temperature of 350 ° C. The raw material pitch for carbon fiber manufacture of the comparative example 2 was obtained by heat-processing for 20 hours.

<成分分析>
上記実施例1〜6及び比較例1,2の炭素繊維製造用原料ピッチの酸素含有率をJIS−M8813(2004)に準拠して測定した。また、実施例1〜6及び比較例1,2の炭素繊維製造用原料ピッチのトルエン可溶分含有率をJIS−K2207(1996)に準拠して測定した。
<Component analysis>
The oxygen content rate of the raw material pitch for producing carbon fibers of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 was measured according to JIS-M8813 (2004). Moreover, the toluene soluble content rate of the raw material pitch for carbon fiber manufacture of Examples 1-6 and Comparative Examples 1 and 2 was measured based on JIS-K2207 (1996).

<炭素繊維>
上記実施例1〜6及び比較例1,2の炭素繊維製造用原料ピッチを用いた炭素繊維の試作は、先ず、直径0.2mm、長さ0.4mmのノズルを有する紡糸器に紡糸ピッチを充填し、250℃で溶融紡糸を行った。このとき、紡糸される糸状体は、600rpmで回転する直径100mmのドラムに巻き取った(線速約190m/min)。続いて、この糸状体を空気中において250℃で1時間加熱することにより不融化した。さらに、この不溶化した繊維を800℃で炭素化した。なお、比較例1の炭素繊維製造用原料ピッチは、350℃まで加熱しても安定して溶融紡糸することができなかったため、炭素繊維が得られなかった。
<Carbon fiber>
The trial production of carbon fibers using the raw material pitch for carbon fiber production in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 was performed by first applying a spinning pitch to a spinning machine having a nozzle having a diameter of 0.2 mm and a length of 0.4 mm. Filled and melt spun at 250 ° C. At this time, the spun filament was wound on a drum having a diameter of 100 mm rotating at 600 rpm (linear speed: about 190 m / min). Subsequently, the filament was infusibilized by heating in air at 250 ° C. for 1 hour. Further, the insolubilized fiber was carbonized at 800 ° C. In addition, since the raw material pitch for carbon fiber production of Comparative Example 1 could not be stably melt-spun even when heated to 350 ° C., no carbon fiber was obtained.

<引張強度さ>
上記実施例1〜6及び比較例1,2の炭素繊維製造用原料ピッチを用いて試作した各炭素繊維の引張強さを、JIS−L1013(2010)に準拠して測定した。
<Tensile strength>
The tensile strength of each carbon fiber manufactured using the carbon fiber production raw material pitches of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 was measured according to JIS-L1013 (2010).

上記実施例1〜6及び比較例1,2の炭素繊維製造用原料ピッチの酸素含有率、トルエン可溶分含有率及び原料石炭(比較例2については硬ピッチ)からの無水無灰ベースでの収率、並びにこれらを用いて試作した炭素繊維の引張強さについて、次の表1に示す。   On the anhydrous ashless base from the oxygen content of the raw material pitch for carbon fiber production of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2, the toluene soluble content, and the raw material coal (hard pitch for Comparative Example 2). Table 1 below shows the yield and the tensile strength of the carbon fiber prototyped using these.

Figure 2016210925
Figure 2016210925

このように、炭素繊維製造用原料ピッチの酸素の含有率を1.0質量%以上、かつトルエン可溶分の含有率を20質量%以上とすることによって、比較的引張強さに優れる炭素繊維を安定して製造できることが確認された。   Thus, the carbon fiber which is comparatively excellent in tensile strength by making the oxygen content rate of the raw material pitch for carbon fiber production 1.0% by mass or more and the content rate of the toluene soluble content 20% by mass or more. It was confirmed that can be manufactured stably.

本発明の炭素繊維製造用原料ピッチは、炭素繊維の製造に好適に利用される。   The raw material pitch for producing carbon fibers of the present invention is suitably used for producing carbon fibers.

S1 熱分解物形成工程
S2 分離工程
S3 熱処理工程
S1 Thermal decomposition product formation process S2 Separation process S3 Heat treatment process

Claims (3)

石炭から得られ、溶融紡糸により炭素繊維を製造するためのピッチであって、
酸素の含有率が1.0質量%以上、かつトルエン可溶分の含有率が20質量%以上であることを特徴とする炭素繊維製造用原料ピッチ。
A pitch obtained from coal and for producing carbon fiber by melt spinning,
A raw material pitch for producing carbon fibers, wherein the oxygen content is 1.0 mass% or more and the content of toluene-soluble components is 20 mass% or more.
上記石炭が瀝青炭又は亜瀝青炭である請求項1に記載の炭素繊維製造用原料ピッチ。   The raw material pitch for carbon fiber production according to claim 1, wherein the coal is bituminous coal or subbituminous coal. 石炭の溶剤中での熱分解物から300℃未満の温度での溶剤抽出処理により分離した可溶成分を150℃以上の温度で熱処理したものである請求項1又は請求項2に記載の炭素繊維製造用原料ピッチ。   The carbon fiber according to claim 1 or 2, wherein a soluble component separated from a pyrolyzate in a solvent of coal by a solvent extraction treatment at a temperature of less than 300 ° C is heat-treated at a temperature of 150 ° C or more. Raw material pitch for manufacturing.
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