JP2018111904A - Carbon material and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭素材料とその製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon material and a manufacturing method thereof.
炭素材料、例えば炭素繊維は優れた機械的強度を有するため、自動車用部材、航空宇宙素材、スポーツ・レジャー用素材、圧力容器等の工業用素材などとして極めて有用であり、需要が拡大している。また、今後はさらに幅広い分野で利用されることが期待されている。
一般に、炭素繊維は、ポリアクリロニトリルなどの前駆体フィラメントを束ねた前駆体繊維を、酸化性雰囲気で満たした耐炎化炉で加熱して耐炎化処理した後、得られた耐炎化繊維を窒素などの不活性雰囲気で満たした炭素化炉で加熱して炭素化処理することによって得られる（例えば特許文献１）。
Carbon materials, such as carbon fiber, have excellent mechanical strength, so they are extremely useful as industrial materials such as automotive parts, aerospace materials, sports and leisure materials, pressure vessels, etc. . In the future, it is expected to be used in a wider range of fields.
In general, carbon fiber is prepared by heating a precursor fiber bundled with precursor filaments such as polyacrylonitrile in a flameproof furnace filled with an oxidizing atmosphere and then flameproofing the resulting fiber. It is obtained by heating in a carbonization furnace filled with an inert atmosphere and performing carbonization treatment (for example, Patent Document 1).
しかしながら、従来の炭素繊維の製造方法では、炭素化処理中の耐炎化繊維の熱分解量が大きく、炭素原子の脱離も生じるため、炭素化収率が低い。そのため、耐炎化繊維を炭素化する炭素繊維の製造コストを低減することは困難である。 However, in the conventional carbon fiber production method, the amount of pyrolysis of the flameproof fiber during the carbonization treatment is large, and carbon atoms are also detached, so that the carbonization yield is low. Therefore, it is difficult to reduce the manufacturing cost of carbon fibers that carbonize flameproof fibers.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、炭素化収率を低下させることなく効率的に炭素材料を製造する方法、および前記方法により得られた炭素材料を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the carbon material obtained by the method of manufacturing a carbon material efficiently, without reducing a carbonization yield, and the said method.
本発明は、以下の態様を有する。
［１］ アセチレンおよびアセチレン誘導体の少なくとも一方からなるガス状物質（Ａ）を含む酸化性物質５０ｐｐｍ以下の非酸化性雰囲気中で、有機系高分子物質を４００℃超に加熱して炭素化処理する工程を含む、炭素材料の製造方法。
［２］ 前記有機系高分子物質がビニル系重合体を含む、［１］に記載の炭素材料の製造方法。
［３］ 前記ビニル系重合体が、アクリロニトリル系重合体およびアクリロニトリル系重合体の誘導体の少なくとも一方を含む、［２］に記載の炭素材料の製造方法。
［４］ 前記ビニル系重合体が、オレフィン系重合体およびオレフィン系重合体の誘導体の少なくとも一方を含む、［２］に記載の炭素材料の製造方法。
［５］ 前記オレフィン系重合体が、ポリエチレンおよびポリプロピレンの少なくとも一方を含む、［４］に記載の炭素材料の製造方法。
［６］ 前記炭素化処理する工程の前に、有機系高分子物質前駆体を酸化処理して前記有機系高分子物質を得る工程を含む、［１］に記載の炭素材料の製造方法。
［７］ 前記酸化処理が、有機系高分子物質前駆体を酸化性雰囲気中で２００〜３５０℃に加熱して酸化処理する工程である、［６］に記載の炭素材料の製造方法。
［８］ 前記有機系高分子物質前駆体がビニル系重合体を含む、［６］または［７］に記載の炭素材料の製造方法。
［９］ 前記ビニル系重合体が、アクリロニトリル系重合体およびアクリロニトリル系重合体の誘導体の少なくとも一方を含む、［８］に記載の炭素材料の製造方法。
［１０］ 前記ビニル系重合体が、オレフィン系重合体およびオレフィン系重合体の誘導体の少なくとも一方を含む、［８］に記載の炭素材料の製造方法。
［１１］ 前記オレフィン系重合体が、ポリエチレンおよびポリプロピレンの少なくとも一方を含む、［１０］に記載の炭素材料の製造方法。
［１２］ 前記非酸化性雰囲気を形成するガスの全体体積に対して、ガス状物質（Ａ）の体積濃度が２体積％以上である、［１］〜［１１］のいずれか１つに記載の炭素材料の製造方法。
［１３］ 前記非酸化性雰囲気は窒素ガスを含む、［１］〜［１２］のいずれか１つに記載の炭素材料の製造方法。
［１４］ 前記非酸化性雰囲気中で有機系高分子物質を４００℃超に加熱した後に、窒素雰囲気中で１０００℃以上にさらに加熱する工程を含む、［１］〜［１３］のいずれか１つに記載の炭素材料の製造方法。
［１５］ 前記有機系高分子物質が繊維状である、［１］〜［１４］のいずれか１つに記載の炭素材料の製造方法。
［１６］ ［１］〜［１５］のいずれか１つに記載の炭素材料の製造方法により得られた、炭素材料。
The present invention has the following aspects.
[1] Carbonization treatment is performed by heating the organic polymer substance to over 400 ° C. in a non-oxidizing atmosphere of 50 ppm or less of the oxidizing substance containing the gaseous substance (A) composed of at least one of acetylene and acetylene derivatives. The manufacturing method of a carbon material including a process.
[2] The method for producing a carbon material according to [1], wherein the organic polymer substance includes a vinyl polymer.
[3] The method for producing a carbon material according to [2], wherein the vinyl polymer includes at least one of an acrylonitrile polymer and an acrylonitrile polymer derivative.
[4] The method for producing a carbon material according to [2], wherein the vinyl polymer includes at least one of an olefin polymer and a derivative of the olefin polymer.
[5] The method for producing a carbon material according to [4], wherein the olefin polymer includes at least one of polyethylene and polypropylene.
[6] The method for producing a carbon material according to [1], including a step of oxidizing the organic polymer substance precursor to obtain the organic polymer substance before the carbonizing process.
[7] The method for producing a carbon material according to [6], wherein the oxidation treatment is a step of oxidizing the organic polymer substance precursor to 200 to 350 ° C. in an oxidizing atmosphere.
[8] The method for producing a carbon material according to [6] or [7], wherein the organic polymer substance precursor includes a vinyl polymer.
[9] The method for producing a carbon material according to [8], wherein the vinyl polymer includes at least one of an acrylonitrile polymer and a derivative of an acrylonitrile polymer.
[10] The method for producing a carbon material according to [8], wherein the vinyl polymer includes at least one of an olefin polymer and a derivative of the olefin polymer.
[11] The method for producing a carbon material according to [10], wherein the olefin polymer includes at least one of polyethylene and polypropylene.
[12] The volume concentration of the gaseous substance (A) is 2% by volume or more with respect to the total volume of the gas forming the non-oxidizing atmosphere, and any one of [1] to [11] Carbon material manufacturing method.
[13] The method for producing a carbon material according to any one of [1] to [12], wherein the non-oxidizing atmosphere includes nitrogen gas.
[14] Any one of [1] to [13], including a step of further heating the organic polymer substance to over 400 ° C in the non-oxidizing atmosphere and then further heating to 1000 ° C or more in a nitrogen atmosphere. The manufacturing method of the carbon material as described in 1.
[15] The method for producing a carbon material according to any one of [1] to [14], wherein the organic polymer substance is fibrous.
[16] A carbon material obtained by the method for producing a carbon material according to any one of [1] to [15].
本発明によれば、炭素化収率を低下させることなく効率的に炭素材料を製造する方法、および前記方法により得られた炭素材料を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the carbon material obtained by the method of manufacturing a carbon material efficiently, and the said method can be provided, without reducing a carbonization yield.
「炭素材料の製造方法」
以下、本発明の炭素材料の製造方法の一実施形態について説明する。
本実施形態の炭素材料の製造方法は、有機系高分子物質を加熱処理して炭素材料を得るものであり、以下に説明する炭素化工程を含む。また、炭素材料の製造方法は、炭素化工程の前に、以下に説明する酸化工程を含んでいてもよい。
"Production method of carbon materials"
Hereinafter, an embodiment of a method for producing a carbon material of the present invention will be described.
The method for producing a carbon material according to the present embodiment is a method for obtaining a carbon material by heat-treating an organic polymer material, and includes a carbonization step described below. Moreover, the manufacturing method of a carbon material may include the oxidation process demonstrated below before the carbonization process.
＜有機系高分子物質＞
有機系高分子物質としては、ビニル系モノマーを原料としたビニル系重合体、木材から抽出されるリグニン、セルロース、またはレーヨン等の再生セルロース、石油、石炭等を原料としたピッチなどの有機系高分子物質が挙げられる。これらは、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、工業規模における生産性及び機械的特性に優れている点で、ビニル系重合体の有機系高分子物質が好ましい。
ビニル系重合体としては、アクリロニトリル系重合体およびアクリロニトリル系重合体の誘導体の少なくとも一方を含む重合体（以下、「重合体Ａ」ともいう。）、オレフィン系重合体およびオレフィン系重合体の誘導体の少なくとも一方を含む重合体（以下、「重合体Ｂ」ともいう。）などが挙げられる。
<Organic polymer materials>
Organic polymer materials include vinyl polymers made from vinyl monomers, organic cellulose such as lignin extracted from wood, cellulose or regenerated cellulose such as rayon, pitches made from petroleum, coal, etc. Examples include molecular substances. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, an organic polymer substance of a vinyl polymer is preferable because it is excellent in productivity and mechanical characteristics on an industrial scale.
Examples of vinyl polymers include polymers containing at least one of acrylonitrile polymers and acrylonitrile polymer derivatives (hereinafter also referred to as “polymer A”), olefin polymers, and derivatives of olefin polymers. Examples thereof include a polymer containing at least one (hereinafter also referred to as “polymer B”).
アクリロニトリル系重合体としては、アクリロニトリルの単独重合体でもよいし、アクリロニトリルおよびアクリロニトリルと共重合可能なビニル系モノマーの共重合体でもよい。アクリロニトリル系重合体を構成する全ての単位の合計（１００質量％）に対して、アクリロニトリル単位の割合は７０質量％以上が好ましく、ビニル系モノマー単位の割合は３０質量％以下が好ましい。さらに好ましくは、アクリロニトリル単位の割合は９０〜９８質量％であり、ビニル系モノマー単位の割合は２〜１０質量％である。 The acrylonitrile polymer may be a homopolymer of acrylonitrile or a copolymer of acrylonitrile and a vinyl monomer copolymerizable with acrylonitrile. The ratio of the acrylonitrile unit is preferably 70% by mass or more and the ratio of the vinyl monomer unit is preferably 30% by mass or less with respect to the total (100% by mass) of all the units constituting the acrylonitrile polymer. More preferably, the proportion of acrylonitrile units is 90 to 98% by mass, and the proportion of vinyl monomer units is 2 to 10% by mass.
ビニル系モノマーとしては、アクリロニトリルと共重合可能であれば特に限定されないが、例えばアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸ｎ−ブチル、アクリル酸２−エチルヘキシル、アクリル酸２−ヒドロキシエチル、アクリル酸ヒドロキシプロピル等のアクリル酸エステル類；メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸ｎ−ブチル、メタクリル酸ｎ−ヘキシル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸ウラリル、メタクリル酸２−ヒドロキシエチル、メタクリル酸ヒドロキシプロピル、メタクリル酸ジエチルアミノエチル等のメタクリル酸エステル類；アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、アクリルアミド、Ｎ−メチロールアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、スチレン、ビニルトルエン、酢酸ビニル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、臭化ビニル、臭化ビニリデン、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、ブタジエン等の不飽和モノマー類；ｐ−スルホフェニルメタリルエーテル、メタリルスルホン酸、アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、およびこれらのアルカリ金属塩が挙げられる。これらは、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。 The vinyl monomer is not particularly limited as long as it can be copolymerized with acrylonitrile. For example, methyl acrylate, ethyl acrylate, isopropyl acrylate, n-butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, 2-hydroxyethyl acrylate Acrylic esters such as hydroxypropyl acrylate; methyl methacrylate, ethyl methacrylate, isopropyl methacrylate, n-butyl methacrylate, n-hexyl methacrylate, cyclohexyl methacrylate, uraryl methacrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate , Methacrylates such as hydroxypropyl methacrylate, diethylaminoethyl methacrylate; acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, acrylamide, N-methylolacrylamide, dia Unsaturated monomers such as tonacrylamide, styrene, vinyl toluene, vinyl acetate, vinyl chloride, vinylidene chloride, vinyl bromide, vinylidene bromide, vinyl fluoride, vinylidene fluoride, butadiene; p-sulfophenylmethallyl ether, methallyl Examples include sulfonic acid, allyl sulfonic acid, styrene sulfonic acid, 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid, and alkali metal salts thereof. These may be used alone or in combination of two or more.
アクリロニトリル系重合体は、それ自体、溶液重合、懸濁重合、乳化重合など公知の重合方法により得ることができる。重合により得られたアクリロニトリル系重合体からは、未反応モノマーなどの不純物を除く処理をすることが望ましい。 The acrylonitrile-based polymer can be obtained by a known polymerization method such as solution polymerization, suspension polymerization or emulsion polymerization. It is desirable to remove impurities such as unreacted monomers from the acrylonitrile-based polymer obtained by polymerization.
アクリロニトリル系重合体の誘導体としては、上述したアクリロニトリルの単独重合体の誘導体、アクリロニトリルおよび前記ビニル系モノマーの共重合体の誘導体などが挙げられる。
アクリロニトリルの単独重合体の誘導体としては、例えば、硫黄変性ポリアクリロニトリルなどが挙げられる。
アクリロニトリルおよび前記ビニル系モノマーの共重合体の誘導体としては、例えば、水素化ニトリルゴムなどが挙げられる。
Examples of the acrylonitrile-based polymer derivative include the above-described acrylonitrile homopolymer derivatives, acrylonitrile and vinyl monomer copolymer derivatives, and the like.
Examples of the acrylonitrile homopolymer derivative include sulfur-modified polyacrylonitrile.
Examples of the derivative of the copolymer of acrylonitrile and the vinyl monomer include hydrogenated nitrile rubber.
重合体Ａは、アクリロニトリル系重合体およびアクリロニトリル系重合体の誘導体の少なくとも一方のみで構成されていてもよいし、これら以外の成分（以下、「他の成分Ａ」ともいう。）を含んでいてもよい。
重合体Ａに含まれる他の成分Ａとしては、例えば、シリコーン系油剤、リン酸エステル、リン酸などが挙げられる。
重合体Ａの総質量に対して、アクリロニトリル系重合体およびアクリロニトリル系重合体の誘導体の少なくとも一方の割合は７０〜１００質量％が好ましく、他の成分Ａの割合は０〜３０質量％が好ましい。
The polymer A may be composed of at least one of an acrylonitrile-based polymer and an acrylonitrile-based polymer derivative, or contains a component other than these (hereinafter also referred to as “other component A”). Also good.
Examples of the other component A contained in the polymer A include a silicone-based oil agent, a phosphate ester, and phosphoric acid.
The ratio of at least one of the acrylonitrile-based polymer and the acrylonitrile-based polymer derivative is preferably 70 to 100% by mass, and the ratio of the other component A is preferably 0 to 30% by mass with respect to the total mass of the polymer A.
オレフィン系重合体としては、エチレンの単独重合体（ポリエチレン）、プロピレンの単独重合体（ポリプロピレン）、エチレンとプロピレンの共重合体、エチレン、プロピレンおよびこれらと共重合可能なモノマーの共重合体、またはこれら重合体の混合物などが挙げられる。これらの中でも、生産コストの点で、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンおよびポリプロピレンの混合物が好ましい。
エチレンおよびプロピレンと共重合可能なモノマーとしては、例えば、酢酸ビニル、メタクリル酸メチル、アクリル酸メチルなどが挙げられる。これらは、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
Examples of the olefin polymer include ethylene homopolymer (polyethylene), propylene homopolymer (polypropylene), ethylene and propylene copolymer, ethylene, propylene and copolymer of monomers copolymerizable with these, or Examples thereof include a mixture of these polymers. Among these, polyethylene, polypropylene, a mixture of polyethylene and polypropylene are preferable in terms of production cost.
Examples of the monomer copolymerizable with ethylene and propylene include vinyl acetate, methyl methacrylate, and methyl acrylate. These may be used alone or in combination of two or more.
オレフィン系重合体は、それ自体、気相重合、溶液重合、懸濁重合など公知の重合方法により得ることができる。重合により得られたオレフィン系重合体からは、副生成物などの不純物を除く処理をすることが望ましい。 The olefin polymer can be obtained by a known polymerization method such as gas phase polymerization, solution polymerization or suspension polymerization. It is desirable to remove impurities such as by-products from the olefin polymer obtained by polymerization.
オレフィン系重合体の誘導体としては、ポリエチレンの誘導体、ポリプロピレンの誘導体、エチレンと酢酸ビニルの共重合体の誘導体などが挙げられる。
ポリエチレンの誘導体としては、例えば、無水マレイン酸変性ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレンなどが挙げられる。
ポリプロピレンの誘導体としては、例えば、無水マレイン酸変性ポリプロピレン、クロロスルホン化ポリプロピレン、塩素化ポリプロピレンなどが挙げられる。
Examples of the olefin polymer derivative include polyethylene derivatives, polypropylene derivatives, and copolymers of ethylene and vinyl acetate.
Examples of the polyethylene derivative include maleic anhydride-modified polyethylene, chlorosulfonated polyethylene, and chlorinated polyethylene.
Examples of the polypropylene derivative include maleic anhydride-modified polypropylene, chlorosulfonated polypropylene, and chlorinated polypropylene.
重合体Ｂは、オレフィン系重合体およびオレフィン系重合体の誘導体の少なくとも一方のみで構成されていてもよいし、これら以外の成分（以下、「他の成分Ｂ」ともいう。）を含んでいてもよい。
重合体Ｂに含まれる他の成分Ｂとしては、例えば、各種エラストマー、各種無機フィラーなどが挙げられる。
重合体Ｂの総質量に対して、オレフィン系重合体およびオレフィン系重合体の誘導体の少なくとも一方の割合は７０〜１００質量％が好ましく、他の成分Ｂの割合は０〜３０質量％が好ましい。
The polymer B may be composed of at least one of an olefin polymer and an olefin polymer derivative, or contains a component other than these (hereinafter also referred to as “other component B”). Also good.
Examples of the other component B contained in the polymer B include various elastomers and various inorganic fillers.
The ratio of at least one of the olefin polymer and the olefin polymer derivative is preferably 70 to 100% by mass, and the ratio of the other component B is preferably 0 to 30% by mass with respect to the total mass of the polymer B.
有機系高分子物質は、上述した重合体以外の成分（以下、「任意成分」ともいう。）を含んでいてもよい。
任意成分としては、例えばカーボンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン等の他の炭素材料、コロイダルシリカ、ガラス繊維等のガラス材料などが挙げられる。
有機系高分子物質の総質量に対して、任意成分の割合は０〜３０質量％が好ましい。
The organic polymer substance may contain components other than the above-described polymer (hereinafter also referred to as “optional component”).
Examples of the optional component include other carbon materials such as carbon black, carbon nanotube, and fullerene, and glass materials such as colloidal silica and glass fiber.
The ratio of the optional component is preferably 0 to 30% by mass with respect to the total mass of the organic polymer substance.
有機系高分子物質の質量平均分子量は、５０００〜８０００００が好ましく、１００００〜４０００００がより好ましい。質量平均分子量が上記範囲内であれば、加熱した際の流動性が適切な領域であるため、成形性が容易となる傾向にある。
なお、本明細書において、「質量平均分子量」はゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）を用いて測定した分子量をポリスチレン換算した値である。
The organic polymer substance has a mass average molecular weight of preferably 5,000 to 800,000, and more preferably 10,000 to 400,000. If the mass average molecular weight is within the above range, the fluidity when heated is in an appropriate region, and thus the moldability tends to be easy.
In addition, in this specification, "mass average molecular weight" is the value which converted the molecular weight measured using gel permeation chromatography (GPC) into polystyrene.
また、有機系高分子物質としては、各種重合体を有機系高分子物質前駆体とし、前記有機系高分子物質前駆体を酸化して得られる有機系高分子物質を用いることができる。
有機系高分子物質前駆体としては、有機系高分子物質の説明において先に例示した、ビニル系モノマーを原料としたビニル系重合体、木材から抽出されるリグニン、セルロース、またはレーヨン等の再生セルロース、石油、石炭等を原料としたピッチなどが挙げられる。これらは、１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、工業規模における生産性及び機械的特性に優れている点で、ビニル系重合体の有機系高分子物質前駆体が好ましい。
ビニル系重合体としては、先に例示したアクリロニトリル系重合体およびアクリロニトリル系重合体の誘導体の少なくとも一方を含む重合体（重合体Ａ）、オレフィン系重合体およびオレフィン系重合体の誘導体の少なくとも一方を含む重合体（重合体Ｂ）などが挙げられる。
In addition, as the organic polymer substance, various polymers can be used as organic polymer substance precursors, and organic polymer substances obtained by oxidizing the organic polymer substance precursor can be used.
Examples of the organic polymer precursor include a vinyl polymer using vinyl monomers as a raw material exemplified in the description of the organic polymer material, lignin extracted from wood, cellulose, or regenerated cellulose such as rayon. , Pitches made from petroleum, coal and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, an organic polymer substance precursor of a vinyl polymer is preferable because it is excellent in productivity and mechanical characteristics on an industrial scale.
Examples of the vinyl polymer include a polymer (polymer A) including at least one of the acrylonitrile polymer and the acrylonitrile polymer derivative exemplified above, an olefin polymer, and at least one of the olefin polymer derivatives. And a polymer (polymer B).
有機系高分子物質の形状および有機系高分子物質前駆体の形状としては特に制限されないが、繊維状、粉体状、フィルム状などが挙げられる。
繊維状の有機系高分子物質を用いた場合、繊維状の炭素材料を得ることができる。以下、繊維状の炭素材料を「炭素繊維」ともいい、繊維状の有機系高分子物質を「有機系高分子物質からなる繊維」または「前駆体繊維」ともいう。なお、繊維状の有機系高分子物質前駆体も「前駆体繊維」という。
The shape of the organic polymer substance and the shape of the organic polymer substance precursor are not particularly limited, and examples thereof include a fiber form, a powder form, and a film form.
When a fibrous organic polymer material is used, a fibrous carbon material can be obtained. Hereinafter, the fibrous carbon material is also referred to as “carbon fiber”, and the fibrous organic polymer substance is also referred to as “fiber made of an organic polymer substance” or “precursor fiber”. The fibrous organic polymer precursor is also referred to as “precursor fiber”.
前駆体繊維は、有機系高分子物質前駆体または有機系高分子物質（以下、総称して「有機系高分子物質（前駆体）」と表記する。）を含む紡糸原液を紡糸して得られる。有機系高分子物質（前駆体）の種類に応じて適切な紡糸方法で前駆体繊維を製造することができる。
有機系高分子物質（前駆体）が石油、石炭等を原料としたピッチである場合、溶融紡糸により前駆体繊維を得ることができる。
有機系高分子物質（前駆体）がレーヨン等の再生セルロースである場合、ビスコースレーヨンを紡糸ノズルから希硫酸中に紡出して製造する方法などにより、前駆体繊維を得ることができる。
有機系高分子物質（前駆体）が溶剤に可溶である場合、有機系高分子物質（前駆体）を一旦溶剤に溶解させた後、紡糸を行うことで、前駆体繊維を得ることができる。
The precursor fiber is obtained by spinning a spinning stock solution containing an organic polymer material precursor or an organic polymer material (hereinafter collectively referred to as “organic polymer material (precursor)”). . Precursor fibers can be produced by an appropriate spinning method according to the type of organic polymer substance (precursor).
When the organic polymer substance (precursor) is a pitch made from petroleum, coal, or the like, precursor fibers can be obtained by melt spinning.
When the organic polymer substance (precursor) is regenerated cellulose such as rayon, the precursor fiber can be obtained by a method of spinning viscose rayon into dilute sulfuric acid from a spinning nozzle.
When the organic polymer substance (precursor) is soluble in a solvent, the precursor polymer can be obtained by spinning the organic polymer substance (precursor) once dissolved in the solvent. .
紡糸原液に用いられる溶剤としては特に限定されないが、例えば有機系高分子物質（前駆体）が前記重合体Ａを含む場合は、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等の有機溶剤；塩化亜鉛、チオシアン酸ナトリウム等の無機化合物の水溶液などが挙げられる。作製される繊維中に金属が混入されにくく、また、工程が簡略化される点で、有機溶剤が好ましい。
有機系高分子物質（前駆体）が前記重合体Ｂを含む場合、溶剤としてはノルマルヘキサン、ベンゼン、キシレン、トルエン、クロロホルムなどが挙げられる。
有機系高分子物質（前駆体）がリグニンである場合、溶剤としてはアセトン、クロロホルム、２−ブタノンなどが挙げられる。
The solvent used in the spinning dope is not particularly limited. For example, when the organic polymer substance (precursor) contains the polymer A, organic solvents such as dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide; zinc chloride, thiocyanate Examples thereof include an aqueous solution of an inorganic compound such as sodium acid. An organic solvent is preferable in that the metal is less likely to be mixed into the produced fiber and the process is simplified.
When the organic polymer substance (precursor) contains the polymer B, examples of the solvent include normal hexane, benzene, xylene, toluene, chloroform, and the like.
When the organic polymer substance (precursor) is lignin, examples of the solvent include acetone, chloroform, and 2-butanone.
紡糸原液中の有機系高分子物質（前駆体）の濃度は、紡糸工程上、その重合度にもよるが、紡糸原液の総質量に対して、１７質量％以上が好ましく、１９質量％以上がより好ましい。上限としては、３０質量％以下が好ましく、２５質量％以下がさらに好ましい。 The concentration of the organic polymer substance (precursor) in the spinning dope depends on the degree of polymerization in the spinning process, but is preferably 17% by mass or more and 19% by mass or more with respect to the total mass of the spinning dope. More preferred. As an upper limit, 30 mass% or less is preferable, and 25 mass% or less is more preferable.
紡糸原液を紡糸する方法としては特に限定されないが、湿式紡糸法、乾湿式紡糸法、乾式紡糸法などを適用することができる。
そして、湿式紡糸法、乾湿式紡糸法、乾式紡糸法などで得られた凝固糸を必要に応じて従来公知の水洗、浴延伸、油剤付与、乾燥緻密化、延伸などを施すことにより、所定の繊度を有する前駆体繊維とする。
The method for spinning the spinning dope is not particularly limited, and wet spinning, dry wet spinning, dry spinning, and the like can be applied.
The coagulated yarn obtained by the wet spinning method, the dry wet spinning method, the dry spinning method, etc. is subjected to a conventionally known water washing, bath drawing, oil application, drying densification, drawing, etc. A precursor fiber having fineness is used.
油剤としては、従来公知のシリコーン系油剤、ケイ素を含まない有機化合物からなる油剤などが挙げられるが、これら以外にも後述する酸化工程や炭素化工程での単繊維間の接着を防止できるものであれば、油剤として好適に使用できる。
油剤を付与された前駆体繊維は、加熱により乾燥緻密化するのが好ましい。乾燥処理は５０〜２００℃に加熱されたロールに接触させて行うのが効率的である。
また、乾燥された前駆体繊維は、引き続き延伸を施すのが好ましい。延伸する方法としては特に限定されないが、乾熱延伸法、熱板延伸法、スチーム延伸法などを適用することができる。
Examples of the oil agent include conventionally known silicone-based oil agents and oil agents composed of organic compounds not containing silicon. In addition to these, it is possible to prevent adhesion between single fibers in the oxidation step and carbonization step described later. If present, it can be suitably used as an oil.
It is preferable that the precursor fiber provided with the oil agent is dried and densified by heating. It is efficient to carry out the drying treatment by bringing it into contact with a roll heated to 50 to 200 ° C.
Moreover, it is preferable that the dried precursor fiber is continuously stretched. The stretching method is not particularly limited, and a dry heat stretching method, a hot plate stretching method, a steam stretching method, and the like can be applied.
前駆体繊維の単繊維数は２００〜３０００００本が好ましく、１０００〜２０００００本がより好ましく、１２０００〜１０００００本がさらに好ましい。単繊維数が上記範囲内であれば、酸化工程および炭素化工程での前駆体繊維の取り扱いが容易であるとともに、得られる炭素繊維を複合材料に成形する際の取り扱いも容易である。 The number of single fibers of the precursor fiber is preferably 200 to 300,000, more preferably 1,000 to 200,000, and even more preferably 12,000 to 100,000. When the number of single fibers is within the above range, the precursor fibers can be easily handled in the oxidation step and the carbonization step, and the carbon fibers obtained can be handled easily when formed into a composite material.
有機系高分子物質（前駆体）が粉体状の場合、粉末状の炭素材料を得ることができる。
有機系高分子物質（前駆体）がペレット状の場合、ペレット状の炭素材料を得ることができる。ペレット状の有機系高分子物質（前駆体）は、例えば有機系高分子物質（前駆体）が含まれる重合体を製造した後、この重合体を造粒機などでペレット状に成形することで得られる。
有機系高分子物質（前駆体）がフィルム状の場合、フィルム状の炭素材料を得ることができる。フィルム状の有機系高分子物質（前駆体）は、例えば有機系高分子物質（前駆体）の粉体を溶剤に溶解してキャスト溶液を調製し、このキャスト溶液を基材上に塗布し、乾燥させて溶剤を除去する方法や、前記キャスト溶液をＴダイなどで押し出して凝固液中で凝固させた後、引き続き溶剤を水洗等にて除去し、乾燥する方法などにより得られる。
溶剤としては、紡糸原液の説明において先に例示した溶剤を用いることができる。
When the organic polymer substance (precursor) is in a powder form, a powdery carbon material can be obtained.
When the organic polymer substance (precursor) is in a pellet form, a pellet-like carbon material can be obtained. The pellet-shaped organic polymer substance (precursor) can be obtained by, for example, manufacturing a polymer containing an organic polymer substance (precursor) and then forming the polymer into a pellet using a granulator or the like. can get.
When the organic polymer substance (precursor) is in the form of a film, a film-like carbon material can be obtained. The film-like organic polymer substance (precursor) is prepared, for example, by dissolving a powder of an organic polymer substance (precursor) in a solvent to prepare a cast solution, and applying the cast solution on a substrate. It can be obtained by a method of removing the solvent by drying, a method of extruding the cast solution with a T-die or the like and coagulating it in a coagulating liquid, and subsequently removing the solvent by washing and drying.
As the solvent, the solvents exemplified above in the description of the spinning dope can be used.
＜酸化工程＞
酸化工程は、有機系高分子物質前駆体を酸化して有機系高分子物質を得る工程である。
酸化工程では、有機系高分子物質前駆体を酸化性雰囲気中で２００〜３５０℃に加熱して酸化処理することが好ましい。
ここで、「酸化性雰囲気」とは、空気雰囲気、もしくは、酸素、二酸化窒素などの公知の酸化性物質を含む雰囲気のことである。これらの中でも、経済性の面から、酸化性雰囲気としては空気雰囲気が好ましい。
<Oxidation process>
The oxidation step is a step of obtaining an organic polymer material by oxidizing an organic polymer material precursor.
In the oxidation step, it is preferable to oxidize the organic polymer precursor by heating to 200 to 350 ° C. in an oxidizing atmosphere.
Here, the “oxidizing atmosphere” is an air atmosphere or an atmosphere containing a known oxidizing substance such as oxygen or nitrogen dioxide. Among these, the air atmosphere is preferable as the oxidizing atmosphere from the economical aspect.
また、「酸化処理」とは、有機系高分子物質前駆体がアクリロニトリル系重合体を含む場合は「耐炎化処理」のことであり、有機系高分子物質前駆体が石油、石炭等を原料としたピッチである場合は「不融化処理」のことである。
以下、アクリロニトリル系重合体を含む有機系高分子物質前駆体からなる前駆体繊維を耐炎化処理して得た前駆体繊維を「耐炎化繊維」ともいい、石油、石炭等を原料としたピッチを含む有機系高分子物質前駆体からなる前駆体繊維を不融化処理して得た前駆体繊維を「不融化繊維」ともいう。
“Oxidation treatment” means “flame-proofing treatment” when the organic polymer substance precursor contains an acrylonitrile polymer, and the organic polymer substance precursor is made from petroleum, coal or the like as a raw material. When the pitch is the same, it means “infusibilization”.
Hereinafter, a precursor fiber obtained by subjecting a precursor fiber made of an organic polymer substance precursor containing an acrylonitrile polymer to flame resistance is also referred to as “flame resistance fiber”. Precursor fibers obtained by infusibilizing precursor fibers composed of organic polymer substance precursors are also referred to as “infusible fibers”.
酸化性雰囲気中での酸化処理の温度は２００〜３５０℃であることが好ましい。酸化処理の温度が２００℃以上であれば、酸化反応速度が遅くなるのを抑制できるので、短時間で酸化処理できる。一方、酸化処理の温度が３５０℃以下であれば、有機系高分子物質が熱分解するのを抑制できる。 The temperature of the oxidation treatment in the oxidizing atmosphere is preferably 200 to 350 ° C. If the temperature of the oxidation treatment is 200 ° C. or higher, it is possible to suppress the oxidation reaction rate from slowing down, so that the oxidation treatment can be performed in a short time. On the other hand, if the temperature of the oxidation treatment is 350 ° C. or less, the organic polymer substance can be prevented from being thermally decomposed.
前駆体繊維がアクリロニトリル系重合体を含む場合、前駆体繊維の酸化処理に要する時間は、炭素繊維の生産性および性能を高める観点から１０分以上が好ましく、１５分以上がより好ましく、２０分以上がさらに好ましい。酸化処理に要する時間が１０分以上であれば、酸化反応が十分に進行し、斑が生じにくくなる。また、酸化工程の後に行われる炭素化工程で毛羽、束切れが生じにくくなり、生産性を良好に維持できる。酸化処理に要する時間の上限は、８０分が好ましく、６０分がより好ましい。酸化処理に要する時間が８０分以下であれば、十分な強度を有する炭素繊維が得られやすくなる。 When the precursor fiber contains an acrylonitrile-based polymer, the time required for the oxidation treatment of the precursor fiber is preferably 10 minutes or more, more preferably 15 minutes or more, and more preferably 20 minutes or more from the viewpoint of improving the productivity and performance of the carbon fiber. Is more preferable. If the time required for the oxidation treatment is 10 minutes or more, the oxidation reaction proceeds sufficiently, and spots are hardly generated. Further, fluff and bundle breakage are less likely to occur in the carbonization step performed after the oxidation step, and the productivity can be favorably maintained. The upper limit of the time required for the oxidation treatment is preferably 80 minutes, and more preferably 60 minutes. If the time required for the oxidation treatment is 80 minutes or less, carbon fibers having sufficient strength can be easily obtained.
酸化処理の方法としては特に限定されず、従来公知の熱風循環炉（例えば耐炎化炉など）を用いる方法や加熱固体表面に接触させる方法を採用できる。
熱風循環炉を用いる方法では、通常、熱風循環炉に入った前駆体繊維を一旦熱風循環炉の外部に出した後、熱風循環炉の外部に配設された折り返しロールによって折り返して熱風循環炉に繰り返し通過させる方法が採られる。
加熱固体表面に接触させる方法では、前駆体繊維を間欠的に加熱固体表面に接触させる方法が採られる。
The method for the oxidation treatment is not particularly limited, and a method using a conventionally known hot air circulating furnace (for example, a flameproofing furnace) or a method of contacting the heated solid surface can be employed.
In the method using a hot air circulating furnace, the precursor fiber that has entered the hot air circulating furnace is usually taken out of the hot air circulating furnace and then folded by a folding roll disposed outside the hot air circulating furnace. The method of passing repeatedly is taken.
In the method of contacting the heated solid surface, a method of intermittently bringing the precursor fiber into contact with the heated solid surface is employed.
前駆体繊維がアクリロニトリル系重合体を含む場合、酸化工程では、酸化処理後の繊維の密度（ρ）が１．２５〜１．４５ｇ／ｃｍ３になるまで加熱することが好ましく、より好ましくは１．２８〜１．４０ｇ／ｃｍ３である。酸化処理後の繊維の密度（ρ）が上記範囲内であれば、後述する炭素化工程での炭素繊維の残存量が多くなるため、経済性の面でも有利である。
なお、繊維の密度（ρ）は、密度勾配管法により測定される値である。
When the precursor fiber contains an acrylonitrile-based polymer, in the oxidation step, it is preferable to heat until the density (ρ) of the fiber after the oxidation treatment becomes 1.25 to 1.45 g / cm 3 , more preferably 1 .28 to 1.40 g / cm 3 . If the density (ρ) of the fiber after the oxidation treatment is within the above range, the remaining amount of carbon fiber in the carbonization step described later is increased, which is advantageous in terms of economy.
The fiber density (ρ) is a value measured by the density gradient tube method.
＜炭素化工程＞
炭素化工程は、アセチレンおよびアセチレン誘導体の少なくとも一方からなるガス状物質（Ａ）を含む、酸化性物質５０ｐｐｍ以下の非酸化性雰囲気中で、有機系高分子物質を４００℃超に加熱して炭素化処理する工程である。
また、得られる炭素材料の耐熱性や機械的特性がより向上する観点から、炭素化工程は、前記非酸化性雰囲気中で有機系高分子物質を４００℃超に加熱した後に、窒素雰囲気中で１０００℃以上にさらに加熱する工程を含んでいてもよい。
なお、炭素化工程の前に上述した酸化工程を行う場合は、酸化処理後の有機系高分子物質前駆体（例えば耐炎化繊維、不融化繊維など）を炭素化処理する。
以下、酸化性の物質５０ｐｐｍ以下の非酸化性雰囲気中で有機系高分子物質を４００℃超に加熱する工程を「第一の炭素化工程」ともいい、この第一の炭素化工程の後に、窒素雰囲気中で１０００℃以上に加熱する工程を「第二の炭素化工程」ともいう。
<Carbonization process>
In the carbonization step, the organic polymer substance is heated to over 400 ° C. in a non-oxidizing atmosphere containing a gaseous substance (A) composed of at least one of acetylene and an acetylene derivative and containing 50 ppm or less of an oxidizing substance. It is a process of performing a chemical conversion treatment.
In addition, from the viewpoint of further improving the heat resistance and mechanical properties of the obtained carbon material, the carbonization step is performed in a nitrogen atmosphere after the organic polymer substance is heated to over 400 ° C. in the non-oxidizing atmosphere. A step of further heating to 1000 ° C. or higher may be included.
In addition, when performing the oxidation process mentioned above before the carbonization process, the organic polymer substance precursor (for example, a flame-resistant fiber, an infusible fiber, etc.) after an oxidation process is carbonized.
Hereinafter, the process of heating the organic polymer substance to over 400 ° C. in a non-oxidizing atmosphere of 50 ppm or less of the oxidizing substance is also referred to as “first carbonization process”. After this first carbonization process, The process of heating to 1000 ° C. or higher in a nitrogen atmosphere is also referred to as “second carbonization process”.
（第一の炭素化工程）
第一の炭素化工程は、ガス状物質（Ａ）を含む酸化性の物質５０ｐｐｍ以下の非酸化性雰囲気中で行われる。
ガス状物質（Ａ）は、アセチレンおよびアセチレン誘導体の少なくとも一方からなる。
アセチレン誘導体としては、分子中に炭素原子と炭素原子の間の三重結合を含み、かつ炭素化工程を行う温度で気体である物質であれば特に制限されないが、エチルアセチレン、ｔｅｒｔ−ブチルアセチレンなどが挙げられる。
ガス状物質（Ａ）は、アセチレンの単独ガスでもよいし、アセチレン誘導体の単独ガスでもよいし、アセチレンおよびアセチレン誘導体の混合ガスでもよい。アセチレンおよびアセチレン誘導体の混合ガスの場合、該混合ガスを構成する全ての分子の合計（１００モル％）に対して、アセチレンの割合は５０〜９９モル％が好ましく、アセチレン誘導体の割合は１〜５０モル％が好ましい。
経済性の観点からは、ガス状物質（Ａ）はアセチレンガスであることが好ましい。
(First carbonization process)
The first carbonization step is performed in a non-oxidizing atmosphere containing 50 ppm or less of the oxidizing substance containing the gaseous substance (A).
The gaseous substance (A) consists of at least one of acetylene and an acetylene derivative.
The acetylene derivative is not particularly limited as long as it is a substance that contains a triple bond between carbon atoms in the molecule and is a gas at the temperature at which the carbonization step is performed, but ethyl acetylene, tert-butyl acetylene, etc. Can be mentioned.
The gaseous substance (A) may be a single gas of acetylene, a single gas of acetylene derivatives, or a mixed gas of acetylene and acetylene derivatives. In the case of a mixed gas of acetylene and an acetylene derivative, the proportion of acetylene is preferably 50 to 99 mol%, and the proportion of acetylene derivative is 1 to 50 with respect to the total (100 mol%) of all molecules constituting the mixed gas. Mole% is preferred.
From the economical viewpoint, the gaseous substance (A) is preferably acetylene gas.
ここで、「酸化性の物質」とは酸素、二酸化窒素などの公知の酸化性物質、および、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）などの１５０℃以上で酸化性を有する物質のことである。
「非酸化性雰囲気」とは、上に挙げた酸化性の物質を実質的に含まない雰囲気のことである。 非酸化性雰囲気に含まれるガス状物質（Ａ）以外の成分としては、窒素、アルゴン、ヘリウムなど酸化性を持たない気体（以下、「非酸化性気体」ともいう。）が挙げられる。これらの中でも、経済性の面から窒素であることが好ましい。非酸化性雰囲気に含まれるガス状物質（Ａ）以外の成分（１００モル％）中に窒素が占める割合としては、９９モル％以上が好ましい。
Here, the “oxidizing substance” is a known oxidizing substance such as oxygen and nitrogen dioxide, and a substance having an oxidizing property at 150 ° C. or higher, such as dimethylformamide (DMF).
The “non-oxidizing atmosphere” is an atmosphere that substantially does not contain the above-mentioned oxidizing substances. Examples of components other than the gaseous substance (A) contained in the non-oxidizing atmosphere include non-oxidizing gases such as nitrogen, argon, and helium (hereinafter also referred to as “non-oxidizing gases”). Among these, nitrogen is preferable from the viewpoint of economy. The proportion of nitrogen in the component (100 mol%) other than the gaseous substance (A) contained in the non-oxidizing atmosphere is preferably 99 mol% or more.
ガス状物質（Ａ）の体積濃度は、非酸化性雰囲気を形成するガスの全体体積に対して、１体積％以上が好ましく、２体積％以上がより好ましく、５体積％以上がさらに好ましい。ガス状物質（Ａ）の体積濃度が１体積％以上の非酸化性雰囲気中で有機系高分子物質を炭素化処理すれば、炭素化収率がより向上する。特に、ガス状物質（Ａ）の体積濃度が２体積％以上であれば、炭素化収率がさらに向上する。製造コストの観点から、ガス状物質（Ａ）の体積濃度は、非酸化性雰囲気を形成するガスの全体体積に対して、３０体積％以下が好ましく、２０体積％以下がより好ましく、１５体積％以下がさらに好ましい。
炭素化収率の向上と製造コストのバランスを考慮すると、ガス状物質（Ａ）の体積濃度は、非酸化性雰囲気を形成するガスの全体体積に対して、２〜３０体積％が好ましく、２〜２０体積％がより好ましく、２〜１５体積％がさらに好ましい。
The volume concentration of the gaseous substance (A) is preferably 1% by volume or more, more preferably 2% by volume or more, and further preferably 5% by volume or more with respect to the total volume of the gas forming the non-oxidizing atmosphere. If the organic polymer substance is carbonized in a non-oxidizing atmosphere in which the volume concentration of the gaseous substance (A) is 1% by volume or more, the carbonization yield is further improved. In particular, when the volume concentration of the gaseous substance (A) is 2% by volume or more, the carbonization yield is further improved. From the viewpoint of production cost, the volume concentration of the gaseous substance (A) is preferably 30% by volume or less, more preferably 20% by volume or less, and more preferably 15% by volume with respect to the total volume of the gas forming the non-oxidizing atmosphere. More preferred are:
Considering the balance between the improvement in carbonization yield and the production cost, the volume concentration of the gaseous substance (A) is preferably 2 to 30% by volume with respect to the total volume of the gas forming the non-oxidizing atmosphere. -20 volume% is more preferable, and 2-15 volume% is further more preferable.
酸化性物質の体積濃度は、非酸化性雰囲気を形成するガスの全体体積に対して、５０ｐｐｍ以下が好ましく、２０ｐｐｍ以下がより好ましく、５ｐｐｍ以下がさらに好ましい。ガス状物質（Ａ）を含む、酸化性物質の濃度が５０ｐｐｍ以下の非酸化性雰囲気中で有機系高分子物質を炭素化処理すれば、炭素化収率がより向上する。 非酸化性気体の体積濃度は、非酸化性雰囲気を形成するガスの全体体積に対して、９９体積％以下が好ましく、９８体積％以下がより好ましく、９５体積％以下がさらに好ましい。非酸化性気体の体積濃度は、非酸化性雰囲気を形成するガスの全体体積に対して、７０体積％以上が好ましく、８０体積％以上がより好ましく、８５体積％以上がさらに好ましい。
炭素化収率の向上と製造コストのバランスを考慮すると、非酸化性気体の体積濃度は、非酸化性雰囲気を形成するガスの全体体積に対して、７０〜９８体積％が好ましく、８０〜９８体積％がより好ましく、８５〜９８体積％がさらに好ましい。
The volume concentration of the oxidizing substance is preferably 50 ppm or less, more preferably 20 ppm or less, and further preferably 5 ppm or less with respect to the total volume of the gas forming the non-oxidizing atmosphere. If the organic polymer substance is carbonized in a non-oxidizing atmosphere containing the gaseous substance (A) and having an oxidizing substance concentration of 50 ppm or less, the carbonization yield is further improved. The volume concentration of the non-oxidizing gas is preferably 99% by volume or less, more preferably 98% by volume or less, and still more preferably 95% by volume or less with respect to the total volume of the gas forming the non-oxidizing atmosphere. The volume concentration of the non-oxidizing gas is preferably 70% by volume or more, more preferably 80% by volume or more, and still more preferably 85% by volume or more with respect to the total volume of the gas forming the non-oxidizing atmosphere.
Considering the balance between improvement in carbonization yield and production cost, the volume concentration of the non-oxidizing gas is preferably 70 to 98% by volume, and preferably 80 to 98% with respect to the total volume of the gas forming the non-oxidizing atmosphere. Volume% is more preferable, and 85 to 98 volume% is more preferable.
第一の炭素化工程における炭素化処理の温度は４００℃超であり、４５０℃以上が好ましい。炭素化処理の温度が４００℃超であれば、炭素化収率が向上する。 第一の炭素化工程における炭素化処理の温度は１０００℃以下が好ましい。炭素化処理の温度が１０００℃以下であれば、炭素化収率を良好に維持できる。
特に、第一の炭素化工程の後に第二の炭素化工程を行わない場合、炭素化収率を良好に維持できる点で、第一の炭素化工程における炭素化処理の温度は１０００℃以下が好ましく、８００℃以下がより好ましい。
第一の炭素化工程の後に第二の炭素化工程を行う場合であって、第二の炭素化工程における炭素化処理の温度が１０００℃以上１２００℃未満の場合は、炭素化収率を良好に維持できる点で、第一の炭素化工程における炭素化処理の温度は８５０℃以下が好ましく、８００℃以下がより好ましい。
また、第二の炭素化工程における炭素化処理の温度が１２００℃以上１４００℃未満の場合、炭素化収率を良好に維持できる点で、第一の炭素化工程における炭素化処理の温度は８５０℃以下が好ましく、８００℃以下がより好ましい。
また、第二の炭素化工程における炭素化処理の温度が１４００℃以上２０００℃以下の場合、炭素化収率を良好に維持できる点で、第一の炭素化工程における炭素化処理の温度は８５０℃以下が好ましく、５８０℃以下がより好ましい。
The temperature of the carbonization treatment in the first carbonization step is over 400 ° C, and preferably 450 ° C or higher. If the temperature of carbonization processing exceeds 400 degreeC, a carbonization yield will improve. As for the temperature of the carbonization process in a 1st carbonization process, 1000 degrees C or less is preferable. If the carbonization temperature is 1000 ° C. or lower, the carbonization yield can be maintained satisfactorily.
In particular, when the second carbonization step is not performed after the first carbonization step, the temperature of the carbonization treatment in the first carbonization step is 1000 ° C. or less in that the carbonization yield can be maintained satisfactorily. Preferably, 800 degrees C or less is more preferable.
When the second carbonization step is performed after the first carbonization step, and the temperature of the carbonization treatment in the second carbonization step is 1000 ° C. or higher and lower than 1200 ° C., the carbonization yield is good The temperature of the carbonization treatment in the first carbonization step is preferably 850 ° C. or less, and more preferably 800 ° C. or less.
Moreover, when the temperature of the carbonization process in a 2nd carbonization process is 1200 degreeC or more and less than 1400 degreeC, the temperature of the carbonization process in a 1st carbonization process is 850 at the point which can maintain a carbonization yield favorably. ° C or lower is preferable, and 800 ° C or lower is more preferable.
Moreover, when the temperature of the carbonization process in a 2nd carbonization process is 1400 degreeC or more and 2000 degrees C or less, the temperature of the carbonization process in a 1st carbonization process is 850 at the point which can maintain a carbonization yield favorably. ° C or lower is preferable, and 580 ° C or lower is more preferable.
第一の炭素化工程における炭素化処理の時間は、０．５分以上が好ましく、１分以上がより好ましく、５分以上がさらに好ましく、１０分以上が特に好ましく、１５分以上が最も好ましい。第一の炭素化工程における炭素化処理の時間が、０．５分以上であれば、炭素化収率が高くなるために好ましい。第一の炭素化工程における炭素化処理の時間が長くなるほど炭素化収率はより向上する傾向にあるが、長すぎても炭素化収率の向上は頭打ちとなる。生産性の観点から、第一の炭素化工程における炭素化処理の時間は３００分以下が好ましく、２４０分以下がより好ましく、１８０分以下がさらに好ましい。
炭素化収率の向上と生産性のバランスを考慮すると、第一の炭素化工程における炭素化処理の時間は、０．５〜３００分が好ましく、１〜２４０分がより好ましく、５〜１８０分がさらに好ましく、１０〜１８０分が特に好ましく、１５〜１８０分が最も好ましい。
The carbonization treatment time in the first carbonization step is preferably 0.5 minutes or more, more preferably 1 minute or more, further preferably 5 minutes or more, particularly preferably 10 minutes or more, and most preferably 15 minutes or more. If the time of the carbonization process in a 1st carbonization process is 0.5 minute or more, since the carbonization yield becomes high, it is preferable. The carbonization yield tends to be further improved as the time of the carbonization treatment in the first carbonization process becomes longer. However, even if it is too long, the improvement of the carbonization yield reaches its peak. From the viewpoint of productivity, the time for the carbonization treatment in the first carbonization step is preferably 300 minutes or less, more preferably 240 minutes or less, and even more preferably 180 minutes or less.
Considering the balance between improvement in carbonization yield and productivity, the time for carbonization treatment in the first carbonization step is preferably 0.5 to 300 minutes, more preferably 1 to 240 minutes, and more preferably 5 to 180 minutes. Is more preferable, 10 to 180 minutes is particularly preferable, and 15 to 180 minutes is most preferable.
第一の炭素化工程における炭素化処理の方法としては、例えば４００℃超に設定した炭素化炉にガス状物質（Ａ）と非酸化性気体との混合ガスを導入した状態で、有機系高分子物質（炭素化工程の前に上述した酸化工程を行う場合は、有機系高分子物質前駆体を酸化処理することによって得た有機系高分子物質）を通過させることで、有機系高分子物質を加熱して炭素化処理する。
炭素化処理の温度は４００℃超であれば、一定でもよいし、昇温させてもよい。昇温させる場合、例えば炭素化炉内に複数の加熱ゾーンを設置し、上流側の加熱ゾーンから下流側の加熱ゾーンに向かって温度が高くなるように各加熱ゾーンの温度を設定して、上流側の加熱ゾーンから下流側の加熱ゾーンに向かって順次通過させて処理することで実現できる。
As a carbonization treatment method in the first carbonization step, for example, in a state in which a mixed gas of a gaseous substance (A) and a non-oxidizing gas is introduced into a carbonization furnace set to be higher than 400 ° C. By passing a molecular material (an organic polymer material obtained by oxidizing an organic polymer material precursor when the oxidation process described above is performed before the carbonization process), an organic polymer material is passed. Is heated and carbonized.
As long as the temperature of the carbonization treatment exceeds 400 ° C., the temperature may be constant or the temperature may be raised. When raising the temperature, for example, multiple heating zones are installed in the carbonization furnace, and the temperature of each heating zone is set so that the temperature increases from the upstream heating zone toward the downstream heating zone. This can be realized by sequentially passing from the heating zone on the side toward the heating zone on the downstream side.
（第二の炭素化工程）
第二の炭素化工程における炭素化処理の温度は１０００℃以上であり、１２００℃以上が好ましい。炭素化処理の温度が１０００℃以上であれば、耐熱性や機械的特性の向上効果が十分に得られる。
炭素化収率と、耐熱性や機械的特性とのバランスを考慮すると、第二の炭素化工程における炭素化処理の温度は、２０００℃以下が好ましく、１６００℃以下がより好ましい。
(Second carbonization process)
The temperature of the carbonization treatment in the second carbonization step is 1000 ° C. or higher, and preferably 1200 ° C. or higher. If the temperature of the carbonization treatment is 1000 ° C. or higher, the effect of improving heat resistance and mechanical properties can be sufficiently obtained.
In consideration of the balance between the carbonization yield and the heat resistance and mechanical properties, the temperature of the carbonization treatment in the second carbonization step is preferably 2000 ° C. or less, and more preferably 1600 ° C. or less.
第二の炭素化工程における炭素化処理の時間は、０．５〜３０分が好ましく、１〜２０分がより好ましい。第二の炭素化工程における炭素化処理の時間が、０．５分以上であれば、得られる炭素材料の機械特性が向上するために好ましく、３０分以下であれば、得られる炭素材料の機械特性が向上することと、生産性が高くなるために好ましい。 The time for the carbonization treatment in the second carbonization step is preferably 0.5 to 30 minutes, and more preferably 1 to 20 minutes. If the time of the carbonization treatment in the second carbonization step is 0.5 minutes or more, it is preferable for improving the mechanical properties of the obtained carbon material, and if it is 30 minutes or less, the resulting carbon material machine. It is preferable because the characteristics are improved and the productivity is increased.
第二の炭素化工程における炭素化処理の方法としては、例えば窒素ガスが満たされた、１０００℃以上に設定した炭素化炉に、第一の炭素化工程を行った後の有機系高分子物質を通過させることで、有機系高分子物質を加熱して炭素化処理する。
炭素化処理の温度は１０００℃以上であれば、一定でもよいし、昇温させてもよい。昇温させる場合、例えば炭素化炉内に複数の加熱ゾーンを設置し、上流側の加熱ゾーンから下流側の加熱ゾーンに向かって温度が高くなるように各加熱ゾーンの温度を設定して、上流側の加熱ゾーンから下流側の加熱ゾーンに向かって順次通過させて処理することで実現できる。
As a carbonization treatment method in the second carbonization step, for example, an organic polymer material after the first carbonization step is performed in a carbonization furnace filled with nitrogen gas and set at 1000 ° C. or higher. By passing through, the organic polymer substance is heated and carbonized.
The temperature of the carbonization treatment may be constant as long as it is 1000 ° C. or higher, and the temperature may be raised. When raising the temperature, for example, multiple heating zones are installed in the carbonization furnace, and the temperature of each heating zone is set so that the temperature increases from the upstream heating zone toward the downstream heating zone. This can be realized by sequentially passing from the heating zone on the side toward the heating zone on the downstream side.
＜その他の工程＞
炭素化工程により得られた炭素材料は、そのまま炭素材料として用いることができるが、必要に応じて公知の方法により黒鉛化したものを炭素材料として用いてもよい。例えば炭素材料を不活性雰囲気中、最高温度が２０００℃を超えて３０００℃以下で加熱することにより黒鉛化された炭素材料が得られる。
<Other processes>
The carbon material obtained by the carbonization step can be used as it is as the carbon material, but if necessary, the carbon material graphitized by a known method may be used as the carbon material. For example, a graphitized carbon material can be obtained by heating the carbon material in an inert atmosphere at a maximum temperature exceeding 2000 ° C. and 3000 ° C. or less.
また、炭素材料が炭素繊維である場合は、炭素繊維に集束性を付与するために、サイジング処理をすることもできる。
サイジング処理に用いるサイジング剤としては、所望の特性を得ることができれば特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂、ポリエーテル樹脂、エポキシ変性ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂を主成分としたサイジング剤が挙げられる。サイジング処理の方法としては、公知の方法を用いることができる。
In addition, when the carbon material is carbon fiber, sizing treatment can also be performed in order to impart convergence to the carbon fiber.
The sizing agent used for the sizing treatment is not particularly limited as long as desired characteristics can be obtained, and examples thereof include a sizing agent mainly composed of an epoxy resin, a polyether resin, an epoxy-modified polyurethane resin, and a polyester resin. A known method can be used as the sizing method.
＜作用効果＞
以上説明した、本発明の炭素材料の製造方法によれば、アセチレンおよびアセチレン誘導体の少なくとも一方からなるガス状物質（Ａ）を含む非酸化性雰囲気中で、有機系高分子物質を４００℃超に加熱して炭素化処理するので、炭素化収率を低下させることなく効率的に炭素材料を製造することができ、ひいては炭素材料の製造コストを低減できる。炭素化収率の低下を抑制できる理由については、以下のように考えられる。
すなわち、前記非酸化性雰囲気中で有機系高分子物質を４００℃超に加熱して炭素化処理すると、アセチレンまたはアセチレン誘導体が接着剤のような役割を果たし、炭素原子の脱離が抑制され、炭素化収率の低下を抑制できると考えられる。また、炭素化処理中に有機系高分子物質を構成するポリマー鎖の一部が熱分解して脱離し易い状態になっても、アセチレンまたはアセチレン誘導体の作用により脱離し易い状態になったポリマー鎖が炭素材料に取り込まれることでも、炭素化収率の低下を抑制できると考えられる。
<Effect>
According to the method for producing a carbon material of the present invention described above, the organic polymer substance is heated to over 400 ° C. in a non-oxidizing atmosphere containing a gaseous substance (A) composed of at least one of acetylene and an acetylene derivative. Since the carbonization treatment is performed by heating, the carbon material can be efficiently produced without lowering the carbonization yield, and consequently the production cost of the carbon material can be reduced. The reason why the decrease in the carbonization yield can be suppressed is considered as follows.
That is, when the organic polymer substance is heated to 400 ° C. and carbonized in the non-oxidizing atmosphere, acetylene or an acetylene derivative serves as an adhesive, and the elimination of carbon atoms is suppressed. It is thought that a decrease in carbonization yield can be suppressed. In addition, even if a part of the polymer chain constituting the organic polymer substance is easily decomposed by thermal decomposition during carbonization, the polymer chain is easily released by the action of acetylene or an acetylene derivative. It is considered that the decrease in the carbonization yield can be suppressed even when the is taken into the carbon material.
なお、上述した酸化工程では、有機系高分子物質前駆体からなる前駆体繊維（すなわち、繊維状の有機系高分子物質前駆体）を酸化処理しているが、繊維状以外の形状の、または融解または溶解した、有機系高分子物質前駆体を炭素化処理する前に、酸化処理を行ってもよい。 In the above-described oxidation step, precursor fibers composed of organic polymer material precursors (that is, fibrous organic polymer material precursors) are oxidized, but in a shape other than fibrous or An oxidation treatment may be performed before the organic polymer substance precursor that has been melted or dissolved is carbonized.
「炭素材料」
本発明の炭素材料は、上述した本発明の炭素材料の製造方法により得られるものである。
例えば、炭素材料が炭素繊維である場合は、マトリックス樹脂と組み合わされて、複合材料として成形され、様々な用途に利用される。
マトリックス樹脂としては特に制限されないが、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等のラジカル重合系樹脂、熱可塑性アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、これらの樹脂の変性体を用いることもできる。また、マトリックス樹脂としては市販品を用いてもよい。
本発明の炭素材料からなる炭素繊維を用いた複合材料の用途としては特に限定されず、例えば、自動車用部材、航空宇宙素材、スポーツ・レジャー用素材、圧力容器等の工業用素材など、幅広い用途に使用できる。
本発明の炭素材料の炭素繊維以外の用途としては、透明導電膜、トランジスタ、キャパシタなどのエレクトロニクス用部材、強化フィラー、導電性フィラーなどのフィラー剤などが挙げられ、本発明の炭素材料は幅広い用途に使用できる。
"Carbon materials"
The carbon material of the present invention is obtained by the above-described method for producing a carbon material of the present invention.
For example, when the carbon material is carbon fiber, it is combined with a matrix resin, molded as a composite material, and used for various applications.
The matrix resin is not particularly limited. For example, a thermosetting resin such as an epoxy resin or a phenol resin, a radical polymerization resin such as an acrylic resin, a vinyl ester resin, or an unsaturated polyester resin, a thermoplastic acrylic resin, a polyamide resin, or a polyimide resin. And thermoplastic resins such as polycarbonate resin, polypropylene resin, and polyethylene resin. Moreover, the modified body of these resin can also be used. Moreover, you may use a commercial item as matrix resin.
The application of the composite material using the carbon fiber made of the carbon material of the present invention is not particularly limited, and includes a wide range of uses such as automotive materials, aerospace materials, sports / leisure materials, and industrial materials such as pressure vessels. Can be used for
Applications other than the carbon fiber of the carbon material of the present invention include transparent conductive films, electronic parts such as transistors and capacitors, filler agents such as reinforcing fillers and conductive fillers, etc. The carbon materials of the present invention are widely used. Can be used for
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples, but the present invention is not limited thereto.
「実施例１」
＜前駆体繊維の製造＞
アクリロニトリル系重合体（アクリロニトリル単位の含有量：９６質量％、アクリルアミド単位の含有量：３質量％、メタクリル酸単位の含有量：１質量％）を、濃度が２２質量％になるようにジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）に溶解し、紡糸原液を調製した。この紡糸原液を孔径６０μｍ、孔数２００の紡糸口金を通し、温度３５℃、濃度６７質量％のＤＭＡＣ水溶液を満たした凝固浴中で凝固させ、凝固糸とした。得られた凝固糸を温水中で脱溶媒しながら延伸した後、アミノ変性シリコーン油剤を付与した。さらに加圧スチーム中で延伸して単繊維数２００本、単繊維繊度１．２ｄｔｅｘの有機系高分子物質からなる前駆体繊維を得た。
"Example 1"
<Manufacture of precursor fibers>
Acrylonitrile-based polymer (acrylonitrile unit content: 96% by mass, acrylamide unit content: 3% by mass, methacrylic acid unit content: 1% by mass) was added to dimethylacetamide (concentration of 22% by mass). In order to prepare a spinning dope. This spinning dope was passed through a spinneret having a pore diameter of 60 μm and a pore number of 200, and coagulated in a coagulation bath filled with a DMAC aqueous solution having a temperature of 35 ° C. and a concentration of 67% by mass to obtain a coagulated yarn. The obtained coagulated yarn was stretched while removing the solvent in warm water, and then an amino-modified silicone oil was applied. Furthermore, it was stretched in pressurized steam to obtain a precursor fiber made of an organic polymer substance having 200 single fibers and a single fiber fineness of 1.2 dtex.
＜炭素繊維の製造＞
得られた前駆体繊維を空気中、温度２６０℃、緊張下で、加熱時間を２０分として加熱して耐炎化処理し、密度（ρ）が１．３４ｇ／ｃｍ３の前駆体繊維（耐炎化繊維）を得た（酸化工程）。
ついで、熱重量測定装置（株式会社日立ハイテクノロジーズ製、「ＳＴＡ７３００」）に混合ガスの導入経路を設けたものを用い、この装置にガス状物質（Ａ）としてアセチレンガス（大陽日酸ガス＆ウェルディング株式会社製、「超高純度アセチレンＨＡ−５Ｎ」）と、非酸化性気体として窒素ガスからなる混合ガス（アセチレンガスの体積濃度：１０体積％、窒素ガスの体積濃度：９０体積％）を導入しつつ、耐炎化繊維を加熱した。具体的には、混合ガスを導入した状態で３０℃から１５０℃まで昇温速度１００℃／分で昇温し、１５０℃で３０分保持した後、１５０℃から５００℃まで昇温速度５０℃／分で昇温した。５００℃に到達した後、５００℃で２０分間保持した（第一の炭素化工程）。
引き続き、装置内の雰囲気を混合ガスから窒素ガスに置換し、５００℃で２０分間保持した後、最高到達温度１３５０℃まで昇温速度１０℃／分で昇温し、炭素繊維を得た。
導入するガス中の酸素濃度を微量酸素濃度計（テクネ計測社製、「２００１ＬＣ酸素計」）により、ＤＭＦ濃度を、ガス検知器（ガステック社製「ＧＶ−１００Ｓ」）および検知管（ガステック社製「ガス検知管 Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド」）にて測定した。
雰囲気温度の上昇による繊維の重量変化から炭素化収率を算出した。具体的には、昇温前の耐炎化繊維の重量と各温度での繊維の重量との差を、昇温前の耐炎化繊維の重量で除して炭素化収率を算出した。
図１に、温度（横軸）に対して炭素化収率（縦軸）をプロットしたグラフを示す。また、表１に、混合ガス中のアセチレン体積濃度、酸化性不純物濃度、１３５０℃における炭素化収率を示す。
<Manufacture of carbon fiber>
The obtained precursor fiber was subjected to a flame resistance treatment by heating in air at a temperature of 260 ° C. under tension for a heating time of 20 minutes, and a precursor fiber having a density (ρ) of 1.34 g / cm 3 (flame resistance). Fiber) was obtained (oxidation step).
Next, a thermogravimetric measurement device (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, “STA7300”) provided with a mixed gas introduction path was used, and acetylene gas (Taiyo Nippon Oil & Gas) was used as a gaseous substance (A) in this device. “Super high purity acetylene HA-5N” manufactured by Welding Co., Ltd.) and a mixed gas composed of nitrogen gas as a non-oxidizing gas (volume concentration of acetylene gas: 10 vol%, volume concentration of nitrogen gas: 90 vol%) The flame resistant fiber was heated while introducing. Specifically, the temperature is raised from 30 ° C. to 150 ° C. at a heating rate of 100 ° C./min with the mixed gas being introduced, and held at 150 ° C. for 30 minutes, and then the heating rate from 150 ° C. to 500 ° C. is 50 ° C. The temperature was raised at / min. After reaching 500 ° C., it was held at 500 ° C. for 20 minutes (first carbonization step).
Subsequently, the atmosphere in the apparatus was replaced with nitrogen gas from the mixed gas, held at 500 ° C. for 20 minutes, and then heated to a maximum temperature of 1350 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min to obtain carbon fibers.
The oxygen concentration in the gas to be introduced was measured with a trace oxygen concentration meter (Techne Measurement Co., Ltd., “2001LC Oxygen Meter”), the DMF concentration was measured with a gas detector (“GV-100S” manufactured by Gastec Co., Ltd.) and a detector tube (Gastech). It was measured with “Gas detector tube N, N′-dimethylformamide” manufactured by the company.
The carbonization yield was calculated from the change in fiber weight due to the increase in ambient temperature. Specifically, the carbonization yield was calculated by dividing the difference between the weight of the flameproof fiber before the temperature rise and the weight of the fiber at each temperature by the weight of the flameproof fiber before the temperature rise.
FIG. 1 shows a graph plotting carbonization yield (vertical axis) against temperature (horizontal axis). Table 1 shows the carbonization yield at 1350 ° C. in the acetylene volume concentration, the oxidizing impurity concentration in the mixed gas.
「比較例１」
第一の炭素化工程で、導入する混合ガスをアセチレンガスの体積濃度：１０体積％、窒素ガスの体積濃度：９０体積％、空気の体積濃度：０．４７体積％）とした以外は、実施例１と同様にして炭素繊維を製造した。結果を図１および表１に示す。
"Comparative Example 1"
Implementation was performed except that the mixed gas to be introduced in the first carbonization step was changed to acetylene gas volume concentration: 10 volume%, nitrogen gas volume concentration: 90 volume%, air volume concentration: 0.47 volume%) Carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG.
「比較例２」
第一の炭素化工程で、ガス状物質（Ａ）としてアセチレンガス（大陽日酸ガス＆ウェルディング株式会社製、「超高純度アセチレンＨＡ−３Ｎ」）を用いた以外は、実施例１と同様にして炭素繊維を製造した。結果を図１および表１に示す。
“Comparative Example 2”
Example 1 except that in the first carbonization step, acetylene gas (manufactured by Taiyo Nippon Sanso Gas & Welding Co., Ltd., “ultra-high purity acetylene HA-3N”) was used as the gaseous substance (A). Carbon fibers were produced in the same manner. The results are shown in FIG.
「比較例３」
第一の炭素化工程で、混合ガスの代わりに窒素ガスを用いた以外は、実施例１と同様にして炭素繊維を製造した。結果を図１および表１に示す。
“Comparative Example 3”
Carbon fibers were produced in the same manner as in Example 1 except that nitrogen gas was used instead of the mixed gas in the first carbonization step. The results are shown in FIG.
比較例１では混合ガス中に酸素が含まれていることにより、酸素がアセチレンあるいは前駆体と反応し、炭素化収率の向上を阻害したと考えられる。
比較例２では混合ガス中にアセチレンを溶解させるための、ＤＭＦが含まれている。分子構造中に酸素を含むＤＭＦが、直接あるいは分解してから、アセチレンあるいは前駆体と反応し、前駆体構造中に酸素が取り込まれる。この前駆体構造が、後工程でＣＯ２やＣＯを発生する分解・脱離反応を起こすことにより、炭素化収率が低下すると考えられる。
In Comparative Example 1, it is considered that oxygen contained in the mixed gas caused oxygen to react with acetylene or a precursor, thereby inhibiting improvement in the carbonization yield.
In Comparative Example 2, DMF for dissolving acetylene in the mixed gas is included. After DMF containing oxygen in the molecular structure is directly or decomposed, it reacts with acetylene or a precursor, and oxygen is taken into the precursor structure. This precursor structure is considered to cause a carbonization yield to be lowered by causing a decomposition / desorption reaction that generates CO2 and CO in a later step.
本発明の炭素材料の製造方法によれば、炭素化収率を低下させることなく効率的に炭素材料を製造できる。 According to the method for producing a carbon material of the present invention, the carbon material can be produced efficiently without reducing the carbonization yield.
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| WO2019240109A1 (en) | 2018-06-12 | 2019-12-19 | 日本発條株式会社 | Stabilizer and method for manufacturing same |
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|---|---|---|---|---|
| US4385043A (en) * | 1981-07-10 | 1983-05-24 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Method of carbonizing polyacrylonitrile fibers |
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2017
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