JP2021059829A - Carbon fiber and production method of the same - Google Patents

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治己 奥田
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文彦 田中
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潤 渡邉
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Abstract

To provide a carbon fiber having superior mechanical characteristics specific to the carbon fiber, and convergence properties and openable properties at high balance.SOLUTION: A carbon fiber is made of plural monofilaments, in which an average value of long axis/short axis ratio in a cross-section of monofilament is 1.00-1.15, a variation coefficient of the long axis/short axis ratio is 3-15%, and skewness of the long axis/short axis ratio is 1.2-4.0.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、力学特性および高次加工性を両立する炭素繊維およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a carbon fiber having both mechanical properties and higher workability and a method for producing the carbon fiber.

低比重でありながら力学特性に優れる炭素繊維は、近年ますますその利用範囲が広がっている。炭素繊維に求められる特性は用途ごとに異なるが、力学特性と高次加工性を高いレベルで両立することは、概ね用途によらず重要なポイントである。今後さらに炭素繊維の利用が増えると予測されるなか、力学特性と高次加工性の両立において、さらに一層の高いレベルが求められていくと考えられる。炭素繊維は、極めて細い単繊維が多数集合したものであるため、炭素繊維強化複合材料を得る高次加工のプロセスにおいて、取り扱い性や拡がり性、工程通過性などが重視される場合が多い。炭素繊維の拡がり性(開繊性と呼ばれることもある)は、得られる炭素繊維強化複合材料の力学特性にも影響を与えると言う意味で特に重要である。 In recent years, the range of use of carbon fiber, which has a low specific gravity and excellent mechanical properties, has been expanding. The properties required for carbon fiber differ depending on the application, but it is an important point to achieve both mechanical properties and high-order workability at a high level, regardless of the application. As the use of carbon fiber is expected to increase further in the future, it is expected that even higher levels will be required to achieve both mechanical properties and higher workability. Since carbon fibers are a collection of a large number of extremely fine single fibers, handleability, spreadability, process passability, etc. are often emphasized in the process of higher-order processing for obtaining a carbon fiber reinforced composite material. The spreadability of carbon fibers (sometimes called openness) is particularly important in the sense that it also affects the mechanical properties of the resulting carbon fiber reinforced composite.

いくつか種類のある炭素繊維のうちでも、工業的な使用量が最も多いポリアクリロニトリル系炭素繊維は、ポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維を200〜300℃の酸化性雰囲気下で耐炎化繊維へ転換する耐炎化工程、300〜2000℃の不活性雰囲気下で炭素化する炭素化工程を経て工業的に製造される。得られたポリアクリロニトリル系炭素繊維には、高次加工性を高めることを目的の一つとして、サイジング剤が付与されることが多い。サイジング剤は、拡がり性にも影響を与えるため、用途に合わせた種々のサイジング剤が利用されている。一方、サイジング剤には有機化合物が用いられることが多く、成形加工時に熱分解することもあるため、より幅広い用途への展開を考えると、サイジング剤以外の手段で拡がり性を制御することが好ましい手段の一つである。 Among several types of carbon fibers, polyacrylonitrile-based carbon fibers, which are used most industrially, convert polyacrylonitrile-based carbon fiber precursor fibers into flame-resistant fibers in an oxidizing atmosphere at 200 to 300 ° C. It is industrially manufactured through a flameproofing step and a carbonization step of carbonizing in an inert atmosphere at 300 to 2000 ° C. A sizing agent is often added to the obtained polyacrylonitrile-based carbon fiber for the purpose of enhancing higher workability. Since the sizing agent also affects the spreadability, various sizing agents according to the application are used. On the other hand, organic compounds are often used as sizing agents, and they may be thermally decomposed during molding. Therefore, considering the development to a wider range of applications, it is preferable to control the spreadability by means other than the sizing agent. It is one of the means.

サイジング剤以外に拡がり性に影響する要素として、炭素繊維の単繊維の断面形状に着目した検討例が知られている。例えば、特許文献1では、収束性と開繊性をいずれも高いレベルとするために、断面形状の異なる単繊維が一定割合で混合された炭素繊維とすることが提案されている。また、特許文献2では、開繊性を高めるために、断面形状の異なる単繊維を一定割合で混合することが提案されている。また、開繊性には触れられていないものの、炭素繊維の単繊維の断面形状として、一定割合の卵形の断面を有する単繊維を含む炭素繊維が、特許文献3において提案されている。 In addition to the sizing agent, as an element that affects the spreadability, an example of study focusing on the cross-sectional shape of a single carbon fiber is known. For example, Patent Document 1 proposes carbon fibers in which single fibers having different cross-sectional shapes are mixed at a constant ratio in order to achieve high levels of both convergence and openness. Further, Patent Document 2 proposes mixing single fibers having different cross-sectional shapes at a constant ratio in order to enhance the fibrous opening property. Further, although the openness is not mentioned, as a cross-sectional shape of the single fiber of the carbon fiber, a carbon fiber containing a single fiber having an oval cross section of a certain ratio has been proposed in Patent Document 3.

特開2012−188766号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-188766 特開2016−30869号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-30869 国際公開第WO2015/016199号International Publication No. WO2015 / 016199

しかしながら、従来の技術には次のような課題がある。 However, the conventional technique has the following problems.

特許文献1および2では、特定の条件下で金属製のロール上を走行させた場合において開繊性が高まる効果が見られているものの、収束性とのバランスに課題があった。 In Patent Documents 1 and 2, although the effect of increasing the fiber opening property is observed when the metal roll is run under specific conditions, there is a problem in the balance with the convergence.

特許文献3では、単繊維の断面が卵形であることにより破断原因を確認しやすい利点があるものの、収束性と開繊性の両立については述べられておらず、実際にはこれらの特性を高いレベルで両立するものではなかった。 Patent Document 3 has an advantage that the cause of fracture can be easily confirmed because the cross section of the single fiber is oval, but it does not describe both convergence and openness, and actually, these characteristics are described. It was not compatible at a high level.

以上まとめると、従来の技術には、炭素繊維の高い力学特性を保ったまま、収束性と開繊性を高いレベルで両立させる方法が記載されておらず、これらを高いレベルで両立させる方法の獲得が課題であった。 In summary, the conventional technology does not describe a method for achieving both convergence and openness at a high level while maintaining the high mechanical properties of carbon fibers, and a method for achieving both at a high level. Acquisition was an issue.

上記の目的を達成するために、本発明の炭素繊維は、複数本の単繊維からなる炭素繊維であって、単繊維横断面の長径短径比の平均値が1.00〜1.15、変動係数が3〜15%、歪度が1.2〜4.0である炭素繊維である。 In order to achieve the above object, the carbon fiber of the present invention is a carbon fiber composed of a plurality of single fibers, and the average value of the major axis / minor axis ratio of the cross section of the single fiber is 1.00 to 1.15. It is a carbon fiber having a coefficient of variation of 3 to 15% and a skewness of 1.2 to 4.0.

本発明の炭素繊維は、炭素繊維特有の優れた力学特性と、収束性および開繊性を高いバランスで兼ね備えた炭素繊維である。本発明の炭素繊維を用いることにより、高性能な炭素繊維強化複合材料を高い生産性で得ることができる。 The carbon fiber of the present invention is a carbon fiber having excellent mechanical properties peculiar to carbon fiber and a high balance of convergence and openness. By using the carbon fiber of the present invention, a high-performance carbon fiber reinforced composite material can be obtained with high productivity.

図1は、単繊維横断面に2箇所以上の凹み部を有する単繊維の模式図である。FIG. 1 is a schematic view of a single fiber having two or more recessed portions in the cross section of the single fiber. 図2は、単繊維横断面が空豆形の単繊維の模式図である。FIG. 2 is a schematic view of a single fiber having a broad bean-shaped cross section. 図3は、繊維軸のゆらぎ幅の評価方法を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic view showing a method for evaluating the fluctuation width of the fiber shaft.

本発明の炭素繊維は、複数本の単繊維からなる炭素繊維であって、単繊維横断面の長径短径比の平均値が1.00〜1.15、変動係数が3〜15%、歪度が1.2〜4.0である炭素繊維である。本発明において単繊維横断面とは、繊維軸に垂直な単繊維の断面のことを指す。また、本発明において長径短径比とは、単繊維横断面における長径を短径で除した比のことを指す。また、本発明において長径とは、単繊維横断面における最も離れた2点をつないだ線分のことを指し、短径とは、かかる長径を長軸とし、単繊維横断面と断面積が等しい楕円の短軸のことを指す。平均値は重み付けなどをしない単純平均であり、変動係数は一般的な定義のとおり標準偏差を平均値で割り、100(%)をかけることにより算出する。歪度は、分布の非対称性を表すパラメーターであり、以下の式(1)で定義される。 The carbon fiber of the present invention is a carbon fiber composed of a plurality of single fibers, and the average value of the major axis / minor axis ratio of the cross section of the single fiber is 1.00 to 1.15, the coefficient of variation is 3 to 15%, and the skewness. It is a carbon fiber having a degree of 1.2 to 4.0. In the present invention, the single fiber cross section refers to the cross section of the single fiber perpendicular to the fiber axis. Further, in the present invention, the major axis / minor axis ratio refers to a ratio obtained by dividing the major axis in the cross section of a single fiber by the minor axis. Further, in the present invention, the major axis refers to a line segment connecting the two most distant points in the cross section of the single fiber, and the minor axis has the major axis as the major axis and has the same cross-sectional area as the cross section of the single fiber. Refers to the minor axis of the ellipse. The average value is a simple average without weighting, and the coefficient of variation is calculated by dividing the standard deviation by the average value and multiplying by 100 (%) as defined in the general definition. Skewness is a parameter representing the asymmetry of the distribution and is defined by the following equation (1).

歪度=n/(n−1)/(n−2)×Σ{(x−<x>)/s} ・・・(1)
ここで、nは単繊維の本数(本)、xはi番目の単繊維の長径短径比(−)、<x>は長径短径比の平均値(−)、sは長径短径比の標準偏差(−)を意味する。また、Σは単繊維の本数nの分だけ和をとることを意味する。注目する任意のパラメーターの頻度分布において、歪度の値が0では分布が左右対称、負の値は小さい側に裾野を引くこと、正の値は大きい側に裾野を引くことを、それぞれ表す。例えば、単繊維の本数nが3本で、それぞれの長径短径比が1.0、1.5、2.0の場合、平均値は1.5、標準偏差sは0.5であるため、式(1)により長径短径比の歪度は0となる。また、3本の単繊維の長径短径比が1.0、1.0、2.0の場合、式(1)により長径短径比の歪度は1.73となり、値の大きい側に裾野を引いた分布形状であることが表現される。
Skewness = n / (n-1) / (n-2) × Σ {(x i − <x>) / s} 3 ... (1)
Here, n is the number of single fibers (lines), x i is the major axis / minor axis ratio (-) of the i-th single fiber, <x> is the average value of the major axis / minor axis ratio (-), and s is the major axis / minor axis. It means the standard deviation (-) of the ratio. Further, Σ means that the sum is taken by the number n of single fibers. In the frequency distribution of any parameter of interest, a skewness value of 0 indicates that the distribution is symmetrical, a negative value indicates that the base is drawn on the smaller side, and a positive value indicates that the base is drawn on the larger side. For example, when the number n of single fibers is 3 and the major axis / minor axis ratios are 1.0, 1.5, and 2.0, the average value is 1.5 and the standard deviation s is 0.5. , The skewness of the major axis minor axis ratio becomes 0 according to the equation (1). When the major axis / minor axis ratios of the three single fibers are 1.0, 1.0, and 2.0, the skewness of the major axis / minor axis ratio is 1.73 according to the equation (1), and the value is larger. It is expressed that the distribution shape has a base.

本発明において長径短径比の具体的な評価方法は、前記の定義に従って評価する限り特に限定しないが、例えば次のように評価することができる。まず、炭素繊維の束を引き揃え、繊維軸に垂直になるようにはさみをあて、切断し、その切断面を走査電子顕微鏡により観察する。取得した走査電子顕微鏡像を画像解析ソフトウェアなどに読み込ませ、単繊維横断面の輪郭をトレースする。トレースした単繊維横断面の輪郭から、画像解析ソフトウェアの機能などを用いて、前記定義による長径短径比を算出する。画像解析ソフトウェアにおいて、長径短径比はアスペクト比と呼称される場合があるが、前記定義に従って算出されている限り長径短径比と読み替える。単繊維横断面に異物が重なっている場合、かかる異物が単繊維横断面の輪郭の識別に影響を与えるようであれば、かかる単繊維横断面はスキップし、別の単繊維横断面を用いる。本発明においては、精度を保証するため、長径短径比を算出する単繊維横断面の個数は50個以上とし、炭素繊維の束において、可能な限り異なる場所に存在する単繊維横断面を観察することとする。次に、各要件について、順に説明する。 In the present invention, the specific evaluation method of the major axis / minor axis ratio is not particularly limited as long as it is evaluated according to the above definition, but it can be evaluated as follows, for example. First, a bundle of carbon fibers is aligned, a scissor is applied so as to be perpendicular to the fiber axis, the fiber is cut, and the cut surface is observed with a scanning electron microscope. The acquired scanning electron microscope image is read into image analysis software or the like, and the contour of the cross section of the single fiber is traced. From the contour of the traced single fiber cross section, the major axis / minor axis ratio according to the above definition is calculated by using the function of the image analysis software or the like. In image analysis software, the major axis / minor axis ratio is sometimes called the aspect ratio, but it should be read as the major axis / minor axis ratio as long as it is calculated according to the above definition. When a foreign matter overlaps the single fiber cross section, if the foreign matter affects the identification of the contour of the single fiber cross section, the single fiber cross section is skipped and another single fiber cross section is used. In the present invention, in order to guarantee the accuracy, the number of single fiber cross sections for which the major axis / minor axis ratio is calculated is 50 or more, and the single fiber cross sections existing in different places in the carbon fiber bundle are observed. I decided to. Next, each requirement will be described in order.

本発明の炭素繊維において、長径短径比の平均値は1.00〜1.15であり、好ましくは1.03〜1.13であり、より好ましくは1.05〜1.13である。長径短径比の平均値が1.00に近いほど、単繊維横断面が真円に近い単繊維が多いことを意味する。長径短径比の平均値が大きいほど樹脂含浸ストランド試験における引張強度(以下、単にストランド強度と略記することがある)や収束性が低下しやすいが、上記した範囲内に制御すれば、ストランド強度および収束性は実用上問題ないレベルとなる。単繊維横断面の長径短径比の平均値を上記範囲に制御する方法は、口金孔の形状を変更することや凝固浴条件の変更が一般的に知られている。 In the carbon fiber of the present invention, the average value of the major axis / minor axis ratio is 1.00 to 1.15, preferably 1.03 to 1.13, and more preferably 1.05 to 1.13. The closer the average value of the major axis / minor axis ratio is to 1.00, the more single fibers have a single fiber cross section close to a perfect circle. The larger the average value of the major axis / minor axis ratio, the lower the tensile strength (hereinafter, may be simply abbreviated as strand strength) and convergence in the resin impregnated strand test, but if controlled within the above range, the strand strength is likely to decrease. And the convergence is at a level where there is no problem in practical use. As a method of controlling the average value of the major axis / minor axis ratio of the cross section of a single fiber within the above range, it is generally known that the shape of the base hole is changed and the coagulation bath conditions are changed.

本発明の炭素繊維において、長径短径比の変動係数は3〜15%であり、好ましくは5〜15%であり、より好ましくは3〜10%であり、さらに好ましくは5〜8%である。長径短径比の変動係数が大きいことは、長径短径比が幅広く分布していることを意味しており、開繊性には有利となる方向であるが、大きすぎるとストランド強度や収束性が低下しやすい。長径短径比の変動係数を上記範囲に制御すれば、ストランド強度と収束性、開繊性を高いレベルで両立しやすい。一般的な炭素繊維の多くでは、長径短径比は凝固浴条件で決まることが多く、値はばらつきにくいので、かかる変動係数は3%未満である。単繊維横断面の長径短径比の変動係数を上記範囲に制御する方法は、後述する。 In the carbon fiber of the present invention, the coefficient of variation of the major axis / minor axis ratio is 3 to 15%, preferably 5 to 15%, more preferably 3 to 10%, and further preferably 5 to 8%. .. A large coefficient of variation of the major axis / minor axis ratio means that the major axis / minor axis ratio is widely distributed, which is advantageous for fiber opening, but if it is too large, the strand strength and convergence Is likely to decrease. If the coefficient of variation of the major axis / minor axis ratio is controlled within the above range, it is easy to achieve both strand strength, convergence, and fibrosis at a high level. In many general carbon fibers, the major axis / minor axis ratio is often determined by the coagulation bath conditions, and the value is unlikely to vary, so that the coefficient of variation is less than 3%. A method for controlling the coefficient of variation of the major axis / minor axis ratio of the cross section of a single fiber within the above range will be described later.

本発明の炭素繊維において、長径短径比の歪度は1.2〜4.0であり、好ましくは1.4〜3.0であり、より好ましくは1.5〜2.5であり、さらに好ましくは1.6〜2.0である。本発明者らが検討した結果、炭素繊維のストランド強度と収束性、開繊性を高いレベルで両立するためには、単に長径短径比の平均値を大きくしたり、長径短径比の変動係数を制御したり、単に長径短径比の大きな単繊維を一定割合で混合したりするだけでは不十分であり、歪度を上記範囲に制御することが重要であることがわかった。歪度が1.2以上であるとは、長径短径比の分布形状が長径短径比の大きな側に一定以上裾を引いていることを意味している。このように歪度を制御することにより開繊性が高まる理由は明確ではないものの、定性的には次のように考えられる。すなわち、長径短径比の歪度が大きい状態とは、定義上、長径短径比の大きな単繊維がある一定量存在するものの、長径短径比の平均値は低めを維持した状態を意味する。長径短径比が小さいほど単繊維間のパッキングが良いため収束性が高まりやすく、長径短径比が大きいほど逆に開繊性が高まりやすい。炭素繊維の収束性と開繊性のバランスは、長径短径比の異なる単繊維の存在割合に強く影響されると考えられるが、長径短径比が大きい単繊維による開繊性の向上効果の方が、長径短径比が小さい単繊維による収束性の向上効果と比較して相対的に大きく、長径短径比が大きい単繊維を僅かに加えることが、収束性を低下させずに開繊性の向上効果を最大化するために重要であると考えられる。長径短径比の歪度が1.2以上のとき、収束性と開繊性を高いレベルで両立することができる。長径短径比の歪度が4.0以下のとき、収束性を満足できる範囲とできる。本発明において、長径短径比の変動係数、歪度を上記した範囲に制御する方法については、例えば長径短径比の平均値が異なる2種類以上の炭素繊維前駆体繊維、または耐炎化繊維、または前炭化繊維、または炭素繊維を適切な比率で混合してもよいし、変形しやすい前駆体繊維または耐炎化繊維を束状態のままニップローラーなどで軽く押しつぶして変形させてもよいし、同じく前駆体繊維または耐炎化繊維に撚りを加えて張力を作用させることにより単繊維間に押し付けの力を発生させて変形させてもよい。得られた炭素繊維の単繊維横断面を観察し、微調整することにより、前記した本発明の数値範囲を満足する炭素繊維を得ることができる。 In the carbon fiber of the present invention, the skewness of the major axis / minor axis ratio is 1.2 to 4.0, preferably 1.4 to 3.0, and more preferably 1.5 to 2.5. More preferably, it is 1.6 to 2.0. As a result of the examination by the present inventors, in order to achieve both the strand strength of the carbon fiber, the convergence, and the openness at a high level, simply increase the average value of the major axis / minor axis ratio or change the major axis / minor axis ratio. It was found that it is not enough to control the coefficient or simply mix single fibers having a large major axis / minor axis ratio at a constant ratio, and it is important to control the skewness within the above range. When the skewness is 1.2 or more, it means that the distribution shape of the major axis / minor axis ratio has a hem of a certain amount or more on the side where the major axis / minor axis ratio is large. Although the reason why the fibrous opening property is enhanced by controlling the skewness in this way is not clear, it is qualitatively considered as follows. That is, the state in which the skewness of the major axis / minor axis ratio is large means that, by definition, there is a certain amount of single fibers having a large major axis / minor axis ratio, but the average value of the major axis / minor axis ratio remains low. .. The smaller the major axis / minor axis ratio, the better the packing between single fibers, so that the convergence tends to increase, and the larger the major axis / minor axis ratio, the more likely it is that the fiber opening property increases. It is considered that the balance between the convergence and openness of carbon fibers is strongly influenced by the abundance ratio of single fibers having different major axis / minor axis ratios. It is relatively large compared to the effect of improving the convergence by the single fiber having a small major axis / minor axis ratio, and adding a small amount of the single fiber having a large major axis / minor axis ratio opens the fiber without lowering the convergence. It is considered to be important for maximizing the effect of improving sex. When the skewness of the major axis / minor axis ratio is 1.2 or more, both convergence and openness can be achieved at a high level. When the skewness of the major axis / minor axis ratio is 4.0 or less, the convergence can be satisfied. In the present invention, as for the method of controlling the fluctuation coefficient and strain degree of the major axis / minor axis ratio within the above range, for example, two or more types of carbon fiber precursor fibers or flame resistant fibers having different average values of the major axis / minor axis ratio. Alternatively, the pre-carbonized fibers or carbon fibers may be mixed in an appropriate ratio, or the easily deformable precursor fibers or flame-resistant fibers may be lightly crushed with a nip roller or the like in a bundled state to be deformed. The precursor fibers or flame-resistant fibers may be twisted and tensioned to generate a pressing force between the single fibers to deform the fibers. By observing and fine-tuning the cross section of the obtained single fiber of the carbon fiber, a carbon fiber satisfying the above-mentioned numerical range of the present invention can be obtained.

本発明の炭素繊維において、単繊維横断面に2箇所以上の凹み部を有する単繊維の本数が好ましくは2〜20%、より好ましくは3〜10%含まれる。ここで、凹み部とは、単繊維横断面の輪郭において、繊維中心方向に一定以上凹んだ部分のことを指す。ここで一定以上凹むとは、曲率半径が2μm以上の凹みのことを指し、単繊維表面のしわは凹み部とは見做さない。2箇所以上の凹み部を有する単繊維の一例を図1に示す。2箇所以上の凹み部を有する単繊維は、円形や卵形、空豆形と比較して対称性の低い、いびつな形状をしているため、単繊維間のパッキングを低下させやすく、開繊性を高めることができる。2箇所以上の凹み部を有する単繊維が2%以上含まれると、開繊性を効果的に高めやすい。単繊維横断面に2箇所以上の凹み部を有する単繊維の本数が好ましくは20%以下含まれれば、開繊性と収束性が両立しやすくなる。2箇所以上の凹み部を有する単繊維は、変形しやすい前駆体繊維または耐炎化繊維を束状態のままニップローラーなどで軽く押しつぶして変形させたり、同じく前駆体繊維または耐炎化繊維に撚りを加えて張力を作用させることにより単繊維間に押し付けの力を発生させて変形させたりすることにより、一定の比率で発生させることができる。 In the carbon fiber of the present invention, the number of single fibers having two or more recessed portions in the cross section of the single fiber is preferably 2 to 20%, more preferably 3 to 10%. Here, the recessed portion refers to a portion of the contour of the cross section of the single fiber that is recessed by a certain amount or more in the fiber center direction. Here, a dent of a certain amount or more means a dent having a radius of curvature of 2 μm or more, and a wrinkle on the surface of a single fiber is not regarded as a dent. FIG. 1 shows an example of a single fiber having two or more recessed portions. Single fibers having two or more recesses have a distorted shape with low symmetry compared to circular, oval, and broad bean shapes, so it is easy to reduce the packing between single fibers, and the fibers are open. Can be enhanced. When a single fiber having two or more recessed portions is contained in an amount of 2% or more, it is easy to effectively enhance the fiber opening property. If the number of single fibers having two or more recessed portions in the cross section of the single fiber is preferably 20% or less, it becomes easy to achieve both openness and convergence. For a single fiber having two or more recesses, the easily deformable precursor fiber or flame-resistant fiber is lightly crushed with a nip roller or the like in a bundled state to be deformed, or the precursor fiber or flame-resistant fiber is also twisted. By applying tension to generate a pressing force between the single fibers to deform them, it can be generated at a constant ratio.

本発明の炭素繊維において、単繊維横断面が空豆形の単繊維が好ましくは3〜15%、より好ましくは3〜11%、さらに好ましくは3〜6%含まれる。単繊維横断面が空豆形の単繊維の一例を図2に示す。空豆形とはβ形とも呼ばれるように略楕円形の曲率の大きな半円の片方が凹みを有している形状である。ここでの凹みとは、単繊維横断面と断面積が等しい楕円を想定し、その外周から0.7μm以上凹んだもののことである。空豆形の単繊維は、2箇所以上の凹み部を有する単繊維よりも対称性の高い形状をしているため、単繊維間のパッキングを低下させにくく、同等の含有率であれば、2箇所以上の凹み部を有する単繊維よりも開繊性を高めにくい。空豆形の単繊維が3%以上含まれると、同じ歪度のときに開繊性を同時に高めやすい。空豆形の単繊維が15%以下含まれると、同じ歪度のとき、収束性と開繊性を同時に高めやすい。空豆形の単繊維は、最も典型的には凝固浴条件を公知の条件とすることにより得ることができる。また、前駆体繊維または耐炎化繊維を一部変形させても2箇所以上の凹み部を生成せずに1箇所のみ発生させることもある。空豆形の単繊維の含有率は、空豆形の単繊維とそれ以外の単繊維との混合比を調節したり、上述の変形押しつけ力を変化させたりすることにより制御できる。 In the carbon fiber of the present invention, a single fiber having a broad bean-shaped cross section is preferably contained in an amount of 3 to 15%, more preferably 3 to 11%, still more preferably 3 to 6%. FIG. 2 shows an example of a single fiber having a broad bean-shaped cross section. The broad bean shape is a shape in which one of the semicircles with a large curvature, which is a substantially elliptical shape, has a dent, as is also called a β shape. The dent here is an ellipse having the same cross-sectional area as the cross section of the single fiber, and is dented by 0.7 μm or more from the outer circumference thereof. Since the broad bean-shaped single fiber has a shape with higher symmetry than the single fiber having two or more recesses, it is difficult to reduce the packing between the single fibers, and if the content is the same, two places. It is more difficult to improve the openness than a single fiber having the above recessed portion. When broad bean-shaped single fibers are contained in an amount of 3% or more, it is easy to increase the openness at the same time at the same skewness. When broad bean-shaped single fibers are contained in an amount of 15% or less, it is easy to improve convergence and openness at the same time at the same skewness. Broad bean-shaped monofibers can most typically be obtained by setting coagulation bath conditions as known conditions. Further, even if the precursor fiber or the flame-resistant fiber is partially deformed, it may be generated at only one place without forming two or more dents. The content of broad bean-shaped monofibers can be controlled by adjusting the mixing ratio of broad bean-shaped monofibers and other monofibers, or by changing the above-mentioned deformation pressing force.

本発明の炭素繊維において、長径短径比が1.20以上の単繊維が好ましくは3〜20%、より好ましくは4〜15%、さらに好ましくは5〜10%含まれる。長径短径比が大きいほど開繊性が高まりやすく、3%以上であれば開繊性が満足することが多いが、大きすぎると収束性やストランド強度が低下することがある。長径短径比が1.20以上の単繊維が20%以下含まれると、これらの特性を高いレベルで両立しやすい。長径短径比が1.20以上の単繊維は、凝固の条件を調整することや、単繊維を繊維軸に直交する方向に押しつぶすことなどにより得ることができる。 In the carbon fiber of the present invention, a single fiber having a major axis / minor axis ratio of 1.20 or more is preferably contained in an amount of 3 to 20%, more preferably 4 to 15%, still more preferably 5 to 10%. The larger the major axis-minor-diameter ratio, the easier it is for the fiber-opening property to increase. If it is 3% or more, the fiber-opening property is often satisfied. When 20% or less of single fibers having a major axis / minor axis ratio of 1.20 or more are contained, it is easy to achieve both of these characteristics at a high level. Single fibers having a major axis / minor axis ratio of 1.20 or more can be obtained by adjusting solidification conditions or by crushing the single fibers in a direction orthogonal to the fiber axis.

本発明の炭素繊維において、長径短径比が1.00〜1.03の単繊維が好ましくは15〜90%、より好ましくは30〜85%、さらに好ましくは60〜80%含まれる。長径短径比が大きいほど開繊性が高まりやすいが、長径短径比が1.00〜1.03の単繊維が15%未満となると収束性やストランド強度が低下することがある。長径短径比が1.00〜1.03の単繊維が15%以上含まれると、これらの特性を高いレベルで両立しやすい。長径短径比が1.00〜1.03の単繊維が90%以下含まれる、つまり長径短径比が1.03を超える単繊維が10%以上含まれると、開繊性向上の効果を得やすい。長径短径比が1.00〜1.03の単繊維は、凝固の条件を調整することや、単繊維を繊維軸に直交する方向に押しつぶす力を調整することなどにより得ることができる。長径短径比が1.00〜1.03の単繊維の含有率を制御するには、歪度を調整するのと同様の方法を用いることができる。 In the carbon fiber of the present invention, a single fiber having a major axis / minor axis ratio of 1.00 to 1.03 is preferably contained in an amount of 15 to 90%, more preferably 30 to 85%, still more preferably 60 to 80%. The larger the major axis / minor axis ratio, the higher the fiber opening property, but if the percentage of single fibers having a major axis / minor axis ratio of 1.00 to 1.03 is less than 15%, the convergence and the strand strength may decrease. When a single fiber having a major axis / minor axis ratio of 1.00 to 1.03 is contained in an amount of 15% or more, it is easy to achieve both of these characteristics at a high level. When 90% or less of single fibers having a major axis / minor axis ratio of 1.00 to 1.03 is contained, that is, when 10% or more of single fibers having a major axis / minor axis ratio of more than 1.03 are contained, the effect of improving fiber openness is improved. Easy to get. The single fiber having a major axis / minor axis ratio of 1.00 to 1.03 can be obtained by adjusting the solidification conditions or adjusting the force of crushing the single fiber in the direction orthogonal to the fiber axis. In order to control the content of single fibers having a major axis / minor axis ratio of 1.00 to 1.03, a method similar to adjusting the skewness can be used.

本発明の炭素繊維において、断面積Aと周長Lにより規定される円形度4πA/Lの平均値が好ましくは0.970〜1.000であり、より好ましくは0.980〜1.000である。本発明において、断面積Aは単繊維横断面の輪郭で囲まれた部分の面積、周長Lは単繊維横断面の輪郭の長さを指す。断面積Aおよび周長Lの単位は円形度を算出する際に消し合うため、ピクセルでもμmなどの実際の長さであってもよい。円形度の値は、真円の場合には1.000となり、真円からずれるほど小さな値となる。かかる円形度の平均値が小さすぎるとストランド強度や収束性が低下することがあるが、上記範囲に制御すればこれらを高いレベルで維持することができる。円形度の平均値を上記した範囲に制御する方法については、凝固浴条件を調整することが容易な方法である。 In the carbon fiber of the present invention, the average value of the circularity 4πA / L 2 defined by the cross-sectional area A and the peripheral length L is preferably 0.970 to 1.000, more preferably 0.980 to 1.000. Is. In the present invention, the cross-sectional area A refers to the area of the portion surrounded by the contour of the single fiber cross section, and the peripheral length L refers to the length of the contour of the single fiber cross section. Since the units of the cross-sectional area A and the peripheral length L cancel each other out when calculating the circularity, they may be pixels or actual lengths such as μm. The value of the circularity is 1.000 in the case of a perfect circle, and the value becomes smaller so as to deviate from the perfect circle. If the average value of such circularity is too small, the strand strength and convergence may decrease, but if controlled within the above range, these can be maintained at a high level. As for the method of controlling the average value of the circularity within the above range, it is easy to adjust the coagulation bath conditions.

本発明の炭素繊維において、円形度4πA/Lの変動係数が好ましくは1〜3%であり、より好ましくは1〜2%である。円形度の変動係数が小さいと、単繊維間のパッキングが良くなり開繊性を高めにくいことがあり、逆に大きいとストランド強度や収束性を高めにくいことがある。円形度の変動係数を上記範囲に制御することにより、これらの特性を高いレベルで両立しやすい。円形度の変動係数を上記した範囲に制御する方法については、例えば円形度の平均値が異なる2種類以上の炭素繊維前駆体繊維、または耐炎化繊維、または前炭化繊維、または炭素繊維を適切な比率で混合してもよいし、変形しやすい前駆体繊維または耐炎化繊維を束状態のままニップローラーなどで軽く押しつぶして変形させてもよいし、同じく前駆体繊維または耐炎化繊維に撚りを加えて張力を作用させることにより単繊維間に押し付けの力を発生させて変形させてもよい。得られた炭素繊維の単繊維横断面を観察し、本発明の数値範囲を満たすように微調整すると容易に変動係数を制御できる。 In the carbon fiber of the present invention, the coefficient of variation of circularity 4πA / L 2 is preferably 1 to 3%, more preferably 1 to 2%. If the coefficient of variation of circularity is small, the packing between single fibers may be improved and it may be difficult to improve the openness, and conversely, if it is large, it may be difficult to improve the strand strength and convergence. By controlling the coefficient of variation of circularity within the above range, it is easy to achieve both of these characteristics at a high level. Regarding the method of controlling the fluctuation coefficient of the circularity within the above range, for example, two or more kinds of carbon fiber precursor fibers having different average values of circularity, or flame-resistant fibers, or precarbonized fibers, or carbon fibers are suitable. It may be mixed in a ratio, or the easily deformable precursor fibers or flame-resistant fibers may be lightly crushed with a nip roller or the like in a bundled state to be deformed, or the precursor fibers or flame-resistant fibers may be twisted. By applying tension to the fibers, a pressing force may be generated between the single fibers to deform the fibers. The coefficient of variation can be easily controlled by observing the cross section of the obtained carbon fiber and making fine adjustments so as to satisfy the numerical range of the present invention.

本発明の炭素繊維において、単繊維を側面から直線距離1mmの範囲で観察した際、単繊維の繊維軸のゆらぎ幅が2.5μm以上であることが好ましい。本発明におけるゆらぎ幅の測定は、重力以外の応力がかからない環境下で炭素繊維の単繊維を、繊維軸方向と直交方向から観察することにより測定する。なお、3次元的にゆらぎを有する繊維において繊維軸方向、直交方向とは次のように定義する。水平面上に静置した炭素繊維の単繊維の水平面への投影像において1000μm離れた2点を結ぶ直線を観察箇所における仮想の繊維軸とし、鉛直方向を繊維軸方向に直交する方向とする。すなわち、ゆらぎ幅とは、投影像において近似的に測定されるものである。前記ゆらぎ幅は、図3に示すように、観察した単繊維の太さ方向の中心を任意に選択してA点とし、そこから直線距離1mm離れた単繊維の太さ方向の中心をB点とし、A点をXY座標系における原点、つまりX=0μm、Y=0μmとなる点、B点をX軸上の点、つまりX=1000μm、Y=0μmとしたときに、単繊維の太さ方向の中心が通過するY座標の値のうち、最大値Ymax(μm)から最小値Ymin(μm)を差し引いた残差ΔY(μm)として定義する。ゆらぎ幅の測定は、無作為に抽出した独立した単繊維10本に対して行い、その平均値を採用する。炭素繊維の従来技術において、前記ゆらぎ幅には特に注意が払われてこなかったが、発明者らが測定したところ、市販の炭素繊維における前記ゆらぎ幅は概ね2μm未満であり、特に1μm以下の場合が多かった。前記ゆらぎ幅は、より好ましくは3μm以上であり、さらに好ましくは4μm以上であり、特に好ましくは5μm以上である。かかるゆらぎ幅が大きいほど、単繊維間のパッキングが困難となり、開繊性が高まりやすい。前記ゆらぎ幅は、後述する耐炎化処理の工程ならびに予備炭素化処理の工程、炭素化処理の工程において繊維に屈曲を付与することにより制御することができる。特に、処理温度が最も高い炭素化処理の工程において繊維に屈曲を付与しておくことが、屈曲の付与しやすさの観点で好ましい。屈曲を付与する方法としては、繊維に撚りをかけたり、繊維同士を組紐の要領で三つ編みや四つ編みの形状に編み込んだりするなど、公知の方法が採用できる。中でも特に、簡単な設備で対応可能な撚りを採用することが工業的な観点から好ましい。 In the carbon fiber of the present invention, when the single fiber is observed in a range of a linear distance of 1 mm from the side surface, the fluctuation width of the fiber axis of the single fiber is preferably 2.5 μm or more. The fluctuation width in the present invention is measured by observing a single carbon fiber in an environment where stress other than gravity is not applied from a direction orthogonal to the fiber axis direction. In the fiber having three-dimensional fluctuation, the fiber axial direction and the orthogonal direction are defined as follows. In the projected image of the single fiber of the carbon fiber resting on the horizontal plane on the horizontal plane, the straight line connecting two points 1000 μm apart is defined as the virtual fiber axis at the observation point, and the vertical direction is defined as the direction orthogonal to the fiber axis direction. That is, the fluctuation width is approximately measured in the projected image. As shown in FIG. 3, for the fluctuation width, the center in the thickness direction of the observed single fiber is arbitrarily selected to be point A, and the center in the thickness direction of the single fiber separated by a linear distance of 1 mm is point B. When the point A is the origin in the XY coordinate system, that is, the point where X = 0 μm and Y = 0 μm, and the point B is the point on the X axis, that is, X = 1000 μm and Y = 0 μm, the thickness of the single fiber Of the Y coordinate values that the center of the direction passes through, it is defined as a residual ΔY (μm) obtained by subtracting the minimum value Ymin (μm) from the maximum value Ymax (μm). The fluctuation width is measured for 10 randomly selected independent single fibers, and the average value thereof is adopted. In the prior art of carbon fibers, no particular attention has been paid to the fluctuation width, but as measured by the inventors, the fluctuation width of commercially available carbon fibers is generally less than 2 μm, especially when it is 1 μm or less. There were many. The fluctuation width is more preferably 3 μm or more, further preferably 4 μm or more, and particularly preferably 5 μm or more. The larger the fluctuation width, the more difficult it is to pack between single fibers, and the easier it is to increase the openness. The fluctuation width can be controlled by imparting bending to the fibers in the flame resistance treatment step, the preliminary carbonization treatment step, and the carbonization treatment step, which will be described later. In particular, it is preferable to impart bending to the fibers in the step of carbonization treatment having the highest treatment temperature from the viewpoint of ease of imparting bending. As a method for imparting bending, known methods such as twisting the fibers or knitting the fibers into a braid or quartet shape in the manner of a braid can be adopted. Above all, it is preferable from an industrial point of view to adopt a twist that can be handled by simple equipment.

本発明の炭素繊維において、ストランド弾性率が好ましくは300GPa以上であり、より好ましくは340GPa以上であり、さらに好ましくは360GPa以上である。本発明においてストランド弾性率はJIS R7608:2004に記載の樹脂含浸ストランドの引張試験に従って評価することができる。一般的にストランド弾性率が高いほど、炭素繊維強化複合材料とした際の剛性を高めやすい利点があるが、炭素繊維が脆性的となりやすく、高次加工のプロセスにおいて毛羽などが発生したり、それがローラーやガイドに巻き付いたりして工程通過性を悪化させやすい傾向にある。本発明の炭素繊維は開繊性が高いため、ストランド弾性率が高い炭素繊維において、僅かな力でも開繊させやすく、ストランド弾性率と工程通過性を両立しやすく、特にストランド弾性率を高めた際に工業的な有用性が高い。ストランド弾性率は公知の方法により制御できる。 In the carbon fiber of the present invention, the strand elastic modulus is preferably 300 GPa or more, more preferably 340 GPa or more, and further preferably 360 GPa or more. In the present invention, the strand elastic modulus can be evaluated according to the tensile test of the resin-impregnated strand described in JIS R7608: 2004. Generally, the higher the strand elastic modulus, the easier it is to increase the rigidity of the carbon fiber reinforced composite material. However, the carbon fiber tends to be brittle, and fluffing may occur in the process of higher processing. Tends to wrap around rollers and guides and deteriorate process passability. Since the carbon fiber of the present invention has high fiber opening property, it is easy to open the fiber even with a slight force in the carbon fiber having a high strand elastic modulus, and it is easy to achieve both the strand elastic modulus and the process passability, and in particular, the strand elastic modulus is increased. Highly industrially useful. The strand modulus can be controlled by a known method.

本発明の炭素繊維において、ストランド強度が好ましくは4.0GPa以上であり、より好ましくは4.5GPaである。本発明においてストランド強度はJIS R7608:2004に記載の樹脂含浸ストランドの引張試験に従って評価することができる。一般的にストランド強度が高いほど、炭素繊維強化複合材料とした際の引張強度を高めやすい利点があるが、開繊性を高めようと、断面形状が非円形の単繊維を混合したりする場合、適切に制御しないとストランド強度が低下する場合があった。本発明の炭素繊維は開繊性とストランド強度を高いレベルで両立できる。 In the carbon fiber of the present invention, the strand strength is preferably 4.0 GPa or more, and more preferably 4.5 GPa. In the present invention, the strand strength can be evaluated according to the tensile test of the resin-impregnated strand described in JIS R7608: 2004. Generally, the higher the strand strength, the easier it is to increase the tensile strength when the carbon fiber reinforced composite material is used. If not properly controlled, the strand strength may decrease. The carbon fiber of the present invention can achieve both openness and strand strength at a high level.

以下、本発明の炭素繊維の製造方法を説明する。 Hereinafter, the method for producing the carbon fiber of the present invention will be described.

本発明の炭素繊維のもととなる炭素繊維前駆体繊維は、ポリアクリロニトリル共重合体の紡糸溶液を製糸して得ることができる。 The carbon fiber precursor fiber which is the source of the carbon fiber of the present invention can be obtained by spinning a spinning solution of a polyacrylonitrile copolymer.

ポリアクリロニトリル共重合体としては、アクリロニトリルのみから得られる単独重合体だけではなく、主成分であるアクリロニトリルに加えて他の単量体を用いてもよい。具体的に、ポリアクリロニトリル共重合体は、アクリロニトリルを90〜100質量%、共重合可能な単量体を10質量%未満含有することが好ましい。 As the polyacrylonitrile copolymer, not only a homopolymer obtained only from acrylonitrile but also other monomers may be used in addition to acrylonitrile as a main component. Specifically, the polyacrylonitrile copolymer preferably contains 90 to 100% by mass of acrylonitrile and less than 10% by mass of a copolymerizable monomer.

前記したポリアクリロニトリル共重合体を、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、硝酸、塩化亜鉛水溶液、ロダンソーダ水溶液などポリアクリロニトリル共重合体が可溶な溶媒に溶解し、紡糸溶液とする。 The polyacrylonitrile copolymer described above is dissolved in a solvent in which the polyacrylonitrile copolymer is soluble, such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, nitrate, zinc chloride aqueous solution, and rodan soda aqueous solution, to obtain a spinning solution.

得られた紡糸溶液を湿式、または乾湿式紡糸法により紡糸することにより、炭素繊維前駆体繊維を製造することができる。 The carbon fiber precursor fiber can be produced by spinning the obtained spinning solution by a wet or dry wet spinning method.

紡糸溶液を凝固浴中に導入して凝固させ、得られた凝固繊維を、水洗工程、浴中延伸工程、油剤付与工程および乾燥工程を通過させることにより、炭素繊維前駆体繊維が得られる。このとき、凝固の条件で断面形状が変化することが知られており、凝固浴における溶媒の濃度が40質量%以下の薄い場合と80質量%近辺の濃い場合に円形断面となり、その中間的な濃度のときに空豆形断面となる。凝固繊維は、水洗工程を省略して直接浴中延伸を行ってもよいし、溶媒を水洗工程により除去した後に浴中延伸を行ってもよい。浴中延伸は、通常、30〜98℃の温度に温調された単一または複数の延伸浴中で行うことが好ましい。また、上記の工程に乾熱延伸工程や蒸気延伸工程を加えてもよい。 A carbon fiber precursor fiber is obtained by introducing a spinning solution into a coagulation bath and coagulating it, and passing the obtained coagulated fiber through a washing step, a drawing step in the bath, an oiling agent applying step and a drying step. At this time, it is known that the cross-sectional shape changes depending on the solidification conditions, and a circular cross-section is formed when the concentration of the solvent in the coagulation bath is as thin as 40% by mass or less and when the concentration is as high as around 80% by mass. When the concentration is high, it has a sky bean-shaped cross section. The coagulated fiber may be directly stretched in the bath by omitting the washing step, or may be stretched in the bath after removing the solvent by the washing step. Stretching in the bath is usually preferably carried out in a single or multiple stretching baths temperature controlled to a temperature of 30-98 ° C. Further, a dry heat stretching step or a steam stretching step may be added to the above steps.

得られる炭素繊維前駆体繊維は、通常、連続繊維の形態である。また、その1糸条あたりのフィラメント数は、1,000〜80,000本であることが好ましい。本発明において炭素繊維前駆体繊維は、必要に応じて合糸して、得られる炭素繊維の1糸条あたりのフィラメント数を調整してもよい。 The resulting carbon fiber precursor fibers are usually in the form of continuous fibers. The number of filaments per thread is preferably 1,000 to 80,000. In the present invention, the carbon fiber precursor fibers may be combined as necessary to adjust the number of filaments per thread of the obtained carbon fibers.

本発明の炭素繊維を得るための好ましい様態の一つ目は、長径短径比が1.00〜1.03の前駆体繊維と長径短径比が1.20以上の前駆体繊維を8:1〜2:1の本数比率で混合することである。このとき、凝固浴条件として円形と楕円形の断面が混じるような中途半端な条件設定をするだけでは本発明の炭素繊維を得ることはできず、異なる断面形状の前駆体繊維を混合することが好ましい。 The first preferable mode for obtaining the carbon fiber of the present invention is to use a precursor fiber having a major axis / minor axis ratio of 1.00 to 1.03 and a precursor fiber having a major axis / minor axis ratio of 1.20 or more in 8 :. Mixing is performed at a ratio of 1 to 2: 1. At this time, the carbon fibers of the present invention cannot be obtained only by setting halfway conditions such that circular and elliptical cross sections are mixed as the coagulation bath conditions, and precursor fibers having different cross-sectional shapes can be mixed. preferable.

本発明の炭素繊維を得るための好ましい様態の二つ目は、得られる炭素繊維前駆体繊維に対して、ニップローラーなどで軽く押しつぶして変形させたり、撚りを加えて張力を作用させることにより単繊維間に押し付けの力を発生させて変形させたりすることにより、変形させるものである。炭素繊維前駆体繊維に撚りを加える方法としては、公知のものから選ぶことができる。具体的には、炭素繊維前駆体繊維を一旦ボビンに巻き取った後、該繊維を巻き出す際にボビンを巻き出し方向に対して直交する面に旋回させる方法や、ボビンに巻き取らず走行中の繊維に対して回転するローラーやベルトを接触させて撚りを付与する方法などにより制御することができる。 The second preferable mode for obtaining the carbon fiber of the present invention is that the obtained carbon fiber precursor fiber is simply crushed and deformed by a nip roller or the like, or twisted to apply tension. It is deformed by generating a pressing force between the fibers to deform the fibers. As a method for twisting the carbon fiber precursor fiber, a known method can be selected. Specifically, a method in which the carbon fiber precursor fiber is once wound around the bobbin and then the bobbin is swirled in a plane orthogonal to the unwinding direction when the fiber is unwound, or the bobbin is not wound and the fiber is running. It can be controlled by a method of bringing a rotating roller or belt into contact with the fibers of the fiber to give a twist.

本発明の炭素繊維は、前記した炭素繊維前駆体繊維を耐炎化処理した後、予備炭素化処理、炭素化処理を順に行うことにより得ることができる。 The carbon fiber of the present invention can be obtained by subjecting the above-mentioned carbon fiber precursor fiber to a flameproof treatment, followed by a preliminary carbonization treatment and a carbonization treatment in this order.

炭素繊維前駆体繊維の耐炎化処理は、空気雰囲気中において、好ましくは200〜300℃の温度範囲で行う。炭素繊維前駆体繊維は耐炎化処理され、耐炎化繊維となる。本発明の炭素繊維を得るために、耐炎化処理中の繊維をニップローラーなどで軽く押しつぶして変形させたり、撚りを加えて張力を作用させることにより単繊維間に押し付けの力を発生させて変形させたりすることも好ましい。耐炎化処理中の繊維に撚りを加える場合は、撚り角を0.2°以上とすることが好ましく、撚り角はより好ましくは2.0°以上であり、さらに好ましくは3.5°以上であり、特に好ましくは4.0°以上である。なお、本発明において耐炎化処理における撚り角は、用いた前駆体繊維の目付y(g/m)と密度d(g/cm)、撚り数T(ターン/m)を用いて、次の式(2)により計算する。 The flame-resistant treatment of the carbon fiber precursor fiber is carried out in an air atmosphere, preferably in a temperature range of 200 to 300 ° C. The carbon fiber precursor fiber is flame-resistant and becomes a flame-resistant fiber. In order to obtain the carbon fibers of the present invention, the fibers being flame-resistant are lightly crushed with a nip roller or the like to be deformed, or twisted to apply tension to generate a pressing force between the single fibers for deformation. It is also preferable to let them do it. When twisting is added to the fiber being flame-resistant, the twist angle is preferably 0.2 ° or more, the twist angle is more preferably 2.0 ° or more, and further preferably 3.5 ° or more. Yes, especially preferably 4.0 ° or more. In the present invention, the twist angle in the flame resistance treatment is as follows, using the basis weight y (g / m), density d (g / cm 3 ), and twist number T (turn / m) of the precursor fibers used. Calculate by equation (2).

撚り角(°)=arctan{(0.01×y/π/d)0.5×10−6×π×T} ・・(2)
耐炎化処理中の繊維に撚りを加える方法としては、公知のものから選ぶことができる。具体的には、炭素繊維前駆体繊維を一旦ボビンに巻き取った後、該繊維を巻き出す際にボビンを巻き出し方向に対して直交する面に旋回させる方法や、ボビンに巻き取らず走行中の繊維に対して回転するローラーやベルトを接触させて撚りを付与する方法などにより制御することができる。
Twist angle (°) = arctan {(0.01 × y / π / d) 0.5 × 10-6 × π × T} ・ ・ (2)
As a method of twisting the fiber being flame-resistant, a known method can be selected. Specifically, a method in which the carbon fiber precursor fiber is once wound around the bobbin and then the bobbin is swirled in a plane orthogonal to the unwinding direction when the fiber is unwound, or the bobbin is not wound and the fiber is running. It can be controlled by a method of bringing a rotating roller or belt into contact with the fibers of the fiber to give a twist.

耐炎化処理中に撚りを加える場合は、耐炎化繊維への張力を好ましくは1.0〜5.0mN/dtexとする。耐炎化工程における張力は、耐炎化炉入側で測定した張力(mN)を、用いた炭素繊維前駆体繊維の単繊維繊度(dtex)とフィラメント数との積である総繊度(dtex)で除したものとする。該張力を上記の数値範囲に制御することで、炭素繊維に凹みを付与しやすくなる。 When twisting is applied during the flame-resistant treatment, the tension on the flame-resistant fiber is preferably 1.0 to 5.0 mN / dtex. The tension in the flameproofing step is divided by the tension (mN) measured on the entry side of the flameproofing furnace by the total fineness (dtex) which is the product of the single fiber fineness (dtex) of the carbon fiber precursor fiber used and the number of filaments. It is assumed that By controlling the tension within the above numerical range, it becomes easy to give a dent to the carbon fiber.

本発明では、前記耐炎化に引き続いて、耐炎化繊維の予備炭素化を行う。予備炭素化工程においては、耐炎化処理により得られた耐炎化繊維を、不活性雰囲気中、最高温度500〜1200℃において、密度1.5〜1.8g/cmになるまで熱処理することが好ましい。耐炎化繊維は予備炭素化処理され、予備炭素化繊維となる。 In the present invention, following the flame resistance, the flame resistant fiber is precarbonized. In the pre-carbonization step, the flame-resistant fibers obtained by the flame-resistant treatment can be heat-treated in an inert atmosphere at a maximum temperature of 500 to 1200 ° C. until the density reaches 1.5 to 1.8 g / cm 3. preferable. The flame-resistant fiber is pre-carbonized to become a pre-carbonized fiber.

さらに、前記予備炭素化に引き続いて、予備炭素化繊維の炭素化を行う。炭素化工程においては、予備炭素化処理により得られた予備炭素化繊維を、不活性雰囲気中において炭素化処理を行う。炭素化処理の最高温度は1200℃以上とすることが好ましく、1500℃以上とすることがより好ましい。炭素化工程における最高温度は、得られる炭素繊維のストランド弾性率を高める観点からは高い方が好ましく、1200℃以上であれば炭素繊維強化複合材料として剛性を重視する用途に好適な、ストランド弾性率の高い炭素繊維が得られる。一方、炭化温度が高すぎるとストランド強度が低下したり、炭素繊維が脆性的となりやすく、高次加工のプロセスにおいて毛羽などが発生したり、それがローラーやガイドに巻き付いたりして工程通過性を悪化させやすい傾向にあるため、炭素化工程における最高温度は、必要とするストランド弾性率とストランド強度、工程通過性とのバランスを勘案して決定するのがよい。 Further, following the preliminary carbonization, the preliminary carbonized fiber is carbonized. In the carbonization step, the pre-carbonized fiber obtained by the pre-carbonization treatment is carbonized in an inert atmosphere. The maximum temperature of the carbonization treatment is preferably 1200 ° C. or higher, and more preferably 1500 ° C. or higher. The maximum temperature in the carbonization step is preferably high from the viewpoint of increasing the strand elastic modulus of the obtained carbon fiber, and if it is 1200 ° C. or higher, the strand elastic modulus is suitable for applications where rigidity is important as a carbon fiber reinforced composite material. High carbon fiber can be obtained. On the other hand, if the carbonization temperature is too high, the strand strength tends to decrease, the carbon fibers tend to become brittle, and fluffing occurs in the process of higher-order processing, which wraps around the rollers and guides to improve process passability. Since it tends to be deteriorated, the maximum temperature in the carbonization process should be determined in consideration of the balance between the required strand elastic modulus, the strand strength, and the process passability.

また、本発明において、炭素化工程における張力は5〜15mN/dtexとすることも好ましく、より好ましくは7〜15mN/dtexである。炭素化工程における張力は、炭素化炉出側で測定した張力(mN)を、用いた炭素繊維前駆体繊維の単繊維繊度(dtex)とフィラメント数との積である総繊度(dtex)で除したものとする。該張力を上記の数値範囲に制御することで、得られる炭素繊維のストランド弾性率を高めても、ストランド強度や工程通過性を高めに維持しやすい。 Further, in the present invention, the tension in the carbonization step is preferably 5 to 15 mN / dtex, more preferably 7 to 15 mN / dtex. The tension in the carbonization step is obtained by dividing the tension (mN) measured on the outlet side of the carbonization furnace by the total fineness (dtex), which is the product of the single fiber fineness (dtex) of the carbon fiber precursor fibers used and the number of filaments. It is assumed that By controlling the tension within the above numerical range, it is easy to maintain high strand strength and process passability even if the strand elastic modulus of the obtained carbon fiber is increased.

本発明において、不活性雰囲気に用いられる不活性ガスとしては、例えば、窒素、アルゴンおよびキセノンなどが好ましく例示され、経済的な観点からは窒素が好ましく用いられる。 In the present invention, as the inert gas used in the inert atmosphere, for example, nitrogen, argon, xenon and the like are preferably exemplified, and nitrogen is preferably used from an economical point of view.

前記製造方法で得られた炭素繊維は、さらに最高3000℃までの不活性雰囲気において追加の黒鉛化処理を行い、用途に応じて単繊維弾性率を適宜調整してもよい。 The carbon fibers obtained by the above-mentioned production method may be further subjected to an additional graphitization treatment in an inert atmosphere up to 3000 ° C., and the elastic modulus of the single fibers may be appropriately adjusted according to the application.

以上のようにして得られた炭素繊維は、炭素繊維とマトリックスとの接着強度を向上させるために、炭素化処理後に表面処理を施し、酸素原子を含む官能基を導入することが好ましい。表面処理方法としては、気相酸化、液相酸化および液相電解酸化が用いられるが、生産性が高く、均一処理ができるという観点から、液相電解酸化が好ましく用いられる。本発明において、液相電解酸化の方法については特に制約はなく、公知の方法で行えばよい。 In order to improve the adhesive strength between the carbon fiber and the matrix, the carbon fiber obtained as described above is preferably surface-treated after the carbonization treatment to introduce a functional group containing an oxygen atom. As the surface treatment method, vapor phase oxidation, liquid phase oxidation and liquid phase electrolytic oxidation are used, but liquid phase electrolytic oxidation is preferably used from the viewpoint of high productivity and uniform treatment. In the present invention, the method of liquid phase electrolytic oxidation is not particularly limited, and a known method may be used.

本明細書に記載の各種物性値の測定方法は以下の通りである。なお、特に記載のないものは測定数n=1で評価を行った。 The methods for measuring various physical property values described in the present specification are as follows. Unless otherwise specified, the evaluation was performed with the number of measurements n = 1.

<炭素繊維のストランド強度およびストランド弾性率>
炭素繊維のストランド強度およびストランド弾性率は、JIS R7608:2004の樹脂含浸ストランド試験法に従い、次の手順に従い求める。ただし、炭素繊維の繊維が撚りを有する場合、撚り数と同数の逆回転の撚りを付与することにより解撚してから評価する。樹脂処方としては、“セロキサイド(登録商標)”2021P(ダイセル化学工業社製)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(東京化成工業(株)製)/アセトン=100/3/4(質量部)を用い、硬化条件としては、常圧、温度125℃、時間30分を用いる。炭素繊維のストランド10本を測定し、その平均値をストランド強度およびストランド弾性率とする。なお、ストランド弾性率を算出する際の歪み範囲は0.1〜0.6%とする。
<Strand strength and elastic modulus of carbon fiber>
The strand strength and the strand elastic modulus of the carbon fiber are determined according to the resin impregnated strand test method of JIS R7608: 2004 according to the following procedure. However, when the carbon fiber has a twist, it is evaluated after being untwisted by applying the same number of reverse rotation twists as the number of twists. As the resin formulation, "Ceroxide (registered trademark)" 2021P (manufactured by Daicel Chemical Industry Co., Ltd.) / Borone monoethylamine trifluoride (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) / Acetone = 100/3/4 (part by mass) is used. As the curing conditions, normal pressure, temperature 125 ° C., and time 30 minutes are used. Ten carbon fiber strands are measured, and the average value thereof is taken as the strand strength and the strand elastic modulus. The strain range when calculating the strand elastic modulus is 0.1 to 0.6%.

<長径短径比および円形度の統計量>
炭素繊維の単繊維の長径短径比および、その平均値、変動係数、歪度は次のように求める。まず、炭素繊維の束を引き揃え、円筒状に包み込むようにカーボンテープでまとめる。この状態で、繊維軸に垂直となるようにはさみをあてて、切断することにより、単繊維横断面を露出させる。かかる単繊維横断面を、走査電子顕微鏡を用いて観察し、画像として保存する。保存した画像を、オープンソースの画像解析ソフトウェア“ImageJ(イメージ・ジェイ)”に読み込み、単繊維横断面の輪郭を“Polygon selections(ポリゴン・セレクションズ)”ツールを用いてトレースする。このとき、ひとつの輪郭につき、20〜100個の点で1周分をトレースする。つづいて、“Fit spline(フィット・スプライン)”ツールを用いて輪郭のトレースをなめらかな曲線に変換する。変換後、単繊維横断面の輪郭とトレースした曲線がよりよく一致するように点を移動させて微調整する。ひきつづいて、“Analyze particles(アナライズ・パーティクルズ)”ツールを用いて、“AR(アスペクト比)”および“Circularity(円形度)”を算出する。なお、アスペクト比は、本発明における長径短径比のことを指す。単繊維50個に対して同様の操作を行う。このとき、炭素繊維の束の異なる部分から、満遍なく単繊維を選ぶようにする。長径短径比の平均値(−)および変動係数(%)、歪度(−)、1.00〜1.03の割合(%)、1.20以上の割合(%)を算出する。円形度については平均値(−)と変動係数(%)を算出する。なお、長径短径比の歪度は以下の式(1)に従って計算する。
<Statistics of major axis minor axis ratio and circularity>
The major axis / minor axis ratio of a single carbon fiber and its average value, coefficient of variation, and skewness are calculated as follows. First, the bundles of carbon fibers are aligned and wrapped with carbon tape so as to wrap them in a cylindrical shape. In this state, a pair of scissors is applied so as to be perpendicular to the fiber axis and cut to expose the cross section of the single fiber. The cross section of the single fiber is observed using a scanning electron microscope and stored as an image. The saved image is read into the open source image analysis software "ImageJ", and the contour of the cross section of the single fiber is traced using the "Polygon selections" tool. At this time, one round is traced at 20 to 100 points for one contour. Then use the "Fit spline" tool to transform the contour trace into a smooth curve. After the conversion, the points are moved and fine-tuned so that the contour of the single fiber cross section and the traced curve better match. Subsequently, the "AR (aspect ratio)" and "Circularity (circularity)" are calculated using the "Analyze particles" tool. The aspect ratio refers to the major axis / minor axis ratio in the present invention. The same operation is performed on 50 single fibers. At this time, the single fibers are evenly selected from the different parts of the carbon fiber bundle. The mean value (−) of the major axis minor axis ratio, the coefficient of variation (%), the skewness (−), the ratio (%) of 1.00 to 1.03, and the ratio (%) of 1.20 or more are calculated. For the circularity, the average value (-) and the coefficient of variation (%) are calculated. The skewness of the major axis minor axis ratio is calculated according to the following equation (1).

歪度=n/(n−1)/(n−2)×Σ{(x−<x>)/s} ・・・(1)
ここで、nは単繊維の本数(本)、xはi番目の単繊維の長径短径比(−)、<x>は長径短径比の平均値(−)、sは長径短径比の標準偏差(−)を意味する。また、Σは単繊維の本数nの分だけ和をとることを意味する。
Skewness = n / (n-1) / (n-2) × Σ {(x i − <x>) / s} 3 ... (1)
Here, n is the number of single fibers (lines), x i is the major axis / minor axis ratio (-) of the i-th single fiber, <x> is the average value of the major axis / minor axis ratio (-), and s is the major axis / minor axis. It means the standard deviation (-) of the ratio. Further, Σ means that the sum is taken by the number n of single fibers.

なお、以下の本実施例では、走査電子顕微鏡として日立ハイテクノロジーズ社製の走査電子顕微鏡(SEM)“S−4800”を用い、加速電圧は5keVとして観察を行った。 In the following examples, a scanning electron microscope (SEM) "S-4800" manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation was used as the scanning electron microscope, and the acceleration voltage was set to 5 keV for observation.

<2箇所以上の凹み部を有する単繊維および空豆形の単繊維の割合>
長径短径比および円形度を算出したのと同じ単繊維50本に対して、取得した走査電子顕微鏡像から判別し、それぞれの断面形状を有する単繊維の割合を求める。割合は観察した単繊維本数に対する、それぞれに該当する単繊維の本数の百分率で表す。2箇所以上の凹み部を有する単繊維の典型例を図1に、空豆形の単繊維の典型例を図2にそれぞれ示す。2箇所以上の凹み部を有する単繊維または空豆形の単繊維のいずれについても、それぞれに該当する単繊維が観察した単繊維50本中1本しか見つからなかった場合は、統計上の理由からさらに単繊維50本を追加して観察し、割合を算出する。
<Ratio of single fibers with two or more dents and broad bean-shaped single fibers>
For 50 single fibers having the same major axis / minor axis ratio and circularity, the ratio of the single fibers having each cross-sectional shape is determined from the obtained scanning electron microscope image. The ratio is expressed as a percentage of the number of single fibers corresponding to each of the observed number of single fibers. FIG. 1 shows a typical example of a single fiber having two or more recessed portions, and FIG. 2 shows a typical example of a broad bean-shaped single fiber. For both single fibers with two or more recesses or broad bean-shaped single fibers, if only one of the 50 single fibers observed for each corresponding single fiber is found, further for statistical reasons. 50 single fibers are added and observed, and the ratio is calculated.

<炭素繊維の繊維軸のゆらぎ幅>
測定しようとする炭素繊維の単繊維を、長さ1〜5mmとし、水平な台の上に敷かれたコピー用紙上に静置する。静電気の影響により単繊維がコピー用紙に張り付く場合は、一般的な手法で除電した後に行う。紙面の鉛直方向から光学顕微鏡を用いて観察し、画像を取得する。光学顕微鏡の対物レンズの倍率は10倍とする。画像は横2592ピクセル×縦1944ピクセルのjpg形式で保存する。このとき、実寸1000μmのスケールを撮像したとき、当該スケールが2320〜2340ピクセルに相当する様に撮像範囲を設定する。取得した画像をオープンソースの画像処理ソフトウェア“ImageJ(イメージ・ジェイ)”に読み込み、繊維軸上の任意の点をA点とし、A点から1000μm離れた繊維軸上の点をB点とする。次に、回転時の補間アルゴリズムとして「Bilinear Interpolation」を選択し、A点とB点が水平となるように画像を回転させる。二値化処理を行ったのち、骨格化(Skeletonize)を行い、繊維軸を幅1ピクセルの曲線として抽出する。このとき、繊維表面にゴミなどが付着していると繊維軸が枝分かれすることがあるが、繊維軸以外の側鎖は無視する。最後に、A点とB点の間で繊維軸が通過するY座標のうち、最大値Ymaxから最小値Yminを差し引いた残差ΔY(μm)を読み取り、測定した単繊維のゆらぎ幅とする。異なる単繊維10本に対して測定したゆらぎ幅を平均し、本発明におけるゆらぎ幅として採用する。また、ゆらぎ幅の変動係数は、異なる単繊維10本に対して測定したデータから算出した標準偏差を用いて、以下の式により求める。
<Fluctuation width of carbon fiber shaft>
The single carbon fiber to be measured has a length of 1 to 5 mm and is allowed to stand on a copy paper laid on a horizontal table. If the single fiber sticks to the copy paper due to the influence of static electricity, it should be done after static electricity is removed by a general method. An image is acquired by observing from the vertical direction of the paper surface using an optical microscope. The magnification of the objective lens of the optical microscope is 10 times. The image is saved in a jpg format of 2592 pixels in width × 1944 pixels in height. At this time, when a scale having an actual size of 1000 μm is imaged, the imaging range is set so that the scale corresponds to 2320 to 2340 pixels. The acquired image is read into the open source image processing software "ImageJ", and an arbitrary point on the fiber axis is defined as point A, and a point on the fiber axis 1000 μm away from point A is defined as point B. Next, "Bilinar Interpolation" is selected as the interpolation algorithm at the time of rotation, and the image is rotated so that points A and B are horizontal. After performing the binarization process, skeletonization is performed, and the fiber axis is extracted as a curve having a width of 1 pixel. At this time, if dust or the like adheres to the fiber surface, the fiber shaft may branch, but side chains other than the fiber shaft are ignored. Finally, of the Y coordinates that the fiber axis passes between points A and B, the residual ΔY (μm) obtained by subtracting the minimum value Y min from the maximum value Y max is read, and the measured fluctuation width of the single fiber is obtained. To do. The fluctuation widths measured for 10 different single fibers are averaged and adopted as the fluctuation widths in the present invention. The coefficient of variation of the fluctuation width is calculated by the following formula using the standard deviation calculated from the data measured for 10 different single fibers.

CV値(%)=ゆらぎ幅の標準偏差(μm)/ゆらぎ幅の平均値(μm)×100(%)。 CV value (%) = standard deviation of fluctuation width (μm) / average value of fluctuation width (μm) × 100 (%).

なお、本実施例では、光学顕微鏡としてライカマイクロシステムズ株式会社製の正立顕微鏡“DM2700M”を用いた。 In this example, an upright microscope "DM2700M" manufactured by Leica Microsystems, Inc. was used as the optical microscope.

<耐炎化処理における撚り角>
耐炎化処理における撚り角は、用いた前駆体繊維の目付y(g/m)と密度d(g/cm)、撚り数T(ターン/m)を用いて、次の式(2)により計算する。
<Twist angle in flameproof treatment>
The twist angle in the flame resistance treatment is determined by the following formula (2) using the basis weight y (g / m) and density d (g / cm 3) of the precursor fiber used and the number of twists T (turn / m). calculate.

撚り角(°)=arctan{(0.01×y/π/d)0.5×10−6×π×T} ・・(2)
<前駆体繊維の目付>
測定する繊維について、長さ8m分をサンプリングし、絶乾させた後に測定した質量を8で割ることにより、1mあたりの質量である目付を求める。測定は3回行い、平均値を用いる。
Twist angle (°) = arctan {(0.01 × y / π / d) 0.5 × 10-6 × π × T} ・ ・ (2)
<Metsuke of precursor fibers>
For the fiber to be measured, a length of 8 m is sampled, and the mass measured after absolute drying is divided by 8, to obtain a basis weight, which is the mass per 1 m. The measurement is performed 3 times and the average value is used.

<前駆体繊維の密度>
測定する繊維について、1mサンプリングし、比重液をエタノールとしてアルキメデス法で測定する。3回測定を行い、平均値を用いる。
<Density of precursor fibers>
The fiber to be measured is sampled at 1 m, and the specific gravity liquid is used as ethanol for measurement by the Archimedes method. Measure 3 times and use the average value.

<収束性>
収束性は、サイジング剤を付着させない状態で評価する。サイジング剤が付着している場合は、オーブン中でサイジング剤を焼き飛ばすか、溶媒中で洗浄することによって除去してから評価する。まず測定する繊維を長さ1mサンプリングし、繊維が真っ直ぐになるように両端を固定する。このとき、固定された両端以外は何にも接触せず、空中に保持されるようにする。片端をもう一方の端部の方向に1cmだけ近づけたあと、繊維の中心付近に軽く息を吹きかけて、糸条幅がまとまっているかを収束性の指標とする。なお、収束性は炭素繊維の糸条幅拡幅比率からA〜Dで判断する。
A:20%未満
B:20%以上40%未満
C:40%以上50%未満
D:50%以上。
<Convergent>
Convergence is evaluated in the state where the sizing agent is not attached. If sizing agent is attached, it is removed by baking the sizing agent in an oven or washing in a solvent before evaluation. First, the fiber to be measured is sampled to a length of 1 m, and both ends are fixed so that the fiber is straight. At this time, it should be held in the air without touching anything other than the fixed ends. After bringing one end closer to the other end by 1 cm, lightly blow on the vicinity of the center of the fiber, and check whether the yarn width is organized as an index of convergence. Convergence is judged by A to D from the yarn width widening ratio of the carbon fiber.
A: Less than 20% B: 20% or more and less than 40% C: 40% or more and less than 50% D: 50% or more.

<開繊性>
開繊性は、サイジング剤を付着させない状態で評価する。サイジング剤が付着している場合は、オーブン中でサイジング剤を焼き飛ばすか、溶媒中で洗浄することによって除去してから評価する。炭素繊維2cmをサンプリングし、撚りがない状態とする。10cm四方のガラス板の上に炭素繊維を設置し、その上からスライドガラスをかぶせる。炭素繊維の軸方向と垂直方向に左右3mmずつ交互に10回動かす。この操作の前後で糸条幅変化を測定し、10回繰り返した平均値を開繊性の指標とする。糸条幅が拡がる比率が大きいほど、開繊性に優れる。なお、開繊性は炭素繊維の糸条幅拡幅比率からA〜Dで判断する。
A:50%以上
B:40%以上50%未満
C:20%以上40%未満
D:20%未満。
<Openness>
The fibrous opening property is evaluated in a state where the sizing agent is not attached. If sizing agent is attached, it is removed by baking the sizing agent in an oven or washing in a solvent before evaluation. 2 cm of carbon fiber is sampled so that there is no twist. Carbon fiber is placed on a 10 cm square glass plate, and a slide glass is placed over it. It is moved 10 times alternately on the left and right by 3 mm in the direction perpendicular to the axial direction of the carbon fiber. The change in thread width is measured before and after this operation, and the average value repeated 10 times is used as an index of fiber opening. The greater the rate at which the thread width expands, the better the fiber opening property. The fibrous opening property is judged by A to D from the thread width widening ratio of the carbon fiber.
A: 50% or more B: 40% or more and less than 50% C: 20% or more and less than 40% D: Less than 20%.

以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、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 described in detail based on examples, but the present invention is not limited thereto.

以下に記載する実施例1〜10および比較例1〜4は、次の包括的実施例1または2に記載の実施方法において、表1に記載の各条件を用いて行ったものである。 Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 4 described below are carried out using the conditions shown in Table 1 in the implementation method described in the following comprehensive examples 1 or 2.

[包括的実施例1]
ポリアクリロニトリル共重合体を、ジメチルスルホキシドを溶媒として溶液重合法により重合させ、紡糸溶液を得た。得られた紡糸溶液を紡糸口金から一旦空気中に吐出し、0℃に保持されたジメチルスルホキシド35質量%の水溶液からなる凝固浴に導入する乾湿式紡糸法により凝固糸条を得た。また、その凝固糸条を水洗した後、90℃の温水中で3倍の浴中延伸倍率で延伸し、さらにシリコーン油剤を付与し、160℃の温度に加熱したローラーを用いて乾燥を行い、4倍の延伸倍率で加圧水蒸気延伸を行い、単繊維繊度1.1dtexの炭素繊維前駆体繊維を得た。
[Comprehensive Example 1]
The polyacrylonitrile copolymer was polymerized by a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide as a solvent to obtain a spinning solution. A coagulated yarn was obtained by a dry-wet spinning method in which the obtained spinning solution was once discharged from a spinneret into the air and introduced into a coagulation bath consisting of an aqueous solution of 35% by mass of dimethyl sulfoxide held at 0 ° C. Further, after washing the coagulated fibers with water, the coagulated fibers were stretched in warm water at 90 ° C. at a stretching ratio of 3 times in a bath, further added with a silicone oil, and dried using a roller heated to a temperature of 160 ° C. Pressurized steam stretching was performed at a stretching ratio of 4 times to obtain carbon fiber precursor fibers having a single fiber fineness of 1.1 dtex.

[包括的実施例2]
ポリアクリロニトリル共重合体を、ジメチルスルホキシドを溶媒として溶液重合法により重合させ、紡糸溶液を得た。得られた紡糸溶液を、紡糸口金から50℃に保持されたジメチルスルホキシド70質量%の水溶液からなる凝固浴に導入する湿式紡糸法により凝固糸条を得た。また、その凝固糸条を水洗した後、90℃の温水中で6倍の浴中延伸倍率で延伸し、さらにシリコーン油剤を付与し、160℃の温度に加熱したローラーを用いて乾燥を行い、単繊維繊度1.1dtexの炭素繊維前駆体繊維を得た。
[Comprehensive Example 2]
The polyacrylonitrile copolymer was polymerized by a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide as a solvent to obtain a spinning solution. A coagulated yarn was obtained by a wet spinning method in which the obtained spinning solution was introduced into a coagulation bath consisting of an aqueous solution of 70% by mass of dimethyl sulfoxide held at 50 ° C. from a spinneret. Further, after washing the coagulated fibers with water, the coagulated fibers were stretched in warm water at 90 ° C. at a stretching ratio of 6 times in a bath, further added with a silicone oil, and dried using a roller heated to a temperature of 160 ° C. A carbon fiber precursor fiber having a single fiber fineness of 1.1 dtex was obtained.

[実施例1]
包括的実施例1により得られた前駆体繊維21000本と、包括的実施例2により得られた前駆体繊維3000本とを、エアを吹き付ける混繊処理を行って混繊させ、総フィラメント数24000本の前駆体繊維を得た。次に、得られたポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維を、空気雰囲気230〜280℃のオーブン中で張力1.0mN/dtex、延伸比を1として熱処理し(耐炎化工程)、耐炎化繊維に転換した。得られた耐炎化繊維を、温度300〜800℃の窒素雰囲気中において、延伸比0.97として予備炭素化処理を行い、予備炭素化繊維を得た。次いで、かかる予備炭素化繊維を、最高温度1800℃、張力5.0mN/dtexとして炭素化処理を行い、炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 1]
The 21,000 precursor fibers obtained in Comprehensive Example 1 and the 3000 precursor fibers obtained in Comprehensive Example 2 are mixed by performing a fiber-blending treatment of blowing air, and the total number of filaments is 24,000. Book precursor fibers were obtained. Next, the obtained polyacrylonitrile-based carbon fiber precursor fiber is heat-treated in an oven at an air atmosphere of 230 to 280 ° C. with a tension of 1.0 mN / dtex and a draw ratio of 1 (flame resistance step) to obtain a flame resistance fiber. Converted. The obtained flame-resistant fibers were subjected to pre-carbonization treatment at a draw ratio of 0.97 in a nitrogen atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. to obtain pre-carbonized fibers. Next, the preliminary carbonized fibers were carbonized at a maximum temperature of 1800 ° C. and a tension of 5.0 mN / dtex to obtain carbon fibers. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[実施例2]
包括的実施例1により得られた前駆体繊維18000本と、包括的実施例2により得られた前駆体繊維6000本とを混繊させた以外は、実施例1と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 2]
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that 18,000 precursor fibers obtained in Comprehensive Example 1 and 6000 precursor fibers obtained in Comprehensive Example 2 were mixed. It was. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[実施例3]
包括的実施例1により得られた前駆体繊維15000本と、包括的実施例2により得られた前駆体繊維9000本とを混繊させた以外は、実施例1と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 3]
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that 15,000 precursor fibers obtained in Comprehensive Example 1 and 9000 precursor fibers obtained in Comprehensive Example 2 were mixed. It was. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[実施例4]
包括的実施例1により得られた前駆体繊維24000本を巻き取ったボビンを旋回させ、撚り角4.6度となるように撚りを加えながら、空気雰囲気230〜280℃のオーブン中で張力1.0mN/dtex、延伸比を0.9として熱処理し(耐炎化工程)、耐炎化繊維に転換した。得られた耐炎化繊維を、温度300〜800℃の窒素雰囲気中において、延伸比0.97として予備炭素化処理を行い、予備炭素化繊維を得た。次いで、かかる予備炭素化繊維を、最高温度1800℃、張力11.0mN/dtexとして炭素化処理を行い、炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 4]
The bobbin wound up with 24,000 precursor fibers obtained in Comprehensive Example 1 is swirled and twisted so as to have a twist angle of 4.6 degrees, and the tension is 1 in an oven having an air atmosphere of 230 to 280 ° C. Heat treatment was performed at 0.0 mN / dtex and a draw ratio of 0.9 (flame resistance step) to convert to flame resistant fibers. The obtained flame-resistant fibers were subjected to pre-carbonization treatment at a draw ratio of 0.97 in a nitrogen atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. to obtain pre-carbonized fibers. Next, the preliminary carbonized fibers were carbonized at a maximum temperature of 1800 ° C. and a tension of 11.0 mN / dtex to obtain carbon fibers. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[実施例5]
撚り角を7.6度とした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 5]
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 4 except that the twist angle was set to 7.6 degrees. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[実施例6]
用いる前駆体繊維のフィラメント数を12000本とし、撚り角を6.9度とした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 6]
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 4 except that the number of filaments of the precursor fibers used was 12,000 and the twist angle was 6.9 degrees. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[実施例7]
包括的実施例1において、炭素繊維前駆体繊維の単繊維繊度を0.8dtexにした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 7]
In Comprehensive Example 1, carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 4 except that the single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber was set to 0.8 dtex. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[実施例8]
炭素化処理の最高温度を2400℃にした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 8]
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 4 except that the maximum temperature of the carbonization treatment was set to 2400 ° C. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[実施例9]
炭素化工程における張力を5.0mN/dtexとした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 9]
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 4 except that the tension in the carbonization step was 5.0 mN / dtex. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[実施例10]
包括的実施例1により得られた前駆体繊維24000本を、180℃に設定した金属ドラムとゴムロールからなるニップ装置を、ニップ圧を1.0MPaとして通過させたあと、前駆体繊維に撚りを加えなかったこと以外は実施例4と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 10]
After passing 24,000 precursor fibers obtained in Comprehensive Example 1 through a nip device consisting of a metal drum and a rubber roll set at 180 ° C. with a nip pressure of 1.0 MPa, twisting is added to the precursor fibers. Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 4 except that there was no such thing. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[実施例11]
耐炎化工程での張力を2.0mN/dtexとした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 11]
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 4 except that the tension in the flame resistance step was 2.0 mN / dtex. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[実施例12]
包括的実施例1により得られた前駆体繊維24000本を巻き取ったボビンを旋回させ、撚り角7.6度となるように撚りを加えながら、空気雰囲気230〜280℃のオーブン中で延伸比を0.8として熱処理し(耐炎化工程)、耐炎化繊維に転換した。得られた耐炎化繊維を、温度300〜800℃の窒素雰囲気中において、延伸比1.1として予備炭素化処理を行い、予備炭素化繊維を得た。次いで、かかる予備炭素化繊維を、最高温度1800℃、張力11.0mN/dtexとして炭素化処理を行い、炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Example 12]
The bobbin wound up with 24,000 precursor fibers obtained in Comprehensive Example 1 is swirled and twisted so as to have a twist angle of 7.6 degrees, and the drawing ratio is in an oven at 230 to 280 ° C. in an air atmosphere. Was heat-treated at 0.8 (flame-resistant step) and converted into flame-resistant fibers. The obtained flame-resistant fiber was subjected to pre-carbonization treatment at a draw ratio of 1.1 in a nitrogen atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. to obtain a pre-carbonized fiber. Next, the preliminary carbonized fibers were carbonized at a maximum temperature of 1800 ° C. and a tension of 11.0 mN / dtex to obtain carbon fibers. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[比較例1]
包括的実施例1により得られた前駆体繊維9000本と、包括的実施例2により得られた前駆体繊維15000本とを混繊させた以外は、実施例1と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Comparative Example 1]
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that 9000 precursor fibers obtained in Comprehensive Example 1 and 15,000 precursor fibers obtained in Comprehensive Example 2 were mixed. It was. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[比較例2]
包括的実施例1により得られた前駆体繊維6000本と、包括的実施例2により得られた前駆体繊維18000本とを混繊させた以外は、実施例1と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Comparative Example 2]
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that 6000 precursor fibers obtained in Comprehensive Example 1 and 18,000 precursor fibers obtained in Comprehensive Example 2 were mixed. It was. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[比較例3]
前駆体繊維に撚りを加えなかったことと、炭素化工程における張力を7.0mN/dtexとした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Comparative Example 3]
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 4 except that no twist was added to the precursor fibers and the tension in the carbonization step was 7.0 mN / dtex. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[比較例4]
撚り角を1.5度とした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Comparative Example 4]
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 4 except that the twist angle was 1.5 degrees. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[比較例5]
耐炎化工程での張力を0.5mN/dtexとした以外は、実施例4と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の評価結果を表1に記載する。
[Comparative Example 5]
Carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 4 except that the tension in the flame resistance step was 0.5 mN / dtex. The evaluation results of the obtained carbon fibers are shown in Table 1.

[参考例1]
東レ株式会社製“トレカ(登録商標)”M40Jの評価結果を表1に記載する。
[Reference example 1]
Table 1 shows the evaluation results of "Trading Card (registered trademark)" M40J manufactured by Toray Industries, Inc.

Figure 2021059829
Figure 2021059829

本発明の炭素繊維は、炭素繊維特有の優れた力学的特性と、収束性および開繊性を高いバランスで兼ね備えた炭素繊維である。本発明の炭素繊維を用いることにより、高性能な炭素繊維強化複合材料を高い生産性で得ることができる。 The carbon fiber of the present invention is a carbon fiber having excellent mechanical properties peculiar to carbon fiber and a high balance of convergence and openness. By using the carbon fiber of the present invention, a high-performance carbon fiber reinforced composite material can be obtained with high productivity.

Claims (12)

複数本の単繊維からなる炭素繊維であって、単繊維横断面の長径短径比の平均値が1.00〜1.15、変動係数が3〜15%、歪度が1.2〜4.0である炭素繊維。 It is a carbon fiber composed of a plurality of single fibers, and the average value of the major axis / minor axis ratio of the cross section of the single fiber is 1.00 to 1.15, the coefficient of variation is 3 to 15%, and the skewness is 1.2 to 4. Carbon fiber that is 0.0. 単繊維横断面に2箇所以上の凹み部を有する単繊維が2〜20%含まれる、請求項1に記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to claim 1, which contains 2 to 20% of a single fiber having two or more recessed portions in the cross section of the single fiber. 単繊維横断面が空豆形の単繊維が3〜15%含まれる、請求項1または2に記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to claim 1 or 2, wherein the single fiber having a broad bean-shaped cross section is contained in an amount of 3 to 15%. 歪度が1.5以上である、請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to any one of claims 1 to 3, which has a skewness of 1.5 or more. 長径短径比が1.20以上の単繊維が3〜20%含まれる、請求項1〜4のいずれかに記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to any one of claims 1 to 4, wherein 3 to 20% of single fibers having a major axis / minor axis ratio of 1.20 or more are contained. 長径短径比が1.00〜1.03の単繊維が15〜90%含まれる、請求項1〜5のいずれかに記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to any one of claims 1 to 5, which contains 15 to 90% of single fibers having a major axis / minor axis ratio of 1.00 to 1.03. 断面積Aと周長Lにより規定される円形度4πA/Lの平均値が0.970〜1.000、変動係数が1〜3%である、請求項1〜6のいずれかに記載の炭素繊維。 The invention according to any one of claims 1 to 6, wherein the average value of the circularity 4πA / L 2 defined by the cross-sectional area A and the peripheral length L is 0.970 to 1.000, and the coefficient of variation is 1 to 3%. Carbon fiber. 単繊維を側面から直線距離1mmの範囲で観察した際、単繊維の繊維軸のゆらぎ幅が2.5μm以上である、請求項1〜7のいずれかに記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to any one of claims 1 to 7, wherein the fluctuation width of the fiber axis of the single fiber is 2.5 μm or more when the single fiber is observed in a range of a linear distance of 1 mm from the side surface. ストランド弾性率が300GPa以上である、請求項1〜8のいずれかに記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to any one of claims 1 to 8, which has a strand elastic modulus of 300 GPa or more. ストランド強度が4.0GPa以上である、請求項1〜9のいずれかに記載の炭素繊維。 The carbon fiber according to any one of claims 1 to 9, wherein the strand strength is 4.0 GPa or more. ポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維を、空気雰囲気下で200〜300℃で耐炎化処理した後、最高温度500〜1200℃の不活性雰囲気下で予備炭素化処理、最高温度1200〜3000℃の不活性雰囲気下で炭素化処理を順に行い、請求項1〜10のいずれかに記載の炭素繊維を得る炭素繊維の製造方法であって、以下の(ハ)または(ニ)を満たす炭素繊維の製造方法。
(ハ)単繊維横断面の長径短径比が1.00〜1.03の前駆体繊維と単繊維横断面の長径短径比が1.20以上の前駆体繊維を8:1〜2:1の本数比率で混合した後で耐炎化処理する。
(ニ)耐炎化処理中の繊維の撚り角を0.2°以上とし、耐炎化処理中の繊維の張力を1.0〜5.0mN/dtexとする。
Polyacrylonitrile-based carbon fiber precursor fibers are flame-resistant at 200 to 300 ° C. in an air atmosphere, then precarbonized under an inert atmosphere at a maximum temperature of 500 to 1200 ° C., and are not treated at a maximum temperature of 1200 to 3000 ° C. The method for producing carbon fibers according to any one of claims 1 to 10, wherein the carbonization treatment is sequentially performed in an active atmosphere, and the carbon fibers satisfying the following (c) or (d) are produced. Method.
(C) A precursor fiber having a major axis / minor axis ratio of a single fiber cross section of 1.00 to 1.03 and a precursor fiber having a major axis / minor axis ratio of a single fiber cross section of 1.20 or more are 8: 1 to 2: After mixing at a ratio of 1 fiber, flame resistance treatment is performed.
(D) The twist angle of the fiber during the flameproofing treatment is 0.2 ° or more, and the tension of the fiber during the flameproofing treatment is 1.0 to 5.0 mN / dtex.
炭素化処理中の繊維の張力を5〜15mN/dtexとする、請求項11に記載の炭素繊維の製造方法。 The method for producing carbon fibers according to claim 11, wherein the tension of the fibers during the carbonization treatment is 5 to 15 mN / dtex.
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