JP2024508516A - Process for making polymer fibers and polymer fibers made therefrom - Google Patents

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エイミー タッカー,
マシュー ジャクソン,
トーマス テイラー,
スザンヌ クロフォード,
ヤーノシュ オラー,
ジョン デズモンド クック,
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サイテック インダストリーズ インコーポレイテッド
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Abstract

本開示は、一般に、ポリマー繊維、典型的にはポリアクリロニトリル系繊維を作製するためのプロセスに関し、その特性は、用いられた、ジェット延伸の量、湿式延伸の量、及び熱延伸の量などの、プロセスの特定のパラメータによって制御される。本開示はまた、このようなポリマー繊維から炭素繊維を作製するためのプロセスに関する。【選択図】なしThe present disclosure generally relates to processes for making polymeric fibers, typically polyacrylonitrile-based fibers, the characteristics of which include the amount of jet drawing, the amount of wet drawing, and the amount of hot drawing used. , controlled by certain parameters of the process. The present disclosure also relates to processes for making carbon fibers from such polymer fibers. [Selection diagram] None

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2021年3月5日に出願された米国仮出願第63/157,111号に対する優先権を主張し、その全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims priority to U.S. Provisional Application No. 63/157,111, filed March 5, 2021, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

本開示は、一般に、ポリマー繊維、典型的にはポリアクリロニトリル系繊維を作製するためのプロセスに関し、その特性は、用いられた、ジェット延伸の量、湿式延伸の量、及び熱延伸の量などの、プロセスの特定のパラメータによって制御される。本開示はまた、このようなポリマー繊維から炭素繊維を作製するためのプロセスに関する。 The present disclosure generally relates to processes for making polymeric fibers, typically polyacrylonitrile-based fibers, the characteristics of which include the amount of jet drawing, the amount of wet drawing, and the amount of hot drawing used. , controlled by certain parameters of the process. The present disclosure also relates to processes for making carbon fibers from such polymer fibers.

炭素繊維、特にポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維は、その高い性能対重量比により、多くの市場分野に渡って需要が増加している。しかしながら、それらが比較的高価であることにより、市場の遍在性(market ubiquity)及び幅広い産業への受け入れが妨げられている2、3。費用を削減するために、炭素繊維製造業者は、生産能力の向上、処理能力の向上、及び処理される繊維1ポンド当たりの資本費用の削減のために、より大型のトウのサイズに注目している4~7。大型のトウ(フィラメント数24,000超)は明らかに費用上の利点があるが、加工の課題があり、湿式紡糸が好ましい製造方法となっている8、9。大型のトウは、熱延伸におけるフィラメントの破損率の増加、蒸気延伸又は従来の巻き取り機構を適用できないこと9、10、熱酸化安定化(TOS)中の発熱が高くなること、及び炭素繊維収量が変動すること11を含む、更なる下流にある課題に悩まされている。大型のトウの加工におけるこれらの更なる課題にもかかわらず、特性目標及び性能指標は、小型のトウの対応するものから低下していない。 Carbon fibers, particularly polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fibers, are in increasing demand across many market sectors due to their high performance-to-weight ratio . However, their relative high cost has hindered market ubiquity and wide industry acceptance2,3 . To reduce costs, carbon fiber manufacturers are turning to larger tow sizes to increase production capacity, increase throughput, and reduce capital costs per pound of fiber processed. There are 4 to 7 . Although large tows (>24,000 filaments) have clear cost advantages, there are processing challenges, making wet spinning the preferred manufacturing method 8,9 . Large tows result in increased filament breakage rates during hot drawing, 8 the inability to apply steam drawing or conventional winding mechanisms, 9,10 higher heat generation during thermal oxidative stabilization (TOS), and carbon fibers. It suffers from further downstream challenges, including variable yields11 . Despite these additional challenges in processing large tows, the property goals and performance indicators have not decreased from their small tow counterparts.

炭素繊維の特性目標を達成するために、初期段階の炭素繊維の構造と形態を確立する、前駆体の開発と繊維の紡糸に重点が置かれている12~15。前駆体の構造は、化学組成16、17、繊維のデニールと結晶化度18、フィブリルの構造と配向19~21、及び紡糸速度20の影響を受ける。空洞、亀裂、及び傷などの紡糸プロセスによって生じる構造的欠陥は、TOS中の繊維の収縮に影響を与え、得られる炭素繊維の強度を低下させる可能性がある22~24。従って、PAN前駆体構造の開発における湿式紡糸の重要な特性を解明することは、炭素繊維の機械的特性の改善につながり得る。 To achieve carbon fiber property goals, emphasis has been placed on precursor development and fiber spinning to establish the initial carbon fiber structure and morphology 12 - 15 . The structure of the precursor is influenced by the chemical composition16,17 , fiber denier and crystallinity18 , fibril structure and orientation19-21 , and spinning speed20 . Structural defects caused by the spinning process, such as cavities, cracks, and scratches , can affect the shrinkage of the fibers in TOS and reduce the strength of the resulting carbon fibers. Therefore, elucidating the important properties of wet spinning in the development of PAN precursor structures can lead to improved mechanical properties of carbon fibers.

PANの形態と構造は、文献で明確に定義されているが13、研究者たちは、当初、様々なプロセスの履歴下にて実験での観察における差異に当惑されていた25~28。Bashirらは、一連の見事な研究を実施し、アタクチックPANの構造が、無配向状態と配向状態に分けられることができることを明らかにした29~32。無配向状態では、PANは、示差走査熱量測定(DSC)及び動的機械分析(DMA)における2つの熱転移によって観察される、非晶質領域と規則性メソフェーズ領域で表される2相形態をとる30、32。より低温のDMA転移(β)約100℃は、メソフェーズ領域に起因すると考えられているが、より高温の転移(α)約130~160℃は、非晶質領域に起因すると考えられている。PAN繊維が延伸時に配向されるようになり、鎖パッキング(chain packing)が発生すると、αピークの強度は、それが消失するまで減少し、その時点で、配向されたPANは、「横方向に規則性の単相」になる26、31、33、34 Although the morphology and structure of PAN are well defined in the literature 13 , researchers were initially perplexed by the differences observed in experiments under various process histories 25 - 28 . Bashir et al. carried out a series of impressive studies and revealed that the structure of atactic PAN can be divided into unoriented and oriented states 29 - 32 . In the unoriented state, PAN exhibits a two-phase morphology represented by an amorphous region and an ordered mesophase region, which is observed by two thermal transitions in differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic mechanical analysis (DMA). Take 30, 32 . The lower temperature DMA transition (β c ) of about 100 °C is thought to be attributed to the mesophase region, whereas the higher temperature transition (α) of about 130 to 160 °C is thought to be attributed to the amorphous region. . As the PAN fibers become oriented upon drawing and chain packing occurs, the intensity of the α peak decreases until it disappears, at which point the oriented PAN is 26, 31, 33, 34 .

熱転移及び鎖パッキング以外にも、PANが無配向状態と配向状態の間で転移する際に、鎖の立体構造が、シフトすることも示されている。Sawaiらは、非配向アタクチックPANは、より大きな割合で不規則な螺旋配列をとり、延伸時に、配向された鎖が平面ジグザグ構造に再配置されることを実証した35~37。Shenらは、最高度の平面ジグザグ配置を備えたシンジオタクチック系が、エネルギーが最も低く、剛性が最も高く、分子間パッキングとTOSにとって最も好ましい鎖構造を有すると言明した38 In addition to thermal transitions and chain packing, the conformation of the chains has also been shown to shift when PAN transitions between unoriented and oriented states. Sawai et al. demonstrated that unoriented atactic PAN adopts a larger proportion of irregular helical arrangements, and upon stretching, the oriented chains rearrange into a planar zigzag structure . Shen et al. stated that the syndiotactic system with the highest degree of planar zigzag configuration has the lowest energy, highest stiffness, and the most favorable chain structure for intermolecular packing and TOS .

前駆体の構造は、未配向状態と配向状態で明確に規定されているが、PAN系前駆体の微細構造の進展(evolution)、又は繊維紡糸における未配向状態から配向状態への経路を直接結び付けることは、商業的な紡糸プロセスを模倣すること及び繊維構造におけるプロセスの変化の影響を調査することが大きな資本を必要とし困難であることから、ほとんど検討されていない。むしろ、多くの検討は、凝固パラメータが前駆体構造に直接的な重大な影響を与える可能性がある繊維紡糸の初期段階に焦点を当ててきた39~44。特に、ドープの押出速度とジェット延伸、又は湿式紡糸における凝固から紡糸口金と第1のゴデットの間で行われた延伸に多くの焦点が置かれてきた45~49 The structure of the precursor is clearly defined in the unoriented state and the oriented state, but the evolution of the microstructure of the PAN-based precursor or the path from the unoriented state to the oriented state in fiber spinning is directly linked. This has been little explored because it is capital intensive and difficult to mimic commercial spinning processes and investigate the effects of process changes on fiber structure. Rather, many studies have focused on the early stages of fiber spinning, where coagulation parameters can have a direct and significant impact on the precursor structure. In particular, much focus has been placed on the extrusion speed and jet stretching of the dope, or the stretching carried out between the spinneret and the first godet from coagulation in wet spinning 45 - 49 .

ジェット延伸とは別に、湿式紡糸は、TOS及び炭化の前に目標のフィラメントデニールを達成するために交換可能に使用できる延伸の他の段階を含む。延伸は、ゲル浴又はある非溶媒媒体での凝固直後に39、50、51、従来の乾式引張り延伸で37、52、53、或いは熱液体又は蒸気室を使用した熱延伸工程を通じて51適用されることができる。各延伸段階では繊維の直径が減少するが、ゲル状態対熱延伸状態の構造の性質により、延伸のメカニズムは、大きく異なり得る。Edringtonの学位論文(thesis work)では、延伸段階の組み合わせにおける全面的な延伸の限界を実証したが、ジェット延伸とゲル延伸を熱延伸から分けて、結晶の配列と配向に最も大きな影響を与えるものを特定するまでには至らなかった51 Apart from jet drawing, wet spinning includes other stages of drawing that can be used interchangeably to achieve a target filament denier before TOS and carbonization. Stretching can be applied immediately after solidification in a gel bath or some non-solvent medium, 39,50,51 by conventional dry tensile stretching, 37,52,53 or through a hot stretching process using hot liquid or vapor chambers . be able to. Each drawing step reduces the diameter of the fiber, but depending on the nature of the structure in the gel state versus the hot drawn state, the drawing mechanism can be very different. Edrington's thesis work demonstrated the limits of overall stretching in combinations of stretching steps, but separated jet stretching and gel stretching from hot stretching to determine which ones have the greatest impact on crystal alignment and orientation. However, it was not possible to identify the cause51 .

従って、より安定した結晶領域及び炭素繊維への変換に有利な前駆体構造をもたらす可能性のある最適な紡糸プロセスを介して、より高い配向状態を達成することが今後も必要とされている。本明細書では、炭素繊維の形成に適したポリマー繊維を作製するためのプロセスについて説明する。本発明のプロセスは、広角X線散乱(WAXS)、並びにDMAにおける熱転移及びPAN系ポリマー繊維のDSCによる安定化速度論による微細構造の調査から導かれた見識を用いている。 Therefore, there remains a need to achieve higher orientation states through optimal spinning processes that may result in more stable crystalline regions and precursor structures favorable for conversion into carbon fibers. A process for making polymeric fibers suitable for forming carbon fibers is described herein. The process of the present invention uses insights derived from wide-angle X-ray scattering (WAXS) and microstructural investigations of thermal transitions in DMA and stabilization kinetics by DSC of PAN-based polymer fibers.

有利なことに、延伸の所定の段階は、相互的ではなく、延伸プロファイルが、前駆体構造において重要な役割を果し得ることが驚くべきことに発見された。本発明のプロセスは、広角X線散乱(WAXS)、並びにDMAにおける熱転移及びPAN系繊維などのポリマー繊維のDSCによる安定化速度論による微細構造の調査から導かれた見識を用いている。 Advantageously, it has been surprisingly discovered that the predetermined stages of stretching are not reciprocal and that the stretching profile can play an important role in the precursor structure. The process of the present invention uses insights derived from wide-angle X-ray scattering (WAXS) and microstructural investigation of thermal transitions in DMA and stabilization kinetics by DSC of polymeric fibers, such as PAN-based fibers.

第1の態様では、本開示は、ポリマー繊維を作製するためのプロセスに関し、このプロセスは、
a)凝固繊維を形成するために、ポリマー溶液を凝固浴中に紡糸する工程であって、ジェット延伸が適用される、紡糸する工程と、
b)工程(a)で得られた凝固繊維に湿式延伸を施して、第1の延伸繊維を形成する工程と、
c)工程(b)で得られた第1の延伸繊維に熱延伸を施して、これによりポリマー繊維を形成する工程と
を含み、
ジェット延伸の量、湿式延伸の量、及び熱延伸の量は、以下の特性を達成するのに有効である:
作製されたポリマー繊維のハーマン配向係数は、少なくとも0.60、典型的には少なくとも0.65、より典型的には少なくとも0.67であり、
作製されたポリマー繊維の結晶子の厚さは、第1の延伸繊維の結晶子の厚さよりも少なくとも3nm、典型的には少なくとも3.5nm、より典型的には少なくとも4nm大きい。
In a first aspect, the present disclosure relates to a process for making polymeric fibers, the process comprising:
a) spinning a polymer solution into a coagulation bath to form coagulated fibers, in which jet drawing is applied;
b) wet-drawing the coagulated fibers obtained in step (a) to form first drawn fibers;
c) hot-stretching the first drawn fiber obtained in step (b), thereby forming a polymer fiber;
The amount of jet stretching, the amount of wet stretching, and the amount of hot stretching are effective to achieve the following properties:
The produced polymer fibers have a Herman orientation coefficient of at least 0.60, typically at least 0.65, more typically at least 0.67;
The crystallite thickness of the produced polymeric fiber is at least 3 nm, typically at least 3.5 nm, more typically at least 4 nm greater than the crystallite thickness of the first drawn fiber.

第2の態様では、本開示は、炭素繊維を作製するためのプロセスに関し、このプロセスは、本明細書に記載のポリマー繊維、又は本明細書に記載のプロセスに従って作製されたポリマー繊維を酸化して、安定化された炭素繊維前駆体繊維を形成することと、次いで安定化された炭素繊維前駆体繊維を炭化させて、これにより炭素繊維を作製することとを含む。 In a second aspect, the present disclosure relates to a process for making carbon fibers, the process oxidizing a polymer fiber described herein or a polymer fiber made according to a process described herein. forming a stabilized carbon fiber precursor fiber, and then carbonizing the stabilized carbon fiber precursor fiber, thereby producing a carbon fiber.

WAXS分析によって観察される、特定の延伸プロファイルが使用された本明細書に記載のプロセスに渡る繊維の構造進展を示す。Figure 2 shows the structural evolution of fibers over the process described herein in which specific drawing profiles were used, as observed by WAXS analysis.

本明細書で使用される場合、用語「1つの(a)」、「1つの(an)」、又は「その(the)」は、特に明記しない限り、「1つ以上」又は「少なくとも1つ」を意味し、交換可能に使用することができる。 As used herein, the terms "a," "an," or "the" refer to "one or more," or "at least one," unless otherwise specified. ” and can be used interchangeably.

本明細書で使用される場合、「A及び/又はB」の形態の句で使用される用語「及び/又は」は、Aだけ、Bだけ、又はAとBを一緒に、を意味する。 As used herein, the term "and/or" used in phrases of the form "A and/or B" means A alone, B alone, or A and B together.

本明細書で使用される場合、用語「含む(comprises)」は、「から本質的になる(consists essentially of)」及び「からなる(consists of)」を含む。用語「含む(comprising)」は、「から本質的になる(consisting essentially of)」及び「からなる(consisting of)」を含む。「含む(comprising)」は、「含む(including)」、「含有する(containing)」、又は「を特徴とする(characterized by)」と同義であり、包括的又は非限定的であることを意図し、追加的な、列挙されない要素又は工程を除外しない。遷移句「本質的に~からなる(consisting essentially of)」は、指定された材料又は工程の他、記載された組成物、プロセス、方法、又は製品の基本的特徴又は機能に本質的に影響を与えないものを包括する。遷移句「からなる」は、特定されていない任意の要素、工程、又は成分を除外する。 As used herein, the term "comprises" includes "consists essentially of" and "consists of." The term "comprising" includes "consisting essentially of" and "consisting of." "Comprising" is synonymous with "including," "containing," or "characterized by," and is intended to be inclusive or non-limiting. and does not exclude additional, unlisted elements or steps. The transition phrase "consisting essentially of" refers to materials or steps that, in addition to the specified materials or steps, essentially affect the essential characteristics or functions of the described composition, process, method, or product. It encompasses what is not given. The transition phrase "consisting of" excludes any element, step, or ingredient not specified.

別段の規定がない限り、本明細書で使用される技術的な用語及び科学的な用語の全ては、本明細書が関係する技術分野の当業者によって一般的に理解される意味と同じ意味を有する。 Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this specification pertains. have

本明細書で使用される場合、特に指示がない限り、用語「約」又は「およそ」は、当業者によって決定される特定の値についての許容可能なエラーを意味し、これは、値がどのように測定又は決定されるかに部分的に依存する。特定の実施形態では、用語「約」又は「およそ」は、1、2、3、又は4標準偏差内を意味する。特定の実施形態では、用語「約」又は「およそ」は、所定の値又は範囲の50%、20%、15%、10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、又は0.05%以内を意味する。 As used herein, unless otherwise indicated, the term "about" or "approximately" means an acceptable error for a particular value as determined by one of ordinary skill in the art; It depends in part on how it is measured or determined. In certain embodiments, the term "about" or "approximately" means within 1, 2, 3, or 4 standard deviations. In certain embodiments, the term "about" or "approximately" refers to 50%, 20%, 15%, 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4% of a given value or range. %, 3%, 2%, 1%, 0.5%, or within 0.05%.

また、本明細書に記載される任意の数値範囲は、そこに包含される全ての部分的な範囲を含むことを意図することが理解されよう。例えば、範囲「1~10」は、列挙された最小値である1と、列挙された最大値である10との間及びそれを含む全ての部分的な範囲を含むことを意図する、即ち、1以上の最小値及び10以下の最大値を有する。開示されている数値範囲は連続しているため、最小値と最大値との間の全ての値が含まれる。特に明記しない限り、本出願で指定された様々な数値範囲は概算値である。 It will also be understood that any numerical range recited herein is intended to include all subranges subsumed therein. For example, the range "1-10" is intended to include all subranges between and including the minimum recited value of 1 and the maximum recited value of 10, i.e. It has a minimum value of 1 or more and a maximum value of 10 or less. The numerical ranges disclosed are continuous and therefore include all values between the minimum and maximum values. Unless otherwise specified, the various numerical ranges specified in this application are approximations.

本開示を通じて、様々な刊行物を参照により組み込むことができる。参照により組み込まれたこのような刊行物における任意の言語の意味が、本開示の言語の意味と矛盾する場合、他に指示がない限り、本開示の言語の意味が優先される。 Throughout this disclosure, various publications may be incorporated by reference. To the extent that the meaning of any language in such publications incorporated by reference conflicts with the meaning of the language of this disclosure, the meaning of the language of this disclosure shall control, unless indicated otherwise.

本開示の第1の態様は、ポリマー繊維を作製するためのプロセスに関し、このプロセスは、
a)凝固繊維を形成するためにポリマー溶液を凝固浴中に紡糸する工程であって、ジェット延伸が適用される、紡糸する工程と、
b)工程(a)で得られた凝固繊維に湿式延伸を施して、第1の延伸繊維を形成する工程と、
c)工程(b)で得られた第1の延伸繊維に熱延伸を施して、これによりポリマー繊維を形成する工程と、を含み、
ジェット延伸の量、湿式延伸の量、及び熱延伸の量は、以下の特性を達成するのに有効である:
作製されたポリマー繊維のハーマン配向係数は、少なくとも0.60、典型的には少なくとも0.65、より典型的には少なくとも0.67であり、
作製されたポリマー繊維の結晶子の厚さは、第1の延伸繊維の結晶子の厚さよりも少なくとも3nm、典型的には少なくとも3.5nm、より典型的には少なくとも4nm大きい。
A first aspect of the present disclosure relates to a process for making polymer fibers, the process comprising:
a) spinning a polymer solution into a coagulation bath to form coagulated fibers, in which jet drawing is applied;
b) wet drawing the coagulated fiber obtained in step (a) to form a first drawn fiber;
c) hot drawing the first drawn fiber obtained in step (b) to thereby form a polymer fiber;
The amount of jet stretching, the amount of wet stretching, and the amount of hot stretching are effective to achieve the following properties:
The produced polymer fibers have a Herman orientation coefficient of at least 0.60, typically at least 0.65, more typically at least 0.67;
The crystallite thickness of the produced polymeric fiber is at least 3 nm, typically at least 3.5 nm, more typically at least 4 nm greater than the crystallite thickness of the first drawn fiber.

プロセスの工程a)では、凝固繊維を形成するために、ポリマー溶液、又は「紡糸ドープ」を凝固浴中に紡糸する。典型的には、ポリマー溶液は、ポリアクリロニトリル系ポリマーと溶媒とを含む均一な溶液である。従って、一実施形態では、作製されたポリマー繊維は、ポリアクリロニトリル系ポリマー繊維である。 In step a) of the process, a polymer solution, or "spinning dope", is spun into a coagulation bath to form coagulated fibers. Typically, the polymer solution is a homogeneous solution containing a polyacrylonitrile-based polymer and a solvent. Thus, in one embodiment, the polymer fibers made are polyacrylonitrile-based polymer fibers.

ポリアクリロニトリル系ポリマーは、アクリロニトリルに由来する繰り返し単位を含む任意のポリマーであり得る。適したポリアクリロニトリル系ポリマーは、アクリロニトリルに由来する繰り返し単位からなるホモポリマー又はアクリロニトリルに由来する繰り返し単位と1つ以上のコモノマーとを含むコポリマーであり得る。このようなポリマーは、市販の供給源から得ることができる又は当業者に公知の方法に従って調製することができる。例えば、ポリマーは、限定するものではないが、溶液重合、分散重合、沈殿重合、懸濁重合、乳化重合、及びそれらの変形を含む任意の重合方法によって生成されることができる。 The polyacrylonitrile-based polymer can be any polymer containing repeating units derived from acrylonitrile. Suitable polyacrylonitrile-based polymers can be homopolymers consisting of repeating units derived from acrylonitrile or copolymers comprising repeating units derived from acrylonitrile and one or more comonomers. Such polymers can be obtained from commercial sources or prepared according to methods known to those skilled in the art. For example, the polymer can be produced by any polymerization method including, but not limited to, solution polymerization, dispersion polymerization, precipitation polymerization, suspension polymerization, emulsion polymerization, and variations thereof.

ポリアクリロニトリル系ポリマーは、アクリロニトリルと、ビニル系酸、ビニル系エステル、ビニルアミド、ビニルハライド、ビニル化合物のアンモニウム塩、スルホン酸のナトリウム塩、及びそれらの混合物からなる群から選択される少なくとも1つのコモノマーとに由来する繰り返し単位を含む。 The polyacrylonitrile polymer comprises acrylonitrile and at least one comonomer selected from the group consisting of vinyl acids, vinyl esters, vinyl amides, vinyl halides, ammonium salts of vinyl compounds, sodium salts of sulfonic acids, and mixtures thereof. Contains repeating units derived from.

一実施形態では、ポリアクリロニトリル系ポリマーは、アクリロニトリルと、メタクリル酸(MAA)、アクリル酸(AA)、イタコン酸(ITA)、メタクリレート(MA)、エチルアクリレート(EA)、ブチルアクリレート(BA)、メチルメタクリレート(MMA)、エチルメタクリレート(EMA)、プロピルメタクリレート、ブチルメタクリレート、β-ヒドロキシエチルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、2-エチルヘキシルアクリレート、イソプロピルアセテート、ビニルアセテート(VA)、ビニルプロピオネート、ビニルイミダゾール(VIM)、アクリルアミド(AAm)、ジアセトンアクリルアミド(DAAm)、塩化アリル、臭化ビニル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、ビニルスルホン酸ナトリウム、p-スチレンスルホン酸ナトリウム(SSS)、メタリルスルホン酸ナトリウム(SMS)、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸ナトリウム(SAMPS)、及びそれらの混合物からなる群から選択される少なくとも1つのコモノマーとに由来する繰り返し単位を含む。 In one embodiment, the polyacrylonitrile-based polymer includes acrylonitrile, methacrylic acid (MAA), acrylic acid (AA), itaconic acid (ITA), methacrylate (MA), ethyl acrylate (EA), butyl acrylate (BA), methyl Methacrylate (MMA), ethyl methacrylate (EMA), propyl methacrylate, butyl methacrylate, β-hydroxyethyl methacrylate, dimethylaminoethyl methacrylate, 2-ethylhexyl acrylate, isopropyl acetate, vinyl acetate (VA), vinyl propionate, vinyl imidazole ( VIM), acrylamide (AAm), diacetone acrylamide (DAAm), allyl chloride, vinyl bromide, vinyl chloride, vinylidene chloride, sodium vinylsulfonate, sodium p-styrenesulfonate (SSS), sodium methallylsulfonate (SMS) ), sodium 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonate (SAMPS), and at least one comonomer selected from the group consisting of sodium 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonate (SAMPS), and mixtures thereof.

コモノマーの比(アクリロニトリルの量に対する1つ以上のコモノマーの量)は特に限定されない。しかしながら、適切なコモノマーの比は、0~20%、典型的には1~5%、より典型的には1~3%である。 The ratio of comonomers (the amount of one or more comonomers to the amount of acrylonitrile) is not particularly limited. However, suitable comonomer ratios are 0-20%, typically 1-5%, more typically 1-3%.

上記プロセスによる使用のために適切なポリアクリロニトリル系ポリマーのモル重量は、60~500kg/モル、典型的には90~250kg/モル、より典型的には115~180kg/モルの範囲内であり得る。 The molar weight of polyacrylonitrile-based polymers suitable for use with the above process may be in the range 60-500 kg/mol, typically 90-250 kg/mol, more typically 115-180 kg/mol. .

ポリマーのための適切な溶媒は、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、エチレンカーボネート(EC)、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、塩化亜鉛(ZnCl)/水、チオシアン酸ナトリウム(NaSCN)/水、及びそれらの混合物からなる群から選択され得、典型的に、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAc)、エチレンカーボネート(EC)、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)からなる群から選択され得る。 Suitable solvents for the polymers are dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), ethylene carbonate (EC), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), zinc chloride (ZnCl 2 ) /water, sodium thiocyanate (NaSCN)/water, and mixtures thereof, typically dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), ethylene carbonate (EC ), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).

使用されるポリマー溶液には、典型的には、ゲル及び/又は凝集したポリマーは含まれない。ゲル及び/又は凝集ポリマーの存在は、当業者に公知のいずれかの方法を使用して決定され得る。例えば、ヘグマン(Hegman)ゲージを使用して、ゲル及び/又は凝集ポリマーの存在を決定することができる。使用されるポリマー溶液は、一般に安定しており、時間が経ってもゲルが形成されない。 The polymer solution used typically does not contain gels and/or aggregated polymers. The presence of gel and/or aggregated polymer can be determined using any method known to those skilled in the art. For example, a Hegman gauge can be used to determine the presence of gel and/or aggregated polymer. The polymer solutions used are generally stable and do not form gels over time.

ポリマー溶液中のポリマーの濃度は、溶液の総重量に基づいて、適切には少なくとも10重量%、典型的には約16重量%~約28重量%である。 The concentration of polymer in the polymer solution is suitably at least 10% by weight, typically from about 16% to about 28% by weight, based on the total weight of the solution.

ポリマー溶液は、真空により気泡を除去した後、従来の湿式紡糸及び/又はエアギャップ紡糸に供されることができる。湿式紡糸では、紡糸ドープは、ポリマーがフィラメントを形成するために液体凝固浴中へ紡糸口金(典型的には金属製)の穴を通して濾過され、押し出される。紡糸口金穴は、繊維の所望のフィラメント番手を決定する(例えば、3K炭素繊維用には3,000穴)。エアギャップ紡糸では、1~50mm、典型的には2~10mmの垂直エアギャップが、紡糸口金と凝固浴との間に提供される。一実施形態では、ポリマー溶液の紡糸は、湿式紡糸によって達成される。 The polymer solution can be subjected to conventional wet spinning and/or air gap spinning after removing air bubbles by vacuum. In wet spinning, the spinning dope is filtered and extruded through holes in a spinneret (typically metal) into a liquid coagulation bath in order for the polymer to form filaments. The spinneret holes determine the desired filament count of the fiber (eg, 3,000 holes for 3K carbon fiber). In air gap spinning, a vertical air gap of 1 to 50 mm, typically 2 to 10 mm, is provided between the spinneret and the coagulation bath. In one embodiment, spinning of the polymer solution is accomplished by wet spinning.

本プロセスに使用される凝固液は、溶媒と非溶媒との混合物である。水又はアルコールが、典型的には非溶媒として使用される。適切な溶媒としては、本明細書に記載の溶媒が挙げられる。一実施形態では、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、又はそれらの混合物が溶媒として使用される。別の実施形態では、ジメチルスルホキシドが溶媒として使用される。溶媒と非溶媒の比、及び浴温度は、特に限定されず、凝固において押し出された新生フィラメントの望まれる凝固速度を実現するために、公知の方法に従って調節することができる。しかしながら、凝固浴は、典型的には、40重量%~85重量%の1つ以上の溶媒を含み、残りは非溶媒である。一実施形態では、凝固浴は、DMSOと水の混合物を含む。 The coagulation liquid used in this process is a mixture of solvent and non-solvent. Water or alcohol is typically used as a non-solvent. Suitable solvents include those described herein. In one embodiment, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, or mixtures thereof are used as the solvent. In another embodiment, dimethyl sulfoxide is used as the solvent. The ratio of solvent to non-solvent and the bath temperature are not particularly limited and can be adjusted according to known methods to achieve the desired coagulation rate of the extruded nascent filaments during coagulation. However, coagulation baths typically contain from 40% to 85% by weight of one or more solvents, with the remainder being non-solvent. In one embodiment, the coagulation bath includes a mixture of DMSO and water.

ジェット延伸は、工程a)で適用される。本明細書で使用される場合、凝固工程で適用されるジェット延伸の量は、当業者に理解されるように、ドープ押出速度に対する第1のローラーの巻き取り速度の比である46、48。ドープ押出速度Vジェットは、以下の式1によって計算され、式中、Qは、体積流量であり、典型的には定量ポンプによって提供され、Nは、紡糸口金の穴の数であり、Dは、各穴の直径である。従って、当業者であれば、Vジェットが、Q、N、及びDの適切な値を選択することによって調整できることを認識するであろう。

Figure 2024508516000001
Jet stretching is applied in step a). As used herein, the amount of jet stretching applied in the coagulation step is the ratio of the first roller take-up speed to the dope extrusion speed, as understood by those skilled in the art. The dope extrusion rate Vjet is calculated by Equation 1 below, where Q is the volumetric flow rate, typically provided by a metering pump, N is the number of holes in the spinneret, and D is , is the diameter of each hole. Accordingly, those skilled in the art will recognize that the V -jet can be tuned by selecting appropriate values of Q, N, and D.
Figure 2024508516000001

このプロセスの工程b)では、工程(a)で得られた凝固繊維に湿式延伸を施して、第1の延伸繊維を形成する。本明細書で使用される場合、湿式延伸は、「湿式延伸」、「第1の延伸」、「1回目の延伸」、及び「FD」と同義であり、これらの用語は、交換可能に使用され得る。湿式延伸中、凝固繊維は、1つ以上の浴に浸漬され、典型的にはローラー又は延伸ロールの作用によって1つ以上の浴を通って搬送される。本明細書で使用される場合、湿式延伸の量は、凝固と1回目の延伸の間の延伸ロールの速度の比として定義される。湿式延伸に使用される1つ以上の浴はそれぞれ、40℃~100℃の温度に維持され得る。 In step b) of this process, the coagulated fibers obtained in step (a) are subjected to wet drawing to form a first drawn fiber. As used herein, wet stretching is synonymous with "wet stretching," "first stretching," "first stretching," and "FD," and these terms are used interchangeably. can be done. During wet drawing, the coagulated fibers are immersed in one or more baths and are conveyed through the one or more baths, typically by the action of rollers or drawing rolls. As used herein, the amount of wet stretching is defined as the ratio of draw roll speeds between solidification and first stretching. Each of the baths or baths used for wet stretching may be maintained at a temperature of 40°C to 100°C.

このプロセスの工程c)では、工程(b)で得られた第1の延伸繊維に熱延伸を施し、これによりポリマー繊維を形成する。本明細書で使用される場合、熱延伸は、「熱延伸」、「第2の延伸」、「2回目の延伸」、及び「HD」と同義であり、これらの用語は交換可能に使用され得る。熱延伸中、第1の延伸繊維は、典型的にはローラー又は延伸ロールの作用によって、液体に浸漬することなく熱源を通って搬送される。例えば、熱源は、工程(b)で得られた第1の延伸繊維がそれを通って搬送される蒸気炉又は管状炉であり得る。本明細書で使用される場合、熱延伸の量は、FD後の延伸ロールと最終の巻き取り速度との比として定義される。 In step c) of this process, the first drawn fiber obtained in step (b) is subjected to hot drawing, thereby forming a polymer fiber. As used herein, hot stretching is synonymous with "hot stretching," "second stretching," "second stretching," and "HD," and these terms are used interchangeably. obtain. During hot drawing, the first drawn fiber is conveyed through a heat source without being immersed in liquid, typically by the action of rollers or drawing rolls. For example, the heat source can be a steam furnace or a tube furnace through which the first drawn fiber obtained in step (b) is conveyed. As used herein, the amount of hot stretching is defined as the ratio of the stretch roll after FD to the final winding speed.

本開示のプロセスは、連続的に又はバッチ式で実施され得る。本明細書で使用される場合、「連続的に実施される」プロセスは、繊維が時間、物質、又は一連の順序において全く中断されずに、一度に1つ以上の加工工程に通じて単一作業単位を運ばれるプロセスを意味する。これは、バッチプロセスと対照的であり、これは、画定された順に行われ且つ材料の別のバッチを処理又は製造するために繰り返さなければならない、一連の順序の終わりに有限量の材料が処理又は製造される一連の順序の1つ以上の工程を含むプロセスとして理解される。一実施形態において、プロセスは連続的に実施される。 The processes of the present disclosure may be performed continuously or batchwise. As used herein, a process that is "continuously conducted" means that the fiber is passed through one or more processing steps at a time, without any interruption in time, material, or sequence. Refers to a process that carries a unit of work. This is in contrast to a batch process, in which a finite amount of material is processed at the end of a series of sequences that are carried out in a defined order and must be repeated to process or produce another batch of material. or as a process comprising one or more steps in a sequence of manufacturing steps. In one embodiment, the process is performed continuously.

本明細書に記載のプロセスによって作製されたポリマー繊維、典型的にはポリアクリロニトリル系繊維は、炭素繊維の作製のための前駆体繊維、いわゆる白色繊維(「WF」)として用いられることができる。従って、一実施形態では、作製されたポリマー繊維は、炭素繊維前駆体繊維である。 Polymer fibers, typically polyacrylonitrile-based fibers, made by the processes described herein can be used as precursor fibers, so-called white fibers (“WF”), for the production of carbon fibers. Thus, in one embodiment, the polymer fibers made are carbon fiber precursor fibers.

本明細書に記載のプロセスにおいて、ジェット延伸の量、湿式延伸の量、及び熱延伸の量は、以下の特性を達成するのに有効である、即ち、作製されたポリマー繊維のハーマン配向係数は、少なくとも0.60、典型的には少なくとも0.65、より一般的には少なくとも0.67であり、作製されたポリマー繊維の結晶子の厚さは、第1の延伸繊維の結晶子の厚さよりも少なくとも3nm、典型的には少なくとも3.5nm、より典型的には少なくとも4nm大きい。 In the process described herein, the amount of jet drawing, the amount of wet drawing, and the amount of hot drawing are effective to achieve the following properties, namely, the Herman orientation coefficient of the produced polymer fibers is , at least 0.60, typically at least 0.65, more typically at least 0.67, and the crystallite thickness of the produced polymer fiber is equal to the crystallite thickness of the first drawn fiber. at least 3 nm, typically at least 3.5 nm, more typically at least 4 nm.

凝固が、初期構造に影響を与え、配向と構造進展を決定づけること、熱延伸、又は高温延伸、後湿式延伸が、メソフェーズ領域のサイズを増大させるのに有益であること、並びに構造的規則性が、機械的特性及びTOSの下流のプロセスパラメータに直接影響を与えることがわかっている。従って、ジェット延伸の量、湿式延伸の量、及び熱延伸の量は、特定の特性が達成されるように調整される。 Solidification influences the initial structure and dictates the orientation and structural evolution; hot stretching, or hot stretching, post-wet stretching is beneficial to increase the size of the mesophase region; and that structural regularity , has been found to directly influence the mechanical properties and process parameters downstream of TOS. Accordingly, the amount of jet stretching, the amount of wet stretching, and the amount of hot stretching are adjusted to achieve specific properties.

広角X線散乱(WAXS)は、ハーマン配向係数、結晶子の厚さ、結晶化度、及びD間隔など、プロセスを通じて繊維の様々な特性を決定するために使用されるパラメータの測定に使用される。 Wide-angle X-ray scattering (WAXS) is used to measure parameters used to determine various properties of fibers throughout the process, such as Hermann orientation coefficient, crystallite thickness, crystallinity, and D-spacing. .

WAXS測定は、当業者に公知の方法に従って実行される。適切な例では、WAXSは、Xenocs Xeuss 2.0システムを使用して送信モードで実行される。光源は、波長λが1.54189ÅのGeniX3DCu ULD 8keVである。単一の繊維トウ(1,000フィラメント)が、アパーチャーカードに渡り整列され固定される。次いで、整列された繊維束を備えたアパーチャーカードを、WAXS試料ホルダーに移し、これを、2D検出器(Dectris Pilatus 200K)から101.17mmの位置に置く。前駆体繊維の露光時間は、600秒である。2θ及び方位角φに対する積分回折強度を取得するためのデータ処理は、Xenocsによって提供されるソフトウェアFoxtrotを使用して実行され得る。構造パラメータは、およそ2θ≒16.9°及び2θ≒29.3°に位置する2つの結晶ピークを持つローレンツ関数、及び約2θ≒25°を中心とする非晶質ピークを使用したOrigin 2017ソフトウェアを使用するFoxtrotデータのピークフィッティングによって決定できる54 WAXS measurements are performed according to methods known to those skilled in the art. In a case in point, WAXS is implemented in transmit mode using a Xenocs Xeuss 2.0 system. The light source is a GeniX3DCu ULD 8keV with a wavelength λ of 1.54189 Å. A single fiber tow (1,000 filaments) is aligned and secured across the aperture card. The aperture card with aligned fiber bundles is then transferred to the WAXS sample holder, which is placed 101.17 mm from the 2D detector (Dectris Pilatus 200K). The exposure time of the precursor fibers is 600 seconds. Data processing to obtain the integrated diffraction intensity for 2θ and azimuthal angle φ can be performed using the software Foxtrot provided by Xenocs. The structural parameters used were a Lorentzian function with two crystalline peaks located at approximately 2θ 1 ≈16.9° and 2θ 2 ≈29.3°, and an amorphous peak centered at approximately 2θ a ≈25°. can be determined by peak fitting of Foxtrot data using Origin 2017 software.

結晶化度χは、式2で決定され、式中、Aθ1及びAθ2は、それぞれ、2つの結晶ピーク2θ及び2θの面積であり、Aθaは、非晶質ピークの面積である。D間隔は、ブラッグの法則(式3)によって決定され、結晶子の厚さLは、シェラーの式(式4)によって決定され、式中、形状係数Kは、0.89であり、βは、対応する結晶ピークのラジアン単位の半値全幅である。方位角スキャンプロファイルは、(100)回折面(2θ≒16.9°)で方位角方向にて回折強度Iを積分することによって取得される55、56。ハーマン配向係数(f)は、式5及び6によって決定される39

Figure 2024508516000002
The crystallinity χ c is determined by Equation 2, where A θ1 and A θ2 are the areas of the two crystalline peaks 2θ 1 and 2θ 2 , respectively, and A θa is the area of the amorphous peak. be. The D spacing is determined by Bragg's law (Equation 3), and the crystallite thickness L c is determined by Scherrer's equation (Equation 4), where the shape factor K is 0.89 and β is the full width at half maximum in radians of the corresponding crystalline peak. The azimuthal scan profile is obtained by integrating the diffraction intensity I in the azimuthal direction with a (100) diffraction plane (2θ 1 ≈16.9°) 55 , 56 . The Harman orientation coefficient (f c ) is determined by equations 5 and 6.
Figure 2024508516000002

ハーマン配向係数、結晶子の厚さ、結晶化度、及びD間隔は、本明細書に記載のプロセスにおける任意の時点で決定することができる。例えば、プロセスの各工程の後に繊維試料を採取し、WAXSによって測定して、各工程で形成された繊維のハーマン配向係数、結晶子の厚さ、結晶化度、及びD間隔を決定することができる。 The Harman orientation coefficient, crystallite thickness, crystallinity, and D spacing can be determined at any point in the process described herein. For example, fiber samples can be taken after each step of the process and measured by WAXS to determine the Herman orientation coefficient, crystallite thickness, crystallinity, and D spacing of the fibers formed at each step. can.

一実施形態では、作製されたポリマー繊維のハーマン配向係数は、少なくとも0.60、典型的には少なくとも0.65、より典型的には少なくとも0.67である。 In one embodiment, the produced polymer fibers have a Herman orientation coefficient of at least 0.60, typically at least 0.65, more typically at least 0.67.

別の実施形態では、凝固繊維のハーマン配向係数は、少なくとも0.35、典型的には少なくとも0.40、より典型的には少なくとも0.42である。 In another embodiment, the coagulated fibers have a Herman orientation coefficient of at least 0.35, typically at least 0.40, more typically at least 0.42.

更に別の実施形態では、作製されたポリマー繊維のハーマン配向係数は、第1の延伸繊維のハーマン配向係数より少なくとも0.08、典型的には少なくとも0.1大きい。 In yet another embodiment, the Hermann orientation coefficient of the polymer fibers made is at least 0.08, typically at least 0.1 greater than the Hermann orientation coefficient of the first drawn fiber.

一実施形態では、作製されたポリマー繊維の結晶子の厚さは、第1の延伸繊維の結晶子の厚さよりも少なくとも3nm、典型的には少なくとも3.5nm、より典型的には少なくとも4nm大きい。 In one embodiment, the crystallite thickness of the produced polymer fiber is at least 3 nm, typically at least 3.5 nm, more typically at least 4 nm greater than the crystallite thickness of the first drawn fiber. .

一実施形態では、凝固繊維の結晶化度は、第1の延伸繊維の結晶化度よりも8%以下、典型的には7%以下、より典型的には6%以下である。 In one embodiment, the crystallinity of the coagulated fibers is 8% or less, typically 7% or less, and more typically 6% or less than the crystallinity of the first drawn fiber.

プロセスを通じて、各工程で得られた繊維は、その断面直径によって特徴付けられることができる。繊維の直径を測定する任意の適切な方法を使用することができる。適切な例では、走査電子顕微鏡法(SEM)が使用される。画像化の準備で、ポリマー繊維は、tert-ブタノール/水共溶媒系を使用するLabconco凍結乾燥機にて凍結乾燥される。フィラメントの断面は、繊維トウを水に濡らし、次いで破断する前に液体窒素に浸すことによって生成される。フィラメントの端は、カーボンテープを使用して15mmのアルミニウムSEMスタブに取り付けられ、帯電を軽減するために3nmのプラチナでスパッタコーティングされる。Hitachi S-4800を使用して、2kVで様々な倍率にて断面を画像化できる。平均フィラメント直径は、QUARTZ PCI画像処理ソフトウェアを使用して測定できる。試料ごとに少なくとも10回の測定が行われる。 Throughout the process, the fibers obtained at each step can be characterized by their cross-sectional diameter. Any suitable method of measuring fiber diameter can be used. In a suitable example, scanning electron microscopy (SEM) is used. In preparation for imaging, polymer fibers are lyophilized in a Labconco lyophilizer using a tert-butanol/water co-solvent system. The filament cross-section is produced by wetting the fiber tow with water and then immersing it in liquid nitrogen before breaking. The filament end is attached to a 15 mm aluminum SEM stub using carbon tape and sputter coated with 3 nm platinum to reduce charging. A Hitachi S-4800 can be used to image cross sections at 2 kV and various magnifications. Average filament diameter can be measured using QUARTZ PCI image processing software. At least 10 measurements are taken per sample.

一実施形態では、凝固繊維の平均直径は、少なくとも40μm、典型的には少なくとも45μm、より典型的には少なくとも50μm、更により典型的には少なくとも55μmである。 In one embodiment, the average diameter of the coagulated fibers is at least 40 μm, typically at least 45 μm, more typically at least 50 μm, even more typically at least 55 μm.

別の実施形態では、第1の延伸繊維の平均直径は、少なくとも15μm、典型的には少なくとも20μm、典型的には少なくとも22μmである。 In another embodiment, the average diameter of the first drawn fibers is at least 15 μm, typically at least 20 μm, typically at least 22 μm.

また、プロセスの各工程で得られた繊維は、メソフェーズガラス転移温度βでの構造緩和の活性化エネルギーΔHによって特徴付けられることができる。 The fibers obtained at each step of the process can also be characterized by the activation energy of structural relaxation ΔH at the mesophase glass transition temperature β c .

メソフェーズガラス転移温度βでの構造緩和の活性化エネルギーΔHは、当業者に公知の方法を使用する動的機械分析(DMA)を使用して測定される。適切には、DMAは、TA Instruments Discovery Hybrid Series HR-2レオメーターにて実行される。前駆体繊維トウは、引張りモードで長方形の引張り治具の形状を使用して試験される。5分間の温度浸漬と±0.1Nの軸力を適用して試料を調整する。損失弾性率、貯蔵弾性率、及びtanδの変数は、0.5、1、5、10、及び15Hzの様々な周波数で、1℃/分で45℃~165℃の温度範囲で発振温度を上昇させながら温度に対してプロットされる。軸歪みは、0.1%に設定される。tanδのピークとして得られる、メソフェーズガラス転移温度βでの構造緩和の活性化エネルギーΔHは、式7により、周波数f及び一般気体定数Rとのアレニウスの関係式によって計算される33、35、57

Figure 2024508516000003
The activation energy of structural relaxation ΔH at the mesophase glass transition temperature β c is determined using dynamic mechanical analysis (DMA) using methods known to those skilled in the art. Suitably, DMA is performed on a TA Instruments Discovery Hybrid Series HR-2 rheometer. The precursor fiber tow is tested using a rectangular tension fixture configuration in tension mode. Condition the sample by applying a 5 minute temperature soak and an axial force of ±0.1N. Variables of loss modulus, storage modulus, and tan δ increase the oscillation temperature over a temperature range of 45 °C to 165 °C at 1 °C/min at various frequencies of 0.5, 1, 5, 10, and 15 Hz. plotted against temperature. Axial strain is set to 0.1%. The activation energy ΔH of structural relaxation at the mesophase glass transition temperature β c obtained as the peak of tan δ is calculated by the Arrhenius relation with the frequency f and the general gas constant R according to Equation 7 . .
Figure 2024508516000003

一実施形態では、作製されたポリマー繊維のβの構造緩和の活性化エネルギーは、700kJ/モル未満、典型的には650kJ/モル未満、より典型的には600kJ/モル未満である。 In one embodiment, the activation energy for structural relaxation of β c of the prepared polymeric fibers is less than 700 kJ/mol, typically less than 650 kJ/mol, more typically less than 600 kJ/mol.

別の実施形態では、作製されたポリマー繊維のβcの構造緩和の活性化エネルギーは、500~600kJ/モル、典型的には530~570kJ/モルである。 In another embodiment, the activation energy for βc structural relaxation of the prepared polymer fibers is between 500 and 600 kJ/mol, typically between 530 and 570 kJ/mol.

プロセスの各工程で得られた繊維は、環化活性化エネルギーによって特徴付けられることができる。環化活性化エネルギーは、当業者に公知の任意の方法を使用して測定することができる。適切な方法は、示差走査熱量測定(DSC)である。例えば、DSCは、Universal Analysis 2000を備えたTA Instruments Q2000にて実行できる。DSCは、温度及び熱流について、それぞれASTM E967-03及びASTM E968-02に従い、認定された標準物質(融解温度:156.60℃±0.03℃、融解エンタルピー:28.70J/g±0.09J/g)としてインジウム金属を使用して校正される。TA instrumentの蓋付き標準アルミニウムDSCパンは、55mL/分の窒素又は空気流量で使用されることができる。DSCは2分間35℃で平衡化され、次いで35~450℃まで2、5、10、20、及び30℃/分のランプ速度が使用される。 The fibers obtained at each step of the process can be characterized by their cyclization activation energy. Cyclization activation energy can be measured using any method known to those skilled in the art. A suitable method is differential scanning calorimetry (DSC). For example, DSC can be performed on a TA Instruments Q2000 with Universal Analysis 2000. The DSC was performed using certified reference materials (melting temperature: 156.60°C ± 0.03°C, enthalpy of fusion: 28.70 J/g ± 0.0°C, according to ASTM E967-03 and ASTM E968-02, respectively, for temperature and heat flow. 09 J/g) using indium metal. A standard aluminum DSC pan with a lid from TA instrument can be used with a nitrogen or air flow rate of 55 mL/min. The DSC is equilibrated at 35°C for 2 minutes and then ramp rates of 2, 5, 10, 20, and 30°C/min from 35 to 450°C are used.

環化活性化エネルギーは、フリン-ウォール-オザワ(Flynn-Wall-Ozawa)(FWO)法、式8から決定され、式中、Eは、環化活性化エネルギーであり、Rは、一般気体定数であり、Tpkは、ピーク発熱温度(ケルビン単位)であり、ωは、温度ランプ速度(ケルビン単位)である58、59

Figure 2024508516000004
The cyclization activation energy is determined from the Flynn-Wall-Ozawa (FWO) method, Equation 8, where E a is the cyclization activation energy and R is the general gas where T pk is the peak exothermic temperature (in Kelvin) and ω is the temperature ramp rate (in Kelvin ).
Figure 2024508516000004

一実施形態では、作製されたポリマー繊維の環化活性化エネルギーは、第1の延伸繊維の環化活性化エネルギーよりも少なくとも7kJ/モル、典型的には少なくとも11kJ/モル、より典型的には少なくとも13kJ/モル大きい。 In one embodiment, the cyclization activation energy of the produced polymeric fiber is at least 7 kJ/mol, typically at least 11 kJ/mol, more typically greater than the cyclization activation energy of the first drawn fiber. At least 13 kJ/mol greater.

また、DSCを使用して、プロセスの各工程で得られた繊維の環化発熱のピーク温度を決定することができる。環化反応は、一般に発熱性であり、熱流(W/g単位)が温度の関数としてプロットされるDSCスキャンでピークとして見られることができる。一実施形態では、作製されたポリマー繊維の環化発熱のピーク温度は、凝固繊維及び/又は第1の延伸繊維の環化発熱のピーク温度より少なくとも3℃高い。 DSC can also be used to determine the peak temperature of the cyclization exotherm of the fibers obtained at each step of the process. The cyclization reaction is generally exothermic and can be seen as a peak in a DSC scan where the heat flux (in W/g) is plotted as a function of temperature. In one embodiment, the peak temperature of the cyclization exotherm of the produced polymeric fibers is at least 3° C. higher than the peak cyclization exotherm temperature of the coagulated fibers and/or the first drawn fibers.

本明細書に記載の本発明のプロセスによって形成されたポリマー繊維、典型的には炭素繊維前駆体繊維、又は白色繊維は、延伸プロファイル、即ち、ジェット延伸の量、湿式延伸の量、及び熱延伸の量が特定の微細構造を引き起こすという驚くべき観察から得られる、靭性、伸び、及びヤング率などの機械的特性を有する。 The polymeric fibers formed by the inventive processes described herein, typically carbon fiber precursor fibers, or white fibers, have different draw profiles, i.e., the amount of jet drawing, the amount of wet drawing, and the amount of hot drawing. derived from the surprising observation that the amount of carbon gives rise to specific microstructures with mechanical properties such as toughness, elongation, and Young's modulus.

形成されたポリマー繊維の線質量密度、又はトウデニールは、3メートルの試料切片の重量に基づく2つの収量測定値の平均から計算されることができる。線質量密度は、トウ(フィラメントの束)単位で又はフィラメントごとに基づいて表されることができる。本明細書では、線質量密度は、フィラメントごとに基づいて表される。従って、本明細書で使用される線質量密度は、フィラメント9000メートル当たりのグラム単位の質量、又はフィラメント当たりのデニールである。作製されたポリマー繊維の線質量密度は、フィラメント当たり0.7~1.2デニール、典型的には0.85~1.0デニールである。 The linear mass density, or tow denier, of the formed polymer fibers can be calculated from the average of two yield measurements based on the weight of a 3 meter sample section. Linear mass density can be expressed on a tow (bundle of filament) basis or on a per filament basis. Linear mass density is expressed herein on a filament-by-filament basis. Therefore, linear mass density as used herein is mass in grams per 9000 meters of filament, or denier per filament. The linear mass density of the polymer fibers produced is between 0.7 and 1.2 denier per filament, typically between 0.85 and 1.0 denier.

機械的特性は、公知の方法を使用して試験することができる。例えば、MTS Criterion C43及びTestworks 4ソフトウェアを使用できる。繊維試料は、予荷重力0.1lbf及びグリップ圧力60psiでゲージ長さ7.875インチにて荷重される。各試料は、クロスヘッド速度2インチ/分で合計3回試験される。 Mechanical properties can be tested using known methods. For example, MTS Criterion C43 and Testworks 4 software can be used. The fiber samples are loaded at a gauge length of 7.875 inches with a preload force of 0.1 lbf and a grip pressure of 60 psi. Each sample is tested a total of three times at a crosshead speed of 2 inches/minute.

一実施形態では、作製されたポリマー繊維の靭性は、少なくとも4g/d、典型的には少なくとも5g/d、より典型的には少なくとも6g/dである。 In one embodiment, the toughness of the polymer fibers made is at least 4 g/d, typically at least 5 g/d, more typically at least 6 g/d.

一実施形態では、作製されたポリマー繊維のヤング率は、少なくとも95g/d、より典型的には少なくとも100g/dである。 In one embodiment, the Young's modulus of the polymer fibers made is at least 95 g/d, more typically at least 100 g/d.

別の実施形態では、作製されたポリマー繊維のヤング率は、95~130g/d、典型的には100~130g/d、より典型的には115~125g/dである。 In another embodiment, the Young's modulus of the polymer fibers made is between 95 and 130 g/d, typically between 100 and 130 g/d, and more typically between 115 and 125 g/d.

第2の態様では、本開示は、炭素繊維を作製するためのプロセスに関し、このプロセスは、本明細書に記載のポリマー繊維、又は本明細書に記載のプロセスに従って作製されたポリマー繊維を酸化して、安定化された炭素繊維前駆体繊維を形成する工程と、次いで安定化された炭素繊維前駆体繊維を炭化させて、これにより炭素繊維を作製する工程とを含む。 In a second aspect, the present disclosure relates to a process for making carbon fibers, the process oxidizing a polymer fiber described herein or a polymer fiber made according to a process described herein. and forming stabilized carbon fiber precursor fibers, and then carbonizing the stabilized carbon fiber precursor fibers to thereby produce carbon fibers.

本明細書に記載のプロセスに従って形成されたポリマー繊維を酸化して、安定化された炭素繊維前駆体繊維を形成することができ、その後、安定化された炭素繊維前駆体繊維を炭化させて、炭素繊維を作製する。 Polymer fibers formed according to the processes described herein can be oxidized to form stabilized carbon fiber precursor fibers, and then the stabilized carbon fiber precursor fibers are carbonized, Produce carbon fiber.

酸化段階の間、ポリマー繊維は、それぞれが150~300℃、典型的には200~280℃の温度を有する1つ以上の特殊化したオーブンに、引張り下で通され、そこで、加熱された空気が、オーブンのそれぞれに供給される。酸化プロセスにより、空気中の酸素分子が繊維と結合し、ポリマー鎖の架橋が開始され、これにより繊維密度が適切なレベルまで増加する。このような酸化された繊維、典型的にはPAN繊維は、不溶解性のラダー型芳香族分子構造を有し、炭化処理の準備ができている。 During the oxidation stage, the polymer fibers are passed under tension through one or more specialized ovens, each having a temperature of 150-300°C, typically 200-280°C, where heated air is supplied to each oven. The oxidation process causes oxygen molecules in the air to bond with the fibers and initiate cross-linking of the polymer chains, thereby increasing the fiber density to the appropriate level. Such oxidized fibers, typically PAN fibers, have an insoluble ladder aromatic molecular structure and are ready for carbonization processing.

炭化は、炭素分子の結晶化をもたらし、その結果として90パーセント超の炭素含有量を有する完成した炭素繊維を生成する。酸化又は安定化された炭素繊維前駆体繊維の炭化は、1つ以上の特別に設計された炉の中にて不活性(無酸素)雰囲気中で、典型的に窒素雰囲気中で行われる。酸化された炭素繊維前駆体繊維は、それぞれが300℃~1650℃の温度に加熱された1つ以上のオーブンを通過する。 Carbonization results in crystallization of carbon molecules, resulting in finished carbon fibers having a carbon content of greater than 90 percent. Carbonization of the oxidized or stabilized carbon fiber precursor fibers is carried out in one or more specially designed furnaces in an inert (oxygen-free) atmosphere, typically under a nitrogen atmosphere. The oxidized carbon fiber precursor fibers are passed through one or more ovens, each heated to a temperature between 300°C and 1650°C.

表面処理は、炭化された繊維を、重炭酸アンモニウム又は次亜塩素酸ナトリウムなどの、電解質を含む電解浴を通して引っ張ることを含むことができる。電解浴の化学物質は、繊維の表面をエッチング又は粗面化し、これにより、界面繊維/マトリックスの結合に利用できる表面積を増加させ、複合材料の形成に有用な反応性化学基を追加する。 Surface treatment can include pulling the carbonized fiber through an electrolytic bath containing an electrolyte, such as ammonium bicarbonate or sodium hypochlorite. The electrolytic bath chemicals etch or roughen the surface of the fibers, thereby increasing the surface area available for interfacial fiber/matrix bonding and adding reactive chemical groups useful in composite formation.

次に、炭素繊維は、サイズコーティング(例えば、エポキシ系コーティング)が繊維に対して塗布される、サイジング処理にかけることができる。サイジング処理は、繊維を、液体コーティング材料を含むサイズ浴を通過させることによって実施することができる。サイジング処理は、ハンドリング中に、並びに乾燥布地及びプレプレグなどの、中間形態への加工中に炭素繊維を保護する。また、サイジング処理は、フィラメントを個々のトウにまとめてけばを減らし、加工性を改善し、複合材料の製造に使用された繊維とマトリックス樹脂の間の界面剪断強度を高める。サイジング処理後に、コーティングされた炭素繊維は、乾燥させられ、次いでボビンに対して巻き付けられる。作製された炭素繊維は、複合材料の作製での使用に適している。 The carbon fibers can then be subjected to a sizing process in which a size coating (eg, an epoxy-based coating) is applied to the fibers. Sizing can be carried out by passing the fiber through a sizing bath containing a liquid coating material. The sizing process protects the carbon fibers during handling and processing into intermediate forms, such as dry fabrics and prepregs. The sizing process also aggregates the filaments into individual tows to reduce fuzz, improve processability, and increase interfacial shear strength between the fibers and matrix resin used to make the composite. After the sizing process, the coated carbon fibers are dried and then wound onto a bobbin. The produced carbon fibers are suitable for use in making composite materials.

本開示によるプロセス及びそれから作製されたポリマー繊維を、以下の非限定的な実施例によって更に例示する。 The process according to the present disclosure and polymeric fibers made therefrom are further illustrated by the following non-limiting examples.

実施例1.ポリマー繊維の調製
ポリマードープを、PAN系ポリマーをDMSO中で15ガロンのマイヤーズミキサーにて固形分18.5重量%の目標濃度で混合することによって調製した。ポリマードープを65℃に温め、真空下で脱気し、ドープ貯蔵タンクにて窒素を用いて加圧した。次いで、ポリマードープを、圧力調整され加熱された計量ポンプを通して供給し、湿式紡糸の前に濾過した。ドープ流量を40mL/分の一定速度で制御し、1,000穴の紡糸口金(穴の直径=50μm)を通して、DMSOと水の混合物を含む加熱された凝固浴中に押し出した。
Example 1. Preparation of Polymer Fibers A polymer dope was prepared by mixing the PAN-based polymer in DMSO in a 15 gallon Myers mixer to a target concentration of 18.5% solids by weight. The polymer dope was warmed to 65°C, degassed under vacuum, and pressurized with nitrogen in a dope storage tank. The polymer dope was then fed through a pressure regulated heated metering pump and filtered before wet spinning. The dope flow rate was controlled at a constant rate of 40 mL/min and extruded through a 1,000-hole spinneret (hole diameter = 50 μm) into a heated coagulation bath containing a mixture of DMSO and water.

ポリマー組成、浴濃度、温度、及び他の紡糸パラメータは、一定のままであったが、唯一の変数は、ジェット延伸及び2回目の延伸中に行われた延伸比であった。以下の表1に概要が示されているように、ジェット延伸と2回目の延伸の間で行われた比例した量の延伸を使用して3つの変形例が検討され、この場合、変形例は、「1」、「2」、又は「3」として示され、繊維試料が採取された工程は、「Coag」(凝固後)、「FD」(1回目の延伸後)、及び「WF」(2回目の延伸後)として示される。凝固時に適用されたジェット延伸の量は、ドープ押出速度に対する第1のローラーの巻き取り速度の比Xによって制御された46、48。ドープ押出速度Vジェットは、上記の式1によって計算される。凝固(「Coag」)と1回目の延伸(「FD」)の間の延伸ロールの速度の比は、湿式延伸の量Y、及びFD後の延伸ロールの間の比であり、最終的なワインダー速度は、熱延伸で適用された延伸の量Zである。 Polymer composition, bath concentration, temperature, and other spinning parameters remained constant; the only variable was the draw ratio performed during the jet draw and the second draw. As outlined in Table 1 below, three variants were considered with proportional amounts of stretching performed between the jet stretch and the second stretch, where the variants , "1", "2", or "3", and the process at which the fiber sample was taken is "Coag" (after coagulation), "FD" (after first drawing), and "WF" ( after the second stretching). The amount of jet stretching applied during solidification was controlled by the ratio X of the first roller take-up speed to the dope extrusion speed . The dope extrusion speed Vjet is calculated by Equation 1 above. The ratio of draw roll speeds between coagulation ("Coag") and first draw ("FD") is the ratio between the amount of wet drawing, Y, and the draw rolls after FD, and the final winder Speed is the amount of stretching Z applied in hot stretching.

Coag-2及びCoag-3では、Coag-1に比べて、ジェット延伸は、それぞれ36%及び58%増加し、2回目の延伸は、同等の量で減少した。検討した3つの変形例全てで、最終のワインダー速度は、同等であったため、各白色繊維前駆体に適用された総延伸は同等のX*Y*Zであった。3つの変形例のそれぞれについて、凝固及び1回目の延伸後に収集した試料を、更なる分析の前に一定の重量になるまで吊り下げて乾燥させた。白色繊維(WF)試料は、紡糸中の乾燥プロセス後にワインダーにて収集され、そのまま使用された。 For Coag-2 and Coag-3, jet draw increased by 36% and 58%, respectively, and second draw decreased by a similar amount compared to Coag-1. For all three variants considered, the final winder speeds were similar, so the total stretch applied to each white fiber precursor was similar X*Y*Z. For each of the three variants, samples collected after solidification and first stretching were hung to dry to constant weight before further analysis. White fiber (WF) samples were collected in a winder after the drying process during spinning and used as is.

Figure 2024508516000005
Figure 2024508516000005

実施例2.SEM分析
上で説明されたように、表1に示された繊維試料に対してSEM分析を実行した。
Example 2. SEM Analysis SEM analysis was performed on the fiber samples shown in Table 1 as described above.

ジェット延伸がCoag-1、Coag-2、Coag-3と増加するにつれて、フィラメントの断面が、インゲン豆の形状から楕円形状の円形、最終的にはより円形の形状に遷移することが観察された。ジェット延伸は、紡糸口金キャピラリーにおける剪断力に影響を与えることが知られており、これによりダイの膨潤が減少し、その結果、溶媒交換が減少する46、48、60。また、ジェット延伸が増加すると、紡糸口金キャピラリーから出るフィラメントの直径が減少し、プロト繊維の半径が大きいほど、皮膜構造が薄くまばらになり、水とDMSOの相互拡散が容易になる60。直径が大きいほど、Coag-1は、Coag-2及びCoag-3と比較して皮膜コアの遷移が緩やかになり、より明確な皮膜層を有する。Coag-3では、Coag-1及びCoag-2と比較して、固体の皮膜を形成するよう相互拡散が十分に妨げられ、コア構造の完全な凝固を防ぎ、緩いスポンジ状の特性が残る。加えて、ジェット延伸が大きくなると、凝固浴での滞留時間が短くなることで混乱が生じ、これにより繊維が完全に凝固しないままになる可能性もある。 It was observed that as the jet drawing increased from Coag-1 to Coag-2 to Coag-3, the cross-section of the filament transitioned from kidney bean shape to elliptical circular shape and finally to a more circular shape. . Jet stretching is known to affect shear forces in the spinneret capillary, which reduces die swelling and, as a result, solvent exchange . Also, as jet drawing increases, the diameter of the filaments exiting the spinneret capillary decreases, and the larger the protofiber radius, the thinner and sparser the film structure becomes, facilitating the interdiffusion of water and DMSO . At larger diameters, Coag-1 has a more gradual transition in the skin core and more distinct skin layers compared to Coag-2 and Coag-3. In Coag-3, compared to Coag-1 and Coag-2, interdiffusion is sufficiently inhibited to form a solid film, preventing complete solidification of the core structure and leaving a loose spongy character. In addition, higher jet stretching may cause disruption due to shorter residence time in the coagulation bath, which may leave the fibers not fully coagulated.

凝固後、実際の速度と滞留時間はジェット延伸の違いにより変動したが、繊維は、全て第1の延伸において同じ延伸比にかけられた。断面形状は、3つの場合全てで円形フィラメントに向かって収束しているが、FD-1は、インゲン豆の類似性をある程度保持している。断面画像は、試料を液体窒素中で破砕することによって得られ、破砕表面から欠陥を洞察することができる61。FD-1及びFD-2は、繊維の中心からの放射パターンを示しており、これは、内部欠陥の指標である。FD-3は、コアから皮膜層が分離していることを示しており、これは、破砕が、皮膜で始まり、フィラメントの中心を通るのではなくフィラメントのコアの周りに広まったことを示唆している。また、フィラメントの皮膜は、明らかな違いを示しており、FD-1は、繊維軸に沿ってより細かい縞模様を有するが、FD-3は、凝固速度がより速いため、より顕著でより深い皮膜の溝を有する62。平均フィラメント直径は、一定の第1の延伸比で予想される、凝固の場合と同じ第1の延伸後の比例差を保持する。例えば、Coag-2及びFD-2の平均フィラメント直径(49.6μm及び19.1μm)は、それぞれCoag-1及びFD-1(58.0μm及び22.2μm)の約86%のままである。2回目の延伸での比例した調整は、3つのプロファイルのそれぞれのワインダー速度が等しくなるように速度差を補償するために使用される。SEMにより観察される凝固繊維及び第1の延伸繊維の平均直径を、以下の表2に要約する。SEMによるWF試料の形態学的試験は、繊維の延性の性質により困難であるため、含まれていない。 After solidification, the fibers were all subjected to the same draw ratio in the first draw, although the actual speed and residence time varied due to the different jet draws. Although the cross-sectional shape converges towards circular filaments in all three cases, FD-1 retains some kidney bean similarity. Cross-sectional images are obtained by fracturing samples in liquid nitrogen and can provide insight into defects from the fractured surface 61 . FD-1 and FD-2 show a radiation pattern from the center of the fiber, which is indicative of internal defects. FD-3 shows separation of the film layer from the core, suggesting that the fracture started at the film and spread around the core of the filament rather than through the center of the filament. ing. Also, the film of the filament shows obvious differences, with FD-1 having finer stripes along the fiber axis, whereas FD-3 has more pronounced and deeper stripes due to faster solidification rate. 62 with membrane grooves. The average filament diameter maintains the same proportional difference after the first draw as in solidification, as expected at a constant first draw ratio. For example, the average filament diameters of Coag-2 and FD-2 (49.6 μm and 19.1 μm) remain approximately 86% of Coag-1 and FD-1 (58.0 μm and 22.2 μm), respectively. A proportional adjustment in the second draw is used to compensate for speed differences so that the winder speeds for each of the three profiles are equal. The average diameters of the coagulated fibers and first drawn fibers as observed by SEM are summarized in Table 2 below. Morphological examination of the WF samples by SEM is difficult due to the ductile nature of the fibers and is therefore not included.

Figure 2024508516000006
Figure 2024508516000006

実施例3.WAXS分析
延伸の各段階後の繊維の構造の違いを調査するために、各試料に対してWAXSを実行した。図1は、プロファイル1の構造進展を示しており、各サンプリングの場所のスキャンが重ね合わされている。興味深いことに、Coag-1は、PANにおけるメソフェーズ規則性領域に対応する約2θ≒17°の強いピークを示し31、これは、凝固とジェット延伸の結果としてかなりの量の結晶化が発生することを示している。Coag-1はまた、約2θ≒25°の幅広い非晶質のピーク、及び約2θ≒29°の別のより高い規則性の回折面の開始を表す54。第1の延伸で繊維が更に延伸されると、Coag-1と比較して、FD-1は、2θのわずかな狭小化、及び2θピークのより大きい強度を示す。2回目の延伸に続いて、WF-1では、より鋭い2θ回折ピーク、非常に顕著な2θピーク、及び相対2θ強度の大幅な減少を表している。
Example 3. WAXS Analysis WAXS was performed on each sample to investigate the differences in the structure of the fibers after each stage of drawing. Figure 1 shows the structural evolution of Profile 1, with the scans of each sampling location superimposed. Interestingly, Coag-1 exhibits a strong peak around 2θ 1 ≈17°, which corresponds to the mesophase regularity region in PAN, 31 indicating that a significant amount of crystallization occurs as a result of solidification and jet stretching. It is shown that. Coag-1 also exhibits a broad amorphous peak at about 2θ a ≈25° and the onset of another more highly ordered diffraction plane at about 2θ 2 ≈29°. When the fiber is drawn further in the first draw, FD-1 shows a slight narrowing of the 2θ 1 and greater intensity of the 2θ 2 peak compared to Coag-1. Following the second stretch, WF-1 exhibits a sharper 2θ 1 diffraction peak, a very prominent 2θ 2 peak, and a significant decrease in relative 2θ a intensity.

全ての処理条件下での結晶化度(χ)、結晶子の厚さ(L)、及び配向(f)は、上記のように決定された。結晶化度は、プロセスを通じて低下するようであるが、この挙動は、使用されたデータ処理技術による異常であると考えられている。結晶化度の解釈は、文献で議論されていることが多いが13、本明細書で使用された提案された方法は、WAXSピークパラメータ及び様々な繊維試料のピークフィットで観察される(図示せず)規則性領域の一部として、2θピークと2θピークの両方を考慮している。それにもかかわらず、非晶質領域、2θによる2θのデコンボリューションが難しいため、凝固時の見かけの結晶化度が高くなり、非晶質含有量が高い試料では、2θピークにおけるピーク面積、つまり試料の全体の結晶化度が、意図的に増加する可能性があることを意味している。 Crystallinity (χ c ), crystallite thickness (L c ), and orientation (f c ) under all processing conditions were determined as described above. Crystallinity appears to decrease throughout the process, but this behavior is believed to be an anomaly due to the data processing techniques used. Although the interpretation of crystallinity is often debated in the literature, 13 the proposed method used herein can be observed in the WAXS peak parameters and peak fits of various fiber samples (not shown). (b) Both the 2θ 1 peak and the 2θ 2 peak are considered as part of the regularity region. Nevertheless, in the amorphous region, the apparent crystallinity upon solidification is high due to the difficult deconvolution of 2θ2 by 2θa , and in samples with high amorphous content, the peak area at the 2θ2 peak is , which means that the overall crystallinity of the sample may be intentionally increased.

驚くべきことに、凝固試料の顕著な2θピークは、メソフェーズ領域が紡糸の開始時にほぼ確立されていることを示している。2θ(d2θ1)の結晶化度とd間隔は、紡糸時の延伸プロセス全体を通じて比較的安定したままであるが、結晶子の厚さと配向に大きな構造変化が発生する。3つの試料全てについて、配向は、Coag、FD、WFと徐々に増加し、それぞれの方位角スキャンごとにピークが狭くなる。結晶子の厚さは、CoagからFDまでの間にわずかな増加があり、2θピークの狭小化によって注目されるFDからWFまでの急増がある。これは、規則性領域をともに融合し、非晶質領域と規則性領域を同化させるには、湿式延伸よりも熱延伸の方が効果的であることを示唆している。Liuらは、延伸の初期段階がポリマー鎖の矯正及びもつれの解除に費やされることを示唆しており22、これにより湿式延伸中のLの限界増加も説明できる可能性がある。繊維試料のWAXSパラメータを以下の表3に要約する。 Surprisingly, the prominent 2θ 1 peak of the coagulated sample indicates that the mesophase region is established almost at the beginning of spinning. Although the 2θ 1 (d 2θ1 ) crystallinity and d-spacing remain relatively stable throughout the drawing process during spinning, large structural changes occur in crystallite thickness and orientation. For all three samples, the orientation increases gradually from Coag to FD to WF, with the peak narrowing with each azimuthal scan. The crystallite thickness has a slight increase from Coag to FD and a sharp increase from FD to WF noted by the narrowing of the 2θ1 peak. This suggests that hot stretching is more effective than wet stretching in fusing regular regions together and assimilating amorphous and regular regions. Liu et al. suggested that the early stages of stretching are devoted to straightening and disentangling the polymer chains, 22 which may also explain the marginal increase in L c during wet stretching. The WAXS parameters of the fiber samples are summarized in Table 3 below.

Figure 2024508516000007
Figure 2024508516000007

実施例4.分子動力学シミュレーション
WAXSデータから示唆された進展する構造を視覚化するために、分子動力学シミュレーションを実行した。ここでは、20本の個別の鎖からなるPANシステムに軸方向の歪みを加えて、延伸プロセスをシミュレートした。
Example 4. Molecular dynamics simulations Molecular dynamics simulations were performed to visualize the evolving structure suggested by the WAXS data. Here, a PAN system consisting of 20 individual chains was subjected to axial strain to simulate the stretching process.

全てのシミュレーションには、Schrodinger Materials Science 19-3及びOPLS3-e力場が使用された。PAN鎖は、「架橋ポリマー(Crosslink Polymer)」モジュールを使用して、最初に5000個のアクリロニトリルモノマーと20個の開始剤分子を周期ボックスに配置し、続いて400Kで後続の50nsのNPT及びNVTステージを実行してセルを高密度化し緩和することによって構築された。ダミー原子を使用して、伝播するラジカルを表した。開始剤の数に対応して、工程ごとに20回の反応が行われたが、反応が行われるには、モノマーがダミー原子までの距離基準4.0A以内にある必要があった。各工程の後、システムは、50psにおいて緩和された。重合は400Kで実施し、モノマーの転化率が100%に等しくなるまで続けた。重合に続いて、システムを400Kで更なる50nsのNPT及びNVTにおいてアニールした。延伸シミュレーションは、周期ボックスの1つの寸法を0.1%の歪みで600工程にて拡張し、合計60%の歪みに達することで実行した。0.5のポアソン比が適用されて、周期ボックスの横方向の寸法を制御した。延伸は、NVT条件下で実行した。ねじれが4つの接続された骨格原子からの4つの原子の二面角によって定義された延伸シミュレーションに従って、骨格のねじれが解析された。 Schrodinger Materials Science 19-3 and OPLS3-e force field were used for all simulations. The PAN chain was prepared using the "Crosslink Polymer" module by first placing 5000 acrylonitrile monomers and 20 initiator molecules into a periodic box, followed by a subsequent 50 ns NPT and NVT at 400 K. Constructed by performing stages to densify and relax cells. Dummy atoms were used to represent propagating radicals. Corresponding to the number of initiators, 20 reactions were carried out per step, but the monomer had to be within a distance criterion of 4.0 A to the dummy atom for the reaction to take place. After each step, the system was relaxed for 50 ps. Polymerization was carried out at 400 K and continued until the monomer conversion was equal to 100%. Following polymerization, the system was annealed at 400 K for an additional 50 ns of NPT and NVT. Stretching simulations were performed by expanding one dimension of the periodic box at 0.1% strain in 600 steps to reach a total strain of 60%. A Poisson's ratio of 0.5 was applied to control the lateral dimensions of the periodic box. Stretching was performed under NVT conditions. The torsion of the framework was analyzed according to a stretching simulation in which the torsion was defined by the dihedral angles of four atoms from four connected framework atoms.

単一の鎖がその進張を追っていくために増大された原子で表されているシミュレーションによるシステムのスナップショットが観察された。0%のシステムは、完全に非晶質であり、実際のポリマーを適切に表すとは考えられないため省略された。10%及び60%の歪み系の拡大された領域は、アタチック(atatic)ポリマー鎖の局所的規則性を示しており、この場合、低い歪みでは、より多くの個体群のゴーシュ構造が鎖内のねじれとして作用し、局所的規則性が乱される。シミュレーション結果を観察すると、様々な個体群の骨格二面角が強調されたが、トランス(≒180°)及びゴーシュ(≒60°)の2つの構成が大きく優先される。延伸が進むにつれて、ゴーシュ構造は、トランス構造に変化し、その結果、平面上のジグザグ配置が拡張され、隣接する鎖が整列して凝縮することを可能にし、結果、より大きなメソフェーズ領域を形成する。延伸が更に進むと、ゴーシュ構造は、ゼロに近づく傾向があり、その系は、単相挙動に近づく。 A snapshot of the simulated system was observed in which a single chain was represented by an atom augmented to track its progress. The 0% system was omitted as it was completely amorphous and was not considered to adequately represent the actual polymer. The enlarged region of the 10% and 60% strain systems shows the local regularity of the atatic polymer chains, where at lower strains more population of gauche structures are present within the chains. It acts as a twist and the local regularity is disturbed. Observation of the simulation results highlighted the skeletal dihedral angles of various populations, but two configurations, trans (≈180°) and gauche (≈60°), were largely prioritized. As the stretching progresses, the gauche structure transforms into a trans structure, resulting in an expansion of the zigzag arrangement in the plane, allowing adjacent chains to align and condense, thus forming a larger mesophase region. . With further stretching, the gauche structure tends to zero and the system approaches single-phase behavior.

実施例5.繊維のDMA分析
プロファイル1の10Hz周波数スキャンにおける貯蔵弾性率(E’)及び損失弾性率(E”)及び対応するタンデルタピークの進展を、それぞれ、上述したようにDMA分析を使用して調査した。様々な試料の断面積を正確に測定することは困難であるため、貯蔵弾性率と損失弾性率の大きさは、重要であると考えるべきではない。むしろ、E”とE’の比であるタンデルタは、試料寸法の偏りを排除するため、試料の比較に使用される。
Example 5. DMA Analysis of Fibers The storage modulus (E′) and loss modulus (E”) and the corresponding tan delta peak evolution in the 10 Hz frequency scan of profile 1 were investigated using DMA analysis as described above, respectively. Because it is difficult to accurately measure the cross-sectional area of various samples, the magnitude of the storage modulus and loss modulus should not be considered important. Rather, the magnitude of the storage modulus and loss modulus should not be considered important. A tan delta is used for sample comparisons to eliminate sample size bias.

Coag-1は、タンデルタ曲線に2つのピーク、α遷移ピーク約145℃、及びβ遷移ピーク約105℃を示した31、33。繊維がFD-1にて配向されると、α遷移が消失しβ遷移の大きさが当初増加し、αピークが非晶質領域に対応し、βが規則性メソフェーズ領域に対応することを示唆している31。Coag-1は、紡糸したままの繊維ではより際立った大きな非晶質領域が存在するため、FD-1と比較して狭いβ遷移ピークも示している63。WF-1を通して延伸が進むと、単一のβピークのみが存在して、単相挙動への遷移が更に支持される。 Coag-1 exhibited two peaks in the tan-delta curve, an α transition peak at about 145°C, and a β c transition peak at about 105°C . When the fiber is oriented in FD-1, the α transition disappears and the magnitude of the β c transition initially increases, with the α peak corresponding to the amorphous region and β c corresponding to the ordered mesophase region. 31 . Coag-1 also exhibits a narrower β c transition peak compared to FD-1 due to the presence of larger amorphous regions that are more pronounced in the as-spun fibers 63 . As stretching progresses through WF-1, only a single β c peak is present, further supporting the transition to single-phase behavior.

β転移の活性化エネルギーは、周波数の対数ln fの関数として、ピーク温度の逆数1/βをプロットするアレニウスフィット(Arrhenius fit)によって決定された。結果を以下の表4に要約する。 The activation energy of the β c transition was determined by an Arrhenius fit that plots the inverse of the peak temperature 1/β c as a function of the logarithm of the frequency ln f. The results are summarized in Table 4 below.

Figure 2024508516000008
Figure 2024508516000008

周波数が増加すると、応答時間の短縮とPAN系繊維の粘弾性の性質により、転移温度が上昇し、tanδの大きさが減少する。延伸プロファイル1の傾きの大きさは、Coag-1>FD-1>WF-1の順で続き、これは、繊維が延伸されるにつれてΔHの値が減少することに対応する。 As the frequency increases, the transition temperature increases and the magnitude of tan δ decreases due to the shortened response time and the viscoelastic nature of PAN-based fibers. The magnitude of the slope of drawing profile 1 follows in the order Coag-1>FD-1>WF-1, which corresponds to a decreasing value of ΔH as the fiber is drawn.

実施例6.DSC分析
DSC分析は、本明細書に記載のプロセスから得られた繊維試料に対して実施された。窒素中20℃/分での繊維の進展についてのDSC結果が決定された。発熱環化反応に関連する明確な開始ピークが、Coag-1、約243℃で観察され、これは、FD-1では減少し、WF-1では存在しない。この初期のピークは、WF-1と比較してCoag-1及びFD-1のより大きなサイズの非晶質領域に起因すると考えられている。WF-1は、発熱の開始がより緩やかであることを示しているが、これはおそらく、より分離した相境界を有し得るCoag-1及びFD-1と比較して、規則性領域と非晶質領域の混合がより大きいためである。250℃未満のより大きい開始ピークとより高い内部発熱の発生により、規則性領域での環化発熱もまた、WF-1、約299℃と比較して、Coag-1及びFD-1、約296℃のより低い温度とより高い熱流でピークに達する。
Example 6. DSC Analysis DSC analysis was performed on fiber samples obtained from the process described herein. DSC results for fiber evolution at 20° C./min in nitrogen were determined. A clear onset peak associated with the exothermic cyclization reaction is observed at about 243° C. for Coag-1, which decreases for FD-1 and is absent for WF-1. This early peak is believed to be due to the larger size amorphous regions of Coag-1 and FD-1 compared to WF-1. WF-1 shows a slower onset of exotherm, which is probably due to the ordered regions and non-regular regions compared to Coag-1 and FD-1, which may have more separated phase boundaries. This is because the mixing of crystalline regions is greater. Due to the occurrence of a larger onset peak below 250 °C and a higher internal exotherm, the cyclization exotherm in the regular region is also lower than that of Coag-1 and FD-1, about 296 °C, compared to WF-1, about 299 °C. peaks at lower temperatures and higher heat flows in °C.

環化の活性化エネルギーEは、ピーク発熱温度の逆数1/Tpkが、加熱速度の対数ln ωに対してプロットされる小沢法(Ozawa method)から決定され、より速いランプ速度において増加するピーク温度とともに公表されている59、64。ピーク温度及び計算されたE値を、以下の表5に要約する。 The activation energy of cyclization E a is determined from the Ozawa method in which the reciprocal of the peak exothermic temperature 1/T pk is plotted against the logarithm of the heating rate ln ω, increasing at faster ramp rates. published along with the peak temperature59,64. The peak temperatures and calculated E a values are summarized in Table 5 below.

Figure 2024508516000009
Figure 2024508516000009

環化活性化エネルギーは、凝固後に収集された試料と第1の延伸後の試料の間でほぼ一定のままであり、値は、155kJ/モル~158kJ/モルの範囲である。最も顕著な変化は、WF-1の場合、E値が169.8kJ/モルに増加する熱延伸時に発生する。環化の開始は、構造の異常と欠陥に起因すると考えられており64~66、これによりWF試料がはるかに高い活性化エネルギーを有する理由を説明することができる。熱延伸後の白色繊維には、WAXS及びDMA分析によって証明されるように、最大サイズの規則性領域が含まれており、これにより環化の開始における構造の欠陥が少なくなる。 The cyclization activation energy remains approximately constant between the sample collected after solidification and the sample after the first stretch, with values ranging from 155 kJ/mol to 158 kJ/mol. The most significant change occurs for WF-1 during hot stretching, where the E a value increases to 169.8 kJ/mol. The initiation of cyclization is believed to be due to structural anomalies and defects, 64-66 which may explain why WF samples have much higher activation energies. The white fiber after hot drawing contains regular regions of maximum size, which leads to fewer structural defects at the onset of cyclization, as evidenced by WAXS and DMA analysis.

実施例7.白色繊維の機械的特性
最終的な繊維の比較には機械的特性が使用され、以下の表6に要約する。
Example 7. Mechanical Properties of White Fibers Mechanical properties were used for the final fiber comparisons and are summarized in Table 6 below.

Figure 2024508516000010
Figure 2024508516000010

各WF試料の線密度の変動は、1%以内であったが、これによりそれぞれの所定の延伸プロファイルで同じ直径のフィラメントが生成されたことが確認される(同じ前駆体組成と嵩密度が与えられた場合)。興味深いことに、白色繊維の靭性とヤング率は、次の順序で増加する:WF-3<WF-2<WF-1。この挙動は、Arbabらによって報告された結果と一致しており67、この場合、ジェット延伸に関してより高い2回目の延伸が、繊維の多孔性を低減し剛性を増加させるのにより効果的であった。加えて、WF-1で観察されたポリマー鎖のより高い構造的規則性と整列から、より高い靭性と弾性率が期待され得る。 The variation in linear density for each WF sample was within 1%, confirming that each given drawing profile produced filaments of the same diameter (given the same precursor composition and bulk density). ). Interestingly, the toughness and Young's modulus of white fibers increase in the following order: WF-3<WF-2<WF-1. This behavior is consistent with the results reported by Arbab et al.67 , where a higher second draw with respect to jet drawing was more effective in reducing fiber porosity and increasing stiffness. . In addition, higher toughness and elastic modulus can be expected from the higher structural regularity and alignment of polymer chains observed in WF-1.

PAN系前駆体の湿式紡糸は、ポリマー組成、浴温度、凝固条件、及びその他のプロセスパラメータから延伸変数を分離して、パイロット紡糸ラインで実行した。熱延伸を比例的に減少させる代わりに、ジェット延伸を増加させて、白色繊維のデニール数とワインダー速度を一定にする3つの延伸分類の変形例を選択した。各延伸プロファイルの分析のために、以下の場所:凝固、第1の延伸、及び繊維ワインダーで3つの試料が収集された。SEM、WAXS、DMA、及びDSCによって決定されるように、構造進展は、試料の場所の間で発生するが、最終的な白色繊維試料の特性は、白色繊維の靭性及び弾性率などの重要な違いを示している。 Wet spinning of PAN-based precursors was performed in a pilot spinning line, separating drawing variables from polymer composition, bath temperature, coagulation conditions, and other process parameters. Instead of proportionally decreasing hot drawing, we selected three draw classification variants that increased jet drawing to keep the white fiber denier and winder speed constant. For analysis of each draw profile, three samples were collected at the following locations: coagulation, first draw, and fiber winder. Although structural evolution occurs between sample locations, as determined by SEM, WAXS, DMA, and DSC, the properties of the final white fiber sample are affected by important factors such as white fiber toughness and elastic modulus. shows the difference.

ジェット延伸が増加すると、剪断力が増大し、繊維の凝固が不完全になり、これにより断面形状及び皮膜コア構造が変化する。配向と結晶子の厚さが大きい順に次のようになる:Coag-1>Coag-2>Coag-3。これは、凝固におけるより長い滞留時間及びより低い剪断力に直接対応する。この結果は、第1の延伸後に収集された試料と、各延伸段階の間で配向が徐々に増加するワインダーで収集された試料に伝わる。この結果は、メソフェーズ領域の配向と構造緩和との間の強い相関関係を示しており、このことは、紡糸の初期段階における完全な凝固及び規則性領域の確立の重要性を実証している。更に、最大の熱延伸比を有するWF-1は、FD段階とWF段階の間でLの最も顕著な増加を示したが、これは、環化挙動の最も実質的な変化によく対応している。環化活性化エネルギーは、Lとよく相関することが示されたが、より高い規則性の領域は、より高い活性化エネルギーと遅延開始温度をもたらす。本明細書に記載の本発明のプロセスは、(1)凝固が初期構造に影響を及ぼし、配向及び構造進展を決定づける、(2)熱延伸、又は高温延伸、後湿式延伸がメソフェーズ領域のサイズを増大させるのに有益である、並びに(3)構造的規則性は、TOSの機械的特性及び下流のプロセスパラメータに直接影響するという重要な調査結果を用いている。 Increased jet stretching increases shear forces and causes incomplete coagulation of the fibers, which changes the cross-sectional shape and film core structure. The order of orientation and crystallite thickness is as follows: Coag-1>Coag-2>Coag-3. This directly corresponds to longer residence times and lower shear forces in solidification. This result is transmitted to samples collected after the first draw and in the winder where the orientation gradually increases between each draw stage. The results show a strong correlation between the orientation of the mesophase region and structural relaxation, demonstrating the importance of complete solidification and establishment of ordered regions in the early stages of spinning. Furthermore, WF-1 with the highest hot drawing ratio showed the most significant increase in Lc between the FD and WF stages, which corresponds well to the most substantial change in cyclization behavior. ing. The cyclization activation energy was shown to correlate well with L c , while regions of higher regularity result in higher activation energies and delayed onset temperatures. The inventive process described herein (1) solidification affects the initial structure and dictates orientation and structure evolution; (2) hot stretching, or hot stretching, post-wet stretching controls the size of the mesophase region; (3) Structural regularity directly influences TOS mechanical properties and downstream process parameters.

本明細書に記載される本発明の方法を実施する条件は、本開示の主旨から逸脱せずに所期の用途及び環境に基づいて最適化され得ることは当業者には明白であろう。 It will be apparent to those skilled in the art that the conditions for implementing the inventive methods described herein can be optimized based on the intended application and environment without departing from the spirit of the disclosure.

参考文献
1.Das,S.;Warren,J.;West,D.;Schexnayder,S.M.Global Carbon Fiber Composites Supply Chain Competitiveness Analysis,National Renewable Energy Lab(NREL):Golden,CO,2016.
2.Holmes,M.Reinf.Plast.2018,61,279.
3.Church,D.Reinf.Plast.2018,62,35.
4.Toray Industries Inc.Toray Completes Purchase of Zoltek Shares.https://www.toray.com/news/manage/nr140303.html(accessed November 6,2020).
5.Michel,C.;Flower,A.Solvay Acquires Large-Tow Carbon Fiber Precursor Manufacturer.https://www.solvay.com/en/press-release/solvay-acquires-large-tow-carbon-fiber-precursor-manufacturer(accessed November 6,2020).
6.Nunna,S.;Blanchard,P.;Buckmaster,D.;Davis,S.;Naebe,M.Heliyon 2019,5.
7.Choi,D.;Kil,H.;Lee,S.Carbon 2019,142,610.
8.Nourpanah,P.Wet and Dry-Jet Wet-Spinning of Acrylic Fibers,University of Leeds,1982.
9.Frank,E.;Steudle,L.M.;Ingildeev,D.;Spoerl,J.M.;Buchmeiser,M.R.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.2014,53,5262.
10. Qin,X.;Lu,Y.;Xiao,H.;Zhao,W.Polym.Eng.Sci.2013,53,827.
11.Kaur,J.;Millington,K.;Smith,S.J.Appl.Polym.Sci.2016,133,43963.
12.Arbab,S.Int.J.Chemoinformatics Chem.Eng.2011,1,36.
13.Al Aiti M.;Jehnichen,D.;Fischer,D.;Bruenig,H.;Heinrich,G.Prog.Mater.Sci.2018,98,477.
14.Chernikova,E.V.;Toms,R.V.;Gervald,A.Y.;Prokopov,N.I.Polym.Sci.-Ser.C2020,62,17.
15.Gong,Y.;Du,R.;Mo,G.;Xing,X.;Lue,C.X.;Wu,Z.Polymer 2014,55,4270.
16.Wangxi,Z.;Jie,L.;Gang,W.Carbon 2003,41,2805.
17.Liu,J.;He,L.;Ma,S.;Liang,J.;Zhao,Y.;Fong,H.Polymer 2015,61,20.
18.Yu,M.;Wang,C.;Bai,Y.;Wang,Y.;Xu,Y.Polym.Bull.2006,57,757.
19.Gao,Q.;Jing,M.;Wang,C.;Chen,M.;Zhao,S.;Wang,W.;Qin,J.J.Appl.Polym.Sci.2019,136,1.
20.Gao,Q.;Jing,M.;Zhao,S.;Wang,Y.;Qin,J.;Yu,M.;Wang,C.Ceram.Int.2020,46,23059.
21.Gao,Q.;Jing,M.;Chen,M.;Zhao,S.;Wang,W.;Qin,J.;Wang,C.Polym.Test.2020,81,106191.
22.Liu,J.;Chen,G.;Gao,H.;Zhang,L.;Ma,S.;Liang,J.;Fong,H.Carbon 2012,50,1262.
23.Sabet,E.N.;Nourpanah,P.;Arbab,S.Polymer 2016,90,138.
24.Sabet,E.N.;Nourpanah,P.;Arbab,S.Adv.Polym.Technol.2017,36,424.
25.Bohn,C.R.;Schaefgen,J.R.;Statton,W.O.J.Polym.Sci.1961,55,531.
26.Minami,S.;Sato,H.;Yamada,N.Reports Prog.Polym.Phys.1967,X,317.
27.Minami,S.Appl.Polym.Symp.1974,25,145.
28.Andrews,R.D.;Kimmel,R.M.Polym.Lett.1965,3,167.
29.Allen,R.A.;Ward,I.M.;Bashir,Z.Polymer 1994,35,4035.
30.Bashir,Z.Indian J.Fibre Text.Res.1999,24,1.
31.Bashir,Z.J.Macromol.Sci.-Phys.2001,40 B,41.
32.Bashir,Z.;Rastogi,S.J.Macromol.Sci.-Phys.2005,44 B,55.
33.Cho,S.H.;Park,J.S.;Lee,W.S.;Chung,I.J.Polym.Bull.1993,30,663.
34.Rizzo,P.;Guerra,G.;Auriemma,F.Macromolecules 1996,29,1830.
35.Sawai,D.;Kanamoto,T.;Yamazaki,H.;Hisatani,K.Macromolecules 2004,37,2839.
36.Gribanov,A.V;Sazanov,Y.N.Russ.J.Appl.Chem.2008,81,919.
37.Sawai,D.;Yamane,A.;Kameda,T.;Kanamoto,T.;Masayoshi,I.;Yamazaki,H.;Hisatani,K.Macromolecules 1999,32,5622.
38.Shen,T.;Li,C.;Haley,B.;Desai,S.;Strachan,A.Polymer 2018,155,13.
39.Morris,E.;Weisenberger,M.;Rice,G.Fibers 2015,3,560.
40.Peng,G.Q.;Zhang,X.H.;Wen,Y.F.;Yang,Y.G.;Liu,L.J.Macromol.Sci.Part B Phys.2008,47,1130.
41.Ji,B.Adv.Mater.Res.2011,287-290,1832.
42.Ko,T.-H.;Chiranairadul,P.;Ting,H.-Y.;Lin,C.J.Appl.Polym.Sci.1989,37,541.
43.Hao,J.;An,F.;Yu,Y.;Zhou,P.;Liu,Y.;Lu,C.J.Appl.Polym.Sci.2017,134,1.
44.Gao,Q.;Jing,M.;Zhao,S.;Wang,Y.;Qin,J.;Yu,M.;Wang,C.Macromolecules 2020,53,8663.
45.Peng,G.;Wen,Y.;Yang,Y.;Liu,L.;Wang,W.Polym.Bull.2009,62,657.
46.Ouyang,Q.;Chen,Y.;Zhang,N.A.;Mo,G.;Li,D.;Yan,Q.J.Macromol.Sci.Part B Phys.2011,50,2417.
47.Ji,B.-H.;Wang,C.-G.;Wang,Y.-X.J.Appl.Polym.Sci.2007,103,3348.
48.Zeng,X.;Hu,J.;Zhao,J.;Zhang,Y.;Pan,D.J.Appl.Polym.Sci.2007,106,2267.
49.Zhou,Y.;Sha,Y.;Liu,W.;Gao,T.;Yao,Z.;Zhang,Y.;Cao,W.RSC Adv.2019,9,17051.
50.Arias-Monje,P.J.;Lu,M.;Ramachandran,J.;Kirmani,M.H.;Kumar,S.Polymer 2020,211,123065.
51.Edrington,S.The Limits & Effects of Draw on Properties and Morphology of Pan-Based Precursor the Resultant Carbon Fibers,University of Kentucky,2017.
52.Yamane,A.;Sawai,D.;Kameda,T.;Kanamoto,T.;Ito,M.;Porter,R.S.Macromolecules 1997,30,4170.
53.Sawai,D.;Fujii,Y.;Kanamoto,T.Polymer 2006,47,4445.
54.Anghelina,V.F.;Popescu,I.O.N.V;Gaba,A.;Popescu,N.;Despa,V.;Ungureanu,D.a N.J.Sci.Arts 2010,10,89.
55.Salim,N.V.;Jin,X.;Razal,J.M.Compos.Sci.Technol.2019,182,107781.
56.Lian,F.;Liu,J.;Ma,Z.;Liang,J.Carbon 2012,50,488.
57.Chien,A.T.;Newcomb,B.A.;Sabo,D.;Robbins,J.;Zhang,Z.J.;Kumar,S.Polymer 2014,55,4116.
58.Ouyang,Q.;Cheng,L.;Wang,H.;Li,K.Polym.Degrad.Stab.2008,93,1415.
59.Moskowitz,J.D.;Jacobs,W.;Tucker,A.;Astrove,M.;Harmon,B.Polym.Degrad.Stab.2020,178,109198.
60.Hou,C.;Qu,R.;Liang,Y.;Wang,C.J.Appl.Polym.Sci.2005,96,1529.
61.Chen,J..;Harrison,I..Carbon 2002,40,25.
62.Mirbaha,H.;Nourpanah,P.;Scardi,P.;D’incau,M.;Greco,G.;Valentini,L.;Bon,S.B.;Arbab,S.;Pugno,N.Materials(Basel).2019,12,10.
63.Menczel,J.D.In Thermal Analysis of Textiles and Fibers;Elsevier:Fort Worth,TX,2020;pp 95.
64.Moskowitz,J.D.;Wiggins,J.S.Polym.Degrad.Stab.2016,125,76.
65.Wilkie,C.A.;Xue,T.J.;Mckinney,M.A.Polym.Degrad.Stab.1997,58,193.
66.Hao,J.;Liu,Y.;Lu,C.Polym.Degrad.Stab.2018,147,89.
67.Arbab,S.;Noorpanah,P.;Mohammadi,N.;Zeinolebadi,A.J.Polym.Res.2011,18,1343.
References 1. Das, S. ; Warren, J.; ; West, D.; ; Schexnayder, S.; M. Global Carbon Fiber Composites Supply Chain Competitiveness Analysis, National Renewable Energy Lab (NREL): Golden, CO, 2016.
2. Holmes, M. Reinf. Plast. 2018, 61, 279.
3. Church, D. Reinf. Plast. 2018, 62, 35.
4. Toray Industries Inc. Toray Completes Purchase of Zoltek Shares. https://www. toray. com/news/manage/nr140303. html (accessed November 6, 2020).
5. Michel, C. ; Flower, A. Solvay Acquires Large-Tow Carbon Fiber Precursor Manufacturer. https://www. solvay. com/en/press-release/solvay-acquires-large-tow-carbon-fiber-precursor-manufacturer (accessed November 6, 2020).
6. Nunna, S. ; Blanchard, P.; ; Buckmaster, D.; ; Davis, S.; ; Naebe, M.; Heliyon 2019, 5.
7. Choi, D. ;Kil, H. ; Lee, S. Carbon 2019, 142, 610.
8. Nourpanah, P. Wet and Dry-Jet Wet-Spinning of Acrylic Fibers, University of Leeds, 1982.
9. Frank, E. ; Steudle, L.; M. ; Ingildeev, D.; ; Spoerl, J.; M. ; Buchmeiser, M.; R. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2014, 53, 5262.
10. Qin, X. ; Lu, Y.; ; Xiao, H.; ;Zhao,W. Polym. Eng. Sci. 2013, 53, 827.
11. Kaur, J. ; Millington, K.; ; Smith, S. J. Appl. Polym. Sci. 2016, 133, 43963.
12. Arbab, S. Int. J. Chemoinformatics Chem. Eng. 2011, 1, 36.
13. Al Aiti M. ; Jehnichen, D.; ;Fischer,D. ; Bruenig, H.; ; Heinrich, G.; Prog. Mater. Sci. 2018,98,477.
14. Chernikova, E. V. ; Toms, R.; V. ; Gervald, A.; Y. ; Prokopov, N.; I. Polym. Sci. -Ser. C2020, 62, 17.
15. Gong, Y. ; Du, R. ;Mo,G. ;Xing, X. ;Lue, C. X. ;Wu, Z. Polymer 2014, 55, 4270.
16. Wangxi, Z. ; Jie, L. ;Gang,W. Carbon 2003, 41, 2805.
17. Liu, J. ;He,L. ; Ma, S. ; Liang, J.; ;Zhao, Y. ; Fong, H.; Polymer 2015, 61, 20.
18. Yu, M. ;Wang,C. ;Bai, Y.; ;Wang, Y.; ;Xu, Y. Polym. Bull. 2006, 57, 757.
19. Gao, Q. ; Jing, M. ;Wang,C. ;Chen,M. ;Zhao, S. ;Wang,W. ; Qin, J. J. Appl. Polym. Sci. 2019, 136, 1.
20. Gao, Q. ; Jing, M. ;Zhao, S. ;Wang, Y.; ; Qin, J. ;Yu,M. ;Wang,C. Ceram. Int. 2020, 46, 23059.
21. Gao, Q. ; Jing, M. ;Chen,M. ;Zhao, S. ;Wang,W. ; Qin, J. ;Wang,C. Polym. Test. 2020, 81, 106191.
22. Liu, J. ;Chen,G. ; Gao, H.; ;Zhang,L. ; Ma, S. ; Liang, J.; ; Fong, H.; Carbon 2012, 50, 1262.
23. Sabet, E. N. ; Nourpanah, P.; ; Arbab, S.; Polymer 2016, 90, 138.
24. Sabet, E. N. ; Nourpanah, P.; ; Arbab, S.; Adv. Polym. Technol. 2017, 36, 424.
25. Bohn, C. R. ; Schaefgen, J.; R. ;Statton,W. O. J. Polym. Sci. 1961, 55, 531.
26. Minami, S. ; Sato, H.; ;Yamada,N. Reports Prog. Polym. Phys. 1967, X, 317.
27. Minami, S. Appl. Polym. Symp. 1974, 25, 145.
28. Andrews, R. D. ; Kimmel, R. M. Polym. Lett. 1965, 3, 167.
29. Allen, R. A. ; Ward, I.; M. ; Bashir, Z. Polymer 1994, 35, 4035.
30. Bashir, Z. Indian J. FibreText. Res. 1999, 24, 1.
31. Bashir, Z. J. Macromol. Sci. -Phys. 2001, 40 B, 41.
32. Bashir, Z. ; Rastogi, S.; J. Macromol. Sci. -Phys. 2005, 44 B, 55.
33. Cho, S. H. ; Park, J.; S. ;Lee,W. S. ;Chung,I. J. Polym. Bull. 1993, 30, 663.
34. Rizzo, P. ; Guerra, G.; ; Auriemma, F.; Macromolecules 1996, 29, 1830.
35. Sawai, D. ; Kanamoto, T.; ; Yamazaki, H.; ; Hisatani, K.; Macromolecules 2004, 37, 2839.
36. Gribanov, A. V; Sazanov, Y. N. Russ. J. Appl. Chem. 2008, 81, 919.
37. Sawai, D. ; Yamane, A.; ; Kameda, T.; ; Kanamoto, T.; ; Masayoshi, I.; ; Yamazaki, H.; ; Hisatani, K.; Macromolecules 1999, 32, 5622.
38. Shen, T. ;Li,C. ; Haley, B.; ; Desai, S.; ; Strachan, A.; Polymer 2018, 155, 13.
39. Morris, E. ; Weisenberger, M.; ;Rice,G. Fibers 2015, 3,560.
40. Peng, G. Q. ;Zhang, X. H. ; Wen, Y.; F. ; Yang, Y.; G. ; Liu, L. J. Macromol. Sci. Part B Phys. 2008, 47, 1130.
41. Ji, B. Adv. Mater. Res. 2011, 287-290, 1832.
42. Ko, T. -H. Chiranairadul, P.; ; Ting, H.; -Y. ;Lin,C. J. Appl. Polym. Sci. 1989, 37, 541.
43. Hao, J. ;An,F. ;Yu,Y. ; Zhou, P.; ; Liu, Y.; ; Lu, C. J. Appl. Polym. Sci. 2017, 134, 1.
44. Gao, Q. ; Jing, M. ;Zhao, S. ;Wang, Y.; ; Qin, J. ; Yu, M. ;Wang,C. Macromolecules 2020, 53, 8663.
45. Peng, G. ; Wen, Y.; ; Yang, Y.; ; Liu, L. ;Wang,W. Polym. Bull. 2009, 62, 657.
46. Ouyang, Q. ;Chen, Y.; ;Zhang,N. A. ;Mo,G. ;Li,D. ;Yan,Q. J. Macromol. Sci. Part B Phys. 2011, 50, 2417.
47. Ji, B. -H. ;Wang,C. -G. ;Wang, Y.; -X. J. Appl. Polym. Sci. 2007, 103, 3348.
48. Zeng, X. ; Hu, J. ;Zhao, J. ;Zhang, Y.; ; Pan, D.; J. Appl. Polym. Sci. 2007, 106, 2267.
49. Zhou, Y. ;Sha, Y.; ; Liu, W.; ; Gao, T.; ; Yao, Z. ;Zhang, Y.; ; Cao, W.; RSC Adv. 2019, 9, 17051.
50. Arias-Monje, P. J. ; Lu, M. ; Ramachandran, J.; ; Kirmani, M.; H. ;Kumar,S. Polymer 2020, 211, 123065.
51. Edrington, S. The Limits & Effects of Draw on Properties and Morphology of Pan-Based Precursor the Resultant Carbon Fibers, University of Kentucky, 2017.
52. Yamane, A. ; Sawai, D.; ; Kameda, T.; ; Kanamoto, T.; ; Ito, M.; ; Porter, R.; S. Macromolecules 1997, 30, 4170.
53. Sawai, D. ; Fujii, Y.; ; Kanamoto, T.; Polymer 2006, 47, 4445.
54. Anghelina, V. F. ;Popescu, I.; O. N. V; Gaba, A. ;Popescu, N.; ; Despa, V.; ; Ungureanu, D.; aN. J. Sci. Arts 2010, 10, 89.
55. Salim, N. V. ; Jin, X. ;Razal, J.; M. Compos. Sci. Technol. 2019, 182, 107781.
56. Lian, F. ; Liu, J. ; Ma, Z. ; Liang, J.; Carbon 2012, 50, 488.
57. Chien, A. T. ; Newcomb, B.; A. ; Sabo, D.; ; Robbins, J.; ;Zhang, Z. J. ;Kumar,S. Polymer 2014, 55, 4116.
58. Ouyang, Q. ; Cheng, L.; ;Wang, H. ;Li, K. Polym. Degrad. Stab. 2008,93,1415.
59. Moskowitz, J. D. ; Jacobs, W.; ;Tucker, A.; ; Astrove, M. ;Harmon, B.; Polym. Degrad. Stab. 2020,178,109198.
60. Hou, C. ; Qu, R. ;Liang, Y.; ;Wang,C. J. Appl. Polym. Sci. 2005,96,1529.
61. Chen, J. .. ;Harrison,I. .. Carbon 2002, 40, 25.
62. Mirbaha, H. ; Nourpanah, P.; ; Scardi, P.; ; D'incau, M.; ;Greco,G. ;Valentini,L. ; Bon, S. B. ; Arbab, S.; ; Pugno, N.; Materials (Basel). 2019, 12, 10.
63. Menzel, J. D. In Thermal Analysis of Textiles and Fibers; Elsevier: Fort Worth, TX, 2020; pp 95.
64. Moskowitz, J. D. ; Wiggins, J.; S. Polym. Degrad. Stab. 2016, 125, 76.
65. Wilkie, C. A. ; Xue, T.; J. ; McKinney, M. A. Polym. Degrad. Stab. 1997, 58, 193.
66. Hao, J. ; Liu, Y.; ; Lu, C. Polym. Degrad. Stab. 2018, 147, 89.
67. Arbab, S. ; Noorpanah, P.; ; Mohammadi, N.; ; Zeinolebadi, A.; J. Polym. Res. 2011, 18, 1343.

Claims (20)

a)凝固繊維を形成するために、ポリマー溶液を凝固浴中に紡糸する工程であって、ジェット延伸が適用される、紡糸する工程と、
b)工程(a)で得られた前記凝固繊維に湿式延伸を施して、第1の延伸繊維を形成する工程と、
c)工程(b)で得られた前記第1の延伸繊維に熱延伸を施して、これによりポリマー繊維を形成する工程と
を含む、ポリマー繊維を作製するための方法であって、
ジェット延伸の量、湿式延伸の量、及び熱延伸の量は、以下の特性:
作製された前記ポリマー繊維のハーマン配向係数は、少なくとも0.60、典型的には少なくとも0.65、より典型的には少なくとも0.67であり、
作製された前記ポリマー繊維の結晶子の厚さは、前記第1の延伸繊維の結晶子の厚さよりも少なくとも3nm、典型的には少なくとも3.5nm、より典型的には少なくとも4nm大きい、特性
を達成するのに有効である、方法。
a) spinning a polymer solution into a coagulation bath to form coagulated fibers, in which jet drawing is applied;
b) wet drawing the coagulated fiber obtained in step (a) to form a first drawn fiber;
c) A method for producing a polymer fiber, comprising a step of hot-drawing the first drawn fiber obtained in step (b) to thereby form a polymer fiber,
The amount of jet stretching, the amount of wet stretching, and the amount of hot stretching are determined by the following characteristics:
The polymer fibers produced have a Herman orientation coefficient of at least 0.60, typically at least 0.65, more typically at least 0.67;
The crystallite thickness of the polymer fiber produced is at least 3 nm, typically at least 3.5 nm, more typically at least 4 nm greater than the crystallite thickness of the first drawn fiber. methods that are effective in achieving this.
前記凝固繊維の結晶化度は、前記第1の延伸繊維の結晶化度よりも8%以下、典型的には7%以下、より典型的には6%以下である、請求項1に記載の方法。 2. The crystallinity of the coagulated fiber is 8% or less, typically 7% or less, more typically 6% or less than the crystallinity of the first drawn fiber. Method. 作製された前記ポリマー繊維の線質量密度は、フィラメント当たり0.7~1.2デニール、典型的には0.85~1.0デニールである、請求項1又は2に記載の方法。 A method according to claim 1 or 2, wherein the linear mass density of the polymer fibers produced is between 0.7 and 1.2 denier, typically between 0.85 and 1.0 denier per filament. 前記凝固繊維の平均直径は、少なくとも40μm、典型的には少なくとも45μm、より典型的には少なくとも50μm、更により典型的には少なくとも55μmである、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。 4. The average diameter of the coagulated fibers is at least 40 μm, typically at least 45 μm, more typically at least 50 μm, even more typically at least 55 μm. Method. 前記第1の延伸繊維の平均直径は、少なくとも15μm、典型的には少なくとも20μm、典型的には少なくとも22μmである、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。 A method according to any preceding claim, wherein the average diameter of the first drawn fibers is at least 15 μm, typically at least 20 μm, typically at least 22 μm. 前記凝固繊維のハーマン配向係数は、少なくとも0.35、典型的には少なくとも0.40、より典型的には少なくとも0.42である、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。 6. A method according to any preceding claim, wherein the Harman orientation coefficient of the coagulated fibers is at least 0.35, typically at least 0.40, more typically at least 0.42. 作製された前記ポリマー繊維のハーマン配向係数は、前記第1の延伸繊維のハーマン配向係数より、少なくとも0.08、典型的には少なくとも0.1大きい、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。 7. The Hermann orientation coefficient of the polymer fibers produced is at least 0.08, typically at least 0.1 greater than the Hermann orientation coefficient of the first drawn fibers. Method described. 作製された前記ポリマー繊維のβの構造緩和の活性化エネルギーは、700kJ/モル未満、典型的には650kJ/モル未満、より典型的には600kJ/モル未満である、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。 8. The activation energy of β c structural relaxation of the polymer fibers produced is less than 700 kJ/mol, typically less than 650 kJ/mol, more typically less than 600 kJ/mol. The method described in any one of the above. 作製された前記ポリマー繊維のβの構造緩和の活性化エネルギーは、500~600kJ/モル、典型的には530~570kJ/モルである、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the activation energy for structural relaxation of β c of the polymer fibers produced is between 500 and 600 kJ/mol, typically between 530 and 570 kJ/mol. . 作製された前記ポリマー繊維の環化活性化エネルギーは、前記第1の延伸繊維の環化活性化エネルギーよりも少なくとも7kJ/モル、典型的には少なくとも11kJ/モル、より典型的には少なくとも13kJ/モル大きい、請求項1~9のいずれか一項に記載の方法。 The cyclization activation energy of the polymer fibers produced is at least 7 kJ/mol, typically at least 11 kJ/mol, more typically at least 13 kJ/mol, greater than the cyclization activation energy of the first drawn fiber. A method according to any one of claims 1 to 9, wherein the method is molar large. 作製された前記ポリマー繊維の靭性は、少なくとも4g/d、典型的には少なくとも5g/d、より典型的には少なくとも6g/dである、請求項1~10のいずれか一項に記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 10, wherein the toughness of the polymer fibers produced is at least 4 g/d, typically at least 5 g/d, more typically at least 6 g/d. . 作製された前記ポリマー繊維のヤング率は、少なくとも95g/d、より典型的には少なくとも100g/dである、請求項1~11のいずれか一項に記載の方法。 A method according to any preceding claim, wherein the Young's modulus of the polymer fibers produced is at least 95 g/d, more typically at least 100 g/d. 作製された前記ポリマー繊維のヤング率は、95~130g/d、典型的には100~130g/d、より典型的には115~125g/dである、請求項1~12のいずれか一項に記載の方法。 Any one of claims 1 to 12, wherein the Young's modulus of the polymer fibers produced is between 95 and 130 g/d, typically between 100 and 130 g/d, more typically between 115 and 125 g/d. The method described in. 作製された前記ポリマー繊維の環化発熱のピーク温度は、前記凝固繊維及び/又は前記第1の延伸繊維の環化発熱のピーク温度より少なくとも3℃高い、請求項1~13のいずれか一項に記載の方法。 Any one of claims 1 to 13, wherein the peak temperature of the cyclization exotherm of the produced polymer fiber is at least 3° C. higher than the peak temperature of the cyclization exotherm of the coagulated fiber and/or the first drawn fiber. The method described in. 作製された前記ポリマー繊維は、ポリアクリロニトリル系ポリマー繊維である、請求項1~14のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 14, wherein the polymer fibers produced are polyacrylonitrile polymer fibers. 前記ポリマー溶液の紡糸は、湿式紡糸により達成される、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 15, wherein spinning of the polymer solution is achieved by wet spinning. 前記凝固浴は、DMSOと水の混合物を含む、請求項1~16のいずれか一項に記載の方法。 17. A method according to any one of claims 1 to 16, wherein the coagulation bath comprises a mixture of DMSO and water. 作製された前記ポリマー繊維は、炭素繊維前駆体繊維である、請求項1~17のいずれか一項に記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 17, wherein the polymer fibers produced are carbon fiber precursor fibers. 請求項1~18のいずれか一項に記載の方法に従って作製されたポリマー繊維。 Polymer fibers made according to the method according to any one of claims 1 to 18. 請求項19に記載のポリマー繊維、又は請求項1~18のいずれか一項に記載の方法に従って作製されたポリマー繊維を酸化して、安定化された炭素繊維前駆体繊維を形成することと、次いで前記安定化された炭素繊維前駆体繊維を炭化させて、これにより炭素繊維を作製することとを含む、炭素繊維を作製するための方法。
oxidizing a polymeric fiber according to claim 19 or a polymeric fiber made according to the method according to any one of claims 1 to 18 to form a stabilized carbon fiber precursor fiber; and then carbonizing the stabilized carbon fiber precursor fibers to thereby produce carbon fibers.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001288613A (en) * 2000-03-30 2001-10-19 Toho Tenax Co Ltd Precursor for carbon fiber, method for producing the same precursor and method for producing carbon fiber
DE602005022281D1 (en) * 2004-02-13 2010-08-26 Mitsubishi Rayon Co CARBON FIBER FIBER BUNDLE, PRODUCTION PROCESS AND PRODUCTION DEVICE THEREFOR, AND CARBON FIBER AND PRODUCTION METHOD THEREFOR
CN101932760B (en) * 2008-04-11 2013-06-05 东丽株式会社 Carbon-fiber precursor fiber, carbon fiber, and processes for producing these

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