JP2652932B2 - Flexible pitch carbon fiber with high elastic modulus - Google Patents

Flexible pitch carbon fiber with high elastic modulus

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JP2652932B2
JP2652932B2 JP61130192A JP13019286A JP2652932B2 JP 2652932 B2 JP2652932 B2 JP 2652932B2 JP 61130192 A JP61130192 A JP 61130192A JP 13019286 A JP13019286 A JP 13019286A JP 2652932 B2 JP2652932 B2 JP 2652932B2
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carbon fiber
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elastic modulus
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、石炭ピッチから得られるメソフェースピッ
チを原料とし、しかも高弾性率を有する新規な炭素繊維
に関するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel carbon fiber having a high modulus of elasticity, using mesoface pitch obtained from coal pitch as a raw material.

従来の技術 近年航空機、宇宙およびミサイル工業等の急速な成長
に伴ない、並はずれた強度物性をもつ材料が要求される
様になってきた。又、スポーツ用品の材料として、特に
高級品において、従来の材料に比べ軽量かつ優れた強度
物性を持つ材料が、指向される様になってきた。
2. Description of the Related Art In recent years, with the rapid growth of the aircraft, space, and missile industries, materials having extraordinary strength properties have been required. In addition, as a material for sports equipment, particularly for high-end products, materials having lighter weight and superior strength physical properties as compared with conventional materials have come to be used.

これらの材料は、高強度、高弾性率、かつ軽量である
事が要請されることから、現在では、これらの材料開発
の研究は複合材料に集中されている観がある。
Since these materials are required to have high strength, high elastic modulus, and light weight, research on the development of these materials seems to be concentrated on composite materials.

複合材料を構成するものとして、示唆された最も有望
な素材の1つは、高強度、高弾性率を有する炭素繊維で
あった。この様な炭素繊維はプラスチックおよび金属マ
トリックスに配合されて非常に高い強度及び弾性率、対
重量比ならびに他の特別な性質を有する複合材料をもた
らした。しかしながら、この様な複合材料の素材として
使用される高強度、高弾性率の炭素繊維はその高い製造
費が、この複合材料の有する優れた特性にもかかわら
ず、広範な使用に対して大きな障害となっている。
One of the most promising materials suggested to constitute the composite material was carbon fiber with high strength and high modulus. Such carbon fibers have been incorporated into plastic and metal matrices to provide composites with very high strength and modulus, weight to weight, and other special properties. However, high-strength, high-modulus carbon fibers used as a material for such composite materials have high manufacturing costs, but despite the excellent properties of the composite materials, they are a major obstacle to widespread use. It has become.

現在入手しうるほとんどの高強度、高弾性率を有する
炭素繊維は大部分アクリル繊維から誘導されるが、それ
らの前駆物質が高価な事から本来的に高価である。出発
物質が高価である事の外に、この様な前駆物質から得ら
れる低い炭素収率(〜45%)および複雑な製造工程が最
終生成物の価格を高くしている。
Most currently available high strength, high modulus carbon fibers are largely derived from acrylic fibers, but are inherently expensive due to the high cost of their precursors. In addition to the starting materials being expensive, the low carbon yields (% 45%) and complex manufacturing processes obtained from such precursors add to the cost of the final product.

又、コストが高いばかりでなく、かかるPAN系炭素繊
維は、高い強度は得られやすいが、弾性率の高いものは
得られにくく、これを得るためにはさらに特別な処理工
程を必要とする。
In addition to the high cost, such PAN-based carbon fibers can easily obtain high strength, but it is difficult to obtain high-elastic ones, and further special processing steps are required to obtain them.

一方かかるPAN系炭素繊維に代る炭素繊維として、ピ
ッチ系炭素繊維が、原料コストの低さ、炭化収率の高さ
などを理由として脚光を浴びる様になってきた。
On the other hand, pitch-based carbon fibers have come into the spotlight as a carbon fiber replacing such PAN-based carbon fibers due to low raw material costs and high carbonization yield.

ピッチ系炭素繊維は、原料として石炭石油等から得ら
れるピッチを用いるが、このピッチが、40%以上好まし
くは80%以上のメソフェースを含有するいわゆるメソフ
ェースピッチである場合には、得られる炭素繊維は高弾
性率を有するものとすることもできる。
As the pitch-based carbon fiber, a pitch obtained from coal petroleum or the like is used as a raw material. When the pitch is a so-called mesoface pitch containing 40% or more, preferably 80% or more mesophase, the obtained carbon fiber is used. May have a high modulus of elasticity.

ピッチ系炭素繊維の高い弾性率は、その黒鉛化を進め
る事により達成される事は衆知の事実であり、この原理
を用いて得られた代表的なピッチ系の高弾性率を有する
炭素繊維およびその製造方法は特開昭49−19127号公報
に示されている。かかるピッチ系炭素繊維は強度が210k
g・mm-2、弾性率が70ton・mm-2、伸びが0.3%であり、
X線回折により求めた配向角(HWHM)が5゜以下、結晶
子サイズ(Lc(002))が100nm以上、層間隔(d002)が0.
337nm以下、比抵抗値が2.5×10-4Ω・cm以下、又X線回
折での(100)面と(101)面のピークの分離、(112)
面のピークの発現など、3次元的に、すなわち繊維軸方
向と、軸方向と直角な断面方向ともに黒鉛結晶が発達し
ている事を示している。そして黒鉛結晶が3次元的に発
達しているときには、一般に磁気抵抗率は正となる。
It is a well-known fact that the high elastic modulus of pitch-based carbon fibers can be achieved by promoting graphitization, and a typical pitch-based carbon fiber having a high elastic modulus of pitch-based fibers obtained by using this principle and The production method is disclosed in JP-A-49-19127. Such a pitch-based carbon fiber has a strength of 210k.
g ・ mm -2 , elasticity is 70ton ・ mm -2 , elongation is 0.3%,
The orientation angle (HWHM) determined by X-ray diffraction is 5 ° or less, the crystallite size (Lc (002) ) is 100 nm or more, and the layer spacing (d 002 ) is 0.
337 nm or less, specific resistance value of 2.5 × 10 -4 Ω · cm or less, separation of peaks of (100) plane and (101) plane by X-ray diffraction, (112)
This indicates that graphite crystals are developed three-dimensionally, such as the appearance of plane peaks, that is, in both the fiber axis direction and the cross-sectional direction perpendicular to the axial direction. When the graphite crystal is three-dimensionally developed, the magnetoresistance is generally positive.

しかし前述の例に限らず、3次元的に黒鉛化度が発達
し、弾性率の高い炭素繊維は、2つの欠点をもっている
と言われている。
However, the carbon fiber is not limited to the above-described example, and it is said that a carbon fiber having a high degree of graphitization in three dimensions and a high elastic modulus has two disadvantages.

その1つは、かかる炭素繊維は、高弾性率を有するか
わりに非常にもろい繊維となってしまう事である。ここ
でもろさとは、引っ張り力以外の力、例えばねじり力、
繊維に垂直な方向での応力などに対するもろさを指す。
そして、かかるもろさは、黒鉛結晶の3次元的成長に伴
って劈開性が上がる事がその一因であると考えられる。
One is that such carbon fibers become very brittle fibers instead of having a high modulus of elasticity. Here, fragility is a force other than pulling force, such as torsional force,
It refers to the fragility to stress in the direction perpendicular to the fiber.
It is considered that such fragility is partly attributable to the fact that the cleavage properties increase with the three-dimensional growth of graphite crystals.

ここで重要なことは、本発明者等の解析結果によれ
ば、弾性率は黒鉛結晶の繊維軸方向への発達に伴って、
すなわちX線回折により求めた配向角(HWHM)が小さく
なるに従って大きくなり、黒鉛結晶が繊維の軸に直角な
方向の断面方向にも発達して3次元構造をとり、その結
果、結晶子サイズ(Lc(002))が大きく、層間隔
(d002)が小さく、磁気抵抗率が正で大きくなったとし
ても弾性率に何ら寄与するものでなく、逆に炭素繊維を
もろいものにするという事である。
What is important here is that, according to the analysis results of the present inventors, the elastic modulus increases with the development of graphite crystals in the fiber axis direction.
That is, the orientation angle (HWHM) determined by X-ray diffraction increases as the orientation decreases, and the graphite crystal develops also in the cross-sectional direction perpendicular to the fiber axis, forming a three-dimensional structure. As a result, the crystallite size ( Lc (002) ) is large, the layer spacing (d 002 ) is small, and even if the magnetoresistance is positive and large, it does not contribute to the elastic modulus at all and makes the carbon fiber brittle. is there.

しかしながら、ピッチ系炭素繊維の弾性率を低下させ
ずに、かかるもろさを克服する事は、容易ではない。そ
れは、繊維軸方向と軸に直角な断面方向の黒鉛結晶の発
達を独立に制御する事は一般には困難だからである。例
えば、従来から知られているピッチ系炭素繊維で、引張
り弾性率が55ton・mm-2を超える様なものは、繊維軸方
向に良好に黒鉛結晶が発達していなければならず、その
結果X線回折により求めた配向角(HWHM)が10゜以下に
なり、併せて磁気抵抗率は大きくなり、結晶子サイズ
(Lc(002))が大きく(例えば25nmより大)層間隔(d
002)が小さく(例えば0.338nm未満)となる。この様な
繊維は、黒鉛結晶が3次元的に発達しているので、炭素
繊維としては非常にもろいものになってしまう。
However, it is not easy to overcome such brittleness without lowering the elastic modulus of the pitch-based carbon fiber. This is because it is generally difficult to independently control the development of graphite crystals in the fiber axis direction and in the cross-sectional direction perpendicular to the axis. For example, conventionally known pitch-based carbon fibers having a tensile modulus of more than 55 ton · mm -2 must have graphite crystals well developed in the fiber axis direction. The orientation angle (HWHM) determined by X-ray diffraction becomes 10 ° or less, the magnetoresistance increases, the crystallite size (Lc (002) ) increases (for example, greater than 25 nm), and the layer spacing (d
002 ) is small (for example, less than 0.338 nm). Such fibers are very brittle as carbon fibers because graphite crystals are developed in three dimensions.

3次元的に黒鉛結晶が発達した炭素繊維の2つめの欠
点は、従来の方法で紡糸を行った場合、炭素繊維の軸に
直角方向の断面構造が、分子が断面の中心方向を向いて
配列したいわゆるラジアルタイプになりやすく、黒鉛結
晶の断面方向の発達に伴って、繊維軸方向に沿って縦に
割れやすくなるという事である。かかる炭素繊維は割れ
のため商品価値が著るしく低下する事は言うまでもな
い。
The second drawback of carbon fibers in which graphite crystals have developed three-dimensionally is that when spinning is performed by a conventional method, the cross-sectional structure perpendicular to the axis of the carbon fibers is oriented in the direction of the center of the cross-section. It is easy to be a so-called radial type, and it is easy to break vertically along the fiber axis direction as the graphite crystal develops in the cross-sectional direction. Needless to say, such carbon fibers have a markedly reduced commercial value due to cracking.

ここで、この2番目の欠点は、ラジアルタイプの断面
構造を別なタイプの断面構造に変えるか、又は、黒鉛結
晶の繊維軸に直角な断面方向での発達を抑制するか、ど
ちらか一方を実行すれば、克服されるものである。実際
には、前者を実行する方が容易であるため、後者の事を
考慮する事なく、とくにかく、ラジアルタイプ以外の断
面構造をもつ炭素繊維を製造する方法が研究されてい
る。
Here, the second drawback is to change either the radial type cross-sectional structure to another type of cross-sectional structure or to suppress the development of the graphite crystal in the cross-sectional direction perpendicular to the fiber axis. If you do, it will be overcome. Actually, since the former is easier to carry out, the method of producing carbon fibers having a cross-sectional structure other than the radial type has been studied without considering the latter.

例えば、特開昭59−76925号公報、特開昭59−53717号
公報に示されている様に、紡糸温度を高くして、ランダ
ムタイプ、そしてオニオンタイプの断面構造を得るとい
うものである。
For example, as disclosed in JP-A-59-76925 and JP-A-59-53717, the spinning temperature is increased to obtain a random type and an onion type sectional structure.

これらの従来方法で製造される炭素繊維は、ラジアル
タイプ以外の断面構造をもつため、十分に2番目の割れ
の欠点を克服しうるものである。しかし、1番目のもろ
さの欠点を克服する事はできない。なぜならば1番目の
もろさの欠点を克服するためには炭素繊維の繊維軸方向
には黒鉛結晶が良好に発達しているにもかかわらず、繊
維軸に直角な方向の断面方向での黒鉛結晶の発達が十分
に抑制されていなければならないからであり、そのため
には、ピッチ繊維の段階で繊維軸方向にピッチを構成す
る分子が良好に配向し、かつ断面方向では、かかる分子
が同一方向に配列した領域が細分化されていなければな
らないからである。従来の紡糸方法では、ピッチ繊維の
断面でのかかる領域の細分化が十分行なわれず、そのた
めに熱処理して得られる炭素繊維は、3次元的に黒鉛結
晶が発達してしまう。従って2番目の割れの問題は解決
できても1番目のもろさの問題は克服できていなかっ
た。
Since the carbon fibers manufactured by these conventional methods have a cross-sectional structure other than the radial type, they can sufficiently overcome the disadvantage of the second crack. However, it cannot overcome the disadvantage of the first fragility. Because, in order to overcome the disadvantage of the first fragility, although graphite crystal is well developed in the fiber axis direction of the carbon fiber, the graphite crystal in the cross-sectional direction perpendicular to the fiber axis is good. This is because the development must be sufficiently suppressed, and for that purpose, the molecules constituting the pitch are well oriented in the fiber axis direction at the stage of the pitch fiber, and in the cross-sectional direction, such molecules are arranged in the same direction. This is because the divided area must be subdivided. In the conventional spinning method, such a region in the cross section of the pitch fiber is not sufficiently segmented, so that the carbon fiber obtained by the heat treatment develops a three-dimensional graphite crystal. Therefore, the second cracking problem could be solved but the first brittleness problem could not be overcome.

発明が解決しようとする問題点 本発明の目的はメソフェースピッチを原料として、先
述の高弾性率をもつピッチ系炭素繊維の従来持っていた
2つの欠点すなわちもろさの欠点と割れの欠点をともに
克服し、しかも高弾性率を有する石炭ピッチ系炭素繊維
を提供するものである。
Problems to be Solved by the Invention The object of the present invention is to overcome both of the above-mentioned two disadvantages of pitch-based carbon fiber having a high modulus of elasticity, namely, brittleness and cracking, using mesoface pitch as a raw material. Another object of the present invention is to provide a coal pitch-based carbon fiber having a high elastic modulus.

問題点を解決するための手段 本発明者等は、高弾性率(55ton・mm-2以上、好まし
くは75ton・mm-2以上)、高引張り強度(250kg・mm-2
上)を有し、しかもしなやかで、繊維軸方向に割れの入
らない炭素繊維であるためには、黒鉛結晶が、繊維軸方
向に発達し、しかも配向度が良く、かつ、繊維軸に直角
な断面方向には、黒鉛結晶の発達が抑制されているとい
う事が重要である事を見い出した。この事を物性値で表
現するならば、石炭系メソフェースピッチを原料として
製造された炭素繊維のX線回折により求めた配向角(HW
HM)が小さく(10゜以下)、結晶子サイズ(Lc(002)
が小さく(18nm以上25nm以下)、層間隔(d002)が大き
く(0.338nm以上0.345nm以下)、磁気抵抗率が低く(−
2.00%以上−0.40%未満)、かつ繊維の軸方向に直角な
方向の断面において、分子が同一方向に配列した領域
が、同心円状に渦を巻く様に分布するか、又はランダム
状に分布する炭素繊維である。
Means the present inventors for solving the problems, a high elastic modulus (55ton · mm -2 or more, preferably 75ton · mm -2 or higher), has a high tensile strength (250 kg · mm -2 or more), In addition, in order to be a supple carbon fiber that does not crack in the fiber axis direction, graphite crystals develop in the fiber axis direction, have a good degree of orientation, and have graphite in the cross section direction perpendicular to the fiber axis. It has been found that it is important that the development of crystals is suppressed. If this is expressed in terms of physical properties, the orientation angle (HW) determined by X-ray diffraction of carbon fibers manufactured from coal-based mesoface pitch as a raw material
HM) is small (less than 10 mm) and crystallite size (Lc (002) )
Is small (18 nm or more and 25 nm or less), the layer spacing (d 002 ) is large (0.338 nm or more and 0.345 nm or less), and the magnetic resistivity is low (−
2.00% or more and less than -0.40%), and in a cross section perpendicular to the axial direction of the fiber, regions in which molecules are arranged in the same direction are distributed concentrically or spirally or randomly. Carbon fiber.

石炭ピッチ系炭素繊維の配向角(HWHM)は、高弾性率
を発現するために10゜以下でなければならない。また、
結晶子サイズ、層間隔はそれぞれ25nmより大、0.338nm
未満では炭素繊維はもろくなってしまう。
The orientation angle (HWHM) of coal pitch-based carbon fiber must be 10 ° or less in order to exhibit high elastic modulus. Also,
Crystallite size and layer spacing are greater than 25nm and 0.338nm respectively
Below this, the carbon fibers become brittle.

磁気抵抗率が正の場合には、炭素繊維はやはりもろく
なってしまう。磁気抵抗率は負の場合でも−0.40%未満
とすることで、層面間のへき開を抑え、炭素繊維のしな
やかさを最大限に引き出すことができる。
If the magnetoresistance is positive, the carbon fibers will still be brittle. By setting the magnetoresistance to less than -0.40% even in the case of a negative value, cleavage between layers can be suppressed, and the flexibility of the carbon fiber can be maximized.

作用 従来の紡糸方法によって、高弾性率を有する炭素繊維
を得ようとすると、黒鉛結晶が、繊維軸方向のみなら
ず、断面方向にも発達する。そのため炭素層間の平面性
が上がって炭素層間が規則正しく積み重なった様な構造
(3次元的な構造)をとるために、一般的に言って、Lc
は25nmより大きく、d002は0.338nm未満で、磁気抵抗率
は正になってしまう。この様な炭素繊維は、もろいもの
になる。
Effect When attempting to obtain a carbon fiber having a high elastic modulus by a conventional spinning method, graphite crystals develop not only in the fiber axis direction but also in the cross-sectional direction. Therefore, in order to increase the planarity between carbon layers and form a structure (three-dimensional structure) in which carbon layers are regularly stacked, generally speaking, Lc
Is greater than 25 nm, d 002 is less than 0.338 nm, and the magnetoresistance becomes positive. Such carbon fibers become brittle.

本発明者等は、かかる黒鉛結晶の繊維軸方向に直角な
断面方向への発達を抑制した炭素繊維を得ようとするな
らば、ピッチ繊維の段階で、その断面において、分子が
同一方向に配列した領域を細分化する事が必要であると
の考えに基いて種々の技術的検討を行ない本発明を完成
したものである。
If the present inventors intend to obtain a carbon fiber in which the development of the graphite crystal in the cross-sectional direction perpendicular to the fiber axis direction is suppressed, molecules are arranged in the same direction in the cross section at the stage of the pitch fiber. The present invention has been completed by conducting various technical studies based on the idea that it is necessary to subdivide the region that has been set.

すなわち本発明者等は、まず炭素繊維の繊維軸に直角
な方向の断面構造が、原料ピッチの紡糸のどの段階で、
どの様に決定されるかを調べるために、ピッチ繊維、放
流糸およびノズルのキャピラリー直上部のピッチの断面
構造を反射偏光顕微鏡によって観察した。
That is, the present inventors first, at any stage of the spinning of the raw material pitch, the cross-sectional structure in the direction perpendicular to the fiber axis of the carbon fiber,
To examine how this was determined, the cross-sectional structure of the pitch fibers, effluent yarns and pitch directly above the capillary of the nozzle was observed with a reflection polarization microscope.

この反射偏光顕微鏡による観察の結果、本発明者等
は、驚くべき事に、ピッチ繊維、放流糸、ノズルのキャ
ピラリー直上部のピッチの断面構造は、相似的に対応し
ている事を見い出した。
As a result of observation by the reflection polarization microscope, the present inventors have surprisingly found that the cross-sectional structures of the pitch fibers, the discharge yarn, and the pitch immediately above the capillary of the nozzle are similar to each other.

ここで放流糸とは、ノズルから吐出した原料ピッチを
自然落下させたものである。又ノズルのキャピラリー直
上部のピッチは原料ピッチをノズルから吐出させなが
ら、紡糸器全体を水により急冷し、固化させたものを採
取したものである。ピッチ繊維は、ノズル下で吐出ピッ
チを延伸して細くしたものである。
Here, the discharge yarn is obtained by allowing the raw material pitch discharged from the nozzle to fall naturally. The pitch immediately above the capillary of the nozzle is obtained by rapidly cooling and solidifying the entire spinning device with water while discharging the raw material pitch from the nozzle. The pitch fiber is obtained by stretching the discharge pitch under the nozzle to make it thinner.

さらに詳しく図面に基いて本発明者等の観察結果を説
明する。
The observation results of the present inventors will be described in more detail with reference to the drawings.

第3図(A)、(B)は、通常行なわれているピッチ
の溶融紡糸の基本的な方法であるが、ノズル8の中に蓄
えられた溶融ピッチ1をキャピラリー2を経て吐出さ
せ、ノズル下で高速で引き取りピッチ繊維3を製造す
る。この場合のキャピラリー直上部のピッチ4、放流糸
5、ピッチ繊維3の繊維軸に直角な方向の断面構造を反
射偏光顕微鏡で観察したところ、いずれも第1図(C)
に模式的に示した様なラジアルタイプであり、相似的に
対応している事を見い出した。
FIGS. 3 (A) and 3 (B) show a basic method of melt spinning of a pitch which is usually carried out. The melt pitch 1 stored in a nozzle 8 is discharged through a capillary 2 and The take-off pitch fiber 3 is manufactured at a high speed below. In this case, the cross-sectional structure in the direction perpendicular to the fiber axis of the pitch 4, the discharge yarn 5, and the pitch fiber 3 immediately above the capillary was observed with a reflection polarization microscope.
It is a radial type as shown schematically in Figure 2, and found that they corresponded similarly.

次いで、本発明者等は、第2図(A)、(B)に示す
様にノズル8の中の溶融ピッチ1(紡糸粘度は250ポイ
ズ)を撹拌棒7を用いてキャピラリー上部のところで撹
拌し、ノズル内の溶融したピッチのキャピラリーに向う
流れを乱すか、又は新たな流れ(キャピラリー上部での
円周方向のうず状の流れ)を作り出し、この条件下で溶
融ピッチ1を吐出させ、先に述べた方法により、ピッチ
繊維3、放流糸5、および、キャピラリー直上部のピッ
チ4をサンプリングし、反射偏光顕微鏡により、れらの
断面構造を観察した。
Next, the present inventors stirred the molten pitch 1 (spinning viscosity: 250 poise) in the nozzle 8 at the upper part of the capillary using the stirring rod 7 as shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B). Disturb the flow of the molten pitch in the nozzle toward the capillary, or create a new flow (circular spiral flow at the top of the capillary), and discharge the molten pitch 1 under these conditions. By the method described above, the pitch fiber 3, the discharge yarn 5, and the pitch 4 immediately above the capillary were sampled, and their cross-sectional structures were observed with a reflection polarization microscope.

その結果これら3つの断面構造が、いずれも第1図
(A)に模式的に示した様なクワジオニオンタイプであ
り、相似的に対応していることを見出した。
As a result, it was found that these three cross-sectional structures were all of the quagionion type as schematically shown in FIG. 1 (A), and corresponded similarly.

ここでクワジオニオンタイプの断面構造とは、繊維の
軸に直角な方向の断面において、分子が同一方向に配列
した領域が、同心円状に渦を巻く様に分布するものであ
る。そして、この断面構造は新規な断面構造であり、反
射偏光顕微鏡観察では、これまでに知られているオニオ
ンタイプとは全く異なる様相を呈しながら、これを不融
化、熱処理した後、走査型電子顕微鏡(SEM)で横断面
構造を観察した場合には、オニオンタイプに酷似してい
るため、クワジオニオン(擬オニオン)タイプと命名し
た。
Here, the cross-section structure of the quasi-ionion type is a cross-section perpendicular to the axis of the fiber, in which regions in which molecules are arranged in the same direction are distributed so as to concentrically swirl. This cross-sectional structure is a novel cross-sectional structure, and when observed by reflection polarization microscopy, it is completely infusibilized and heat-treated while exhibiting a completely different aspect from the onion type known so far, and then subjected to a scanning electron microscope. When the cross-sectional structure was observed by (SEM), it was very similar to the onion type, so it was named as a quagionion (pseudo onion) type.

さらに、第2図(A)、(B)に示す様に、ノズルの
中の溶融したピッチ(紡糸粘度は1000ポイズ)を撹拌棒
を用いてキャピラリー上部のところで撹拌し、ノズル内
の溶融したピッチのキャピラリーに向う流れを乱し、こ
の条件下で溶融したピッチを吐出させ、先に述べた方法
によりピッチ繊維、放流糸およびキャピラリー直上部の
ピッチをサンプリングし、反射偏光顕微鏡により、それ
らの断面構造を観察した。
Further, as shown in FIGS. 2 (A) and (B), the molten pitch in the nozzle (spinning viscosity is 1000 poise) is stirred at the upper part of the capillary using a stirring rod, and the molten pitch in the nozzle is stirred. Disturb the flow toward the capillary, discharge the melted pitch under these conditions, sample the pitch fiber, discharge thread and pitch just above the capillary by the method described above, and use a reflection polarization microscope to measure their cross-sectional structure. Was observed.

その結果、これら3つの断面構造が、いずれも第1図
(B)に模式的に示した様にタンダムタイプであり、相
似的に対応している事を見い出した。
As a result, it has been found that these three cross-sectional structures are all of a tandam type as schematically shown in FIG. 1 (B), and correspond in a similar manner.

上記の知見により、ピッチ繊維に表われる断面構造
は、キャピラリー上部の流れ、又はピッチの状態で決定
され、それ以後の過程すなわちキャピラリー中の流れ、
又はノズル以後の延伸によっては本質的に変化せず、単
に相似的に全体の構造が微細になっていくのみである事
が判明した。
Based on the above findings, the cross-sectional structure appearing in the pitch fiber is determined by the flow in the upper part of the capillary, or the state of the pitch, and the subsequent process, that is, the flow in the capillary,
Alternatively, it was found that there was essentially no change due to the stretching after the nozzle, and only the overall structure became similar and finer.

そして、ピッチ繊維の巨視的、又は微視的な断面構造
は、不融化処理、熱処理して得た炭素繊維に受け継がれ
ていくことも、反射偏光顕微鏡および走査型電子顕微鏡
(SEM)等を使った観察により確認した。
The macroscopic or microscopic cross-sectional structure of the pitch fiber can be passed on to the carbon fiber obtained by infusibilization and heat treatment, using a reflection polarization microscope and a scanning electron microscope (SEM). Was confirmed by observation.

この様なクワジオニオンタイプ、ランダンムタイプの
断面構造をもつピッチ繊維を、不融化、熱処理して得ら
れる炭素繊維には、従来のラジアルタイプに見られる様
な繊維軸に沿った割れは起らない。
The carbon fiber obtained by infusibilizing and heat treating pitch fibers having such a cross-section structure of the quasi-ionion type and the random type has cracks along the fiber axis as in the conventional radial type. No.

さらに、このノズルのキャピラリー上部で撹拌しなが
ら紡糸したピッチ繊維の断面での分子が一定方向に配列
した領域は細分化されている。これは、キャピラリー上
部の断面積の大きな部分で、撹拌により、すでにかかる
領域の細分化が行なわれているため、その後延伸して、
その断面積を小さくした時には、かかる領域が、非常に
小さいものになるからである。そしてこのかかる領域の
細分化の効果は、紡糸粘度が大きく好ましくは200ポイ
ズ以上で撹拌しながら紡糸した時に大きなものになる。
そしてこの様な効果は、従来の方法では得られないもの
である。
Furthermore, the region where the molecules are arranged in a certain direction in the cross section of the pitch fiber spun while being stirred above the capillary of the nozzle is subdivided. This is because in the large cross-sectional area of the upper part of the capillary, such a region has already been subdivided by stirring,
This is because when the cross-sectional area is reduced, such a region becomes very small. The effect of the segmentation of such a region becomes large when spinning is performed with high spinning viscosity, preferably at 200 poise or more while stirring.
Such an effect cannot be obtained by the conventional method.

ところで、本発明の炭素繊維は、繊維軸方向には、良
好に黒鉛結晶が発達しているが、この様な炭素繊維を得
るためには、ピッチ繊維の段階で、ピッチを構成する分
子が、繊維軸方向に良好に配向している事が必要であ
る。本発明者等は、かかる繊維軸方向への分子の配向に
紡糸のどの過程が主に寄与するかを鋭意検討した結果、
ノズル以後の延伸過程が、紡糸の他の過程、すなわちノ
ズルのキャピラリー上部の流れ、キャピラリー中の流れ
に比較して圧倒的にかかる効果が大きいという事を見い
出した。従って撹拌しても、しなくても、ドラウト率10
以上で紡糸して得られたピッチ繊維の繊維軸方向でのピ
ッチ分子の配向度には全く差がない。
By the way, in the carbon fiber of the present invention, graphite crystals are well developed in the fiber axis direction.To obtain such a carbon fiber, at the stage of the pitch fiber, molecules constituting the pitch are: It must be well oriented in the fiber axis direction. The present inventors have conducted intensive studies on which process of spinning mainly contributes to the orientation of molecules in the fiber axis direction,
It has been found that the drawing process after the nozzle has an overwhelming effect as compared with the other processes of spinning, namely, the flow above the capillary of the nozzle and the flow in the capillary. Therefore, with or without agitation, the drout rate is 10
There is no difference in the degree of orientation of pitch molecules in the fiber axis direction of the pitch fiber obtained by spinning as described above.

本発明の原料ピッチとしては、石炭系ピッチから得ら
れるメソフェースピッチであればどの様なものでもよ
い。種々の方法で、水添処理した後に熱処理を行って得
たものであっても良いし、水添処理なしで、熱処理を行
って得たものであっても良い。又、高温にしたとき、メ
ソフェース部分が消失する様なものであっても良いし、
消失しない様なものであっても良い。ただし、最終的に
得られる炭素繊維が高弾性率を有する様に、メソフェー
ス含有量が75%以上のもの、好ましくは90%以上のもの
が選ばれる。
As the raw material pitch of the present invention, any mesoface pitch obtained from coal-based pitch may be used. It may be obtained by performing heat treatment after hydrogenation treatment by various methods, or may be obtained by performing heat treatment without hydrogenation treatment. Also, when heated to a high temperature, it may be such that the mesoface portion disappears,
It may be one that does not disappear. However, those having a mesophase content of 75% or more, preferably 90% or more, are selected so that the finally obtained carbon fiber has a high elastic modulus.

この様な原料ピッチを上記の様な撹拌紡糸で、繊維軸
に直角な方向の断面での分子が一定方向に配列した領域
が効果的に細分化され、かつ繊維軸方向には良好に分子
が配向しているピッチ繊維を紡糸し、このピッチ繊維を
酸素を含むガス中で250〜350℃付近に加熱して不融化
し、不融化繊維を得る。そしてこの不融化繊維を不活性
ガス中でいわゆる黒鉛化処理温度といわれる温度、例え
ば2000℃以上で熱処理を行ない、本発明の炭素繊維を得
ることができる。
By such a stirring spinning of such a raw material pitch, a region where the molecules are arranged in a certain direction in a cross section perpendicular to the fiber axis is effectively subdivided, and the molecules are satisfactorily dispersed in the fiber axis direction. The oriented pitch fiber is spun, and the pitch fiber is heated to about 250 to 350 ° C. in a gas containing oxygen to make it infusible, thereby obtaining an infusible fiber. Then, the infusibilized fiber is subjected to a heat treatment in an inert gas at a temperature referred to as a so-called graphitization treatment temperature, for example, 2000 ° C. or more, and the carbon fiber of the present invention can be obtained.

この様にして得た石炭ピッチ系炭素繊維は、黒鉛結晶
の断面方向での発達が抑制されている事と、断面構造
が、クワジオニオンタイプであるかランダムタイプであ
るという2つの理由により、割れの問題は全く起こらな
い。
The coal pitch-based carbon fiber obtained in this way has two reasons: the development of graphite crystals in the cross-sectional direction is suppressed, and the cross-sectional structure is either a quadionion type or a random type. No cracking problem occurs.

又、X線回折により求めた配向角(HWHM)が10゜以下
と小さく、繊維軸方向には黒鉛結晶が発達しているため
引張り弾性率は、55ton・mm-2以上好ましくは75ton・mm
-2以上と高くなっている。他方結晶子サイズ(L
c(002))が18nm以上25nm以下と小さく、層間隔(d002
が、0.338nm以上0.345nm以下と大きく、磁気抵抗率が−
2.0%以上−0.40%未満と低く、繊維軸に直角な断面方
向には黒鉛結晶の発達が抑制されている事を示してい
る。
Further, since the orientation angle (HWHM) determined by X-ray diffraction is as small as 10 ° or less, and graphite crystals are developed in the fiber axis direction, the tensile elastic modulus is 55ton · mm -2 or more, preferably 75ton · mm.
It is higher than -2 . On the other hand, crystallite size (L
c (002) ) is as small as 18 nm or more and 25 nm or less, and the layer spacing (d 002 )
Is large, from 0.338 nm to 0.345 nm, and the magnetoresistance is −
It is as low as 2.0% or more and less than -0.40%, indicating that the development of graphite crystals is suppressed in the cross-sectional direction perpendicular to the fiber axis.

かかる炭素繊維は、断面方向から見ると層面が非常に
細かくうねっており、この事によりもろさの問題を克服
する事ができたのである。また、これにより、断面方向
での層面のうねりが細かくない場合に比して、引張り強
度も改善され、250kg・mm-2以上も容易に発現すること
ができる。複合材料として炭素繊維を用いる場合やハン
ドリングにおいて、しなやかさとともに、引張り強度も
重要な因子であるため、本発明の石炭ピッチ系炭素繊維
は特に有利である。
When viewed from the cross-sectional direction, the carbon fiber has a very fine undulating layer surface, thereby overcoming the problem of brittleness. Further, as a result, the tensile strength is improved as compared with the case where the undulation of the layer surface in the cross-sectional direction is not fine, and 250 kg · mm −2 or more can be easily achieved. In the case where carbon fibers are used as the composite material or in handling, the coal pitch-based carbon fibers of the present invention are particularly advantageous because tensile strength is an important factor as well as flexibility.

A.A.BrightとL.S.Sirger(Carbon 17、p.59、1979
年)は、石油ピッチ系炭素繊維について調べている。
AABright and LSSirger (Carbon 17 , p.59, 1979
Is studying petroleum pitch-based carbon fiber.

その中でランダム構造を有する炭素繊維は、2500℃焼
成品で、配向角(HWHM)=5゜、結晶子サイズ(Lc
(002))=17nm、層間隔(d002)=0.3390〜0.3398nm、
弾性率55ton・mm-2であり、本発明の炭素繊維のよう
に、軸方向には黒鉛結晶が発達し、横断面方向には抑制
されているといえる。
Among them, the carbon fiber having a random structure is a calcined product at 2500 ° C., the orientation angle (HWHM) = 5 °, and the crystallite size (Lc
(002) ) = 17 nm, layer spacing (d 002 ) = 0.3390-0.3398 nm,
The modulus of elasticity is 55 ton · mm -2 , and it can be said that, like the carbon fiber of the present invention, graphite crystals develop in the axial direction and are suppressed in the cross-sectional direction.

しかしながら、引張り強度は本発明による石炭ピッチ
系炭素繊維が250kg・mm-2以上であるのに対して200kg・
mm-2程度と低く、また、磁気抵抗率に関して言えば、石
油ピッチ系炭素繊維では、磁場強度が14KG、温度4.2Kの
場合の横磁気抵抗率の最小値で−2.5%であるが、本発
明の石炭ピッチ系炭素繊維は同じ測定条件では横磁気抵
抗率−2.8%以下である。
However, 200 kg · tensile strength whereas coal-pitch based carbon fiber according to the present invention is 250 kg · mm -2 or more
mm -2, and in terms of magnetoresistance, the minimum value of the transverse magnetoresistance for petroleum pitch-based carbon fiber at a magnetic field strength of 14KG and a temperature of 4.2K is -2.5%. The coal pitch-based carbon fiber of the present invention has a transverse magnetic resistivity of -2.8% or less under the same measurement conditions.

さらに、本発明の石炭ピッチ系炭素繊維を3000℃で焼
成した場合には、磁場強度が14KG、温度が4.2Kのときの
横磁気抵抗率は負になるが、前述のBrightらのランダム
構造を有する石油ピッチ系炭素繊維では、3000℃で焼成
した場合の横磁気抵抗率は+4.0%になる。このような
物性上の差異は、当然構造上の違いにその原因がある。
Further, when the coal pitch-based carbon fiber of the present invention is fired at 3000 ° C., the magnetic field strength is 14 KG, the transverse magnetic resistivity at a temperature of 4.2 K becomes negative, but the random structure of Bright et al. The petroleum pitch-based carbon fiber has a transverse magnetic resistivity of + 4.0% when fired at 3000 ° C. Such a difference in physical properties is naturally caused by a difference in structure.

この意味で、磁気抵抗率は、X線回折法では明らかに
することができない炭素繊維の構造上の特徴を表わして
いると言える。また、このような違いを生ずる原因は、
原料の相違と、紡糸条件の違いにあると考えられる。
In this sense, it can be said that the magnetoresistivity represents a structural feature of the carbon fiber that cannot be clarified by the X-ray diffraction method. The cause of such a difference is
It is considered that there are differences in raw materials and differences in spinning conditions.

ただし、弾性率を55ton・mm-2以上に保って、層間隔
(d002)を0.345nmより大きく、結晶子サイズ(L
c(002))を18nm未満にし、又磁気抵抗率を−2.00%より
低いものにする事はできなかった。ここまで黒鉛化度を
落として、断面方向での乱れがあまりに大きいときに
は、繊維軸方向にも乱れが波及するため、高弾性率が発
現し得ないものと考えられる。
However, while maintaining the elastic modulus at 55 ton · mm -2 or more, the layer interval (d 002 ) is larger than 0.345 nm, and the crystallite size (L
c (002) ) could not be reduced to less than 18 nm, and the magnetic resistivity could not be reduced to less than -2.00%. If the degree of graphitization is reduced to this point and the turbulence in the cross-sectional direction is too large, the turbulence propagates also in the fiber axis direction, and it is considered that a high elastic modulus cannot be exhibited.

この様に、本発明の炭素繊維は、高弾性率を有しか
つ、もろさの問題、割れの問題をともに克服した全く新
しいタイプの石炭ピッチ系炭素繊維である。
As described above, the carbon fiber of the present invention is a completely new type of coal pitch-based carbon fiber having a high elastic modulus and overcoming both the problem of brittleness and the problem of cracking.

次に本発明において、石炭ピッチ系炭素繊維および原
料の石炭ピッチの特性を表わすのに用いた諸物性値につ
いて述べる。
Next, in the present invention, various physical property values used to represent the characteristics of the coal pitch-based carbon fiber and the raw coal pitch will be described.

(1)X線回折により求めた諸物性値、配向角(HWH
M)、結晶子サイズ(Lc(002))、層間隔(d002) 真直ぐに張った炭素繊維束を含む平面に、垂直な方向
からX線を繊維束に照射する。そして、繊維束を透過、
回折したX線を検出器で検出する際に、(002)面に対
応するシグナルが最大となる方向に検出器を固定する。
次いで、入射X線と検出器の方向を固定したまま、繊維
束を入射X線に垂直な平面内で回転させると、検出器で
検出されるシグナル強度は繊維の回転角度の180゜の周
期関数となり、180゜毎に1つのピークをもつ。このピ
ークの半値巾の半分の値を配向角(Half Width of Half
Maximum、HWHM)と呼ぶ。
(1) Various physical properties and orientation angles (HWH) determined by X-ray diffraction
M), crystallite size (Lc (002) ), layer spacing (d 002 ) X-rays are irradiated to the fiber bundle from a direction perpendicular to the plane including the straight carbon fiber bundle. And the fiber bundle penetrates,
When the diffracted X-ray is detected by the detector, the detector is fixed in a direction in which the signal corresponding to the (002) plane is maximized.
Next, when the fiber bundle is rotated in a plane perpendicular to the incident X-ray while the directions of the incident X-ray and the detector are fixed, the signal intensity detected by the detector becomes a periodic function of the rotation angle of the fiber of 180 °. With one peak every 180 °. The half value of the half width of this peak is determined by the half width of half (Half Width of Half).
Maximum, HWHM).

また学振法に従って、測定すべき炭素繊維を粉末に
し、これにシリコンの粉末を混合して試料となし、X線
回折パターンを得たとき、(002)面に対応するピーク
位置から算出した炭素繊維の微小黒鉛結晶の層間隔をd
002で表わす。又このピークの半値巾より算出した微小
黒鉛の積層厚さを結晶子サイズと呼びLc(002)で表わ
す。
According to the Gakushin method, the carbon fiber to be measured is powdered, and silicon powder is mixed with the powder to form a sample. When an X-ray diffraction pattern is obtained, the carbon calculated from the peak position corresponding to the (002) plane is obtained. The layer spacing of the fine graphite crystals of the fiber is d
Expressed as 002 . The lamination thickness of the fine graphite calculated from the half width of this peak is called a crystallite size and is expressed by Lc (002) .

HWHMは、黒鉛結晶がいかに良く、繊維軸に沿って配向
しているかを示す指標であり、d002、Lc(002)は繊維の
黒鉛化度を表わす一般的な指標である。d002は小さいほ
ど、Lc(002)は大きいほど繊維の黒鉛化度が進んでいる
事を表わす。
HWHM is an index indicating how well the graphite crystal is oriented along the fiber axis, and d 002 and Lc (002) are general indexes indicating the degree of graphitization of the fiber. as d 002 is small, Lc (002) represents that is progressing graphitization degree of larger fibers.

(2)磁気抵抗率 磁気抵抗率は通常Δρ/ρで表わされ、以下の式で
定義されている。(磁気抵抗率は無次元数であり、パー
セント表示される。) △ρ/ρ=(ρ()−ρ(0))/ρ(0)・・・ ここで、ρ()は、試料に磁束密度の磁場を印加
した時の試料の比抵抗であり、ρ(0)は磁場を印加し
ない時の試料の比抵抗である。
(2) Magnetoresistance The magnetoresistance is usually represented by Δρ / ρ, and is defined by the following equation. (The magnetic resistivity is a dimensionless number and is expressed as a percentage.) Δρ / ρ = (ρ () − ρ (0)) / ρ (0) where ρ () is the value of the sample. Ρ (0) is the specific resistance of the sample when no magnetic field is applied, and ρ (0) is the specific resistance of the sample when no magnetic field is applied.

磁気抵抗率Δρ/ρは、炭素繊維の黒鉛化度が上がる
と大きくなる。そして磁気抵抗率の特長は、試料の形、
大きさに左右されず、又比較的大きな欠陥の有無に依存
しない事であり、試料の黒鉛化度を評価するのに最も適
した物性値の1つである。さらに、磁気抵抗率は、炭素
繊維の黒鉛化度の高いところで敏感であり、この領域で
は、X線回折から求めた物性値が全て敏感でなくなって
くるので特に有用である。
The magnetic resistivity Δρ / ρ increases as the degree of graphitization of the carbon fiber increases. And the features of the magnetic resistivity are the shape of the sample,
It is independent of the size and does not depend on the presence or absence of relatively large defects, and is one of the most suitable physical property values for evaluating the degree of graphitization of a sample. Further, the magnetic resistivity is sensitive where the degree of graphitization of the carbon fiber is high, and in this region, all the physical properties obtained by X-ray diffraction become less sensitive, which is particularly useful.

なお、本願の説明において示した磁気抵抗率は、特に
ことわらない限りは全て液体窒素温度で、40本以上の炭
素繊維の束をまっすぐに張った試料に垂直な方向に10KG
の磁場を印加したときの磁気抵抗率の値である。
The magnetoresistance shown in the description of the present application is 10 KG in the direction perpendicular to the sample in which a bundle of 40 or more carbon fibers is stretched straight at liquid nitrogen temperature unless otherwise specified.
Is the value of the magnetic resistivity when the magnetic field is applied.

(3)引張り強度、比張り弾性率、伸び 引張り強度物性はJISR7601に示された樹脂含浸ストラ
ンド方法を用い、伸びは試料に伸び計を取り付けて真の
伸びを測定した。また引張り強度は破断時の荷重より求
めた。また弾性率は荷重−伸び曲線の直線部分の接線を
描き、荷重の増加分と、伸びの増加分との比より求め
た。
(3) Tensile strength, specific elastic modulus and elongation Tensile strength properties were measured by using a resin-impregnated strand method shown in JISR7601, and elongation was measured by attaching an extensometer to a sample. The tensile strength was determined from the load at break. The modulus of elasticity was determined by drawing a tangent to the straight line portion of the load-elongation curve and calculating the ratio of the increase in load to the increase in elongation.

このようにして求めた弾性率は真の弾性率であるが、
一方単糸で引張り試験を行った場合、その見かけ伸びが
大きいために、弾性率は小さく測定される。例えば、樹
脂含浸ストランド方法を用い、伸び計を試料に取り付け
て試験を行って弾性率が55ton・mm-2と測定とされた場
合、同じ試料を単糸で引張り試験を行って求めた弾性率
は、40ton・mm-2であった。
The elastic modulus obtained in this way is a true elastic modulus,
On the other hand, when a tensile test is performed on a single yarn, the elastic modulus is measured to be small because the apparent elongation is large. For example, using a resin-impregnated strand method, a test was performed with an extensometer attached to a sample, and when the elastic modulus was measured to be 55 ton mm- 2 , the elastic modulus obtained by performing a tensile test on the same sample with a single yarn Was 40 ton · mm -2 .

(4)粘度、軟化点 粘度はフローテスターを用いて、ハーゲン・ポアズイ
ユの式により算出した。軟化点は、粘度が20000ポイズ
となる温度の事である。
(4) Viscosity and softening point The viscosity was calculated by a Hagen-Poiseuille equation using a flow tester. The softening point is the temperature at which the viscosity becomes 20,000 poise.

(5)メソフェース含有量 本発明で言うメソフェースとは、冷却固化したピッチ
を樹脂等に埋込んで表面を研磨し、反射偏光顕微鏡を用
いて観察する事によって決定できる光学的に異方性を示
す組織を指す。またメソフェース含有量とは前述の様に
して観察して認められる異方性組織の面積割合をさす。
(5) Mesoface content The mesoface referred to in the present invention has optical anisotropy that can be determined by embedding a cooled and solidified pitch in a resin or the like, polishing the surface, and observing the surface using a reflection polarization microscope. Refers to the organization. The content of mesophase refers to the area ratio of an anisotropic structure observed and observed as described above.

以下に本発明の内容をより詳細に説明するための比較
例と実施例を示す。なお本分中の%は、磁気抵抗率とメ
ソフェース含有量以外の全て重量%である。
Hereinafter, comparative examples and examples for describing the contents of the present invention in more detail will be described. The percentages in this component are all percentages by weight except for the magnetic resistivity and the mesophase content.

実施例1 原料として軟化点80℃のコールタールピッチを水素化
溶媒としてテトラヒドロキノリンを用い、120kg・cm-2
の圧力下、440℃で18分間反応させた後、減圧下270℃で
溶剤および低沸点留分を除き、水素化処理ピッチを得
た。これを常圧下470℃で42分間熱処理した後、減圧下4
80℃で低沸点分を除きメソフェースピッチを得た。この
メソフェースピッチは、軟化点が308℃、TI=90.8%、Q
I=19.8%、メソフェース含有量=100%であった。
Using tetrahydroquinoline coal tar pitch having a softening point of 80 ° C. as in Example 1 material as hydrogenation solvent, 120 kg · cm -2
After reacting at 440 ° C. for 18 minutes under a pressure of, a solvent and a low boiling fraction were removed at 270 ° C. under reduced pressure to obtain a hydrotreated pitch. After heat-treating this at 470 ° C for 42 minutes under normal pressure,
At 80 ° C, a mesoface pitch was obtained except for the low boiling point components. This mesoface pitch has a softening point of 308 ° C, TI = 90.8%, Q
I = 19.8% and mesophase content = 100%.

前記のメソフェースピッチを撹拌棒を装備してある紡
糸器に入れて、10℃・min-1の昇温速度で355℃まで加熱
し、30分間保ち、しかる後に、撹拌棒を27rpmで回転さ
せ、溶融ピッチを撹拌しながら、窒素ガスで圧力をかけ
て、0.06g・min-1で溶融したピッチを吐出させ、500m・
min-1の巻き取り速度で巻き取ってピッチ繊維とした。
撹拌棒の先端は、ノズルの吐出口の上約2mmまで近付け
て紡糸を行なった。
Put the mesoface pitch into a spinning machine equipped with a stir bar, heat it to 355 ° C. at a heating rate of 10 ° C. min −1 , keep it for 30 minutes, and then rotate the stir bar at 27 rpm. , while stirring the molten pitch under pressure with nitrogen gas, to eject pitch melted at 0.06g · min -1, 500m ·
A pitch fiber was obtained by winding at a winding speed of min- 1 .
Spinning was performed with the tip of the stirring rod approaching about 2 mm above the discharge port of the nozzle.

この様にして得たピッチ繊維は反射偏光顕微鏡による
観察の結果、その断面構造がランダムタイプであった。
Observation by a reflection polarization microscope revealed that the pitch fiber thus obtained had a random cross-sectional structure.

この様にして得たピッチ繊維を空気中で200℃から300
℃まで0.5℃・min-1の昇温速度で昇温し、そのまま1時
間不融化処理を行った。しかる後アルゴンガス中にて50
℃・min-1の昇温速度で2500℃まで昇温し、15分間熱処
理を施し、炭素繊維を得た。
The pitch fiber obtained in this way is heated from 200 ° C to 300 ° C in air.
The temperature was raised to 0.5 ° C. at a rate of 0.5 ° C. min −1 , and the infusibilization treatment was performed for 1 hour. Then, in argon gas 50
The temperature was raised to 2500 ° C. at a temperature-increasing rate of ° C. · min −1 and heat-treated for 15 minutes to obtain carbon fibers.

この様にして得た炭素繊維の繊維軸に直角な方向の断
面構造は、反射偏光顕微鏡と走査型電子顕微鏡による観
察の結果、ランダムタイプであった。
The cross-sectional structure of the carbon fiber thus obtained in a direction perpendicular to the fiber axis was a random type as a result of observation with a reflection polarization microscope and a scanning electron microscope.

この炭素繊維のX線回折により求めた配向角(HWHM)
は8.4゜、結晶子サイズ(Lc(002))は20nm、層間隔(d
002)は0.339nm、磁気抵抗率(△ρ/ρ)は−0.401%
であり、この繊維はしなやかであった。
Orientation angle (HWHM) of this carbon fiber determined by X-ray diffraction
Is 8.4 mm, crystallite size (Lc (002) ) is 20 nm, and layer spacing (d
002 ) is 0.339 nm, and the magnetic resistivity (△ ρ / ρ) is -0.401%
And the fiber was supple.

又引張り強度は270kg・mm-2、引張り弾性率は67ton・
mm-2、伸びは0.40%であった。
The tensile strength is 270kg ・ mm -2 and the tensile modulus is 67ton ・
mm -2 , the elongation was 0.40%.

実施例2 実施例1で用いた原料ピッチを、実施例1と同じ撹拌
棒を装備した紡糸器に入れて10℃・min-1の昇温速度で3
55℃まで加熱し、30分間保ち、しかる後に攪拌棒を17.8
rpmで回転させながら、窒素ガスで圧力をかけて0.06g・
min-1で溶融した原料ピッチを吐出させ、500m・min-1
巻き取り速度で巻き取り、ピッチ繊維となした。撹拌棒
の先端はノズルの吐出口より約7mmの高さの所に設置し
た。
Example 2 The raw material pitch used in Example 1 was placed in a spinning machine equipped with the same stirring rod as in Example 1 and heated at a heating rate of 10 ° C. · min −1 to 3
Heat to 55 ° C, hold for 30 minutes, then stir bar for 17.8
While rotating at rpm, apply pressure with nitrogen gas to 0.06 g
The raw material pitch melted at min −1 was discharged and wound at a winding speed of 500 m · min −1 to form pitch fibers. The tip of the stirring rod was set at a height of about 7 mm from the discharge port of the nozzle.

この様にして得たピッチ繊維は、その断面構造がクワ
ジオニオンタイプであった。
The pitch fiber thus obtained had a cross-sectional structure of a quadionion type.

このピッチ繊維を実施例1と同様に不融化、熱処理を
施して炭素繊維を得た。
This pitch fiber was infusibilized and heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain a carbon fiber.

この炭素繊維の繊維軸に直角な方向の断面構造は、反
射顕微鏡と走査型電子顕微鏡による観察の結果クワジオ
ニオンタイプであった。
The cross-sectional structure of the carbon fiber in a direction perpendicular to the fiber axis was a quarionion type as a result of observation with a reflection microscope and a scanning electron microscope.

この炭素繊維のX線回折により求めた配向角(HWHM)
は8.3゜、結晶子サイズ(Lc(002))は19nm、層間隔(d
002)は0.339nm、磁気抵抗率(△ρ/ρ)は−0.432%
であり、この繊維はしなやかであった。
Orientation angle (HWHM) of this carbon fiber determined by X-ray diffraction
Is 8.3 mm, crystallite size (Lc (002) ) is 19 nm, and layer spacing (d
002 ) is 0.339 nm, and the magnetic resistivity (△ ρ / ρ) is -0.432%
And the fiber was supple.

又、引張り強度は265kg・mm-2、引張り弾性率は62ton
・mm-2、伸びは0.43%であった。
The tensile strength is 265kg · mm -2 and the tensile modulus is 62ton
・ Mm -2 , elongation was 0.43%.

実施例3 原料として軟化点80℃のコールタールピッチを水素化
溶媒としてテトラヒドロキノリンを用い、120kg・cm-2
の圧力下、450℃で18分間反応させた後、減圧化270℃で
溶剤および低沸点留分を除き、水素化処理ピッチを得
た。これを常圧下460℃で60分間熱処理した後、減圧下4
80℃で低沸点分を除きメソフェースピッチを得た。この
メソフェースピッチは、軟化点が318℃、TI=92.1%、Q
I=10.5%、メソフェース含有量=98%であった。ピッ
チを、実施例1と同様の撹拌棒を装備した紡糸器に入れ
て、10℃・min-1の昇温速度で358℃まで加熱し、30分間
保ち、しかる後に、撹拌棒を9.8rpmで回転させながら、
窒素ガスで圧力をかけて、0.065g・min-1で原料ピッチ
を吐出させ、500m・min-1の巻き取り速度で巻き取っ
て、ピッチ繊維とした。撹拌棒の先端はノズルの吐出口
より約10mmの高さに設置した。
Using tetrahydroquinoline coal tar pitch having a softening point of 80 ° C. Example 3 feedstock as hydrogenation solvent, 120 kg · cm -2
After the reaction at 450 ° C. for 18 minutes under the pressure of, the solvent and the low-boiling fraction were removed at a reduced pressure of 270 ° C. to obtain a hydrotreated pitch. After heat-treating this at 460 ° C for 60 minutes under normal pressure,
At 80 ° C, a mesoface pitch was obtained except for the low boiling point components. This mesoface pitch has a softening point of 318 ° C, TI = 92.1%, Q
I = 10.5%, mesophase content = 98%. The pitch was placed in a spinning machine equipped with the same stir bar as in Example 1, heated to 358 ° C. at a heating rate of 10 ° C. min −1 and kept for 30 minutes, after which the stir bar was turned at 9.8 rpm. While rotating
By applying pressure with nitrogen gas, the raw material pitch was discharged at 0.065 g · min −1 and wound at a winding speed of 500 m · min −1 to obtain pitch fibers. The tip of the stirring rod was set at a height of about 10 mm from the discharge port of the nozzle.

この様にして得たピッチ繊維は、反射偏光顕微鏡で観
察した結果、その断面構造がクワジオニオンタイプであ
った。
The pitch fiber thus obtained was observed with a reflection polarization microscope, and as a result, its cross-sectional structure was a quadionion type.

このピッチ繊維を、実施例1と同様に不融化、熱処理
を施して炭素繊維を得た。
This pitch fiber was infusibilized and heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain a carbon fiber.

得られた炭素繊維の断面構造は、反射偏光顕微鏡と走
査型電子顕微鏡による観察の結果クワジオニオンタイプ
であった。
The cross-sectional structure of the obtained carbon fiber was a quasi-ionion type as a result of observation with a reflection polarization microscope and a scanning electron microscope.

この炭素繊維のX線回折により求めた配向角(HWHM)
は7.5゜、結晶子厚さ(Lc(002))は23nm、層間隔
(d002)は0.339nm、磁気抵抗率(△ρ/ρ)は−0.415
%であり、この繊維はしなやかであった。
Orientation angle (HWHM) of this carbon fiber determined by X-ray diffraction
Is 7.5 mm, the crystallite thickness (Lc (002) ) is 23 nm, the layer spacing (d 002 ) is 0.339 nm, and the magnetoresistance (△ ρ / ρ) is −0.415.
%, And the fiber was supple.

又引張り強度は333kg・mm-2、引張り弾性率は87ton・
mm-2、伸びは0.38%であった。
The tensile strength is 333kg ・ mm -2 and the tensile modulus is 87ton ・
mm -2 and elongation was 0.38%.

比較例 実施例1で用いた原料ピッチを、従来の紡糸器に入れ
て10℃・min-1の昇温速度で355℃まで加熱し、30分間保
ち、しかる後窒素ガスにて圧力をかけ、溶融した原料ピ
ッチをノズルから0.06g・min-1で吐出させ、これを500m
・min-1の巻き取り速度で巻き取ってピッチ繊維とし
た。
Comparative Example The raw material pitch used in Example 1 was placed in a conventional spinning machine, heated to 355 ° C. at a temperature rising rate of 10 ° C. · min −1 , kept for 30 minutes, and then pressurized with nitrogen gas. the molten raw material pitch discharged at 0.06 g · min -1 from the nozzle, 500 meters this
-It was wound at a winding speed of min- 1 to obtain a pitch fiber.

この様にして得たピッチ繊維は、反射偏光顕微鏡によ
る観察の結果、その断面構造がラジアルタイプであっ
た。
As a result of observation by a reflection polarization microscope, the cross-sectional structure of the pitch fiber thus obtained was a radial type.

このピッチ繊維を実施例1と同様に不融化、熱処理を
施して炭素繊維を得た。
This pitch fiber was infusibilized and heat-treated in the same manner as in Example 1 to obtain a carbon fiber.

この様にして得た炭素繊維の断面構造は、反射偏光顕
微鏡と走査型電子顕微鏡による観察の結果ラジアルタイ
プであり、又繊維軸方向に沿って割れが入っているもの
が多数認められた。そしてこの炭素繊維はもろく、ハン
ドリングにより容易に破断しうるものであった。得られ
た炭素繊維のX線回折により求めた配向角(HWHM)は9.
6゜、結晶子サイズ(Lc(002))は32nm、層間隔(d002
が0.337nmであり、磁気抵抗率(△ρ/ρ)が+0.455%
であった。
The cross-sectional structure of the carbon fiber obtained in this manner was of a radial type as a result of observation with a reflection polarization microscope and a scanning electron microscope, and a number of cracks were found along the fiber axis direction. The carbon fiber was brittle and could be easily broken by handling. The orientation angle (HWHM) of the obtained carbon fiber determined by X-ray diffraction was 9.
6 ゜, crystallite size (Lc (002) ) 32 nm, layer spacing (d 002 )
Is 0.337 nm and the magnetic resistivity (率 ρ / ρ) is + 0.455%
Met.

又、引張り強度は190kg・mm-2、引張り弾性率は、69t
on・mm-2、伸びは0.28%であった。
The tensile strength is 190kg ・ mm -2 and the tensile modulus is 69t
on · mm -2 , elongation was 0.28%.

発明の効果 石油ピッチから得られるメソフェースピッチを原料と
して製造される本発明の炭素繊維は、高弾性率を有しな
がら、しなやかで、繊維軸方向に割れが入らないため、
ハンドリングが容易であり、作業性が良く、生産効率の
向上にも寄与するものである。
Effect of the Invention The carbon fiber of the present invention, which is manufactured using a mesoface pitch obtained from a petroleum pitch as a raw material, has a high elastic modulus, is supple, and does not crack in the fiber axis direction.
It is easy to handle, has good workability, and contributes to improvement of production efficiency.

また、複合材料に本発明の炭素繊維を使った場合に
は、得られる複合材料の衝撃強度の改善が期待できるこ
とから、各種用途に適用することができる。
When the carbon fiber of the present invention is used for a composite material, the composite material obtained can be expected to improve the impact strength, and can be applied to various uses.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図(A)、(B)、(C)はピッチ繊維、炭素繊維
等の繊維軸に直角な方向の断面構造の模式図で、第1図
(A)はクワジオニオンタイプ、第1図(B)はランダ
ムタイプ、第1図(C)はラジアルタイプである。 第2図(A)、(B)は撹拌紡糸器の立面説明図、第3
図(A)、(B)は従来法の通常紡糸器の立面説明図で
ある。 1……ノズル上部の溶融したピッチ、2……キャピラリ
ー、3……ピッチ繊維、4……キャピラリー直上部の溶
融したピッチ、5……放流糸、6……ドラム、7……撹
拌棒、8……ノズル。
1 (A), 1 (B) and 1 (C) are schematic views of a cross-sectional structure in a direction perpendicular to a fiber axis of a pitch fiber, a carbon fiber or the like, and FIG. 1 (A) is a quasi-ion type, FIG. 1B shows a random type, and FIG. 1C shows a radial type. 2 (A) and 2 (B) are elevation views of a stirring spinner, and FIG.
Figures (A) and (B) are elevational views of a conventional spinning device of the conventional method. Reference numeral 1 denotes a molten pitch at an upper portion of a nozzle, 2 denotes a capillary, 3 denotes a pitch fiber, 4 denotes a molten pitch just above a capillary, 5 denotes a discharge thread, 6 denotes a drum, 7 denotes a stirring rod, 8 ……nozzle.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐直 康則 川崎市中原区井田1618番地 新日本製鐵 株式會社第1技術研究所内 (72)発明者 西田 卓彦 川崎市中原区井田1618番地 新日本製鐵 株式會社第1技術研究所内 (72)発明者 松本 光昭 川崎市中原区井田1618番地 新日本製鐵 株式會社第1技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−186520(JP,A) 特開 昭61−167022(JP,A) 特開 昭61−258024(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yasunori Sanao 1618 Ida, Nakahara-ku, Kawasaki City Nippon Steel Corporation First Technical Research Institute (72) Inventor Takuhiko Nishida 1618 Ida, Nakahara-ku, Kawasaki City New Japan (72) Inventor Mitsuaki Matsumoto 1618 Ida, Nakahara-ku, Kawasaki City Nippon Steel Corporation 1st Research Laboratory (56) References JP-A-61-186520 (JP, A) JP-A-61-167022 (JP, A) JP-A-61-258024 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】石炭系メソフェースピッチを原料として製
造された石炭繊維で、かつ、X線回折により求めた配向
角(HWHM)が10゜以下、結晶子サイズ(Lc(002))が18n
m以上25nm以下、層間隔(d002)が0.338nm以上0.345nm
以下のミクロ構造を有し、液体窒素温度で繊維軸に垂直
に10KGの磁場を印加して測定した磁気抵抗率が−2.00%
以上−0.40%未満であり、引張り弾性率が55ton・mm-2
以上、引張強度が250kg・mm-2以上であり、繊維の軸方
向に直角な方向の断面において、分子が同一方向に配列
した領域が、同心円状に渦を巻く様に分布するか、又は
ランダム状に分布することを特徴とする石炭ピッチ系炭
素繊維。
1. A coal fiber produced from a coal-based mesoface pitch, having an orientation angle (HWHM) determined by X-ray diffraction of 10 ° or less and a crystallite size (Lc (002) ) of 18n.
m to 25 nm, layer spacing (d 002 ) 0.338 nm to 0.345 nm
It has the following microstructure, and the magnetic resistivity measured by applying a magnetic field of 10KG perpendicular to the fiber axis at liquid nitrogen temperature is -2.00%
Less than -0.40% and tensile modulus of elasticity is 55ton · mm -2
As described above, the tensile strength is 250 kgmm- 2 or more, and in the cross section perpendicular to the axial direction of the fiber, the region where the molecules are arranged in the same direction is distributed like concentric swirling or random. Coal pitch-based carbon fiber characterized by being distributed in a shape.
JP61130192A 1985-07-02 1986-06-06 Flexible pitch carbon fiber with high elastic modulus Expired - Lifetime JP2652932B2 (en)

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