JP2837299B2 - ピッチ系極細炭素繊維の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は炭素繊維に関し、特に、
極細のピッチ系炭素繊維およびその製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】一般
にピッチ系炭素繊維は、高品位炭素繊維（ＨＰ品）と汎
用炭素繊維（ＧＰ品）に大別することができる。

【０００３】ＨＰ品は、光学的異方性の紡糸ピッチを紡
糸することにより、ピッチを構成する液晶分子を繊維軸
方向に平行に配列させ、さらにこれを不融化・炭化する
ことによって黒鉛結晶が形成され高強度・高弾性率の炭
素繊維を得ることができる。

【０００４】一方、ＧＰ品は、光学的等方性ピッチをそ
のまま紡糸し焼成することによって、黒鉛結晶が成長し
ない光学的等方性の組織を有し比較的安価で一定強度の
炭素繊維として得ることができる。

【０００５】これら従来の炭素繊維はそれぞれの特徴な
らびに特性に適合した分野において様々な製品への応用
開発が進められている。

【０００６】従来、これらの炭素繊維は、ＨＰ品が主と
して溶融紡糸により製造され、ＧＰ品は主として遠心紡
糸法で製造されており、その繊維径はいずれの場合も約
８〜１５μｍ程度が技術的限界であり、それより細い繊
維を従来の方法で製造することは困難であった。

【０００７】また、本来的に炭素は脆性材料であるため
繊維にした場合においても、他の繊維に比べてしなやか
さの点で劣っており、また折れやすいという炭素材料固
有の問題がある。そのため長繊維の状態でのハンドリン
グが難しく、また短繊維をプラスチックやコンクリート
に混合して複合材を製造する場合においても、製造時に
おいて繊維が折れやすく、あるいは短繊維から製造した
ペーパー、フェルト、マット類もしなやかさがないため
破損しやすいという欠点があった。

【０００８】これらの欠点は繊維径を細くすることによ
って改善され得るものではあるが、従来の技術において
細い繊維を製造することができなかったのは主として次
の理由によるものと考えられる。

【０００９】通常、溶融紡糸法ではピッチをノズルから
吐出し、それを高速で巻き取ることによって繊維の細化
が行われるが、紡糸されたピッチ系繊維材料自体の強度
は約０．４Kg／mm² と低いものであり、さらに径が細く
なるにつれてフィラメント一本当たりの強さは極めて小
さなものとなる。一方、紡糸時の張力は繊維径が細くな
るにつれて、即ち、巻き取り速度が速くなるにつれて増
加するので、ついには張力がピッチ繊維の強度を上回っ
て糸切れが発生し、このため安定した紡糸ができなくな
る事態に至る。

【００１０】一方、遠心紡糸法で紡糸する場合において
は、高速で回転するノズルからピッチを吐出し、遠心力
でこれを吹き飛ばすことによって細化が行われるが、細
い繊維はそれ自身の質量が小さいため、慣性力がかかり
にくく、従って得られる繊維の径の細化にも限界があ
る。

【００１１】このような従来技術に鑑みて、既に本発明
者は光学的等方性ピッチまたは／および光学的異方性ピ
ッチからなる紡糸原料ピッチを、該紡糸原料ピッチの粘
度が２０ポイズ以下となる温度条件下で紡糸ノズルから
吐出するとともに、前記紡糸原料ピッチの粘度が２０ポ
イズ以下となる温度よりも１００℃低い温度かそれ以上
の温度に予熱されたガスを、前記紡糸ノズルの周囲から
前記紡糸原料ピッチの吐出方向と同方向でかつ吐出繊維
に平行に流出させることによって、前記紡糸原料ピッチ
を平均繊維径５μｍ以下の極細繊維に紡糸し、次いで得
られた紡糸繊維を不融化し、さらに炭化することを特徴
とするピッチ系炭素繊維の製造方法を提案している（特
願平２−３１０５９７号明細書）。

【００１２】この方法によれば、上記紡糸ピッチの粘度
が、２０ポイズ以下になる温度領域で紡糸すれば、平均
繊維径５μｍ以下の極細繊維が得られるものの、紡糸ピ
ッチの粘度が２０ポイズ以下になるように、紡糸温度を
高くしなければならず、低コスト化ならびにピッチの選
択性の観点から、工業的により安価な、製造を指向する
ためには、紡糸温度の低下が望まれる。この紡糸温度の
低下が実現すれば、紡糸機の加熱に必要な供給熱量の削
減が可能となり、これに伴なう低コスト化が計れ、さら
に高温での熱安定性が劣るピッチを用いても平均繊維径
５μｍ以下の極細炭素繊維が得られることが期待され
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上述した点に鑑
みてなされたものであり、光学的等方性炭素繊維、光学
的異方性炭素繊維またはそれらの複合繊維の機能を飛躍
的に向上させる炭素繊維、特に平均繊維径５μｍ以下の
極細炭素繊維を得るための効率的な方法を提供すること
を目的としている。

【００１４】上記目的を達成するために、本発明による
ピッチ系極細炭素繊維の製造方法は、光学的等方性ピッ
チまたは／および光学的異方性ピッチからなる紡糸原料
ピッチを紡糸し、不融化処理、炭化処理、必要に応じて
さらに黒鉛化処理することにより、平均繊維径５μｍ以
下のピッチ系極細炭素繊維を製造する方法であって、紡
糸原料ピッチと加熱ガスとを同方向かつ吐出繊維に平行
に流出させ、しかも以下に定義される紡糸パラメーター
（Ｐ）が７×１０^-2以下の範囲の値になるように紡糸す
ることを特徴とするものである。

【００１５】 ここで、ＰＶはピッチ粘度（Poise)、ＰＱは１ノズル当
りのピッチ流量（ｇ／min)、ＧＴは加熱ガス温度
（℃）、ＧＵは加熱ガス流速（Km/sec）を表す。

【００１６】本発明者は効率的に平均繊維径５μｍ以下
の極細炭素繊維を得るために鋭意研究した結果、紡糸に
おける重要因子であるピッチ粘度、ピッチ流量、加熱ガ
ス温度、加熱ガス流速が、それぞれ繊維径に対しどのよ
うに影響するかに着目し、その結果、次式で定義される
紡糸パラメーターを用いてこれを適宜制御することによ
って所望の炭素繊維を効率的に得ることができることを
見出した。

【００１７】 ここで、ＰＶはピッチ粘度（Poise)、ＰＱは１ノズル当
りのピッチ流量（ｇ／min)、ＧＴは加熱ガス温度
（℃）、ＧＵは加熱ガス流速（Km/sec）を表す。

【００１８】本発明によって得られた炭素繊維は繊維径
が細く、特に平均繊維径５μｍ以下の極細繊維からなる
ため、しなやかさが格段に改善されている。このため、
これをプラスチックやコンクリートなどのマトリックス
材料に混合して複合材を製造する工程においては従来問
題となっていた折損の問題を著しく低減することができ
る。

【００１９】さらに本発明によれば、得ようとする炭素
繊維に応じてパラメーター条件を適宜制御することがで
き、また紡糸原料の多様化に応じて、紡糸原料の性状に
左右されることなく目的とする炭素繊維を得ることがで
きるので、製造コストの低減化においてもすぐれた効果
を奏する。

【００２０】本発明において紡糸原料として使用する紡
糸ピッチは光学的等方性ピッチ、光学的異方性ピッチま
たはそれらの混合ピッチを使用することができる。

【００２１】図１は、上記本発明の方法を実施するため
に用いられ得る紡糸装置の紡糸ノズル部分の概要図であ
り、この図に例示された紡糸用ノズルは、紡糸ピッチを
吐出するための紡糸ピッチノズル１とその周囲にガスの
流路を形成するためのガス流路管２とから基本的に構成
され、紡糸ピッチ３が吐出される際にその周囲に予熱さ
れたガス流４が平行して流出するようになっている。こ
の例に示す紡糸装置の場合においては、紡糸ノズル１の
吐出孔の直径が０．５mm以下、好ましくは０．２５mm以
下であることが望ましい。

【００２２】上述した本発明の方法によれば、紡糸繊維
の平均繊維径が５μｍ以下、さらには２μｍ以下のもの
を得ることができる。

【００２３】本発明者の知見によれば、平均繊維径５μ
ｍ以下の極細繊維を得るための紡糸における重要因子で
あるピッチ粘度、ピッチ流量、加熱ガス温度、加熱ガス
流速はそれぞれ独立して影響するのではなく、相互に関
連して紡糸特性の因子となり、しかも紡糸パラメーター
Ｐは一定範囲内の値でなければならない。たとえば、定
性的な傾向性としては、紡糸粘度ＰＶが高い場合には、
ＰＱは小さく、さらにＧＴ、ＧＵは大きくなければＰは
一定範囲に入らず、極細炭素繊維は得られない。一方、
ＰＱが大きい場合には、ＰＶが小さく、さらにＧＴ、Ｇ
Ｕが大きくなければならない。

【００２４】本発明者は、このような観点から、紡糸の
重要因子であるピッチ粘度、ピッチ流量、加熱ガス温
度、加熱ガス流速をそれぞれ変動させて紡糸特性との関
連性についてさらに鋭意研究した結果、極細繊維が得ら
れるＰの領域が、７×１０^-2以下の値に存在することを
見出した。紡糸パラメーターＰが、７×１０^-2を超える
と、平均繊維径が５μｍを超え、極細繊維を得ることは
困難となる。

【００２５】また、上式におけるそれぞれの因子、すな
わち、ＰＶ（ピッチ粘度（Poise)）、ＰＱ（１ノズル当
りのピッチ流量（ｇ／min)）、ＧＴ（加熱ガス温度
（℃））、ＧＵ（加熱ガス流速（Km/sec））の好ましい
範囲は、以下の通りである。

【００２６】６０＞ＰＶ＞０．１（Poise) さらに好ましくは、５０＞ＰＶ＞１ （Poise) ５＞ＰＱ＞０．０１（ｇ／min) さらに好ましくは、２＞ＰＱ＞０．１（ｇ／min) ５００＞ＧＴ＞２００（℃） さらに好ましくは、４５０＞ＧＴ＞２５０（℃） ５＞ＧＵ＞０．１（Km/sec） さらに好ましくは、３＞ＧＵ＞０．５（Km/sec） 一方、前記パラメーターＰの領域を満足するものであれ
ば、ピッチの粘度を本発明の先願（特願平２−３１０５
９７号）の範囲よりも高くすることが可能である。すな
わち、先願の技術においてはピッチ粘度が２０ポイズが
限界であるが、本発明の方法においては、それ以上の高
い粘度領域のピッチを使用した場合においても、その他
の因子ピッチ流量、加熱ガス温度、加熱ガス流速を調整
することによって、平均繊維径５μｍ以下の極細繊維を
得ることが可能である。

【００２７】本発明の主たる目的は効率的な炭素繊維の
製造方法を提供することであり、上述のごとくピッチ流
量、加熱ガス温度、加熱ガス流速を調整することによ
り、紡糸粘度を高くすることができ、紡糸温度を低くす
ることができる。すなわち低コスト化を図ることができ
るとともに、さらに高温で熱安定性に劣るピッチでも紡
糸原料としての使用が可能である。

【００２８】以上のような方法によって得られた極細の
ピッチ繊維はケンスに捕集され、あるいはそのままベル
トコンベア上に捕集されて不融化、炭化される。

【００２９】紡糸繊維の不融化の際の温度条件は特に制
限されるものではないが、通常、２２０〜３００℃の温
度範囲で行うことができる。さらに炭化工程は、７００
〜３０００℃程度の温度範囲において実施され得る。

【００３０】なお、本発明の方法においては、複数種類
の紡糸ピッチを複合化させて単繊維として紡糸すること
もできる。この方法としては、たとえば２種類またはそ
れ以上のピッチを非混合状態で紡糸装置に供給し複合ノ
ズルにより一緒に溶融紡糸することによりピッチの複合
化を行うことが可能である。

【００３１】

【実施例】実施例１ 紡糸用ピッチとして石油の接触分解で副生する重質油を
原料として軟化点が２００℃の光学的等方性ピッチを調
製した。この紡糸ピッチを、内径０．２mmのピッチ吐出
ノズルの周囲に内径０．５mmのガス吹き出し口を設けた
紡糸装置を用いて下記条件で紡糸した。

【００３２】 ＰＶ＝４０ポイズ（紡糸ピッチ粘度） ＰＱ＝０．１ｇ／分（１ノズル当りの紡糸ピッチ流量） ＧＴ＝４００℃（加熱ガス温度） ＧＵ＝２．２Km/sec（加熱ガス流速） 得られたピッチ繊維を空気雰囲気中２６０℃で不融化
し、窒素雰囲気中１０００℃で炭化して炭素繊維を得
た。

【００３３】この炭素繊維は、引張り強度が１００Kg／
mm² 、繊維径は平均が２．１μｍ、最大のものでも４μ
ｍと細いものであった。

【００３４】図２は、このようにして得られた炭素繊維
の繊維の形状を示す顕微鏡写真である。実施例２ 実施例１と同じ原料油から、軟化点２３０℃の光学的異
方性ピッチを調製した。この紡糸ピッチを実施例１と同
じ紡糸装置を用いて下記条件で紡糸した。

【００３５】 ＰＶ＝３０ポイズ、 ＰＱ＝０．１ｇ／分 ＧＴ＝４００℃、 ＧＵ＝２．０Km/sec 得られたピッチ繊維を２９０℃で不融化した後１０００
℃で炭化して炭素繊維を得た。この炭素繊維の繊維径
は、平均が１．９μｍと細いものであった。実施例３ 紡糸条件Ｐを変化させた以外は実施例１と同様にして炭
素繊維を得た。この時の紡糸条件と得られた炭素繊維の
繊維径について表−１に示す。

【００３６】 _{表−１ ピッチ粘度 ピッチ流量 ガス温度 ガス流量 炭素繊維} ＰＶ ＰＱ ＧＴ ＧＵ Ｐ 平均径 ^{（ポイズ） （ｇ／分） （℃） (Km/sec) （μｍ）} １０ ０．２ ３００ ０．５ １．３×１０^-2 ２．２ ４０ ０．１ ３５０ ２．２ ５．２×１０^-3 ２．５ ２０ ０．１ ４００ ２．０ ２．５×１０^-3 ２．０ １０ ０．１ ４００ ２．５ １．０×１０^-3 ０．８ ５ ２．０ ４００ ２．０ １．２×１０^-2 １．５ ３０ １．０ ４００ ２．０ ３．７×１０^-2 ２．０ １５ ０．９ ３９０ ０．５ ６．９×１０^-2 ４．８ 比較例１ 紡糸条件を下記の条件で行った以外は実施例１と同様に
して炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の平均繊維径は
８μｍと太いものであった。

【００３７】 ＰＶ＝４０ポイズ、 ＰＱ＝１ｇ／分 ＧＴ＝４００℃、 ＧＵ＝０．５Km/sec

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法において使用し得る紡糸装置
におけるノズル部分の実施例を示す概要図。

【図２】実施例において得られた炭素繊維の繊維の形状
を示す顕微鏡写真。

【符号の説明】

１ 紡糸ピッチノズル ２ ガス流路管 ３ 紡糸ピッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北 井 誠 大阪府大阪狭山市池ノ原４−738 (72)発明者 山 嵜 春 樹 神奈川県伊勢原市鈴川26番地 田中貴金 属工業株式会社 伊勢原工場内 (72)発明者 清 水 進 東京都中央区日本橋茅場町２丁目６番６ 号 田中貴金属工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−169725（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光学的等方性ピッチまたは／および光学的
   異方性ピッチからなる紡糸原料ピッチを紡糸し、不融化
   処理、炭化処理、必要に応じてさらに黒鉛化処理するこ
   とにより、平均繊維径５μｍ以下のピッチ系極細炭素繊
   維を製造する方法であって、紡糸原料ピッチと加熱ガス
   とを同方向かつ吐出繊維に平行に流出させ、しかも以下
   に定義される紡糸パラメーター（Ｐ）が７×１０^−２以
   下の範囲の値になるように紡糸することを特徴とする、
   ピッチ系極細炭素繊維の製造方法。 ここで、ＰＶはピッチ粘度（Ｐｏｉｓｅ）、ＰＱは１ノ
   ズル当りのピッチ流量（ｇ／ｍｉｎ）、ＧＴは加熱ガス
   温度（℃）、ＧＵは加熱ガス流速（Ｋｍ／ｓｅｃ）を表
   し、 前記ピッチ粘度（ＰＶ）が、０．１ポイズ以上、６０ポ
   イズ以下であり、 前記ピッチ流量（ＰＱ）が、１ノズル当り０．０１ｇ／
   ｍｉｎ以上、５ｇ／ｍｉｎ以下であり、 前記加熱ガス温度（ＧＴ）が２００℃以上、５００℃以
   下であり、 前記加熱ガス流速（ＧＵ）が０．１Ｋｍ／ｓｅｃ以上、
   ５Ｋｍ／ｓｅｃ以下である。