JP2960290B2 - Method for producing pitch-based ultrafine carbon fiber - Google Patents
Method for producing pitch-based ultrafine carbon fiberInfo
- Publication number
- JP2960290B2 JP2960290B2 JP21994593A JP21994593A JP2960290B2 JP 2960290 B2 JP2960290 B2 JP 2960290B2 JP 21994593 A JP21994593 A JP 21994593A JP 21994593 A JP21994593 A JP 21994593A JP 2960290 B2 JP2960290 B2 JP 2960290B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pitch
- fibers
- fiber
- reaction
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 title claims description 33
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 title claims description 33
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 74
- 239000011295 pitch Substances 0.000 claims description 66
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 23
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 17
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 37
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 13
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 6
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 5
- 125000000449 nitro group Chemical group [O-][N+](*)=O 0.000 description 5
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 4
- 238000006396 nitration reaction Methods 0.000 description 4
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 4
- 229920001410 Microfiber Polymers 0.000 description 3
- 125000002915 carbonyl group Chemical group [*:2]C([*:1])=O 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000011337 anisotropic pitch Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 2
- 239000013058 crude material Substances 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 2
- KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N Chlorine Chemical compound ClCl KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AFCARXCZXQIEQB-UHFFFAOYSA-N N-[3-oxo-3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)propyl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(CCNC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 AFCARXCZXQIEQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- BZRRQSJJPUGBAA-UHFFFAOYSA-L cobalt(ii) bromide Chemical compound Br[Co]Br BZRRQSJJPUGBAA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 150000002926 oxygen Chemical class 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Inorganic Fibers (AREA)
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ピッチ類から極細の炭
素繊維を製造する方法に関する。更に詳しくは、本発明
は極細のピッチ繊維を不融化繊維に転化せしめる極細ピ
ッチ繊維の不融化処理方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing ultrafine carbon fibers from pitches. More specifically, the present invention relates to a method for infusibilizing ultrafine pitch fibers, which converts ultrafine pitch fibers into infusible fibers.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、炭素繊維は、その軽量、高強度、
耐熱性、耐食性、良導電性等の性質から、自動車、航空
機を始めとする各種の産業分野においてその重要性が高
まってきている。特に、ピッチ系炭素繊維は、PAN系
炭素繊維とは異なり、原料ピッチや紡糸方法を自由に選
択することができることから、新しい特性を賦与した炭
素繊維を製造することができるため今後の開発が期待さ
れている。例えば、特開平4−185720号及び特開
平5−106119号公報には、ピッチ粘度0.1〜6
0ポイズの溶融ピッチをノズルから吐出し、その周囲か
ら流速が0.1〜5km/sec.という高速のガスを
吹き出してピッチを細化することにより、繊維径が5μ
m以下(実施例では2μm以下)という極細の炭素繊維
を製造する方法が提案されている。従来の炭素繊維では
このような極細の繊維を製造することは不可能であった
ため、繊維径が太過ぎて使用できなかった分野への応用
が期待できる。2. Description of the Related Art In recent years, carbon fiber has been used for its light weight, high strength,
Due to its properties such as heat resistance, corrosion resistance, and good conductivity, its importance is increasing in various industrial fields such as automobiles and aircraft. In particular, pitch-based carbon fibers differ from PAN-based carbon fibers in that the raw material pitch and spinning method can be freely selected, so that carbon fibers with new characteristics can be manufactured, so future development is expected. Have been. For example, JP-A-4-185720 and JP-A-5-106119 disclose pitch viscosities of 0.1-6.
A melt pitch of 0 poise is discharged from the nozzle, and the flow rate from the periphery is 0.1 to 5 km / sec. By blowing out a high-speed gas that reduces the pitch, the fiber diameter becomes 5μ.
m (less than 2 μm in the example) has been proposed. Since it is impossible to produce such ultra-fine fibers with conventional carbon fibers, application to fields where the fiber diameter is too large to be used can be expected.
【0003】通常、ピッチ系極細炭素繊維は次のような
工程で製造される。まず、石油系や石炭系あるいはその
他の粗原料から調製された光学的に等方性のピッチ及び
異方性のピッチを粘度0.1〜60ポイズでノズルから
吐出し、その周囲から流速が0.1〜5km/secと
いう高速のガスを吹き出してピッチを細化することで極
細のピッチ繊維が紡糸される。このようにして紡糸され
たピッチ繊維はケンスやコンベアベルト上にシート状や
マット状の形状で捕集され、次いで不融化、炭素化工程
を経て炭素繊維に転化される。不融化は、酸化性ガスを
ピッチ繊維に付加反応させ、ピッチ分子を架橋結合させ
て高分子化することによって行われ、最も一般的には空
気による酸化反応が用いられる。次に、不融化繊維を不
活性ガス中において約600〜3000℃で炭素化処理
することによって炭素繊維が製造される。この処理によ
って、不融化繊維中で揮発成分が分解、揮散し、実質的
に炭素原子だけからなる六員環構造が発達し、高強度の
炭素繊維となる。[0003] Usually, pitch-based ultrafine carbon fibers are produced by the following steps. First, an optically isotropic pitch and an anisotropic pitch prepared from a petroleum-based or coal-based or other crude material are ejected from a nozzle with a viscosity of 0.1 to 60 poise, and a flow rate of 0 from the surroundings. A fine pitch fiber is spun by blowing out a high-speed gas of 0.1 to 5 km / sec to reduce the pitch. The pitch fibers spun in this manner are collected in a sheet or mat shape on a can or a conveyor belt, and then converted into carbon fibers through infusibilization and carbonization steps. The infusibilization is carried out by adding an oxidizing gas to the pitch fiber and subjecting the pitch molecules to cross-linking to form a polymer. Most commonly, an oxidation reaction using air is used. Next, carbon fibers are produced by subjecting the infusibilized fibers to a carbonization treatment at about 600 to 3000 ° C. in an inert gas. By this treatment, volatile components are decomposed and volatilized in the infusibilized fiber, a six-membered ring structure consisting essentially of carbon atoms is developed, and a high-strength carbon fiber is obtained.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】ピッチ系極細炭素繊維
を製造するためには、上記のいずれの工程も重要である
が、中でも不融化工程はその処理時間が長いことや、製
品の品質に大きく影響するトラブルを起こしやすいた
め、特に重要である。したがって、ピッチ系極細炭素繊
維を経済的に製造するためには、この不融化工程を効率
よく実施することが必要となり、そのためには少なくと
も次の2点について改良する必要があった。 (1) 不融化処理の目的は、熱可塑性であるピッチ繊
維を熱硬化性に変化させることで、次工程の炭素化工程
における繊維の溶融変形を防止することにある。通常は
空気等の酸化性気体中で徐々に昇温させながら加熱して
酸化反応を進行させることでピッチ分子を架橋結合させ
て高分子化することによってピッチ繊維の軟化点を上昇
させ、ついには繊維に熱硬化性を賦与することで行われ
る。しかしながら、この酸化反応の反応速度は極めて遅
いため昇温中にしばしば「融着」と呼ばれる現象が発生
する。この融着は昇温速度が酸化反応によるピッチ繊維
の軟化点の上昇を上回るときに発生し、繊維が熱によっ
て軟化溶融し隣接する繊維同士が固着してしまう現象を
いう。融着が起こった繊維は、その後炭素化処理して炭
素繊維にしても繊維同士が固着したままでいるため、柔
軟性に欠け商品としての価値を著しく損なうこととな
る。これを防止するには、酸化性ガスによるピッチ繊維
の反応が常にピッチ繊維の軟化点以下で行われるように
十分に遅い昇温速度で処理することが必要であった。こ
のため、不融化に要する時間が長くなり、経済的に不利
となっていた。 (2) 一方、この酸化反応は発熱反応であるため、反
応で生じた反応熱を速やかに取り除きながら反応を進め
ることが必要である。もし、この反応熱の除去が不十分
な場合は、反応熱が蓄積されて繊維の温度が上昇し、つ
いには暴走反応が起こって繊維自体が燃焼するというト
ラブルを引き起こす。通常、反応熱の除去は酸化性ガス
およびその随伴ガスを繊維中に通気することで行われ
る。ところが、極細炭素繊維においては繊維径が小さい
ためシートまたはマット内への通気性が悪く、シートま
たはマットの厚みがある限界を越えると通気ガスによる
反応熱の除去は著しく困難となる。したがって、極細の
ピッチ繊維からなるシートやマットを暴走反応を起こさ
ないように不融化処理するためには、ガスによる通気が
できるだけの薄い状態、すなわち低い目付けで行うこと
が必要となる。そのために、従来の炭素繊維と比較して
不融化炉の単位面積当たりの繊維の処理量が少なくな
り、不融化工程の効率は低いものとならざるを得なかっ
た。In order to produce pitch-based ultrafine carbon fibers, all of the above steps are important. In particular, the infusibilization step requires a long processing time and a large quality of the product. This is particularly important as it is prone to affecting troubles. Therefore, in order to economically produce pitch-based ultrafine carbon fibers, it is necessary to efficiently perform the infusibilizing step, and for that purpose, it is necessary to improve at least the following two points. (1) The purpose of the infusibilizing treatment is to change the thermoplastic pitch fibers to thermosetting, thereby preventing the fibers from being deformed in the subsequent carbonization step. Normally, the temperature is gradually increased in an oxidizing gas such as air while heating to cause the oxidation reaction to proceed, thereby cross-linking the pitch molecules to polymerize them, thereby raising the softening point of the pitch fibers, and finally This is performed by imparting thermosetting properties to the fibers. However, since the reaction rate of this oxidation reaction is extremely slow, a phenomenon often called "fusion" occurs during the temperature rise. This fusion occurs when the rate of temperature rise exceeds the rise in the softening point of the pitch fibers due to the oxidation reaction, and refers to a phenomenon in which the fibers are softened and melted by heat and the adjacent fibers are fixed to each other. Even if the fused fiber is carbonized after carbonization, the fibers remain fixed to each other, so that the fiber lacks flexibility and significantly impairs the value as a product. In order to prevent this, it was necessary to perform the treatment at a sufficiently slow heating rate so that the reaction of the pitch fibers with the oxidizing gas was always performed below the softening point of the pitch fibers. For this reason, the time required for infusibilization becomes longer, which is economically disadvantageous. (2) On the other hand, since this oxidation reaction is an exothermic reaction, it is necessary to proceed with the reaction while quickly removing the reaction heat generated in the reaction. If the heat of reaction is not sufficiently removed, the heat of reaction accumulates and the temperature of the fiber rises, eventually causing a runaway reaction and burning the fiber itself. Usually, the heat of reaction is removed by passing an oxidizing gas and its accompanying gas through the fibers. However, since the diameter of the ultrafine carbon fiber is small, the air permeability into the sheet or mat is poor, and when the thickness of the sheet or mat exceeds a certain limit, it is extremely difficult to remove the reaction heat by the ventilation gas. Therefore, in order to infusibilize a sheet or mat made of very fine pitch fibers so as not to cause a runaway reaction, it is necessary to perform gas ventilation with a thin state as much as possible, that is, with a low basis weight. For this reason, the amount of fiber to be treated per unit area of the infusibilizing furnace is smaller than that of the conventional carbon fiber, and the efficiency of the infusibilizing step has to be reduced.
【0005】ここで、(1)項のピッチ繊維の不融化反
応を促進する方法として従来から空気以外の酸化剤を使
用する種々の方法が提案されている。例えば、NO2 ガ
スを利用する方法(例えば特公昭48−42696号公
報、特公平4−2445号公報)、SO2 ガスを用いる
方法(例えば特開昭60−185819号公報)、塩素
ガスを用いる方法(例えば特公昭48−42696号公
報、特開昭49−75828号公報)、過酸化水素を用
いる方法(例えば特開平2−91223号公報)、硝酸
を用いる方法(例えば特開平1−201522号公報、
特開平1−37488号公報)、臭化コバルトを用いる
方法(例えば特開昭60−81319号公報)等があ
る。これらの方法の中で、NO2 ガスを用いる方法は、
不融化反応の促進効果が大きく、また炭素化後の繊維の
しなやかさが改善されるという効果も認められるが、こ
の方法を用いても通気性の悪い極細炭素繊維の場合には
上記(2)の暴走反応を有効に防止することはできず、
不融化工程での目付けには限界があった。更にNO2 ガ
スによって不融化処理を行った場合、炭素繊維の強度が
低下してしまうという新たな問題も発生した。Here, various methods using an oxidizing agent other than air have been conventionally proposed as a method for accelerating the infusibilizing reaction of the pitch fibers in the item (1). For example, a method using NO 2 gas (for example, JP-B-48-42696 and JP-B-4-2445), a method using SO 2 gas (for example, JP-A-60-185819), and a method using chlorine gas (For example, JP-B-48-42696, JP-A-49-75828), a method using hydrogen peroxide (for example, JP-A-2-91223), and a method using nitric acid (for example, JP-A-1-201522). Gazette,
JP-A-1-37488) and a method using cobalt bromide (for example, JP-A-60-81319). Among these methods, the method using NO 2 gas is as follows.
The effect of promoting the infusibilization reaction is large, and the effect of improving the pliability of the fiber after carbonization is also recognized. However, even if this method is used, in the case of ultrafine carbon fiber having poor air permeability, the above (2) Cannot effectively prevent the runaway reaction of
There was a limit on the basis weight in the infusibilization step. Further, when the infusibilizing treatment is performed with NO 2 gas, a new problem that the strength of the carbon fiber is reduced has occurred.
【0006】本発明は上述のごとく、ピッチ系極細炭素
繊維の製造工程において課題になっている不融化処理工
程の効率化、更に詳しくは、NO2 ガスを用いる不融化
における暴走反応の防止と強度低下の防止を達成する新
たな不融化処理方法を開発しようとするものである。As described above, the present invention improves the efficiency of the infusibilizing treatment step, which is a problem in the production process of pitch-based ultrafine carbon fibers, and more specifically, the prevention and runaway of runaway reaction in infusibilizing using NO 2 gas. It is intended to develop a new infusibilization treatment method that achieves the prevention of reduction.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は極細炭素繊維を
NO2 ガスを用いて不融化処理する工程において、不融
化における暴走反応の防止と強度低下を防止することに
よって、不融化反応の効率化と製品物性の向上を両立化
しようとするものである。SUMMARY OF THE INVENTION In the present invention, in the step of infusibilizing ultrafine carbon fibers using NO 2 gas, the efficiency of the infusibilization reaction is improved by preventing runaway reaction and preventing a decrease in strength. It is intended to achieve both productization and improvement in product properties.
【0008】すなわち、本発明によるピッチ系極細炭素
繊維の製造方法は、ピッチ類を溶融した後、この溶融ピ
ッチをノズルから吐出させ、該ノズルの周辺より高速ガ
ス流を吹き出してピッチを繊維状に細化して紡糸し、さ
らにこのピッチ繊維を不融化し、さらに炭素化すること
によってピッチ系極細炭素繊維を得る方法であって、前
記不融化を下記の工程(イ)および(ロ)に従って行う
ことを特徴とするものである。That is, in the method for producing pitch-based ultrafine carbon fibers according to the present invention, after the pitches are melted, the molten pitch is discharged from a nozzle, and a high-speed gas flow is blown out from around the nozzle to make the pitch into a fibrous form. A method of obtaining pitch-based ultrafine carbon fibers by thinning and spinning, further infusing the pitch fibers, and further carbonizing, wherein the infusibilization is performed according to the following steps (a) and (b). It is characterized by the following.
【0009】(イ)紡糸されたピッチ繊維ををNO2 を
含むガスで処理し、次いで(ロ)このようにして処理さ
れたピッチ繊維をさらに不活性ガス雰囲気中において加
熱処理することによってピッチ繊維中に残留しているN
O2 を実質的に除去する。(A) The spun pitch fibers are treated with a gas containing NO 2, and (B) the pitch fibers thus treated are further heat-treated in an inert gas atmosphere. N remaining in
O 2 is substantially removed.
【0010】以下、本発明を更に詳しく説明する。Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
【0011】本発明に用いる紡糸ピッチは、石油系や石
炭系あるいはその他の粗原料から調製された光学的に等
方性のピッチ及び異方性のピッチのいずれもが使用でき
るが、基本的に曳糸性が良好で、紡糸温度において熱的
に安定であり、均一な流動性を示し、かつ紡糸を阻害す
る固体粒子やガスを含まないものが好ましい。As the spinning pitch used in the present invention, any of an optically isotropic pitch and an anisotropic pitch prepared from a petroleum-based or coal-based or other crude material can be used. It is preferable that the material has good spinnability, is thermally stable at the spinning temperature, exhibits uniform fluidity, and does not contain solid particles or gas that hinder spinning.
【0012】本発明において用いられ得るピッチ繊維
は、前記ピッチを0.1〜60ポイズの粘度でノズルか
ら吐出し、その周囲から流速が0.1〜5km/se
c.という高速のガスを吹き出してピッチを細化するこ
とによって得ることができる。The pitch fiber which can be used in the present invention is obtained by discharging the pitch at a viscosity of 0.1 to 60 poise from a nozzle, and flowing from the periphery at a flow rate of 0.1 to 5 km / sec.
c. High-speed gas is blown out to narrow the pitch.
【0013】本発明に従えば、次にピッチ繊維をNO2
を含むガスによって処理する。この時のNO2 濃度とし
ては、0.1〜10容量%、好ましくは1〜5容量%の
範囲が望ましい。これ以下の濃度ではNO2 との反応が
不十分になる傾向がみられるので好ましくない。一方、
濃度を上げすぎても不融化効率や製品の物性効果には影
響はなく、処理コストが増加するだけであるため好まし
くない。また、この時の処理は、通常200℃以下、さ
らに好ましくは100℃以下の温度で行われ得る。処理
温度が高過ぎる場合は、暴走反応が生じやすくなり、異
常発熱のために繊維が燃焼したりするため好ましくな
い。処理時間は1分〜20分、好ましくは3分〜10分
が用いられ得る。処理時間が短いとNO2 との反応が十
分に進行せず好ましくない。また、これ以上の処理時間
は不融化効率にも、製品の物性改善にも何等効果はな
く、処理コストが増加するだけであるため好ましくな
い。According to the invention, the pitch fibers are then replaced with NO 2
Treated with a gas containing The NO 2 concentration at this time is desirably in the range of 0.1 to 10% by volume, preferably 1 to 5% by volume. If the concentration is lower than this, the reaction with NO 2 tends to be insufficient, which is not preferable. on the other hand,
If the concentration is too high, the infusibilization efficiency and the physical properties of the product are not affected, and only the processing cost is increased. Further, the treatment at this time can be performed at a temperature of usually 200 ° C. or less, more preferably 100 ° C. or less. If the treatment temperature is too high, a runaway reaction is likely to occur, and the fibers are burned due to abnormal heat generation, which is not preferable. The processing time may be 1 minute to 20 minutes, preferably 3 minutes to 10 minutes. If the treatment time is short, the reaction with NO 2 does not sufficiently proceed, which is not preferable. Further, a treatment time longer than this has no effect on the infusibilization efficiency or on the improvement of the physical properties of the product, and only increases the treatment cost.
【0014】このようにしてNO2 を含むガスで処理さ
れたピッチ繊維に対して加熱処理を行う。この加熱処理
は、不活性ガス雰囲気中において、ピッチ繊維に残留す
るNO2 が離脱し、しかも不融化が行われるに十分な温
度条件で行うことが好ましく、具体的には、450℃以
下、好ましくは400℃以下が望ましく、通常、300
〜400℃の範囲で1〜10分間加熱処理することが望
ましい。この時の加熱温度が300℃未満では不融化処
理が不十分となるため、次工程の炭素化処理で融着が起
こるばかりか、炭素繊維の強度低下の原因となるので好
ましくない。また、450℃を超えると、加熱処理中に
暴走反応が起こる可能性があるため好ましくない。The pitch fiber thus treated with the gas containing NO 2 is subjected to a heat treatment. This heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere under a temperature condition sufficient to remove NO 2 remaining in the pitch fibers and to perform infusibilization, specifically, 450 ° C. or lower, preferably Is preferably 400 ° C. or less, and usually 300 ° C.
It is desirable to perform a heat treatment at a temperature in the range of 400C to 1400C. If the heating temperature at this time is lower than 300 ° C., the infusibilizing treatment becomes insufficient, so that not only fusion occurs in the carbonization treatment of the next step, but also the strength of the carbon fiber is reduced, which is not preferable. If the temperature exceeds 450 ° C., a runaway reaction may occur during the heat treatment, which is not preferable.
【0015】極細のピッチ繊維に対して上述の不融化処
理を行った場合、十分な不融化反応の効率化が認められ
る。例えば、空気を用いて不融化を行う場合、暴走反応
を起こさずに酸化反応が進行する繊維の目付けの限界は
80g/m2 であり、また不融化に要する時間も約12
0分と長いものとなるのに対し、本発明では1000g
/m2 以上の目付けでも暴走反応を起さずに処理するこ
とができ、不融化に要する時間も20分以下という短い
時間で処理が可能となる。また、不活性ガス雰囲気中、
300〜400℃で加熱処理することにより、この処理
を行わなかった時に発生する炭素繊維の強度低下を完全
に防止することができる。このようにして得られた不融
化繊維は、次いで不活性ガス雰囲気中、600〜300
0℃で加熱処理することによって炭素繊維とすることが
できる。When the above-mentioned infusibilization treatment is performed on ultrafine pitch fibers, sufficient efficiency of the infusibilization reaction is recognized. For example, when infusibilizing is performed using air, the weight of the fiber in which the oxidation reaction proceeds without causing a runaway reaction is 80 g / m 2 , and the time required for the infusibilizing is about 12 g / m 2.
In contrast to the case of 0 minutes, the present invention uses 1000 g.
Even with a basis weight of / m 2 or more, the treatment can be performed without causing a runaway reaction, and the treatment can be performed in a short time of 20 minutes or less for infusibility. In an inert gas atmosphere,
By performing the heat treatment at 300 to 400 ° C., it is possible to completely prevent a decrease in the strength of the carbon fiber generated when this treatment is not performed. The infusibilized fiber thus obtained is then placed in an inert gas atmosphere at 600 to 300
By heating at 0 ° C., carbon fibers can be obtained.
【0016】[0016]
【作用】本発明の第一の特徴は、極細のピッチ繊維をN
O2 を含むガスで比較的低温で処理することにある。N
O2 とピッチ繊維の反応は極めて複雑であるが、本発明
者の知見によれば、NO2 処理したピッチ繊維の化学構
造を赤外吸収スペクトルで観察すると、処理前の繊維に
は存在していなかったニトロ基とカルボニル基が認めら
れることから、ニトロ化反応と酸化反応が同時に進行し
ていることがわかる。ここでの酸化反応はNO2 が分解
して生成した活性酸素によるものである。このピッチ繊
維とNO2 の反応を種々の温度で行ったもののニトロ基
とカルボニル基の赤外吸収の強度比を測定すると図1に
示すように、高温で処理するほどニトロ基が減少し、カ
ルボニル基が増加する傾向がある。これは、高温になる
ほどNO2 の分解が進んで活性酸素が多量に生成するた
めであり、200℃以上ではニトロ化反応よりも酸化反
応の方が主反応となってしまう。このことから、NO2
との反応を高温で行うと、酸化反応の反応熱によって暴
走反応が起こることがわかる。従って、NO2 処理にお
ける暴走反応を防止するためには、低温で反応させ、ニ
トロ化反応を主反応としてやることが重要である。もち
ろん、ニトロ化反応もまた発熱反応であるが処理温度が
低い場合は反応熱によって繊維の温度が暴走反応を引き
起こす温度にまでは上昇することはない。The first feature of the present invention is that ultrafine pitch fibers are treated with N.
It is to perform treatment at a relatively low temperature with a gas containing O 2 . N
Although the reaction between O 2 and pitch fiber is extremely complicated, according to the knowledge of the present inventors, when the chemical structure of the NO 2 -treated pitch fiber is observed by an infrared absorption spectrum, it is present in the fiber before the treatment. No nitro group and carbonyl group were observed, indicating that the nitration reaction and the oxidation reaction were proceeding simultaneously. The oxidation reaction here is based on active oxygen generated by decomposition of NO 2 . When the reaction between the pitch fiber and NO 2 was performed at various temperatures, the intensity ratio of the infrared absorption of the nitro group and the carbonyl group was measured. As shown in FIG. Groups tend to increase. This is because the higher the temperature, the more NO 2 is decomposed and a large amount of active oxygen is generated. At 200 ° C. or higher, the oxidation reaction becomes the main reaction rather than the nitration reaction. From this, NO 2
It can be seen that when the reaction with is carried out at a high temperature, a runaway reaction occurs due to the heat of the oxidation reaction. Therefore, in order to prevent a runaway reaction in the NO 2 treatment, it is important to react at a low temperature and to perform a nitration reaction as a main reaction. Of course, the nitration reaction is also an exothermic reaction, but when the treatment temperature is low, the heat of the reaction does not cause the temperature of the fiber to rise to a temperature at which a runaway reaction is caused.
【0017】本発明の第二の特徴は、NO2 処理した極
細繊維を不活性ガス雰囲気中において、好ましくは30
0〜400℃で加熱処理することによって、炭素繊維の
強度低下を防止することにある。NO2 処理した繊維に
はニトロ基が導入されており、このニトロ基は次の炭素
化工程でその大部分が再びNO2 となって脱離する。そ
してこの脱離したNO2 は高温においてNOとOに分解
し、活性酸素が生成するため、炭素化の雰囲気ガス中に
酸素が含まれるようになる。この酸素量は微量であるた
め、従来のように繊維径の太い繊維の場合は、たとえこ
の酸素による酸化反応をうけてもそれは繊維の表面だけ
に止まるため、繊維の強度に直接影響することはない。
ところが極細繊維では繊維径が小さいため、表面だけが
酸化されても強度が低下してしまう。したがって、極細
炭素繊維の場合は炭素化過程における脱離NO2 による
酸化反応を防ぐことが重要となる。本発明者の知見によ
れば、NO2 処理した繊維の炭素化過程でのNO2 の放
出量を測定すると図2に示すように120℃と350℃
の二つのピークが存在することが判明している。すなわ
ち、大部分のNO2 は450℃以下で放出されている。
この温度ではNO2のNOとOへの分解があまり進行せ
ず、たとえ少量の酸素が生成しても温度がひくいために
酸化反応は殆ど起こらない。したがって、450℃以下
の温度で一旦加熱処理することで繊維の強度低下の原因
となるNO2 を予め実質的に除去し、これにより、その
後の炭素化処理に起因する強度低下を効果的に防止する
ことができたのである。A second feature of the present invention is that ultrafine fibers treated with NO 2 are treated in an inert gas atmosphere,
By performing the heat treatment at 0 to 400 ° C., it is to prevent the strength of the carbon fiber from decreasing. Nitro groups have been introduced into the NO 2 -treated fiber, and most of the nitro groups are eliminated again in the next carbonization step as NO 2 . Then, the desorbed NO 2 is decomposed into NO and O at a high temperature to generate active oxygen, so that oxygen is included in the carbonization atmosphere gas. Since the amount of oxygen is very small, in the case of a fiber with a large fiber diameter as in the past, even if it is subjected to an oxidation reaction due to this oxygen, it remains only on the surface of the fiber, so it does not directly affect the strength of the fiber. Absent.
However, since the diameter of the ultrafine fiber is small, the strength is reduced even if only the surface is oxidized. Therefore, in the case of ultrafine carbon fibers, it is important to prevent an oxidation reaction due to desorbed NO 2 in the carbonization process. According to the findings of the present inventors, NO 2 treated when measuring the release of NO 2 to 120 ° C. As shown in FIG. 2 and 350 ° C. in carbonization process of the fiber
It has been found that there are two peaks. That is, most of the NO 2 is released at 450 ° C. or lower.
At this temperature, the decomposition of NO 2 into NO and O does not proceed very much, and even if a small amount of oxygen is generated, the oxidation reaction hardly occurs because the temperature is low. Therefore, once heat treatment is performed at a temperature of 450 ° C. or less, NO 2 that causes a decrease in fiber strength is substantially removed in advance, thereby effectively preventing a decrease in strength due to a subsequent carbonization treatment. I was able to do it.
【0018】[0018]
【実施例】以下、実施例により本発明を更に詳しく説明
するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるも
のではない。 (実施例1)口径0.25mmのピッチの吐出孔、その
周囲に口径0.65mmのガス吹き出し孔を設けたノズ
ルを使用し、ピッチ吐出孔からは軟化点200℃の光学
的等方性紡糸ピッチを320℃にて500mg/分で吐
出し、ガス吹き出し孔からは400℃に加熱した空気を
14l/分で吹き出すことによって、平均の繊維径が
1.0μmの極細ピッチ繊維を紡糸し、ノズル下に設置
した150メッシュの金網上に捕集した。EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples, but the scope of the present invention is not limited to these examples. (Example 1) Optically isotropic spinning having a softening point of 200 ° C from a pitch discharge hole using a nozzle having a discharge hole having a diameter of 0.25 mm and a gas blowing hole having a diameter of 0.65 mm around the discharge hole. A fine pitch fiber having an average fiber diameter of 1.0 μm is spun by discharging a pitch at 320 ° C. at 500 mg / min and blowing out heated air at 400 ° C. at a rate of 14 l / min from a gas blowing hole. It was collected on a 150-mesh wire net placed below.
【0019】このようにして得られた目付け1000g
/m2 の極細ピッチ繊維のマットを、NO2 を5Vo
l.%含む窒素ガス中、30℃で10分間処理し、次い
で、このマットを窒素ガス雰囲気中、350℃で10分
間加熱することで不融化処理を行った。この処理中にお
いて、繊維の融着や暴走反応は起こらなかった。このよ
うにして不融化処理したマットを窒素ガス雰囲気中、昇
温速度20℃/分で1000℃まで加熱して極細炭素繊
維を得た。得られた炭素繊維をアルコール中で開繊し分
繊性を確認したところ、繊維同士の固着もなく一本一本
の繊維に分散することが確認され、その引張強度も80
kg/mm2 と高強度のものであった。 (比較例1)実施例1で得られた目付け1000g/m
2 の極細ピッチ繊維のマットを、NO2 を5Vol.%
含む窒素ガス中において、10℃/分の昇温速度で27
0℃まで加熱処理した。その結果、処理温度が200℃
を越えるころから繊維の温度が異常に上昇し、ついには
繊維が発火したため不融化処理ができなかった。 (比較例2)NO2 を含むガスで処理したマットを窒素
ガス雰囲気中350℃での加熱処理を行わなかった以外
は実施例1と同様に処理して極細炭素繊維を得た。得ら
れた極細炭素繊維の分繊性は良好であったが、単繊維の
引張強度は45kg/mm2と低いものであった。The basis weight thus obtained is 1000 g.
/ M 2 of ultra-fine pitch fiber mat and NO 2 of 5 Vo
l. % In nitrogen gas at 30 ° C. for 10 minutes, and then the mat was heated in a nitrogen gas atmosphere at 350 ° C. for 10 minutes to perform infusibilization. No fiber fusion or runaway reaction occurred during this treatment. The infusibilized mat was heated in a nitrogen gas atmosphere to 1000 ° C. at a rate of temperature increase of 20 ° C./min to obtain ultrafine carbon fibers. When the obtained carbon fibers were opened in alcohol and the fiber separation properties were confirmed, it was confirmed that the fibers were not adhered to each other and dispersed into individual fibers, and the tensile strength was 80%.
The strength was as high as kg / mm 2 . (Comparative Example 1) A basis weight of 1000 g / m obtained in Example 1
2 of ultra-fine pitch fibers of the mat, 5Vol the NO 2. %
In a nitrogen gas containing, at a heating rate of 10 ° C./min, 27
Heat treatment was performed to 0 ° C. As a result, the processing temperature is 200 ° C.
The temperature of the fiber abnormally increased from about the time when the temperature exceeded the limit. Comparative Example 2 An ultrafine carbon fiber was obtained by treating the mat treated with the gas containing NO 2 in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment was not performed at 350 ° C. in a nitrogen gas atmosphere. Although the obtained ultrafine carbon fibers had good fiber separation properties, the tensile strength of the single fibers was as low as 45 kg / mm 2 .
【0020】[0020]
【発明の効果】上述のごとく、本発明のピッチ系極細炭
素繊維の不融化方法によれば、高目付けの極細ピッチ繊
維を暴走反応を起こすことなく短時間で不融化処理する
ことができ、繊維の引張強度の低下も起こらないので、
工業的に安価な極細炭素繊維の製造が可能になる。As described above, according to the method of infusibilizing pitch-based ultrafine carbon fibers of the present invention, it is possible to infusibilize ultra-fine pitch fibers having a high weight per unit area in a short time without causing a runaway reaction. No decrease in tensile strength of
Industrially inexpensive production of ultra-fine carbon fibers becomes possible.
【図1】極細ピッチ繊維をNO2 を5容量%含有する窒
素ガスにより種々の温度で処理したときの、赤外吸収ス
ペクトルで観察されたピッチ繊維中に導入されたニトロ
基(1527cm-1)とカルボニル基(1720c
m-1)の量の変化を1600cm-1の吸収を基準として
示したグラフ。FIG. 1. Nitro groups (1527 cm −1 ) introduced into pitch fibers observed in infrared absorption spectrum when ultrafine pitch fibers are treated with nitrogen gas containing 5% by volume of NO 2 at various temperatures. And a carbonyl group (1720c
5 is a graph showing the change in the amount of m -1 ) with reference to the absorption at 1600 cm -1 .
【図2】極細ピッチ繊維をNO2 を5容量%含有する窒
素ガスにより処理した後、これを窒素ガス中、20℃/
分の昇温速度で加熱処理としたときに、繊維から脱離す
るNO2 の量を示したグラフ。FIG. 2 After treating ultrafine pitch fibers with a nitrogen gas containing 5% by volume of NO 2 , this is treated in a nitrogen gas at 20 ° C. /
When the heat treatment at a heating rate of min graph showing the amount of NO 2 desorbed from the fiber.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 広 島 力 山口県玖珂郡和木町和木3−2−39 (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5−171519(JP,A) 特開 昭62−191515(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) D01F 9/14 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Hiroshima Riki 3-2-39, Wagi-machi, Kuga-gun, Yamaguchi Prefecture (72) Inventor Haruki Yamazaki 26-26 Suzukawa, Isehara-shi, Kanagawa Pref. (72) Inventor Susumu Shimizu 2-6-6 Nihonbashi Kayabacho, Chuo-ku, Tokyo Inside Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. (56) References JP-A-5-171519 (JP, A) JP-A Sho 62-191515 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) D01F 9/14
Claims (3)
ノズルから吐出させ、該ノズルの周辺より高速ガス流を
吹き出してピッチを繊維状に細化して紡糸し、さらにこ
のピッチ繊維を不融化し、さらに炭素化することによっ
てピッチ系極細炭素繊維を得る方法であって、前記不融
化を下記の工程(イ)および(ロ)に従って行うことを
特徴とする、ピッチ系極細炭素繊維の製造方法。 (イ)紡糸されたピッチ繊維をNO2 を含むガスで処理
し、次いで(ロ)このようにして処理されたピッチ繊維
をさらに不活性ガス雰囲気中において加熱処理すること
によってピッチ繊維中に残留しているNO2 を実質的に
除去する。After the pitches are melted, the melted pitch is discharged from a nozzle, a high-speed gas flow is blown out from the periphery of the nozzle to make the pitch finer and spun, and the pitch fiber is made infusible. And a method for obtaining pitch-based ultrafine carbon fibers by further carbonizing, wherein the infusibilization is performed according to the following steps (a) and (b). . (A) The spun pitch fibers are treated with a gas containing NO 2, and (B) the pitch fibers thus treated are further heated in an inert gas atmosphere to remain in the pitch fibers. NO 2 which is substantially removed.
を、450℃以下の温度、好ましくは300〜400℃
の温度条件で行う、請求項1に記載の方法。2. A heat treatment step in the infusibilization (b).
At a temperature of 450 ° C. or lower, preferably 300 to 400 ° C.
The method according to claim 1, which is performed under the following temperature conditions.
処理が、NO2 濃度1〜10容量%、処理温度200℃
以下、処理時間1〜10分の条件で行う、請求項1に記
載の方法。3. A process of pitch fibers by a gas containing the NO 2 is, NO 2 concentration of 1 to 10 volume%, treatment temperature 200 ° C.
The method according to claim 1, wherein the method is performed under the conditions of a processing time of 1 to 10 minutes.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21994593A JP2960290B2 (en) | 1993-09-03 | 1993-09-03 | Method for producing pitch-based ultrafine carbon fiber |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21994593A JP2960290B2 (en) | 1993-09-03 | 1993-09-03 | Method for producing pitch-based ultrafine carbon fiber |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0770829A JPH0770829A (en) | 1995-03-14 |
JP2960290B2 true JP2960290B2 (en) | 1999-10-06 |
Family
ID=16743500
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21994593A Expired - Lifetime JP2960290B2 (en) | 1993-09-03 | 1993-09-03 | Method for producing pitch-based ultrafine carbon fiber |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2960290B2 (en) |
-
1993
- 1993-09-03 JP JP21994593A patent/JP2960290B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0770829A (en) | 1995-03-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3716607A (en) | Heat treatment of molten carbonaceous material prior to its conversion to carbon fibers and other shapes | |
EP0159365B1 (en) | Carbon fibers with high strength and high modulus, and process for their production | |
US5030435A (en) | Process for producing chopped strand of carbon fiber | |
JP2960290B2 (en) | Method for producing pitch-based ultrafine carbon fiber | |
US4975263A (en) | Process for producing mesophase pitch-based carbon fibers | |
EP0402107A2 (en) | Method for the preparation of carbon fibers | |
US5076845A (en) | Process for producing formed carbon products | |
JPS60259629A (en) | Production of graphitized pitch fiber | |
US3959448A (en) | Process for the manufacture of carbon fibers | |
JPS6128019A (en) | Production of pitch based carbon fiber | |
US5292408A (en) | Pitch-based high-modulus carbon fibers and method of producing same | |
JP2849156B2 (en) | Method for producing hollow carbon fiber | |
JP2837299B2 (en) | Method for producing pitch-based ultrafine carbon fiber | |
JPH01282325A (en) | Pitch-based carbon fibersheet and production thereof | |
JPS6278220A (en) | Production of ribbon-like carbon fiber | |
JP3167467B2 (en) | Manufacturing method of carbon filler | |
USRE27794E (en) | Heat treatment of molten carbonaceous material prior to its conversion to carbon fibers and other shapes | |
JPH05247729A (en) | Production of pitch-based milled carbon fiber | |
JPH01314734A (en) | Production of pitch-based carbon fiber | |
JPH04209830A (en) | Production of carbon fiber | |
JP2001164431A (en) | Flame resistant fiber and method for producing carbon fiber | |
JPS6152244B2 (en) | ||
KR20010039114A (en) | A pitch type carbon fiber, and a process of preparing for the same | |
JPH01282324A (en) | Production of pitch-based carbon fiber | |
JPH0541728B2 (en) |