JP3002549B2 - 黒鉛繊維の製造方法 - Google Patents

黒鉛繊維の製造方法

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JP3002549B2 JP2405449A JP40544990A JP3002549B2 JP 3002549 B2 JP3002549 B2 JP 3002549B2 JP 2405449 A JP2405449 A JP 2405449A JP 40544990 A JP40544990 A JP 40544990A JP 3002549 B2 JP3002549 B2 JP 3002549B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は毛羽が少なく弾性率の高
い黒鉛繊維の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】炭素繊維は比強度、比弾性に優れている
ためスポーツ、レジャー用品から宇宙航空用途まで巾広
く利用されつつある。特に2000℃以上の高温で焼成
される黒鉛繊維は弾性率が高く、それだけ薄肉軽量化で
きるため、その重要性は大きい。しかしながら高い弾性
率を得るために黒鉛化温度を高くすると、繊維の圧縮強
度の低下および炉の消耗による炉の寿命の低下が起こる
ので、可能な限り低い温度で黒鉛化することが要望され
ている。
【0003】黒鉛化温度の高温化以外の方法で弾性率を
向上させる方法は種々検討されており、黒鉛化過程で伸
長処理することによって弾性率を向上せしめることが提
案されている(特開平1−124629号公報)。
【0004】このような黒鉛化過程での伸長は弾性率向
上に極めて効果的であるが、過度に伸長すると、単糸切
れや毛羽の発生等の問題が生じる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、毛羽の
発生がなく、ストランド強度,弾性率等に優れた黒鉛繊
維を製造するため鋭意検討の結果、黒鉛化工程での毛羽
の発生量と黒鉛化工程前の炭素繊維のトウ強度とに良好
な相関関係を見出して、本発明に到達した。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、不活性
雰囲気中1500℃以下の温度で熱処理された炭素繊維
を、同雰囲気中2000℃以上の最高温度で、750mg
/d以上の張力下で黒鉛化する黒鉛繊維の製造方法にお
いて、単繊維引張り強度試験より得られるワイブルパラ
メーター(m,βO )のうち、分散因子であるmの値が
5.0以上であり、また、実測されるトウ強度
(σB.m )が(1)式で計算されるトウ強度(σB.Ca
に対して、(2)式を満足する炭素繊維を黒鉛化するこ
とを特徴とする黒鉛繊維の製造方法にある。
【0007】
【数2】
【0008】通常2000℃以上の黒鉛化工程において
は、炭素繊維を伸長させることが可能であり、さらに、
黒鉛化温度の昇温に伴い、炭素繊維の伸長性も向上す
る。しかし前記のように従来の黒鉛化工程においては、
伸長率の増加とともに毛羽が発生し、そのため良好な黒
鉛繊維を得るためには、伸長率を抑える必要があった。
【0009】そこで、本発明者らは毛羽の発生メカニズ
ムの解析検討を行った結果、黒鉛化工程での毛羽発生量
と、工程通過前の炭素繊維のトウ強度に良好な相関関係
のあることを見出した。すなわちトウ強度の高い炭素繊
維を黒鉛化すると、黒鉛化工程での毛羽の発生量が減少
することがわかった。炭素繊維のトウ強度に影響する因
子は、トウを形成する各単繊維の強度及び強度斑といっ
た基質に由来する因子の他、各繊維間の融着の存在、繊
維間摩擦係数の大きさ、トウの均一性といったトウ形態
などが考えられる。トウ強度(σB.Ca)は、単繊維引張
り強度試験より得られる強度分布にワイブル分布を適用
し、(1)式により推算出来る。
【0010】
【数3】
【0011】ここでβO は繊維の強度を反映する因子で
あり、βO が大きい程、σB.Caが大きくなる。一方、m
は強度の分布を表わす因子であり、値が小さい程、強度
分布が大きいこと、すなわち強度斑が大きいことを示し
ている。つまりmの値が小さい程、低強度の繊維の存在
割合が高くなり、ある引張り歪の状態下において、トウ
中の破断繊維の数は多くなることになる。したがってm
の値が小さい繊維ほどトウ強度は小さくなる。
【0012】黒鉛化工程における伸長処理は2000℃
以上という超高温下で行うことから、炭素繊維自体の伸
長性も向上しており、伸長率1%〜20%という範囲に
おいても、著しいトウの破断は生じない。この伸長率1
%〜20%という範囲は、室温のトウ強度試験において
0.2%程度迄の歪に相当するものと考えられる。した
がって黒鉛化工程の伸長により生ずる毛羽は、トウ強度
試験時において0.2%程度迄の領域で破断する繊維に
基因するものと考えられる。つまり黒鉛化工程での高伸
長処理を行うに当り、低強度繊維の存在割合が小さいも
の、すなわちmの値が大きい炭素繊維を原糸にするほ
ど、毛羽の発生は少くなることになる。
【0013】黒鉛化処理用の炭素繊維としては、m≧
5.0、好ましくはm≧5.5を有する強度斑の少い炭
素繊維であることが必要となる。mが5.0より小さい
炭素繊維の場合、室温下で0.1〜0.2%の引張り歪
を与えると、0.1%以上の繊維が破断する。ところ
が、炭素繊維のトウに750mg/d以上の張力を室温で
与えると、引張り歪は0.1〜0.2%以上になる。し
たがって750mg/d以上の張力で黒鉛化処理を行うた
めには少なくともmが5.0である必要がある。
【0014】本発明の(1)式で示される推算されるト
ウ強度(σB.Ca)は理想的なトウの形態を有するものの
強度である。つまり、各繊維間の融着が無く、繊維摩擦
係数も小さく、トウの均一性も完全なトウの強度を意味
する。しかし、実際のトウは繊維間の融着,摩擦なども
存在し、また形態も均一とはいえないため、実測される
トウ強度(σB.m )は推算されるトウ強度σB.Caよりも
小さくなる。特に繊維間の融着や形態の不均一性は、ト
ウ強度を低下させるだけではなく、低ひずみ領域におい
て繊維の破断の原因となる。したがって繊維間の融着や
形態の不均一性により、黒鉛化工程の伸長時に毛羽発生
の原因となる。繊維間の融着量や形態の不均一性は、推
算されるトウ強度(σB.Ca)に対する実測トウ強度(σ
B.m )の低下度(σB.m /σB.Ca)により見積もられ
る。したがって、黒鉛化用の炭素繊維としてはσB.m
0.9σB.Ca、好ましくはσB.m ≧0.95σB.Caを有
する繊維であることが必要となる。
【0015】本発明で用いられる黒鉛化処理用の炭素繊
維としては、強度むらが小さいもの、特に、低強度の繊
維が非常に少なくさらに、繊維間の融着,トウ形態の不
均一性のないことが必要となる。この様な炭素繊維は、
トウを形成する単繊維1本1本に油剤を均一に付着さ
せ、さらに油剤付着量を適正値に制御したプレカーサー
を用いることにより製造可能である。具体的には、プレ
カーサーの油浴中のトウ巾をプレカーサートータルデニ
ール(d)に対して、1.3mm/d以上、好ましくは
1.7mm/d以上にし、油剤付着量を0.4〜1.2wt
%の範囲、好ましくは0.6〜1.0wt%になる様に制
御することにより実現できる。また、ここで用いる油剤
としてはアミノシリコン系のものが良い。
【0016】本発明で用いられる黒鉛化処理用の炭素繊
維には、特に制限はなく、ポリアクリロニトリル,ピッ
チ,レーヨンを原料として得られた炭素繊維が用いられ
る。さらに不活性雰囲気中1500℃以下の温度で熱処
理されて得られた炭素繊維を連続的に黒鉛化しても、あ
るいは一度巻取った後に黒鉛化してもよい。
【0017】
【実施例】以下実施例により本発明を具体的に説明す
る。測定方法は次のとおりである。
【0018】(1)トウ強度(σB.Ca)の推算は下記の
方法により行った。試長100mmの単繊維強度試験を試
料数100で行い、得られた強度分布として、ワイブル
分布を適用し、パラメーターmとβO を求めた。ここで
強度の累積密度関数G(σ)は下式の通りである。
【0019】
【数4】
【0020】(2)トウ強度(σB.m )の測定は、多数
フィラメントからなる繊維束(6000〜12000
本)を試長100mmとして引張り試験を行った。この
際、樹脂等の含浸は行わない。得られた最大荷重値Pkg
を目付(a g/m)と密度(ρ g/cm3)から下式によりト
ウ強度(σB.m kg/mm2)を求めた。 σB.m =P・ρ/a 〔kg/mm2
【0021】実施例1 アクリロニトリル/メタクリル酸(98/2重量比)の
重合体をジメチルホルムアミドに固形濃度26重量%と
なるように溶解してドープを作り、10μ濾過及び3μ
濾過を行って湿式紡糸を行い、引続き温水中で4.5倍
に延伸し、水洗、乾燥して、更に乾熱170℃で1.7
倍に延伸して0.9デニールの繊度を有するフイラメン
ト数12,000のプレカーサーを得た。
【0022】このプレカーサーを220〜260℃の熱
風循環型の耐炎化炉を60分間通過させて耐炎化糸密度
1.35g/cm3 の耐炎化繊維を得た。耐炎化処理する
に際して15%の伸長操作を施した。
【0023】次に耐炎化繊維を純粋なN2 雰囲気中最高
温度1400℃で炭素化を行い、ストランド強度570
kg/mm2 、弾性率31.0t/mm2 の炭素繊維を得た。
本炭素繊維の単繊維強度試験の結果m=6.0、βO
929であり、σB.Ca=270kg/mm2 と算出された。
トウ強度の測定結果はσB.m =262kg/mm2 であっ
た。本炭素繊維をN2 雰囲気中最高温度2400℃、伸長率
4.0%で黒鉛化して黒鉛繊維を製造した。得られた黒
鉛繊維は毛羽が全くなく、ストランド強度520kg/mm
2 、弾性率48.5t/mm2 であった。
【0024】実施例2 実施例1と同様な炭素繊維をN2 雰囲気中最高使用温度
2500℃、伸長率6.0%で黒鉛化して黒鉛繊維を製造し
た。得られた黒鉛繊維はほとんど毛羽は認められず生産
状態は非常に良好でありストランド強度520kg/m
m2 、弾性率51.0t/mm2 であった。
【0025】実施例3 実施例1と同様な炭素繊維をN2 雰囲気中最高使用温度
2700℃、伸長率8.0%で黒鉛化して黒鉛繊維を製造し
た。得られた黒鉛繊維は、ほとんど毛羽は認められず状
態は非常に良好であり、ストランド強度500kg/m
m2 、弾性率55.6t/mm2 であった。
【0026】比較例1 実施例1と同様にして、ストランド強度580kg/m
m2 、弾性率30.8t/mm2 の炭素繊維を得た。この
炭素繊維の単繊維強度試験の結果、m=4.80、βO
=1100であり、σB.Ca=250kg/mm2 と算出され
た。次にトウ強度の測定の結果、σB.m =235kg/mm
2 であった。本炭素繊維をN2 雰囲気中、最高使用温度
2400℃、伸長率4.0%で黒鉛化して黒鉛繊維を得た。
得られた黒鉛繊維は毛羽がかなり存在していた。またス
トランド強度490kg/mm2 、弾性率48.0t/mm2
であった。
【0027】比較例2 実施例1と同様にして、ストランド強度580kg/m
m2 、弾性率31.2t/mm2 の炭素繊維を得た。単繊
維強度試験の結果、m=5.8、βO =950であり、
σB.Ca=265kg/mm2 と算出された。次にトウ強度の
測定の結果、σB.m =225kg/mm2 であった。本炭素
繊維をN2 雰囲気中最高温度2400℃、伸長率4.0%で
黒鉛化した所、毛羽が多量に発生し、良好な黒鉛化繊維
は得られず、またストランド試験片も作製できなかっ
た。
【0028】実施例4 実施例1と同様な炭素繊維をN2 雰囲気中最高温度2700
℃、伸長率14%で黒鉛化して黒鉛繊維を製造した。得
られた黒鉛繊維は、ほとんど毛羽は認められず状態は良
好であり、ストランド強度510kg/mm2 、弾性率6
0.3t/mm2 であった。
【0029】実施例5 実施例1と同様な炭素繊維をN2 雰囲気中最高温度2800
℃、伸長率18%で黒鉛化して黒鉛繊維を製造した。得
られた黒鉛繊維は、毛羽がほとんど無く状態は良好で、
ストランド強度450kg/mm2 、弾性率65.4t/mm
2 であった。
【0030】
【発明の効果】本発明方法により、弾性率が高くかつ従
来の黒鉛繊維に比べて毛羽がはるかに少い黒鉛繊維を製
造することが可能となる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) D01F 9/12 - 9/32

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 不活性雰囲気中1500℃以下の温度で
    熱処理された炭素繊維を同雰囲気中2000℃以上の最
    高温度で750mg/d以上の張力下で黒鉛化する黒鉛繊
    維の製造方法に於て、単繊維引張り強度試験より得られ
    るワイブルパラメーター(m,βO )のうち、分散因子
    であるmの値が5.0以上であり、実測されるトウ強度
    (σB.m )が(1)式で計算されるトウ強度(σB.Ca
    に対して、(2)式を満足する炭素繊維を黒鉛化するこ
    とを特徴とする黒鉛繊維の製造方法。 【数1】
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