JP3177690B2 - Method for producing pitch-based carbon fiber - Google Patents

Method for producing pitch-based carbon fiber

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JP3177690B2
JP3177690B2 JP31257692A JP31257692A JP3177690B2 JP 3177690 B2 JP3177690 B2 JP 3177690B2 JP 31257692 A JP31257692 A JP 31257692A JP 31257692 A JP31257692 A JP 31257692A JP 3177690 B2 JP3177690 B2 JP 3177690B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、新規なピッチ系炭素繊
維の製造方法に関する。本発明は、さらに詳しくは、ピ
ッチを溶融紡糸するに際し、特定段階における溶融ピッ
チに特定の条件で特定の剪断応力を付与することによ
り、最終的に得られる炭素繊維の断面構造を制御し、以
てPAN系炭素繊維を凌駕する優れた特性を有する新規
な炭素繊維を製造する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a novel pitch-based carbon fiber. More specifically, the present invention controls the cross-sectional structure of a finally obtained carbon fiber by applying a specific shear stress to a molten pitch in a specific stage under a specific condition when melt-spinning a pitch, and And a method for producing a novel carbon fiber having superior properties over PAN-based carbon fiber.

【0002】本明細書において、炭素繊維とは、炭化繊
維および黒鉛化繊維を包含するものであり、必要な場合
には、両者を区別して表現する。
[0002] In the present specification, the term "carbon fiber" includes carbonized fiber and graphitized fiber, and when necessary, the two are distinguished from each other.

【0003】また、本明細書において、“%”とあるの
は、特に明示しない限り、“重量%”を意味する。
[0003] In this specification, "%" means "% by weight" unless otherwise specified.

【0004】[0004]

【従来の技術】従来、ピッチ系材料を原料とする炭素繊
維は、ポリアクリロニトリル(PAN)などの有機合成
繊維をプリカーサーとする炭素繊維(PAN系炭素繊
維)などに比して、ピッチの易黒鉛化性、即ち、高結晶
性、高配向性などに由来する引張弾性率に優れているの
で、高性能素材として注目されている。また、ピッチ系
炭素繊維は、原料であるピッチが安価であること、炭化
収率が高いことなどの理由により、PAN系炭素繊維に
比して、コスト的にも有利である。
2. Description of the Related Art Conventionally, carbon fibers made from pitch-based materials have a higher graphite pitch than carbon fibers (PAN-based carbon fibers) using organic synthetic fibers such as polyacrylonitrile (PAN) as precursors. Because of its excellent elasticity, that is, excellent tensile elasticity derived from high crystallinity and high orientation, it is attracting attention as a high-performance material. In addition, pitch-based carbon fibers are more cost-effective than PAN-based carbon fibers due to the fact that the pitch, which is the raw material, is inexpensive and the carbonization yield is high.

【0005】しかしながら、高引張強度、高引張弾性率
及び高圧縮強度などを兼ね備えた高性能の炭素繊維とし
ては、PAN系炭素繊維がその主流をなして来た。従っ
て、ピッチ系炭素繊維の利点を生かしつつ、且つより高
性能のピッチ系炭素繊維を製造する技術の検討が行なわ
れ、その具体的な方法も種々提案されてきた。特に、炭
素繊維の断面構造を制御することにより、より高性能の
炭素繊維の開発が行なわれている。その結果、近年ピッ
チ系炭素繊維の引張物性に関しては飛躍的な向上が見ら
れ、PAN系炭素繊維に比しても、同レベル或いはそれ
以上の引張強度を有するピッチ系炭素繊維が市販されて
いる。
However, PAN-based carbon fibers have been the mainstream of high-performance carbon fibers having high tensile strength, high tensile modulus, high compressive strength and the like. Therefore, techniques for producing pitch-based carbon fibers with higher performance while utilizing the advantages of pitch-based carbon fibers have been studied, and various specific methods have been proposed. Particularly, by controlling the cross-sectional structure of the carbon fiber, development of a carbon fiber with higher performance has been performed. As a result, in recent years, the tensile properties of pitch-based carbon fibers have been dramatically improved, and pitch-based carbon fibers having the same or higher tensile strength than PAN-based carbon fibers are commercially available. .

【0006】例えば、特開昭59−168127号公報
は、光学的異方性ピッチを紡糸ノズルから吐出する前
に、ピッチの流路を拡大させたり、或いは縮小させたり
して、最終製品である炭素繊維の断面構造を安定したオ
ニオン構造にすることを特徴とする方法を開示してい
る。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 59-168127 discloses a final product in which an optically anisotropic pitch is expanded or reduced before discharging the pitch from a spinning nozzle. A method is disclosed in which a cross-sectional structure of a carbon fiber is made to have a stable onion structure.

【0007】また、特開昭60−252723号公報
は、メソフェーズピッチを原料として、拡大されたノズ
ル中間部を有する紡糸ノズルから紡糸したピッチ繊維を
不融化し、炭化し、黒鉛化することにより、オニオン状
の断面構造を有する炭素繊維を製造する方法を開示して
いる。より詳細には、該公報は、紡糸ピッチ流入部の径
(D)、拡大中間部の径(D)および後流部の径
(D)との関係をD/D≦1、且つD/D
1.5と規定することにより、オニオン状の断面構造を
保持し、クラックのない炭素繊維を製造する方法を開示
している。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-252723 discloses that a pitch fiber spun from a spinning nozzle having an enlarged nozzle intermediate portion using a mesophase pitch as a raw material is made infusible, carbonized, and graphitized. A method for producing a carbon fiber having an onion-like cross-sectional structure is disclosed. More specifically, this publication, the diameter of the spinning pitch inlet (D 1), the diameter of the enlarged middle portion (D 2) and the diameter of the rear stream portions relation between the (D 3) D 3 / D 2 ≦ 1 And D 3 / D 1
By specifying 1.5, a method for producing a carbon fiber having no onion-like cross-sectional structure and having no cracks is disclosed.

【0008】しかしながら、上記の2つの方法によれ
ば、得られた炭素繊維の断面構造のクラックを無くし
て、安定したオニオン状断面構造とすることは出来たと
しても、炭素繊維の引張強度は、最高でも250〜30
0kg/mm程度であり、強度の改善には限度があっ
た。
[0008] However, according to the above two methods, even if the cross-sectional structure of the obtained carbon fiber can be eliminated and a stable onion-like cross-sectional structure can be obtained, the tensile strength of the carbon fiber can be reduced. At most 250-30
It was about 0 kg / mm 2 , and the improvement of strength was limited.

【0009】近年になって、高強度且つ高弾性率の炭素
繊維を得るためには、繊維の断面方向/軸方向の配向を
制御して、断面構造をランダム構造とすることが重要で
あることが指摘されている。例えば、特開平1−280
025号公報は、吐出ノズルの直上に挿入物を挿入し、
且つピッチに剪断力を付与しつつ紡糸を行なうことによ
り、断面構造をラジアル状のランダム構造にする方法を
開示している。この方法によって、炭素繊維の引張強度
は、380〜420kg/mm程度にまで高められて
いる。
In recent years, in order to obtain a carbon fiber having a high strength and a high modulus of elasticity, it is important to control the orientation of the fiber in the cross-sectional direction / axial direction to make the cross-sectional structure a random structure. Has been pointed out. For example, JP-A-1-280
No. 025 discloses inserting an insert directly above a discharge nozzle,
Further, a method is disclosed in which spinning is performed while applying a shearing force to the pitch to make the cross-sectional structure a radial random structure. By this method, the tensile strength of the carbon fiber is increased to about 380 to 420 kg / mm 2 .

【0010】この様にして、炭素繊維断面の高次構造を
ランダム化することにより、ピッチ系炭素繊維の引張強
度の改善が可能となってきたが、今なおPAN系炭素繊
維を上回る物性を備えたピッチ系炭素繊維は得られてい
ない。また、引張強度は、PAN系炭素繊維とほぼ同レ
ベルに達したものの、他の物性、特に圧縮強度について
は、改善の手掛かりとなる手段は、全く見出されていな
い。
In this way, it has been possible to improve the tensile strength of the pitch-based carbon fiber by randomizing the higher-order structure of the cross-section of the carbon fiber, but it still has physical properties higher than those of the PAN-based carbon fiber. No pitch-based carbon fibers have been obtained. Further, although the tensile strength reached almost the same level as that of the PAN-based carbon fiber, no means for improving other physical properties, particularly the compressive strength, has been found.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の主な
目的は、ピッチを原料とする炭素繊維の性能上の最大の
問題点である圧縮強度を改善するとともに、引張強度に
おいても、PAN系炭素繊維に匹敵するか或いはこれを
凌駕する高性能のピッチ系炭素繊維を提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the main object of the present invention is to improve the compressive strength, which is the biggest problem in the performance of the carbon fiber using pitch as a raw material, and to improve the tensile strength in the PAN-based carbon fiber. An object of the present invention is to provide a high-performance pitch-based carbon fiber that is comparable to or exceeds carbon fiber.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の如き
従来技術の問題点に鑑みて、種々研究を重ねた結果、以
下の方法で製造されたピッチ系炭素繊維により、本発明
の課題を達成できることを見出した。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted various studies in view of the problems of the prior art as described above, and as a result, have found that the pitch-based carbon fibers produced by the following method have led to the problems of the present invention. Can be achieved.

【0013】すなわち、本発明は、下記のピッチ系炭素
繊維の製造方法を提供するものである; 1 光学的異方性ピッチを溶融紡糸し、不融化し、炭化
乃至黒鉛化するピッチ系炭化繊維の製造方法において、
ピッチの溶融紡糸に際して、最終ノズル孔にいたる前に
溶融ピッチを円形キャピラリー部を通過させることによ
り最終ノズル孔で受ける剪断応力の(5/3)以上の
剪断応力を加えた後、一旦剪断応力を実質的に受けない
状態に保持し、次いでノズル吐出速度0.8〜4m/分
で最終ノズル孔を通過させ、さらに延伸ドラフト比を4
00〜2000として、紡糸することを特徴とするピッ
チ系炭素繊維の製造方法。 2 最終ノズル孔にいたる前に溶融ピッチを通過させる
円形キャピラリー部の直径(D)と最終ノズル孔の直
径(D)との比(D/D)が5/3以上であり、
且つ最終ノズル孔の直径(D)が0.2〜0.5mm
である上記項1に記載のピッチ系炭素繊維の製造方法。
That is, the present invention provides the following method for producing a pitch-based carbon fiber: 1. Pitch-based carbonized fiber which melt-spuns an optically anisotropic pitch, infuses it, and carbonizes or graphitizes it. In the manufacturing method of
In melt spinning of pitch, after the (5/3) 2 or more shear stress shear stresses experienced by the final nozzle hole was added by allowing the molten pitch before reaching the final nozzle holes to pass through the circular capillary unit, once the shear stress , Is passed through the final nozzle hole at a nozzle discharge speed of 0.8 to 4 m / min.
A method for producing pitch-based carbon fiber, wherein the fiber is spun from 00 to 2000. 2 The ratio (D 2 / D 1 ) of the diameter (D 1 ) of the circular capillary portion through which the molten pitch passes before reaching the final nozzle hole to the diameter (D 2 ) of the final nozzle hole is 5/3 or more;
And a final nozzle hole diameter (D 2) is 0.2~0.5mm
Item 2. The method for producing a pitch-based carbon fiber according to Item 1, wherein

【0014】本発明者は、ピッチ系炭素繊維断面の高次
構造と引張強度、圧縮強度などの物性との関係について
研究を重ねた結果、炭素繊維の物性向上には、炭索繊維
の断面構造としてランダム構造が最適であることを見出
した。また、炭素繊維の断面構造としてのランダム構造
は、ラジアル構造に近いランダム構造(以下ラジアルラ
イクなランダム構造という)とオニオン構造を若干の割
合で含むランダム構造の2つの構造にほぼ大別すること
ができることを見出した。
The present inventor has repeatedly studied the relationship between the higher-order structure of the pitch-based carbon fiber cross section and the physical properties such as tensile strength and compressive strength. And found that the random structure was optimal. In addition, the random structure as the cross-sectional structure of the carbon fiber can be roughly divided into two structures: a random structure close to a radial structure (hereinafter referred to as a radial-like random structure) and a random structure including an onion structure in a small ratio. I found what I could do.

【0015】本発明の所期の目的を達成し得るのは、断
面構造がランダム構造からなるか或いはオニオン構造を
10%以下の割合で含むランダム構造からなるピッチ系
炭素繊維である。本発明者の研究によれば、結晶構造の
緻密なランダム構造を有し、物性に優れた炭素繊維を得
るためには、オニオン構造からランダム構造へ転換し得
る紡糸条件を採用する必要があることが判明した。但
し、オニオン構造が繊維断面に全く存在しなくなる様に
厳密に紡糸条件を設定する場合には、構造転換が進行し
過ぎてラジアルライクなランダム構造になることがある
ので、安全性および実用性を考慮して、炭素繊維の断面
の面積比率で10%を上限としてオニオン構造を残存さ
せることが好ましいことも明らかとなった。
The desired object of the present invention can be achieved by pitch-based carbon fibers having a random cross-sectional structure or a random structure containing an onion structure at a ratio of 10% or less. According to the study of the present inventor, in order to obtain a carbon fiber having a dense random structure of crystal structure and excellent physical properties, it is necessary to adopt spinning conditions that can convert from an onion structure to a random structure. There was found. However, if the spinning conditions are strictly set so that the onion structure does not exist at all in the fiber cross-section, the structure conversion may progress too much, resulting in a radial-like random structure. In consideration of the above, it was also clarified that it is preferable to leave the onion structure with the upper limit of the area ratio of the cross section of the carbon fiber being 10%.

【0016】さらに、オニオン構造の残存率が10%以
下であるランダム構造の炭素繊維の結晶は、緻密で、小
さくなっていることも明らかとなった。結晶が緻密で、
小さくなると、欠陥も減少し、物性が向上する。結晶の
大きさは、X線測定による結晶厚さLにより表わさ
れ、本発明においては、この値は、20オングストロー
ム程度(弾性率が20ton/mm程度の場合)〜1
50オングストローム程度(弾性率が70ton/mm
程度の場合)の範囲内にある。
Further, it was also found that the crystals of the random structure carbon fiber having a residual ratio of the onion structure of 10% or less were dense and small. The crystals are dense,
When the size is reduced, the number of defects is reduced and the physical properties are improved. The size of the crystal is represented by the crystal thickness L C by X-ray measurements, in the present invention, this value (if the elastic modulus of about 20ton / mm 2) of about 20 angstroms to 1
About 50 angstroms (elasticity is 70ton / mm
2 ).

【0017】炭素繊維断面の面積比率でオニオン構造の
残存率が10%以下である場合には、炭素繊維の物性
は、ランダム構造のみからなる炭素繊維の物性に比し
て、実質的に劣らない。これに対し、炭素繊維の断面に
おいてオニオン構造の面積比率が10%を上回る場合に
は、ピッチ系炭素繊維は、オニオン構造が過剰になり、
結晶が積層しやすく、Lが大きくなって、好ましくな
い。また、オニオン構造を含まない場合には、ピッチ系
炭素繊維は、ラジアルライクな構造またはこれに近い構
造を有することになるので、明白なクラックが存在しな
くとも、種々の欠陥、疎な結晶部分などが多数存在して
いる可能性があり、物性の改善が不十分となる。 以下
本発明について、更に詳しく説明する。
When the residual ratio of the onion structure is 10% or less in terms of the area ratio of the cross section of the carbon fiber, the physical properties of the carbon fiber are not substantially inferior to those of the carbon fiber having only the random structure. . On the other hand, when the area ratio of the onion structure in the cross section of the carbon fiber exceeds 10%, the onion structure of the pitch-based carbon fiber becomes excessive,
Crystals easily stacked and L C is increased, undesirably. In addition, when the onion structure is not included, the pitch-based carbon fiber has a radial-like structure or a structure similar thereto, so that various defects, sparse crystal parts, even if there is no obvious crack. And the like may exist in large numbers, and the improvement of the physical properties becomes insufficient. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

【0018】本発明においては、出発原料としての光学
的異方性ピッチとしては、石炭系ピッチ、石油系ピッ
チ、ナフタリンなどから製造される合成ピッチ(例え
ば、特開平1−139621号公報に記載されている)
などのいずれを使用しても良く、特に制限されない。
In the present invention, as an optically anisotropic pitch as a starting material, a synthetic pitch produced from coal-based pitch, petroleum-based pitch, naphthalene or the like (for example, described in JP-A-1-139621). ing)
Any of these may be used, and there is no particular limitation.

【0019】本発明による炭素繊維は、以下の様にして
製造される。先ず、光学的異方性ピッチを溶融紡糸する
に際し、溶融ピッチを最終ノズル孔にいたる前に円形の
キャピラリー部を通過させることにより、最終ノズル孔
で受ける剪断応力の(5/3)以上の剪断応力を加え
た後、一旦剪断応力を実質的に加えない状態に保持し、
次いで吐出速度0.8〜4m/分でノズル孔を通過さ
せ、ノズル下方にて窒素を吹き付けて除熱を行ないつ
つ、延伸ドラフト比を400〜2000として紡糸を行
ない、ピッチ繊維を得る。なお、本発明方法において
は、高延伸ドラフト比で紡糸を行なうので、各ノズルへ
の均等なピッチ配分、ノズル温度制御およびノズル下方
での冷却を十分に行なう必要がある。ここに、延伸ドラ
フト比とは、巻取速度(V)とノズル吐出速度
(V)との比(V/V)で表わされるピッチ繊維
の延伸比率を意味する。
The carbon fiber according to the present invention is produced as follows. First, when melt-spinning an optically anisotropic pitch, the molten pitch is passed through a circular capillary portion before reaching the final nozzle hole, so that the shear stress received in the final nozzle hole is (5/3) 2 or more. After applying the shear stress, once hold the state in which substantially no shear stress is applied,
Next, the fiber is passed through the nozzle hole at a discharge speed of 0.8 to 4 m / min, and is blown with nitrogen under the nozzle to remove heat, and is spun at a draw draft ratio of 400 to 2000 to obtain pitch fibers. In the method of the present invention, since the spinning is performed at a high drawing draft ratio, it is necessary to sufficiently distribute the pitch to each nozzle, control the nozzle temperature, and cool down the nozzle. Here, the drawing draft ratio means a drawing ratio of a pitch fiber represented by a ratio (V 1 / V 0 ) between a winding speed (V 1 ) and a nozzle discharge speed (V 0 ).

【0020】本発明で使用するノズルの形状自体は、特
に限定されないが、最終ノズル孔にいたる前に溶融ピッ
チを通過させる円形キャピラリー部の径(D)と最終
ノズル孔(D)との比D/Dが5/3以上で、且
つDが0.2〜0.5mmであるという要件を満足す
ることが、必須である。これらの要件を満足する場合に
はじめて引張強度が400kg/mmを超え且つ圧縮
強度も大幅に改善された炭素繊維が得られる。特に、円
形キャピラリー部の径(D)と最終ノズル孔(D
とが上記の条件を満足する場合には、延伸ドラフト比を
高くし易くなり、紡糸状態が良好となる。本発明方法に
よれば、特開平1−280025号公報に記載の方法に
おける様にノズル直上に挿入物を入れる必要がなくなる
ので、ノズルの清掃などのメンテナンスが容易となる。
Although the shape of the nozzle used in the present invention is not particularly limited, the diameter (D 1 ) of the circular capillary portion through which the molten pitch passes before reaching the final nozzle hole and the final nozzle hole (D 2 ) are determined. the ratio D 2 / D 1 is 5/3 or more and to satisfy the requirement that D 2 is 0.2 to 0.5 mm, is essential. Only when these requirements are satisfied, a carbon fiber having a tensile strength exceeding 400 kg / mm 2 and a significantly improved compressive strength can be obtained. In particular, the diameter of the circular capillary part (D 1 ) and the final nozzle hole (D 2 )
When the above satisfies the above conditions, the drawing draft ratio is easily increased, and the spinning state is improved. According to the method of the present invention, it is not necessary to insert an insert just above the nozzle as in the method described in JP-A-1-280025, and maintenance such as cleaning of the nozzle becomes easy.

【0021】次いで、上記で得られたピッチ繊維を含酸
素雰囲気下で、昇温速度0.5〜4℃/分程度で最高温
度240〜380℃まで昇温させて、不融化を行なう。
この不融化条件も、炭素繊維の高次構造を所望のものと
するために、極めて重要である。昇温速度が低すぎる場
合には、不融化時間が長くなり過ぎて、コスト高とな
る。一方、昇温速度が高すぎる場合には、ピッチ繊維の
表面のみが酸化されて、表面部分の劣化が起こり、物性
が低下する。また、不融化最高温度が低すぎる場合に
は、不融化時間が長くなり、やはりコスト高の原因とな
る。また、不融化最高温度が高すぎる場合には、ピッチ
繊維の表面部分の酸化が過剰となり、表面の劣化が進
む。さらに、ピッチ繊維の表面部分の酸化が過剰となっ
て、中心部の酸化が不足する場合には、炭化時に中心部
の再溶融および再結晶化を生じて、高次構造が変形する
とともに、巨大な結晶が形成されるので、不都合であ
る。
Next, the pitch fiber obtained above is heated up to a maximum temperature of 240 to 380 ° C. at a heating rate of about 0.5 to 4 ° C./min in an oxygen-containing atmosphere to make it infusible.
These infusibilizing conditions are also very important in order to obtain a desired higher-order structure of the carbon fiber. If the heating rate is too low, the infusibilization time will be too long and the cost will increase. On the other hand, when the heating rate is too high, only the surface of the pitch fiber is oxidized, the surface portion is deteriorated, and the physical properties are reduced. On the other hand, if the maximum infusibilization temperature is too low, the infusibilization time will be prolonged, which will again increase the cost. On the other hand, if the maximum infusibilizing temperature is too high, the surface portion of the pitch fiber is excessively oxidized, and the surface deteriorates. Furthermore, if the oxidation of the surface of the pitch fiber becomes excessive and the oxidation of the central part becomes insufficient, the central part will be re-melted and recrystallized at the time of carbonization, and the higher-order structure will be deformed and This is inconvenient, because an unusual crystal is formed.

【0022】次いで、上記の様にして得た不融化繊維を
不活性ガス雰囲気中600〜850℃で予備炭化した
後、1200〜2000℃の温度で炭化することによ
り、炭化繊維を得ることができる。
Next, the infusibilized fiber obtained as described above is preliminarily carbonized at 600 to 850 ° C. in an inert gas atmosphere, and then carbonized at 1200 to 2000 ° C. to obtain a carbonized fiber. .

【0023】或いは、上記の様にして得た不融化繊維を
不活性ガス雰囲気中600〜850℃で予備炭化した
後、2000℃以上(より好ましくは2000〜280
0℃程度)の温度で黒鉛化することにより、黒鉛化繊維
を得ることができる。
Alternatively, the infusibilized fiber obtained as described above is preliminarily carbonized at 600 to 850 ° C. in an inert gas atmosphere, and then 2,000 ° C. or more (more preferably 2000 to 280 ° C.).
By graphitizing at a temperature of about 0 ° C.), graphitized fibers can be obtained.

【0024】この様にして得られた炭素繊維は、SEM
およびTEM顕微鏡観察によって結晶が緻密で小さくな
っていることが確認された。また、本発明による炭素繊
維は、従来のピッチ系炭素繊維に比して、かなり高い圧
縮強度および引張強度を有しており、PAN系炭素繊維
に比しても、同等もしくはそれ以上の強度を発揮する。
本願明細書において、炭素繊維の各特性は、下記の方
法により、測定した。 −オニオン構造の面積比率の測定 炭素繊維の繊維断面を走査型電子顕微鏡により拡大し
て、写真撮影を行ない、結晶がオニオン状(同心円方
向)に並んだ部分の面積比率を観察して求めた。 −積層厚み(Lc) 炭素繊維を乳鉢で粉末状にし、学振法「人造黒鉛の格子
定数及び結晶子の大きさ測定法」に準拠して測定解析を
行なった。
The carbon fiber obtained in this way is a SEM
And it was confirmed by TEM microscopic observation that the crystals were dense and small. Further, the carbon fiber according to the present invention has considerably higher compressive strength and tensile strength as compared with the conventional pitch-based carbon fiber, and has the same or higher strength than the PAN-based carbon fiber. Demonstrate.
In the present specification, each property of the carbon fiber was measured by the following method. -Measurement of Area Ratio of Onion Structure The fiber cross section of the carbon fiber was enlarged by a scanning electron microscope, photographed, and the area ratio of a portion where crystals were arranged in an onion shape (concentric direction) was determined. -Lamination thickness (Lc) The carbon fiber was made into a powder form in a mortar, and the measurement analysis was performed in accordance with the Gakushin method "Method for measuring lattice constant and crystallite size of artificial graphite".

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明による特異な結晶構造を有する炭
素繊維は、繊維物性が著るしく向上している。特に、引
張強度のみならず、従来からピッチ系炭素繊維の最大の
弱点であった圧縮強度をも向上させることができるの
で、航空及び宇宙機器、建築物などの構造用材料として
の広い範囲での利用が大いに期待される。
The carbon fiber having a unique crystal structure according to the present invention has remarkably improved fiber physical properties. In particular, since it can improve not only tensile strength but also compressive strength, which has been the greatest weakness of pitch-based carbon fibers, it is widely used as a structural material for aviation and space equipment and buildings. The use is greatly expected.

【0026】[0026]

【実施例】以下に実施例を示し、本発明を更に詳しく説
明する。 実施例1 光学的異方性量を94%含有する石炭系炭素質ピッチ
(軟化点306.9℃)を原料として使用し、最初に円
形ノズル径0.13mmの円形キャピラリー部を通過さ
せて、最終ノズル孔から受けるせん断応力の約5.3倍
の剪断応力を加えた後、一旦剪断応力を実質的に受けな
い状態に保持し、再び最終ノズルによって、剪断応力を
加えながら、溶融紡糸を行なった。最終ノズル通過時の
条件は、紡糸温度350℃、ノズルの孔数1000であ
り、ノズル直径0.30mm、ノズル吐出速度1.2m
/分であり、糸径12μmのピッチ繊維を得た。この時
の延伸ドラフト比は、625であった。紡糸中の状態は
良好であり、3時間にわたり糸切れは皆無であった。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. Example 1 A coal-based carbonaceous pitch (softening point: 306.9 ° C.) containing 94% of an optical anisotropy amount was used as a raw material, and was first passed through a circular capillary portion having a circular nozzle diameter of 0.13 mm, and finally passed through a final nozzle. After applying a shearing stress of about 5.3 times the shearing stress received from the holes, the melt-spinning was performed once while maintaining substantially no shearing stress and again applying the shearing stress by the final nozzle. The conditions at the time of passing the final nozzle are a spinning temperature of 350 ° C., a number of nozzle holes of 1,000, a nozzle diameter of 0.30 mm, and a nozzle discharge speed of 1.2 m.
/ Min, and a pitch fiber having a yarn diameter of 12 µm was obtained. The draft ratio at this time was 625. The condition during spinning was good, and there was no yarn breakage for 3 hours.

【0027】この様にして得られたピッチ繊維を空気雰
囲気中2℃/分の昇温速度で昇温し、不融化温度305
℃で20分間保持して不融化を終了した。このときの繊
維の酸素摂取量は、8.2%であった。
The pitch fiber thus obtained is heated in an air atmosphere at a rate of 2 ° C./min.
C. for 20 minutes to complete infusibilization. At this time, the oxygen uptake of the fiber was 8.2%.

【0028】その後、780℃の窒素雰囲気中で予備炭
化した後、若干の張力を掛けながら、アルゴン雰囲気中
1600℃、1900℃または2200℃で1分間炭化
乃至黒鉛化を行なった。
Then, after preliminary carbonization in a nitrogen atmosphere at 780 ° C., carbonization or graphitization was performed at 1600 ° C., 1900 ° C. or 2200 ° C. for 1 minute in an argon atmosphere while applying a slight tension.

【0029】1600℃、1900℃および2200℃
でそれぞれ炭化或いは黒鉛化を行なった繊維の物性を表
1に示す。
1600 ° C., 1900 ° C. and 2200 ° C.
Table 1 shows the physical properties of the carbonized or graphitized fibers.

【0030】[0030]

【表1】 また、1900℃で炭化した場合の炭化繊維の走査型電
子顕微鏡による断面写真を参考写真1として示す。繊維
断面の高次構造は、中心部に面積比率約3%のオニオン
構造があり、周囲は完全にランダム構造であった。
[Table 1] Further, a cross-sectional photograph of the carbonized fiber when carbonized at 1900 ° C. by a scanning electron microscope is shown as Reference Photo 1. The higher order structure of the fiber cross section had an onion structure with an area ratio of about 3% at the center and a completely random structure around the periphery.

【0031】上記の結果と下記比較例の結果との対比か
ら、本発明方法により得られた1900℃で炭化した繊
維においては、引張強度のみならず、圧縮強度も改善さ
れていることが明らかである。
From the comparison between the above results and the results of the following comparative examples, it is apparent that not only the tensile strength but also the compressive strength of the fiber carbonized at 1900 ° C. obtained by the method of the present invention is improved. is there.

【0032】また、1600℃および2200℃での処
理した場合にも、一般に市販されているピッチ系炭素繊
維(1600℃炭化品に相当する弾性率30ton/m
の繊維の場合、引張強度300kg/mm程度、
圧縮強度100kg/mm程度;2200℃黒鉛化品
に相当する弾性率50ton/mmの繊維の場合、引
張強度400kg/mm程度、圧縮強度80kg/m
程度)に比して、高強度の製品が得られている。 比較例1 実施例1と同様の石炭系炭素質ピッチを原料として、ノ
ズルの直径が0.25mmであるノズル1段で紡糸を行
なうに際し、ノズル直上の導入孔(径1.8mm、長さ
20mm)の内部にドリル(20mm長さ内で3回転し
ている深さ0.13mmの溝付き)を挿入して、紡糸温
度350℃、ノズルの孔数500で溶融紡糸を行ない、
糸径12μmのピッチ繊維を得た。このときの紡糸ドラ
フト比は、434であった。次いで、実施例1と同様に
してピッチ繊維の不融化および予備炭化を行ない、アル
ゴン雰囲気中1900℃で1分間炭化処理を行なった。
In the case of treatment at 1600 ° C. and 2200 ° C., a pitch-based carbon fiber generally available on the market (an elastic modulus of 30 ton / m corresponding to a carbonized product at 1600 ° C.) is also used.
For fibers m 2, tensile strength 300 kg / mm 2 approximately,
Compressive strength of about 100 kg / mm 2 ; in the case of fibers having an elastic modulus of 50 ton / mm 2 corresponding to a graphitized product at 2200 ° C., tensile strength of about 400 kg / mm 2 and compressive strength of 80 kg / m 2
than the m order of 2), are products of high strength can be obtained. Comparative Example 1 The same coal-based carbonaceous pitch as in Example 1 was used as a raw material, and when spinning was performed in a single-stage nozzle having a nozzle diameter of 0.25 mm, an introduction hole (diameter 1.8 mm, length 20 mm) immediately above the nozzle ), A melt-spinning is performed at a spinning temperature of 350 ° C. and a number of nozzles of 500 by inserting a drill (with a groove having a depth of 0.13 mm and rotating three times within a length of 20 mm).
A pitch fiber having a yarn diameter of 12 μm was obtained. The spinning draft ratio at this time was 434. Next, infusibilization and preliminary carbonization of the pitch fiber were performed in the same manner as in Example 1, and carbonization was performed at 1900 ° C. for 1 minute in an argon atmosphere.

【0033】得られた炭化繊維の物性を表2に示す。Table 2 shows the physical properties of the obtained carbonized fiber.

【0034】[0034]

【表2】 また、得られた炭化繊維の走査型電子顕微鏡による断面
写真を参考写真2として示す。高次構造は、ラジアルラ
イクなランダム構造である。
[Table 2] A cross-sectional photograph of the obtained carbonized fiber by a scanning electron microscope is shown as Reference Photo 2. The higher-order structure is a radial-like random structure.

【0035】以上の結果から明らかな様に、溶融ピッチ
に一定の剪断応力を付与しつつピッチの紡糸を1段ノズ
ルで行なう場合には、炭化繊維断面の高次構造がラジア
ルライクなランダム構造となり、炭化繊維物性の改善は
認められない。 比較例2 実施例1と同様の原料ピッチを使用して、最初にキャピ
ラリー部の径0.25μmの円形ノズルを通過させて最
終ノズル孔で受ける剪断応力の約1.4倍の剪断応力を
与えた以外は実施例1と同様にして溶融紡糸を行ない、
得られたピッチ繊維(紡糸ドラフト比=625)を不融
化した。不融化条件は、実施例1と同様とした。
As is apparent from the above results, when spinning the pitch with a single-stage nozzle while applying a constant shear stress to the molten pitch, the higher-order structure of the cross section of the carbonized fiber becomes a radial-like random structure. No improvement in the physical properties of the carbonized fiber was observed. Comparative Example 2 Using the same raw material pitch as in Example 1, first, a capillary portion was passed through a circular nozzle having a diameter of 0.25 μm to give a shear stress approximately 1.4 times the shear stress received at the final nozzle hole. Otherwise, melt spinning was performed in the same manner as in Example 1,
The obtained pitch fibers (spinning draft ratio = 625) were made infusible. The infusibilizing conditions were the same as in Example 1.

【0036】得られた不融化繊維を実施例1と同様にし
て予備炭化し、アルゴン雰囲気中1900℃で1分間炭
化を行なった。
The obtained infusibilized fiber was preliminarily carbonized in the same manner as in Example 1, and carbonized at 1900 ° C. for 1 minute in an argon atmosphere.

【0037】得られた炭化繊維の物性を表3に示す。Table 3 shows the physical properties of the obtained carbonized fiber.

【0038】[0038]

【表3】 また、得られた炭化繊維の走査型電子顕微鏡による断面
写真を参考写真3として示す。得られた炭化繊維は、中
心部に面積比率約15%のオニオン構造があり、周辺部
は完全ランダム構造である。
[Table 3] In addition, a cross-sectional photograph of the obtained carbonized fiber by a scanning electron microscope is shown as Reference Photo 3. The obtained carbonized fiber has an onion structure with an area ratio of about 15% at the center and a completely random structure at the periphery.

【0039】以上の結果から明らかな様に、最初の円形
ノズルのキャピラリー部において溶融ピッチに与えられ
る剪断応力が最終ノズル部での剪断応力の約1.4倍に
とどまる場合には、炭化繊維断面の高次構造が、オニオ
ン構造が面積比約15%となり、繊維物性の改善は、認
められない。 比較例3 最終ノズルの径を0.23mmとして、円形ノズルのキ
ャピラリー部で溶融ピッチに付与される剪断応力を最終
ノズル孔での剪断応力の約3.1倍とする以外は実施例
1と同様にして、溶融紡糸を行ない、得られたピッチ繊
維(但し、紡糸ドラフト比=367)を不融化した。不
融化条件は、実施例1と同様とした。
As is clear from the above results, when the shear stress applied to the molten pitch in the capillary portion of the first circular nozzle is about 1.4 times the shear stress in the final nozzle portion, the cross section of the carbonized fiber The onion structure has an area ratio of about 15%, and no improvement in fiber properties is observed. Comparative Example 3 Same as Example 1 except that the diameter of the final nozzle was 0.23 mm and the shear stress applied to the molten pitch at the capillary portion of the circular nozzle was about 3.1 times the shear stress at the final nozzle hole. Then, melt spinning was performed to make the obtained pitch fiber (spinning draft ratio = 367) infusible. The infusibilizing conditions were the same as in Example 1.

【0040】この不融化繊維を実施例1と同様にして予
備炭化し、1900℃で1分間炭化を行なった。
The infusible fiber was preliminarily carbonized in the same manner as in Example 1 and carbonized at 1900 ° C. for 1 minute.

【0041】得られた炭化繊維の物性を表4に示す。Table 4 shows the physical properties of the obtained carbonized fiber.

【0042】[0042]

【表4】 また、得られた炭化繊維の走査型電子顕微鏡による断面
写真を参考写真4として示す。得られた炭化繊維は、中
心部に面積比率約13%のオニオン構造があり、周辺部
は完全ランダム構造である。
[Table 4] Further, a cross-sectional photograph of the obtained carbonized fiber by a scanning electron microscope is shown as Reference Photo 4. The obtained carbonized fiber has an onion structure with an area ratio of about 13% at the center and a completely random structure at the periphery.

【0043】以上の結果から明らかな様に、延伸ドラフ
ト比が400未満と低い場合には、炭化繊維断面の高次
構造が、オニオン構造13%となり、やはり繊維物性の
改善は、認められない。 実施例2 紡糸用原料を特開平1−139621号公報に記載され
た方法に基いてナフタレンから製造し、光学的異方性量
100%、軟化点276℃のピッチを得た。このピッチ
を原料として、実施例1と同様にして、ピッチ繊維を得
た後、不融化を行ない、炭化を行なった。
As is apparent from the above results, when the drawing draft ratio is as low as less than 400, the higher order structure of the cross section of the carbonized fiber becomes 13% of the onion structure, and no improvement in the fiber properties is observed. Example 2 A raw material for spinning was produced from naphthalene based on the method described in JP-A-1-139621 to obtain a pitch having an optical anisotropy of 100% and a softening point of 276 ° C. Using this pitch as a raw material, in the same manner as in Example 1, pitch fibers were obtained, then infusibilized, and carbonized.

【0044】得られた炭化繊維の物性は、表5に示す通
りであった。
The physical properties of the obtained carbonized fiber were as shown in Table 5.

【0045】[0045]

【表5】 得られた炭化繊維の高次構造は、実施例1の場合とほぼ
同様で、オニオン構造は、面積比率で3.5%であり、
残りはランダム構造であった。
[Table 5] The higher order structure of the obtained carbonized fiber was almost the same as in Example 1, and the onion structure was 3.5% in area ratio.
The rest were random structures.

【0046】ナフタレンから製造した光学的異方性合成
ピッチを本願発明の紡糸条件下に紡糸し、不融化以降の
工程を最適な条件で実施した炭化繊維においても、物性
が大幅に向上していることが明らかである。
The properties of the carbonized fiber obtained by spinning an optically anisotropic synthetic pitch produced from naphthalene under the spinning conditions of the present invention and performing the steps after infusibilization under optimum conditions are greatly improved. It is clear that.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−170527(JP,A) 特開 昭60−194120(JP,A) 特開 昭60−252723(JP,A) 特開 昭59−168127(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) D01F 9/14 - 9/155 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-62-170527 (JP, A) JP-A-60-194120 (JP, A) JP-A-60-252723 (JP, A) JP-A-59-194723 168127 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) D01F 9/14-9/155

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 光学的異方性ピッチを溶融紡糸し、不融
化し、炭化乃至黒鉛化するピッチ系炭化繊維の製造方法
において、ピッチの溶融紡糸に際して、最終ノズル孔に
いたる前に溶融ピッチを円形キャピラリー部を通過させ
ることにより最終ノズル孔で受ける剪断応力の(5/
3)以上の剪断応力を加えた後、一旦剪断応力を実質
的に受けない状態に保持し、次いでノズル吐出速度0.
8〜4m/分で最終ノズル孔を通過させ、さらに延伸ド
ラフト比を400〜2000として紡糸することを特徴
とするピッチ系炭素繊維の製造方法。
1. A method for producing a pitch-based carbonized fiber in which an optically anisotropic pitch is melt-spun, made infusible, and carbonized or graphitized. (5/5) of the shear stress received at the final nozzle hole by passing through the circular capillary section
3) After the application of two or more shear stresses, once the state where the shear stress is not substantially received is maintained, and then the nozzle discharge speed is set to 0.1.
A method for producing pitch-based carbon fiber, wherein the fiber is passed through a final nozzle hole at a rate of 8 to 4 m / min, and is further spun at a draw draft ratio of 400 to 2,000.
【請求項2】 最終ノズル孔にいたる前に溶融ピッチを
通過させる円形キャピラリー部の直径(D)と最終ノ
ズル孔の直径(D)との比(D/D)が5/3以
上であり、且つ最終ノズル孔の直径(D)が0.2〜
0.5mmである請求項1に記載のピッチ系炭素繊維の
製造方法。
2. The ratio (D 2 / D 1 ) of the diameter (D 1 ) of the circular capillary portion passing through the melting pitch before reaching the final nozzle hole to the diameter (D 2 ) of the final nozzle hole is 5/3. And the diameter (D 2 ) of the final nozzle hole is 0.2 to
The method for producing pitch-based carbon fibers according to claim 1, wherein the diameter is 0.5 mm.
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