JP4429765B2 - Carbon fiber and method for producing the same - Google Patents

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本発明は炭素繊維、特に極細炭素繊維に関し、更に詳しくは、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体からなる混合物から製造した炭素繊維に関する。   The present invention relates to carbon fibers, particularly ultrafine carbon fibers, and more particularly to carbon fibers produced from a mixture of a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor.

炭素繊維は高強度、高弾性率、高導電性、軽量等の優れた特性を有している事から、高性能複合材料のフィラーとして使用されている。その用途は、従来からの機械的強度向上を目的とした補強用フィラーに留まらず、炭素材料に備わった高導電性を生かし、電磁波シールド材、静電防止材用の導電性樹脂フィラーとして、あるいは樹脂への静電塗料のためのフィラーとしての用途が期待されている。また炭素材料としての化学的安定性、熱的安定性と微細構造との特徴を生かし、フラットディスプレー等の電界電子放出材料としての用途も期待されている。   Carbon fibers are used as fillers for high-performance composite materials because they have excellent properties such as high strength, high elastic modulus, high conductivity, and light weight. Its application is not limited to conventional fillers for the purpose of improving mechanical strength, but by taking advantage of the high conductivity of carbon materials, as an electromagnetic shielding material, a conductive resin filler for antistatic materials, or Use as a filler for electrostatic coatings on resins is expected. In addition, it is expected to be used as a field electron emission material such as a flat display by utilizing the characteristics of chemical stability, thermal stability and fine structure as a carbon material.

このような、高性能複合材料用としての炭素繊維の製造法として、(1)気相法を用いた炭素繊維製造法、(2)樹脂組成物の溶融紡糸から製造する方法の2つが報告されている。   Two methods for producing such carbon fibers for high performance composite materials have been reported: (1) carbon fiber production method using vapor phase method, and (2) method of producing resin composition from melt spinning. ing.

気相法を用いた製造法としては、たとえばベンゼン等の有機化合物を原料とし、触媒としてフェロセン等の有機遷移金属化合物をキャリアーガスとともに高温の反応炉に導入し、基盤上に生成させる方法(例えば、特許文献1を参照。)、浮遊状態でVGCFを生成させる方法(例えば、特許文献2を参照。)、あるいは反応炉壁に成長させる方法(例えば、特許文献3を参照。)等が開示されている。しかし、これらの方法で得られる炭素繊維は高強度、高弾性率を有するものの、分岐が多く、その分岐のためにグラファイト構造の乱れ、すなわちグレイン構造が観察され、弾性率・強度を低下させるといった問題があり、また、分岐による炭素繊維同士の絡みあいにより、樹脂へのブレンド分散性を低下させるといった問題点を有しており、補強用フィラーとしては性能が非常に低いものであった。更に、コスト高になるという問題もあった。   As a production method using a gas phase method, for example, an organic compound such as benzene is used as a raw material, and an organic transition metal compound such as ferrocene is introduced into a high-temperature reactor as a catalyst together with a carrier gas, and is generated on a substrate (for example, , Refer to Patent Document 1), a method of generating VGCF in a floating state (for example, refer to Patent Document 2), a method of growing on a reactor wall (for example, refer to Patent Document 3), and the like. ing. However, although the carbon fiber obtained by these methods has high strength and high elastic modulus, there are many branches, and because of the branching, the disorder of the graphite structure, that is, the grain structure is observed, and the elastic modulus and strength are reduced. There is a problem, and there is a problem that the dispersibility of the blend into the resin is lowered due to the entanglement of the carbon fibers due to branching, and the performance as a reinforcing filler is very low. In addition, there is a problem of high costs.

一方、樹脂組成物の溶融紡糸から炭素繊維を製造する方法としては、フェノール樹脂とポリエチレンの複合繊維から極細炭素繊維を製造する方法(例えば、特許文献4を参照)が開示されている。該方法の場合、分岐構造の少ない炭素繊維が得られるが、フェノール樹脂は完全非晶であるため、配向形成しにくく、且つ難黒鉛化性であるため得られる極細炭素繊維の強度、弾性率の発現は期待できない等の問題があった。   On the other hand, as a method for producing carbon fibers from melt spinning of a resin composition, a method for producing ultrafine carbon fibers from a composite fiber of a phenol resin and polyethylene (for example, see Patent Document 4) is disclosed. In the case of the method, a carbon fiber having a small branched structure can be obtained, but since the phenol resin is completely amorphous, it is difficult to form an orientation and is hardly graphitized, so that the strength and elastic modulus of the obtained ultrafine carbon fiber are low. There was a problem that expression was not expected.

特開昭60−27700号公報(第2−3頁)JP-A-60-27700 (page 2-3) 特開昭60−54998号公報(第1−2頁)JP 60-54998 A (page 1-2) 特許第2778434号公報(第1−2頁)Japanese Patent No. 2778434 (page 1-2) 特開2001−73226号公報(第3−4頁)JP 2001-73226 A (page 3-4)

本発明の目的は、熱可塑性炭素前駆体から分岐構造の無い高強度・高弾性率の炭素繊維、より具体的には0.001μm〜2μmの繊維径を有する極細炭素繊維を提供するものである。
更に、本発明の他の目的は、上記極細繊維を製造する方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a high-strength and high-modulus carbon fiber having no branch structure from a thermoplastic carbon precursor, more specifically, an ultrafine carbon fiber having a fiber diameter of 0.001 μm to 2 μm. .
Furthermore, the other object of this invention is to provide the method of manufacturing the said ultrafine fiber.

本発明者らは、上記従来技術に鑑み、鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。即ち本発明の目的は、
複数のグラファイト層が集束されて構成された炭素繊維であって、該炭素繊維端部に存在するグラファイト層がループ状で閉まった構造を有することを特徴とする、炭素繊維によって達成することができる。
As a result of intensive studies in view of the above-described prior art, the present inventors have completed the present invention. That is, the object of the present invention is to
A carbon fiber comprising a plurality of graphite layers converged and having a structure in which a graphite layer existing at an end of the carbon fiber is closed in a loop shape can be achieved by the carbon fiber. .

また、本発明には、複数のグラファイト層が略繊維軸方向に配向し、かつ前記炭素繊維端部以外の表面のグラファイト層はループ状に閉まっていない構造を有すること、炭素繊維の繊維径(D)が0.001μm〜2μmであること、炭素繊維の繊維長(L)と繊維径(D)との間に下記関係式(1)が成り立つこと、も包含される。
30 < L/D (1)
Further, the present invention has a structure in which a plurality of graphite layers are oriented substantially in the fiber axis direction, and the graphite layers on the surface other than the carbon fiber end portions are not closed in a loop shape, the fiber diameter of the carbon fibers ( It is also included that D) is 0.001 μm to 2 μm, and that the following relational expression (1) holds between the fiber length (L) and the fiber diameter (D) of the carbon fiber.
30 <L / D (1)

また、本発明の他の目的は、
(1)熱可塑性樹脂100重量部並びにピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリカルボジイミド、ポリイミド、ポリベンゾアゾールおよびアラミドよりなる群から選ばれる少なくとも1種の熱可塑性炭素前駆体1〜150重量部からなる混合物から前駆体繊維を形成する工程、(2)前駆体繊維を酸素または酸素/沃素の混合ガス雰囲気下で安定化処理に付して安定化前駆体繊維を形成する工程、(3)安定化前駆体繊維から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成する工程、(4)繊維状炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程、を経る上記に記載の炭素繊維の製造方法により達成される。
Another object of the present invention is to
(1) Precursor consisting of 100 parts by weight of thermoplastic resin and 1 to 150 parts by weight of at least one thermoplastic carbon precursor selected from the group consisting of pitch, polyacrylonitrile, polycarbodiimide, polyimide, polybenzoazole and aramid A step of forming a body fiber, (2) a step of forming a stabilized precursor fiber by subjecting the precursor fiber to stabilization treatment in an oxygen or oxygen / iodine mixed gas atmosphere, and (3) a stabilized precursor fiber. removing the thermoplastic resin to form a fibrous carbon precursor from step (4) achieved by the method for producing a carbon-containing fiber according to the the fibrous carbon precursor Ru through the step of carbonization or graphitization Is done.

また、本発明の製造方法には、熱可塑性樹脂が下記式(I)で表されること、

Figure 0004429765
In the production method of the present invention, the thermoplastic resin is represented by the following formula (I):
Figure 0004429765

熱可塑性樹脂がポリ−4−メチルペンテン−1またはその共重合体であること、熱可塑性樹脂がポリエチレンであること、熱可塑性炭素前駆体がメソフェーズピッチ、ポリアクリロニトリルからなる群より選ばれる少なくとも一種であること、も包含される。   The thermoplastic resin is poly-4-methylpentene-1 or a copolymer thereof, the thermoplastic resin is polyethylene, and the thermoplastic carbon precursor is at least one selected from the group consisting of mesophase pitch and polyacrylonitrile. It is also included.

本発明の炭素繊維は、従来公知の気相成長法により得られた炭素繊維よりも、繊維の分岐構造が少ないため、グラファイトの乱れが少なく、高強度・高弾性率を有する。
また、分岐構造を有しないため、炭素繊維同士の絡み合いが殆どなく、樹脂へのブレンド分散性も非常に良好である。このため、補強用フィラーとして非常に有用である。
Since the carbon fiber of the present invention has less fiber branching structure than the carbon fiber obtained by a conventionally known vapor phase growth method, the graphite is less disturbed and has high strength and high elastic modulus.
Moreover, since it does not have a branched structure, there is almost no entanglement between the carbon fibers, and the blend dispersibility to the resin is very good. For this reason, it is very useful as a reinforcing filler.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の炭素繊維は、複数のグラファイトが集束されて構成された炭素繊維であって、該炭素繊維端部に存在するグラファイトがループ層状で閉まった構造を有する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The carbon fiber of the present invention is a carbon fiber formed by converging a plurality of graphites, and has a structure in which the graphite present at the ends of the carbon fibers is closed in a loop layer shape.

ここで、複数のグラファイトが集束されて構成された炭素繊維とは、グラファイト層が揃えて束ねられ、あるいは無秩序に集合することにより、複数のグラファイト層全体として繊維形状をとっていることをいい、炭素繊維端部に存在するグラファイトがループ状で閉まった構造とは、グラファイト層そのものの端部が炭素繊維端部に露出することなく、グラファイト層が略U字上に湾曲し、湾曲部分が炭素繊維端部に露出した状態を指す。   Here, the carbon fiber formed by converging a plurality of graphites means that the graphite layers are bundled together or bundled in a disorderly manner, thereby taking a fiber shape as a whole of the plurality of graphite layers, The structure in which the graphite present at the end of the carbon fiber is closed in a loop shape is that the end of the graphite layer itself is not exposed at the end of the carbon fiber, the graphite layer is curved in a substantially U shape, and the curved portion is carbon. It refers to the state exposed at the fiber end.

本発明においては、グラファイト層がこのような構造をとることにより、炭素繊維全体のグラファイト層の乱れが抑制され、高弾性率、高強度の炭素繊維を得ることができる。
また、本発明の炭素繊維は、複数のグラファイト層が略繊維軸方向に配向し、且つ前記炭素繊維の端部以外の表面のグラファイト層はループ状に閉まっていないことが好ましい。
In the present invention, since the graphite layer has such a structure, the disturbance of the graphite layer of the entire carbon fiber is suppressed, and a carbon fiber having a high elastic modulus and high strength can be obtained.
In the carbon fiber of the present invention, it is preferable that a plurality of graphite layers are oriented substantially in the fiber axis direction, and the graphite layers on the surface other than the ends of the carbon fibers are not closed in a loop shape.

ここで、複数のグラファイト層が略繊維軸方向に配向し、とは、グラファイト層が揃えて束ねられた状態で複数のグラファイト層全体として繊維形状をとっていることをいい、炭素繊維の端部以外の表面のグラファイト層がループ状に閉まっていないとは、前述の略U字上に湾曲した部分は、炭素繊維端部以外には露出していない状態を指す。
このような構造であれば、炭素繊維全体のグラファイト層の乱れは更に抑制され、高弾性率、高強度の炭素繊維を得ることができる。
Here, the plurality of graphite layers are oriented substantially in the fiber axis direction, which means that the plurality of graphite layers are in a fiber shape as a whole in a state where the graphite layers are aligned and bundled. The fact that the graphite layer on the other surface is not closed in a loop shape means a state where the above-described substantially curved U-shaped portion is not exposed except at the end of the carbon fiber.
If it is such a structure, disorder of the graphite layer of the whole carbon fiber will be suppressed further, and a high elastic modulus and high intensity | strength carbon fiber can be obtained.

また、本発明の炭素繊維は、その繊維径(D)が0.001μm〜2μmの範囲にあることが好ましい。炭素繊維の繊維径が2μmより大きい場合には、高性能複合材料用フィラーとして用いる場合には、その性能が著しく低下することに留意する必要がある。
一方、繊維径が0.001μm未満であると、かさ密度が非常に小さくなるので、ハンドリングが困難となる。
The carbon fiber of the present invention preferably has a fiber diameter (D) in the range of 0.001 μm to 2 μm. When the fiber diameter of the carbon fiber is larger than 2 μm, it should be noted that when used as a filler for a high performance composite material, the performance is remarkably lowered.
On the other hand, if the fiber diameter is less than 0.001 μm, the bulk density becomes very small, and handling becomes difficult.

また、本発明の炭素繊維は、繊維長(L)と繊維径(D)との間に下記関係式(1)が成り立つことが好ましい。
30 < L/D(1)
In the carbon fiber of the present invention, the following relational expression (1) is preferably established between the fiber length (L) and the fiber diameter (D).
30 <L / D (1)

ここで、L/Dが30以下の場合には、高性能複合材料用フィラーとして用いる場合には、その性能が著しく低下することに留意する必要がある。より好ましくはL/Dが50以上である。この範囲内にあるときには、高性能複合材料用フィラーとして更に優れた機械特性を有する炭素繊維を得ることができる。   Here, when L / D is 30 or less, when using as a filler for high performance composite materials, it is necessary to note that the performance is remarkably deteriorated. More preferably, L / D is 50 or more. When it is within this range, a carbon fiber having further excellent mechanical properties as a high-performance composite filler can be obtained.

上記条件を満足する炭素繊維は、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の混合物から製造される。   Carbon fibers satisfying the above conditions are produced from a mixture of a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor.

以下に、本発明で使用する(1)熱可塑性樹脂、(2)熱可塑性炭素前駆体について説明し、ついで(3)熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体から混合物を製造する方法、次いで(4)混合物から炭素繊維を製造する方法、の順に詳細に説明する。   The following describes (1) the thermoplastic resin and (2) the thermoplastic carbon precursor used in the present invention, and then (3) a method for producing a mixture from the thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor, and then (4 ) The method for producing carbon fiber from the mixture will be described in detail in this order.

(1)熱可塑性樹脂
本発明で使用する熱可塑性樹脂は、安定化前駆体繊維を製造後、容易に除去される必要がある。このため、酸素または不活性ガス雰囲気下、350℃以上600℃未満の温度で5時間保持することで、初期重量の15wt%以下、より好ましくは10wt%以下、さらには5wt%以下にまで分解する熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。このような熱可塑性樹脂として、ポリオレフィン、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリレート系ポリマー、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ポリサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等が好ましく使用される。これらの中でもガス透過性が高く、容易に熱分解しうる熱可塑性樹脂として、例えば下記式(I)で表されるポリオレフィン系の熱可塑性樹脂やポリエチレンなどが好ましく使用される。
(1) Thermoplastic resin The thermoplastic resin used in the present invention needs to be easily removed after the production of the stabilized precursor fiber. For this reason, it is decomposed | disassembled to 15 wt% or less of the initial weight, more preferably 10 wt% or less, and further 5 wt% or less by hold | maintaining for 5 hours at the temperature of 350 degreeC or more and less than 600 degreeC in oxygen or inert gas atmosphere. It is preferable to use a thermoplastic resin. As such a thermoplastic resin, a polyacrylate polymer such as polyolefin, polymethacrylate, polymethylmethacrylate, polystyrene, polycarbonate, polyarylate, polyester carbonate, polysulfone, polyimide, polyetherimide and the like are preferably used. Among these, as a thermoplastic resin that has high gas permeability and can be easily thermally decomposed, for example, a polyolefin-based thermoplastic resin represented by the following formula (I) or polyethylene is preferably used.

Figure 0004429765
Figure 0004429765

上記式(I)で表される化合物の具体的な例としては、ポリ−4−メチルペンテン−1やポリ−4−メチルペンテン−1の共重合体、例えばポリ−4−メチルペンテン−1にビニル系モノマーが共重合したポリマーなどや、ポリエチレンを例示することができ、ポリエチレンとしては、高圧法低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレンなどのエチレンの単独重合体またはエチレンとα−オレフィンとの共重合体;エチレン・酢酸ビニル共重合体などのエチレンと他のビニル系単量体との共重合体等が挙げられる。   Specific examples of the compound represented by the formula (I) include poly-4-methylpentene-1 and a copolymer of poly-4-methylpentene-1, such as poly-4-methylpentene-1. Examples of the polymer copolymerized with vinyl monomers and polyethylene include polyethylene homopolymers such as high-pressure low-density polyethylene, medium-density polyethylene, high-density polyethylene, and linear low-density polyethylene. Or a copolymer of ethylene and an α-olefin; a copolymer of ethylene and another vinyl monomer such as an ethylene / vinyl acetate copolymer;

エチレンと共重合されるα−オレフィンとしては、例えば、プロピレン、1−ブテン、1−ヘキセン、1−オクテンなどが挙げられる。他のビニル系単量体としては、例えば、酢酸ビニル等のビニルエステル;(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸n−ブチル等の(メタ)アクリル酸およびそのアルキルエステルなどが挙げられる。   Examples of the α-olefin copolymerized with ethylene include propylene, 1-butene, 1-hexene, 1-octene and the like. Examples of other vinyl monomers include vinyl esters such as vinyl acetate; (meth) acrylic acid, methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate ( And meth) acrylic acid and alkyl esters thereof.

また、本発明の熱可塑性樹脂は熱可塑性炭素前駆体と容易に溶融混練できるという点から、非晶性の場合、ガラス転移温度が250℃以下、結晶性の場合、結晶融点が300℃以下であることが好ましい。   In addition, the thermoplastic resin of the present invention can be easily melt-kneaded with a thermoplastic carbon precursor, so that when amorphous, the glass transition temperature is 250 ° C. or lower, and when crystalline, the crystalline melting point is 300 ° C. or lower. Preferably there is.

(2)熱可塑性炭素前駆体
本発明に用いられる熱可塑性炭素前駆体は、酸素または酸素/沃素の混合ガス雰囲気下、200℃以上350℃未満で2〜30時間保持した後、次いで350℃以上500℃未満の温度で5時間保持することで、初期重量の80wt%以上が残存する熱可塑性炭素前駆体を用いるのが好ましい。上記条件で、残存量が初期重量の80%未満であると、熱可塑性炭素前駆体から充分な炭化率で炭素繊維を得ることができず、好ましくない。
(2) Thermoplastic carbon precursor The thermoplastic carbon precursor used in the present invention is maintained at 200 ° C. or higher and lower than 350 ° C. for 2 to 30 hours in an oxygen or oxygen / iodine mixed gas atmosphere, and then 350 ° C. or higher. It is preferable to use a thermoplastic carbon precursor in which 80 wt% or more of the initial weight remains by holding at a temperature of less than 500 ° C. for 5 hours. Under the above conditions, if the residual amount is less than 80% of the initial weight, carbon fibers cannot be obtained with a sufficient carbonization rate from the thermoplastic carbon precursor, which is not preferable.

より好ましくは、上記条件において初期重量の85%以上が残存することである。上記条件を満たす熱可塑性炭素前駆体としては、具体的にはレーヨン、ピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリα−クロロアクリロニトリル、ポリカルボジイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリベンゾアゾール、およびアラミド類等が挙げられ、これらの中でピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリカルボジイミドが好ましく、ピッチがさらに好ましい。   More preferably, 85% or more of the initial weight remains under the above conditions. Specific examples of the thermoplastic carbon precursor that satisfies the above conditions include rayon, pitch, polyacrylonitrile, poly α-chloroacrylonitrile, polycarbodiimide, polyimide, polyetherimide, polybenzoazole, and aramids. Among these, pitch, polyacrylonitrile, and polycarbodiimide are preferable, and pitch is more preferable.

またピッチの中でも一般的に高強度、高弾性率の期待されるメソフェーズピッチが好ましい。なお、メソフェーズピッチとは溶融状態において光学的異方性相(液晶相)を形成しうる化合物を指す。メソフェーズピッチの原料としては石炭や石油の蒸留残渣を使用してもよく、有機化合物を使用しても良いが、安定化や炭素化もしくは黒鉛化のしやすさから、ナフタレン等の芳香族炭化水素を原料としたメソフェーズピッチを用いるのが好ましい。上記熱可塑性炭素前駆体は熱可塑性樹脂100重量部に対し1〜150重量部、好ましくは5〜100重量部を使用しうる。   Of the pitches, mesophase pitches which are generally expected to have high strength and high elastic modulus are preferred. The mesophase pitch refers to a compound that can form an optically anisotropic phase (liquid crystal phase) in a molten state. As raw materials for mesophase pitch, distillation residue of coal or petroleum may be used, and organic compounds may be used. It is preferable to use a mesophase pitch using as a raw material. The thermoplastic carbon precursor may be used in an amount of 1 to 150 parts by weight, preferably 5 to 100 parts by weight, based on 100 parts by weight of the thermoplastic resin.

(3)熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とからなる混合物の製造
本発明で使用する混合物は、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体から製造される。本発明で使用する混合物から、繊維径が1μm未満である炭素繊維を製造するためには、熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂中への分散径が0.01〜50μmとなるのが好ましい。熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂(I)中への分散径が0.01〜50μmの範囲を逸脱すると、高性能複合材料用としての炭素繊維を製造することが困難となることがある。熱可塑性炭素前駆体の分散径のより好ましい範囲は0.01〜30μmである。また、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体からなる混合物を、300℃で3分保持した後、熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂中への分散径が0.01〜50μmであることが好ましい。
(3) Manufacture of the mixture which consists of a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor The mixture used by this invention is manufactured from a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor. In order to produce carbon fibers having a fiber diameter of less than 1 μm from the mixture used in the present invention, the dispersion diameter of the thermoplastic carbon precursor in the thermoplastic resin is preferably 0.01 to 50 μm. When the dispersion diameter of the thermoplastic carbon precursor in the thermoplastic resin (I) deviates from the range of 0.01 to 50 μm, it may be difficult to produce carbon fibers for high-performance composite materials. A more preferable range of the dispersion diameter of the thermoplastic carbon precursor is 0.01 to 30 μm. Moreover, it is preferable that the dispersion diameter of the thermoplastic carbon precursor in the thermoplastic resin is 0.01 to 50 μm after holding a mixture of the thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor at 300 ° C. for 3 minutes. .

一般に、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体との溶融混練で得た混合物を、溶融状態で保持しておくと時間と共に熱可塑性炭素前駆体が凝集するが、熱可塑性炭素前駆体の凝集により、分散径が50μmを超えると、高性能複合材料用としての炭素繊維を製造することが困難となることがある。熱可塑性炭素前駆体の凝集速度の程度は、使用する熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体との種類により変動するが、より好ましくは300℃で5分以上、さらに好ましくは300℃で10分以上、0.01〜50μmの分散径を維持していることが好ましい。なお、混合物中で熱可塑性炭素前駆体は島相を形成し、球状あるいは楕円状となるが、本発明で言う分散径とは混合物中で熱可塑性炭素前駆体の球形の直径または楕円体の長軸径を意味する。   Generally, when a mixture obtained by melt-kneading a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor is kept in a molten state, the thermoplastic carbon precursor aggregates with time, but due to the aggregation of the thermoplastic carbon precursor, If the dispersion diameter exceeds 50 μm, it may be difficult to produce carbon fibers for high performance composite materials. The degree of the aggregation rate of the thermoplastic carbon precursor varies depending on the type of the thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor used, but is more preferably 5 minutes or more at 300 ° C., more preferably 10 minutes or more at 300 ° C. It is preferable to maintain a dispersion diameter of 0.01 to 50 μm. The thermoplastic carbon precursor in the mixture forms an island phase and is spherical or elliptical. The dispersion diameter referred to in the present invention is the spherical diameter of the thermoplastic carbon precursor or the length of the ellipsoid in the mixture. It means the shaft diameter.

熱可塑性炭素前駆体の使用量は、熱可塑性樹脂100重量部に対して1〜150重量部、好ましくは5〜100重量部である。熱可塑性炭素前駆体の使用量が150重量部を超えると所望の分散径を有する熱可塑性炭素前駆体が得られず、1重量部未満であると目的とする炭素繊維を安価に製造する事ができない等の問題が生じるため好ましくない。   The usage-amount of a thermoplastic carbon precursor is 1-150 weight part with respect to 100 weight part of thermoplastic resins, Preferably it is 5-100 weight part. If the amount of the thermoplastic carbon precursor used exceeds 150 parts by weight, a thermoplastic carbon precursor having a desired dispersion diameter cannot be obtained, and if it is less than 1 part by weight, the target carbon fiber can be produced at low cost. This is not preferable because problems such as inability to occur occur.

熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とから混合物を製造する方法は、溶融状態における混練が好ましい。熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の溶融混練は公知の方法を必要に応じて用いる事ができ、例えば一軸式溶融混練押出機、二軸式溶融混練押出機、ミキシングロール、バンバリーミキサー等が挙げられる。これらの中で上記熱可塑性炭素前駆体を熱可塑性樹脂に良好にミクロ分散させるという目的から、同方向回転型二軸式溶融混練押出機が好ましく使用される。溶融混練温度としては100℃〜400℃で行なうのが好ましい。溶融混練温度が100℃未満であると、熱可塑性炭素前駆体が溶融状態にならず、熱可塑性樹脂とのミクロ分散が困難であるため好ましくない。一方、400℃を超える場合、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の分解が進行するためいずれも好ましくない。溶融混練温度のより好ましい範囲は150℃〜350℃である。また、溶融混練の時間としては0.5〜20分間、好ましくは1〜15分間である。溶融混練の時間が0.5分間未満の場合、熱可塑性炭素前駆体のミクロ分散が困難であるため好ましくない。一方、20分間を超える場合、炭素繊維の生産性が著しく低下し好ましくない。   As a method for producing a mixture from a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor, kneading in a molten state is preferable. The melt kneading of the thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor can be carried out using a known method as required, such as a uniaxial melt kneading extruder, a biaxial melt kneading extruder, a mixing roll, a Banbury mixer, etc. It is done. Among these, a co-rotating twin-screw melt kneading extruder is preferably used for the purpose of satisfactorily microdispersing the thermoplastic carbon precursor in the thermoplastic resin. The melt kneading temperature is preferably 100 to 400 ° C. When the melt kneading temperature is less than 100 ° C., the thermoplastic carbon precursor is not in a molten state, and micro-dispersion with the thermoplastic resin is difficult, which is not preferable. On the other hand, when the temperature exceeds 400 ° C., the decomposition of the thermoplastic resin and the thermoplastic carbon precursor proceeds, which is not preferable. A more preferable range of the melt kneading temperature is 150 ° C to 350 ° C. The melt kneading time is 0.5 to 20 minutes, preferably 1 to 15 minutes. When the melt kneading time is less than 0.5 minutes, it is not preferable because micro dispersion of the thermoplastic carbon precursor is difficult. On the other hand, when it exceeds 20 minutes, the productivity of carbon fibers is remarkably lowered, which is not preferable.

本発明では、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体から溶融混練により混合物を製造する際に、酸素ガス含有量10%未満のガス雰囲気下で溶融混練することが好ましい。本発明で使用する熱可塑性炭素前駆体は酸素と反応することで溶融混練時に変性不融化してしまい、熱可塑性樹脂中へのミクロ分散を阻害することがある。このため、不活性ガスを流通させながら溶融混練を行い、できるだけ酸素ガス含有量を低下させることが好ましい。より好ましい溶融混練時の酸素ガス含有量は5%未満、さらには1%未満である。上記の方法を実施することで、炭素繊維を製造するための、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体との混合物を製造することができる。   In the present invention, when a mixture is produced from a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor by melt-kneading, it is preferably melt-kneaded in a gas atmosphere having an oxygen gas content of less than 10%. The thermoplastic carbon precursor used in the present invention reacts with oxygen to be modified and infusible at the time of melt kneading, which may inhibit micro-dispersion in the thermoplastic resin. For this reason, it is preferable to perform melt kneading while circulating an inert gas to reduce the oxygen gas content as much as possible. The oxygen gas content during melt kneading is more preferably less than 5%, and further less than 1%. By implementing said method, the mixture of the thermoplastic resin and thermoplastic carbon precursor for manufacturing carbon fiber can be manufactured.

(4)炭素繊維を製造する方法
本発明の炭素繊維は、上述の熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とからなる混合物から製造することができる。即ち、本発明の炭素繊維は、(4−1)熱可塑性樹脂100重量部と熱可塑性炭素前駆体1〜150重量部からなる混合物から前駆体繊維を形成する工程、(4−2)前駆体繊維を安定化処理に付して前駆体繊維中の熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体繊維を形成する工程、(4−3)安定化前駆体繊維から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成する工程、そして、(4−4)繊維状炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程を経ることで製造される。各工程について、以下に詳細に説明する。
(4) Method for Producing Carbon Fiber The carbon fiber of the present invention can be produced from a mixture comprising the above-described thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor. That is, the carbon fiber of the present invention comprises (4-1) a step of forming a precursor fiber from a mixture of 100 parts by weight of a thermoplastic resin and 1 to 150 parts by weight of a thermoplastic carbon precursor, (4-2) a precursor. A step of stabilizing the thermoplastic carbon precursor in the precursor fiber to form a stabilized precursor fiber by subjecting the fiber to a stabilization treatment; (4-3) removing the thermoplastic resin from the stabilized precursor fiber; And a step of forming a fibrous carbon precursor and (4-4) a step of carbonizing or graphitizing the fibrous carbon precursor. Each step will be described in detail below.

(4−1)熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体からなる混合物から前駆体繊維を形成する工程
本発明では、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の溶融混練で得た混合物から前駆体繊維を形成する。前駆体繊維を製造する方法としては、熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体とからなる混合物を紡糸口金より溶融紡糸することにより得る方法などを例示することができる。溶融紡糸する際の紡糸温度としては150℃〜400℃、好ましくは180℃〜350℃である。紡糸引取り速度としては10m/分〜2000m/分である事が好ましい。また、別法として熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体の溶融混練で得た混合物から、メルトブロー法により前駆体繊維を形成する方法も例示することができる。メルトブローの条件としては、吐出ダイ温度が150〜400℃、ガス温度が150〜400℃の範囲が好適に用いられる。メルトブローの気体噴出速度は、前駆体繊維の繊維径に影響するが、気体噴出速度は、通常2000〜100m/sであり、より好ましくは1000〜200m/sである。
(4-1) Step of forming precursor fibers from a mixture comprising a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor In the present invention, precursor fibers are obtained from a mixture obtained by melt-kneading a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor. Form. Examples of the method for producing the precursor fiber include a method obtained by melt spinning a mixture of a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor from a spinneret. The spinning temperature for melt spinning is 150 ° C to 400 ° C, preferably 180 ° C to 350 ° C. The spinning take-up speed is preferably 10 m / min to 2000 m / min. Moreover, the method of forming precursor fiber by the melt blow method from the mixture obtained by melt-kneading a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor as another method can also be illustrated. As the conditions for the melt blow, a discharge die temperature of 150 to 400 ° C. and a gas temperature of 150 to 400 ° C. are preferably used. The gas blowing speed of the melt blow affects the fiber diameter of the precursor fiber, but the gas blowing speed is usually 2000 to 100 m / s, more preferably 1000 to 200 m / s.

熱可塑性樹脂と熱可塑性炭素前駆体との混合物を溶融混練し、その後ダイより吐出する際、溶融混練した後溶融状態のままで配管内を送液し吐出ダイまで連続的に送液するのが好ましく、溶融混練から紡糸口金吐出までの移送時間は10分以内である事が好ましい。   When a mixture of a thermoplastic resin and a thermoplastic carbon precursor is melt-kneaded and then discharged from the die, it is melt-kneaded and then fed in the molten state in a molten state and continuously sent to the discharge die. Preferably, the transfer time from melt-kneading to spinneret discharge is preferably within 10 minutes.

(4−2)前駆体繊維を安定化処理に付して前駆体繊維中の熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体繊維を形成する工程
本発明の製造方法における第二の工程では、上記で作成した前駆体繊維を安定化処理に付して前駆体繊維中の熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体繊維を形成する。熱可塑性炭素前駆体の安定化は炭素化もしくは黒鉛化された炭素繊維を得るために必要な工程であり、これを実施せず次工程である熱可塑性樹脂の除去を行った場合、熱可塑性炭素前駆体が熱分解したり融着したりするなどの問題が生じる。
(4-2) A step of subjecting the precursor fiber to stabilization treatment to stabilize the thermoplastic carbon precursor in the precursor fiber to form a stabilized precursor fiber In the second step in the production method of the present invention, The precursor fiber prepared above is subjected to a stabilization treatment to stabilize the thermoplastic carbon precursor in the precursor fiber to form a stabilized precursor fiber. Stabilization of the thermoplastic carbon precursor is a necessary process for obtaining carbonized or graphitized carbon fibers. If the thermoplastic resin is removed as the next process without carrying out this process, the thermoplastic carbon is removed. Problems such as thermal decomposition and fusion of the precursor occur.

該安定化の方法としては酸素などのガス気流処理、酸性水溶液などの溶液処理など公知の方法で行なう事ができるが、生産性の面からガス気流下での不融化が好ましい。使用するガス成分としては上記熱可塑性樹脂への浸透性および熱可塑性炭素前駆体への吸着性の点から、また熱可塑性炭素前駆体を低温で速やかに不融化させ得るという点から酸素および/またはハロゲンガスを含む混合ガスである事が好ましい。ハロゲンガスとしては、フッ素ガス、塩素ガス、臭素ガス、沃素ガスを挙げることができるが、これらの中でも臭素ガス、沃素ガス、特に沃素ガスが好ましい。ガス気流下での不融化の具体的な方法としては、温度50〜350℃、好ましくは80〜300℃で、5時間以下、好ましくは2時間以下で所望のガス雰囲気中で処理する事が好ましい。   The stabilization can be performed by a known method such as a gas flow treatment with oxygen or a solution treatment with an acidic aqueous solution, but infusibilization under a gas flow is preferable from the viewpoint of productivity. As the gas component to be used, oxygen and / or from the viewpoint of permeability to the thermoplastic resin and adsorption to the thermoplastic carbon precursor, and from the point that the thermoplastic carbon precursor can be quickly infusibilized at a low temperature. A mixed gas containing a halogen gas is preferred. Examples of the halogen gas include fluorine gas, chlorine gas, bromine gas, and iodine gas. Among these, bromine gas, iodine gas, and particularly iodine gas are preferable. As a specific method of infusibilization under a gas stream, it is preferable to perform the treatment in a desired gas atmosphere at a temperature of 50 to 350 ° C., preferably 80 to 300 ° C., for 5 hours or less, preferably 2 hours or less. .

また、上記不融化により前駆体繊維中に含まれる熱可塑性炭素前駆体の軟化点は著しく上昇するが、所望の極細炭素繊維を得るという目的から軟化点が400℃以上となる事が好ましく、500℃以上である事がさらに好ましい。上記の方法を実施することで、前駆体繊維中の熱可塑性炭素前駆体を安定化して安定化前駆体繊維を得ることができる。   Further, although the softening point of the thermoplastic carbon precursor contained in the precursor fiber is remarkably increased by the infusibilization, the softening point is preferably 400 ° C. or higher for the purpose of obtaining a desired ultrafine carbon fiber. More preferably, the temperature is higher than or equal to ° C. By carrying out the above method, it is possible to stabilize the thermoplastic carbon precursor in the precursor fiber and obtain a stabilized precursor fiber.

(4−3)安定化前駆体繊維から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成する工程
本発明の製造方法における第三の工程は安定化前駆体繊維に含まれる熱可塑性樹脂を熱分解で除去するものであり、具体的には安定化前駆体繊維中に含まれる熱可塑性樹脂を除去し、安定化された繊維状炭素前駆体のみを分離し、繊維状炭素前駆体を形成する。この工程では、繊維状炭素前駆体の熱分解をできるだけ抑え、かつ熱可塑性樹脂を分解除去し、繊維状炭素前駆体のみを分離する必要がある。
(4-3) Step of forming a fibrous carbon precursor by removing the thermoplastic resin from the stabilized precursor fiber The third step in the production method of the present invention is the thermoplastic resin contained in the stabilized precursor fiber. It is removed by pyrolysis. Specifically, the thermoplastic resin contained in the stabilized precursor fiber is removed, and only the stabilized fibrous carbon precursor is separated to form the fibrous carbon precursor. To do. In this step, it is necessary to suppress the thermal decomposition of the fibrous carbon precursor as much as possible, to decompose and remove the thermoplastic resin, and to separate only the fibrous carbon precursor.

熱可塑性樹脂の除去は、酸素存在雰囲気および不活性ガス雰囲気のどちらでもよい。酸素存在雰囲気で熱可塑性樹脂を除去する場合には、350℃以上600℃未満の温度で除去する必要がある。なお、ここで言う酸素存在雰囲気下とは、酸素濃度が1〜100%のガス雰囲気を指しており、酸素以外に二酸化炭素、窒素、アルゴン等の不活性ガスや、沃素、臭素等の不活性ガスを含有していても良い。これら条件の中でも、特にコストの関係から空気を用いることが特に好ましい。   The removal of the thermoplastic resin may be performed in either an oxygen-existing atmosphere or an inert gas atmosphere. When removing the thermoplastic resin in an oxygen-existing atmosphere, it is necessary to remove it at a temperature of 350 ° C. or higher and lower than 600 ° C. The term “in the presence of oxygen” here refers to a gas atmosphere having an oxygen concentration of 1 to 100%. In addition to oxygen, inert gases such as carbon dioxide, nitrogen and argon, and inert gases such as iodine and bromine are used. It may contain gas. Among these conditions, it is particularly preferable to use air particularly from the viewpoint of cost.

安定化前駆体繊維に含まれる熱可塑性樹脂を除去する温度が350℃未満のときには、繊維状炭素前駆体の熱分解は抑えられるものの、熱可塑性樹脂の熱分解を充分行なうことができず好ましくない。また、600℃以上であると、熱可塑性樹脂の熱分解は充分行なうことができるものの、繊維状炭素前駆体の熱分解も起こってしまい、結果として熱可塑性炭素前駆体から得られる炭素繊維の炭化収率を低下させてしまい好ましくない。   When the temperature for removing the thermoplastic resin contained in the stabilized precursor fiber is less than 350 ° C., the thermal decomposition of the fibrous carbon precursor can be suppressed, but the thermoplastic resin cannot be sufficiently decomposed, which is not preferable. . If the temperature is 600 ° C. or higher, the thermoplastic resin can be sufficiently thermally decomposed, but the fibrous carbon precursor is also thermally decomposed, resulting in carbonization of the carbon fiber obtained from the thermoplastic carbon precursor. The yield is lowered, which is not preferable.

安定化前駆体繊維に含まれる熱可塑性樹脂を分解する温度としては、酸素雰囲気下380〜500℃であることが好ましく、特に400〜450℃の温度範囲で、0.5〜10時間処理するのが好ましい。上記処理を施すことで、熱可塑性樹脂は使用した初期重量の15wt%以下にまで分解される。また、熱可塑性炭素前駆体は使用した初期重量の80wt%以上が繊維状炭素前駆体として残存する。   The temperature at which the thermoplastic resin contained in the stabilized precursor fiber is decomposed is preferably 380 to 500 ° C. in an oxygen atmosphere, particularly in the temperature range of 400 to 450 ° C. for 0.5 to 10 hours. Is preferred. By performing the above treatment, the thermoplastic resin is decomposed to 15 wt% or less of the initial weight used. Moreover, 80 wt% or more of the initial weight used for the thermoplastic carbon precursor remains as a fibrous carbon precursor.

また、不活性ガス雰囲気下で熱可塑性樹脂を除去する場合には、350℃以上600℃未満の温度で除去する必要がある。なお、ここで言う不活性ガス雰囲気下とは、酸素濃度30ppm以下、より好ましくは20ppm以下の二酸化炭素、窒素、アルゴン等のガスをさす。なお、沃素、臭素等のハロゲンガスを含有していても良い。   Moreover, when removing a thermoplastic resin in inert gas atmosphere, it is necessary to remove at the temperature of 350 degreeC or more and less than 600 degreeC. The term “inert gas atmosphere” as used herein refers to a gas such as carbon dioxide, nitrogen, or argon having an oxygen concentration of 30 ppm or less, more preferably 20 ppm or less. Note that a halogen gas such as iodine or bromine may be contained.

なお、本工程で使用する不活性ガスとしては、コストの関係から二酸化炭素と窒素が好ましく用いることができ、窒素が特に好ましい。安定化前駆体繊維からなる不織布に含まれる熱可塑性樹脂を除去する温度が350℃未満のとき、繊維状炭素前駆体の熱分解は抑えられるものの、熱可塑性樹脂の熱分解を充分行なうことができず好ましくない。また、600℃以上であると、熱可塑性樹脂の熱分解は充分行なうことができるものの、繊維状炭素前駆体の熱分解も起こってしまい、結果として熱可塑性炭素前駆体から得られる炭素繊維からなる不織布の炭化収率を低下させてしまい好ましくない。安定化前駆体繊維に含まれる熱可塑性樹脂を分解する温度としては、不活性ガス雰囲気下380〜550℃とすることが好ましく、特に400〜530℃の温度範囲で、0.5〜10時間処理するのが好ましい。上記処理を施すことで、使用した熱可塑性樹脂の初期重量の15wt%以下にまで分解される。また、使用した熱可塑性炭素前駆体の初期重量の80wt%以上が繊維状炭素前駆体として残存する。   In addition, as an inert gas used at this process, a carbon dioxide and nitrogen can be used preferably from the relationship of cost, and nitrogen is especially preferable. When the temperature at which the thermoplastic resin contained in the nonwoven fabric composed of the stabilized precursor fibers is removed is less than 350 ° C., the thermal decomposition of the fibrous carbon precursor can be suppressed, but the thermoplastic resin can be sufficiently decomposed. Not preferable. Further, when the temperature is 600 ° C. or higher, the thermoplastic resin can be sufficiently thermally decomposed, but the fibrous carbon precursor is also thermally decomposed. As a result, the thermoplastic resin is made of carbon fibers obtained from the thermoplastic carbon precursor. Since the carbonization yield of a nonwoven fabric is reduced, it is not preferable. The temperature for decomposing the thermoplastic resin contained in the stabilized precursor fiber is preferably set to 380 to 550 ° C. in an inert gas atmosphere, particularly in the temperature range of 400 to 530 ° C., for 0.5 to 10 hours. It is preferable to do this. By performing the above-mentioned treatment, it is decomposed to 15 wt% or less of the initial weight of the used thermoplastic resin. Moreover, 80 wt% or more of the initial weight of the used thermoplastic carbon precursor remains as a fibrous carbon precursor.

また、安定化前駆体繊維から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成する別の方法として、熱可塑性樹脂を溶剤で除去する方法を採択しても良い。この方法では、繊維状炭素前駆体の溶剤への溶解をできるだけ抑え、かつ熱可塑性樹脂を分解除去し、繊維状炭素前駆体のみを分離する必要がある。この条件を満たすために、本発明では、繊維状炭素前駆体に含まれる熱可塑性樹脂を、30〜300℃の温度を有する溶剤で除去するのが好ましい。溶剤の温度が30℃未満であると、前駆体繊維に含まれる熱可塑性樹脂を除去するのに多大の時間を有し好ましくない。一方、300℃以上であると、短時間により熱可塑性樹脂を除去することは可能だが、繊維状炭素前駆体(I)も溶解させ、その繊維構造を破壊するだけでなく、最終的に得られる炭素繊維の原料に対する炭化収率を低下させ好ましくない。安定化前駆体繊維から熱可塑性樹脂を溶剤で除去する温度としては、50〜250℃、さらには80〜200℃が特に好ましい。   Further, as another method of removing the thermoplastic resin from the stabilized precursor fiber to form the fibrous carbon precursor, a method of removing the thermoplastic resin with a solvent may be adopted. In this method, it is necessary to suppress dissolution of the fibrous carbon precursor in the solvent as much as possible, decompose and remove the thermoplastic resin, and separate only the fibrous carbon precursor. In order to satisfy this condition, in the present invention, it is preferable to remove the thermoplastic resin contained in the fibrous carbon precursor with a solvent having a temperature of 30 to 300 ° C. When the temperature of the solvent is less than 30 ° C., it takes a lot of time to remove the thermoplastic resin contained in the precursor fiber, which is not preferable. On the other hand, when the temperature is 300 ° C. or higher, the thermoplastic resin can be removed in a short time, but the fibrous carbon precursor (I) is dissolved and the fiber structure is not only destroyed, but finally obtained. This is not preferable because the carbonization yield of the carbon fiber raw material is lowered. The temperature at which the thermoplastic resin is removed from the stabilized precursor fiber with a solvent is particularly preferably 50 to 250 ° C, more preferably 80 to 200 ° C.

(4−4)繊維状炭素前駆体からなる不織布を炭素化もしくは黒鉛化する工程
本発明の製造方法における第四の工程は、熱可塑性樹脂を初期重量の15wt%以下にまで除いた繊維状炭素前駆体を不活性ガス雰囲気中で炭素化もしくは黒鉛化し炭素繊維を製造するものである。本発明において繊維状炭素前駆体は不活性ガス雰囲気下での高温処理により炭素化もしくは黒鉛化し、所望の炭素繊維となる。得られる炭素繊維の繊維径としては0.001μm〜1μmであることが好ましい。
(4-4) Step of carbonizing or graphitizing a nonwoven fabric composed of a fibrous carbon precursor The fourth step in the production method of the present invention is fibrous carbon obtained by removing the thermoplastic resin to 15 wt% or less of the initial weight. The precursor is carbonized or graphitized in an inert gas atmosphere to produce a carbon fiber. In the present invention, the fibrous carbon precursor is carbonized or graphitized by high-temperature treatment in an inert gas atmosphere to form a desired carbon fiber. The fiber diameter of the obtained carbon fiber is preferably 0.001 μm to 1 μm.

繊維状炭素前駆体からなる不織布の炭素化もしくは黒鉛化は公知の方法で行なうことができる。使用される不活性ガスとしては窒素、アルゴン等があげられ、温度は500℃〜3500℃、好ましくは800℃〜3000℃である。なお、炭素化もしくは黒鉛化する際の、酸素濃度は20ppm以下、さらには10ppm以下であることが好ましい。上記の方法を実施することで、炭素繊維を製造することができる。   Carbonization or graphitization of a nonwoven fabric made of a fibrous carbon precursor can be performed by a known method. Examples of the inert gas used include nitrogen and argon, and the temperature is 500 ° C to 3500 ° C, preferably 800 ° C to 3000 ° C. Note that the oxygen concentration during carbonization or graphitization is preferably 20 ppm or less, and more preferably 10 ppm or less. By carrying out the above method, carbon fibers can be produced.

(5)炭素繊維
本発明の炭素繊維は、複数のグラファイト層が集束されて構成された炭素繊維であって、該炭素繊維端部に存在するグラファイト層がループ状で閉まった構造を有し、複数のグラファイト層が略繊維軸方向に配向し、かつ前記炭素繊維の端部以外の表面のグラファイト層はループ状に閉まっていない構造を有する炭素繊維である。また、本発明の炭素繊維は、炭素繊維の繊維径(D)が0.001μm〜2μmであり、炭素繊維の繊維長(L)と繊維径(D)との間に下記関係式(1)が成り立つ。
30 < L/D (1)
(5) Carbon fiber The carbon fiber of the present invention is a carbon fiber formed by converging a plurality of graphite layers, and has a structure in which the graphite layer present at the end of the carbon fiber is closed in a loop shape, A plurality of graphite layers are oriented substantially in the fiber axis direction, and the graphite layers on the surface other than the ends of the carbon fibers are carbon fibers having a structure that is not closed in a loop shape. The carbon fiber of the present invention has a carbon fiber fiber diameter (D) of 0.001 μm to 2 μm, and the following relational expression (1) between the fiber length (L) of the carbon fiber and the fiber diameter (D): Holds.
30 <L / D (1)

以下に本発明の実施例を述べる。尚、以下に記載される内容により本発明が限定されるものではない。
熱可塑性樹脂中の熱可塑性炭素前駆体の分散粒子径および前駆体繊維、および炭素繊維の繊維径は、走査型電子顕微鏡(株式会社日立製作所製「S−2400」)にて測定した。また、炭素繊維端部、端部以外の表面のグラファイト層観察は透過型電子顕微鏡(株式会社日立製作所製「H−9000UHR」)で行った。
Examples of the present invention will be described below. In addition, this invention is not limited by the content described below.
The dispersion particle diameter and precursor fiber of the thermoplastic carbon precursor in the thermoplastic resin, and the fiber diameter of the carbon fiber were measured with a scanning electron microscope (“S-2400” manufactured by Hitachi, Ltd.). Further, the observation of the graphite layer on the surface other than the end portions of the carbon fibers was performed with a transmission electron microscope (“H-9000UHR” manufactured by Hitachi, Ltd.).

[実施例1]
熱可塑性樹脂としてポリ−4−メチルペンテン−1(TPX:グレードRT-18[三井化学株式会社製])100重量部と熱可塑性炭素前駆体としてメソフェーズピッチAR−HP(三菱ガス化学株式会社製)11.1部を同方向二軸押出機(株式会社日本製鋼所製TEX−30、バレル温度290℃、窒素気流下)で溶融混練して混合物を作成した。この条件で得られた混合物の、熱可塑性炭素前駆体の熱可塑性樹脂中への分散径は0.05〜2μmであった。また、この混合物を300℃で10分間保持したが、熱可塑性炭素前駆体の凝集は認められず、分散径は0.05〜2μmであった。
[Example 1]
100 parts by weight of poly-4-methylpentene-1 (TPX: Grade RT-18 [manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.) as a thermoplastic resin and mesophase pitch AR-HP (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.) as a thermoplastic carbon precursor 11.1 parts were melt-kneaded with the same direction twin screw extruder (TEX-30, manufactured by Nippon Steel Works, barrel temperature 290 ° C., under nitrogen stream) to prepare a mixture. The dispersion diameter of the mixture obtained under these conditions into the thermoplastic resin of the thermoplastic carbon precursor was 0.05 to 2 μm. Further, this mixture was held at 300 ° C. for 10 minutes, but aggregation of the thermoplastic carbon precursor was not observed, and the dispersion diameter was 0.05 to 2 μm.

次いで、上記混合物をメルトブロー法により不織布としたが、その際には、330℃で吐出孔より吐出し、吐出孔直下で350℃、500m/分の空気を溶融状態にある繊維に吹き付けることで、繊維径0.5〜5μmの前駆体繊維からなる不織布を作成した。   Next, the mixture was made into a non-woven fabric by the melt blow method, but in that case, it was discharged from the discharge hole at 330 ° C., and the air just below the discharge hole was blown at 350 ° C. and 500 m / min of air to the molten fiber, A nonwoven fabric composed of precursor fibers having a fiber diameter of 0.5 to 5 μm was prepared.

この前駆体繊維からなる不織布10重量部に対して0.5重量部の沃素とが含有されるように、空気とともに1リットル容積の耐圧ガラス内に仕込み、180℃で20時間保持して安定化処理を施すことで、安定化前駆体繊維からなる不織布を作成した。   Stabilize with air in a 1 liter pressure glass so that 0.5 parts by weight of iodine is contained per 10 parts by weight of the nonwoven fabric composed of this precursor fiber and hold at 180 ° C. for 20 hours. The nonwoven fabric which consists of a stabilization precursor fiber was created by processing.

次に、安定化前駆体繊維からなる不織布を窒素ガス雰囲気下、昇温速度5℃/分で550℃まで昇温することで熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体からなる不織布を作成した。この繊維状炭素前駆体からなる不織布をアルゴンガス雰囲気下、室温から3時間で2800℃まで昇温することで炭素繊維を作成した。得られた炭素繊維端部および表面の透過型電子顕微鏡により撮影した写真図を掲載する。   Next, the nonwoven fabric made of the fibrous precursor is made by removing the thermoplastic resin by heating the nonwoven fabric made of the stabilized precursor fiber to 550 ° C. at a temperature rising rate of 5 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere. did. Carbon fibers were prepared by heating the nonwoven fabric composed of the fibrous carbon precursor from room temperature to 2800 ° C. in 3 hours in an argon gas atmosphere. The photograph taken with the transmission electron microscope of the obtained carbon fiber edge part and the surface is published.

図1より炭素繊維端部のグラファイト構造がループ状で閉まった構造を有していること。図2より、グラファイト層は略繊維軸方向に配向し、かつ炭素繊維表面のグラファイトはループ状に閉まっていないことを確認した。   As shown in FIG. 1, the graphite structure at the end of the carbon fiber has a closed loop structure. From FIG. 2, it was confirmed that the graphite layer was oriented substantially in the fiber axis direction, and the graphite on the carbon fiber surface was not closed in a loop shape.

なお、得られた炭素繊維径(D)は、100〜600nm前後であり、炭素繊維長(L)は100μm以上であり、L/Dは30より大きいことが確認できた。   In addition, it was confirmed that the obtained carbon fiber diameter (D) was around 100 to 600 nm, the carbon fiber length (L) was 100 μm or more, and L / D was larger than 30.

実施例1の操作で得られた炭素繊維末端の透過型電子顕微鏡(株式会社日立製作所製「H−9000UHR」)により撮影した写真図(撮影倍率250万倍)である。It is the photograph (photographing magnification of 2.5 million times) image | photographed with the transmission electron microscope (Hitachi Ltd. "H-9000UHR") of the carbon fiber end obtained by operation of Example 1. FIG. 実施例1の操作で得られた炭素繊維表面近傍の透過型電子顕微鏡(株式会社日立製作所製「H−9000UHR」)により撮影した写真図(撮影倍率375万倍)である。It is the photograph (photographing magnification of 37.550,000 times) image | photographed with the transmission electron microscope (Hitachi Ltd. "H-9000UHR") near the carbon fiber surface obtained by operation of Example 1. FIG.

Claims (9)

複数のグラファイト層が集束されて構成された炭素繊維であって、該炭素繊維端部に存在するグラファイト層がループ状で閉まった構造を有することを特徴とする、炭素繊維。   A carbon fiber comprising a plurality of graphite layers converged and having a structure in which a graphite layer existing at an end of the carbon fiber is closed in a loop shape. 複数のグラファイト層が略繊維軸方向に配向し、かつ前記炭素繊維の端部以外の表面のグラファイト層はループ状に閉まっていない構造を有する、請求項1記載の炭素繊維。   2. The carbon fiber according to claim 1, wherein the plurality of graphite layers are oriented substantially in the fiber axis direction, and the graphite layers on the surface other than the ends of the carbon fibers have a structure not closed in a loop shape. 炭素繊維の繊維径(D)が0.001μm〜2μmである、請求項1に記載の炭素繊維。   Carbon fiber of Claim 1 whose fiber diameter (D) of carbon fiber is 0.001 micrometer-2 micrometers. 炭素繊維の繊維長(L)と繊維径(D)との間に下記関係式(1)が成り立つ、請求項1に記載の炭素繊維。
30 < L/D (1)
The carbon fiber according to claim 1, wherein the following relational expression (1) is established between the fiber length (L) and the fiber diameter (D) of the carbon fiber.
30 <L / D (1)
(1)熱可塑性樹脂100重量部並びにピッチ、ポリアクリロニトリル、ポリカルボジイミド、ポリイミド、ポリベンゾアゾールおよびアラミドよりなる群から選ばれる少なくとも1種の熱可塑性炭素前駆体1〜150重量部からなる混合物から前駆体繊維を形成する工程、(2)前駆体繊維を酸素または酸素/沃素の混合ガス雰囲気下で安定化処理に付して安定化前駆体繊維を形成する工程、(3)安定化前駆体繊維から熱可塑性樹脂を除去して繊維状炭素前駆体を形成する工程、(4)繊維状炭素前駆体を炭素化もしくは黒鉛化する工程、を経る、請求項1に記載の炭素繊維の製造方法。 (1) Precursor consisting of 100 parts by weight of thermoplastic resin and 1 to 150 parts by weight of at least one thermoplastic carbon precursor selected from the group consisting of pitch, polyacrylonitrile, polycarbodiimide, polyimide, polybenzoazole and aramid A step of forming a body fiber, (2) a step of forming a stabilized precursor fiber by subjecting the precursor fiber to stabilization treatment in an oxygen or oxygen / iodine mixed gas atmosphere, and (3) a stabilized precursor fiber. step of removing the thermoplastic resin to form a fibrous carbon precursor from (4) a step of carbonizing or graphitizing the fibrous carbon precursor, through the method for producing a carbon-containing fiber according to claim 1 . 熱可塑性樹脂が下記式(I)で表される請求項5記載の炭素繊維の製造方法。
Figure 0004429765
The method for producing carbon fiber according to claim 5, wherein the thermoplastic resin is represented by the following formula (I).
Figure 0004429765
熱可塑性樹脂がポリ−4−メチルペンテン−1またはその共重合体である請求項6に記載の炭素繊維の製造方法。   The method for producing carbon fiber according to claim 6, wherein the thermoplastic resin is poly-4-methylpentene-1 or a copolymer thereof. 熱可塑性樹脂がポリエチレンである請求項6記載の炭素繊維の製造方法。   The method for producing carbon fiber according to claim 6, wherein the thermoplastic resin is polyethylene. 熱可塑性炭素前駆体がメソフェーズピッチ、ポリアクリロニトリルからなる群より選ばれる少なくとも一種である、請求項1記載の炭素繊維の製造方法。   The method for producing a carbon fiber according to claim 1, wherein the thermoplastic carbon precursor is at least one selected from the group consisting of mesophase pitch and polyacrylonitrile.
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