JP4620394B2 - Method for producing stereoregular carbon fiber precursor copolymer - Google Patents

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Description

本発明は、高品質、高性能な炭素繊維を製造することができる炭素繊維プレカーサ用共重合体に関する。更に詳しくは、アクリロニトリル、アクリル酸系化合物、及びアクリル酸エステル系化合物を主たる成分とする不飽和共重合成分を、鋳型化合物である結晶状態の金属ハロゲン化合物に吸収させて得られるアダクトを固相重合し、アイソタクティックトリアッド(以下mm%)が35%以上である炭素繊維プレカーサ用共重合体を製造する際、使用した鋳型化合物を回収賦活化し、繰り返し使用することを特徴とする炭素繊維プレカーサ用共重合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a copolymer for a carbon fiber precursor capable of producing high-quality and high-performance carbon fibers. More specifically, solid-phase polymerization of adducts obtained by absorbing an unsaturated copolymer component containing acrylonitrile, an acrylic acid compound, and an acrylate ester compound as a main component in a crystalline metal halide compound as a template compound. In addition, when producing a copolymer for a carbon fiber precursor having an isotactic triad (hereinafter referred to as mm%) of 35% or more, the used template compound is recovered and activated and repeatedly used. The present invention relates to a method for producing a copolymer for use.

一般に炭素繊維は優れた機械特性、特に高い比強度・比弾性率を有することから、宇宙航空関係、レジャー用品及び工業材料等の各種補強材料の強化材として広く用いられている。また、その優れた機械特性から自動車の軽量化のための用途が見込め、深刻化する二酸化炭素削減問題に対する一環として注目を浴びつつある。   In general, carbon fibers are widely used as reinforcing materials for various reinforcing materials such as aerospace, leisure goods and industrial materials because they have excellent mechanical properties, particularly high specific strength and specific elastic modulus. In addition, it is expected to be used for reducing the weight of automobiles due to its excellent mechanical properties, and is attracting attention as part of the growing problem of carbon dioxide reduction.

炭素繊維は、前駆体である有機ポリマーから調整した繊維を酸素存在下に耐炎化処理し、焼成、炭素化することで製造される。   The carbon fiber is produced by subjecting a fiber prepared from an organic polymer as a precursor to a flame resistance treatment in the presence of oxygen, and firing and carbonizing the fiber.

前駆体としてはセルロース、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール、塩化ビニリデン、ピッチ、ポリアクリロニトリル(以下、単にPANと称することがある)等何種類かが挙げられるが、特にPAN系繊維から得られる炭素繊維は比強度、比弾性率などの力学特性に優れており、品質、性能を均一かつ安定的に製造できるため、工業的に大量に生産されている。   Examples of the precursor include cellulose, phenolic resin, polyvinyl alcohol, vinylidene chloride, pitch, polyacrylonitrile (hereinafter sometimes simply referred to as PAN), and carbon fibers obtained from PAN fibers are It is excellent in mechanical properties such as strength and specific elastic modulus, and can be produced stably and uniformly in quality and performance.

PAN系繊維を耐炎化し、炭素化を経て炭素繊維を製造する場合、耐炎化処理条件として200〜400℃の高温の酸化性雰囲気中で長時間の加熱処理を必要とするのが通常であった。これは前駆体であるPAN系繊維を一気に500℃以上の温度で短時間に耐炎化しようとすると急激な発熱分解反応の惹起によりポリマーの自己燃焼、分解が起こり、目的とする炭素骨格を形成することができないからである。しかもこの様な高温の長時間熱処理においては、多量にエネルギーを消費する、若しくは生産性が悪いなどの経済上の問題のみならず、単繊維間の融着による強度低下などの品質上の問題、更に高温による糸切れが発生しやすいなどのプロセス上の問題等があり工業的に改善が求められてきた。   When making a PAN-based fiber flame resistant and producing carbon fiber through carbonization, it was usual to require heat treatment for a long time in a high-temperature oxidizing atmosphere of 200 to 400 ° C. as a flameproofing treatment condition. . This is because when the precursor PAN fiber is made flame resistant at a temperature of 500 ° C. or higher in a short period of time, a rapid exothermic decomposition reaction causes the self-combustion and decomposition of the polymer, thereby forming the desired carbon skeleton. Because you can't. Moreover, in such a high-temperature long-time heat treatment, not only economic problems such as high energy consumption or poor productivity, but also quality problems such as strength reduction due to fusion between single fibers, Furthermore, there are problems in the process such as yarn breakage due to high temperature, and there has been a demand for improvement industrially.

これらの問題を回避するため、これまでに数多くの提案がなされている。たとえば特定量の重合性不飽和カルボン酸アンモニウム塩を共重合したPAN系前駆体を用いること(例えば特許文献1および特許文献2参照)、または重合性不飽和カルボン酸の長鎖アルキルエステルを共重合したPANを前駆体に用いること(例えば特許文献3参照)が開示されている。   Many proposals have been made so far to avoid these problems. For example, using a PAN precursor copolymerized with a specific amount of a polymerizable unsaturated carboxylic acid ammonium salt (for example, see Patent Document 1 and Patent Document 2), or copolymerizing a long-chain alkyl ester of a polymerizable unsaturated carboxylic acid The use of the prepared PAN as a precursor is disclosed (for example, see Patent Document 3).

これらは耐炎化反応の促進に一定の効果を示すが、不飽和カルボン酸の低い共重合性が原因で共重合体のブロック化が起こる場合がある。また、耐熱性に乏しいカルボン酸成分の含有量が多くなると、重合工程の後に続く耐炎化工程において、熱分解に伴う収率の低下を招くといった欠点を有している。   These have a certain effect on the promotion of the flameproofing reaction, but the copolymer may be blocked due to the low copolymerizability of the unsaturated carboxylic acid. Further, when the content of the carboxylic acid component having poor heat resistance is increased, there is a drawback in that the yield accompanying thermal decomposition is reduced in the flameproofing step following the polymerization step.

一方アクリロニトリルにα−クロロアクリロニトリルを共重合することにより、耐炎化時間が大幅に短縮でき、低生産性の問題が解決されることが示されている(例えば特許文献4および特許文献5参照)。しかし十分に耐炎化時間を短縮するには、高価なα−クロロアクリロニトリル成分を多量に共重合する必要があり、生産性の向上とは対照的に経済的に不利である。   On the other hand, it has been shown that by copolymerizing α-chloroacrylonitrile with acrylonitrile, the flame resistance time can be greatly shortened, and the problem of low productivity can be solved (see, for example, Patent Document 4 and Patent Document 5). However, in order to sufficiently shorten the flameproofing time, it is necessary to copolymerize a large amount of expensive α-chloroacrylonitrile component, which is economically disadvantageous as opposed to improvement in productivity.

またイタコン酸とアクリルアミド系モノマーとをアクリロニトリルに組み込んだ三元共重合体を用いることで耐炎化特性の改善されることが開示されているが(例えば特許文献6参照)、三種のモノマーの均質な共重合体が得られにくいことに加え、イタコン酸が過剰であると発熱反応が過激化して繊維構造にダメージを与え、またアクリルアミドモノマーが過剰であると繊維融着を起こすなど、共重合組成の制御が複雑であり生産性に課題がある。   Further, it is disclosed that flame resistance is improved by using a terpolymer in which itaconic acid and an acrylamide monomer are incorporated in acrylonitrile (see, for example, Patent Document 6). In addition to the difficulty in obtaining a copolymer, excessive itaconic acid can cause exothermic reactions that can damage the fiber structure, and excessive acrylamide monomer can cause fiber fusion. Control is complicated and productivity is a problem.

その他、ヒドロキシメチレン基(例えば特許文献7参照)、不飽和カルボン酸のハロゲン化アルキルエステル(例えば特許文献8参照)、またはケイ素若しくはフッ素含有不飽和モノマー(例えば特許文献9参照)が共重合成分に用いられているが、いずれも価格、性能の両面で満足する効果を示すものではなかった。   In addition, a hydroxymethylene group (for example, see Patent Document 7), a halogenated alkyl ester of an unsaturated carboxylic acid (for example, see Patent Document 8), or a silicon or fluorine-containing unsaturated monomer (for example, see Patent Document 9) is used as a copolymerization component. Although used, none of them showed satisfactory effects in terms of both price and performance.

従来、炭素繊維プレカーサ用共重合体および炭素繊維プレカーサとしては、通常のラジカル共重合等で得られる立体構造の規制がなされていないアタクティックなポリアクリロニトリルを含む共重合体が用いられてきた。   Conventionally, as a copolymer for carbon fiber precursors and a carbon fiber precursor, a copolymer containing atactic polyacrylonitrile which is not regulated in three-dimensional structure obtained by ordinary radical copolymerization or the like has been used.

一方、ポリアクリロニトリル繊維の立体規則性と耐炎化反応に着目した研究も進められている。例えば、PAN繊維の耐炎化反応においては隣接するニトリル骨格の酸化、環化が反応の開始になることが知られている(例えば非特許文献1参照)。   On the other hand, research focusing on the stereoregularity and flameproofing reaction of polyacrylonitrile fiber is also underway. For example, in the flameproofing reaction of PAN fibers, it is known that oxidation and cyclization of adjacent nitrile skeletons initiate the reaction (see, for example, Non-Patent Document 1).

更に、過去の研究よりこれらの熱的に惹起される反応において、ポリマーの微細構造、即ちタクティシティーで示されるポリマー主鎖の立体規則性が反応温度、反応速度に影響を与えうることが報告されていた。例えば、熱によるシアノ基からのイミン骨格の形成は、アイソタクティック連鎖ではアタクティックまたはシンジオタクティック連鎖に比べ低温で優先して進行することが示されている(例えば非特許文献2および非特許文献3参照)。   Furthermore, past studies have reported that in these thermally induced reactions, the microstructure of the polymer, that is, the stereoregularity of the polymer backbone represented by tacticity, can affect the reaction temperature and reaction rate. It was. For example, it has been shown that the formation of an imine skeleton from a cyano group by heat proceeds preferentially at a lower temperature in an isotactic linkage than in an atactic or syndiotactic linkage (for example, Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 2). Reference 3).

これらのポリマーの製造方法としてはD.M.WHITEらにより報告された尿素/モノマーアダクトを用いた低温(−78℃)での固相光重合法(例えば非特許文献4参照)、有機マグネシウム等を開始剤に用いたアニオン重合法(例えば非特許文献5参照)などが例示できる。得られたポリマーの組成、及びポリアクリロニトリル主鎖のタクティシティーはH−NMR及び13C−NMRにより定量同定することができる。しかしながら上記方法で得られるアイソタクティシティを有するポリアクリロニトリル単独重合体、即ちiso−PANは、確かに耐炎化温度を低減させることができるものの、DSC測定において観測される耐炎化に伴う発熱ピーク幅は非常に狭いものとなる。 As a method for producing these polymers, D.C. M.M. Solid state photopolymerization at low temperature (−78 ° C.) using urea / monomer adducts reported by WHITE et al. (For example, see Non-Patent Document 4), anionic polymerization using organomagnesium or the like as an initiator (for example, non- For example, see Patent Document 5). The composition of the obtained polymer, and tacticity of the polyacrylonitrile main chain may be quantified identified by 1 H-NMR and 13 C-NMR. However, although the polyacrylonitrile homopolymer having isotacticity obtained by the above method, that is, iso-PAN can surely reduce the flameproofing temperature, the exothermic peak width accompanying the flameproofing observed in DSC measurement is It will be very narrow.

この事実は、iso−PANが急激な耐炎化を余儀なくされることを意味しており、その熱的ダメージの為に得られる炭素繊維の品質は低下する。更にH.KUWAHARAらが報告した方法によれば、結晶状態の無水塩化マグネシウムをトルエンやヘプタンに代表される炭化水素系溶媒に分散させて得られるスラリーにアクリロニトリル、メタクリル酸メチル、酢酸ビニル、および4−ビニルピリジンのような極性ビニルモノマーを接触させてアダクトとし、これにラジカル重合開始剤を添加して重合を行うと、アイソタクティシティを有するポリマーが得られることが教示されている(非特許文献6)。   This fact means that iso-PAN is forced to have rapid flame resistance, and the quality of the carbon fiber obtained due to the thermal damage is lowered. Further H. According to the method reported by KUWAHARA et al., Acrylonitrile, methyl methacrylate, vinyl acetate, and 4-vinylpyridine were added to a slurry obtained by dispersing crystalline anhydrous magnesium chloride in a hydrocarbon solvent typified by toluene or heptane. It is taught that a polymer having isotacticity can be obtained when a polar vinyl monomer such as the above is brought into contact to form an adduct, and a radical polymerization initiator is added thereto for polymerization (Non-patent Document 6).

然しながらこの方法はラジカル開始剤とモノマーが不均一系となり、開始剤効率が低下することと、成長末端ラジカルが溶媒に対して連鎖移動することで高分子量体が得難いといった問題を抱えていた。   However, this method has problems that the radical initiator and the monomer are heterogeneous, the initiator efficiency is lowered, and the growth end radical is chain-transferred to the solvent, making it difficult to obtain a high molecular weight product.

このように、立体構造の規制がされたポリアクリロニトリルを含む共重合体を耐炎化反応性に優れる炭素繊維プレカーサ用共重合体および炭素繊維プレカーサとして使用することを検討した文献、報告などはこれまで知られていなかった。   Thus, the literature, reports, etc. which examined using the copolymer containing polyacrylonitrile in which the three-dimensional structure was regulated as a copolymer for carbon fiber precursors and carbon fiber precursors having excellent flame resistance reactivity have been reported so far. It was not known.

特開昭48−63029号公報JP-A-48-63029 特公昭58−48643号公報Japanese Examined Patent Publication No. 58-48643 特開昭61−152812号公報Japanese Patent Laid-Open No. 61-152812 特公昭49−14404号公報Japanese Patent Publication No.49-14404 特公平6−27368号公報Japanese Patent Publication No. 6-27368 特開平11−117123号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-117123 特開昭52−53995号公報JP-A-52-53995 特開昭52−55725号公報JP-A-52-55725 特開平2−14013号公報JP-A-2-14013 ダブリュー ワットら(W. Watt)著、「(プロシーディング オブ ザ インターナショナル カーボン ファイバー カンファレンス ロンドン)Proceeding of the International carbon fiber conference London」,Paper No.4,1971W. Watt, “Proceeding of the International Carbon Fiber Conference London,” Paper No., “Proceeding of the International Carbon Fiber Conference London”. 4,1971 エヌ エイ コバソファら(N. A. Kobasova)著、「ヴィソコモレキュリヤーニィ ソイエディニーニィヤ セリイヤ アー(VYSOKOMOLEKULYARNYE SOEDINENIYA SERIYA A)」,ロシア,13(1),1971,P.162−167N. A. Kobasova et al., “VYSOKOMOLEKURYARNYE SOEDINNIYA SERIYA A”, Russia, 13 (1), 1971, P.A. 162-167 エム エイ ガイデリックら(M. A. Geiderikh)著、「ヴィソコモレキュリヤーニィ ソイエディニーニィヤ セリイヤ アー(VYSOKOMOLEKULYARNYE SOEDINENIYA SERIYA A)」,ロシア,15(6),1973,P.1239−1247M. A. Geiderikh et al., “VYSOKOMOLEKURYARNYE SOEDINNIYA SERIYA A”, Russia, 15 (6), 1973, P.M. 1239-1247 ディー エム ホワイトら(M. A. WHITE)著、「ジャーナル オブ ジ アメリカン ケミカル ソサイエティ(JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY)」,1960,82,5671D. M. A. WHITE, “JOURNAL OF THE AMERICA CHEMICAL SOCIETY”, 1960, 82, 5671. 中野ら(Y NAKANO)著、「ポリマー プレプリンツ(POLYMER PREPRINTS)」,1994,35(3).249−55Nakano et al. (Y NAKANO), “Polymer PREPRINTS”, 1994, 35 (3). 249-55 桑原ら(H.KUWAHARA)著、「ポリマー プレプリンツ(POLYMER PREPRINTS)」,2002,43(2),978−9Kuwahara et al. (H. KUWAHARA), "Polymer PREPRINTS", 2002, 43 (2), 978-9.

本発明の目的は、特に高価かつ特殊な共重合モノマー、或いは触媒としての鋳型化合物を大量に用いることなく本質的に耐炎化工程を短縮且つ低温化し、繊維間の融着や熱分解を抑制することができる炭素繊維プレカーサ用共重合体の製造方法を提供することである。   The object of the present invention is to reduce the flame-proofing process and lower the temperature essentially without using a large amount of a particularly expensive and special copolymerization monomer or a template compound as a catalyst, thereby suppressing fusion and thermal decomposition between fibers. It is to provide a method for producing a copolymer for a carbon fiber precursor.

本発明者らは上記の課題を解決するために、ポリアクリロニトリルを主たる成分とする炭素繊維プレカーサ用共重合体の立体構造を制御する方法に関して鋭意研究した。
その結果、アクリロニトリルおよび不飽和共重合成分を特定の金属ハロゲン化物に吸収させて得たアダクトを固相重合すると、驚くべきことにアイソタクティックトリアッド(mm%)基準で35%以上となるアイソテクティシティを有する炭素繊維プレカーサ用共重合体が得られ、更に、上記金属ハロゲン化物は固相重合後に溶液としてポリマーと分離可能であり、これに加熱処理を施すと容易に固化、賦活化され、鋳型化合物として幾度も繰り返し使用可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors diligently studied on a method for controlling the three-dimensional structure of a copolymer for a carbon fiber precursor containing polyacrylonitrile as a main component.
As a result, when an adduct obtained by absorbing acrylonitrile and an unsaturated copolymerization component into a specific metal halide is solid-phase polymerized, it is surprising that the isotactic triad (mm%) is 35% or more based on isotactic triad (mm%). A copolymer for carbon fiber precursors having a techity is obtained, and the metal halide can be separated from the polymer as a solution after solid-phase polymerization, and is easily solidified and activated when subjected to heat treatment. The inventors have found that it can be used repeatedly as a template compound, and have completed the present invention.

即ち、本発明の目的は、
アクリロニトリル、アクリル酸系化合物、及びアクリル酸エステル系化合物を主たる成分とする不飽和共重合成分を、周期律表IIA族〜IIB族に属する結晶状態の無水金属ハロゲン化物からなる群から選ばれる少なくとも一種の鋳型化合物に接触させてアダクトとし、これを固相重合することによってアクリロニトリル構成連鎖のアイソタクティックトリアッド(mm%)が該連鎖のトリアッド総和(mm%+mr%+rr%)を基準として35%以上のアイソタクティシティを有する炭素繊維プレカーサ用共重合体の製造方法であって、
該固相重合終了後に、前記鋳型化合物を回収し、100℃以上の加熱処理により賦活した後、固相重合触媒として再使用することを特徴とする、炭素繊維プレカーサ用共重合体の製造方法によって達成される。
That is, the object of the present invention is to
The unsaturated copolymerization component mainly composed of acrylonitrile, an acrylic acid compound, and an acrylic ester compound is at least one selected from the group consisting of anhydrous metal halides in the crystalline state belonging to groups IIA to IIB of the periodic table The adduct is brought into contact with the template compound of the above to form an adduct, and this is solid-phase polymerized so that the isotactic triad (mm%) of the acrylonitrile constituent chain is 35% based on the total triad of the chain (mm% + mr% + rr%). A method for producing a copolymer for a carbon fiber precursor having the above isotacticity,
After completion of the solid phase polymerization, the template compound is recovered, activated by heat treatment at 100 ° C. or higher, and then reused as a solid phase polymerization catalyst. By the method for producing a copolymer for a carbon fiber precursor, Achieved.

本発明は炭素繊維の製造において耐炎化処理を温和な条件下で速やかに行うことを可能とする炭素繊維プレカーサ用共重合体の製造方法であり、従来の方法の如く極低温を必要とせず、高分子量且つ高いアイソタクティシティを有する炭素繊維プレカーサ用共重合体を得ることが可能である。本発明方法によれば、PANの立体構造を制御する為に鋳型化合物は溶媒洗浄後に溶液としてポリマーから分離回収後、加熱脱水により賦活化される為に、膨大な産業廃棄物の発生を回避することが可能である。   The present invention is a method for producing a copolymer for a carbon fiber precursor that enables rapid flameproofing treatment under mild conditions in the production of carbon fiber, and does not require cryogenic temperatures as in the conventional method, It is possible to obtain a copolymer for a carbon fiber precursor having a high molecular weight and high isotacticity. According to the method of the present invention, in order to control the steric structure of PAN, the template compound is separated and recovered from the polymer as a solution after washing with a solvent and then activated by heat dehydration, thereby avoiding the generation of enormous industrial waste. It is possible.

また耐炎化処理時に発生するエネルギーが少なくなることで、炭素繊維間の融着を防ぎ、熱分解とそれに付随する性能低下を抑制することが出来る。特に炭素繊維の繊度が大きい場合は、発生するエネルギーに対して表面積が小さいのでその効果が顕著に表れるものと思われる。また発生するエネルギーに伴う発熱ピークの半値幅が広くなることで、耐炎化処理時に発生するエネルギーが一気に発生せず、徐々に発生することで、繊維間の熱融着・熱分解を抑制することができる。また、立体制御がなされた炭素繊維プレカーサ用共重合体は、従来のアタクティックなそれに比べてシアノ基同士が近接しており、巨大な六角網面層を容易に形成することができ、これまで実現できなかった高弾性率の炭素繊維を得ることが可能である。   Further, since the energy generated during the flameproofing treatment is reduced, fusion between the carbon fibers can be prevented, and thermal degradation and the accompanying performance degradation can be suppressed. In particular, when the fineness of the carbon fiber is large, the surface area is small with respect to the generated energy, so that the effect seems to be remarkable. In addition, the half-value width of the exothermic peak accompanying the generated energy is widened, so that the energy generated during the flameproofing treatment is not generated at a stretch, but it is gradually generated to suppress heat fusion and thermal decomposition between fibers. Can do. In addition, the sterically controlled copolymer for carbon fiber precursors has cyano groups close to each other compared to the conventional atactic one, and can easily form a huge hexagonal network layer. It is possible to obtain a high elastic modulus carbon fiber that could not be realized.

このようにして本発明方法で製造した炭素繊維プレカーサ用共重合体および炭素繊維プレカーサは高品質、高性能の炭素繊維を高い生産性で経済的に製造するための前駆体として好適に使用することができる。   Thus, the carbon fiber precursor copolymer and carbon fiber precursor produced by the method of the present invention are preferably used as a precursor for economically producing high-quality, high-performance carbon fibers with high productivity. Can do.

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の製造方法において、ポリアクリロニトリル、アクリル酸系化合物、アクリル酸エステル系化合物および不飽和共重合成分(以下簡略化のためにモノマーと称することがある。)を鋳型化合物としての、周期律表IIA族〜IIB族に属する結晶状態の無水金属ハロゲン化合物、即ちフッ化物、塩化物、臭化物、ヨウ化物からなる群から選ばれる少なくとも一種類、あるいはそれらの溶媒和物を加熱処理した結果得られた無水物から選ばれる少なくとも一種類の鋳型化合物に吸収させて得たアダクトを固相重合すると、アイソタクティックトリアッド(mm%)基準で35%以上となるアイソタクティシティを有する炭素繊維プレカーサ用共重合体が製造可能である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the production method of the present invention, a periodic table using polyacrylonitrile, an acrylic acid compound, an acrylic ester compound and an unsaturated copolymerization component (hereinafter sometimes referred to as a monomer for simplicity) as a template compound. Obtained as a result of heat-treating at least one kind selected from the group consisting of fluoride, chloride, bromide and iodide, or a solvate thereof, in the crystalline state belonging to group IIA to group IIB When an adduct obtained by absorption in at least one template compound selected from an anhydride is solid-phase polymerized, a carbon fiber precursor having an isotacticity of 35% or more based on an isotactic triad (mm%) is used. A polymer can be produced.

結晶状態の無水金属ハロゲン化合物は金属カチオンとこれに対を成すハロゲンイオンとが整然と配列された構造を有しており、モノマーは、その酸素原子や窒素原子上の不対電子を介して金属カチオンに配位することができる。   Anhydrous metal halides in the crystalline state have a structure in which a metal cation and a pair of halogen ions are arranged in an orderly manner, and the monomer is a metal cation via an unpaired electron on its oxygen atom or nitrogen atom. Can be coordinated to.

その際モノマーは、金属カチオンと対アニオンの秩序、サイズ、或いはイオン間の距離に応じて配列が規制される。その配列は選択する鋳型化合物の種類によって様々であるが、周期律表IIA族〜IIB族に属する結晶状態の無水金属ハロゲン化物がアイソタクティックな立体制御の鋳型化合物として好適に使用される。   In this case, the arrangement of the monomer is regulated according to the order of the metal cation and the counter anion, the size, or the distance between the ions. The arrangement varies depending on the type of template compound to be selected. Crystalline anhydrous metal halides belonging to groups IIA to IIB of the periodic table are preferably used as isotactic stereocontrolled template compounds.

そのような例としては無水塩化鉄(II)、無水塩化鉄(III)、無水塩化コバルト(II)、無水塩化ニッケル(II)、無水塩化マンガン(II)、無水塩化マンガン(III)、無水塩化クロム(III)、無水塩化マグネシウム、無水塩化カルシウム、無水塩化ランタン(III)、無水塩化イットリウム(III)、無水臭化鉄(II)、無水臭化鉄(III)、無水臭化コバルト(II)、無水臭化ニッケル(II)、無水臭化マンガン(II)、無水臭化マンガン(III)、無水臭化クロム(III)、無水臭化マグネシウム、無水臭化カルシウム、無水臭化ランタン(III)、無水臭化イットリウム(III)、無水ヨウ化鉄(II)、無水ヨウ化鉄(III)、無水ヨウ化コバルト(II)、無水ヨウ化ニッケル(II)、無水ヨウ化マンガン(II)、無水ヨウ化マンガン(III)、無水ヨウ化マグネシウム、無水ヨウ化カルシウム、無水ヨウ化ランタン(III)、無水ヨウ化イットリウム(III)が挙げられるが、好ましくは無水塩化鉄(II)、無水塩化コバルト(II)、無水塩化マグネシウム、無水臭化マグネシウム、特に好ましくは無水塩化マグネシウム、無水塩化コバルト(II)である。   Examples include anhydrous iron chloride (II), anhydrous iron chloride (III), anhydrous cobalt chloride (II), anhydrous nickel chloride (II), anhydrous manganese chloride (II), anhydrous manganese chloride (III), anhydrous chloride Chromium (III), anhydrous magnesium chloride, anhydrous calcium chloride, anhydrous lanthanum chloride (III), anhydrous yttrium chloride (III), anhydrous iron (II) bromide, anhydrous iron (III) bromide, anhydrous cobalt (II) bromide , Anhydrous nickel bromide (II), anhydrous manganese bromide (II), anhydrous manganese bromide (III), anhydrous chromium bromide (III), anhydrous magnesium bromide, anhydrous calcium bromide, anhydrous lanthanum bromide (III) , Anhydrous yttrium bromide (III), anhydrous iron (II) iodide, anhydrous iron (III) iodide, anhydrous cobalt (II) iodide, anhydrous nickel iodide ( I), anhydrous manganese iodide (II), anhydrous manganese iodide (III), anhydrous magnesium iodide, anhydrous calcium iodide, anhydrous lanthanum iodide (III), and anhydrous yttrium iodide (III), Is anhydrous iron chloride (II), anhydrous cobalt chloride (II), anhydrous magnesium chloride, anhydrous magnesium bromide, particularly preferably anhydrous magnesium chloride and anhydrous cobalt chloride (II).

これらは二種類以上を混合して使用することも可能であり、単一の結晶系に二つ以上の金属カチオンが存在するミョウバンやハイドロタルサイトのような所謂複塩であっても良い。また加熱処理によって結晶中に含まれる水を除去した結果、上記無水金属ハロゲン化物を与える化合物、即ち塩化鉄(II)・4水和物、塩化鉄(III)・六水和物、塩化コバルト(II)・1水和物、塩化コバルト(II)・6水和物、塩化ニッケル(II)・1水和物、塩化ニッケル(II)・6水和物、塩化マンガン(II)・4水和物、塩化クロム(III)・6水和物、塩化マグネシウム・6水和物、塩化カルシウム・2水和物、塩化カルシウム・6水和物、塩化ランタン(III)・7水和物、塩化イットリウム(III)・6水和物、臭化鉄(II)・n水和物、臭化鉄(III)・n水和物、臭化コバルト(II)・1水和物、臭化ニッケル・1水和物、臭化マンガン(II)・4水和物、臭化クロム(III)・n水和物、臭化マグネシウム・6水和物、臭化カルシウム・1水和物、臭化ランタン(III)・n水和物、臭化イットリウム(III)・n水和物、ヨウ化鉄(II)・4水和物、ヨウ化鉄(III)・9水和物、ヨウ化コバルト(II)・n水和物、ヨウ化ニッケル・n水和物、ヨウ化マンガン(II)・n水和物、ヨウ化マグネシウム・n水和物、ヨウ化カルシウム・1水和物、ヨウ化ランタン(III)・n水和物、ヨウ化イットリウム(III)・n水和物(但しnは水和数が特定されていない系を示す。)である。   These may be used as a mixture of two or more, and may be a so-called double salt such as alum or hydrotalcite in which two or more metal cations are present in a single crystal system. In addition, as a result of removing water contained in the crystals by heat treatment, the above-mentioned compounds giving anhydrous metal halides, that is, iron (II) chloride tetrahydrate, iron chloride (III) hexahydrate, cobalt chloride ( II) monohydrate, cobalt chloride (II) hexahydrate, nickel chloride (II) monohydrate, nickel chloride (II) hexahydrate, manganese chloride (II) tetrahydrate , Chromium (III) chloride hexahydrate, magnesium chloride hexahydrate, calcium chloride dihydrate, calcium chloride hexahydrate, lanthanum chloride (III) heptahydrate, yttrium chloride (III) hexahydrate, iron bromide (II) n hydrate, iron bromide (III) n hydrate, cobalt bromide (II) monohydrate, nickel bromide 1 Hydrate, Manganese bromide (II) tetrahydrate, Chromium bromide (III) n hydrate , Magnesium bromide hexahydrate, calcium bromide monohydrate, lanthanum bromide (III) n hydrate, yttrium bromide III n hydrate, iron iodide (II) Tetrahydrate, iron (III) iodide, 9 hydrate, cobalt (II) iodide, n hydrate, nickel iodide, n hydrate, manganese iodide (II), n hydrate, Magnesium iodide, n hydrate, calcium iodide, monohydrate, lanthanum iodide (III), n hydrate, yttrium iodide (III), n hydrate (where n is the number of hydrates specified) The system which is not done is shown.).

モノマーは不活性ガス雰囲気下で結晶状態の金属ハロゲン化合物と接触させてアダクトとなる。この工程は窒素やアルゴン不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましく、空気のように酸素を含む気体を使用すると、重合開始剤、或いはラジカル生長末端の失活の原因となり十分な重合度の炭素繊維プレカーサ用共重合体は得られない。モノマーと結晶状態の金属ハロゲン化合物のモル比(A/M)は、アダクトが固体状態を維持可能な範囲であれば良く、0.1以上5.0未満であることが好ましい。   The monomer is brought into an adduct when brought into contact with a metal halide in a crystalline state in an inert gas atmosphere. This step is preferably performed in an atmosphere of inert gas such as nitrogen or argon. When a gas containing oxygen such as air is used, the polymerization initiator or carbon fiber having a sufficient degree of polymerization will cause deactivation of the radical growth terminal. A precursor copolymer cannot be obtained. The molar ratio (A / M) between the monomer and the metal halide in the crystalline state may be within a range in which the adduct can maintain a solid state, and is preferably 0.1 or more and less than 5.0.

A/Mが0.1未満の場合、結晶状態の金属化合物に配位したモノマーが高分子量体を与えるのに十分な量ではなく、実質ポリマーが得られない。またA/Mが5.0以上の場合、もはや結晶状態の金属ハロゲン化合物が吸収、配位し得るモノマーの上限を超えており、余剰モノマーは通常のラジカル重合を起こすため、得られる炭素繊維プレカーサ用共重合体の立体規則性は低下する。このようにして調製されたアダクトは不活性ガス雰囲気下の適当な容器に移した後固相重合を行うことができる。   When A / M is less than 0.1, the monomer coordinated to the metal compound in the crystalline state is not sufficient to give a high molecular weight, and a substantial polymer cannot be obtained. When A / M is 5.0 or more, the upper limit of the monomer that can be absorbed and coordinated by the metal halide compound in the crystalline state is already exceeded, and the surplus monomer causes normal radical polymerization, so that the obtained carbon fiber precursor is obtained. The stereoregularity of the copolymer for use decreases. The adduct thus prepared can be transferred to a suitable container under an inert gas atmosphere and then subjected to solid phase polymerization.

固相重合方法は大別して二種類あり、一つは熱分解によりラジカル種を発生させることが可能な開始剤を共存させる熱固相重合、もう一つはラジカル発生可能な電磁波を照射する電磁波固相重合である。熱固相重合はモノマーと鋳型化合物とのアダクトを調整後、開始剤を少量の有機溶媒に溶かして添加する方法と、予め開始剤をモノマーに溶かした溶液を鋳型化合物に添加する方法が挙げられるが、開始剤の均一分布を考慮すると後者が好適な実施形態と言える。   There are roughly two types of solid-phase polymerization methods, one is thermal solid-phase polymerization in which an initiator capable of generating radical species by thermal decomposition coexists, and the other is electromagnetic wave solidification that irradiates radical-generating electromagnetic waves. Phase polymerization. Thermal solid-phase polymerization includes a method in which an adduct between a monomer and a template compound is adjusted, and then an initiator is dissolved in a small amount of an organic solvent, and a method in which a solution in which an initiator is dissolved in a monomer is added to the template compound in advance. However, considering the uniform distribution of the initiator, the latter is a preferred embodiment.

添加に際しては金属ハロゲン化物を静置して自発的に吸収させる方法と、アダクトに適度な撹拌を与える方法の両方が可能である。また本発明における重合開始剤とは通常ラジカル重合で遍く使用されるものであれば良く、アゾビスイソブチロニトリル、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)、ジメチル−2,2−アゾビス(2−メチルプロピオナート)、1,1−(シクロヘキサン−1−カルボニトリル)、2,2−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)、2,2−アゾビス[N−(2−プロペニル)−2−メチルプロピオンアミド]に代表されるアゾ化合物、過酸化ベンゾイルに代表される有機過酸化物、ペルオキシ硫酸カリウム/亜硫酸ナトリウムやN,N−ジメチルアニリン/過酸化ベンゾイルの組み合わせに代表される酸化還元型開始剤、マンガンアセチルアセトナート(III)、コバルトアセチルアセトナート(II)、およびペンタシアノベンジルコバルテート、硫酸鉄(II)/過酸化水素(フェントン試薬)のように一電子放出し、その結果ラジカル重合を進行させることが可能な遷移金属化合物が好適に使用される。   At the time of addition, both a method of allowing the metal halide to stand and absorbing spontaneously and a method of giving an appropriate stirring to the adduct are possible. In addition, the polymerization initiator in the present invention may be any one that is generally used in radical polymerization, such as azobisisobutyronitrile, 2,2′-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile), 2,2 ′. -Azobis (4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile), dimethyl-2,2-azobis (2-methylpropionate), 1,1- (cyclohexane-1-carbonitrile), 2,2-azobis (2-methylbutyronitrile), azo compounds typified by 2,2-azobis [N- (2-propenyl) -2-methylpropionamide], organic peroxides typified by benzoyl peroxide, peroxysulfuric acid Manganese acetylacetate, a redox initiator represented by a combination of potassium / sodium sulfite and N, N-dimethylaniline / benzoyl peroxide One electron release, like radical (III), cobalt acetylacetonate (II), and pentacyanobenzylcobaltate, iron (II) sulfate / hydrogen peroxide (Fenton reagent), resulting in the progress of radical polymerization A transition metal compound that can be used is preferably used.

一方電磁波固相重合では電磁波の照射によりラジカルを発生させるために特に重合開始剤を添加する必要が無いことが利点である。ここで使用される電磁波とは、モノマー分子上にラジカルを発生させるのに十分なエネルギーを持つものであれば特に制限は無く、紫外線、X線、γ線、単色可視光線、自然光、電子線等が挙げられる。この場合、電磁波照射の効果を高めるために光増感剤を添加する方法も好ましい。   On the other hand, electromagnetic solid phase polymerization is advantageous in that it is not particularly necessary to add a polymerization initiator in order to generate radicals by irradiation with electromagnetic waves. The electromagnetic wave used here is not particularly limited as long as it has sufficient energy to generate radicals on the monomer molecule, such as ultraviolet rays, X-rays, γ rays, monochromatic visible rays, natural light, electron beams, etc. Is mentioned. In this case, a method of adding a photosensitizer to enhance the effect of electromagnetic wave irradiation is also preferable.

また固相重合に好適な温度条件は−80℃以上150℃未満である。−80℃以下では重合反応速度が極端に低下するばかりか、冷却の為のエネルギー消費量が著しい。逆に150℃以上ではモノマーが金属ハロゲン化物から気体として解離してしまい十分なMvの炭素繊維プレカーサ用共重合体を得ることが出来ない。   The temperature conditions suitable for solid phase polymerization are -80 ° C or higher and lower than 150 ° C. Below -80 ° C, not only the polymerization reaction rate is extremely reduced, but also the energy consumption for cooling is remarkable. On the other hand, at 150 ° C. or higher, the monomer dissociates as a gas from the metal halide, and a sufficient Mv copolymer for carbon fiber precursor cannot be obtained.

固相重合を完了したアダクトは、金属ハロゲン化物と炭素繊維プレカーサ用共重合体とから構成されている。従って金属ハロゲン化物は、これを溶解せしめることが出来る水、メタノール、エタノール、アセトン、希塩酸、希硝酸等で溶出させることで、炭素繊維プレカーサ用共重合体から除去することが可能である。金属ハロゲン化物の回収は、その溶出に使用した溶媒を蒸発乾燥させることによって達成可能である。ただしこのようにして得られた金属ハロゲン化合物の溶媒和物は、結晶中に溶出時に使用した溶媒を含んでいる為、そのまま再使用することは不可能である。   The adduct that has completed the solid-phase polymerization is composed of a metal halide and a copolymer for a carbon fiber precursor. Accordingly, the metal halide can be removed from the carbon fiber precursor copolymer by elution with water, methanol, ethanol, acetone, dilute hydrochloric acid, dilute nitric acid or the like that can dissolve the metal halide. Recovery of the metal halide can be achieved by evaporating and drying the solvent used for the elution. However, the solvate of the metal halide compound thus obtained cannot be reused as it is because it contains the solvent used at the time of elution in the crystal.

従って、該回収物は重合に再使用する前に、賦活化が実施される。賦活化は加熱によって達成可能であるが、100℃以上で行うことが必要であり、更に好ましくは130℃以上で加熱処理することが好ましい。また、該回収物がメタノールやアセトンの様に100℃以下の沸点を持つ溶媒によるものであった場合でも、これらは金属ハロゲン化物と強く相互作用する場合があるために、十分な賦活化は少なくとも100℃以上で行う必要がある。   Therefore, the recovered material is activated before being reused for polymerization. Activation can be achieved by heating, but it is necessary to carry out at 100 ° C. or higher, and more preferably heat treatment at 130 ° C. or higher. Further, even when the recovered product is a solvent having a boiling point of 100 ° C. or less, such as methanol or acetone, these may interact strongly with the metal halide. It is necessary to carry out at 100 ° C. or higher.

賦活化の温度が100℃未満である場合、鋳型化合物中の溶媒を完全に除去することが出来ず、残留した溶媒は六方晶系、或いは三方晶系における結晶欠陥の原因となる。結晶欠陥を有する鋳型化合物を重合に用いた場合、得られる炭素繊維プレカーサ用共重合体のアイソタクティシティが低下する事は、言うまでも無い。賦活化は減圧を伴った加熱、或いは脱水能力を有する化合物を脱水助剤として共存させる加熱なども好適な実施形態として挙げられる。賦活化工程を容易ならしめる為には、鋳型化合物の回収は水、アセトン、メタノールの様な比較的低沸点の溶媒を使用することが好ましい。   When the activation temperature is less than 100 ° C., the solvent in the template compound cannot be completely removed, and the remaining solvent causes crystal defects in the hexagonal system or the trigonal system. Needless to say, when a template compound having crystal defects is used for polymerization, the isotacticity of the obtained copolymer for a carbon fiber precursor is lowered. The activation may be performed by heating with reduced pressure, or heating in which a compound having a dehydrating ability coexists as a dehydrating aid. In order to facilitate the activation process, it is preferable to use a solvent having a relatively low boiling point such as water, acetone or methanol for the recovery of the template compound.

このようにして回収、賦活化された鋳型化合物の使用方法は、初めて重合に使用する鋳型化合物と何ら変わりは無い。   The method of using the template compound recovered and activated in this way is the same as the template compound used for the first polymerization.

このような方法で得られる炭素繊維プレカーサ用共重合体におけるポリアクリロニトリル成分のアイソタクティックトリアッド(mm%)は少なくとも35モル%以上、通常60モル%以上を満足するものとなる。ここでアイソタクティックトリアッド(mm%)とは、付加重合系ポリマーにおいてポリマー中の連続した3個の繰り返し単位を考えたときに、隣り合うモノマー単位の側鎖がいずれも互いにメソ(mと略記する)配置の関係にあることを指す。   The isotactic triad (mm%) of the polyacrylonitrile component in the copolymer for carbon fiber precursor obtained by such a method satisfies at least 35 mol%, usually 60 mol% or more. Here, the isotactic triad (mm%) is an addition polymerization type polymer in which three consecutive repeating units in a polymer are considered, and the side chains of adjacent monomer units are all meso (m and (Abbreviated) refers to the relationship of arrangement.

即ちアイソタクティックトリアッドとはmm連鎖の割合である。mm%が35モル%未満の場合、ポリアクリロニトリルの立体構造に基づく耐炎化特性に十分な効果は発現せず、実質アタクティックである炭素繊維プレカーサ用共重合体と何ら変わらない。   That is, the isotactic triad is a ratio of mm chain. When the mm% is less than 35 mol%, a sufficient effect is not exerted on the flame resistance properties based on the three-dimensional structure of polyacrylonitrile, and it is not different from a carbon fiber precursor copolymer which is substantially atactic.

本発明方法により得られた炭素繊維プレカーサ用共重合体および炭素繊維プレカーサを用いることにより、従来のアタクティックな炭素繊維プレカーサ用共重合体を用いた場合より、耐炎化処理を低温かつ短時間で行うことが可能となる。その結果、大幅な省エネルギーとなるだけではなく、単繊維間の融着による強度低下などの品質上の問題や糸切れなどプロセス上の問題を解決することができるのである。   By using the carbon fiber precursor copolymer and carbon fiber precursor obtained by the method of the present invention, the flameproofing treatment can be carried out at a lower temperature and in a shorter time than when a conventional atactic carbon fiber precursor copolymer is used. Can be done. As a result, not only can energy be saved significantly, but quality problems such as strength reduction due to fusion between single fibers and process problems such as yarn breakage can be solved.

更に本発明の炭素繊維プレカーサは隣接するシアノ基間距離が近く主鎖が3/1螺旋構造をとる。そのため耐炎化工程においては速やかに耐炎化が進行し、生成するピリジン縮合環構造が直線的、即ちポリナフチリジン骨格であることから、続いて行われる炭素化工程や黒鉛化工程で形成される六角網面層の十分な成長が見込め、高弾性率を有する炭素繊維が製造可能となる。   Furthermore, the carbon fiber precursor of the present invention has a distance between adjacent cyano groups and a main chain having a 3/1 helical structure. Therefore, in the flameproofing process, the flameproofing proceeds quickly, and the pyridine condensed ring structure to be formed is linear, that is, a polynaphthyridine skeleton, so that the hexagonal network formed in the subsequent carbonization process or graphitization process. Sufficient growth of the face layer can be expected, and carbon fibers having a high elastic modulus can be produced.

本発明における炭素繊維プレカーサ用共重合体とはアクリロニトリル成分を主たる成分とする無定形のポリマーを指し、本発明における炭素繊維プレカーサとは炭素繊維プレカーサ用共重合体を湿式紡糸、乾−湿式紡糸、あるいは乾式紡糸のような紡糸工程を経て繊維状に成型された状態を指すものである。即ち耐炎化処理、加熱炭化処理を行う前の状態までを指している。   The carbon fiber precursor copolymer in the present invention refers to an amorphous polymer mainly composed of an acrylonitrile component, and the carbon fiber precursor in the present invention refers to a carbon fiber precursor copolymer wet-spun, dry-wet spinning, Or it refers to the state of being formed into a fiber through a spinning process such as dry spinning. That is, it refers to the state before performing the flameproofing treatment and the heating carbonization treatment.

アクリロニトリルの共重合相手となるアクリル酸系化合物としては従来公知のものを用いることができるが、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸を用いることが好ましい。アクリル酸エステル系化合物としては、エステル部位のアルキル基が炭素数1〜20、例えばアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸シクロヘキシル等が特に好ましく用いることができる。更に不飽和共重合成分としてメタクリルニトリル、酢酸ビニル、アクリルアミド、無水マレイン酸、N−ビニルピロリドンのような極性ビニルモノマー、スチレン、ビニルピリジン、ビニルイミダゾールのような芳香族ビニル化合物なども好ましく用いることができる。これらの不飽和共重合成分は単独あるいは併用しても良い。   Conventionally known compounds can be used as the acrylic acid-based compound that serves as a copolymerization partner for acrylonitrile, but acrylic acid, methacrylic acid, and itaconic acid are preferably used. As the acrylic ester compound, the alkyl group at the ester site has 1 to 20 carbon atoms, such as methyl acrylate, ethyl acrylate, isopropyl acrylate, cyclohexyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, isopropyl methacrylate, methacrylic acid. Acid cyclohexyl and the like can be particularly preferably used. Furthermore, polar vinyl monomers such as methacrylonitrile, vinyl acetate, acrylamide, maleic anhydride, and N-vinylpyrrolidone, and aromatic vinyl compounds such as styrene, vinylpyridine, and vinylimidazole are preferably used as the unsaturated copolymerization component. it can. These unsaturated copolymerization components may be used alone or in combination.

共重合の結果、アクリロニトリルとアクリル酸系化合物、アクリル酸エステル系化合物、並びに不飽和共重合成分はランダムな配列となるランダム共重合体、あるいはアクリロニトリル連鎖と不飽和共重合成分の連鎖が形成されるブロック共重合体が得られる。アクリロニトリル以外の共重合成分の役割としては耐炎化における分子内環化反応に伴う自己発熱を抑え炭素繊維プレカーサに与える熱的ダメージを軽減することと、耐炎化初期におけるピリドン環や環状イミド生成反応が分子内及び分子間環化反応の引き金を担うことであるが、その目的で不飽和共重合成分を過分に共重合することは、炭素繊維の性能低下、並びに炭素収率の減少に繋がる。従ってアクリロニトリル以外の共重合成分のモル%は特に制限はないが、炭素繊維プレカーサ用共重合体中20モル%未満であることが好ましい。   As a result of the copolymerization, a random copolymer in which acrylonitrile and an acrylic acid compound, an acrylate ester compound, and an unsaturated copolymer component are randomly arranged, or a chain of an acrylonitrile chain and an unsaturated copolymer component is formed. A block copolymer is obtained. The role of copolymer components other than acrylonitrile is to suppress the self-heating caused by the intramolecular cyclization reaction in flame resistance, reduce the thermal damage given to the carbon fiber precursor, and the pyridone ring and cyclic imide formation reaction in the early stage of flame resistance Although it is responsible for triggering intramolecular and intermolecular cyclization reactions, excessive copolymerization of unsaturated copolymerization components for that purpose leads to a decrease in carbon fiber performance and a decrease in carbon yield. Accordingly, the mol% of the copolymer component other than acrylonitrile is not particularly limited, but is preferably less than 20 mol% in the copolymer for carbon fiber precursor.

本発明の炭素繊維プレカーサ用共重合体は従来公知の技術によって製糸することができる。具体的な製糸方法としては特に制限はないが通常の湿式紡糸法、乾式紡糸法、あるいは乾湿式紡糸法等が用いられる。本発明ではこの時点で得られた炭素繊維プレカーサ用共重合体の糸を炭素繊維プレカーサと称する。なお、製糸工程における延伸などの加熱処理によってアイソタクティックリッチなポリアクリロニトリル成分が部分的に耐炎化する場合があるが、これらの変性した構造を含むものも本発明の炭素繊維プレカーサの範囲に含まれる。   The copolymer for a carbon fiber precursor of the present invention can be produced by a conventionally known technique. Although there is no restriction | limiting in particular as a specific spinning method, A normal wet spinning method, a dry-type spinning method, or a dry-wet spinning method etc. are used. In the present invention, the carbon fiber precursor copolymer yarn obtained at this point is referred to as a carbon fiber precursor. In addition, isotactic-rich polyacrylonitrile components may be partially made flame resistant by heat treatment such as drawing in the yarn making process, but those containing these modified structures are also included in the scope of the carbon fiber precursor of the present invention. It is.

本発明の炭素繊維プレカーサは、150以上300℃未満の温度で加熱耐炎化処理、不活性気体雰囲気中で300℃以上2000℃未満の加熱炭化処理、更に2000℃以上2500℃未満の黒鉛成長課程を経て炭素繊維に転換される。耐炎化処理の雰囲気としては、窒素などの不活性気体雰囲気を採用することも可能であるが、空気などの活性気体雰囲気を採用することが耐炎化処理時間を短縮させる意味から、より好ましい。また炭化温度が300℃未満のような低温では、得られる炭素繊維の弾性率が低下する問題がある。なお上記の炭素繊維は、必要に応じてさらに表面処理や油剤塗布、サイジング処理を行うことができる。   The carbon fiber precursor of the present invention is subjected to a flameproofing treatment at a temperature of 150 to 300 ° C., a heat carbonization treatment of 300 to 2000 ° C. in an inert gas atmosphere, and a graphite growth process of 2000 to 2500 ° C. After that, it is converted to carbon fiber. As the atmosphere for the flameproofing treatment, an inert gas atmosphere such as nitrogen can be adopted, but it is more preferable to adopt an active gas atmosphere such as air from the viewpoint of shortening the flameproofing treatment time. Moreover, there exists a problem in which the elasticity modulus of the carbon fiber obtained will fall at the low temperature like carbonization temperature is less than 300 degreeC. In addition, said carbon fiber can further surface-treat, oil agent application | coating, and a sizing process as needed.

mm%が高い炭素繊維プレカーサ用共重合体および炭素繊維プレカーサにおいて耐炎化処理を低温で速やかに行える理由としては、次の様に推測できる。即ち先述のとおり、耐炎化反応は隣接するシアノ基の分子内環化反応を伴うため、シアノ基同士がメソ配置したアイソタクティック構造では、位置的に隣接シアノ基が環化するのに有利であり、より小さな活性化エネルギーで反応が進むと考えられる。よってアイソタクティック構造では耐炎化処理が低温で行えるものと考えられる。また該炭素繊維プレカーサはアイソタクティシティに誘起される3/1螺旋構造をとるため、耐炎化の際に直線状の縮合ピリジン環、即ちポリナフチリジン骨格を形成する。このため炭素化および黒鉛化の段階で成長する六角網面層のサイズが従来のアタクティックな炭素繊維プレカーサを用いた場合よりも大きくなり、得られる炭素繊維の強度が増すこととなる。   The reason why the flameproofing treatment can be promptly performed at a low temperature in the carbon fiber precursor copolymer and the carbon fiber precursor having a high mm% can be estimated as follows. That is, as described above, the flameproofing reaction involves an intramolecular cyclization reaction between adjacent cyano groups. Therefore, an isotactic structure in which cyano groups are meso-positioned is advantageous for cyclization of adjacent cyano groups in a positional manner. It is thought that the reaction proceeds with a smaller activation energy. Therefore, it is considered that the flameproofing treatment can be performed at a low temperature in the isotactic structure. In addition, since the carbon fiber precursor has an isotacticity-induced 3/1 helical structure, a linear condensed pyridine ring, that is, a polynaphthyridine skeleton is formed when flame resistance is achieved. For this reason, the size of the hexagonal mesh layer that grows at the stage of carbonization and graphitization becomes larger than when a conventional atactic carbon fiber precursor is used, and the strength of the obtained carbon fiber increases.

以下、参考例及び実施例によって本発明を更に具体的に説明する。ただし、本発明は、以下の参考例、実施例にのみ限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference examples and examples. However, the present invention is not limited to the following reference examples and examples.

実施例中のγ線を用いた電磁波固相重合については、日本アイソトープ協会にアダクトを送付、照射依頼した。重合におけるモノマー転化率及び得られた炭素繊維プレカーサ用共重合体の組成は1H−NMRより、また立体規則性(タクティシティー)は13C−NMR測定(270MHz JNR−EX−270 日本電子データム(株)製、溶媒:ジメチルスルホキシド−d6)により定量し、アイソタクティックトリアッド(mm)、シンジオタクティッティクトリアッド(rr)、ヘテロタクティックトリアッド(mr)を決定した。炭素繊維プレカーサ用共重合体の固有粘度はS−40規格のウベローデ型粘度計を用い、35℃のN,N’−ジメチルホルムアミド中、或いは50℃のジメチルスルホキシド中で測定した。また、それぞれの溶媒中で求められた還元粘度ηsp/Cと下記の実験式1、及び2を用いて固有粘度[η]を算出した。
[数1]
[η]=0.6712×ηsp/C+0.063
(35℃のN,N’−ジメチルホルムアミド中)
[数2]
[η]=−0.1578×[ηsp/C]2+0.9524×ηsp/C−0.002
(50℃のジメチルスルホキシド中)
For electromagnetic solid phase polymerization using γ-rays in the examples, an adduct was sent to the Japan Isotope Association to request irradiation. Monomer conversion in polymerization and the composition of the obtained copolymer for carbon fiber precursor are from 1H-NMR, and stereoregularity (tacticity) is 13C-NMR measurement (270 MHz JNR-EX-270 JEOL Datum Co., Ltd.) Manufactured, solvent: dimethyl sulfoxide-d6), and isotactic triad (mm), syndiotactic triad (rr), and heterotactic triad (mr) were determined. The intrinsic viscosity of the copolymer for carbon fiber precursor was measured in N, N′-dimethylformamide at 35 ° C. or in dimethyl sulfoxide at 50 ° C. using an S-40 standard Ubbelohde viscometer. Further, the intrinsic viscosity [η] was calculated using the reduced viscosity ηsp / C obtained in each solvent and the following empirical formulas 1 and 2.
[Equation 1]
[Η] = 0.6712 × ηsp / C + 0.063
(In N, N′-dimethylformamide at 35 ° C.)
[Equation 2]
[Η] = − 0.1578 × [ηsp / C] 2 + 0.9524 × ηsp / C−0.002
(In dimethyl sulfoxide at 50 ° C)

[参考例1]
乾燥窒素気流下、無水塩化コバルト(II)50gを三口フラスコに入れ、これを氷浴で10℃以下に保った。別に用意した三口フラスコを窒素置換し、アクリロニトリル25.4ml、アクリル酸メチル1.5ml、イタコン酸ジブチル0.9ml、およびアゾビスイソブチロニトリル188mgを混合してモノマー溶液とした。これを無水塩化コバルト(II)に加え、全て吸収させてアダクトとした。続いて該アダクトが入った三口フラスコを熱風循環型乾燥機に設置し、70℃にて12時間熱固相重合を行った。固相重合後、該アダクトを水中に注ぎ無水塩化コバルトを溶解抽出、除去することで炭素繊維プレカーサ用共重合体を得た。該共重合体はアセトンで洗浄した後40℃にて一昼夜乾燥させた。得られた炭素繊維プレカーサ用共重合体は9.6g(収率47.1%)であった。
[Reference Example 1]
Under a dry nitrogen stream, 50 g of anhydrous cobalt (II) chloride was placed in a three-necked flask and kept at 10 ° C. or lower with an ice bath. A separately prepared three-necked flask was purged with nitrogen, and 25.4 ml of acrylonitrile, 1.5 ml of methyl acrylate, 0.9 ml of dibutyl itaconate, and 188 mg of azobisisobutyronitrile were mixed to obtain a monomer solution. This was added to anhydrous cobalt (II) chloride and completely absorbed to form an adduct. Subsequently, the three-necked flask containing the adduct was placed in a hot-air circulating dryer, and thermal solid-state polymerization was performed at 70 ° C. for 12 hours. After solid phase polymerization, the adduct was poured into water, and anhydrous cobalt chloride was dissolved and extracted and removed to obtain a copolymer for a carbon fiber precursor. The copolymer was washed with acetone and then dried at 40 ° C. for a whole day and night. The obtained copolymer for carbon fiber precursor was 9.6 g (yield 47.1%).

H−NMR測定により該共重合体の組成を見積もったところ、アクリロニトリル成分、アクリル酸メチル成分、イタコン酸ジブチル成分がそれぞれ96.6%、0.9%、2.5%であった。また13C−NMR測定を行い、タクティシティーを定量したところ、mm/mr/rr=88.5/7.2/4.3であり、高いアイソタクティシティを有することが確認された。50℃のジメチルスルホキシド中で測定したηsp/Cを基に算出した固有粘度[η]は1.01であった。 When the composition of the copolymer was estimated by 1 H-NMR measurement, the acrylonitrile component, methyl acrylate component, and dibutyl itaconate component were 96.6%, 0.9%, and 2.5%, respectively. Moreover, when 13 C-NMR measurement was performed and tacticity was quantified, it was mm / mr / rr = 88.5 / 7.2 / 4.3, and it was confirmed to have high isotacticity. The intrinsic viscosity [η] calculated based on ηsp / C measured in dimethyl sulfoxide at 50 ° C. was 1.01.

[参考例2]
塩化コバルト・6水和物(和光純薬株式会社製)92.0gを三口フラスコに入れ10Torrに減圧しながら150℃に加熱した。加熱を始めて約10分経過後、塩化コバルト・6水和物は青紫色に変化、更に1時間経過後には淡青色になった。
[Reference Example 2]
92.0 g of cobalt chloride hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was placed in a three-neck flask and heated to 150 ° C. while reducing the pressure to 10 Torr. After about 10 minutes from the start of heating, cobalt chloride hexahydrate turned blue-purple, and further turned pale blue after 1 hour.

この時点で賦活化を終了し、三口フラスコを窒素雰囲気にした。別に用意した三口フラスコを窒素置換し、アクリロニトリル25.4ml、アクリル酸メチル1.5ml、イタコン酸ジブチル0.9ml、およびアゾビスイソブチロニトリル188mgを混合してモノマー溶液を調整した。これを賦活化した塩化コバルトに加えて再びアダクトとした。   At this point, activation was terminated and the three-necked flask was brought to a nitrogen atmosphere. A separately prepared three-necked flask was purged with nitrogen, and 25.4 ml of acrylonitrile, 1.5 ml of methyl acrylate, 0.9 ml of dibutyl itaconate, and 188 mg of azobisisobutyronitrile were mixed to prepare a monomer solution. In addition to the activated cobalt chloride, this was again used as an adduct.

以下、参考例1と同様の手順で熱固相重合を実施した。得られた炭素繊維プレカーサ用共重合体は14.1g(収率61.8%)であった。H−NMR測定により該共重合体の組成を見積もったところ、アクリロニトリル成分、アクリル酸メチル成分、イタコン酸ジブチル成分がそれぞれ95.4%、2.1%、2.5%であった。 Thereafter, thermal solid state polymerization was carried out in the same procedure as in Reference Example 1. The obtained copolymer for carbon fiber precursor was 14.1 g (yield 61.8%). When the composition of the copolymer was estimated by 1 H-NMR measurement, the acrylonitrile component, methyl acrylate component, and dibutyl itaconate component were 95.4%, 2.1%, and 2.5%, respectively.

また13C−NMR測定を行い、タクティシティーを定量したところ、mm/mr/rr=88.3/7.8/3.9であり、高いアイソタクティシティを有することが確認された。50℃のジメチルスルホキシド中で測定したηsp/Cを基に算出した固有粘度[η]は1.14であった。 Moreover, when 13 C-NMR measurement was performed and tacticity was quantified, it was mm / mr / rr = 88.3 / 7.8 / 3.9, and it was confirmed to have high isotacticity. The intrinsic viscosity [η] calculated based on ηsp / C measured in dimethylsulfoxide at 50 ° C. was 1.14.

[実施例1]
エバポレーターを使用して、参考例1で溶解、抽出された塩化コバルト水溶液から水を除去した。得られた赤色固体の塩化コバルト・6水和物45.6gを得た。これを参考例2と同様の方法で賦活化を行い、参考例1と同様の方法で熱固相重合に使用した。得られた炭素繊維プレカーサ用共重合体は9.2g(収率40.4%)であった。H−NMR測定により該共重合体の組成を見積もったところ、アクリロニトリル成分、アクリル酸メチル成分、イタコン酸ジブチル成分がそれぞれ95.1%、1.7%、3.2%であった。また13C−NMR測定を行い、タクティシティーを定量したところ、mm/mr/rr=88.1/8.0/3.9であり、高いアイソタクティシティを有することが確認された。50℃のジメチルスルホキシド中で測定したηsp/Cを基に算出した固有粘度[η]は1.84であった。
[Example 1]
Water was removed from the cobalt chloride aqueous solution dissolved and extracted in Reference Example 1 using an evaporator. 45.6 g of the obtained red solid cobalt chloride hexahydrate was obtained. This was activated in the same manner as in Reference Example 2 and used for thermal solid phase polymerization in the same manner as in Reference Example 1. The obtained copolymer for carbon fiber precursor was 9.2 g (yield 40.4%). When the composition of the copolymer was estimated by 1 H-NMR measurement, the acrylonitrile component, methyl acrylate component, and dibutyl itaconate component were 95.1%, 1.7%, and 3.2%, respectively. Moreover, when 13C-NMR measurement was performed and tacticity was quantified, it was mm / mr / rr = 88.1 / 8.0 / 3.9, and it was confirmed to have high isotacticity. The intrinsic viscosity [η] calculated based on ηsp / C measured in dimethyl sulfoxide at 50 ° C. was 1.84.

[比較例1]
加熱温度に90℃を採用した以外は実施例6と同様の方法で塩化コバルトの賦活化を実施した。得られた塩化コバルトは、無水塩化コバルトとは異なり青紫色を呈していたが、これを使用して実施例3と同様の熱固相重合を行った。得られた炭素繊維プレカーサ用共重合体の組成を見積もったところ、アクリロニトリル成分、アクリル酸メチル成分、イタコン酸ジブチル成分がそれぞれ94.8%、2.0%、3.2%であった。13C−NMR測定を行いトリアッドタクティシティーを定量したところ、mm/mr/rr=28.9/49.3/21.8であり、実質アタクティックな炭素繊維プレカーサ用共重合体17.9g(収率78.5%)が得られたことが確認できた。35℃のN,N’−ジメチルホルムアミド中、ウベローデ型粘度計を用いて得られた固有粘度[η]は1.51であった。
[Comparative Example 1]
Cobalt chloride was activated in the same manner as in Example 6 except that 90 ° C. was adopted as the heating temperature. Unlike the anhydrous cobalt chloride, the obtained cobalt chloride had a bluish purple color, and this was used for the same thermal solid-state polymerization as in Example 3. When the composition of the obtained copolymer for carbon fiber precursor was estimated, the acrylonitrile component, methyl acrylate component, and dibutyl itaconate component were 94.8%, 2.0%, and 3.2%, respectively. The triad tacticity was quantified by performing 13 C-NMR measurement. As a result, mm / mr / rr = 28.9 / 49.3 / 21.8, which was 17.9 g of a substantially atactic copolymer for carbon fiber precursor. It was confirmed that (yield 78.5%) was obtained. The intrinsic viscosity [η] obtained using an Ubbelohde viscometer in N, N′-dimethylformamide at 35 ° C. was 1.51.

本発明の製造方法によれば鋳型化合物を回収賦活化して繰り返し使用し、産業廃棄物を極力減少させつつアイソタクティシティを有する炭素繊維プレカーサ用共重合体を製造することができる。また、該共重合体の使用により、低温且つ緩やかな炭素繊維製造プロセスの構築が可能であり、省エネルギーを含めた環境負荷の低減と炭素繊維の性能向上が見込まれる。   According to the production method of the present invention, a copolymer for carbon fiber precursor having isotacticity can be produced while recovering and activating the template compound and repeatedly using it to reduce industrial waste as much as possible. In addition, the use of the copolymer makes it possible to construct a low-temperature and gentle carbon fiber production process, which is expected to reduce the environmental load including energy saving and improve the performance of the carbon fiber.

Claims (3)

アクリロニトリル、アクリル酸系化合物、及びアクリル酸エステル系化合物を主たる成分とする不飽和共重合成分を、周期律表IIA族〜IIB族に属する結晶状態の無水金属ハロゲン化物からなる群から選ばれる少なくとも一種の鋳型化合物に接触させてアダクトとし、これを固相重合することによってアクリロニトリル構成連鎖のアイソタクティックトリアッド(mm%)が該連鎖のトリアッド総和(mm%+mr%+rr%)を基準として35%以上のアイソタクティシティを有する炭素繊維プレカーサ用共重合体の製造方法であって、
該固相重合終了後に、前記鋳型化合物を回収し、100℃以上の加熱処理により賦活した後、固相重合触媒として再使用することを特徴とする、炭素繊維プレカーサ用共重合体の製造方法。
The unsaturated copolymerization component mainly composed of acrylonitrile, an acrylic acid compound, and an acrylic ester compound is at least one selected from the group consisting of anhydrous metal halides in the crystalline state belonging to groups IIA to IIB of the periodic table The adduct is brought into contact with the template compound of the above to form an adduct, and this is solid-phase polymerized so that the isotactic triad (mm%) of the acrylonitrile constituent chain is 35% based on the total triad of the chain (mm% + mr% + rr%). A method for producing a copolymer for a carbon fiber precursor having the above isotacticity,
A method for producing a copolymer for a carbon fiber precursor, comprising recovering the template compound after completion of the solid-phase polymerization, activating it by heat treatment at 100 ° C. or higher, and then reusing it as a solid-phase polymerization catalyst.
無水金属ハロゲン化物が、周期律表IIA族〜IIB族に属する結晶状態の金属ハロゲン化物の溶媒和物からなる群から選ばれる少なくとも一種を加熱処理して得られた無水金属ハロゲン化物である、請求項1記載の製造方法。   The anhydrous metal halide is an anhydrous metal halide obtained by heat-treating at least one selected from the group consisting of solvates of metal halides in the crystalline state belonging to groups IIA to IIB of the periodic table. Item 2. The production method according to Item 1. 無水金属ハロゲン化物の結晶系が六方晶系、または三方晶系に属する、請求項1記載の製造方法。   The production method according to claim 1, wherein the crystal system of the anhydrous metal halide belongs to a hexagonal system or a trigonal system.
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