JP4957632B2 - Method for producing carbon fiber precursor fiber - Google Patents
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Description
本発明は、異物含有量の少ない炭素繊維前駆体繊維用重合体溶液を紡糸する炭素繊維前駆体繊維の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a carbon fiber precursor fiber by spinning a polymer solution for a carbon fiber precursor fiber having a low foreign matter content.
炭素繊維は、他の繊維に比べて高い比強度および比弾性率を有するため、複合材料用補強繊維として、従来からのスポーツ用途や航空・宇宙用途に加え、自動車や土木・建築、圧力容器および風車ブレードなどの一般産業用途にも幅広く展開されつつあり、更なる高性能化と低コスト化両立の要請が高い。 Since carbon fiber has higher specific strength and specific modulus than other fibers, it can be used as a reinforcing fiber for composite materials in addition to conventional sports applications, aerospace applications, automobiles, civil engineering / architecture, pressure vessels and Widely used in general industrial applications such as windmill blades, there is a strong demand for both higher performance and lower costs.
炭素繊維の中で、最も広く利用されているポリアクリロニトリル(以下、PANと記述することがある。)系炭素繊維は、その前駆体となるPAN系重合体からなる紡糸溶液を湿式紡糸、乾式紡糸または乾湿式紡糸して炭素繊維前駆体繊維を得た後、それを200〜400℃の温度の酸化性雰囲気下で加熱して耐炎化繊維へ転換し、少なくとも1000℃の温度の不活性雰囲気下で加熱して炭素化することによって工業的に製造されている。炭素繊維は、脆性材料であり、わずかな表面欠陥、内在欠陥により強度低下を引き起こすため、欠陥の生成に関しては、繊細な注意が払われてきた。紡糸溶液中の異物は繊維中に取り込まれ、特に影響が大きいが、その異物は、原料中の粉塵などの異物以外にも、紡糸溶液が一部滞留、熱劣化することでできたゲルがある。このゲルを口金から吐出前させないことを強度低下だけでなく、口金からの吐出時、製糸・焼成工程での糸切れを低減するためにも行われてきた。ゲルを口金から吐出させないためには、吐出前に濾過する方法も行われているが、ゲルを生成させないことも必要である。ゲルを生成させない安定した紡糸溶液を得る方法として、例えば、紡糸溶液にギ酸や硝酸を添加する技術が開示されている(特許文献1)が、ギ酸や硝酸が含まれるPAN系重合体溶液は、溶媒を回収する工程で溶媒と分離してギ酸や硝酸を回収することが困難であるだけでなく、熱安定性効果は低く、PAN系重合体が酸性となるため共重合する酸単量体の電離度が低くなり、PAN系重合体の親水性が低下し凝固時に空隙が発生しやすく、製造する炭素繊維の特性が低下する問題があった。そのため、PAN系重合体にアンモニア、ヒドラジン、あるいはアミン等を混合してカルボキシル基の末端水素をアンモニア、ヒドラジン、または第4級アンモニウムイオン等で置換する方法が開示されている(特許文献2)。また、紡糸溶液に水を添加する方法が開示されている(特許文献3)が、水による熱安定性効果は低く、また水はPAN系重合体の強力な凝固剤であり、配管に凝固したPAN系重合体が付着し配管を閉塞させたりする問題がある。さらに、エチレン性二重結合性化合物を0.01〜3重量%含んだ紡糸溶液が開示されている(特許文献4)が、ゲル化抑制力がさほど高くないばかりでなく、たとえば実施例で開示されているアクリロニトリルは特定化学物質の環境への排出量の把握等および管理の改善の促進に関する法律(PRTR法)の第1種指定物質とされているなど人体への悪影響が懸念されており、紡糸溶液に多量に含有されていることは好ましくない。 Among the carbon fibers, the most widely used polyacrylonitrile (hereinafter sometimes referred to as PAN) carbon fiber is a spinning solution composed of a PAN polymer as a precursor, and wet spinning or dry spinning. Alternatively, after carbon fiber precursor fiber is obtained by dry and wet spinning, it is heated in an oxidizing atmosphere at a temperature of 200 to 400 ° C. to convert to a flame-resistant fiber, and in an inert atmosphere at a temperature of at least 1000 ° C. It is manufactured industrially by heating and carbonizing at Since carbon fiber is a brittle material and causes a decrease in strength due to slight surface defects and intrinsic defects, delicate attention has been paid to the generation of defects. Foreign matter in the spinning solution is taken into the fiber, and the influence is particularly large, but the foreign matter is not only foreign matter such as dust in the raw material, but also a gel made by part of the spinning solution and thermal degradation . The fact that this gel is not discharged from the die has been carried out not only for reducing the strength but also for reducing yarn breakage in the yarn making / firing process during ejection from the die. In order not to discharge the gel from the die, a method of filtering before discharging is also performed, but it is also necessary not to generate the gel. As a method for obtaining a stable spinning solution that does not generate a gel, for example, a technique of adding formic acid or nitric acid to a spinning solution is disclosed (Patent Document 1), but a PAN-based polymer solution containing formic acid or nitric acid is Not only is it difficult to separate formic acid and nitric acid by separating it from the solvent in the process of recovering the solvent, but the thermal stability effect is low, and the PAN-based polymer becomes acidic. There is a problem that the degree of ionization is lowered, the hydrophilicity of the PAN-based polymer is lowered, voids are easily generated during solidification, and the characteristics of the carbon fiber to be produced are lowered. Therefore, a method has been disclosed in which ammonia, hydrazine, amine, or the like is mixed into a PAN-based polymer and the terminal hydrogen of the carboxyl group is replaced with ammonia, hydrazine, quaternary ammonium ions, or the like (Patent Document 2). In addition, a method of adding water to the spinning solution is disclosed (Patent Document 3), but the thermal stability effect by water is low, and water is a strong coagulant of PAN-based polymer and coagulates in the piping. There is a problem that the PAN-based polymer adheres and blocks the piping. Furthermore, although a spinning solution containing 0.01 to 3 wt% of an ethylenic double bond compound is disclosed (Patent Document 4), not only the gelation inhibitory power is not so high, but also disclosed in, for example, Examples. Acrylonitrile is considered to be a Class 1 designated substance in the Act on Promotion of Improvement of Management (PRTR Law), etc., ascertaining the amount of specified chemical substances released into the environment, and there are concerns about adverse effects on the human body. It is not preferable that the spinning solution contains a large amount.
紡糸溶液中の残存アクリロニトリルを減少させる方法は種々検討されており、例えば、充填物を充填し、減圧せしめた脱気槽内で重合体溶液を分散させる方法が開示されている(特許文献5)が、残存アクリロニトリルを減少せしめただけの紡糸溶液は熱安定性が低下し、配管内に長時間滞留した紡糸溶液がゲル化し、流れてゆく紡糸溶液の一部に混合され、糸切れに至る事があるといった問題があり、残存アクリロニトリル量が少なく、かつ、ゲルの生成を抑制することが望まれている。 Various methods for reducing the residual acrylonitrile in the spinning solution have been studied. For example, a method of dispersing a polymer solution in a degassing tank filled with a filler and depressurized is disclosed (Patent Document 5). However, the spinning solution in which only the remaining acrylonitrile is reduced decreases in thermal stability, and the spinning solution staying in the pipe for a long time gels and mixes with a part of the spinning solution that flows, leading to yarn breakage. There is a problem that the amount of residual acrylonitrile is small, and it is desired to suppress the formation of gel.
また、製糸速度を高めて時間当たりの生産量を増やし、低コスト化しようとしたときに、糸切れなく凝固浴出の駆動ローラーで引き取りができる限界引取速度を示す可紡性が製糸速度の限界を決めるものであり、製糸速度を高めやすい乾湿式紡糸では曳糸長が可紡性にとって重要になるが、特許文献6の図1に示すように、曳糸長は高々100mm程度であり、特に高速で糸を曳いた場合には、曳糸長は激減するものであった。かかる曳糸長は、当業者の一般的なレベルであり、重合体溶液として製糸速度を高める性質は満足できるものではなかった。 In addition, when the production speed per hour is increased by increasing the yarn production speed, the spinnability that indicates the limit take-up speed that can be taken up by the driving roller out of the coagulation bath without breaking the yarn is the limit of the yarn production speed. In dry-wet spinning that facilitates increasing the spinning speed, the yarn length is important for spinnability, but as shown in FIG. 1 of Patent Document 6, the yarn length is about 100 mm at most, When the yarn was wound at high speed, the yarn length was drastically reduced. Such a yarn length is a general level of those skilled in the art, and the property of increasing the spinning speed as a polymer solution was not satisfactory.
本発明者らは、炭素繊維の生産コストを低減するため、特定の分子量分布を有するPAN系重合体を用いることで、紡糸速度を高め、かつ、紡糸ドラフト率を高めることができる技術を提案した(特願2007−269822号参照)。かかる技術を用い、炭素繊維としたときにより高強度であり、毛羽立ちをより少ないようにするためには、紡糸溶液を口金から吐出する際にゲルを含まないことが望まれている。
本発明の目的は、かかる従来技術の背景に鑑み、残存アクリロニトリル量の少なく、かつ、ゲルの生成を抑制した異物の少ない炭素繊維前駆体繊維用重合体溶液を開発し、安定して炭素繊維前駆体繊維を製造できる方法を提案することを目的とする。 An object of the present invention is to develop a polymer solution for a carbon fiber precursor fiber with a small amount of residual acrylonitrile and a small amount of foreign matter that suppresses the formation of gel, in view of the background of such conventional technology, and stably produces a carbon fiber precursor. It aims at proposing the method which can manufacture a body fiber.
本発明は、かかる課題を解決するために、次の構成を有する。すなわち、アクリル酸、メタクリル酸およびイタコン酸からなる群より選ばれる少なくとも一種の酸単量体を共重合した重量平均分子量MwとZ平均分子量Mzとの比であるMz/Mwが2以上であるポリアクリロニトリル系重合体が溶媒に溶解してなるとともに、アクリロニトリルの含有比率が0.001〜0.1重量%であって、かつ、次の[a]〜[c]から選ばれる少なくとも一種の要件を満たす紡糸溶液を紡糸して凝固糸を得て後、水洗して炭素繊維前駆体繊維となす炭素繊維前駆体繊維の製造方法。
[a]ポリアクリロニトリル系重合体において、酸単量体に由来したカルボン酸基の水素イオンが、アンモニウムイオンおよびナトリウムイオンからなる群より選ばれる少なくとも1種のイオンにより含有カルボキシル基の0〜0.3等量置換される。
[b]紡糸溶液に、アルキル化剤を紡糸溶液の重量当たり0.01〜3重量%含む。
[c]紡糸溶液に、沸点が200℃以上である有機カルボン酸を紡糸溶液の重量当たり0.01〜3重量%含む。
In order to solve this problem, the present invention has the following configuration. That is, poly having a ratio Mz / Mw of 2 or more, which is a ratio of the weight average molecular weight Mw obtained by copolymerizing at least one acid monomer selected from the group consisting of acrylic acid, methacrylic acid and itaconic acid to the Z average molecular weight Mz The acrylonitrile-based polymer is dissolved in a solvent, and the content ratio of acrylonitrile is 0.001 to 0.1% by weight, and at least one requirement selected from the following [a] to [c] A method for producing a carbon fiber precursor fiber in which a spinning solution to be filled is spun to obtain a coagulated yarn, which is then washed with water to form a carbon fiber precursor fiber.
[A] In the polyacrylonitrile-based polymer, the hydrogen ion of the carboxylic acid group derived from the acid monomer is 0 to 0.00% of the contained carboxyl group by at least one ion selected from the group consisting of ammonium ion and sodium ion. 3 equivalents are replaced.
[B] The spinning solution contains 0.01 to 3% by weight of an alkylating agent based on the weight of the spinning solution.
[C] The spinning solution contains 0.01 to 3% by weight of an organic carboxylic acid having a boiling point of 200 ° C. or more based on the weight of the spinning solution.
本発明によれば、残存アクリロニトリルが少なく、ゲルの生成を抑制した異物の少ない炭素繊維前駆体繊維用重合体溶液を得ることができ、品質・品位の良好な炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維が製造可能となる。 According to the present invention, it is possible to obtain a carbon fiber precursor fiber polymer solution with little residual acrylonitrile and less foreign matter with suppressed gel formation, and carbon fiber precursor fibers and carbon fibers having good quality and quality are obtained. Manufacturable.
本発明では、Z平均分子量Mzと重量平均分子量Mwとの比であるMz/Mwが2以上であるPAN系重合体が溶媒に溶解されてなる紡糸溶液を用いて紡糸する。かかるPAN系重合体は分子量の大きな重合体成分を含んでおり、熱劣化の過程で一旦分子量の大きな重合体成分の優先的な分子量低下が起こった後にゲル化するため、配管内の滞留が減少しゲルの生成を抑制することを見出し本発明に到達した。 In the present invention, spinning is performed using a spinning solution in which a PAN-based polymer in which Mz / Mw, which is a ratio of the Z average molecular weight Mz to the weight average molecular weight Mw, is 2 or more is dissolved in a solvent. This PAN polymer contains a polymer component with a large molecular weight, and after the preferential molecular weight reduction of the polymer component with a large molecular weight occurs once during the process of thermal degradation, it gels, reducing the residence in the piping. The inventors have found that the formation of gel is suppressed and have reached the present invention.
まず、本発明で好適に用いることができるPAN系重合体について説明する。本発明では、重量平均分子量Mwが10万〜100万、好ましくは20万〜65万、より好ましくは30〜50万であるPAN系重合体が好適に用いられる。また、かかるPAN系重合体は、Z平均分子量MzとMwとの比で示される多分散度Mz/Mwは2.5〜10、好ましくは2.5〜6、より好ましくは3〜6であるのが良い。 First, the PAN polymer that can be suitably used in the present invention will be described. In the present invention, a PAN-based polymer having a weight average molecular weight Mw of 100,000 to 1,000,000, preferably 200,000 to 650,000, more preferably 300 to 500,000 is suitably used. In addition, the PAN-based polymer has a polydispersity Mz / Mw represented by a ratio of the Z average molecular weight Mz to Mw of 2.5 to 10, preferably 2.5 to 6, and more preferably 3 to 6. Is good.
本発明において、各種平均分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフ(以下、GPCと略記する)法で測定され、ポリスチレン換算値として得られるものである。なお、多分散度Mz/Mwは、次の意味を有する。すなわち、数平均分子量(以下、Mnと略記する)は、高分子化合物に含まれる低分子量物の寄与を敏感に受ける。これに対して、Mwは、高分子量物の寄与を敏感に受け、Mzは、高分子量物の寄与をさらに敏感に受ける。そのため、分子量分布であるMw/Mnや多分散度であるMz/Mwを用いることにより分子量分布の広がりを評価することができる。Mw/Mnが1であるとき単分散であり、大きくなるにつれて分子量分布が低分子量側を中心にブロードになることを示すのに対して、Mz/Mwは大きくなるにつれて、分子量分布が高分子量側を中心にブロードになることを示す。 In the present invention, various average molecular weights are measured by a gel permeation chromatograph (hereinafter abbreviated as GPC) method and are obtained as polystyrene equivalent values. The polydispersity Mz / Mw has the following meaning. That is, the number average molecular weight (hereinafter abbreviated as Mn) is sensitively influenced by the low molecular weight substance contained in the polymer compound. On the other hand, Mw is sensitively influenced by the high molecular weight substance, and Mz is more sensitively influenced by the high molecular weight substance. Therefore, the spread of the molecular weight distribution can be evaluated by using Mw / Mn as the molecular weight distribution and Mz / Mw as the polydispersity. It is monodisperse when Mw / Mn is 1, and shows that the molecular weight distribution becomes broader around the low molecular weight side as it becomes larger, whereas the molecular weight distribution becomes higher as Mz / Mw becomes larger. It shows that it becomes broad around.
上記のように、Mw/MnとMz/Mwの示すところが異なるため、Mw/Mnが大きくても、Mz/Mwが2.5以上になるということでは必ずしもない。 As described above, since Mw / Mn and Mz / Mw are different from each other, even if Mw / Mn is large, Mz / Mw is not necessarily 2.5 or more.
上記のようなPAN系重合体を用いることにより、生産性の向上と安定化の両立を図りつつ、毛羽立ちの少ない高品位な炭素繊維前駆体繊維を製造することができるメカニズムは、必ずしも明確になった訳ではないが、次のように考えられる。口金孔直後でPAN系重合体が伸長変形する際に、超高分子量物と高分子量物が絡み合い、超高分子量物を中心に絡み合い間の分子鎖が緊張することで伸長粘度の急激な増大、すなわち、歪み硬化がおこる。PAN系重合体溶液の細化に伴い細化部分の伸長粘度が高くなり、流動安定化するため紡糸速度を高め、かつ、紡糸ドラフト率を高めることができ、ひいては製糸速度を高めることができる。上記のようなPAN系重合体を溶媒に溶解させた溶液を用いることにより、20000mm/分もの高速で糸を曳いても糸が切れることはなく、曳糸長としては測定ができないほどとすることができる。 By using the PAN-based polymer as described above, a mechanism capable of producing a high-quality carbon fiber precursor fiber with less fuzz while achieving both improvement in productivity and stabilization is not necessarily clear. It is not a translation, but it is thought as follows. When the PAN-based polymer is stretched and deformed immediately after the mouthpiece hole, the ultrahigh molecular weight substance and the high molecular weight substance are entangled, and the molecular chain between the entanglement is tensioned around the ultrahigh molecular weight substance, resulting in a rapid increase in elongational viscosity. That is, strain hardening occurs. As the PAN polymer solution is thinned, the elongational viscosity of the thinned portion is increased and the flow is stabilized, so that the spinning speed can be increased, the spinning draft rate can be increased, and the spinning speed can be increased. By using a solution in which a PAN-based polymer as described above is dissolved in a solvent, the yarn will not break even if the yarn is wound at a high speed of 20000 mm / min, and the length of the yarn cannot be measured. Can do.
さらに、上記のようなPAN系重合体を用いることによりゲルの生成を抑制するメカニズムは、必ずしも明確になった訳ではないが、次のように考えられる。重合後に紡糸口金まで配管を経由して重合体溶液が送液されるときは、滞留部をなくすことが非常に困難である。その滞留部では熱により分子量低下と隣接する分子との架橋反応が同時進行する。架橋反応の影響が現れる前に、特に分子量の大きな重合体成分の優先的な分子量低下が起こるので、その分子量の大きな重合体成分を含まない重合体溶液は粘性が強くなる。一方、滞留部の周囲を流動しているのは、分子量の大きな重合体成分を含んだ重合体溶液であり、比較的弾性が強く、滞留部の粘性的な重合体溶液を押し流しやすい。分子量分布以外の条件が同じであれば、架橋反応の速度は同等であるが、滞留時間が短いため、ゲルの生成を抑制するものと考えている。従来の重合体溶液は、滞留部で架橋反応によるゲル化が早く起こるか、分子量低下しても全体的に低分子量化するのみで粘弾性は変わらず、粘度がわずかに下がるだけであるため、滞留部の重合体溶液が押し流され、滞留の解消が起こることはほとんどない。そして、ゲル化が始まり弾性が強まってくると粘性の強い劣化のない重合体溶液では押し流すことはできなくなり、滞留とゲル化を繰り返し、硬いゲルの一部が脱落し、押し流されていくものと考えている。 Furthermore, although the mechanism which suppresses the production | generation of a gel by using the above PAN-type polymers is not necessarily clarified, it thinks as follows. When the polymer solution is sent to the spinneret via the pipe after the polymerization, it is very difficult to eliminate the staying portion. In the staying part, the molecular weight lowering and the cross-linking reaction with adjacent molecules proceed simultaneously by heat. Since the preferential molecular weight reduction of a polymer component having a large molecular weight occurs before the influence of the crosslinking reaction appears, the polymer solution not containing the polymer component having a high molecular weight becomes strong in viscosity. On the other hand, what flows around the staying part is a polymer solution containing a polymer component having a large molecular weight, which is relatively strong and easily pushes the viscous polymer solution in the staying part. If the conditions other than the molecular weight distribution are the same, the speed of the cross-linking reaction is the same, but the residence time is short, so it is considered that the gel formation is suppressed. Since the conventional polymer solution is quickly gelled by the cross-linking reaction in the staying part, or even if the molecular weight is reduced, the viscoelasticity does not change just by lowering the overall molecular weight. The polymer solution in the stagnation part is washed away, and the stagnation hardly occurs. And when gelation begins and elasticity becomes stronger, it is impossible to push away with a polymer solution with strong viscosity and no deterioration, and retention and gelation are repeated, and a part of the hard gel falls off and is washed away. thinking.
Mz/Mwが大きいほど好ましく、Mz/Mwが2.5未満では、歪み硬化が弱くPAN系重合体の吐出安定性向上が不足する。また、Mwが10万未満では、前駆体繊維の強度が不足し、Mwが100万より大きいと吐出が困難となる。 It is preferable that Mz / Mw is larger. When Mz / Mw is less than 2.5, strain hardening is weak and the discharge stability of the PAN polymer is insufficiently improved. Moreover, when Mw is less than 100,000, the strength of the precursor fiber is insufficient, and when Mw is greater than 1 million, ejection becomes difficult.
また、Mw/Mnは、小さいほど炭素繊維の構造欠陥となりやすい低分子成分の含有量が少ないため、小さいほど好ましく、Mz/MwよりもMw/Mnが小さいことが好ましい。すなわち、高分子量側にも、低分子量側にもブロードであっても、吐出安定性低下は少ないが、低分子量側はなるべくシャープであることが好ましく、Mz/MwがMw/Mnに対して、1.5倍以上であることが好ましく、更には1.8倍以上であることがより好ましい。本発明者らの検討によると、通常、アクリロニトリル(以下、ANと略記する)の重合でよく行われている、水系懸濁、溶液法などのラジカル重合においては、分子量分布として低分子量側に裾を引いているため、Mw/MnがMz/Mwよりも大きくなる。そのため、重合開始剤の種類と割合や逐次添加など、特殊な条件で重合を行うか、一般的なラジカル重合を用いる場合、2種以上のPAN系重合体を混合する方法があり、重合体を混合する方法が簡便である。混合する種類は、少ないほど簡便であり、吐出安定性の観点からも2種で十分なことが多い。 In addition, Mw / Mn is preferably as small as possible because the smaller the content of low molecular components that are likely to be structural defects of the carbon fiber, and Mw / Mn is preferably smaller than Mz / Mw. That is, even if it is broad on both the high molecular weight side and the low molecular weight side, there is little decrease in ejection stability, but the low molecular weight side is preferably as sharp as possible, and Mz / Mw is higher than Mw / Mn. It is preferably 1.5 times or more, and more preferably 1.8 times or more. According to the study by the present inventors, in radical polymerization such as aqueous suspension or solution method, which is usually performed in the polymerization of acrylonitrile (hereinafter abbreviated as AN), the molecular weight distribution has a lower molecular weight side. Therefore, Mw / Mn becomes larger than Mz / Mw. Therefore, when performing polymerization under special conditions such as the type and ratio of the polymerization initiator and sequential addition, or when using general radical polymerization, there is a method of mixing two or more PAN-based polymers. The method of mixing is simple. The smaller the number of types to be mixed, the easier and the two types are often sufficient from the viewpoint of ejection stability.
混合する重合体のMwは、Mwの大きいPAN系重合体をA成分とし、Mwの小さいPAN系重合体をB成分とすると、A成分のMwは好ましくは100万〜1500万であり、より好ましくは100万〜500万であり、B成分のMwは5万〜90万であることが好ましい。A成分とB成分のMwの差が大きいほど、混合された重合体のMz/Mwが大きくなる傾向があるため好ましい態様であるが、A成分のMwが1500万より大きいときはA成分の生産性は低下する場合があり、B成分のMwが15万未満のときは前駆体繊維の強度が不足する場合があり、Mz/Mwは10以下とすることが現実的である。 The Mw of the polymer to be mixed is a PAN-based polymer having a large Mw as the A component, and a PAN-based polymer having a small Mw is the B component. Is 1 million to 5 million, and Mw of the B component is preferably 50,000 to 900,000. The larger the difference between the Mw of the A component and the B component, the greater the Mz / Mw of the mixed polymer tends to increase. This is a preferred embodiment, but when the Mw of the A component is greater than 15 million, production of the A component When the Mw of the B component is less than 150,000, the strength of the precursor fiber may be insufficient, and it is realistic that Mz / Mw is 10 or less.
具体的には、A成分とB成分の重量平均分子量の比は、4〜45であることが好ましく、20〜45であることがより好ましい。 Specifically, the ratio of the weight average molecular weight of the A component and the B component is preferably 4 to 45, and more preferably 20 to 45.
また、A成分とB成分の重量比は、0.003〜0.3であることが好ましく、0.005〜0.2であることがより好ましく、0.01〜0.1であることが更に好ましい。A成分とB成分の重量比が0.003未満では、歪み硬化が不足することがあり、また0.3より大きいときは重合体溶液の吐出粘度が上がりすぎて吐出困難となることがある。 The weight ratio of the A component and the B component is preferably 0.003 to 0.3, more preferably 0.005 to 0.2, and 0.01 to 0.1. Further preferred. When the weight ratio of the A component to the B component is less than 0.003, strain hardening may be insufficient, and when it is greater than 0.3, the discharge viscosity of the polymer solution may increase so that the discharge may become difficult.
A成分とB成分の重合体を混合する場合、両重合体を混合してから溶媒で希釈する方法、重合体それぞれを溶媒に希釈したもの同士を混合する方法、溶解しにくい高分子量物であるA成分を溶媒に希釈した後にB成分を混合溶解する方法、および高分子量物であるA成分を溶媒に希釈したものとB成分を構成する単量体を混合して単量体を溶液重合することにより混合する方法などを採用することができる。混合には、混合槽で攪拌する方法やギヤポンプなどで定量してスタティックミキサーで混合する方法、二軸押出機を用いる方法などが好ましく採用できる。高分子量物を均一に溶解させる観点から、高分子量物であるA成分を初めに溶解する方法が好ましい。特に、炭素繊維前駆体製造用とする場合には、高分子量物であるA成分の溶解状態が極めて重要であり、わずかであっても未溶解物が存在していた場合には異物として認識され、フィルター濾材に濾過されるか、濾過させないほど小さいときには炭素繊維内部にボイドを形成することがある。 When mixing the polymer of component A and component B, a method of mixing both polymers and then diluting with a solvent, a method of mixing each of the polymers diluted in a solvent, and a high molecular weight material that is difficult to dissolve A method in which the B component is mixed and dissolved after diluting the A component in the solvent, and a solution in which the monomer constituting the B component is mixed with a solution obtained by diluting the high molecular weight A component in the solvent. It is possible to employ a mixing method. For mixing, a method of stirring in a mixing tank, a method of quantifying with a gear pump or the like and mixing with a static mixer, a method of using a twin screw extruder, or the like can be preferably employed. From the viewpoint of uniformly dissolving the high molecular weight product, a method of first dissolving the component A which is a high molecular weight product is preferable. In particular, in the case of producing a carbon fiber precursor, the dissolved state of the high molecular weight component A is extremely important, and even if a slight amount of undissolved material exists, it is recognized as a foreign substance. When it is filtered by the filter medium or small enough not to be filtered, a void may be formed inside the carbon fiber.
具体的には、A成分の溶媒に対する重合体濃度、すなわちA成分と溶媒のみからなる溶液を仮想したときの、その溶液中におけるA成分の重合体濃度を好ましくは0.1〜5重量%になるようにした後、B成分を混合する、あるいは、B成分を構成する単量体を混合して重合する。上記のA成分の重合体濃度は、より好ましくは0.3〜3重量%であり、さらに好ましくは0.5〜2重量%である。上記のA成分の重合体濃度は、より具体的には、重合体の集合状態として、重合体がわずかに重なり合った準希薄溶液とすることが好ましく、B成分を混合する、あるいは、B成分を構成する単量体を混合して重合する際に、混合状態が均一となりやすいため、孤立鎖の状態となる希薄溶液とすることが更に好ましい態様である。希薄溶液となる濃度は、重合体の分子量と溶媒に対する重合体の溶解性によって決まる分子内排除体積によって決まるとみられるため、一概には決められないが、本発明においては概ね前記範囲にすることにより凝集してフィルター濾材内に堆積することが少ない。上記の重合体濃度が5重量%を超える場合は、A成分の未溶解物が存在することがあり、0.1重量%未満の場合は、分子量にもよるが希薄溶液となっているため効果が飽和していることが多い。 Specifically, the polymer concentration of the component A with respect to the solvent, that is, when assuming a solution consisting only of the component A and the solvent, the polymer concentration of the component A in the solution is preferably 0.1 to 5% by weight. Then, the B component is mixed, or the monomers constituting the B component are mixed and polymerized. The polymer concentration of the component A is more preferably 0.3 to 3% by weight, and further preferably 0.5 to 2% by weight. More specifically, the polymer concentration of the component A is preferably a quasi-dilute solution in which the polymers are slightly overlapped as an aggregate state of the polymer, and the component B is mixed or the component B is mixed. When the constituent monomers are mixed and polymerized, the mixed state is likely to be uniform, so that a dilute solution that is in an isolated chain state is a more preferable embodiment. The concentration of the dilute solution is considered to be determined by the intramolecular exclusion volume determined by the polymer molecular weight and the solubility of the polymer in the solvent. It is less likely to aggregate and deposit in the filter media. When the polymer concentration exceeds 5% by weight, an undissolved product of component A may be present. When the polymer concentration is less than 0.1% by weight, it is effective because it is a dilute solution depending on the molecular weight. Is often saturated.
上記のように、A成分の溶媒に対する重合体濃度を好ましくは0.1〜5重量%になるようにした後、それにB成分を混合溶解する方法でもかまわないが、工程省略の観点から高分子量物を溶媒に希釈したものとB成分を構成する単量体を混合して単量体を溶液重合することにより混合する方法を採用する方が好ましい。 As described above, the polymer concentration with respect to the solvent of the component A is preferably 0.1 to 5% by weight, and then the method of mixing and dissolving the component B may be used. It is preferable to employ a method of mixing a product obtained by diluting a product with a solvent and a monomer constituting the component B and mixing the monomers by solution polymerization.
A成分の溶媒に対する重合体濃度を0.1〜5重量%になるようにする方法としては、希釈による方法でも重合による方法でも構わない。希釈する場合は、均一に希釈できるまで撹拌することが重要であり、希釈温度としては50〜120℃が好ましく、希釈時間は希釈温度や希釈前濃度によって異なるため、適宜設定すればよい。希釈温度が50℃未満の場合は、希釈に時間がかかることがあり、120℃を超える場合は、A成分が変質する恐れがある。また、重合体の重なり合いを希釈する工程を減らし、均一に混合する観点から、前記のA成分の製造から前記のB成分の混合開始、あるいは、B成分を構成する単量体の重合開始までの間、A成分の溶媒に対する重合体濃度を0.1〜5重量%の範囲に制御することが好ましい。具体的には、A成分を溶液重合により製造する際に、重合体濃度が5重量%以下で重合を停止させ、それにB成分を混合する、あるいは、B成分を構成する単量体を混合しその単量体を重合する方法である。通常、溶媒に対する仕込み単量体の割合が少ないと、溶液重合により高分子量物を製造ことは困難なことが多いため仕込み単量体の割合を多くするが、上記のA成分の重合体濃度が5重量%以下の段階では、重合率が低く、未反応単量体が多く残存していることになる。未反応単量体を揮発除去してから、B成分を混合してもかまわないが、工程省略の観点からその未反応単量体を用いてB成分を溶液重合することが好ましい。 The method for adjusting the polymer concentration of the component A to the solvent to 0.1 to 5% by weight may be a method using dilution or a method using polymerization. When diluting, it is important to stir until it can be diluted uniformly, and the dilution temperature is preferably 50 to 120 ° C. The dilution time varies depending on the dilution temperature and the concentration before dilution, and may be appropriately set. When the dilution temperature is less than 50 ° C, it may take time to dilute, and when it exceeds 120 ° C, the component A may be altered. In addition, from the viewpoint of reducing the process of diluting the overlapping of the polymers and mixing them uniformly, from the production of the A component to the start of mixing of the B component, or the polymerization of the monomer constituting the B component. Meanwhile, the polymer concentration with respect to the solvent of the component A is preferably controlled in the range of 0.1 to 5% by weight. Specifically, when the component A is produced by solution polymerization, the polymerization is stopped when the polymer concentration is 5% by weight or less, and the component B is mixed therewith, or the monomer constituting the component B is mixed. This is a method of polymerizing the monomer. Usually, when the ratio of the charged monomer to the solvent is small, it is often difficult to produce a high molecular weight product by solution polymerization, so the ratio of the charged monomer is increased. At the stage of 5% by weight or less, the polymerization rate is low and a large amount of unreacted monomer remains. The B component may be mixed after removing the unreacted monomer by volatilization, but from the viewpoint of omitting the process, it is preferable to solution polymerize the B component using the unreacted monomer.
本発明で好適に用いられるA成分としては、PANと相溶性を有することが望ましく、相溶性の観点からPAN系重合体であることが好ましい。組成としては、ANが好ましくは93〜100モル%であり、ANと共重合可能な単量体を7モル%以下なら共重合させてもよいが、共重合成分の連鎖移動定数がANより小さく、必要とするMwを得にくい場合は、共重合成分の量をなるべく減らすことが好ましい。 The component A preferably used in the present invention desirably has compatibility with PAN, and is preferably a PAN-based polymer from the viewpoint of compatibility. As the composition, AN is preferably 93 to 100 mol%, and copolymerization may be carried out if the monomer copolymerizable with AN is 7 mol% or less, but the chain transfer constant of the copolymerization component is smaller than AN. When it is difficult to obtain the required Mw, it is preferable to reduce the amount of the copolymer component as much as possible.
ANと共重合可能な単量体としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸およびそれらアルカリ金属塩、アンモニウム塩および低級アルキルエステル類、アクリルアミドおよびその誘導体、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸およびそれらの塩類またはアルキルエステル類などを用いることができる。 Examples of monomers copolymerizable with AN include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid and their alkali metal salts, ammonium salts and lower alkyl esters, acrylamide and its derivatives, allyl sulfonic acid, methallyl sulfonic acid and Those salts or alkyl esters can be used.
A成分であるPAN系重合体を製造するための重合方法としては、溶液重合法、懸濁重合法および乳化重合法などから選択することができるが、ANや共重合成分を均一に重合する目的からは、溶液重合法を用いることが好ましい。溶液重合法を用いて重合する場合、溶媒としては、例えば、塩化亜鉛水溶液、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどPANが可溶な溶媒が好適に用いられる。必要とするMwを得にくい場合は、連鎖移動定数の大きい溶媒、すなわち、塩化亜鉛水溶液による溶液重合法、あるいは水による懸濁重合法も好適に用いられる。 The polymerization method for producing the PAN-based polymer as component A can be selected from a solution polymerization method, a suspension polymerization method, an emulsion polymerization method, etc., and the purpose of uniformly polymerizing AN and copolymer components It is preferable to use a solution polymerization method. In the case of polymerizing using the solution polymerization method, as the solvent, for example, a solvent in which PAN is soluble, such as an aqueous zinc chloride solution, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and dimethylacetamide, is preferably used. If it is difficult to obtain the required Mw, a solvent having a large chain transfer constant, that is, a solution polymerization method using a zinc chloride aqueous solution or a suspension polymerization method using water is also preferably used.
本発明で好適に用いられるB成分であるPAN系重合体の組成としては、ANが好ましくは93〜100モル%であり、ANと共重合可能な単量体を7モル%以下なら共重合させてもよいが、共重合成分量が多くなるほど耐炎化工程で共重合部分での熱分解による分子断裂が顕著となり、得られる炭素繊維の引張強度が低下する。 As the composition of the PAN-based polymer, which is the B component suitably used in the present invention, AN is preferably 93 to 100 mol%, and a monomer copolymerizable with AN is copolymerized if it is 7 mol% or less. However, as the amount of the copolymerization component increases, molecular breakage due to thermal decomposition at the copolymerization portion becomes more prominent in the flameproofing step, and the tensile strength of the resulting carbon fiber decreases.
ANと共重合可能な単量体としては、耐炎化を促進する観点から、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸およびそれらアルカリ金属塩、アンモニウム塩および低級アルキルエステル類、アクリルアミドおよびその誘導体、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸およびそれらの塩類またはアルキルエステル類などを用いることができるが、本発明においては、耐炎化を促進する意味で、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸からなる群より選ばれる少なくとも一種の酸単量体を用いる。これらの酸単量体を用いなければ、ゲル化速度が低下し、問題を与えないことがあるが、生産性よく耐炎化反応を進行させる必要のある炭素繊維前駆体繊維を形成する重合体としてはこれらの酸単量体を共重合することが重要である。 Examples of the monomer copolymerizable with AN include, for example, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid and alkali metal salts thereof, ammonium salts and lower alkyl esters, acrylamide and derivatives thereof, allyl, from the viewpoint of promoting flame resistance. Sulfonic acid, methallylsulfonic acid and their salts or alkyl esters can be used, but in the present invention, it is selected from the group consisting of acrylic acid, methacrylic acid and itaconic acid for the purpose of promoting flame resistance. At least one acid monomer is used. If these acid monomers are not used, the gelation rate may be reduced and may not cause problems. However, as a polymer that forms carbon fiber precursor fibers that require a flame-resistant reaction to proceed with high productivity. It is important to copolymerize these acid monomers.
本発明において、ANの含有比率が紡糸溶液の0.1重量%を越えるとANが紡糸時系外へ放出されるため、作業環境が悪化するだけでなく、環境へ与える影響も悪化する。ANは少ない方が好ましいが除去効率との兼ね合いから最低値は0.001重量%程度となる。より好ましくは0.001〜0.01重量%である。 In the present invention, when the content ratio of AN exceeds 0.1% by weight of the spinning solution, AN is released out of the spinning system, so that not only the working environment is deteriorated but also the influence on the environment is deteriorated. A smaller AN is preferable, but the minimum value is about 0.001% by weight in consideration of the removal efficiency. More preferably, it is 0.001 to 0.01 weight%.
通常、ラジカル重合においては、重合率が100%となることはまれであり、未反応単量体を含有する。そのため、ANの含有比率を制御するためには、重合後にANを追加しないこと以外にも未反応単量体を除去し、その量を制御する。本発明において未反応単量体の除去はたとえば特公昭48−29797、特開2002−363214などの方法により実施できる。 Usually, in radical polymerization, the polymerization rate is rarely 100% and contains an unreacted monomer. Therefore, in order to control the content ratio of AN, in addition to not adding AN after polymerization, unreacted monomers are removed and the amount thereof is controlled. In the present invention, the removal of the unreacted monomer can be carried out by a method such as JP-B-48-29797 and JP-A-2002-363214.
また、重合終了後に残存している重合開始剤濃度が紡糸溶液の10ppm以下であることが好ましい。残存重合開始剤濃度が紡糸溶液の10ppmを越えると紡糸口金までの配管中でラジカルが徐々に発生してゲル化を促進することがある。重合開始剤はある一定の半減期を持っており、完全にラジカル発生させようとすると重合時間が長くなるので、重合温度を上げ、未反応ANが残っている内にラジカル発生をさせてしまうことがよい。また、重合後にラジカル捕捉剤を混合することも紡糸口金までの配管中でのラジカル発生を抑制する観点から好ましい。 Further, the concentration of the polymerization initiator remaining after the completion of the polymerization is preferably 10 ppm or less of the spinning solution. If the residual polymerization initiator concentration exceeds 10 ppm of the spinning solution, radicals may be gradually generated in the pipe to the spinneret to promote gelation. The polymerization initiator has a certain half-life, and if it is attempted to generate radicals completely, the polymerization time becomes longer, so the polymerization temperature is raised and radicals are generated while unreacted AN remains. Is good. It is also preferable to mix a radical scavenger after polymerization from the viewpoint of suppressing radical generation in the pipe to the spinneret.
B成分であるPAN系重合体を製造するための重合方法としては、溶液重合法、懸濁重合法および乳化重合法などから選択することができるが、ANや共重合成分を均一に重合する目的からは、溶液重合法を用いることが好ましい。溶液重合法を用いて重合する場合、溶媒としては、例えば、塩化亜鉛水溶液、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどPANが可溶な溶媒が好適に用いられる。中でも、PANの溶解性の観点から、ジメチルスルホキシドを用いることが好ましい。これらの重合に用いる原料は、全て濾過精度1μm以下のフィルター濾材を通した後に用いることが好ましい。 The polymerization method for producing the B component PAN-based polymer can be selected from a solution polymerization method, a suspension polymerization method, an emulsion polymerization method, and the like. It is preferable to use a solution polymerization method. In the case of polymerizing using the solution polymerization method, as the solvent, for example, a solvent in which PAN is soluble, such as an aqueous zinc chloride solution, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and dimethylacetamide, is preferably used. Among these, dimethyl sulfoxide is preferably used from the viewpoint of PAN solubility. The raw materials used for these polymerizations are preferably used after passing through a filter medium having a filtration accuracy of 1 μm or less.
前記したPAN系重合体を、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、チオシアン酸塩水溶液および塩化亜鉛水溶液などPAN系重合体が可溶な溶媒に溶解し、紡糸溶液とする。溶液重合を用いる場合、重合に用いられる溶媒と紡糸溶媒を同じものにしておくと、得られたPAN系重合体を分離し紡糸溶媒に再溶解する工程が不要となる。 The above-mentioned PAN-based polymer is dissolved in a solvent in which the PAN-based polymer is soluble, such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, thiocyanate aqueous solution and zinc chloride aqueous solution to obtain a spinning solution. In the case of using solution polymerization, if the solvent used for polymerization and the spinning solvent are the same, a step of separating the obtained PAN-based polymer and re-dissolving in the spinning solvent becomes unnecessary.
また、ゲル化を抑制する観点から溶媒中に水を混合しても構わない。水の混合量は、重合体溶液に対して、好ましくは0.01〜5重量%である。0.01重量%未満では、ゲル化抑制の効果が少なく、5重量%を越える場合には、重合体が溶解しにくくなることがある。 Moreover, you may mix water in a solvent from a viewpoint of suppressing gelation. The mixing amount of water is preferably 0.01 to 5% by weight with respect to the polymer solution. If it is less than 0.01% by weight, the effect of suppressing gelation is small, and if it exceeds 5% by weight, the polymer may be difficult to dissolve.
紡糸溶液における重合体濃度は、5〜30重量%の範囲であることが好ましく、14〜25重量%であることがより好ましく、18〜23重量%であることが最も好ましい。重合体濃度が5重量%未満では溶媒使用量が多くなり経済的でなく、凝固浴内での凝固速度を低下させ内部にボイドが生じて緻密な構造が得られないことがある。一方、重合体濃度が30重量%を超えると粘度が上昇し、紡糸が困難となる傾向を示す。紡糸溶液の重合体濃度は、使用する溶媒量により調製することができる。 The polymer concentration in the spinning solution is preferably in the range of 5 to 30% by weight, more preferably 14 to 25% by weight, and most preferably 18 to 23% by weight. If the polymer concentration is less than 5% by weight, the amount of solvent used increases, which is not economical, and the coagulation rate in the coagulation bath is lowered, voids are generated inside, and a dense structure may not be obtained. On the other hand, when the polymer concentration exceeds 30% by weight, the viscosity increases and spinning tends to be difficult. The polymer concentration of the spinning solution can be adjusted according to the amount of solvent used.
本発明において重合体濃度とは、PAN系重合体の溶液中に含まれるPAN系重合体の重量%である。具体的には、PAN系重合体の溶液を計量した後、PAN系重合体を溶解せずかつPAN系重合体溶液に用いる溶媒と相溶性のあるものに、計量したPAN系重合体溶液を脱溶媒させた後、PAN系重合体を計量する。重合体濃度は、脱溶媒後のPAN系重合体の重量を、脱溶媒する前のPAN系重合体の溶液の重量で割ることにより算出する。 In the present invention, the polymer concentration is the weight percent of the PAN polymer contained in the PAN polymer solution. Specifically, after weighing the PAN-based polymer solution, the measured PAN-based polymer solution is removed to a solvent that does not dissolve the PAN-based polymer and is compatible with the solvent used for the PAN-based polymer solution. After solvent, the PAN polymer is weighed. The polymer concentration is calculated by dividing the weight of the PAN polymer after desolvation by the weight of the PAN polymer solution before desolvation.
また、45℃の温度における紡糸溶液の粘度は、15〜200Pa・sの範囲であることが好ましく、より好ましくは20〜150Pa・sの範囲であることがより好ましく、30〜100Pa・sの範囲であることが最も好ましい。溶液粘度が15Pa・s未満では、紡糸糸条の賦形性が低下するため、口金から出た糸条を引き取る速度、すなわち可紡性が低下する傾向を示す。また、溶液粘度は200Pa・sを超えるとゲル化し易くなり、フィルター濾材が閉塞しやすくなる傾向を示す。紡糸溶液の粘度は、重合開始剤や連鎖移動剤の量などにより制御することができる。 Further, the viscosity of the spinning solution at a temperature of 45 ° C. is preferably in the range of 15 to 200 Pa · s, more preferably in the range of 20 to 150 Pa · s, and more preferably in the range of 30 to 100 Pa · s. Most preferably. When the solution viscosity is less than 15 Pa · s, since the formability of the spun yarn is lowered, the speed at which the yarn taken out from the die is taken, that is, the spinnability tends to be lowered. Moreover, when solution viscosity exceeds 200 Pa * s, it will become easy to gelatinize and the tendency for a filter medium to become obstruct | occluded easily will be shown. The viscosity of the spinning solution can be controlled by the amount of polymerization initiator or chain transfer agent.
45℃の温度におけるPAN系重合体溶液の粘度は、B型粘度計により測定することができる。具体的には、ビーカーに入れたPAN系重合体溶液を、45℃の温度に温度調節された温水浴に浸して調温した後、B型粘度計として、例えば、(株)東京計器製B8L型粘度計を用い、ローターNo.4を使用し、PAN系重合体溶液の粘度が0〜100Pa・sの範囲はローター回転数6r.p.m.で測定し、またそのPAN系重合体溶液の粘度が100〜1000Pa・sの範囲はローター回転数0.6r.p.m.で測定する。 The viscosity of the PAN polymer solution at a temperature of 45 ° C. can be measured with a B-type viscometer. Specifically, the PAN-based polymer solution placed in a beaker is immersed in a hot water bath adjusted to a temperature of 45 ° C. to adjust the temperature, and as a B-type viscometer, for example, B8L manufactured by Tokyo Keiki Co., Ltd. Using a viscometer, rotor No. 4 is used, and the viscosity of the PAN polymer solution is in the range of 0 to 100 Pa · s. p. m. The viscosity of the PAN-based polymer solution is in the range of 100 to 1000 Pa · s. p. m. Measure with
また、紡糸溶液は、測定温度が35℃、測定角速度が0.05rad/sのときの貯蔵弾性率G’が0.1〜2Paであることが好ましい。粘弾性体の貯蔵弾性率は測定温度および測定角速度に依存する。ここで、測定角速度を0.05rad/sとしたのは、配管中などを流動する際には大きな剪断速度は印加されず、その代表値を示すためである。貯蔵弾性率G’が0.1Paより小さいことは、滞留している紡糸溶液を押し流す効果が少なく、2Paより大きいと、異常滞留を起こす原因となることがあり好ましくない。 The spinning solution preferably has a storage elastic modulus G ′ of 0.1 to 2 Pa when the measurement temperature is 35 ° C. and the measurement angular velocity is 0.05 rad / s. The storage elastic modulus of the viscoelastic body depends on the measurement temperature and the measurement angular velocity. Here, the reason why the measurement angular velocity is set to 0.05 rad / s is that a large shear rate is not applied when flowing in a pipe or the like, and its representative value is shown. If the storage elastic modulus G ′ is less than 0.1 Pa, the effect of pushing away the staying spinning solution is small, and if it is more than 2 Pa, abnormal retention may be caused.
本発明では、環境面を考慮して紡糸溶液におけるAN含有比率が低く、耐炎化促進の面を考慮してPAN系重合体に酸単量体が共重合されているため、架橋反応が促進されやすい条件である。配管の滞留部では熱により分子量低下と隣接する分子との架橋反応が同時進行するが、架橋反応が早く、分子量低下前にゲル化してしまうと本発明の効果が得られない。そのため、紡糸溶液が、架橋反応を抑制する次の[a]〜[c]から選ばれる少なくとも一種の要件を満たすことが重要である。ただし、従来これらの要件単独では、ゲル化を抑制する効果が不足することが多かったが、本発明における重合体との組み合わせにより高い効果を発揮するものである。 In the present invention, the AN content ratio in the spinning solution is low in consideration of the environmental aspect, and the acid monomer is copolymerized with the PAN polymer in consideration of the promotion of flame resistance, so that the crosslinking reaction is promoted. Easy conditions. Although the molecular weight lowering and the cross-linking reaction with adjacent molecules proceed simultaneously in the staying part of the piping due to heat, the effect of the present invention cannot be obtained if the cross-linking reaction is fast and gelation occurs before the molecular weight lowers. Therefore, it is important that the spinning solution satisfies at least one requirement selected from the following [a] to [c] that suppresses the crosslinking reaction. However, conventionally, these requirements alone have often lacked the effect of suppressing gelation, but exhibit high effects when combined with the polymer in the present invention.
本発明における要件[a]は、PAN系重合体において、酸単量体に由来したカルボン酸基の水素イオンが、アンモニウムイオンおよびナトリウムイオンからなる群より選ばれる少なくとも1種のイオンにより含有カルボキシル基の0〜0.3等量置換されていることである。 The requirement [a] in the present invention is that, in the PAN-based polymer, the hydrogen ion of the carboxylic acid group derived from the acid monomer is contained in at least one ion selected from the group consisting of an ammonium ion and a sodium ion. Of 0 to 0.3 equivalents.
重合体溶液に、アンモニア、水酸化ナトリウム等を加え、PAN系重合体を中和して紡糸溶液となすことは、酸単量体に由来したカルボン酸基の水素イオンが、アンモニウムイオンおよびナトリウムイオンからなる群より選ばれる少なくとも1種のイオンにより置換されてPAN系重合体の親水性が向上することから紡糸溶液が吐出され凝固したときの緻密性が向上するため、従来、採用されてきた。本発明においては、後述する要件[b]や要件[c]を具備しなくとも、置換する量をPAN系重合体に用いた酸単量体の0〜0.3等量、好ましくは0〜0.1等量と小さくすることで本発明の効果が現れる。0.3等量より高くなるとPAN系重合体の環化によりゲル化を促進させ、ゲル化抑制の観点からは少ないほど好ましい。また、後述する要件[a]および/または要件[b]を具備する場合には、0.3〜1.2等量も好ましい範囲である。置換する量は多いほどPAN系重合体の親水性が向上し、好ましいが、1.2等量より高くなるとゲル化を促進させやすくなる。なお、この置換する処理は、口金から吐出する直前であり、かつ、スタティックミキサー等で十分混合されていればよい。 Ammonia, sodium hydroxide, etc. are added to the polymer solution to neutralize the PAN-based polymer to become a spinning solution. The hydrogen ions of the carboxylic acid group derived from the acid monomer are ammonium ions and sodium ions. Since the hydrophilicity of the PAN-based polymer is improved by substitution with at least one ion selected from the group consisting of the above, the denseness when the spinning solution is discharged and solidified is improved. In the present invention, even if the requirement [b] and the requirement [c] described later are not provided, the amount to be substituted is 0 to 0.3 equivalent of the acid monomer used for the PAN polymer, preferably 0 to By reducing the amount to 0.1 equivalent, the effect of the present invention appears. When the amount is higher than 0.3 equivalent, gelation is promoted by cyclization of the PAN-based polymer, and the smaller the amount, the better. Further, when the requirement [a] and / or the requirement [b] described later is provided, 0.3 to 1.2 equivalents is also a preferable range. The larger the amount to be substituted, the better the hydrophilicity of the PAN-based polymer, and it is preferable, but when the amount is higher than 1.2 equivalents, gelation tends to be promoted. In addition, the process to replace should just be discharged from a nozzle | cap | die, and should just be mixed enough with a static mixer etc.
本発明における要件[b]は、紡糸溶液にアルキル化剤を紡糸溶液の重量当たり0.01〜3重量%含むことである。 The requirement [b] in the present invention is that the spinning solution contains an alkylating agent in an amount of 0.01 to 3% by weight based on the weight of the spinning solution.
本発明におけるアルキル化剤とは、アルキル基と電気陰性な原子または置換基が結合した有機化合物であり、アミン化合物、アルコール化合物、チオール化合物と混合した場合にアミン化合物の窒素原子上の水素原子、アルコール化合物の酸素原子上の水素原子、チオール化合物の硫黄原子上の水素原子をアルキル基で置換する化合物をいう。アルキル化剤として好ましくは硫酸エステル、スルホン酸エステル、燐酸トリエステル、燐酸ジエステル、燐酸モノエステル、ホスホン酸ジエステル、ホスホン酸モノエステル、ホスフィン酸エステル、炭酸エステルがあげられる。アルキル化剤としてさらに好ましくはメチルホスホン酸ジメチル、メチルホスホン酸ジエチル、エチルホスホン酸ジメチル、エチルホスホン酸ジエチル、2−オキソプロピルホスホン酸ジメチル、シアノホスホン酸ジエチル、アリルホスホン酸ジメチル、ヒドロキシエチルホスホン酸ジメチル、燐酸トリメチル、燐酸トリエチル、ホスホノ酢酸トリメチル、ホスホノ酢酸トリエチル、メタンスルホン酸メチル、エタンスルホン酸メチル、メタンスルホン酸エチル、プロパンスルホン酸メチル、ジメチル硫酸、ジエチル硫酸、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、エチレンカーボネートがあげられる。特に、アルキル化剤としては、アルキル化反応活性および取り扱い安全性の観点から燐酸トリメチル、燐酸トリエチル、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、エチレンカーボネートを用いるのが好ましく、中でも、アルキル化反応活性の点から燐酸トリメチルを用いるのがより好ましい。アルキル化剤によりゲル化が抑制されるメカニズムは必ずしも明らかではないが、紡糸溶液中でPAN系重合体の環化により生成したアミノ基末端にアルキル化剤が反応しアルキルアミンが生成し、隣接分子のニトリル基との架橋反応を抑制するためと考えられる。さらにここで生成したアルキルアミンは、分子量低下に寄与するため、ゲルの生成をより効果的に抑制する。 The alkylating agent in the present invention is an organic compound in which an alkyl group and an electronegative atom or substituent are bonded, and when mixed with an amine compound, alcohol compound, or thiol compound, a hydrogen atom on the nitrogen atom of the amine compound, A compound in which a hydrogen atom on an oxygen atom of an alcohol compound and a hydrogen atom on a sulfur atom of a thiol compound are substituted with an alkyl group. Preferred examples of the alkylating agent include sulfuric acid ester, sulfonic acid ester, phosphoric acid triester, phosphoric acid diester, phosphoric acid monoester, phosphonic acid diester, phosphonic acid monoester, phosphinic acid ester, and carbonate ester. More preferably, the alkylating agent is dimethyl methylphosphonate, diethyl methylphosphonate, dimethyl ethylphosphonate, diethyl ethylphosphonate, dimethyl 2-oxopropylphosphonate, diethyl cyanophosphonate, dimethyl allylphosphonate, dimethyl hydroxyethylphosphonate, phosphoric acid. Examples include trimethyl, triethyl phosphate, trimethyl phosphonoacetate, triethyl phosphonoacetate, methyl methanesulfonate, methyl ethanesulfonate, ethyl methanesulfonate, methyl propanesulfonate, dimethyl sulfate, diethyl sulfate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethylene carbonate. . In particular, as the alkylating agent, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethylene carbonate are preferably used from the viewpoint of alkylation reaction activity and handling safety. Among them, trimethyl phosphate is preferable from the viewpoint of alkylation reaction activity. Is more preferable. The mechanism by which the gelation is suppressed by the alkylating agent is not always clear, but the alkylating agent reacts with the amino group end generated by the cyclization of the PAN polymer in the spinning solution to produce an alkylamine, and the adjacent molecule. This is considered to suppress the crosslinking reaction with the nitrile group. Furthermore, since the alkylamine produced | generated here contributes to molecular weight fall, it suppresses the production | generation of a gel more effectively.
本発明におけるアルキル化剤は紡糸溶液中のPAN系重合体と均一に混合されるためにはPAN系重合体溶液として用いる溶媒に可溶であることが好ましい。また、紡糸後の繊維に残存しない事が好ましく、凝固剤に可溶であることが好ましい。凝固剤の例としては水、エタノールなどが例示されるが、安全性の観点から水が好ましい。 The alkylating agent in the present invention is preferably soluble in the solvent used as the PAN polymer solution in order to be uniformly mixed with the PAN polymer in the spinning solution. Moreover, it is preferable that it does not remain in the fiber after spinning, and it is preferable that it is soluble in a coagulant. Examples of the coagulant include water and ethanol, but water is preferable from the viewpoint of safety.
要件[b]において、アルキル化剤の含有量は紡糸溶液の重量当り、好ましくは0.02〜2重量%、より好ましくは0.03〜1重量%である。含有量が0.01重量%に満たないと要件[a]も要件[c]も具備しない場合には、熱安定性の効果が小さくなり、本発明のPAN系重合体における分子量の大きな成分の分子量低下より先にゲル化が起こり、ゲル生成を抑制する効果が小さくなり、含有量が3重量%を超えると、アルキル化反応後の酸が酸単量体の水素イオン解離を低下させることによりPAN系重合体の親水性を低下させ、前駆体繊維の物性に影響を与え、前駆体繊維の品位が低下する。 In requirement [b], the content of the alkylating agent is preferably 0.02 to 2% by weight, more preferably 0.03 to 1% by weight, based on the weight of the spinning solution. If the content is less than 0.01% by weight and neither the requirement [a] nor the requirement [c] is satisfied, the effect of thermal stability is reduced, and the component having a large molecular weight in the PAN-based polymer of the present invention is reduced. Gelation occurs before the molecular weight is reduced, and the effect of suppressing gel formation is reduced. When the content exceeds 3% by weight, the acid after the alkylation reaction reduces the hydrogen ion dissociation of the acid monomer. The hydrophilicity of the PAN-based polymer is lowered, the physical properties of the precursor fiber are affected, and the quality of the precursor fiber is lowered.
本発明において、紡糸溶液にアルキル化剤を含有させる場合、アルキル化剤は重合後から紡糸口金からの吐出までのどこで加えても良いが、重合直後から滞留が起こる可能性はあるので、重合に使用する槽など重合反応が行われる場所以外で最もそれに近い場所で紡糸溶液中0.01〜3重量%となるよう添加する。アルキル化剤を混合するためには、重合体溶液に、アルキル化剤のみを直接混合してもよいし、重合体溶液に用いる溶媒と同じ溶媒に一旦溶解してなるアクリル化剤溶液を混合しても良いが、アルキル化剤が常温で固体、すなわち粉末である場合はあらかじめ溶媒に溶解してなるアクリル化剤溶液を混合することが均一性の観点から好ましい。アルキル化剤を重合体溶液に混合する場合、たとえば、スタティックミキサー、エクストゥルーダー、ニーダーなどの混合装置が好ましく用いられる。 In the present invention, when an alkylating agent is contained in the spinning solution, the alkylating agent may be added anywhere after polymerization until discharge from the spinneret, but there is a possibility that retention will occur immediately after polymerization. It is added so that it becomes 0.01 to 3% by weight in the spinning solution at a place closest to the polymerization reaction other than the place where the polymerization reaction is performed. In order to mix the alkylating agent, only the alkylating agent may be directly mixed with the polymer solution, or an acrylating agent solution once dissolved in the same solvent as the solvent used for the polymer solution is mixed. However, when the alkylating agent is solid at room temperature, that is, powder, it is preferable from the viewpoint of uniformity to mix an acrylating agent solution previously dissolved in a solvent. When the alkylating agent is mixed with the polymer solution, for example, a mixing device such as a static mixer, an extruder or a kneader is preferably used.
本発明における要件[c]は、紡糸溶液に沸点が200℃以上である有機カルボン酸を紡糸溶液の重量当たり0.01〜3重量%含むことである。かかる沸点が低い場合には、溶液紡糸において通常採用される溶媒の回収工程において、有機カルボン酸と溶媒との分離が困難となり重合に影響を及ぼすため、200℃においても沸点を迎えていない有機カルボン酸を用いることが重要である。鉱酸を用いると鉱酸が炭素繊維に残り、炭素繊維の炭素含有率を低下させ、欠陥となることがある。また、水洗しやすくするために、水溶性である有機カルボン酸を用いることが好ましい。要件[c]で用いられる有機カルボン酸の例示として、(無水)マレイン酸、(無水)フマル酸、リンゴ酸、コハク酸、クエン酸などが挙げられ、特に分子量当たりのカルボン酸基の数から、クエン酸が好ましく用いられる。酸によりゲル化を抑制するメカニズムは以下のように推定している。すなわち、紡糸溶液中でPAN系重合体の環化により生成したアミノ基末端を中和し、隣接分子のニトリル基との架橋反応を抑制するためと考えている。 The requirement [c] in the present invention is that the spinning solution contains 0.01 to 3% by weight of an organic carboxylic acid having a boiling point of 200 ° C. or more per weight of the spinning solution. When such boiling point is low, separation of the organic carboxylic acid and the solvent becomes difficult in the solvent recovery step usually employed in solution spinning, which affects the polymerization. It is important to use an acid. When a mineral acid is used, the mineral acid remains in the carbon fiber, which may reduce the carbon content of the carbon fiber and cause a defect. Moreover, in order to make it easy to wash with water, it is preferable to use water-soluble organic carboxylic acid. Examples of organic carboxylic acids used in the requirement [c] include (anhydrous) maleic acid, (anhydrous) fumaric acid, malic acid, succinic acid, citric acid and the like, and particularly from the number of carboxylic acid groups per molecular weight, Citric acid is preferably used. The mechanism for suppressing gelation by acid is presumed as follows. That is, it is considered to neutralize the terminal end of the amino group generated by cyclization of the PAN polymer in the spinning solution and suppress the crosslinking reaction with the nitrile group of the adjacent molecule.
要件[c]において、沸点が200℃以上である有機カルボン酸の含有量は紡糸溶液の重量当り、好ましくは0.02〜2重量%、より好ましくは0.03〜1重量%である。含有量が0.01重量%に満たないと、要件[a]も[b]も具備しない場合には、熱安定性の効果が小さくなり、PAN系重合体における分子量の大きな成分の分子量低下より先にゲル化が起こり、ゲル生成を抑制する効果が小さくなり、含有量が3重量%を超えると、前駆体繊維の物性に影響を与え、前駆体繊維の品位が低下する。 In the requirement [c], the content of the organic carboxylic acid having a boiling point of 200 ° C. or higher is preferably 0.02 to 2% by weight, more preferably 0.03 to 1% by weight, based on the weight of the spinning solution. If the content is less than 0.01% by weight, if neither requirement [a] nor [b] is satisfied, the effect of thermal stability is reduced, and the molecular weight reduction of the component having a large molecular weight in the PAN-based polymer is reduced. Gelation occurs first, and the effect of suppressing gel formation is reduced. If the content exceeds 3% by weight, the physical properties of the precursor fiber are affected, and the quality of the precursor fiber is lowered.
本発明において、紡糸溶液に有機カルボン酸を含有させる場合、有機カルボン酸は重合後から紡糸口金からの吐出までのどこで加えてもいいが、重合直後から滞留が起こる可能性はあるので、重合に使用する槽に重合反応前や反応中に添加するなど、なるべく上流で紡糸溶液中0.01〜3重量%となるよう添加する。有機カルボン酸を混合するためには、重合体溶液に、有機カルボン酸のみを直接混合してもよいし、重合体溶液に用いる溶媒と同じ溶媒に一旦溶解してなる酸性溶液を混合しても良いが、用いる有機カルボン酸が常温で固体、すなわち粉末である場合はあらかじめ溶媒に溶解してなる酸性溶液を混合することが均一性の観点から好ましい。有機カルボン酸を重合体溶液に混合する場合、たとえば、スタティックミキサー、エクストゥルーダー、ニーダーなどの混合装置が好ましく用いられる。 In the present invention, when an organic carboxylic acid is contained in the spinning solution, the organic carboxylic acid may be added anywhere from after polymerization until discharge from the spinneret, but there is a possibility that retention will occur immediately after polymerization. For example, it is added to the tank to be used before the polymerization reaction or during the reaction, so that it is added as much as possible in an amount of 0.01 to 3% by weight in the spinning solution. In order to mix the organic carboxylic acid, only the organic carboxylic acid may be mixed directly with the polymer solution, or an acidic solution once dissolved in the same solvent as the solvent used for the polymer solution may be mixed. Although it is good, when the organic carboxylic acid to be used is a solid at room temperature, that is, a powder, it is preferable from the viewpoint of uniformity to mix an acidic solution previously dissolved in a solvent. When the organic carboxylic acid is mixed with the polymer solution, for example, a mixing device such as a static mixer, an extruder or a kneader is preferably used.
また、脱酸素処理により溶解液中の酸素を実質的になくすことが好ましい。酸素が存在すると架橋によるゲル化を促進する。脱酸素処理の具体的方法の1つとして例えば、不活性気体の加減圧により酸素を不活性気体に置換する方法がある。密閉性の良好な容器中で紡糸溶液を撹拌しながら、溶液が沸騰する直前まで、または軽く沸騰するまで減圧とし、次いで窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性気体を撹拌中の容器中に導入し、0.1〜0.2MPaの加圧とする。再び同様に沸騰までの減圧と不活性気体による加圧を撹拌条件下で繰り返す。この撹拌条件下での不活性気体による加減圧を2回以上、好ましくは4回以上繰り返す。このようにして脱酸素処理をした場合、本発明では実質的に酸素がないと定義する。脱酸素処理は不活性気体の置換だけでなく、酸素との化学反応を利用する方法や酸素を吸着させる方法もあり、目的に応じて使用することができる。しかしながら、脱酸素処理方法としては、上記した撹拌条件下での不活性気体による加減圧を複数回繰り返す方法が、作業性および脱酸素の完全さの点で最も好ましい。特に、重合体を溶媒に溶解する工程を含む場合に有効である。 Moreover, it is preferable to substantially eliminate oxygen in the solution by deoxygenation treatment. In the presence of oxygen, gelation by crosslinking is promoted. One specific method of deoxygenation is, for example, a method of substituting oxygen with an inert gas by pressurizing or depressurizing an inert gas. While stirring the spinning solution in a well-sealed container, reduce the pressure until the solution boils or until it boils lightly, and then introduce an inert gas such as nitrogen, helium, or argon into the stirring container. The pressure is set to 0.1 to 0.2 MPa. Again, pressure reduction until boiling and pressurization with an inert gas are repeated under stirring conditions. This pressurization and depressurization with an inert gas under the stirring condition is repeated twice or more, preferably four times or more. When deoxygenation is performed in this manner, the present invention defines that there is substantially no oxygen. Deoxygenation treatment includes not only inert gas replacement but also a method using a chemical reaction with oxygen and a method of adsorbing oxygen, and can be used according to the purpose. However, as the deoxygenation method, the method of repeating the above-described pressurization and depressurization with an inert gas a plurality of times under the stirring conditions is most preferable in terms of workability and completeness of deoxygenation. In particular, it is effective when including a step of dissolving the polymer in a solvent.
本発明では、上記したような紡糸溶液を紡糸するに先立ち、フィルター装置に通し、重合体原料および各工程において混入した不純物を除去することも好ましい。本発明におけるフィルター装置とは、紡糸溶液中に存在する異物を濾過して除去する設備を意味し、濾過処理を施す紡糸溶液をフィルター装置内に導くための流入路と、紡糸溶液を濾過するためのフィルター濾材と、濾過された紡糸溶液をフィルター装置外に導くための流出路と、これらを収納するための容器とより構成される。ここで、フィルター濾材とは、フィルター装置内に収納される紡糸溶液の濾過手段である。本発明において、好ましく用いられる濾過方法を次に説明する。 In the present invention, prior to spinning the spinning solution as described above, it is also preferable to remove the polymer raw material and impurities mixed in each step through a filter device. The filter device in the present invention means a facility for filtering and removing foreign matters present in the spinning solution, an inflow path for guiding the spinning solution to be filtered into the filter device, and for filtering the spinning solution. Filter medium, an outflow path for guiding the filtered spinning solution to the outside of the filter device, and a container for storing these. Here, the filter medium is a means for filtering the spinning solution stored in the filter device. The filtration method preferably used in the present invention will be described below.
異物は固体とゲル状物に大別されるが、ゲル状物の影響が大きく、口金に至るまでに濾過により取り除くことが好ましいが、ゲル状物は濾圧で変形しフィルター濾材を通過しやすい。濾圧が高いとゲル状物は変形しフィルター濾材を通過しやすくなるため、低い濾圧でゲル状物を精度良く濾過する方法が必要である。厚みが大きく目の細かいフィルター濾材で濾過する方法では、濾過時に重合体溶液にかかる圧力が高くゲル状物が流出することがあり、好ましくない。具体的には、目付A(g/m2)と材質密度B(g/m3)が次式を満足する濾過保証層を有するフィルター濾材であって、かつ、濾過抵抗係数Cが5〜30×105cm−1であるフィルター濾材を用いることにより、低い濾圧でゲル状物の変形を防いでゲル状物を精度良く濾過することが好ましい。
0.01≦A/B×1000≦0.06
フィルター濾材には、フィルター面に垂直な軸に沿って線径や充填率が均一なものもあるが、線径や充填率の異なる層が複数積層されてなるものが多い。濾過保証層とは、フィルター濾材を構成する層のうち、最も細かい開孔径を有する層、すなわち最も濾過精度の高い層のことを指す。濾過精度が同等である濾過保証層が断続的に複数層ある場合は、全て積算した値を用いる。濾過保証層の目付については、かかる濾過保証層の1m2 当たりにおける質量(g)、すなわちg/m2 として示される。濾過保証層は、金属繊維の接触部分で結晶化を促す焼結という工程を経ることで構造を固定し、機械的強度を持たせてあるのが一般的である。濾過保証層が焼結によって作製された場合であっても、焼結前後での重量および面積の変化は無視できる程度なので、濾過保証層目付Aは焼結により変化しないため焼結前の値を用いる。焼結後の濾過保証層部分だけ取り出して測定した値を用いても構わないが、焼結前後の濾過保証層目付が異なる場合は、焼結前の値を優先して用いる。濾過抵抗係数Cは単位時間当たりの通気量から計算することが出来る、フィルター濾材の流体の通過させにくさを示す値である。
Foreign substances are roughly classified into solid and gel-like substances, but the influence of the gel-like substances is large, and it is preferable to remove them by filtration before reaching the die, but the gel-like substances are easily deformed by filtration pressure and easily pass through the filter medium. . When the filtration pressure is high, the gel-like material is deformed and easily passes through the filter medium. Therefore, a method for accurately filtering the gel-like material with a low filtration pressure is required. In the method of filtering with a filter medium having a large thickness and fineness, the pressure applied to the polymer solution during filtration is high, and the gel-like substance may flow out, which is not preferable. Specifically, the filter medium has a filtration guarantee layer with a basis weight A (g / m 2 ) and material density B (g / m 3 ) satisfying the following formula, and the filtration resistance coefficient C is 5-30. By using a filter medium having a size of × 10 5 cm −1 , it is preferable to accurately filter the gel-like material while preventing deformation of the gel-like material with a low filtration pressure.
0.01 ≦ A / B × 1000 ≦ 0.06
Some filter media have a uniform wire diameter and filling rate along an axis perpendicular to the filter surface, but many are obtained by laminating a plurality of layers having different wire diameters and filling rates. The filtration guarantee layer refers to a layer having the finest pore diameter among layers constituting the filter medium, that is, a layer having the highest filtration accuracy. In the case where there are intermittently a plurality of filtration guarantee layers having the same filtration accuracy, the integrated value is used. The basis weight of the filtration guarantee layer is shown as a mass (g) per 1 m 2 of the filtration guarantee layer, that is, g / m 2 . The filtration guarantee layer generally has a mechanical strength by fixing the structure through a process of sintering that promotes crystallization at the contact portion of the metal fiber. Even when the filtration guarantee layer is produced by sintering, the change in weight and area before and after sintering is negligible. Use. Although the value obtained by taking out only the filtration assurance layer portion after sintering may be used, when the basis weight of the filtration assurance layer before and after sintering is different, the value before sintering is preferentially used. The filtration resistance coefficient C is a value indicating the difficulty of passing the fluid through the filter medium, which can be calculated from the air flow per unit time.
紡糸溶液中に存在するゲル状物の、フィルター濾材上での変形あるいは粉砕による流出を低減するためには、ゲル状物に付加される剪断応力を低減することが必要である。剪断応力は圧力損失と正の相関があるため、ゲル状物の流出を避けるためには、圧力損失を低減することが有効である。そのためには、圧力損失と比例の関係にある濾過抵抗係数Cを低減させることが好ましい。濾過抵抗係数はフィルター濾材の開孔径、充填率、厚みなどに依存する。 In order to reduce the outflow due to deformation or pulverization of the gel-like material existing in the spinning solution on the filter medium, it is necessary to reduce the shear stress applied to the gel-like material. Since the shear stress has a positive correlation with the pressure loss, it is effective to reduce the pressure loss in order to avoid the outflow of the gel. For this purpose, it is preferable to reduce the filtration resistance coefficient C which is proportional to the pressure loss. The filtration resistance coefficient depends on the pore size, filling rate, thickness, etc. of the filter medium.
中でも、フィルター濾材の充填率を後述するように調節すると、濾過抵抗係数を効果的に低減することができる。フィルター濾材の充填率と濾過抵抗係数には正の相関があり、充填率が高いほど濾過抵抗係数は大きい。濾過抵抗係数を低減するために単に充填率を下げるだけでは、濾過精度の低下を招くという問題があるため、フィルター濾材を成す金属繊維の線径を0.5〜2.5μmと細くすることで、濾過抵抗係数の低減を図ることがある。 In particular, the filtration resistance coefficient can be effectively reduced by adjusting the filling rate of the filter medium as described later. There is a positive correlation between the filling rate of the filter medium and the filtration resistance coefficient. The higher the filling rate, the larger the filtration resistance coefficient. There is a problem that simply lowering the filling rate in order to reduce the filtration resistance coefficient causes a decrease in filtration accuracy. Therefore, by reducing the wire diameter of the metal fiber forming the filter medium to 0.5 to 2.5 μm. The filtration resistance coefficient may be reduced.
A/Bは、濾過保証層を開孔ゼロとなるように圧縮したと想定した際の厚み(単位:m)に相当し、以下、濾過保証層圧縮厚みという。A/B×1000は、濾過保証層圧縮厚みをmm単位に換算したものである。濾過保証層圧縮厚みは濾過保証層の開孔径に関わらず、厚みの一定の基準として用いることができる。 A / B corresponds to the thickness (unit: m) when it is assumed that the filtration guarantee layer is compressed so that the aperture is zero, and hereinafter referred to as filtration guarantee layer compression thickness. A / B × 1000 is obtained by converting the filtration guarantee layer compression thickness into mm units. The compression guaranteed layer compression thickness can be used as a constant standard for the thickness regardless of the aperture diameter of the filtration guaranteed layer.
かかる濾過保証層圧縮厚みが0.01mm未満である場合は、濾過時に作用する圧力損失に対してフィルター濾材の強度が確保できずにフィルター濾材が破断することがあり、ゲル状物の流出が発生し、0.06mmを超える場合には、濾圧が高くなりすぎることがある。濾過保証層がステンレスから成る場合には、Bは約8×106g/m3なのでAが80〜500g/m2となるように制御することで濾過保証層圧縮厚みを上記範囲内に調節すると良い。また、濾過抵抗係数Cが5×105cm−1未満である場合には、開孔径が大きく、微少なゲル状物が目を通り抜けやすく、30×105cm−1を超える場合には、圧力損失が高く、ゲル状物の流出が発生することがある。 When the compression guarantee layer compression thickness is less than 0.01 mm, the filter medium may not be able to secure the strength against the pressure loss that acts during filtration, and the filter medium may be broken, and the gel material may flow out. However, if it exceeds 0.06 mm, the filtration pressure may become too high. When the filtration guarantee layer is made of stainless steel, B is about 8 × 10 6 g / m 3, so the compression guarantee layer compression thickness is adjusted within the above range by controlling A to be 80 to 500 g / m 2. Good. Moreover, when the filtration resistance coefficient C is less than 5 × 10 5 cm −1 , the pore diameter is large, and a fine gel-like material easily passes through the eye. When the filtration resistance coefficient C exceeds 30 × 10 5 cm −1 , Pressure loss is high and gelled material may flow out.
具体的に、上述の条件を満たすフィルター濾材としては、線径10〜25μmのワイヤーを綾畳織で経糸を500〜800メッシュ、好ましくは635〜800メッシュ、緯糸を3500〜6000メッシュ、好ましくは4300〜6000メッシュとして織製し、それを単層あるいは、複数層積層し、焼結した金網が挙げられる。また、上述の条件を満たすフィルター濾材として、焼結金属不織布を使用することも可能である。不織布は、線径の小さいものを使用することができるため、開孔径を細かくしやすい利点があり、好ましい。一方、不織布にありがちな開孔径の分布が広い点を補うため、厚みを増すこともあるが、厚みを増さずとも線径を0.5〜2.5μmと細くすることで濾過段数が稼げるため解消することが多い。不織布では、アスペクト比が1〜1000である金属繊維や粉末を目的に合わせて使用し、開孔径を制御することもできるし、アスペクト比の異なる金属繊維や粉末を混ぜることも有効な手段のひとつである。 Specifically, as a filter medium that satisfies the above-mentioned conditions, a wire having a wire diameter of 10 to 25 μm is used in a twill woven, warp yarn is 500 to 800 mesh, preferably 635 to 800 mesh, and weft yarn is 3500 to 6000 mesh, preferably 4300. Examples thereof include a wire mesh that is woven as ˜6000 mesh, and a single layer or a plurality of layers are laminated and sintered. Moreover, it is also possible to use a sintered metal nonwoven fabric as a filter medium that satisfies the above conditions. Since a nonwoven fabric with a small wire diameter can be used, there is an advantage that the aperture diameter can be easily reduced, which is preferable. On the other hand, in order to compensate for the wide distribution of pore diameters that are common in non-woven fabrics, the thickness may be increased, but the number of filtration stages can be increased by reducing the wire diameter to 0.5 to 2.5 μm without increasing the thickness. Therefore, it is often solved. For non-woven fabrics, metal fibers and powders with an aspect ratio of 1 to 1000 can be used according to the purpose, and the pore diameter can be controlled. Mixing metal fibers and powders with different aspect ratios is also an effective means. It is.
焼結としては常法を用いてよく、焼結時間や焼結温度、あるいは焼結回数などを調節することにより、織布、不織布の開孔径を制御するのが良い。 As the sintering, a conventional method may be used, and it is preferable to control the pore diameter of the woven fabric or the nonwoven fabric by adjusting the sintering time, the sintering temperature, or the number of times of sintering.
開孔径とも関係の深い、フィルター濾材の濾過精度は1〜10μmが好ましく、より好ましくは1〜5μm、さらに好ましくは1〜3μmである。かかる濾過精度が大きくなりすぎると、フィルター濾材通過後の紡糸溶液中の異物が増大し好ましくないため、小さいほど好ましいが、1μmもあれば充分である。本発明におけるフィルター濾材の濾過精度とは、フィルター濾材を通過する間に95%を捕集することができる球粒子の粒子径(直径)で定義する。その測定方法は、JIS B8356に準じ、粒子は標準物質を用いる。 The filtration accuracy of the filter medium, which is closely related to the aperture diameter, is preferably 1 to 10 μm, more preferably 1 to 5 μm, and still more preferably 1 to 3 μm. If the filtration accuracy becomes too high, foreign matter in the spinning solution after passing through the filter medium increases, which is not preferable. Therefore, the smaller the better, the smaller is 1 μm. The filtration accuracy of the filter medium in the present invention is defined by the particle diameter (diameter) of spherical particles capable of collecting 95% while passing through the filter medium. The measurement method conforms to JIS B8356, and a standard material is used for the particles.
また、フィルター濾材の濾過単位面積(m2)当たりの濾過速度Sを好ましくは1〜150L/m2/時間、より好ましくは1〜40L/m2/時間、さらに好ましくは1〜20L/m2/時間として濾過する。かかる速度が1L/m2/時間未満である場合は、濾過面積が大きくなりすぎて重合体溶液滞留によるゲル化が起こることがあり、150L/m2/時間を超える場合には、紡糸溶液に分子量の高い成分が含まれていた場合、それが濾過されてしまう。濾過速度を低くすることにより、濾圧を低下させることができる。 The filtration rate S per unit filtration area (m 2 ) of the filter medium is preferably 1 to 150 L / m 2 / hour, more preferably 1 to 40 L / m 2 / hour, and still more preferably 1 to 20 L / m 2. Filter as / hour. When the speed is less than 1 L / m 2 / hour, the filtration area becomes too large and gelation may occur due to polymer solution retention, and when it exceeds 150 L / m 2 / hour, the spinning solution contains If a component having a high molecular weight is contained, it is filtered. By reducing the filtration rate, the filtration pressure can be reduced.
また、フィルター濾材の濾過単位面積(m2)当たりの濾過速度Sは、濾過精度とも関係が深いことが多い。フィルター濾過精度とその開孔径とは関係があり、開孔径を狭くすることで濾過精度を高めることが一般的である。開孔径が狭いと紡糸溶液通過時の剪断速度が高まり、濾圧が高まるため、フィルター濾材の濾過単位面積(m2)当たりの紡糸溶液濾過速度S(L/m2/時間)と濾過精度F(μm)が次式の関係を満たすことが好ましい。 In addition, the filtration rate S per unit filtration area (m 2 ) of the filter medium is often closely related to the filtration accuracy. There is a relationship between the filter filtration accuracy and the aperture diameter, and it is common to increase the filtration accuracy by narrowing the aperture diameter. When the pore diameter is narrow, the shear rate when passing through the spinning solution increases and the filtration pressure increases, so the spinning solution filtration rate S (L / m 2 / hour) per unit filtration area (m 2 ) of the filter medium and the filtration accuracy F (Μm) preferably satisfies the relationship of the following formula.
1×F≦S≦15×F
すなわち、濾過精度が高いフィルター濾材を用いる場合は、濾過速度を落として剪断速度を低下させることが好ましい。かかる関係式より濾過速度が遅いときには、濾過面積が大きくなりすぎて過剰仕様となることが多く、かかる関係式より濾過速度が速い場合には、濾圧が高まることが多い。
1 × F ≦ S ≦ 15 × F
That is, when a filter medium with high filtration accuracy is used, it is preferable to lower the filtration rate and lower the shear rate. When the filtration rate is slower than such a relational expression, the filtration area becomes excessively large and excessive specifications are often obtained, and when the filtration speed is faster than the relational expression, the filtration pressure is often increased.
フィルター濾材の内有効容積V(L)と重合体溶液濾過流量W(L/分)の比で示されるフィルター濾材内滞留時間V/Wの値を0.01〜10分にすることもゲル状物を濾過するために好ましい。ここでフィルター濾材の内有効容積Vはフィルター濾材の空間容積を表す。かかる容積は、フィルター濾過面積とフィルター濾材の厚みから計算される。フィルター濾材は層構造になっていることがあるが、フィルター濾材の開孔径の最も狭い部分の厚みを指す。重合体溶液濾過流量Wは1分間にフィルター濾材を通過する紡糸溶液の体積流量を表し、濾材内滞留時間V/Wはフィルター濾材を通過する紡糸溶液の平均滞留時間を表す。フィルター濾材の厚みと濾過速度を制御して、V/Wを制御すればよく、V/Wが10分を超えると滞留によるゲル状物の生成が起こることが多く、逆に、V/Wが0.01分未満であると濾圧が上昇し好ましくない。 The value of the residence time V / W in the filter medium indicated by the ratio between the effective volume V (L) of the filter medium and the polymer solution filtration flow rate W (L / min) may be set to 0.01 to 10 minutes. Preferred for filtering the product. Here, the effective volume V of the filter medium represents the spatial volume of the filter medium. Such a volume is calculated from the filter filtration area and the thickness of the filter medium. Although the filter medium may have a layer structure, it refers to the thickness of the narrowest part of the filter medium with the pore diameter. The polymer solution filtration flow rate W represents the volume flow rate of the spinning solution passing through the filter medium per minute, and the residence time V / W in the filter medium represents the average residence time of the spinning solution passing through the filter medium. The V / W may be controlled by controlling the thickness of the filter medium and the filtration speed. When the V / W exceeds 10 minutes, a gel-like material is often generated due to retention, and conversely, the V / W is If it is less than 0.01 minutes, the filtration pressure increases, which is not preferable.
ゲルの発生が起こりにくい本発明で用いる紡糸溶液に対してゲルを精度良く濾過できる濾過方法を用いることで本発明の効果は向上する。 The effect of the present invention is improved by using a filtration method capable of accurately filtering the gel with respect to the spinning solution used in the present invention, in which the generation of the gel is unlikely to occur.
本発明では、上述のようにして濾過した紡糸溶液を、乾式、湿式、または乾湿式紡糸法により紡糸することにより、炭素繊維前駆体繊維を製造する。なかでも特に、乾湿式紡糸法は、前記した特定の分子量分布を有するPAN系重合体の特性を発揮させるため、好ましく用いられる。 In the present invention, the carbon fiber precursor fiber is produced by spinning the spinning solution filtered as described above by a dry, wet, or dry-wet spinning method. In particular, the dry and wet spinning method is preferably used because it exhibits the characteristics of the PAN-based polymer having the specific molecular weight distribution described above.
紡糸に用いる口金孔径は、0.05mm〜0.3mmであることが好ましく、0.1〜0.15mmであることがより好ましい。口金孔径が0.05mmより小さい場合、紡糸溶液に剪断応力がかかり、口金を閉塞させることがある。一方、口金孔径が0.3mmを超えると1.5dtex以下の単繊維繊度の繊維を得ることが困難となることがある。 The diameter of the die hole used for spinning is preferably 0.05 mm to 0.3 mm, and more preferably 0.1 to 0.15 mm. When the diameter of the nozzle hole is smaller than 0.05 mm, shearing stress is applied to the spinning solution, which may block the nozzle. On the other hand, when the diameter of the die hole exceeds 0.3 mm, it may be difficult to obtain a fiber having a single fiber fineness of 1.5 dtex or less.
本発明において、凝固浴には、PAN系重合体溶液の溶媒として用いたジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどの溶媒と、いわゆる凝固促進成分を含ませることが好ましい。凝固促進成分としては、前記のPAN系重合体を溶解せず、かつPAN系重合体溶液に用いた溶媒と相溶性があるものが好ましく、具体的には、水を使用することが好ましい。凝固浴としての条件は、凝固糸における単繊維の断面ができるだけ真円に近くなるように制御することが好ましく、溶媒の濃度は、臨界浴濃度といわれる濃度以下であることが好ましい。溶媒の濃度が高いとその後の溶媒洗浄工程が長くなり、生産性が低下する。例えば、溶媒にジメチルスルホキシドを用いた場合は、ジメチルスルホキシド水溶液の濃度を5〜55重量%とするのが好ましく、5〜30重量%とすることがより好ましい。凝固浴の温度は、繊維側面ができるだけ平滑となるように制御することが好ましく、具体的には、−10〜30℃とすることが好ましく、−5〜5℃とすることがより好ましい。 In the present invention, the coagulation bath preferably contains a solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and dimethylacetamide used as a solvent for the PAN polymer solution and a so-called coagulation promoting component. As the coagulation accelerating component, a component that does not dissolve the PAN-based polymer and is compatible with the solvent used in the PAN-based polymer solution is preferable. Specifically, it is preferable to use water. The conditions as the coagulation bath are preferably controlled so that the cross section of the single fiber in the coagulated yarn is as close to a perfect circle as possible, and the concentration of the solvent is preferably not more than a concentration called a critical bath concentration. If the concentration of the solvent is high, the subsequent solvent washing step becomes long and the productivity is lowered. For example, when dimethyl sulfoxide is used as the solvent, the concentration of the dimethyl sulfoxide aqueous solution is preferably 5 to 55% by weight, and more preferably 5 to 30% by weight. The temperature of the coagulation bath is preferably controlled so that the fiber side surface is as smooth as possible. Specifically, the temperature is preferably −10 to 30 ° C., more preferably −5 to 5 ° C.
また、凝固浴にアンモニアを溶解させ、凝固浴のpHを高めることはPAN系重合体の親水性を高める点で好ましく、かかるpHは8〜13となるように制御することが好ましい。凝固浴のpHは好ましくは9〜12であり、より好ましくは9〜11である。 Further, it is preferable to dissolve ammonia in the coagulation bath and increase the pH of the coagulation bath in terms of increasing the hydrophilicity of the PAN-based polymer, and it is preferable to control the pH to be 8 to 13. The pH of the coagulation bath is preferably 9-12, more preferably 9-11.
紡糸溶液を凝固浴中に導入して凝固させ糸条を形成して凝固糸とした後、駆動源を持ったローラーで引き取るが、その凝固糸の引き取り速度は、50〜500m/分であることが、前記した特定の分子量分布を有するPAN系重合体の特性を発揮させる観点から好ましい。その引き取り速度が50m/分未満では生産性が落ち、また引き取り速度が500m/分を超えると凝固浴の液面揺れが顕著になり、得られる繊度にムラが生じる傾向がある。 The spinning solution is introduced into a coagulation bath and coagulated to form a yarn to obtain a coagulated yarn, which is then taken up by a roller having a drive source, and the take-up speed of the coagulated yarn is 50 to 500 m / min. Is preferable from the viewpoint of exhibiting the characteristics of the PAN-based polymer having the specific molecular weight distribution described above. When the take-up speed is less than 50 m / min, the productivity is lowered, and when the take-up speed exceeds 500 m / min, the liquid level fluctuation of the coagulation bath becomes remarkable and the resulting fineness tends to be uneven.
本発明において、乾燥させた凝固糸の単繊維繊度は、PAN系重合体を含む重合体溶液の重合体濃度と、紡糸ドラフトと、使用する紡糸口金の孔径によって決定される。なお、紡糸ドラフトは次式で表されるものである。 In the present invention, the single fiber fineness of the dried coagulated yarn is determined by the polymer concentration of the polymer solution containing the PAN polymer, the spinning draft, and the pore diameter of the spinneret used. The spinning draft is represented by the following formula.
・紡糸ドラフト=(凝固糸の引き取り速度)/(吐出線速度)
本発明のこの乾燥させた凝固糸の単繊維繊度は、0.4〜2.3dtexであることが好ましく、より好ましくは0.4〜1.8dtexであり、さらに好ましくは0.4〜0.9dtexである。乾燥させた凝固糸の単繊維繊度は、凝固時の凝固糸を構成する単繊維の繊維径に対応しており、単繊維径が大きいほど凝固時に凝固糸の表層部と中心部の凝固状態差が大きくなり、焼成して炭素繊維とした場合にもそれに起因した物性差が見られ、物性が低下することが多い。また、前記した要件[a]〜[c]のいずれかを具備した場合、PAN系重合体の親水性が低下し、凝固状態差を促進することもあるが、乾燥させた凝固糸の単繊維繊度が小さいほどPAN系重合体の親水性低下の影響が小さくなるため好ましい。乾燥させた凝固糸の単繊維繊度が2.3dtexを超える場合には、単繊維径が大きいほど凝固時に凝固糸の表層部と中心部の凝固状態差が大きくなり、焼成して炭素繊維とした場合にもそれに起因した物性差が見られ、物性が低下することが多い。また、乾燥させた凝固糸の単繊維繊度が0.4dtex未満では、前駆体繊維としての前駆体繊維の単繊維繊度が0.4dtex未満となり、これを焼成して炭素繊維とした場合には、繊維強化複合材料とするときマトリックス樹脂が含浸されにくくなり、炭素繊維の物性が発現されず、製造コストの割には炭素繊維強化複合材料としての物性が低下する。
Spinning draft = (coagulated yarn take-up speed) / (discharge line speed)
The single fiber fineness of the dried coagulated yarn of the present invention is preferably 0.4 to 2.3 dtex, more preferably 0.4 to 1.8 dtex, still more preferably 0.4 to 0.00. 9 dtex. The single fiber fineness of the dried coagulated yarn corresponds to the fiber diameter of the single fiber constituting the coagulated yarn at the time of coagulation, and the larger the single fiber diameter, the difference in solidification state between the surface layer and the center of the coagulated yarn during coagulation When the carbon fiber is baked to produce a carbon fiber, a difference in physical properties due to it is observed, and the physical properties are often lowered. In addition, when any of the above requirements [a] to [c] is satisfied, the hydrophilicity of the PAN-based polymer is lowered and the solidification state difference may be promoted. The smaller the fineness, the smaller the influence of the decrease in hydrophilicity of the PAN-based polymer, which is preferable. When the single fiber fineness of the dried coagulated yarn exceeds 2.3 dtex, the larger the single fiber diameter, the greater the difference in the coagulation state between the surface layer portion and the center portion of the coagulated yarn during coagulation, and firing into carbon fibers In some cases, a difference in physical properties due to the difference is observed, and the physical properties are often lowered. Moreover, when the single fiber fineness of the dried coagulated yarn is less than 0.4 dtex, the single fiber fineness of the precursor fiber as the precursor fiber is less than 0.4 dtex. When the fiber reinforced composite material is used, the matrix resin is hardly impregnated, and the physical properties of the carbon fiber are not expressed, and the physical properties of the carbon fiber reinforced composite material are reduced for the manufacturing cost.
本発明において、乾燥させた凝固糸の単繊維繊度が0.4〜2.3dtexの凝固糸は、PAN系重合体の重合体濃度が6〜25重量%であるPAN系重合体溶液を、平均孔径が0.05〜0.18mmの紡糸口金から、紡糸ドラフトを8〜100に制御するようにして吐出巻き取り、紡糸することにより好適に得ることができる。 In the present invention, the dried coagulated yarn having a single fiber fineness of 0.4 to 2.3 dtex is obtained by averaging a PAN polymer solution having a PAN polymer concentration of 6 to 25% by weight on an average basis. A spinneret having a pore diameter of 0.05 to 0.18 mm can be suitably obtained by discharging and spinning so as to control the spinning draft to 8 to 100.
本発明における乾燥させた凝固糸の単繊維繊度(dtex)とは、紡糸口金を離れて最初に接触する駆動源を持ったローラーにより引き取られた凝固糸を流水で1時間以上水洗し、単繊維10,000mあたりの乾燥重量(g)をいう。 The single fiber fineness (dtex) of the dried coagulated yarn in the present invention means that the coagulated yarn taken up by a roller having a drive source that first contacts after leaving the spinneret is washed with running water for 1 hour or more, and single fiber The dry weight (g) per 10,000 m.
引き取られた凝固糸は、その後、通常、水洗工程、浴中延伸工程、油剤付与工程および乾燥工程を経て、炭素繊維前駆体繊維が得られる。また、上記の工程に乾熱延伸工程や蒸気延伸工程を加えてもよい。凝固後の糸条は、水洗工程を省略して直接浴中延伸を行っても良いし、溶媒を水洗工程により除去した後に浴中延伸を行っても良い。浴中延伸は、通常、30〜98℃の温度に温調された単一または複数の延伸浴中で行うことが好ましい。そのときの延伸倍率は、1〜5倍であることが好ましく、1〜3倍であることがより好ましい。 Thereafter, the taken-up coagulated yarn is usually subjected to a water washing step, an in-bath drawing step, an oil agent application step, and a drying step to obtain a carbon fiber precursor fiber. Moreover, you may add a dry heat extending process and a steam extending process to said process. The solidified yarn may be directly stretched in the bath without the water washing step, or may be stretched in the bath after removing the solvent by the water washing step. Usually, the stretching in the bath is preferably performed in a single or a plurality of stretching baths adjusted to a temperature of 30 to 98 ° C. The draw ratio at that time is preferably 1 to 5 times, and more preferably 1 to 3 times.
浴中延伸工程の後、単繊維同士の接着を防止する目的から、延伸された繊維糸条にシリコーン等からなる油剤を付与することが好ましい。シリコーン油剤は、耐熱性の高いアミノ変性シリコーン等の変性されたシリコーンを含有するものを用いることが好ましい。 After the stretching step in the bath, it is preferable to apply an oil agent made of silicone or the like to the stretched fiber yarn for the purpose of preventing adhesion between single fibers. As the silicone oil, it is preferable to use a silicone oil containing a modified silicone such as amino-modified silicone having high heat resistance.
乾燥工程としては、例えば、乾燥温度が70〜200℃で乾燥時間が10秒から200秒の乾燥条件が好ましい結果を与える。生産性の向上や結晶配向度の向上として、乾燥工程後に加熱熱媒中で延伸することが好ましい。加熱熱媒としては、例えば、加圧水蒸気あるいは過熱水蒸気が操業安定性やコストの面で好適に用いられ、延伸倍率は通常1.5〜10倍である。 As the drying step, for example, a drying condition in which a drying temperature is 70 to 200 ° C. and a drying time is 10 seconds to 200 seconds gives preferable results. As an improvement in productivity and an improvement in the degree of crystal orientation, it is preferable to stretch in a heating heat medium after the drying step. As the heating heat medium, for example, pressurized steam or superheated steam is suitably used in terms of operational stability and cost, and the draw ratio is usually 1.5 to 10 times.
このようにして得られた炭素繊維前駆体繊維の単繊維繊度は、0.01〜1.5dtexであることが好ましく、0.05〜1.0dtexであることがより好ましく、0.1〜0.8dtexであることがさらに好ましい。単繊維繊度が小さすぎると、ローラーやガイドとの接触による糸切れ発生などにより、製糸工程および炭素繊維の焼成工程のプロセス安定性が低下することがある。一方、単繊維繊度が大きすぎると、耐炎化後の各単繊維における内外構造差が大きくなり、続く炭化工程でのプロセス性低下や、得られる炭素繊維の引張強度および引張弾性率が低下することがある。 The single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber thus obtained is preferably 0.01 to 1.5 dtex, more preferably 0.05 to 1.0 dtex, 0.1 to 0 More preferably, it is .8 dtex. If the single fiber fineness is too small, the process stability of the yarn making process and the carbon fiber firing process may decrease due to the occurrence of yarn breakage due to contact with a roller or a guide. On the other hand, if the single fiber fineness is too large, the difference between the inner and outer structures of each single fiber after flame resistance will increase, and the processability in the subsequent carbonization process and the tensile strength and tensile modulus of the resulting carbon fiber will decrease. There is.
得られる炭素繊維前駆体繊維は、通常、連続繊維(フィラメント)の形状である。また、その1糸条(マルチフィラメント)当たりのフィラメント数は、好ましくは1,000〜3,000,000本であり、より好ましくは12,000〜3,000,000本であり、さらに好ましくは24,000〜2,500,000本であり、最も好ましくは24,000〜2,000,000本である。得られる炭素繊維前駆体繊維は、延伸性が高いことから、単繊維繊度を従来よりも小さくすることができる一方、1糸条あたりのフィラメント数は、生産性の向上の目的からは多い方が好ましいが、あまりに多すぎると、束内部まで均一に耐炎化処理できないことがある。 The obtained carbon fiber precursor fiber is usually in the form of a continuous fiber (filament). The number of filaments per one yarn (multifilament) is preferably 1,000 to 3,000,000, more preferably 12,000 to 3,000,000, and still more preferably. The number is 24,000 to 2,500,000, and most preferably 24,000 to 2,000,000. Since the obtained carbon fiber precursor fiber has high drawability, the single fiber fineness can be made smaller than before, while the number of filaments per yarn is larger for the purpose of improving productivity. Although it is preferable, if it is too much, it may not be possible to uniformly treat the inside of the bundle.
上記のようにして得られた炭素繊維前駆体繊維は、常法に従って炭素繊維となすことができる。すなわち、上記のようにして得られた炭素繊維用前駆体繊維を、200〜300℃の温度の空気中において耐炎化処理した後、300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において予備炭化処理し、次いで1,000〜3,000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化処理するのである。特に、炭素繊維の引張弾性率を高める観点から炭化処理における張力を、前駆体の単位繊度(dtex)当り5.9〜13.0mNとすることが好ましいが、その際に、本発明では高品位な炭素繊維前駆体繊維が得られているため、焼成工程において毛羽巻付きなどの問題を起こしにくい。 The carbon fiber precursor fiber obtained as described above can be made into carbon fiber according to a conventional method. That is, the carbon fiber precursor fiber obtained as described above is subjected to flame resistance treatment in air at a temperature of 200 to 300 ° C., and then pre-carbonized in an inert atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. Then, carbonization is performed in an inert atmosphere at a temperature of 1,000 to 3,000 ° C. In particular, from the viewpoint of increasing the tensile modulus of carbon fiber, the tension in carbonization is preferably 5.9 to 13.0 mN per unit fineness (dtex) of the precursor. Since a carbon fiber precursor fiber is obtained, problems such as fluffing are unlikely to occur in the firing process.
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。本実施例で用いた測定方法を次に説明する。
<各種分子量:Mz、Mw、Mn>
測定しようとする重合体が0.1重量%でジメチルホルムアミド(0.01N−臭化リチウム添加)に溶解した検体溶液を作製する。作製した検体溶液について、GPC装置を用いて、次の条件で測定したGPC曲線から分子量の分布曲線を求め、Mz、MwおよびMnを算出する。測定は3回行い、Mz、Mw、Mnの値を平均して用いた。
・カラム :極性有機溶媒系GPC用カラム
・流速 :0.5ml/分
・温度 :75℃
・試料濾過 :メンブレンフィルター(0.45μmカット)
・注入量 :200μl
・検出器 :示差屈折率検出器
Mwは、分子量が異なる分子量既知の単分散ポリスチレンを少なくとも6種類用いて、溶出時間―分子量の検量線を作成し、その検量線上において、該当する溶出時間に対応するポリスチレン換算の分子量を読み取ることにより求める。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The measurement method used in this example will be described next.
<Various molecular weights: Mz, Mw, Mn>
A sample solution is prepared by dissolving 0.1% by weight of the polymer to be measured in dimethylformamide (0.01N-lithium bromide added). For the prepared specimen solution, a molecular weight distribution curve is obtained from a GPC curve measured under the following conditions using a GPC apparatus, and Mz, Mw, and Mn are calculated. The measurement was performed three times, and the values of Mz, Mw, and Mn were averaged and used.
-Column: Column for polar organic solvent GPC-Flow rate: 0.5 ml / min-Temperature: 75 ° C
・ Sample filtration: Membrane filter (0.45μm cut)
・ Injection volume: 200 μl
・ Detector: Differential refractive index detector Mw uses at least six types of monodispersed polystyrenes with different molecular weights and known molecular weights to create an elution time-molecular weight calibration curve, and corresponds to the corresponding elution time on the calibration curve. It is obtained by reading the molecular weight in terms of polystyrene.
本実施例では、GPC装置として(株)島津製作所製CLASS−LC2010を、カラムとして東ソー(株)製TSK−GEL−α―M(×2)+東ソー(株)製TSK−guard Column αを、ジメチルホルムアミドおよび臭化リチウムとして和光純薬工業(株)製を、メンブレンフィルターとしてミリポアコーポレーション製0.45μm−FHLP FILTERを、示差屈折率検出器として(株)島津製作所製RID−10AVを、検量線作成用の単分散ポリスチレンとして、分子量184000、427000、791000、1300000、1810000および4240000のものを、それぞれ用いた。
<紡糸溶液中のANの含有比率>
紡糸溶液1.0gに4.0gのメタノールを加えPAN系重合体溶液中のANを抽出した。得られたメタノール溶液をガスクロマトグラフィーによる分析によって検量線から対応するAN濃度を測定することにより求めた。
ガスクロマトグラフィー条件
装置 :GC−2014(島津製作所製)
カラム :キャピラリーカラムDB−1(島津GLC製)
サンプル注入量:0.4μL
<ゲル生成量>
直径1cm、長さ5cmの配管を経て、直径1cmのカスケードミニリングが充填された直径6cm、長さ10cmの円筒容器底中央から50℃に保持された重合体溶液を充填する。その後、300cm3の容器を120℃まで約1時間で昇温する。昇温終了後、1cc/分で送液し、その後円筒容器出口側に配置された28cm2の円形32μm開孔径の平織PETスクリーン紗で24時間濾過する。さらに、DMSOを10cc/分で送液し、配管内のゲルおよび重合体溶液を24時間洗浄し、スクリーン紗で濾す。ゲルの付着したスクリーン紗を乾燥させ、波長354nmの光を当てながら、肉眼で輝点を数えた。
<炭素繊維束の引張強度および弾性率>
JIS R7601(1986)「樹脂含浸ストランド試験法」に従って求める。測定する炭素繊維の樹脂含浸ストランドは、3、4−エポキシシクロヘキシルメチル−3、4−エポキシシクロヘキシル−カルボキシレート(100重量部)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(3重量部)/アセトン(4重量部)を、炭素繊維または黒鉛化繊維に含浸させ、130℃の温度で30分硬化させて作製する。また、炭素繊維のストランドの測定本数は6本とし、各測定結果の平均値を引張強度とする。本実施例では、3、4−エポキシシクロヘキシルメチル−3、4−エポキシシクロヘキシル−カルボキシレートとして、ユニオンカーバイド(株)製“ベークライト”(登録商標)ERL4221を用いた。
[実施例1]
AN100重量部、イタコン酸1重量部、連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.003重量部、およびジメチルスルホキシド360重量部を混合し、それを還流管と攪拌翼を備えた反応容器に入れた。反応容器内の空間部を酸素濃度が100ppmになるまで窒素置換した後、重合開始剤としてAIBN0.003重量部を投入し、撹拌しながら下記の条件の熱処理を行った。
(1)60℃の温度で3.5時間保持
次に、その反応容器中に、ジメチルスルホキシド10重量部、重合開始剤としてAIBN0.4重量部、および連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.1重量部を計量導入した後、さらに撹拌しながら下記の条件の熱処理を行い、残存する未反応単量体を溶液重合法により重合してPAN系重合体溶液を得た。
(2)60℃の温度で4時間保持
(3)60℃から80℃へ昇温(昇温速度10℃/時間)
(4)80℃の温度で6時間保持
燐酸トリメチルをジメチルスルホキシド50重量%溶液として、重合体溶液中に加え、このPAN系重合体溶液を攪拌しながら80℃、0.1kPaに減圧して6時間処理した。重合体濃度が20重量%となるように調製した後、重合体中のイタコン酸のカルボキシル基に対して0.8等量になるようにアンモニアガスを吹き込み中和した後、さらにスタティックミキサーで混合し、45℃における粘度が45Pa・sの紡糸溶液を得た。PAN系重合体は、Mwが46万、Mz/Mwが3.4であった。また、紡糸溶液中の燐酸トリメチルの含有比率は0.1重量%であり、紡糸溶液中のAN含有比率は0.01重量%であった。
In this example, CLASS-LC2010 manufactured by Shimadzu Corporation as a GPC device, and TSK-GEL-α-M (× 2) manufactured by Tosoh Corporation as a column and TSK-guard Column α manufactured by Tosoh Corporation, Calibration curves were manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. as dimethylformamide and lithium bromide, 0.45 μm-FHLP FILTER manufactured by Millipore Corporation as a membrane filter, and RID-10AV manufactured by Shimadzu Corporation as a differential refractive index detector. As the monodisperse polystyrene for production, those having molecular weights of 184000, 427000, 791000, 1300000, 1810000 and 4240000 were used, respectively.
<Content ratio of AN in spinning solution>
4.0 g of methanol was added to 1.0 g of the spinning solution, and AN in the PAN-based polymer solution was extracted. The obtained methanol solution was determined by measuring the corresponding AN concentration from the calibration curve by gas chromatography analysis.
Gas chromatography condition apparatus: GC-2014 (manufactured by Shimadzu Corporation)
Column: Capillary column DB-1 (manufactured by Shimadzu GLC)
Sample injection volume: 0.4 μL
<Gel generation amount>
A polymer solution maintained at 50 ° C. is filled from the center of the bottom of a cylindrical container having a diameter of 6 cm and a length of 10 cm filled with a cascade mini-ring having a diameter of 1 cm through a pipe having a diameter of 1 cm and a length of 5 cm. Thereafter, the temperature of the 300 cm 3 container is raised to 120 ° C. in about 1 hour. After completion of the temperature increase, the solution is fed at 1 cc / min, and then filtered for 24 hours with a plain woven PET screen with a 28 cm 2 circular 32 μm aperture diameter arranged on the outlet side of the cylindrical container. Further, DMSO is fed at 10 cc / min, and the gel and polymer solution in the pipe are washed for 24 hours and filtered through a screen bottle. The screen with the gel adhered was dried, and bright spots were counted with the naked eye while applying light with a wavelength of 354 nm.
<Tensile strength and elastic modulus of carbon fiber bundle>
Determined according to JIS R7601 (1986) “Resin-impregnated strand test method”. The carbon fiber resin-impregnated strand to be measured is 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexyl-carboxylate (100 parts by weight) / 3 boron trifluoride monoethylamine (3 parts by weight) / acetone (4 parts by weight). ) Is impregnated into carbon fiber or graphitized fiber and cured at a temperature of 130 ° C. for 30 minutes. The number of carbon fiber strands to be measured is 6, and the average value of each measurement result is the tensile strength. In this example, “Bakelite” (registered trademark) ERL4221 manufactured by Union Carbide Co., Ltd. was used as 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexyl-carboxylate.
[Example 1]
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, 0.003 part by weight of octyl mercaptan as a chain transfer agent, and 360 parts by weight of dimethyl sulfoxide were mixed and placed in a reaction vessel equipped with a reflux tube and a stirring blade. After the space in the reaction vessel was purged with nitrogen until the oxygen concentration reached 100 ppm, 0.003 part by weight of AIBN was added as a polymerization initiator, and heat treatment was performed under the following conditions while stirring.
(1) Hold at 60 ° C. for 3.5 hours Next, in the reaction vessel, 10 parts by weight of dimethyl sulfoxide, 0.4 parts by weight of AIBN as a polymerization initiator, and 0.1 parts by weight of octyl mercaptan as a chain transfer agent Then, heat treatment under the following conditions was performed with further stirring, and the remaining unreacted monomer was polymerized by a solution polymerization method to obtain a PAN polymer solution.
(2) Hold for 4 hours at a temperature of 60 ° C. (3) Increase the temperature from 60 ° C. to 80 ° C. (temperature increase rate: 10 ° C./hour)
(4) Hold for 6 hours at a temperature of 80 ° C. Trimethyl phosphate is added to the polymer solution as a 50% by weight solution of dimethyl sulfoxide, and the PAN-based polymer solution is decompressed to 80 ° C. and 0.1 kPa while stirring. Time processed. After preparing the polymer concentration to be 20% by weight, neutralize it by blowing ammonia gas so that it becomes 0.8 equivalent to the carboxyl group of itaconic acid in the polymer, and then mix with a static mixer Thus, a spinning solution having a viscosity at 45 ° C. of 45 Pa · s was obtained. The PAN-based polymer had Mw of 460,000 and Mz / Mw of 3.4. The content ratio of trimethyl phosphate in the spinning solution was 0.1% by weight, and the AN content ratio in the spinning solution was 0.01% by weight.
得られた紡糸溶液は、耐熱耐圧ガラス瓶に入れ、栓をして120℃のオーブン中で12時間処理すると、45℃における粘度が40Pa・s、Mwが36万、Mz/Mwが1.6となった。さらに、8時間処理した20時間後には全体がゲル化して、粘度の測定および溶媒への溶解ができなくなった。 The obtained spinning solution is put into a heat-resistant pressure-resistant glass bottle, stoppered, and treated in an oven at 120 ° C. for 12 hours. The viscosity at 45 ° C. is 40 Pa · s, Mw is 360,000, and Mz / Mw is 1.6. became. Furthermore, after 20 hours of treatment for 8 hours, the whole gelled, making it impossible to measure viscosity and dissolve in a solvent.
また、得られた紡糸溶液を用いてゲル生成量の試験をしたところ、ゲルの生成量は5個と非常に少なかった。 Moreover, when the amount of gel production | generation was tested using the obtained spinning solution, the amount of gel production | generation was as very few as five pieces.
得られた紡糸溶液を、上記ゲル生成量の試験と同様の装置を用いて直径1cmのカスケードミニリングが充填された300cm3の容器を120℃に保持し、1cc/分で48時間送液し、スクリーン紗で濾過せずに紡糸溶液に再混合する処理(この処理を強制ゲル化処理と呼ぶ)をした後、フィルターでの濾過をすることなく、40℃の温度で、孔数1,500、口金孔径0.15mmの紡糸口金を用い、一旦空気中に吐出し、約2mmの空間を通過させた後、3℃の温度にコントロールした20重量%ジメチルスルホキシドの水溶液からなる凝固浴に導入する乾湿式紡糸法により紡糸し凝固糸とした。このときの吐出線速度は5m/分となるように口金への送液量を調整し、凝固糸の巻取り速度を変更することで糸切れの発生する限界紡糸ドラフト率の測定を行った。また、紡糸ドラフト率4の条件で凝固糸条を得、水洗した後、90℃の温水中で3倍の浴中延伸倍率で延伸し、さらにアミノ変性シリコーン系シリコーン油剤を付与し、165℃の温度に加熱したローラーを用いて30秒間乾燥を行い、5倍の水蒸気延伸倍率条件で加圧水蒸気延伸を行い、単繊維繊度0.8dtexの炭素繊維前駆体繊維を得た。なお、水洗しているときの糸条はわずかに白濁しているのみであり、緻密性は高かった。得られた炭素繊維前駆体繊維の品位は優れており、製糸工程通過性も安定していた。得られた炭素繊維前駆体繊維をフィラメント数が12000本になるよう合糸し、240〜260℃の温度の温度分布を有する空気中において延伸比1.0で延伸しながらで90分間耐炎化処理し、耐炎化繊維を得た。続いて、得られた耐炎化繊維を300〜700℃の温度の温度分布を有する窒素雰囲気中において、延伸比1.2で延伸しながら予備炭化処理を行い、さらに最高温度1500℃の窒素雰囲気中において、延伸比を0.97に設定して炭化処理を行い、連続した炭素繊維を得た。このときの焼成工程通過性はいずれも良好であった。 The obtained spinning solution was held at 120 ° C. in a 300 cm 3 container filled with a cascade mini-ring having a diameter of 1 cm using the same apparatus as in the gel production test described above, and fed at 1 cc / min for 48 hours. After the process of remixing into the spinning solution without filtering through a screen (this process is called forced gelation process), the filter has a pore number of 1,500 at a temperature of 40 ° C. without filtering through a filter. , Using a spinneret with a base diameter of 0.15 mm, once discharged into the air, passed through a space of about 2 mm, and then introduced into a coagulation bath consisting of an aqueous solution of 20% by weight dimethyl sulfoxide controlled at a temperature of 3 ° C. Spinning was performed by a dry and wet spinning method to obtain a coagulated yarn. The limit spinning draft rate at which yarn breakage occurred was measured by adjusting the amount of liquid fed to the die so that the discharge linear velocity was 5 m / min and changing the winding speed of the coagulated yarn. Moreover, after obtaining a coagulated yarn under the condition of a spinning draft ratio of 4, and washing with water, it was stretched at a stretching ratio of 3 times in a bath at 90 ° C. in warm water, and further provided with an amino-modified silicone-based silicone oil, at 165 ° C. Drying was performed for 30 seconds using a roller heated to a temperature, and pressure steam stretching was performed under a steam stretching ratio condition of 5 times to obtain a carbon fiber precursor fiber having a single fiber fineness of 0.8 dtex. In addition, the yarn when washed with water was only slightly cloudy, and the denseness was high. The quality of the obtained carbon fiber precursor fiber was excellent, and the yarn passing through the spinning process was stable. The obtained carbon fiber precursor fiber is combined so that the number of filaments becomes 12,000, and flameproofing is performed for 90 minutes while stretching at a draw ratio of 1.0 in air having a temperature distribution of 240 to 260 ° C. As a result, flameproofed fibers were obtained. Subsequently, in the nitrogen atmosphere having a temperature distribution of 300 to 700 ° C., the obtained flame-resistant fiber is subjected to preliminary carbonization while being drawn at a draw ratio of 1.2, and further in a nitrogen atmosphere having a maximum temperature of 1500 ° C. , Carbonization was performed with the draw ratio set to 0.97 to obtain continuous carbon fibers. In this case, the baking process passability was good.
得られた炭素繊維束のストランド物性を測定したところ、強度は6.3GPaであった。
[実施例2]
燐酸トリメチルのジメチルスルホキシド1重量%溶液に代えて、クエン酸のジメチルスルホキシド33重量%溶液を用い、紡糸溶液中のクエン酸の含有比率を0.25重量%とした以外は実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。得られた紡糸溶液は、耐熱耐圧ガラス瓶に入れ、栓をして120℃のオーブン中で15時間処理すると、全体がゲル化した。また、ゲル生成量の試験におけるゲルの生成量は16個と非常に少なかった。また、水洗しているときの糸条は白濁しており、緻密性は低かったものの、製糸工程・焼成工程ともに工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維前駆体繊維と炭素繊維束の品位は良好であった。
[実施例3]
燐酸トリメチルの添加を行わないとともに、アンモニアガスでの中和も行わなかった以外は実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。得られた紡糸溶液は、耐熱耐圧ガラス瓶に入れ、栓をして120℃のオーブン中で13時間処理すると、全体がゲル化した。また、ゲル生成量の試験におけるゲルの生成量は30個と少なかった。また、水洗しているときの糸条は白濁しており、緻密性は低かったものの、製糸工程・焼成工程ともに工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維前駆体繊維と炭素繊維束の品位は良好であった。
[実施例4]
紡糸ドラフト率を20に変更し、加圧水蒸気延伸をしなかった以外は実施例3と同様にして炭素繊維束を得た。乾燥させた凝固糸単繊維繊度は2.1dtexであり、水洗しているときの糸条は透明であり、アンモニアガスによる中和がなくても緻密性は高かった。製糸工程・焼成工程ともに工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維前駆体繊維と炭素繊維束の品位は良好であった。
[比較例1]
燐酸トリメチルの添加をしなかった以外は実施例1と同様にして紡糸溶液を得た。得られた紡糸溶液は、耐熱耐圧ガラス瓶に入れ、栓をして120℃のオーブン中で6時間処理すると、粘度低下がほとんど起こらずに、全体がゲル化した。また、ゲル生成量の試験におけるゲルの生成量は数えられないほど非常に多かった。また、得られた紡糸溶液を用いて実施例1と同様にして炭素繊維束を得ようとしたが、製糸工程で口金から吐出不良や糸切れが多発してサンプリングできなかった。
[実施例5]
紡糸溶液中のANの含有比率が0.08重量%となるように減圧圧力を1kPaに変更するとともに、重合体中のイタコン酸のカルボキシル基に対して0.3等量になるようにアンモニアガスを吹き込み中和した以外は実施例3と同様にして炭素繊維束を得た。得られた紡糸溶液は、耐熱耐圧ガラス瓶に入れ、栓をして120℃のオーブン中で16時間処理すると、全体がゲル化した。また、ゲル生成量の試験におけるゲルの生成量は25個と非常に少なかった。また、製糸工程・焼成工程ともに工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維前駆体繊維と炭素繊維束の品位は良好であった。
[比較例2]
AN100重量部、イタコン酸1重量部、ラジカル開始剤としてAIBN0.4重量部、および連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.1重量部をジメチルスルホキシド370重量部に均一に溶解し、それを還流管と攪拌翼を備えた反応容器に入れた。反応容器内の空間部を窒素置換した後、撹拌しながら重合条件Aの熱処理を行い、溶液重合法により重合して、PAN系重合体溶液を得た。
(1)30℃から60℃へ昇温(昇温速度10℃/時間)
(2)60℃の温度で4時間保持
(3)60℃から80℃へ昇温(昇温速度10℃/時間)
(4)80℃の温度で6時間保持
PAN系重合体は、Mwが35万、Mz/Mwが1.8であった。PAN系重合体溶液を、上記のようにして得たものに変更した以外は、比較例1と同様にして紡糸溶液を得た。得られた紡糸溶液は45℃における粘度が55Pa・sであった。得られた紡糸溶液は、耐熱耐圧ガラス瓶に入れ、栓をして120℃のオーブン中で6時間処理すると、全体がゲル化し、重合体の分子量分布が変わってもゲル化の速度は同等だった。また、ゲル生成量の試験におけるゲルの生成量は数えられないほど非常に多かった。また、得られた紡糸溶液を用いて実施例1と同様にして炭素繊維束を得ようとしたが、製糸工程で口金から吐出不良や糸切れが多発してサンプリングできなかった。
[比較例3]
紡糸溶液中のANの含有比率が0.4重量%となるように減圧の圧力を1kPa、かつ、減圧の処理時間を1時間に変更した以外は比較例2と同様にして紡糸溶液を得た。
When the strand physical property of the obtained carbon fiber bundle was measured, the strength was 6.3 GPa.
[Example 2]
Instead of the 1% by weight solution of trimethyl phosphate in dimethyl sulfoxide, a 33% by weight solution of dimethyl sulfoxide in citric acid was used, and the content ratio of citric acid in the spinning solution was changed to 0.25% by weight. Thus, a carbon fiber bundle was obtained. The obtained spinning solution was put into a heat-resistant pressure-resistant glass bottle, stoppered, and treated in an oven at 120 ° C. for 15 hours to form a gel. In addition, the amount of gel produced in the gel production amount test was as small as 16 pieces. In addition, although the yarn when washed with water was cloudy and the density was low, the processability was good in both the yarn making process and the firing process, and the obtained carbon fiber precursor fiber and carbon fiber bundle were The quality was good.
[Example 3]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that trimethyl phosphate was not added and neutralization with ammonia gas was not performed. The obtained spinning solution was put into a heat-resistant pressure-resistant glass bottle, stoppered, and treated in an oven at 120 ° C. for 13 hours to form a gel. In addition, the amount of gel produced in the gel production amount test was as small as 30 pieces. In addition, although the yarn when washed with water was cloudy and the density was low, the processability was good in both the yarn making process and the firing process, and the obtained carbon fiber precursor fiber and carbon fiber bundle were The quality was good.
[Example 4]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 3 except that the spinning draft ratio was changed to 20 and no pressurized steam stretching was performed. The dried coagulated yarn single fiber fineness was 2.1 dtex, the yarn when washed with water was transparent, and the density was high even without neutralization with ammonia gas. The process passability was good in both the yarn making process and the firing process, and the quality of the obtained carbon fiber precursor fiber and carbon fiber bundle was good.
[Comparative Example 1]
A spinning solution was obtained in the same manner as in Example 1 except that trimethyl phosphate was not added. The obtained spinning solution was put into a heat-resistant pressure-resistant glass bottle, stoppered, and treated in an oven at 120 ° C. for 6 hours. Further, the amount of gel produced in the gel production amount test was so large that it could not be counted. In addition, an attempt was made to obtain a carbon fiber bundle using the obtained spinning solution in the same manner as in Example 1, but sampling failed due to frequent discharge failures and yarn breakage from the die during the yarn making process.
[Example 5]
The decompression pressure was changed to 1 kPa so that the AN content ratio in the spinning solution was 0.08% by weight, and ammonia gas was adjusted to 0.3 equivalent to the carboxyl group of itaconic acid in the polymer. A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 3 except that was neutralized by blowing. The obtained spinning solution was put into a heat-resistant pressure-resistant glass bottle, stoppered, and treated in an oven at 120 ° C. for 16 hours to form a gel. In addition, the amount of gel produced in the gel production amount test was as small as 25. In addition, the processability was good in both the yarn production process and the firing process, and the quality of the obtained carbon fiber precursor fiber and carbon fiber bundle was good.
[Comparative Example 2]
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, 0.4 part by weight of AIBN as a radical initiator, and 0.1 part by weight of octyl mercaptan as a chain transfer agent are uniformly dissolved in 370 parts by weight of dimethyl sulfoxide, which is stirred with a reflux tube. Placed in a reaction vessel with wings. After replacing the space in the reaction vessel with nitrogen, heat treatment was performed under polymerization condition A while stirring, and polymerization was performed by a solution polymerization method to obtain a PAN polymer solution.
(1) Temperature increase from 30 ° C to 60 ° C (temperature increase rate 10 ° C / hour)
(2) Hold for 4 hours at a temperature of 60 ° C. (3) Increase the temperature from 60 ° C. to 80 ° C. (temperature increase rate: 10 ° C./hour)
(4) Hold for 6 hours at a temperature of 80 ° C. The PAN-based polymer had Mw of 350,000 and Mz / Mw of 1.8. A spinning solution was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that the PAN-based polymer solution was changed to that obtained as described above. The obtained spinning solution had a viscosity at 45 ° C. of 55 Pa · s. The obtained spinning solution was put into a heat-resistant pressure-resistant glass bottle, stoppered, and treated in an oven at 120 ° C. for 6 hours. The whole gelled and the gelation rate was the same even if the molecular weight distribution of the polymer changed. . Further, the amount of gel produced in the gel production amount test was so large that it could not be counted. In addition, an attempt was made to obtain a carbon fiber bundle using the obtained spinning solution in the same manner as in Example 1, but sampling failed due to frequent discharge failures and yarn breakage from the die during the yarn making process.
[Comparative Example 3]
A spinning solution was obtained in the same manner as in Comparative Example 2 except that the reduced pressure was changed to 1 kPa and the reduced pressure treatment time was changed to 1 hour so that the AN content ratio in the spinning solution was 0.4% by weight. .
得られた紡糸溶液は、耐熱耐圧ガラス瓶に入れ、栓をして120℃のオーブン中で12時間処理すると、45℃における粘度が50Pa・s、Mwが30万、Mz/Mwが1.8となった。さらに、8時間処理した20時間後には全体がゲル化して、粘度の測定および溶媒への溶解ができなくなった。 The obtained spinning solution is put into a heat-resistant pressure-resistant glass bottle, stoppered, and treated in an oven at 120 ° C. for 12 hours. The viscosity at 45 ° C. is 50 Pa · s, Mw is 300,000, and Mz / Mw is 1.8. became. Furthermore, after 20 hours of treatment for 8 hours, the whole gelled, making it impossible to measure viscosity and dissolve in a solvent.
また、得られた紡糸溶液を用いてゲル生成量の試験をしたところ、ゲルの生成量は1個と非常に少なかった。 Moreover, when the amount of gel production | generation was tested using the obtained spinning solution, the amount of gel production | generation was as very small as one piece.
得られた紡糸溶液を用いて実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。凝固浴周辺では、ANの作業環境濃度が高いという問題があったが、製糸工程・焼成工程ともに工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維前駆体繊維と炭素繊維束の品位は良好であった。
[比較例4]
AN100重量部、イタコン酸1重量部、およびラジカル開始剤としてAIBN0.2重量部をジメチルスルホキシド460重量部に均一に溶解し、それを還流管と攪拌翼を備えた反応容器に入れた。反応容器内の空間部を窒素置換した後、撹拌しながら前記の重合条件Aの熱処理を行い、溶液重合法により重合して、PAN系重合体溶液を得た。PAN系重合体溶液を上記のようにして得たものに変更するとともに、重合体濃度が15重量%となるように調製した以外は、比較例1と同様にして紡糸溶液を得た。得られた紡糸溶液は、耐熱耐圧ガラス瓶に入れ、栓をして120℃のオーブン中で6時間処理すると、全体がゲル化し、重合体の分子量分布が変わってもゲル化の速度は同等だった。また、ゲル生成量の試験におけるゲルの生成量は数えられないほど非常に多かった。また、得られた紡糸溶液を用いて実施例1と同様にして炭素繊維束を得ようとしたが、製糸工程で口金から吐出不良や糸切れが多発してサンプリングできなかった。
[実施例6]
AN100重量部、イタコン酸0.3重量部、ラジカル開始剤として2,2’−アゾビスイソブチルニトリル(以下、AIBNと略記)0.01重量部、およびジメチルスルホキシド200重量部を混合し、それを還流管と攪拌翼を備えた反応容器に入れた。反応容器内の空間部を酸素濃度が1000ppmになるまで窒素置換した後、撹拌しながら下記の条件Bの熱処理を行い、溶液重合法により重合して、PAN系重合体の一次溶液を得た。
(1)30℃から61℃へ昇温(昇温速度120℃/時間)
(2)61℃の温度で100分間保持
次に、その反応容器中に、イタコン酸0.7重量部、ジメチルスルホキシド10重量部、重合開始剤としてAIBN 0.4重量部、および連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.1重量部を計量導入した後、さらに撹拌しながら下記の条件の熱処理を行い、残存する未反応単量体を溶液重合法により重合してPAN系重合体の二次溶液を得た。
(2)61℃の温度で4時間保持
(3)61℃から80℃へ昇温(昇温速度10℃/時間)
(4)80℃の温度で6時間保持
PAN系重合体溶液を上記のようにして得た二次溶液に変更した以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。得られた紡糸溶液は、耐熱耐圧ガラス瓶に入れ、栓をして120℃のオーブン中で20時間処理すると、全体がゲル化した。また、ゲル生成量の試験におけるゲルの生成量は6個と非常に少なかった。また、製糸工程・焼成工程ともに工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維前駆体繊維と炭素繊維束の品位は良好であった。
[実施例7]
AN100重量部、イタコン酸1重量部、およびジメチルスルホキシド130重量部を混合し、それを還流管と攪拌翼を備えた反応容器に入れた。反応容器内の空間部を酸素濃度が100ppmになるまで窒素置換した後、ラジカル開始剤として2,2’−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)0.002重量部を投入し、撹拌しながら下記の重合条件Dの熱処理を行い、溶液重合法により重合してPAN系重合体の一次溶液を得た。
重合条件D
・ 65℃の温度で2時間保持
・ 65℃から30℃へ降温(降温速度120℃/時間)
得られた一次溶液を水に注いで重合体を沈殿させ、それを80℃の温水で2時間洗浄後、70℃の温度で4時間乾燥して、乾燥重合体を得た。得られた乾燥重合体のMz、MwおよびMnは、それぞれ680万、500万および330万であり、一次溶液の溶媒に対する重合体濃度は、2.1重量%であった。
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 using the obtained spinning solution. Around the coagulation bath, there was a problem that the working environment concentration of AN was high, but the processability was good in both the yarn making process and the firing process, and the quality of the obtained carbon fiber precursor fiber and carbon fiber bundle was good. there were.
[Comparative Example 4]
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, and 0.2 part by weight of AIBN as a radical initiator were uniformly dissolved in 460 parts by weight of dimethyl sulfoxide, and this was put into a reaction vessel equipped with a reflux tube and a stirring blade. After replacing the space in the reaction vessel with nitrogen, the heat treatment was performed under the above polymerization condition A while stirring, and polymerization was performed by a solution polymerization method to obtain a PAN polymer solution. A spinning solution was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the PAN-based polymer solution was changed to the one obtained as described above and the polymer concentration was adjusted to 15% by weight. The obtained spinning solution was put into a heat-resistant pressure-resistant glass bottle, stoppered, and treated in an oven at 120 ° C. for 6 hours. The whole gelled and the gelation rate was the same even if the molecular weight distribution of the polymer changed. . Further, the amount of gel produced in the gel production amount test was so large that it could not be counted. In addition, an attempt was made to obtain a carbon fiber bundle using the obtained spinning solution in the same manner as in Example 1, but sampling failed due to frequent discharge failures and yarn breakage from the die during the yarn making process.
[Example 6]
100 parts by weight of AN, 0.3 part by weight of itaconic acid, 0.01 part by weight of 2,2′-azobisisobutylnitrile (hereinafter abbreviated as AIBN) as a radical initiator, and 200 parts by weight of dimethyl sulfoxide were mixed together. The reaction vessel was equipped with a reflux tube and a stirring blade. The space in the reaction vessel was purged with nitrogen until the oxygen concentration reached 1000 ppm, and then heat-treated under the following condition B while stirring and polymerized by a solution polymerization method to obtain a primary solution of a PAN-based polymer.
(1) Temperature increase from 30 ° C to 61 ° C (temperature increase rate 120 ° C / hour)
(2) Hold for 100 minutes at a temperature of 61 ° C. Next, in the reaction vessel, 0.7 parts by weight of itaconic acid, 10 parts by weight of dimethyl sulfoxide, 0.4 parts by weight of AIBN as a polymerization initiator, and as a chain transfer agent After 0.1 parts by weight of octyl mercaptan is metered in, the mixture is further heat-treated under the following conditions while stirring, and the remaining unreacted monomer is polymerized by a solution polymerization method to obtain a secondary solution of a PAN polymer. It was.
(2) Hold at 61 ° C. for 4 hours (3) Increase the temperature from 61 ° C. to 80 ° C. (Temperature increase rate: 10 ° C./hour)
(4) Hold for 6 hours at a temperature of 80 ° C. A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the PAN polymer solution was changed to the secondary solution obtained as described above. The obtained spinning solution was put into a heat-resistant pressure-resistant glass bottle, stoppered, and treated in an oven at 120 ° C. for 20 hours, whereby the whole gelled. In addition, the amount of gel produced in the gel production amount test was very small at six. In addition, the processability was good in both the yarn production process and the firing process, and the quality of the obtained carbon fiber precursor fiber and carbon fiber bundle was good.
[Example 7]
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, and 130 parts by weight of dimethyl sulfoxide were mixed and placed in a reaction vessel equipped with a reflux tube and a stirring blade. The space in the reaction vessel was purged with nitrogen until the oxygen concentration reached 100 ppm, and then 0.002 parts by weight of 2,2′-azobisisobutyronitrile (AIBN) was added as a radical initiator and stirred as follows. Was subjected to a heat treatment under the polymerization conditions D and polymerized by a solution polymerization method to obtain a primary solution of a PAN-based polymer.
Polymerization condition D
-Hold at 65 ° C for 2 hours-Decrease in temperature from 65 ° C to 30 ° C (Temperature drop rate: 120 ° C / hour)
The obtained primary solution was poured into water to precipitate a polymer, which was washed with warm water at 80 ° C. for 2 hours and then dried at 70 ° C. for 4 hours to obtain a dried polymer. Mz, Mw and Mn of the obtained dry polymer were 68,000, 5 million and 3.3 million, respectively, and the polymer concentration with respect to the solvent of the primary solution was 2.1% by weight.
次に、その一次溶液中に、ジメチルスルホキシド240重量部、ラジカル開始剤としてAIBN0.4重量部、および連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.1重量部を計量導入した後、さらに撹拌しながら下記の重合条件Eの熱処理を行い、残存する未反応単量体を溶液重合法により重合してPAN系重合体の二次溶液を得た。
重合条件E
(1)30℃から60℃へ昇温(昇温速度10℃/時間)
(2)60℃の温度で4時間保持
(3)60℃から80℃へ昇温(昇温速度10℃/時間)
(4)80℃の温度で6時間保持
PAN系重合体溶液を、以上のように得た二次溶液に変更した以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。得られた紡糸溶液は、耐熱耐圧ガラス瓶に入れ、栓をして120℃のオーブン中で20時間処理すると、全体がゲル化した。また、ゲル生成量の試験におけるゲルの生成量は8個と非常に少なかった。また、製糸工程・焼成工程ともに工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維前駆体繊維と炭素繊維束の品位は良好であった。
[実施例8]
強制ゲル化処理した後の紡糸溶液を、口金から吐出する前に、フィルター濾材に、平均線径2μmのSUS316L製金属繊維を用いて不織布に形成した濾過保証層目付400g/m2、充填率20%の濾過保証層に、平均線径5μmのSUS316L製金属繊維を用いて形成した不織布を重ねたのちに焼結し、さらに平均線径20μmのSUS316L製金属繊維を用いて形成した不織布を積層したものであって、濾過抵抗係数は20×10−5cm−1としたものを用いて濾過し、その後、平均線径20μmのSUS316製金属繊維を経糸に、平均線径13μmのSUS316製金属繊維を緯糸に用いて綾畳織のメッシュとしたのちに焼結し、濾過保証層目付220g/m2、充填率85%としたものであり、濾過抵抗係数7×10−5cm−1としたフィルター濾材にて再度濾過した以外は実施例7と同様にして炭素繊維束を得た。製糸工程・焼成工程ともに工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維前駆体繊維と炭素繊維束の品位は極めて良好であった。
Next, 240 parts by weight of dimethyl sulfoxide, 0.4 part by weight of AIBN as a radical initiator, and 0.1 part by weight of octyl mercaptan as a chain transfer agent were weighed and introduced into the primary solution, and then the following polymerization was conducted with stirring. A heat treatment under condition E was performed, and the remaining unreacted monomer was polymerized by a solution polymerization method to obtain a secondary solution of a PAN polymer.
Polymerization condition E
(1) Temperature increase from 30 ° C to 60 ° C (temperature increase rate 10 ° C / hour)
(2) Hold for 4 hours at a temperature of 60 ° C. (3) Increase the temperature from 60 ° C. to 80 ° C. (temperature increase rate: 10 ° C./hour)
(4) Hold for 6 hours at a temperature of 80 ° C. A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the PAN-based polymer solution was changed to the secondary solution obtained as described above. The obtained spinning solution was put into a heat-resistant pressure-resistant glass bottle, stoppered, and treated in an oven at 120 ° C. for 20 hours, whereby the whole gelled. In addition, the amount of gel produced in the gel production amount test was as small as 8 pieces. In addition, the processability was good in both the yarn production process and the firing process, and the quality of the obtained carbon fiber precursor fiber and carbon fiber bundle was good.
[Example 8]
Before discharging the spinning solution after the forced gelation treatment from the die, the filter filter medium is made of SUS316L metal fiber having an average wire diameter of 2 μm and is formed into a nonwoven fabric with a basis weight of 400 g / m 2 and a filling rate of 20 g. % Non-woven fabric formed using SUS316L metal fibers having an average wire diameter of 5 μm and then sintered, and further laminated with a nonwoven fabric formed using SUS316L metal fibers having an average wire diameter of 20 μm. The filtration resistance coefficient is 20 × 10 −5 cm −1, and the SUS316 metal fiber having an average wire diameter of 20 μm is used as a warp, and then the SUS316 metal fiber having an average wire diameter of 13 μm. Is used as a weft to form a twilled woven mesh and then sintered to have a filtration assurance layer basis weight of 220 g / m 2 and a filling rate of 85%, and a filtration resistance coefficient of 7 × 10 − A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 7 except that it was filtered again with a filter medium of 5 cm- 1 . The process passability was good in both the yarn making process and the firing process, and the quality of the obtained carbon fiber precursor fiber and carbon fiber bundle was extremely good.
上記した実施例および比較例におけるPAN系重合体の各種分子量、製糸での限界ドラフト倍率、および、得られた炭素繊維束の引張強度などの結果を、まとめて表1に示す。 Table 1 summarizes the results of various molecular weights of the PAN-based polymers in the above-described Examples and Comparative Examples, the limit draft magnification during yarn production, and the tensile strength of the obtained carbon fiber bundle.
Claims (6)
[a]ポリアクリロニトリル系重合体において、酸単量体に由来したカルボン酸基の水素イオンが、アンモニウムイオンおよびナトリウムイオンからなる群より選ばれる少なくとも1種のイオンにより含有カルボキシル基の0〜0.3等量置換される。
[b]紡糸溶液に、アルキル化剤を紡糸溶液の重量当たり0.01〜3重量%含む。
[c]紡糸溶液に、沸点が200℃以上である有機カルボン酸を紡糸溶液の重量当たり0.01〜3重量%含む。 A polyacrylonitrile system in which Mz / Mw, which is a ratio of the weight average molecular weight Mw and the Z average molecular weight Mz, obtained by copolymerizing at least one acid monomer selected from the group consisting of acrylic acid, methacrylic acid and itaconic acid is 2 or more Spinning in which the polymer is dissolved in a solvent, the content ratio of acrylonitrile is 0.001 to 0.1% by weight, and satisfies at least one requirement selected from the following [a] to [c] A method for producing a carbon fiber precursor fiber obtained by spinning a solution to obtain a coagulated yarn, and then washing with water to form a carbon fiber precursor fiber.
[A] In the polyacrylonitrile-based polymer, the hydrogen ion of the carboxylic acid group derived from the acid monomer is 0 to 0.00% of the contained carboxyl group by at least one ion selected from the group consisting of ammonium ion and sodium ion. 3 equivalents are replaced.
[B] The spinning solution contains 0.01 to 3% by weight of an alkylating agent based on the weight of the spinning solution.
[C] The spinning solution contains 0.01 to 3% by weight of an organic carboxylic acid having a boiling point of 200 ° C. or more based on the weight of the spinning solution.
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