JP5362627B2 - 炭素繊維前駆体繊維束、並びに炭素繊維とその製造方法 - Google Patents
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Description
該膨潤糸条を湿熱延伸する湿熱延伸工程;
該湿熱延伸された糸条を第一油浴槽に導いて第一油剤を付与し、次いで2本以上のガイドで一旦絞りを行った後、引き続き第二油浴槽で第二油剤を付与する油剤付与工程;
該第一および第二油剤が付与された糸条を、乾燥、緻密化および二次延伸してトータル延伸倍率を5倍以上10倍以下とされた小トウを得る小トウ製造工程;および
偏平矩形断面を有する糸道と、該糸道の小トウ同士が隣接する位置に開口し糸道の長手方向に延在する溝と、該偏平矩形の長辺方向に所定の間隔をおいて配された該糸道に開口する複数のエア噴出孔とを有する交絡付与装置に、該小トウを複数並列して隣接させて供給し、前記エア噴出孔からエアを噴出させることにより隣接する小トウ間の交絡を行って集合トウを得る集合トウ製造工程
を有する、炭素繊維前駆体繊維束の製造方法により得られる、単繊維繊度が0.7dtex以上1.3dtex以下、小トウの単繊維数が50,000以上150,000以下、集合トウの総単繊維数が100,000以上600,000以下である炭素繊維前駆体繊維束であって、
小トウ間がその幅方向の側端部が隣接した状態で交絡されており、10gの重りを使用したフックドロップ法による複数の小トウ間の交絡度が1m-1以下であり、捲縮が付与されない実質的にストレートな繊維からなり、容器への収納時及び前記容器から引き出して焼成工程に導入する際には1本の集合トウの形態を保持し、焼成工程にて同工程で発生する張力により複数の小トウに分割可能な幅方向の分割能を有する炭素繊維前駆体繊維束。
この交絡付与装置に前記小トウ内交絡工程を経た小トウを複数供給することにより、小トウ内の繊維が交絡された複数の小トウ間を交絡する2)記載の炭素繊維前駆体繊維束。
該膨潤糸条を湿熱延伸する湿熱延伸工程;
該湿熱延伸された糸条を第一油浴槽に導いて第一油剤を付与し、次いで2本以上のガイドで一旦絞りを行った後、引き続き第二油浴槽で第二油剤を付与する油剤付与工程;
該第一および第二油剤が付与された糸条を、乾燥、緻密化および二次延伸してトータル延伸倍率を5倍以上10倍以下とされた小トウを得る小トウ製造工程;および
偏平矩形断面を有する糸道と、該糸道の小トウ同士が隣接する位置に開口し糸道の長手方向に延在する溝と、該偏平矩形の長辺方向に所定の間隔をおいて配された該糸道に開口する複数のエア噴出孔とを有する交絡付与装置に、該小トウを複数並列して隣接させて供給し、前記エア噴出孔からエアを噴出させることにより隣接する小トウ間の交絡を行って集合トウを得る集合トウ製造工程
を有する、炭素繊維前駆体繊維束の製造方法によって、
単繊維繊度が0.7dtex以上1.3dtex以下、小トウの単繊維数が50,000以上150,000以下、集合トウの総単繊維数が100,000以上600,000以下である炭素繊維前駆体繊維束であって、
小トウ間が隣接した状態で交絡されており、10gの重りを使用したフックドロップ法による複数の小トウ間の交絡度が1m -1 以下であり、捲縮が付与されない実質的にストレートな繊維からなり、容器への収納時及び前記容器から引き出して焼成工程に導入する際には1本の集合トウの形態を保持し、焼成工程にて同工程で発生する張力により複数の小トウに分割可能な幅方向の分割能を有する炭素繊維前駆体繊維束を得る工程と、
該炭素繊維前駆体繊維束を一旦容器に収容する工程と、
該容器から炭素繊維前駆体繊維束を取り出して耐炎化工程に供給し、該耐炎化工程にて発生する張力により小トウに分割しながら焼成する焼成工程と
を有することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
単糸間接着の判定は、前駆体繊維束を約5mmにカットし100mLのアセトン中に分散させ100rpmで1分間攪拌後、黒色濾紙にて濾過し、単糸繊維の接着個数を測定することができる。
結晶領域サイズは以下のように測定することができる。すなわち、アクリロニトリル系前駆体繊維束を50mm長に切断し、これを30mg精秤採取し、試料繊維軸が正確に平行になるようにして引き揃えた後、試料調整用治具を用いて巾1mmの厚さが均一な繊維試料束に整える。この繊維試料束に酢酸ビニル/メタノール溶液を含浸させて形態が崩れないように固定した後、これを広角X線回折試料台に固定する。X線源として、リガク社製のCuKα線(Niフィルター使用)X線発生装置を用い、同じくリガク社製のゴニオメーターにより、透過法によってグラファイトの面指数(100)に相当する2θ=17°近傍の回折ピークをシンチレーションカウンターにより検出する。出力は40kV−100mAにて測定する。回折ピークにおける半値巾から下記の式を用いて、結晶領域サイズLaを求める。
La=Kλ/(β0cosθ)
(式中、Kはシェラー定数0.9、λは用いたX線の波長(ここではCuKα線を用いているので、1.5418Å)、θはBraggの回折角、β0は真の半値巾、β0=βE−β1(βEは見かけの半値巾、β1は装置定数であり、ここでは1.05×10-2rad)である。)。
単繊維自動引張強伸度測定機(オリエンテック社製、商品名:UTM II−20)を使用し、台紙に貼られた単繊維をロードセルのチャックに装着し、毎分20.0mmの速度で引っ張り試験を行い強伸度を測定することによって求められる。
単繊維の繊度斑(CV値)は以下のように測定することができる。すなわち、内径1mmの塩化ビニル樹脂製のチューブ内に測定用のアクリロニトリル系重合体の繊維を通した後、これをナイフで輪切りにして試料を準備する。ついで、該試料をアクリロニトリル系重合体の繊維断面が上を向くようにしてSEM試料台に接着し、さらにAuを約10nmの厚さにスパッタリングしてから、PHILIPS社製、商品名:XL20走査型電子顕微鏡により、加速電圧7.00kV、作動距離31mmの条件で繊維断面を観察し、単繊維の繊維断面積をランダムに300ヶ程度測定し、繊度を算出する。
CV値(%)=(標準偏差/平均繊度)×100
式中の標準偏差および平均繊度はそれぞれ上記繊度の標準偏差および平均である。
また、油剤の長さ方向による付着斑は、前駆体糸条の長さ方向に連続してN(サンプル数)=10でサンプリングを行い、理学電気工業(株)製の波長分散型蛍光X線分析装置(商品名:ZSXmini)を用いて測定を行い油剤付着斑を測定することができる。
膨潤状態にある繊維束の付着液を遠心分離機(3000rpm、15分)によって除去した後の質量wと、これを105℃×2時間の熱風乾燥機で乾燥した後の質量w0とにより、膨潤度(質量%)=(w−w0)×100/w0によって求めることができる。
ウエット状態にある炭素繊維前駆体の繊維束の質量wと、これを105℃×2時間の熱風乾燥機で乾燥した後の質量woとから、(w−wo)×100/woによって得られる値(質量%)である。
フックドロップ法により評価する。トウをその形態を崩さないようにして、その先端に10g/3000デニール(10g/330Tex)の荷重を掛け吊す。先から20mm直角に折り曲げられた直径1mmの針金に10gの重りを吊り下げ、重りをトウ間に引っ掛け自由落下させたときの落下長をXmとするとき、
交絡度=1/X
とする。測定は30回繰り返して行い、得られた30個の数値のうち中20点の平均値を用いる。
小トウ製造方法(I)
アクリロニトリル、アクリルアミド、メタクリル酸を、過硫酸アンモニウム−亜硫酸水素アンモニウムおよび硫酸鉄の存在下、水系懸濁重合により共重合し、アクリロニトリル単位/アクリルアミド/メタクリル酸単位=96/3/1(質量比)からなるアクリロニトリル系重合体を得た。このアクリロニトリル系重合体をジメチルアセトアミドに溶解し、21質量%の紡糸原液を調製した。
得られた炭素繊維前駆体繊維束12を容器15から引き出し、小トウに分割することなく耐炎化工程へ給糸し、70分間耐炎化処理し、さらに炭素化工程にて3分間の炭化処理を行った。容器からの炭素繊維前駆体繊維束の引出しに際しては一旦炭素繊維前駆体繊維束を上方へ引き上げてガイドバーを複数回通過させて小トウを引き揃えた。引き揃えられた炭素繊維前駆体繊維束を小トウに分割することなく耐炎化工程へ給糸した。
実施例1と同様にして得られたフィラメント数50,000の小トウ1に、図4に示すようにタッチロール16にてイオン交換水を付与した後、各小トウ1をそれぞれ単独で図2に示した第1交絡付与装置3に供給した。小トウ専用の第1交絡付与装置3の基本構造は、実施例1と同様のものであるが、糸道幅は実施例1の2倍である16mm、糸道高さは僅かに小さい2.5mm、糸道長さは同じ20mm、エア噴出孔5b,6bの開口径も同じ1mm、その配置ピッチを1.0mmとし、このときの供給エア圧力は実施例1の2倍である100kPa−Gとした。
実施例1と同様に、得られた炭素繊維前駆体繊維束12を容器15から引き出し、小トウに分割することなく耐炎化工程へ給糸し、70分間耐炎化処理し、さらに炭素化工程にて3分間の炭化処理を行った。この間、炭素繊維前駆体繊維束12の走行に用いたロールはすべてフラットなロールであり、表面に溝を有するロールなどにより小トウに分割したり、その形態の制御はまったく行わなかった。耐炎化工程中では反応の進行に伴い、特に分割ガイドなどを用いずとも自然に小トウへと分割した。炭化処理後に得られた炭素繊維は毛羽がなく品位の優れるものであった。また、得られた炭素繊維のストランド強度は4900Mpaであった。
図6に示すように、糸道21に連通する溝部22cおよび23cに複数のエア噴出孔22b,23bを形成するとともに、溝部以外の部分にはエア噴出孔が形成されていない以外は実施例2と同様の構造を備えた小トウ1間に交絡を付与する第2交絡付与装置24を使い、実施例2と同様にして3本の小トウが集合して1本のトウ形態を有した炭素繊維前駆体繊維束を得た。このようにして得られた1本の炭素繊維前駆体繊維束をギヤロール13に給糸して引き取り、そのままシュート14を介して容器15に振り込んだ。このときの容器収納後の含水率は4質量%であった。容器15に収納される際の炭素繊維前駆体繊維束12は、3本の小トウ1が集合して1本のトウ形態を有している。このときの炭素繊維前駆体繊維束12の容器収納後の水分率は2質量%であった。得られたトウには容器15に振り込む際に用いたギヤロール13によりウエーブが付与されたが、ウエーブの山と隣接する山との間隔は25mmであった。またこのようにして得られた炭素繊維前駆体繊維束12の交絡度を評価したが、1m-1未満となった(試長1mで実施し、10gの荷重はいずれも1m以上落下したため、測定不可能であった。)。
隣接する小トウ間の交絡を付与する第2交絡付与装置として、図7に示す構造の交絡付与装置25を用いた以外は実施例3と同様の交絡手順にて炭素繊維前駆体繊維束12を容器15に振り込んだ。第2交絡付与装置25は、偏平矩形断面の糸道26の3本の小トウ1が隣接する部位の上下に、断面が半円形であってその直径が6mmであり、その溝の深さは3mmの溝部27cおよび28cが形成されている以外は実施例3(図6)の交絡付与装置と同様であり、実施例3と同様に複数のエア噴出孔27bおよび28bからエアを噴出して小トウ間の交絡を行った。
実施例4においてギヤロール13の替わりにフラットな表面を持つニップロールを用いるほかは、実施例4と同様にして炭素繊維前駆体繊維束を容器15に振り込んだ。その後は、実施例4(実施例1)と同様にして炭素繊維ストランドを得た。
トータル延伸倍率を9倍にしたほかは実施例1と同様にして炭素繊維ストランドを得た。
ノズル孔径75μm、トータル延伸倍率を9倍にしたほかは実施例1と同様にして炭素繊維ストランドを得た。
小トウ製造方法(I)で得られた小トウを用い、実施例1と同様に小トウ内に交絡を付与し、このようにして得られた小トウ3本を不図示の捲縮付与装置に供給し、捲縮により集束した。集束したトウは実施例1と同様に容器の中に収納した。
2:スプレー
3:第1交絡付与装置
4、9、20、21、26:糸道
5:上ノズル
6:下ノズル
5a、6a、10a、11a:圧縮エア導入部
5b、6b、10b、11b、18b、19b、22b、23b、27b、28b:エア噴出孔
7:駆動ロール
8、17、24、25:第2交絡付与装置
12:集合トウ
13:ギヤーロール
14:シュート
15:容器
16:タッチロール
18c、19c、22c、23c、27c、28c:溝
30:溝角部のアール
Claims (5)
- アクリロニトリル系重合体の有機溶剤溶液を、ジメチルアセトアミド水溶液中に、ノズル口径が45μm以上75μm以下で孔数が50,000以上の紡糸ノズルから、凝固糸引き取り速度/吐出線速度比が0.8以下で吐出して膨潤糸条とする凝固工程;
該膨潤糸条を湿熱延伸する湿熱延伸工程;
該湿熱延伸された糸条を第一油浴槽に導いて第一油剤を付与し、次いで2本以上のガイドで一旦絞りを行った後、引き続き第二油浴槽で第二油剤を付与する油剤付与工程;
該第一および第二油剤が付与された糸条を、乾燥、緻密化および二次延伸してトータル延伸倍率を5倍以上10倍以下とされた小トウを得る小トウ製造工程;および
偏平矩形断面を有する糸道と、該糸道の小トウ同士が隣接する位置に開口し糸道の長手方向に延在する溝と、該偏平矩形の長辺方向に所定の間隔をおいて配された該糸道に開口する複数のエア噴出孔とを有する交絡付与装置に、該小トウを複数並列して隣接させて供給し、前記エア噴出孔からエアを噴出させることにより隣接する小トウ間の交絡を行って集合トウを得る集合トウ製造工程
を有する、炭素繊維前駆体繊維束の製造方法により得られる、単繊維繊度が0.7dtex以上1.3dtex以下、小トウの単繊維数が50,000以上150,000以下、集合トウの総単繊維数が100,000以上600,000以下である炭素繊維前駆体繊維束であって、
小トウ間がその幅方向の側端部が隣接した状態で交絡されており、10gの重りを使用したフックドロップ法による複数の小トウ間の交絡度が1m-1以下であり、捲縮が付与されない実質的にストレートな繊維からなり、容器への収納時及び前記容器から引き出して焼成工程に導入する際には1本の集合トウの形態を保持し、焼成工程にて同工程で発生する張力により複数の小トウに分割可能な幅方向の分割能を有する炭素繊維前駆体繊維束。 - さらに、前記集合トウ製造工程において用いる交絡付与装置とは別の、円形断面又は矩形断面を有する糸道とこの糸道に開口するエア噴出孔とを有する交絡付与装置に前記小トウを通し、このエア噴出孔からエアを噴出させることにより、該小トウ内の単繊維同士の交絡を付与する小トウ内交絡工程を、前記集合トウ製造工程の前に有する請求項1記載の炭素繊維前駆体繊維束。
- 前記集合トウ製造工程において、前記小トウ内の単繊維同士の交絡を行う請求項1記載の炭素繊維前駆体繊維束。
- 前記集合トウ製造工程において用いる交絡付与装置が、エア噴出孔が該溝部にのみ開口する装置であって、
この交絡付与装置に前記小トウ内交絡工程を経た小トウを複数供給することにより、小トウ内の繊維が交絡された複数の小トウ間を交絡する請求項2記載の炭素繊維前駆体繊維束。 - アクリロニトリル系重合体の有機溶剤溶液を、ジメチルアセトアミド水溶液中に、ノズル口径が45μm以上75μm以下で孔数が50,000以上の紡糸ノズルから、凝固糸引き取り速度/吐出線速度比が0.8以下で吐出して膨潤糸条とする凝固工程;
該膨潤糸条を湿熱延伸する湿熱延伸工程;
該湿熱延伸された糸条を第一油浴槽に導いて第一油剤を付与し、次いで2本以上のガイドで一旦絞りを行った後、引き続き第二油浴槽で第二油剤を付与する油剤付与工程;
該第一および第二油剤が付与された糸条を、乾燥、緻密化および二次延伸してトータル延伸倍率を5倍以上10倍以下とされた小トウを得る小トウ製造工程;および
偏平矩形断面を有する糸道と、該糸道の小トウ同士が隣接する位置に開口し糸道の長手方向に延在する溝と、該偏平矩形の長辺方向に所定の間隔をおいて配された該糸道に開口する複数のエア噴出孔とを有する交絡付与装置に、該小トウを複数並列して隣接させて供給し、前記エア噴出孔からエアを噴出させることにより隣接する小トウ間の交絡を行って集合トウを得る集合トウ製造工程
を有する、炭素繊維前駆体繊維束の製造方法によって、
単繊維繊度が0.7dtex以上1.3dtex以下、小トウの単繊維数が50,000以上150,000以下、集合トウの総単繊維数が100,000以上600,000以下である炭素繊維前駆体繊維束であって、
小トウ間が隣接した状態で交絡されており、10gの重りを使用したフックドロップ法による複数の小トウ間の交絡度が1m-1以下であり、捲縮が付与されない実質的にストレートな繊維からなり、容器への収納時及び前記容器から引き出して焼成工程に導入する際には1本の集合トウの形態を保持し、焼成工程にて同工程で発生する張力により複数の小トウに分割可能な幅方向の分割能を有する炭素繊維前駆体繊維束を得る工程と、
該炭素繊維前駆体繊維束を一旦容器に収容する工程と、
該容器から炭素繊維前駆体繊維束を取り出して耐炎化工程に供給し、該耐炎化工程にて発生する張力により小トウに分割しながら焼成する焼成工程と
を有することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
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JP2004037410 | 2004-02-13 | ||
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