JP5434187B2 - Polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle and method for producing the same - Google Patents

Polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle and method for producing the same Download PDF

Info

Publication number
JP5434187B2
JP5434187B2 JP2009076111A JP2009076111A JP5434187B2 JP 5434187 B2 JP5434187 B2 JP 5434187B2 JP 2009076111 A JP2009076111 A JP 2009076111A JP 2009076111 A JP2009076111 A JP 2009076111A JP 5434187 B2 JP5434187 B2 JP 5434187B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon fiber
fiber bundle
polyacrylonitrile
pan
fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2009076111A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2010229578A (en
Inventor
文彦 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toray Industries Inc filed Critical Toray Industries Inc
Priority to JP2009076111A priority Critical patent/JP5434187B2/en
Publication of JP2010229578A publication Critical patent/JP2010229578A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5434187B2 publication Critical patent/JP5434187B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Artificial Filaments (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)

Description

本発明は、ポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束およびその製造方法、並びにその連続炭素繊維束を製造するためのポリアクリロニトリル系炭素繊維用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 polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle and a method for producing the same, and a method for producing a precursor fiber for polyacrylonitrile-based carbon fiber for producing the continuous carbon fiber bundle.

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、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、複合材料の耐衝撃特性を高めることで材料としての信頼性を高めることが要望されている。特に、航空用途においては雹や工具による衝撃から機体を守るため、ガラス繊維を炭素繊維複合材料表層に貼り付けていることがあるが、ガラス繊維の比重が2.2g/cmと重く、複合材料としての更なる軽量化と高性能化が望まれている。 Carbon fiber has higher specific strength and specific modulus than other fibers, so as a reinforcing fiber for composite materials, in addition to conventional sports and aerospace applications, automobiles, civil engineering / architecture, pressure vessels and Widely deployed in general industrial applications such as windmill blades, it is desired to improve the reliability of the material by improving the impact resistance of the composite material. In particular, in aeronautical applications, glass fibers may be attached to the surface of carbon fiber composite material to protect the aircraft from impacts caused by dredging and tools, but the specific gravity of glass fiber is as heavy as 2.2 g / cm 3. Further weight reduction and high performance as a material are desired.

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、PAN系重合体溶液を湿式紡糸、乾式紡糸または乾湿式紡糸してその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、それを少なくとも1,100℃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。   Among the carbon fibers, the most widely used polyacrylonitrile (hereinafter sometimes referred to as PAN) carbon fiber is a precursor obtained by wet-spinning, dry-spinning or dry-wet spinning of a PAN-based polymer solution. After obtaining the body fiber, it is heated in an oxidizing atmosphere at a temperature of 200-400 ° C. to convert to a flame-resistant fiber, which is heated in an inert atmosphere at a temperature of at least 1,100 ° C. By industrializing, it is manufactured industrially.

従来、炭化処理における最高温度(以下、炭素化温度と略記することがある。)を1000℃以下に低くすることにより、通常、1100℃以上の炭素化温度で引張弾性率が200GPa以上を有している炭素繊維を、引張弾性率が向上する前に炭素化を中断した炭素化が不十分な繊維とすることで引張弾性率が176GPa以上の物性を得る技術(特許文献1参照。)、また、引張弾性率が127〜176GPaの物性を得る技術(特許文献2参照。)が提案されている。しかしながら、これらの提案は、炭素化が不十分であるため、比重が低く、親水性の高い官能基を多く含んでいることから、飽和吸水率が大きく、複合材料とした際の性能に問題が生じ、航空機用途としては致命的であった。   Conventionally, by lowering the maximum temperature in carbonization treatment (hereinafter sometimes abbreviated as carbonization temperature) to 1000 ° C. or less, the tensile modulus is usually 200 GPa or more at a carbonization temperature of 1100 ° C. or more. A technique for obtaining physical properties with a tensile elastic modulus of 176 GPa or more by making the carbon fiber into a fiber with insufficient carbonization in which carbonization is interrupted before the tensile elastic modulus is improved (see Patent Document 1). A technique (see Patent Document 2) for obtaining physical properties of a tensile elastic modulus of 127 to 176 GPa has been proposed. However, these proposals have insufficient carbonization, and therefore have a low specific gravity and a large amount of highly hydrophilic functional groups. Therefore, the saturated water absorption is large, and there is a problem in performance when a composite material is obtained. It was fatal for aircraft use.

飽和吸水率を問題ないレベルに低下させるためには、炭素化温度を高めることが必要であるが、従来知られたPAN系前駆体繊維を用いた場合には、炭素化温度以外に引張弾性率に寄与の大きい焼成張力を無緊張状態としてでも、引張弾性率は180〜220GPaとなるものであった(特許文献3参照。)。   In order to reduce the saturated water absorption rate to a level where there is no problem, it is necessary to increase the carbonization temperature. However, when a conventionally known PAN-based precursor fiber is used, a tensile modulus other than the carbonization temperature is used. Even when the firing tension that greatly contributes to the tension is in an unstrained state, the tensile elastic modulus was 180 to 220 GPa (see Patent Document 3).

前駆体物質にPAN以外のもの、具体的には芳香族スルホン酸誘導体を用いることにより引張弾性率を34〜98GPaとする提案があったが(特許文献4参照。)、この提案では、グラファイト構造の002回折線を示さないほど結晶構造を有さないため、繊維軸方向だけでなく、不要な方向まで強化していることとなり、コストパフォーマンスが低下する。   There has been a proposal that the tensile modulus is 34 to 98 GPa by using a precursor material other than PAN, specifically, an aromatic sulfonic acid derivative (see Patent Document 4). Therefore, not only the fiber axis direction but also the unnecessary direction is strengthened, and the cost performance is lowered.

その他にも、前駆体物質にPAN以外で広く利用されている等方性ピッチを用いたものが提案されている(特許文献5参照。)が、この提案では、原料が等方性であるため、炭素繊維の結晶配向度が60%前後と低く、繊維軸方向だけでなく、不要な方向まで強化していることとなり、コストパフォーマンスが低下する。また、元素分析から求められる元素比としては99%以上炭素であり、窒素原子が少ないため、窒素原子の有することでの構造の乱れによる圧縮強度の向上や複合材料用樹脂との接着力制御範囲が小さいものであり、必要な材料特性が得られなかった。また、ピッチに対してPANは、供給の安定性と原料特性の安定性に優れるため、航空機用途にはピッチ原料は用いることができなかった。さらに、原料および紡糸工程の不安定性および、特殊な耐炎化雰囲気での焼成によりピッチ系炭素繊維では単繊維強度分布が低弾性率炭素繊維の割には大きいものであり、複合材料の信頼性が不足するものであった。   In addition, a material using an isotropic pitch widely used other than PAN as a precursor material has been proposed (see Patent Document 5). However, in this proposal, the raw material is isotropic. The degree of crystal orientation of the carbon fiber is as low as around 60%, and it is strengthened not only in the fiber axis direction but also in an unnecessary direction, and the cost performance is lowered. In addition, the element ratio obtained from elemental analysis is 99% or more carbon, and since there are few nitrogen atoms, the compression strength is improved due to the disorder of the structure due to the presence of nitrogen atoms, and the adhesive strength control range with the resin for composite materials The required material properties could not be obtained. Moreover, since PAN is excellent in stability of supply and raw material characteristics with respect to pitch, pitch raw materials could not be used for aircraft applications. Furthermore, due to the instability of raw materials and spinning process and the firing in a special flame-resistant atmosphere, pitch-based carbon fibers have a large single fiber strength distribution compared to low elastic modulus carbon fibers, which makes the composite material reliable. It was lacking.

また、炭素繊維以外の有機繊維でも、引張弾性率が70〜140GPaを満足するものもあるが、その構造および物性安定性と圧縮強度の高さから炭素繊維が最も適している。   Some organic fibers other than carbon fibers satisfy a tensile modulus of 70 to 140 GPa, but carbon fibers are most suitable because of their structural and physical stability and high compressive strength.

本発明者らは、従来技術の有する上記問題点に鑑み、高性能な炭素繊維およびそれを生産性よく効率的に得ることに関して鋭意検討の結果、本発明に達した。   In view of the above-mentioned problems of the prior art, the present inventors have reached the present invention as a result of intensive studies on obtaining high-performance carbon fibers and obtaining them efficiently with high productivity.

特開昭61−9717号公報JP 61-9717 A 特開昭62−265329号公報JP-A 62-265329 特開昭2005−256211公報JP-A-2005-256221 特開平06−173122号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-173122 特許第3090868号公報Japanese Patent No. 3090868

そこで本発明の目的は、航空機1次構造材の炭素繊維複合材料の耐衝撃特性を向上する表層材として有用な、低引張弾性率であって、破断伸度が高く、飽和吸水率が低く、かつ、窒素原子を少量有し、グラファイト微細結晶構造が特定の配向構造を有したPAN系連続炭素繊維束を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is a low tensile elastic modulus useful as a surface layer material for improving the impact resistance of the carbon fiber composite material of the aircraft primary structure material, which has a high elongation at break and a low saturated water absorption rate. Another object of the present invention is to provide a PAN-based continuous carbon fiber bundle having a small amount of nitrogen atoms and a graphite fine crystal structure having a specific orientation structure.

また、本発明の他の目的は、上記の高品位なPAN系連続炭素繊維束を大量に安定して製造することができる方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a method capable of stably producing a high-quality PAN-based continuous carbon fiber bundle in a large amount.

上記の目的を達成するために、本発明のPAN系連続炭素繊維束は次の構成を有するものである。   In order to achieve the above object, the PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention has the following configuration.

すなわち、本発明のポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束は、ストランド引張弾性率が70〜140GPaであり、破断伸度が1.3〜3%であり、飽和吸水率が0〜0.4重量%であるポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束であって、元素分析から求められる窒素含有量が1〜5%であり、X線回折測定による002回折線から求められるC軸の結晶子サイズが1.3〜2.0nmであって、002面の結晶配向度が75〜80%であるポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束である。   That is, the polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle of the present invention has a strand tensile modulus of 70 to 140 GPa, a break elongation of 1.3 to 3%, and a saturated water absorption of 0 to 0.4% by weight. A polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle having a nitrogen content of 1 to 5% obtained from elemental analysis and a C-axis crystallite size of 1.3 to 3 obtained from a 002 diffraction line by X-ray diffraction measurement It is a polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle having a crystal orientation degree of 2.0 to 80% and a 002 plane crystal orientation of 75 to 80%.

本発明のポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束の好ましい態様によれば、前記のPAN系連続炭素繊維束を構成する単繊維の表面積比は1.02〜1.2である。   According to a preferred embodiment of the polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle of the present invention, the surface area ratio of the single fibers constituting the PAN-based continuous carbon fiber bundle is 1.02 to 1.2.

本発明のポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束の好ましい態様によれば、前記のPAN系連続炭素繊維束を構成する単繊維の繊維断面の長径と短径との比(長径/短径)は1.05〜1.6である。   According to a preferred embodiment of the polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle of the present invention, the ratio of the major axis to the minor axis (major axis / minor axis) of the fiber cross section of the single fiber constituting the PAN-based continuous carbon fiber bundle is 1. It is 05-1.6.

本発明のポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束の好ましい態様によれば、前記のPAN系連続炭素繊維束のフィラメント数は1000〜6000本であって、単繊維径は7〜11μmである。   According to a preferred embodiment of the polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle of the present invention, the number of filaments of the PAN-based continuous carbon fiber bundle is 1000 to 6000, and the single fiber diameter is 7 to 11 μm.

本発明のポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束の好ましい態様によれば、前記のPAN系連続炭素繊維束の単繊維引張強度のワイブル形状係数m”は7〜10であり、1直線近似したワイブルプロットの相関係数の二乗Rは0.92〜1である。 According to a preferred aspect of the polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle of the present invention, the Weibull shape factor m ″ of the single fiber tensile strength of the PAN-based continuous carbon fiber bundle is 7-10, The square R 2 of the correlation coefficient is 0.92-1.

また、ポリアクリロニトリル系炭素繊維用前駆体繊維束の製造方法は、重量平均分子量Mwが10万〜100万であり、多分散度Mz/Mw(Mzは、Z平均分子量を表す。)が2.7〜6であるポリアクリロニトリル系重合体を溶媒に溶解して重合体濃度が6〜25重量%にしてなる重合体溶液を、平均孔径が0.10〜0.26mmの紡糸口金から、該重合体溶液の紡糸ドラフトが12〜50の範囲となるように設定制御にして吐出巻き取り、紡糸して、乾湿式紡糸し、乾燥させた凝固糸の単繊維繊度が1.4〜2.3dtexの凝固糸を得、次いで該凝固糸を延伸倍率1〜1.9倍で延伸して単繊維繊度が1.2〜1.8dtexの延伸糸とすることを特徴とするポリアクリロニトリル系炭素繊維用前駆体繊維束の製造方法である。   Moreover, the manufacturing method of the precursor fiber bundle for polyacrylonitrile-based carbon fibers has a weight average molecular weight Mw of 100,000 to 1,000,000 and a polydispersity Mz / Mw (Mz represents a Z average molecular weight). A polymer solution prepared by dissolving a polyacrylonitrile polymer of 7 to 6 in a solvent to a polymer concentration of 6 to 25% by weight is transferred from the spinneret having an average pore diameter of 0.10 to 0.26 mm. The spun draft of the coalesced solution is controlled so that the spinning draft is in the range of 12 to 50, and the single fiber fineness of the coagulated yarn is 1.4 to 2.3 dtex. A polyacrylonitrile-based carbon fiber precursor obtained by obtaining a coagulated yarn and then drawing the coagulated yarn at a draw ratio of 1 to 1.9 to obtain a drawn yarn having a single fiber fineness of 1.2 to 1.8 dtex. It is a manufacturing method of a body fiber bundle.

本発明のポリアクリロニトリル系炭素繊維用前駆体繊維束の製造方法の好ましい態様によれば、前記の凝固糸の引き取り速度は20〜200m/分である。   According to a preferred embodiment of the method for producing a precursor fiber bundle for polyacrylonitrile-based carbon fiber of the present invention, the take-up speed of the coagulated yarn is 20 to 200 m / min.

また、本発明のポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束の製造方法は、前記のPAN系炭素繊維用前駆体繊維束の製造方法によって得られたPAN系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1,100〜3,000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化処理するに際し、単繊維当たり最大張力を10〜100mgにするポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束の製造方法である。   Moreover, the manufacturing method of the polyacrylonitrile type | system | group continuous carbon fiber bundle of this invention is 200-300 degreeC, using the precursor fiber for PAN type carbon fibers obtained by the manufacturing method of the precursor fiber bundle for said PAN type carbon fibers. Flameproofing treatment in air at a temperature, followed by preliminary carbonization treatment in an inert atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C., and then carbonization treatment in an inert atmosphere at a temperature of 1,100 to 3,000 ° C., This is a method for producing a polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle having a maximum tension of 10 to 100 mg per single fiber.

本発明によれば、航空機1次構造材の炭素繊維複合材料の耐衝撃特性を向上する表層材として有用な、低引張弾性率であって、引張・圧縮・曲げ破断伸度が高く、飽和吸水率が低く、かつ、グラファイト微細結晶構造が特定の配向構造を有したPAN系連続炭素繊維束を得ることができる。また、そのようなPAN系連続炭素繊維束を大量に安定して製造することができる。   According to the present invention, it is useful as a surface layer material for improving the impact resistance of the carbon fiber composite material of the aircraft primary structure material, has a low tensile elastic modulus, high tensile / compression / bending fracture elongation, and saturated water absorption. A PAN-based continuous carbon fiber bundle having a low rate and a graphite fine crystal structure having a specific orientation structure can be obtained. In addition, such a PAN-based continuous carbon fiber bundle can be stably produced in a large amount.

まず、本発明のPAN系連続炭素繊維束を得るために好適な製造方法について説明する。   First, a production method suitable for obtaining the PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention will be described.

炭素繊維には、大きく分けてPANを原料とするものとピッチを原料とするものに大別されるが、原料の品質安定性および原料の製造エネルギー低減の観点から、PANを原料とすることが好ましい。本発明者らは、特定の分子量分布を有するPAN系重合体を用いることによって、優れた可紡性を与える炭素繊維前駆体繊維の製造技術を既に提案している(特願2007―269822号)が、この提案技術を応用することにより本発明のPAN系連続炭素繊維束を好適に得ることができる。   Carbon fibers are broadly divided into those using PAN as a raw material and those using pitch as a raw material. From the viewpoint of quality stability of raw materials and reduction of manufacturing energy of raw materials, PAN may be used as raw materials. preferable. The present inventors have already proposed a technique for producing a carbon fiber precursor fiber that gives excellent spinnability by using a PAN-based polymer having a specific molecular weight distribution (Japanese Patent Application No. 2007-269822). However, by applying this proposed technique, the PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention can be suitably obtained.

具体的には、特定のPAN系重合体溶液を後述する紡糸ドラフトを特定の範囲に制御し、凝固糸の単繊維繊度を特定の範囲に制御することにより、生産性を損なうことなく従来にはなかった低配向度な炭素繊維用前駆体繊維を製造することができることを見出し、本発明に到達した。具体的に本発明では、特定のPAN系重合体溶液を用い、紡糸ドラフトを特定範囲にすることにより、製糸工程の初期に分子配向させることなく延伸をほぼ終了させることができ、簡略な工程で毛羽立ちのない低配向度のPAN系炭素繊維前駆体繊維を生産性よく製造することができるのである。その結果として、低引張弾性率、かつ破断伸度が高く、低飽和吸水率の炭素繊維を得ることができるのである。   Specifically, a specific PAN-based polymer solution is controlled to a specific range within a spinning draft described later, and the single fiber fineness of the coagulated yarn is controlled within a specific range so that productivity is not impaired. The present inventors have found that a precursor fiber for carbon fiber having a low degree of orientation could be produced, and reached the present invention. Specifically, in the present invention, by using a specific PAN-based polymer solution and setting the spinning draft within a specific range, stretching can be almost completed without molecular orientation at the initial stage of the spinning process. It is possible to produce a PAN-based carbon fiber precursor fiber having a low orientation degree without fuzzing with high productivity. As a result, a carbon fiber having a low tensile elastic modulus, a high elongation at break and a low saturated water absorption can be obtained.

本発明のPAN系炭素繊維用前駆体繊維束の製造方法は、また、ポリアクリロニトリル系炭素繊維用前駆体繊維束の製造方法は、重量平均分子量Mwが10万〜100万であり、多分散度Mz/Mw(Mzは、Z平均分子量を表す。)が2.7〜6であるポリアクリロニトリル系重合体を溶媒に溶解して重合体濃度が6〜25重量%にしてなる重合体溶液を、平均孔径が0.10〜0.26mmの紡糸口金から、該重合体溶液の紡糸ドラフトが12〜50の範囲となるように設定制御にして吐出巻き取り、紡糸して、乾湿式紡糸し、乾燥させた凝固糸の単繊維繊度が1.4〜2.3dtexの凝固糸を得、次いで該凝固糸を延伸倍率1〜1.9倍で延伸して単繊維繊度が1.2〜1.8dtexの延伸糸とすることを特徴とするものである。   The method for producing a precursor fiber bundle for a PAN-based carbon fiber according to the present invention and the method for producing a precursor fiber bundle for a polyacrylonitrile-based carbon fiber have a weight average molecular weight Mw of 100,000 to 1,000,000, and polydispersity A polymer solution obtained by dissolving a polyacrylonitrile polymer having Mz / Mw (Mz represents a Z average molecular weight) of 2.7 to 6 in a solvent to a polymer concentration of 6 to 25% by weight, From a spinneret having an average pore diameter of 0.10 to 0.26 mm, the winding and discharging of the polymer solution are controlled so that the spinning draft of the polymer solution is in the range of 12 to 50, and spinning, dry and wet spinning, and drying are performed. A coagulated yarn having a single fiber fineness of 1.4 to 2.3 dtex was obtained, and the coagulated yarn was drawn at a draw ratio of 1 to 1.9 times to obtain a single fiber fineness of 1.2 to 1.8 dtex. It is characterized by using the drawn yarn.

まず、本発明で好適に用いられるPAN系重合体について説明する。本発明で用いられるPAN系重合体は、重量平均分子量Mwが10万〜100万であり、好ましくは20万〜65万であり、より好ましくは30〜50万である。また、この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が2.7〜6であり、好ましくは3〜6であり、より好ましくは4〜6である。   First, the PAN polymer suitably used in the present invention will be described. The PAN-based polymer used in the present invention has 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. The PAN-based polymer has a polydispersity Mz / Mw represented by a ratio of the Z average molecular weight Mz to Mw of 2.7 to 6, preferably 3 to 6, more preferably 4 to 6 It is.

本発明において、上記の各種平均分子量は、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。   In the present invention, the above various average molecular weights are measured by a gel permeation chromatograph (hereinafter abbreviated as GPC) method, and are obtained as polystyrene converted values.

上記の多分散度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。分子量分布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、多分散度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。   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. When the molecular weight distribution Mw / Mn is 1, it is monodispersed, and as the molecular weight distribution increases, the molecular weight distribution becomes broader around the low molecular weight side, whereas as the polydispersity Mz / Mw increases, the molecular weight The distribution is broad around the high molecular weight side.

上記のように、分子量分布Mw/Mnと多分散度Mz/Mwの示すところが異なるため、Mw/Mnが大きくても、Mz/Mwが必ずしも2.7以上になるということではない。   As described above, since the molecular weight distribution Mw / Mn and the polydispersity Mz / Mw are different, even if Mw / Mn is large, Mz / Mw is not necessarily 2.7 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.

多分散度Mz/Mwが大きいほど好ましく、Mz/Mwが2.7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、重量平均分子量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。   The higher the polydispersity Mz / Mw, the better. When Mz / Mw is less than 2.7, the strain hardening is weak and the discharge stability of the PAN polymer is insufficiently improved. Further, when the weight average molecular weight Mw is less than 100,000, the strength of the precursor fiber is insufficient, and when Mw is more than 1,000,000, ejection becomes difficult.

また、分子量分布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、Mw/Mnは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、水系懸濁や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。   Further, the smaller the molecular weight distribution Mw / Mn, the smaller the content of low molecular components that are likely to be structural defects of the carbon fiber. Therefore, the smaller the Mw / Mn is, the smaller the Mw / Mw is. 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 is on the low molecular weight side. Since the skirt is pulled, Mw / Mn is 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.

GPC法の測定においては、高分子量まで精度良く測定するために、溶出時間の希釈濃度依存性のない(すなわち、粘度変化が少ない)程度まで希薄とし、検出感度を得るためになるべく多くの注入量とし、広い分子量分布に対応するように、溶媒の流速とカラムの選択を行うべきである。カラムの排除限界分子量は少なくとも1000万以上であり、ピークがテーリングすることがないように設定する。通常、希釈濃度は0.1wt/vol%とし、注入量は20μLと200μLの2種の条件で測定し、データが異なる場合には、注入量200μLの条件のデータを採るものとする。   In the measurement of GPC method, in order to accurately measure even the high molecular weight, dilute the elution time to the extent that it does not depend on the dilution concentration (that is, the viscosity change is small), and increase the injection amount as much as possible to obtain detection sensitivity. And the solvent flow rate and column selection should be made to accommodate a wide molecular weight distribution. The exclusion limit molecular weight of the column is at least 10 million or more, and is set so that the peak does not tail. Usually, the dilution concentration is 0.1 wt / vol%, the injection volume is measured under two conditions of 20 μL and 200 μL, and if the data are different, the data of the injection volume of 200 μL is taken.

本発明で用いられるPAN系重合体は、重量平均分子量Mwが異なる2種のポリアクリロニトリル系重合体(A成分、B成分と記す。)を混合する方法により得ることができる。本発明において混合するとは、最終的に、A成分とB成分の混合物を得ることを言い、具体的な混合方法については後述するが、それぞれの単一成分のものを混合することに限定されない。   The PAN polymer used in the present invention can be obtained by a method of mixing two kinds of polyacrylonitrile polymers (referred to as component A and component B) having different weight average molecular weights Mw. In the present invention, mixing means to finally obtain a mixture of the A component and the B component, and a specific mixing method will be described later, but is not limited to mixing each single component.

まず、混合する2種のポリアクリロニトリル系重合体について説明する。重量平均分子量Mwの大きいポリアクリロニトリル系重合体をA成分とし、重量平均分子量Mwの小さいポリアクリロニトリル系重合体を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15万〜100万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多分散度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ることから、多分散度Mz/Mwは6以下とすることが好ましい。   First, two types of polyacrylonitrile polymers to be mixed will be described. When a polyacrylonitrile polymer having a large weight average molecular weight Mw is A component and a polyacrylonitrile polymer having a small weight average molecular weight Mw is B component, the Mw of the A component is preferably 1,000,000 to 15 million, more preferably Is 1 million to 5 million, and the Mw of the B component is preferably 150,000 to 1 million. This is a preferred embodiment because the polydispersity Mz / Mw of the mixed polymer tends to increase as the difference between the Mw of the A component and the B component increases, but when the Mw of the A component is greater than 15 million, A The productivity of the component may decrease, and when the Mw of the B component is less than 150,000, the strength of the precursor fiber may be insufficient. Therefore, the polydispersity Mz / Mw is preferably 6 or less. .

本発明で用いられるPAN系重合体においては、具体的には、上記のA成分とB成分の重量平均分子量比は、2〜45であることが好ましく、より好ましくは4〜20であり、さらに好ましくは5〜15である。   In the PAN-based polymer used in the present invention, specifically, the weight average molecular weight ratio of the above component A and component B is preferably 2 to 45, more preferably 4 to 20, Preferably it is 5-15.

また、A成分/B成分の重量比は、0.001〜0.3であることが好ましく、より好ましくは0.005〜0.2であり、更に好ましくは0.01〜0.1である。A成分とB成分の重量比が0.001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。   Moreover, it is preferable that the weight ratio of A component / B component is 0.001-0.3, More preferably, it is 0.005-0.2, More preferably, it is 0.01-0.1. . When the weight ratio of the A component and the B component is less than 0.001, 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.

Mwと重量比は、GPCにより測定された分子量の分布のピークをショルダーやピーク部分でピーク分割し、それぞれのピークのMwおよびピークの面積比を算出することにより測定される。   Mw and weight ratio are measured by dividing the peak of the molecular weight distribution measured by GPC into shoulders and peak parts and calculating the Mw and peak area ratio of each peak.

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。また、共重合不可能な単量体としては、架橋構造を形成することに寄与するものであり、共有結合による架橋構造を形成するものとして、(メタ)アクリロイル基などの複数個の炭素−炭素二重結合を有する単量体や、水素結合による架橋構造を形成するものとして、末端に水酸基を有する単量体、イオン結合による架橋構造を形成するものとして、カルボン酸基を有する単量体と2価以上の金属イオンの混合物、カルボン酸基とアミノ基をそれぞれ有する単量体の混合物が挙げられる。架橋構造を有していると紡糸張力が高く、特に紡糸ドラフトが高いときに顕著となり、結晶配向度が高まるため必要とされる低結晶配向度の前駆体繊維を得ることができない。   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. In addition, as a monomer that cannot be copolymerized, it contributes to the formation of a crosslinked structure. As a monomer that forms a crosslinked structure by a covalent bond, a plurality of carbon-carbons such as a (meth) acryloyl group are used. A monomer having a double bond, a monomer having a hydroxyl group at a terminal, a monomer having a hydroxyl group, a monomer having a carboxylic acid group Examples thereof include a mixture of divalent or higher valent metal ions and a mixture of monomers each having a carboxylic acid group and an amino group. If it has a cross-linked structure, the spinning tension is high, particularly when the spinning draft is high, and it becomes impossible to obtain a precursor fiber having a low degree of crystal orientation that is required because the degree of crystal orientation increases.

次に、本発明で用いられるPAN系重合体溶液について説明する。PAN系重合体溶液の重合体濃度は、6〜25重量%の範囲であり、好ましくは15〜25重量%の範囲であり、さらに好ましくは17〜23重量%であり、最も好ましくは19〜21重量%である。重合体濃度が6重量%未満では凝固初期の繊維径と凝固後の繊維径の差が大きくなり、内部にボイドが生じて緻密な構造の繊維が得られないことがあるため、乾燥させた凝固糸の単繊維繊度を低下させても緻密な構造の繊維を形成する効果が発揮されにくいことがあり、特に、重合体濃度が15重量%以上では効果が高い。一方、重合体濃度が25重量%を超えると粘度が上昇し、凝固糸の巻き取り速度を上げにくく、紡糸が困難となる。紡糸溶液である重合体溶液の重合体濃度は、使用する溶媒の量により調製することができる。   Next, the PAN polymer solution used in the present invention will be described. The polymer concentration of the PAN-based polymer solution is in the range of 6 to 25% by weight, preferably in the range of 15 to 25% by weight, more preferably 17 to 23% by weight, and most preferably 19 to 21%. % By weight. If the polymer concentration is less than 6% by weight, the difference between the fiber diameter at the initial stage of solidification and the fiber diameter after solidification becomes large, and voids may be generated inside, so that fibers with a dense structure may not be obtained. Even if the single fiber fineness of the yarn is lowered, the effect of forming a fiber having a dense structure may be difficult to exhibit, and the effect is particularly high when the polymer concentration is 15% by weight or more. On the other hand, when the polymer concentration exceeds 25% by weight, the viscosity increases, it is difficult to increase the winding speed of the coagulated yarn, and spinning becomes difficult. The polymer concentration of the polymer solution that is the spinning solution can be adjusted by the amount of the solvent used.

本発明において重合体溶液の重合体濃度とは、PAN系重合体溶液中に含まれる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られる溶媒と相溶性のあるものを用いて、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 of the polymer solution is the weight percent of the PAN polymer contained in the PAN polymer solution. Specifically, after weighing the PAN-based polymer solution, the PAN-based polymer solution that does not dissolve the PAN-based polymer and is compatible with the solvent used for the PAN-based polymer solution is used. After removing the solvent, the PAN-based 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PAN系重合体溶液の粘度は、15〜100Pa・sの範囲であることが好ましく、より好ましくは20〜80Pa・sである。PAN系重合体溶液の粘度が15Pa・s未満では、紡糸糸条の賦形性が低下するため、紡糸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、PAN系重合体溶液の粘度が100Pa・sを超えると、絡み合いが大きいため、紡糸ドラフト時に分子配向が進み、低配向度の前駆体繊維を得ることが困難となる。PAN系重合体溶液の粘度は、PAN系重合体製造時の仕込み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。   The viscosity of the PAN polymer solution at a temperature of 45 ° C. is preferably in the range of 15 to 100 Pa · s, more preferably 20 to 80 Pa · s. When the viscosity of the PAN-based polymer solution is less than 15 Pa · s, the shape of the spun yarn is lowered, and therefore the speed at which the yarn taken out from the spinneret is taken up, that is, the spinnability tends to be lowered. Further, when the viscosity of the PAN-based polymer solution exceeds 100 Pa · s, since the entanglement is large, the molecular orientation proceeds at the time of spinning draft, and it becomes difficult to obtain a precursor fiber having a low degree of orientation. The viscosity of the PAN-based polymer solution can be controlled by the amount of charged polymerization initiator and chain transfer agent at the time of manufacturing the PAN-based polymer.

本発明において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.で測定する。   In the present invention, the viscosity of the PAN-based 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. Measure with

次に、本発明のPAN系炭素繊維用前駆体繊維束の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the precursor fiber bundle for PAN-type carbon fibers of this invention is demonstrated.

PAN系重合体溶液を紡糸する前に、高強度な炭素繊維を得るという観点から、そのPAN系重合体溶液を、例えば、目開き1μm以下のフィルターに通し、PAN系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が好ましい。   From the viewpoint of obtaining high-strength carbon fibers before spinning the PAN-based polymer solution, the PAN-based polymer solution is passed through, for example, a filter having an aperture of 1 μm or less, and in the PAN-based polymer raw material and each step. It is preferable to remove the mixed impurities.

本発明では、前記したPAN系重合体溶液を紡糸溶液として、乾湿式紡糸法を用いて紡糸することにより、炭素繊維用前駆体繊維束を製造することができる。乾湿式紡糸法は、重合体溶液を口金から一旦空気中に吐出した後、凝固浴中に導入して凝固させる紡糸方法である。   In the present invention, a precursor fiber bundle for carbon fibers can be produced by spinning using the above-described PAN-based polymer solution as a spinning solution by a dry and wet spinning method. The dry-wet spinning method is a spinning method in which a polymer solution is once discharged into the air from a die and then introduced into a coagulation bath to coagulate.

本発明のPAN系炭素繊維用前駆体繊維束の製造方法において、PAN系重合体を含む重合体溶液の紡糸ドラフトは12〜50の範囲であることが好ましく、より好ましくは20〜40の範囲である。   In the method for producing a precursor fiber bundle for a PAN-based carbon fiber of the present invention, the spinning draft of the polymer solution containing the PAN-based polymer is preferably in the range of 12 to 50, more preferably in the range of 20 to 40. is there.

ここで紡糸ドラフトとは、紡糸糸条(フィラメント)が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の表面速度(凝固糸の巻き取り速度)を、紡糸口金孔内のPAN系重合体溶液の線速度(吐出線速度)で割った値をいう。この吐出線速度とは、単位時間当たりに吐出される重合体溶液の体積を口金孔面積で割った値をいう。したがって、吐出線速度は、重合体溶液の吐出量と紡糸口金の孔径の関係で決まる。PAN系重合体を含む重合体溶液は、紡糸口金孔を出て凝固浴に接して次第に凝固して凝固糸(フィラメント)となる。このとき第一ローラーによりフィラメントは引っ張られているが、フィラメントよりも未凝固紡糸溶液の方が伸び易いので、紡糸ドラフトとは、紡糸溶液が固化するまでに引き伸ばされる倍率を示すことになる。すなわち、紡糸ドラフトは、次式で表されるものである。
・紡糸ドラフト=(凝固糸の巻き取り速度)/(吐出線速度)
上記の紡糸ドラフトを高めることは、繊維の細径化への寄与も大きい。紡糸ドラフトが12未満では、口金孔径を小さくするなどの方法を採らないと延伸することなしには必要な前駆体繊維繊度の範囲にすることが困難である。また、紡糸ドラフトが50を超える場合には、結晶配向度が高まりやすく、炭素繊維の引張弾性率が高まってしまう。本発明で用いられるPAN系重合体溶液は、ある特定の歪みがかかる前では低伸長粘度であるため、紡糸張力が低く、結晶配向度が低く抑えやすく、かつ、破断に至るような歪みがかかると歪み硬化により伸長粘度が高まり、破断を抑制する機構になっていると推定される。
Here, the spinning draft refers to the surface speed (rolling speed of the coagulated yarn) of a roller having a driving source with which the spun yarn (filament) first leaves the spinneret and comes into contact with the PAN-based weight in the spinneret hole. The value divided by the linear velocity (discharge linear velocity) of the combined solution. The discharge linear velocity is a value obtained by dividing the volume of the polymer solution discharged per unit time by the die hole area. Accordingly, the discharge linear velocity is determined by the relationship between the discharge amount of the polymer solution and the hole diameter of the spinneret. The polymer solution containing the PAN-based polymer exits the spinneret hole, contacts the coagulation bath, and gradually solidifies to become a coagulated yarn (filament). At this time, the filament is pulled by the first roller, but the uncoagulated spinning solution is more easily stretched than the filament. Therefore, the spinning draft indicates the magnification at which the spinning solution is stretched until it is solidified. That is, the spinning draft is expressed by the following formula.
Spinning draft = (coagulated yarn winding speed) / (discharge line speed)
Increasing the spinning draft also greatly contributes to fiber diameter reduction. If the spinning draft is less than 12, it is difficult to achieve the necessary precursor fiber fineness without stretching unless a method such as reducing the diameter of the die hole is taken. In addition, when the spinning draft exceeds 50, the degree of crystal orientation tends to increase, and the tensile elastic modulus of the carbon fiber increases. Since the PAN-based polymer solution used in the present invention has a low elongation viscosity before a specific strain is applied, the spinning tension is low, the degree of crystal orientation is easily suppressed, and a strain that causes breakage is applied. It is presumed that the elongational viscosity is increased by strain hardening, and this is a mechanism for suppressing breakage.

本発明では、吐出線速度は1〜10m/分であることが好ましい。吐出線速度が1m/分を下回ると、生産性が落ちる傾向にあるが、炭素繊維の引張弾性率低下効果は小さい傾向にある。一方、吐出線速度が10m/分を超えると、紡糸口金孔内において高い剪断応力を発生させ、その剪断応力によって分子配向が進みやすくなり、炭素繊維の引張弾性率が上限より外れやすい。吐出線速度は、紡糸口金の平均孔径と孔数と重合体溶液の吐出量によって制御することができる。   In the present invention, the discharge linear velocity is preferably 1 to 10 m / min. When the discharge linear velocity is less than 1 m / min, productivity tends to decrease, but the effect of reducing the tensile elastic modulus of the carbon fiber tends to be small. On the other hand, when the discharge linear velocity exceeds 10 m / min, a high shear stress is generated in the spinneret hole, the molecular orientation is likely to proceed due to the shear stress, and the tensile elastic modulus of the carbon fiber tends to deviate from the upper limit. The discharge linear velocity can be controlled by the average hole diameter and the number of holes of the spinneret and the discharge amount of the polymer solution.

本発明で用いられる紡糸口金の平均孔径は、0.10mm〜0.26mmであることが好ましく、より好ましくは0.15〜0.2mmである。紡糸口金平均孔径が0.10mmより小さい場合、紡糸溶液である重合体溶液に高い剪断応力がかかり、分子配向が進んでしまう。例えば、衣料用・工業用極細PAN系繊維の製糸では、極細紡糸口金孔を用いた湿式紡糸法が多く採用されているが、分子配向が進み、かつ、生産性の観点からも不利である。一方、紡糸口金の平均孔径が0.26mmを超えると、紡糸ドラフトを高めずには1.8dtex以下の前駆体繊維繊度を得ることが困難である。   The average pore diameter of the spinneret used in the present invention is preferably 0.10 mm to 0.26 mm, more preferably 0.15 to 0.2 mm. When the spinneret average pore size is smaller than 0.10 mm, a high shear stress is applied to the polymer solution, which is the spinning solution, and molecular orientation proceeds. For example, in the production of clothing and industrial ultrafine PAN fibers, a wet spinning method using ultrafine spinneret holes is often employed, but this is disadvantageous from the viewpoint of productivity and molecular orientation. On the other hand, if the average pore diameter of the spinneret exceeds 0.26 mm, it is difficult to obtain a precursor fiber fineness of 1.8 dtex or less without increasing the spinning draft.

また、紡糸口金の孔数は、1000〜12000個であることが好ましい。孔数が1000個より少ない場合、生産性が低下する。一方、孔数が12000個を超える場合には、総糸条繊度が大きくなりすぎて、クリンプの小さいことが好ましい織物用途としては適さないことがある。   The number of holes in the spinneret is preferably 1000 to 12000. When the number of holes is less than 1000, productivity decreases. On the other hand, when the number of holes exceeds 12,000, the total yarn fineness becomes too large, and it may not be suitable as a textile use in which a small crimp is preferable.

また、凝固糸の引き取り速度は、20〜200m/分であることが好ましい。凝固糸の引き取り速度が20m/分を下回ると生産性が落ちる傾向にあるが、炭素繊維の引張弾性率低下効果は小さい傾向にあり、凝固糸の引き取り速度が200m/分を超える速度では、浴液中を高速で糸条が走行することによる凝固工程や水洗工程での浴液抵抗による張力発現が多くなりすぎ、かかる工程で分子配向が進行することがある。   The take-up speed of the coagulated yarn is preferably 20 to 200 m / min. When the take-up speed of the coagulated yarn is less than 20 m / min, the productivity tends to decrease, but the effect of lowering the tensile elastic modulus of the carbon fiber tends to be small, and when the take-up speed of the coagulated yarn exceeds 200 m / min, The tension expression due to the bath liquid resistance in the coagulation process and the water washing process due to the yarn running at high speed in the liquid becomes too large, and molecular orientation may proceed in this process.

本発明において、乾燥させた凝固糸の単繊維繊度は、ポリアクリロニトリル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。本発明のこの乾燥させた凝固糸の単繊維繊度(dtex)は、好ましくは1.4〜2.3dtexであり、より好ましくは1.4〜2dtex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、乾燥させた凝固糸の単繊維繊度が5dtexを超える場合には、それ以降の工程の延伸倍率を高める必要性があり、分子配向が発生してしまう。特に分子配向を抑制する観点からは、乾燥させた凝固糸の単繊維繊度が2.3dtex以下にすることが好ましい。一方、乾燥させた凝固糸の単繊維繊度が1.4dtex未満では、炭素繊維低引張弾性率化の効果が飽和し、コスト上のメリットがでない。   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 polyacrylonitrile polymer, the spinning draft, and the pore diameter of the spinneret used. The single fiber fineness (dtex) of this dried coagulated yarn of the present invention is preferably 1.4 to 2.3 dtex, more preferably 1.4 to 2 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. When the single fiber fineness of the dried coagulated yarn exceeds 5 dtex, There is a need to increase the stretching ratio of the process, and molecular orientation occurs. In particular, from the viewpoint of suppressing molecular orientation, it is preferable that the single fiber fineness of the dried coagulated yarn is 2.3 dtex or less. On the other hand, when the single fiber fineness of the dried coagulated yarn is less than 1.4 dtex, the effect of lowering the tensile modulus of carbon fiber is saturated and there is no cost advantage.

本発明において、乾燥させた凝固糸の単繊維繊度が1.4〜2.3dtexの凝固糸は、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0.10〜0.26mmの紡糸口金から、紡糸ドラフトを12〜50に制御するようにして吐出引き取り、紡糸することにより得ることができる。   In the present invention, the dried coagulated yarn coagulated yarn having a single fiber fineness of 1.4 to 2.3 dtex has a PAN-based polymer solution having a polymer concentration of 6 to 25% by weight and an average pore diameter of 0.10. It can be obtained by discharging and spinning from a spinneret of ˜0.26 mm while controlling the spinning draft to 12-50.

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.

本発明において、乾燥させた凝固糸を構成する単繊維の結晶配向度は、60〜80%であることが好ましい。結晶配向度が80%を超えると、得られる炭素繊維用前駆体繊維の結晶配向度が高くなり、無緊張で焼成しても炭素繊維の引張弾性率が高すぎることがある。   In the present invention, the degree of crystal orientation of the single fiber constituting the dried coagulated yarn is preferably 60 to 80%. When the degree of crystal orientation exceeds 80%, the resulting carbon fiber precursor fiber has a high degree of crystal orientation, and the tensile elasticity modulus of the carbon fiber may be too high even when fired without tension.

本発明において用いられる凝固浴には、PAN系重合体溶液で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アクリロニトリル系重合体の溶媒と、いわゆる凝固促進成分の混合物を用いることが好ましい。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。乾湿式紡糸で用いられる凝固浴は、凝固糸を構成する単繊維の横断面の形状と繊維側面の凹凸粗さを制御するように公知の範囲で設定することが好ましい。繊維側面の凹凸粗さを粗くしたいときは凝固浴温度を上げることが好ましく、凝固浴濃度を50〜80重量%に設定することが好ましい。また、繊維断面形状を楕円形状もしくはβ断面形状にする場合は凝固浴濃度を45〜75重量%に設定することが好ましい。   In the coagulation bath used in the present invention, it is preferable to use a mixture of a solvent of an acrylonitrile polymer such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide used as a solvent in 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 coagulation bath used in dry and wet spinning is preferably set within a known range so as to control the shape of the cross section of the single fiber constituting the coagulated yarn and the roughness of the side surface of the fiber. When it is desired to roughen the unevenness of the fiber side surface, it is preferable to raise the coagulation bath temperature, and the coagulation bath concentration is preferably set to 50 to 80% by weight. Moreover, when making fiber cross-sectional shape into elliptical shape or (beta) cross-sectional shape, it is preferable to set coagulation bath concentration to 45 to 75 weight%.

本発明において、PAN系重合体溶液を凝固浴中に導入して凝固させ凝固糸を形成した後、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、前駆体繊維束が得られる。また、上記の工程に乾熱延伸工程を加えてもよいが。凝固後の凝固糸は、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できる。そのときの浴中延伸倍率は、1〜1.9倍であることが好ましく、より好ましくは1〜1.5倍である。   In the present invention, after a PAN polymer solution is introduced into a coagulation bath and coagulated to form a coagulated yarn, a precursor fiber bundle is obtained through a water washing step, a bath drawing step, an oil agent application step, and a drying step. . Moreover, you may add a dry heat extending process to said process. The coagulated yarn after coagulation 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. The stretching in the bath can be usually performed in a single or a plurality of stretching baths adjusted to a temperature of 30 to 98 ° C. At that time, the draw ratio in the bath is preferably 1 to 1.9 times, more preferably 1 to 1.5 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 process in the bath, it is preferable to apply an oil agent made of silicone or the like to the stretched yarn for the purpose of preventing adhesion between the 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.

次の乾燥工程は、公知の方法を利用することができる。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を目的として乾燥工程後に延伸してもよいが、毛羽立ちによる品位の低下を招くおそれがある。重要なことは、ポリアクリロニトリル系繊維の結晶配向度を適度に低下させ、前駆体繊維の単繊維繊度を細くすることであり、そのためにはなるべく紡糸ドラフトを高くして、凝固工程より後の延伸倍率は低くすることである。そのため、浴中延伸工程と乾熱延伸工程を合わせた倍率(=最終糸速/凝固糸の引き取り速度)は、好ましくは1〜1.9倍であり、より好ましくは1〜3倍であり、さらに好ましくは1〜1.5倍である。特に乾燥工程で収縮するため収縮に合わせてリラックスを取ることが好ましく、凝固糸を引き取った後はなるべく延伸せずに低配向度前駆体繊維を得ることが低弾性率炭素繊維を得るポイントである。   A known method can be used for the next drying step. For example, a drying condition in which the drying temperature is 70 to 200 ° C. and the drying time is 10 seconds to 200 seconds gives preferable results. Although it may be stretched after the drying step for the purpose of improving productivity and improving the degree of crystal orientation, there is a risk of degrading the quality due to fluffing. What is important is that the degree of crystal orientation of the polyacrylonitrile fiber is reduced moderately, and the single fiber fineness of the precursor fiber is made thin. For this purpose, the spinning draft is increased as much as possible, and the drawing after the coagulation step is performed. The magnification is to be lowered. Therefore, the magnification (= final yarn speed / coagulated yarn take-up speed) combining the drawing step in the bath and the dry heat drawing step is preferably 1 to 1.9 times, more preferably 1 to 3 times, More preferably, it is 1 to 1.5 times. In particular, it is preferable to take relaxation as it shrinks in the drying process, and after pulling the coagulated yarn, obtaining a low-orientation precursor fiber without drawing as much as possible is the point to obtain a low elastic modulus carbon fiber. .

このようにして、単繊維繊度が1.2〜1.8dtexの前駆体繊維であるポリアクリロニトリル系繊維が得られる。ポリアクリロニトリル系繊維の単繊維繊度は、好ましくは1.4〜1.8dtexである。単繊維繊度が1.2dtexより小さいと、炭素繊維の引張弾性率が高まってしまう。一方、単繊維繊度が1.8dtexを超えると、耐炎化後の繊維束を構成する各単繊維における内外構造差が大きくなり、続く炭化工程で糸切れが起こり、炭素繊維が得られない。本発明における単繊維繊度(dtex)とは、単糸10,000mあたりの重量(g)である。   In this way, polyacrylonitrile fiber that is a precursor fiber having a single fiber fineness of 1.2 to 1.8 dtex is obtained. The single fiber fineness of the polyacrylonitrile fiber is preferably 1.4 to 1.8 dtex. If the single fiber fineness is less than 1.2 dtex, the tensile elastic modulus of the carbon fiber will increase. On the other hand, if the single fiber fineness exceeds 1.8 dtex, the difference between the inner and outer structures of each single fiber constituting the fiber bundle after flame resistance becomes large, and yarn breakage occurs in the subsequent carbonization process, and carbon fibers cannot be obtained. The single fiber fineness (dtex) in the present invention is a weight (g) per 10,000 m of single yarn.

本発明において、得られるPAN系炭素繊維用前駆体繊維束の結晶配向度は、70〜83%であることが好ましい。結晶配向度が83%を上回ると、得られる炭素繊維の引張弾性率が高くなることがある。   In the present invention, the crystal orientation degree of the obtained precursor fiber bundle for PAN-based carbon fibers is preferably 70 to 83%. If the degree of crystal orientation exceeds 83%, the resulting carbon fiber may have a high tensile modulus.

上記のようにして得られる前駆体繊維は、通常、連続繊維束(フィラメント)の形状である。また、その連続繊維束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1,000〜24,000本であり、より好ましくは1,000〜6,000本である。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、多いと織物にしたときにクリンプが大きくなることや織物複合材料として、衝撃を受けたときに損傷面積が大きくなることがあるので、少ない方が好ましく、上記範囲内、特に6000本以内にすることが好ましい。   The precursor fiber obtained as described above is usually in the form of a continuous fiber bundle (filament). The number of filaments per continuous fiber bundle (multifilament) is preferably 1,000 to 24,000, and more preferably 1,000 to 6,000. The number of filaments per yarn is preferably larger for the purpose of improving productivity. However, if the number of filaments is large, the crimp becomes large when made into a woven fabric or the damaged area as a woven composite material when subjected to an impact. Since it may become large, the smaller one is preferable, and it is preferable to make it within the above range, particularly within 6000.

次に、本発明のPAN系連続炭素繊維束の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the PAN system continuous carbon fiber bundle of this invention is demonstrated.

下記の耐炎化、予備炭化および炭化工程において、最も注意すべき点は、単繊維当たり最大張力であり、かかる張力を10〜100mgに制御することが好ましい。その制御は延伸比によって行うことが最も簡便であり、かかる張力が10mg未満ではローラー間での懸垂が大きく、炉壁をこすらないようにするためには炉の設計が困難であり、また100mgを超えると配向が進みすぎて所望の弾性率が得られないことがある。   In the following flame resistance, preliminary carbonization and carbonization steps, the most important point is the maximum tension per single fiber, and it is preferable to control the tension to 10 to 100 mg. The control is most easily performed by the stretch ratio. When the tension is less than 10 mg, the suspension between the rollers is large, and it is difficult to design the furnace so as not to rub the furnace wall. When it exceeds, orientation may advance too much and a desired elastic modulus may not be obtained.

各工程について述べる。   Each step will be described.

前記した方法により製造されたPAN系炭素繊維用前駆体繊維束を、200〜300℃の温度の酸化性雰囲気中において、好ましくは緊張あるいは延伸条件下、より好ましくは延伸比0.8〜1.0で延伸しながら耐炎化処理した後、300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において、好ましくは延伸比0.9〜1.0で延伸しながら予備炭化処理し、1,000〜3,000℃の最高温度の不活性雰囲気中において、好ましくは延伸比0.9〜0.97で延伸しながら、炭化処理してPAN系連続炭素繊維束を製造する。通常よりも前駆体繊維の配向度が低いために、かかる延伸比範囲であっても張力の発現が少なく、好ましい張力範囲となる。   The precursor fiber bundle for a PAN-based carbon fiber produced by the above-described method is preferably tensioned or stretched under an oxidizing atmosphere at a temperature of 200 to 300 ° C., more preferably a stretch ratio of 0.8 to 1. After flameproofing while stretching at 0, pre-carbonization treatment is preferably performed while stretching at a stretch ratio of 0.9 to 1.0 in an inert atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. A PAN-based continuous carbon fiber bundle is produced by carbonization in an inert atmosphere having a maximum temperature of 000 ° C., preferably while stretching at a stretch ratio of 0.9 to 0.97. Since the degree of orientation of the precursor fiber is lower than usual, even in such a draw ratio range, there is little expression of tension, and a preferable tension range is obtained.

耐炎化処理における酸化性雰囲気としては、空気が好ましく採用される。この耐炎化工程で得られる耐炎化繊維の密度は、好ましくは1.3〜1.5g/cmになるようにする。すなわち、耐炎化が不十分で耐炎化繊維の密度が1.3g/cmに満たない場合には、炭化する際に単糸間接着を発生しやすくなり、また、分解ガスの発生量が多くなり緻密性が低下しやすくなるため、高圧縮伸度を有する炭素繊維が得にくい。一方、過度に耐炎化を進めるとポリマー主鎖の切断が起こり、最終的に得られる炭素繊維の引張強度が低下する問題があるため、耐炎化密度は1.5g/cmを超えないことが好ましい。 Air is preferably employed as the oxidizing atmosphere in the flameproofing treatment. The density of the flameproof fiber obtained in this flameproofing step is preferably 1.3 to 1.5 g / cm 3 . That is, when the flame resistance is insufficient and the density of the flame resistant fiber is less than 1.3 g / cm 3 , adhesion between single yarns is likely to occur during carbonization, and a large amount of decomposition gas is generated. Therefore, it is difficult to obtain carbon fibers having high compression elongation. On the other hand, if the flame resistance is excessively advanced, the main chain of the polymer is broken, and the tensile strength of the carbon fiber finally obtained is lowered, so that the flame resistance density may not exceed 1.5 g / cm 3. preferable.

本発明において、予備炭化処理や炭化処理は不活性雰囲気中で行うが、不活性雰囲気に用いられるガスとしては、窒素、アルゴンおよびキセノンなどを例示することができ、経済的な観点からは窒素が好ましく用いられる。予備炭化処理では、その温度範囲における昇温速度を500℃/分以下に設定することが好ましい。また、炭化処理における最高温度は、所望する炭素繊維の引張弾性率に応じて適宜設定することができるが、一般に炭化処理の最高温度が高いほど、得られる炭素繊維の引張弾性率が高くなるものの、結晶配向度の低い前駆体繊維を用いた場合は、グラファイト構造の結晶配向度が高まりにくいものとなっている。また、炭化処理の最高温度が高いほど飽和吸水率は低下し、前駆体繊維の状態にもよるが1100〜1250℃以上の温度にすることにより飽和吸水率が0.4重量%以下とすることができる。飽和吸水率を所定の範囲を満足するようにして、炭化処理の最高温度が低いほど、炭化収率が高く、原料のアクリロニトリルの原単位が小さくなるため好ましい態様である。上記の観点から炭化処理の最高温度は1,100〜3,000℃とすることが好ましく、より好ましくは1,200〜1,900℃である。   In the present invention, the preliminary carbonization treatment or carbonization treatment is performed in an inert atmosphere. Examples of the gas used in the inert atmosphere include nitrogen, argon, and xenon. Preferably used. In the preliminary carbonization treatment, it is preferable to set the heating rate in the temperature range to 500 ° C./min or less. Further, the maximum temperature in the carbonization treatment can be appropriately set according to the desired tensile modulus of the carbon fiber, but in general, the higher the maximum temperature of the carbonization treatment, the higher the tensile elasticity modulus of the obtained carbon fiber. When a precursor fiber having a low crystal orientation is used, the crystal orientation of the graphite structure is difficult to increase. Further, the higher the maximum temperature of carbonization treatment, the lower the saturated water absorption rate, and depending on the state of the precursor fiber, the saturated water absorption rate should be 0.4% by weight or less by setting the temperature to 1100 to 1250 ° C. or higher. Can do. The saturated water absorption rate is satisfied within a predetermined range, and the lower the maximum temperature of carbonization, the higher the carbonization yield and the smaller the basic unit of acrylonitrile as a raw material, which is a preferable embodiment. From the above viewpoint, the maximum temperature for carbonization is preferably 1,100 to 3,000 ° C, more preferably 1,200 to 1,900 ° C.

上述したような方法で、本発明のPAN系連続炭素繊維束が得られる。本発明のPAN系連続炭素繊維束は、ストランド引張弾性率が70〜140GPaである。PAN系連続炭素繊維束が用いられる構造材料では、弾性率が主要設計値となっていることが多く、構造材料の一部として本発明のPAN系連続炭素繊維束を用いるとしても少しでも弾性率を高めることで材料の軽量化を図る必要があり、弾性率が70GPa以上あれば求められる要求を満足する。また、弾性率は黒鉛結晶子の配向度と面間隔に強く依存するため、弾性率を高めるためには配向度が高い必要があり、すると結晶子の座屈が起こりやすくなり、圧縮伸度が低下するため、弾性率は140GPa以下とすることが必要である。   By the method as described above, the PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention is obtained. The PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention has a strand tensile elastic modulus of 70 to 140 GPa. In a structural material in which a PAN-based continuous carbon fiber bundle is used, the elastic modulus is often the main design value. Even if the PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention is used as a part of the structural material, the elastic modulus is a little. Therefore, it is necessary to reduce the weight of the material, and the required requirement is satisfied if the elastic modulus is 70 GPa or more. In addition, since the elastic modulus strongly depends on the orientation degree and the interplanar spacing of the graphite crystallites, it is necessary to have a high orientation degree in order to increase the elastic modulus. In order to decrease, the elastic modulus needs to be 140 GPa or less.

また、本発明のPAN系連続炭素繊維束は、ストランド引張試験における破断伸度が1.3〜3%である。弾性率の高い炭素繊維と組み合わせた構造材料とすると弾性率の高い炭素繊維の応力負担が大きいが、その破断伸度より低弾性率炭素繊維の破断伸度が小さいと構造材表面に入った亀裂が構造材全体に伝播して、全体の破断伸度を低下させるため、破断伸度1.3%以上が必要であり、破断伸度が3%を超える場合には過剰仕様となることが多い。   The PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention has a breaking elongation of 1.3 to 3% in a strand tensile test. When structural materials are combined with carbon fibers with a high modulus of elasticity, the stress load of carbon fibers with a high modulus of elasticity is large. Propagates to the entire structure material and lowers the overall breaking elongation. Therefore, a breaking elongation of 1.3% or more is required, and when the breaking elongation exceeds 3%, it is often over-specification. .

さらに本発明のPAN系連続炭素繊維束は、飽和吸水率が0〜0.4重量%である。炭素繊維に含まれる水分は、複合材料特性を低下させるためなるべく少ないことがよく、実用上飽和吸水率が0.4重量%以下であればよい。かかる飽和吸水率は、炭素繊維の構造に依存し、PAN系炭素繊維は結晶構造が不明確な、炭化温度でいうと1100℃付近までの状態では飽和吸水率が約10重量%近くあり、結晶構造が明確になってくると急激に飽和吸水率が0近くなる。本発明のPAN系連続炭素繊維束は、低い前駆体繊維配向度を有しているため、炭化温度が1100℃を超えても低い弾性率が維持できる。なお、飽和吸水率の測定は以下の方法によった。繊維10gをアセトンで洗浄後、110℃の温度で2時間乾燥し、デシケーター中で室温に戻し絶乾状態として秤量し、この重量をAとする。次に、この試料を30℃湿度100%の調湿装置内に24hr放置し、その後秤量しこの重量をBとする。飽和吸水率C(%)は次式のようになる。
・飽和吸水率C(%)=(B−A)/C×100
本発明のPAN系連続炭素繊維束は、元素分析から求められる窒素元素を含有する割合が1〜7%である。窒素元素が多すぎると黒鉛結晶構造の乱れにより炭素繊維の物性低下を引き起こすが、7%以下であることで物性低下を抑制し、PAN構造由来である窒素元素を1%以上有することで複合材料として用いる樹脂との接着性が向上する。窒素元素の含有量は、より好ましくは4〜7%である。
Further, the PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention has a saturated water absorption rate of 0 to 0.4% by weight. The moisture contained in the carbon fiber is preferably as small as possible in order to lower the composite material properties, and the saturated water absorption is practically 0.4% by weight or less. The saturated water absorption depends on the structure of the carbon fiber, and the PAN-based carbon fiber has an unclear crystal structure. In terms of the carbonization temperature, the saturated water absorption is about 10% by weight up to about 1100 ° C. When the structure becomes clear, the saturated water absorption rate suddenly becomes zero. Since the PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention has a low degree of precursor fiber orientation, a low elastic modulus can be maintained even when the carbonization temperature exceeds 1100 ° C. The saturated water absorption was measured according to the following method. After washing 10 g of the fiber with acetone, it is dried for 2 hours at a temperature of 110 ° C., returned to room temperature in a desiccator, weighed in an absolutely dry state, and this weight is designated as A. Next, this sample is allowed to stand for 24 hours in a humidity controller at 30 ° C. and 100% humidity, and then weighed to obtain B as the weight. The saturated water absorption C (%) is expressed by the following formula.
・ Saturated water absorption C (%) = (B−A) / C × 100
In the PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention, the ratio of nitrogen element obtained from elemental analysis is 1 to 7%. If there is too much nitrogen element, the physical properties of the carbon fiber will be reduced due to the disorder of the graphite crystal structure. However, if it is 7% or less, the deterioration of the physical properties will be suppressed, and the composite material will have at least 1% nitrogen element derived from the PAN structure. As a result, the adhesion with the resin used as the resin is improved. The nitrogen element content is more preferably 4-7%.

本発明のPAN系連続炭素繊維束は、X線回折測定による002回折線から求められる黒鉛結晶C軸方向の結晶子サイズ(以下、Lcと記述することがある。)が1.3〜2.0であり、002面の結晶配向度が75〜80%である。Lcが1.3以上であると黒鉛結晶性が効率的な弾性率発現に十分寄与し、Lcが2.0を超えると結晶子のa軸方向も大きくなり、座屈しやすくなり、圧縮強度が低下する。炭素繊維のLcは、炭化温度により制御でき、炭化温度を高めるとLcは大きくなる。また、結晶配向度が75%未満では効果的に弾性率の発現がないためコストパフォーマンスが悪く、結晶配向度が80%を超えると異方性が強くなりすぎて圧縮強度が低下する。結晶配向度は結晶性が高まることに連動し、高まるため、炭化温度でも制御できるが、飽和吸水率を増加させない制約があることから限界があり、前駆体繊維の配向度で制御することが最も好ましい。   The PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention has a crystallite size (hereinafter sometimes referred to as Lc) in the C-axis direction of the graphite crystal determined from 002 diffraction lines by X-ray diffraction measurement of 1.3 to 2. 0, and the crystal orientation degree of the 002 plane is 75 to 80%. When Lc is 1.3 or more, the graphite crystallinity contributes sufficiently to the expression of an effective elastic modulus, and when Lc exceeds 2.0, the a-axis direction of the crystallite increases and buckling easily occurs, and the compressive strength is increased. descend. The Lc of the carbon fiber can be controlled by the carbonization temperature, and the Lc increases as the carbonization temperature is increased. Further, if the degree of crystal orientation is less than 75%, the elastic modulus is not effectively expressed, so that the cost performance is bad. If the degree of crystal orientation exceeds 80%, the anisotropy becomes too strong and the compressive strength is lowered. Since the degree of crystal orientation is linked to the increase in crystallinity, it can be controlled even at the carbonization temperature, but there is a limit because there is a restriction that does not increase the saturated water absorption, and it is most controlled by the degree of orientation of the precursor fiber. preferable.

また、本発明のPAN系連続炭素繊維束は、原子間力顕微鏡を用いて後述する方法により測定される単繊維の表面積比が好ましくは1.02〜1.2であり、より好ましくは1.03〜1.09である。上記の表面積比は、炭素繊維の表面の実表面積と投影面積との比で表され、表面の粗さの度合いを示している。表面積比が1に近付く程、平滑であることを意味し、炭素繊維の引張強度の向上には有利であるが、樹脂との接着性が低下する傾向にあり、得たい性能バランスによって制御する。上記の表面積比が1.01を下回ると、樹脂との接着性の低下が顕著となり、1.2を超えると表面の皺形態のばらつきにより強度のばらつきが誘起されることがあり好ましくない。上記の表面積比は、紡糸方法と凝固方法によって制御され、乾湿式紡糸では平滑な表面となる傾向があるが、凝固においては凝固速度を遅くする、例えば凝固浴中の溶媒濃度を高く設定するなどを行うことでスキン層が薄くなりフィブリルを表面に出し、また、凝固単位を大きくする、例えば凝固温度を高くすることでフィブリルを大きくし、凹凸のある表面とすることができる。ピッチ系炭素繊維ではこのようなフィブリルを反映した凹凸を有することは困難である。   The PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention preferably has a single fiber surface area ratio of 1.02 to 1.2 as measured by a method described later using an atomic force microscope, more preferably 1. 03 to 1.09. The surface area ratio is represented by the ratio between the actual surface area of the carbon fiber surface and the projected area, and indicates the degree of surface roughness. A surface area ratio closer to 1 means smoother and more advantageous for improving the tensile strength of the carbon fiber. However, the adhesiveness with the resin tends to be lowered, and is controlled according to the desired performance balance. When the surface area ratio is less than 1.01, the adhesiveness with the resin is significantly lowered. When the surface area ratio is more than 1.2, a variation in strength may be induced due to a variation in the shape of the surface. The above surface area ratio is controlled by the spinning method and the coagulation method, and there is a tendency for dry and wet spinning to have a smooth surface. However, in coagulation, the coagulation rate is slowed, for example, the solvent concentration in the coagulation bath is set high. By performing the above, the skin layer becomes thin and fibrils are brought out on the surface, and the fibrils can be enlarged by increasing the solidification unit, for example, by increasing the solidification temperature, so that an uneven surface can be obtained. It is difficult for pitch-based carbon fibers to have irregularities reflecting such fibrils.

また、本発明のPAN系連続炭素繊維束は、後述する方法により測定される単繊維の繊維断面の長径と短径の比が1.05〜1.6であることが好ましい。真円から形が崩れていくと断面2次モーメントが増し、圧縮強度が高まり、かつ、樹脂との界面の面積が増加するため、接着性が高まる。かかる長径/短径が1.05を下回ると上述の効果が得にくく、また1.6を超えると強度低下や毛羽発生が起こることがある。   In the PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention, the ratio of the major axis to the minor axis of the fiber cross section of the single fiber measured by the method described later is preferably 1.05 to 1.6. As the shape collapses from the perfect circle, the secondary moment of the cross section increases, the compressive strength increases, and the area of the interface with the resin increases, so that the adhesiveness increases. When the major axis / minor axis is less than 1.05, it is difficult to obtain the above-described effect. When the major axis / minor axis exceeds 1.6, strength reduction and fluff generation may occur.

本発明のPAN系連続炭素繊維束は、その平均単繊維径が、7〜11μmであることが好ましい。平均単繊維径が小さいほど平均引張強度のポテンシャルは高いが、7μmより小さいと、圧縮応力に対して座屈しやすく、また、平均単繊維径が11μmより大きいと、単繊維内部の耐炎化処理が不十分となるため、引張強度が向上しにくいことがある。その平均単繊維径とは、繊維重量と比重、フィラメント数から求めた単繊維当たりの断面積を円形であると仮定して直径を計算して求めたものである。   The PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention preferably has an average single fiber diameter of 7 to 11 μm. The smaller the average single fiber diameter is, the higher the potential of average tensile strength is. However, if the average single fiber diameter is smaller than 7 μm, it tends to buckle against compressive stress, and if the average single fiber diameter is larger than 11 μm, flameproofing treatment inside the single fiber is performed. Since it becomes insufficient, the tensile strength may be difficult to improve. The average single fiber diameter is obtained by calculating the diameter assuming that the cross-sectional area per single fiber obtained from the fiber weight, specific gravity and the number of filaments is circular.

また、本発明のPAN系連続炭素繊維束は、フィラメント数が1000〜6000本であることが好ましい。フィラメント数が6000本より少ないと織物としたときにクリンプが小さいメリットがあり、また、複合材料としてのドリリングの際の剥離が少なくなる。また、フィラメント数が1000本未満では、ハンドリングが煩雑になる。   The PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention preferably has 1000 to 6000 filaments. When the number of filaments is less than 6,000, there is a merit that the crimp is small when made into a woven fabric, and peeling at the time of drilling as a composite material is reduced. Further, if the number of filaments is less than 1000, handling becomes complicated.

本発明のPAN系連続炭素繊維束は、後述する方法で測定される単繊維引張強度のワイブル形状係数m”が7〜10であることが好ましく、より好ましくは8以上である。単繊維引張強度のワイブル形状係数m”が7未満の場合には、複合材料として使用するに際し、毛羽が増加するばかりでなく、かかる炭素繊維を織糸として用いた織物は、炭素繊維がクリンプするため、その織物を用いたCFRPは、引張特性が低下し、特に航空機用の弾性率の高い樹脂と組み合わせたときの複合材料特性が大きく低下することがある。単繊維引張強度のワイブル形状係数は高いほど好ましいが、10以上とすることは困難なことが多い。単繊維引張強度のワイブル形状係数m”は、用いられる前駆体繊維を均質に、かつ、単繊維間ばらつきを減らすことが重要であり、更には、炭素繊維を製造する際の焼成工程の各工程を経た繊維のワイブル形状係数が拡大しないように延伸比を設定することにより制御することができる。   The PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention preferably has a Weibull shape factor m ″ of a single fiber tensile strength measured by a method described later of 7 to 10, more preferably 8 or more. Single fiber tensile strength When the Weibull shape factor m ″ is less than 7, not only the fluff increases when used as a composite material, but the woven fabric using such a carbon fiber as a woven yarn crimps the woven fabric. CFRP using, the tensile properties are lowered, and the composite material properties may be greatly lowered particularly when combined with a resin having a high elastic modulus for aircraft. The higher the Weibull shape factor of the single fiber tensile strength, the better. However, it is often difficult to make it 10 or more. The Weibull shape factor m ″ of the single fiber tensile strength is important to make the precursor fiber used homogeneous and to reduce the variation between the single fibers. Further, each step of the firing step when producing the carbon fiber It is possible to control by setting the draw ratio so that the Weibull shape factor of the fiber having undergone the process does not expand.

単繊維引張強度は、JIS R7606(2000年)に基づいて、次のとおりにして求める。まず、20cm程度の長さの連続炭素繊維束をほぼ4等分し、4つの束から順番に単繊維をサンプリングする。このとき、束全体からできるだけまんべんなくサンプリングする。サンプリングした単繊維は、穴あき台紙に接着剤を用いて固定する。単繊維を固定した台紙を引張試験機に取り付け、試長25mm、引張速度1mm/分、単繊維試料数50で引張試験をおこなう。サンプリング、台紙への固定および試験機への取り付けなど全ての工程において引張試験前に単繊維を破断させてしまうことがあるので、弱糸が選択的に除去されるのを避けるために、破断した場合にはそのバッチをやり直す。   Single fiber tensile strength is calculated | required as follows based on JISR7606 (2000). First, a continuous carbon fiber bundle having a length of about 20 cm is roughly divided into four equal parts, and single fibers are sampled sequentially from the four bundles. At this time, the entire bundle is sampled as evenly as possible. The sampled single fiber is fixed to the perforated mount using an adhesive. A mount on which a single fiber is fixed is attached to a tensile tester, and a tensile test is performed with a test length of 25 mm, a tensile speed of 1 mm / min, and 50 single fiber samples. In all processes such as sampling, fixing to mount and attaching to testing machine, the single fiber may be broken before the tensile test, so it was broken to avoid selective removal of the weak yarn If so, repeat the batch.

繊維の断面積は、後述する方法で測定される繊度および密度より平均断面積を算出した。このようにして求めた単繊維引張強度をln強度と破壊確率Fの関数1/(1−F)の二重対数とでワイブルプロットして、Fが0.3〜1での最小二乗近似により求められる傾きからワイブル形状係数を算出する。ワイブル形状係数mはワイブルプロットから1直線近似して求めるものであるが、炭素繊維のワイブルプロットは屈曲することも多く見られる。屈曲点より低強度側は欠陥を多く含有し、ワイブル形状係数が大きいことが多く、屈曲点より高強度側はワイブル形状係数が小さいことが多い。複合材料としての破断状況を観察すると単繊維の破断により破断点付近で応力集中が発生して隣接単繊維の破断誘発を発生させやすいものの、単繊維の破断がきっかけで複合材料全体の破断と至ることはなく、マトリックス樹脂の性質にもよるが、単繊維の破断が全単繊維のうちの10〜30%程度の本数で起きたときに複合材料としての破断が起こることが多い。そのため、屈曲点より低強度側のワイブル形状係数は複合材料強度に影響を与えにくいことがあり、屈曲点より高強度側のワイブル形状係数が重要であることが多い。屈曲点は破壊確率Fが0.1〜0.6程度で変動するものであるが、0.3と固定して0.3〜1の範囲でワイブル形状係数を求めてもその値に大差なく、技術的意義を誤ることはない。   For the cross-sectional area of the fiber, the average cross-sectional area was calculated from the fineness and density measured by the method described later. The single fiber tensile strength obtained in this way is Weibull plotted by the ln strength and the double logarithm of the function 1 / (1-F) of the fracture probability F, and is obtained by the least square approximation when F is 0.3 to 1. A Weibull shape factor is calculated from the obtained slope. Although the Weibull shape factor m is obtained by approximating one straight line from the Weibull plot, the Weibull plot of carbon fiber is often bent. The low strength side from the bending point contains many defects and the Weibull shape factor is often large, and the high strength side from the bending point is often small. Observing the fracture condition as a composite material, although stress concentration occurs near the break point due to the breakage of single fibers, it is easy to cause breakage of adjacent single fibers, but the breakage of single fibers leads to the breakage of the entire composite material However, depending on the properties of the matrix resin, the composite material often breaks when single fiber breakage occurs in the number of about 10 to 30% of all single fibers. For this reason, the Weibull shape factor on the lower strength side than the bending point may hardly affect the strength of the composite material, and the Weibull shape factor on the higher strength side than the bending point is often important. The inflection point fluctuates when the fracture probability F is about 0.1 to 0.6, but even if the Weibull shape factor is determined in the range of 0.3 to 1 with a fixed value of 0.3, there is no significant difference in the value. There is no mistake in technical significance.

また、本発明のPAN系連続炭素繊維束は、単繊維引張試験の1直線近似したワイブルプロットの相関係数の二乗Rが0.92〜1であり、好ましくは0.94〜1である。このワイブルプロットは、屈曲することが多く、混合モードのワイブルプロットで表されることが多いが、試長が短い場合を想定して換算すると、その屈曲度は大きいものとなる。一方向複合材料とした場合にそれの試長に関わらず、炭素繊維単繊維試長としては1mm以下と言われている。その際に1−破壊確率F、すなわち、残存している単繊維割合と負荷する応力の積Sと負荷する応力とでプロットし、Sの最大値が一方向CFRPの引張強度と相関が高い。Sのプロットが上に凸の変曲点が一つの曲線となることが理想であるが、屈曲度が強い場合は変曲点が複数ある曲線となり、平均単繊維引張強度の割にSの最大値が小さく、有効に力学的特性を発揮することができないことが多い。このSは、破断した単繊維の分の応力を他の単繊維が均質に負担することを想定しており、破断した単繊維周辺の応力集中が起こるため、複合材料特性を直接示すものではないが、Sは間接的に複合材料の特性を示す一つの指標として有効である。 In the PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention, the square R 2 of the correlation coefficient of the Weibull plot approximated by one straight line in the single fiber tensile test is 0.92-1, preferably 0.94-1. . This Weibull plot often bends and is often expressed as a mixed mode Weibull plot. However, the degree of bending is large when converted assuming a short test length. Regardless of the length of the unidirectional composite material, the carbon fiber single fiber length is said to be 1 mm or less. At that time, the 1-fracture probability F, that is, the ratio of the remaining single fiber and the product S of the applied stress and the applied stress is plotted, and the maximum value of S is highly correlated with the tensile strength of the unidirectional CFRP. It is ideal that the inflection point with an upwardly convex S curve is a single curve. However, when the degree of bending is strong, the curve has a plurality of inflection points, and the maximum of S for the average single fiber tensile strength. In many cases, the value is small and the mechanical properties cannot be exhibited effectively. This S assumes that the other single fibers uniformly bear the stress of the broken single fiber, and stress concentration around the broken single fiber occurs, so it does not directly indicate the composite material characteristics. However, S is effective as an index that indirectly indicates the characteristics of the composite material.

かかる相関係数の二乗Rは、ワイブルプロットの屈曲度を示し、その相関関数が小さいほど屈曲している。このパラメーターは、特に、一方向複合材料の特性に寄与する。クリンプの大きい補強織物は、一方向複合材料と組み合わせて使用することが多く、両者の力学的特性を最大限発揮することが好ましい。かかる相関係数の二乗Rが0.92未満であると一方向複合材料の力学的特性を満足させるためには炭素繊維の力学的特性の平均値を向上させる必要がある傾向にある。 The square R 2 of the correlation coefficient indicates the degree of bending of the Weibull plot. The smaller the correlation function is, the more the curve is bent. This parameter contributes in particular to the properties of the unidirectional composite material. Reinforced fabrics with large crimps are often used in combination with unidirectional composite materials, and it is preferable to maximize the mechanical properties of both. If the square R 2 of the correlation coefficient is less than 0.92, it is necessary to improve the average value of the mechanical properties of the carbon fiber in order to satisfy the mechanical properties of the unidirectional composite material.

かかる相関係数の二乗Rは、炭素繊維に分布している欠陥とは別に付加された大きな欠陥を低減することにより1に近づけることができる。大きな欠陥は、前駆体繊維製造時の融着や原料重合体溶液中に含まれる異物、工程通過時の汚れなどで形成され、それらを低減することが好ましい手法である。なお、単繊維引張試験における破断面の破壊の起点を電子顕微鏡で観察して、その大きさから判断するミクロ欠陥やマクロ欠陥は、単繊維引張強度の高強度と低強度に分類できるわけでなく、相関係数の二乗Rとの関係は低い。 The square R 2 of the correlation coefficient can approach 1 by reducing large defects added separately from the defects distributed in the carbon fiber. Large defects are formed by fusion during the production of the precursor fiber, foreign matters contained in the raw polymer solution, dirt during the process, etc., and it is preferable to reduce them. Note that the micro- and macro-defects determined from the size of the fracture surface of the fracture surface in the single-fiber tensile test observed with an electron microscope cannot be classified into high and low single-fiber tensile strength. The relationship with the square of the correlation coefficient R 2 is low.

上述のように得られた本発明のPAN系連続炭素繊維束は、その表面改質のため、電解処理することができる。電解処理に用いられる電解液には、硫酸、硝酸および塩酸等の酸性溶液や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、炭酸アンモニウムおよび重炭酸アンモニウムのようなアルカリまたはそれらの塩を水溶液として使用することができる。ここで、電解処理に要する電気量は、適用する炭素繊維の炭化度に応じて適宜選択することができる。   The PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention obtained as described above can be subjected to electrolytic treatment for surface modification. The electrolytic solution used for the electrolytic treatment includes an acidic solution such as sulfuric acid, nitric acid and hydrochloric acid, an alkali solution such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, ammonium carbonate and ammonium bicarbonate, or a salt thereof as an aqueous solution. Can be used as Here, the amount of electricity required for the electrolytic treatment can be appropriately selected according to the carbonization degree of the carbon fiber to be applied.

電解処理により、得られる繊維強化複合材料において炭素繊維マトリックスとの接着性が適正化することができ、接着が強すぎることによる複合材料の脆性的な破壊や、繊維方向の引張強度が低下する問題や、繊維方向における引張強度は高いものの樹脂との接着性に劣り、非繊維方向における強度特性が発現しないという問題が解消され、得られる繊維強化複合材料において、繊維方向と非繊維方向の両方向にバランスのとれた強度特性が発現されるようになる。   Electrolytic treatment can optimize the adhesion to the carbon fiber matrix in the resulting fiber reinforced composite material, causing brittle fracture of the composite material due to too strong adhesion and lowering the tensile strength in the fiber direction In addition, although the tensile strength in the fiber direction is high, the adhesive property with the resin is poor, and the problem that the strength characteristics in the non-fiber direction are not expressed is solved, and in the obtained fiber reinforced composite material, in both the fiber direction and the non-fiber direction A balanced strength characteristic is developed.

電解処理の後、PAN系連続炭素繊維束に集束性を付与するため、サイジング処理を施すこともできる。サイジング剤には、使用する樹脂の種類に応じて、マトリックス樹脂等との相溶性の良いサイジング剤を適宜選択することができる。   After the electrolytic treatment, a sizing treatment can also be performed in order to impart convergence to the PAN-based continuous carbon fiber bundle. As the sizing agent, a sizing agent having good compatibility with the matrix resin or the like can be appropriately selected according to the type of resin used.

本発明により得られるPAN系連続炭素繊維束は、プリプレグとしてオートクレーブ成形、織物などのプリフォームとしてレジントランスファーモールディングで成形、およびフィラメントワインディングで成形するなど種々の成形法により、航空機部材、圧力容器部材、自動車部材、釣り竿およびゴルフシャフトなどのスポーツ部材として好適に用いられる。   The PAN-based continuous carbon fiber bundle obtained by the present invention is an aircraft member, a pressure vessel member, an autoclave molding as a prepreg, a resin transfer molding as a preform such as a woven fabric, and a filament winding. It is suitably used as sports members such as automobile members, fishing rods and golf shafts.

以下、実施例により、本発明のPAN系炭素繊維用前駆体繊維束の製造方法とPAN系連続炭素繊維束の製造方法について、さらに具体的に説明する。実施例で用いた各特性の測定方法を、次に説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the precursor fiber bundle for PAN-based carbon fibers and the manufacturing method of the PAN-based continuous carbon fiber bundle of the present invention will be described more specifically with reference to examples. Next, a method for measuring each characteristic used in the examples will be described.

<前駆体繊維束の単繊維繊度(dtex)>
フィラメント数6,000の繊維束を1巻き1m金枠に10回巻いた後、その重量を測定し、10,000m当たりの重量を算出することにより求めた。
<Single fiber fineness (dtex) of precursor fiber bundle>
A fiber bundle having a filament number of 6,000 was wound 10 times on a 1 m metal frame, and then its weight was measured to calculate the weight per 10,000 m.

<乾燥された凝固糸の単繊維繊度(dtex)>
フィラメント数6,000の凝固糸を1巻き1m金枠に10回巻いた後、流水で1時間水洗し、120℃の温度で2時間乾燥させた後の重量を測定し、10,000m当たりの重量を算出することにより求めた。
<Single fiber fineness (dtex) of dried coagulated yarn>
Coagulated yarn with 6,000 filaments was wound 10 times on a 1m metal frame, then washed with running water for 1 hour and dried at 120 ° C for 2 hours, and the weight was measured per 10,000m. It calculated | required by calculating a weight.

<前駆体繊維束の結晶配向度(%)>
繊維軸方向の配向度は、次のように測定した。前駆体繊維束を40mm長に切断して、20mgを精秤して試料を採取し、試料繊維軸が正確に平行になるようにそろえた後、試料調整用治具を用いて幅1mmの厚さが均一な試料繊維束に整える。薄いコロジオン液を含浸させて形態が崩れないように固定した後、広角X線回折測定試料台に固定する。X線源として、Niフィルターで単色化されたCuのKα線を用い、2θ=17°付近に観察される回折の最高強度を含む子午線方向のプロフィールの広がりの半価幅(H゜)から、次式を用いて結晶配向度(%)を求めた。
・結晶配向度(%)=[(180−H)/180]×100
<各種分子量:Mz、MwおよびMn>
測定しようとする重合体が濃度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。前駆体繊維について測定する場合には、前駆体繊維を溶媒に溶解して前記検体溶液とする必要があるが、前駆体繊維は高度に配向し、緻密であるほど溶解しにくく、溶解時間が長いほど、また、溶解温度が高いほど低分子量に測定される傾向にあるので、前駆体繊維を微粉砕して、40℃の温度に制御された溶媒中においてスターラーで攪拌しながら1日溶解する。得られ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。
・カラム :極性有機溶媒系GPC用カラム
・流速 :0.5ml/min
・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。
<Crystal orientation degree of precursor fiber bundle (%)>
The degree of orientation in the fiber axis direction was measured as follows. The precursor fiber bundle is cut to a length of 40 mm, 20 mg is precisely weighed, a sample is collected, and the sample fiber axes are aligned so as to be exactly parallel, and then a thickness of 1 mm is used using a sample adjustment jig. Prepare a uniform sample fiber bundle. After impregnating with a thin collodion solution and fixing the shape so as not to collapse, it is fixed to a sample table for wide-angle X-ray diffraction measurement. From the half width (H °) of the spread of the profile in the meridian direction including the highest intensity of diffraction observed near 2θ = 17 °, using Cu Kα ray monochromated with a Ni filter as the X-ray source. The degree of crystal orientation (%) was determined using the following formula.
Crystallinity degree (%) = [(180−H) / 180] × 100
<Various molecular weights: Mz, Mw and Mn>
A sample solution is prepared in which the polymer to be measured is dissolved in dimethylformamide (added with 0.01 N lithium bromide) at a concentration of 0.1% by weight. When measuring the precursor fiber, it is necessary to dissolve the precursor fiber in a solvent to form the specimen solution. However, the precursor fiber is highly oriented, and the more dense the substance, the less soluble and the longer the dissolution time. In addition, since the higher the dissolution temperature, the lower the molecular weight tends to be measured, the precursor fiber is pulverized and dissolved in a solvent controlled at a temperature of 40 ° C. with stirring with a stirrer for one day. About the obtained sample solution, a molecular weight distribution curve is calculated | required from the GPC curve measured on condition of the following using GPC apparatus, and Mz, Mw, and Mn are calculated.
・ Column: Column for polar organic solvent GPC ・ Flow rate: 0.5 ml / min
・ Temperature: 75 ℃
・ 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.

本発明の実施例では、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184,000、427,000、791,000および1,300,000、1,810,000、4,210,000のものを、それぞれ用いた。   In an example of the present invention, CLASS-LC2010 manufactured by Shimadzu Corporation as a GPC apparatus and TSK-GEL-α-M (× 2) manufactured by Tosoh Corporation as a column and TSK-guard Column α manufactured by Tosoh Corporation. , Dimethylformamide and lithium bromide manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 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, Monodispersed polystyrenes for preparing a calibration curve were those having molecular weights of 184,000, 427,000, 791,000 and 1,300,000, 1,810,000, 4210,000.

<炭素繊維束の引張強度および弾性率>
JIS R7608(2007年)「樹脂含浸ストランド試験法」に従って求める。測定する炭素繊維束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。本発明の実施例では、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。
<Tensile strength and elastic modulus of carbon fiber bundle>
It is determined according to JIS R7608 (2007) “Resin-impregnated strand test method”. The resin-impregnated strand of the carbon fiber bundle to be measured was 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylate (100 parts by weight) / 3 boron fluoride 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 Examples of the present invention, “Bakelite” (registered trademark) ERL4221 manufactured by Union Carbide Co., Ltd. was used as 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexylcarboxylate.

<炭素繊維束の単繊維引張強度のワイブル形状係数m”、相関係数の二乗R
炭素繊維束の単繊維引張強度は、JIS R7606(2000年)に基づいて、次のとおりにして求める。まず、20cm程度の長さの炭素繊維束をほぼ4等分し、4つの束から順番に単繊維を100本サンプリングする。このとき、束全体からできるだけまんべんなくサンプリングする。サンプリングした単繊維は、穴あき台紙に接着剤を用いて固定する。単繊維を固定した台紙を引張試験機に取り付け、試長25mm、歪速度1mm/分、単繊維試料数100で引張試験をおこなう。ワイブル形状係数は、次の式で定義される。
lnln{1/(1−F)}=mlnσ+C
上記式中、Fは、破壊確率であり、対称試料累積分布法により求め、σは単繊維引張強度(MPa)であり、mはFが0〜1全範囲のワイブル形状係数であり、Cは定数である。lnln{1/(1−F)}とlnσでワイブルプロットすると、1次近似した傾きからmを求めることができる。そのときの相関関数がRである。また、Fが0.3〜1で1次近似した傾きからm”を求めることができる。
<Weibull shape factor m ″ of single fiber tensile strength of carbon fiber bundle, square R 2 of correlation coefficient>
The single fiber tensile strength of the carbon fiber bundle is determined as follows based on JIS R7606 (2000). First, a carbon fiber bundle having a length of about 20 cm is roughly divided into four equal parts, and 100 single fibers are sampled sequentially from the four bundles. At this time, the entire bundle is sampled as evenly as possible. The sampled single fiber is fixed to the perforated mount using an adhesive. A mount on which a single fiber is fixed is attached to a tensile tester, and a tensile test is performed with a test length of 25 mm, a strain rate of 1 mm / min, and a single fiber sample number of 100. The Weibull shape factor is defined by the following equation.
lnln {1 / (1-F)} = mlnσ + C
In the above formula, F is the fracture probability, determined by the symmetric sample cumulative distribution method, σ is the single fiber tensile strength (MPa), m is the Weibull shape factor in the range F is 0 to 1, and C is It is a constant. If Weibull plotting is performed with lnln {1 / (1-F)} and lnσ, m can be obtained from the linear approximation slope. The correlation function at that time is R. Further, m ″ can be obtained from the slope obtained by linear approximation with F being 0.3 to 1.

単繊維の断面積は、JIS R7607(2000年)に基づいて、測定する炭素繊維束について、単位長さ当たりの重量(g/m)を密度(g/m)で除して、さらにフィラメント数で除して単繊維断面積を求める。 The cross-sectional area of the single fiber is determined by dividing the weight per unit length (g / m) by the density (g / m 3 ) for the carbon fiber bundle to be measured based on JIS R7607 (2000), and further filament Divide by the number to obtain the single fiber cross-sectional area.

<炭素繊維束の結晶子サイズ>
測定に供する炭素繊維束を引き揃え、コロジオン・アルコール溶液を用いて固めることにより、長さ4cm、1辺の長さが1mmの四角柱の測定試料を用意する。用意された測定試料について、広角X線回折装置を用いて、次の条件により測定を行った。
・X線源:CuKα線(管電圧40kV、管電流30mA)
・検出器:ゴニオメーター+モノクロメーター+シンチレーションカウンター
・走査範囲:2θ=10〜40°
・走査モード:ステップスキャン、ステップ単位0.02°、計数時間2秒
得られた回折パターンにおいて、2θ=25〜26°付近に現れるピークについて、半値幅を求め、この値から、次のシェラー(Scherrer)の式により結晶サイズを算出した。
・結晶子サイズ(nm)=Kλ/βcosθ
但し、
・K:1.0、λ:0.15418nm(X線の波長)
・β:(β −β 1/2
・β:見かけの半値幅(測定値)rad、β:1.046×10−2rad
・θ:Braggの回析角
2θ=25〜26°付近に観察される回折の最高強度を含む子午線方向のプロフィールの広がりの半価幅(H゜)から、次式を用いて結晶配向度(%)を求めた。
・結晶配向度(%)=[(180−H)/180]×100
上記広角X線回折装置として、島津製作所製XRD-6100を用いた。
<Crystallite size of carbon fiber bundle>
By aligning the carbon fiber bundles used for measurement and solidifying them with a collodion / alcohol solution, a square column measurement sample having a length of 4 cm and a side length of 1 mm is prepared. About the prepared measurement sample, it measured on the following conditions using the wide angle X-ray-diffraction apparatus.
-X-ray source: CuKα ray (tube voltage 40 kV, tube current 30 mA)
-Detector: Goniometer + Monochromator + Scintillation counter-Scanning range: 2θ = 10-40 °
Scan mode: Step scan, step unit 0.02 °, counting time 2 seconds In the obtained diffraction pattern, the half-value width is obtained for a peak appearing in the vicinity of 2θ = 25 to 26 °, and the next Scherrer ( The crystal size was calculated according to the Scherrer equation.
Crystallite size (nm) = Kλ / β 0 cos θ B
However,
・ K: 1.0, λ: 0.15418 nm (X-ray wavelength)
・ Β 0 : (β E 2 −β 1 2 ) 1/2
Β E : Apparent half width (measured value) rad, β 1 : 1.046 × 10 −2 rad
・ Θ B : Bragg diffraction angle 2θ = crystal orientation degree from the half width (H °) of the spread of the profile in the meridian direction including the maximum intensity of diffraction observed around 25 to 26 °, using the following formula (%) Was calculated.
Crystallinity degree (%) = [(180−H) / 180] × 100
As the wide-angle X-ray diffractometer, XRD-6100 manufactured by Shimadzu Corporation was used.

<炭素繊維束の平均単繊維径>
測定する多数本の炭素フィラメントからなる炭素繊維束について、単位長さ当たりの重量Af(g/m)および比重Bf(g/cm)を求める。測定する炭素繊維束のフィラメント数をCfとし、炭素繊維の平均単繊維径(μm)を、下記式で算出した。
・炭素繊維の平均単繊維径(μm)=((Af/Bf/Cf)/π)(1/2)×2×10
<Average single fiber diameter of carbon fiber bundle>
A weight Af (g / m) and a specific gravity Bf (g / cm 3 ) per unit length are determined for a carbon fiber bundle composed of a large number of carbon filaments to be measured. The number of filaments of the carbon fiber bundle to be measured was Cf, and the average single fiber diameter (μm) of the carbon fiber was calculated by the following formula.
-Average single fiber diameter (μm) of carbon fiber = ((Af / Bf / Cf) / π) (1/2) × 2 × 10 3 .

<窒素含有率>
柳本製作所CHN Corder Model MT−3を用いて有機元素分析を行い、窒素含有量を求め、試料重量に対する窒素含有率を算出した。試料中の水分率の測定を行ない、試料重量の補正を行なった。
<Nitrogen content>
Organic elemental analysis was performed using Yanagimoto Seisakusho CHN Corder Model MT-3, the nitrogen content was determined, and the nitrogen content relative to the sample weight was calculated. The moisture content in the sample was measured, and the sample weight was corrected.

<炭素繊維束の単繊維の表面積比>
評価すべき前駆体繊維単繊維を数本試料台にのせ、両端を接着液(例えば、文具の修正液)で固定したものをサンプルとし、原子間力顕微鏡(セイコーインスツルメンツ製、SPI3800N/SPA−400)を用い、下記条件にて3次元表面形状の像を得る。
・探針:シリコンカンチレバー(セイコーインスツルメンツ製、DF−20)
・測定モード:ダイナミックフォースモード(DFM)
・走査速度:1.5Hz
・走査範囲:3μm×3μm
・分解能:256ピクセル×256ピクセル
得られた測定画像は、繊維断面の曲率を考慮し、付属のソフトウエアにより、画像の全データから最小二乗法により1次平面を求めてフィッティングし、面内の傾きを補正する1次傾き補正を行い、続いて同様に2次曲線を補正する2次傾き補正を行った後、付属のソフトウエアにより表面粗さ解析を行い、表面積比を算出した。測定は、異なる単繊維3本をランダムにサンプリングし、単繊維1本につき、各1回ずつ、計3回行い、その平均値を値とした。
<Surface area ratio of single fiber of carbon fiber bundle>
An atomic force microscope (SPI3800N / SPA-400, manufactured by Seiko Instruments Inc.) was prepared by placing several precursor single fibers to be evaluated on a sample stage and fixing both ends with an adhesive solution (for example, a stationery correction solution). ) To obtain an image of a three-dimensional surface shape under the following conditions.
Probe: Silicon cantilever (Seiko Instruments, DF-20)
Measurement mode: Dynamic force mode (DFM)
・ Scanning speed: 1.5Hz
・ Scanning range: 3μm × 3μm
・ Resolution: 256 pixels x 256 pixels The obtained measurement image is fitted with a first-order plane obtained from the entire data of the image by the least square method using the attached software in consideration of the curvature of the fiber cross section. After performing the primary inclination correction for correcting the inclination and subsequently performing the secondary inclination correction for correcting the quadratic curve in the same manner, the surface roughness analysis was performed with the attached software, and the surface area ratio was calculated. The measurement was performed by sampling three different single fibers at random, one time for each single fiber, three times in total, and taking the average value as the value.

<単繊維の繊維断面の長径と短径の比(長径/短径)>
内径1mmの塩化ビニル樹脂製のチューブ内に測定用の炭素繊維束を通した後、これをナイフで輪切りにして試料を準備する。次いで、その試料を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、単繊維の繊維断面の長径および短径を測定し、長径÷短径で長径/短径の比率が決定される。
<Ratio of major axis and minor axis of fiber cross section of single fiber (major axis / minor axis)>
After passing a carbon fiber bundle for measurement through a tube made of vinyl chloride resin having an inner diameter of 1 mm, the sample is prepared by cutting it with a knife. Next, the sample was adhered to the SEM sample stage with the fiber cross-section facing upward, and Au was further sputtered to a thickness of about 10 nm, and then accelerated voltage 7.00 kV using a PHILIPS XL20 scanning electron microscope. The fiber cross section is observed under the condition of a working distance of 31 mm, the major axis and minor axis of the fiber section of the single fiber are measured, and the ratio of major axis / minor axis is determined by major axis / minor axis.

<界面剪断強度>
樹脂との接着強度の評価である界面剪断強度は、単繊維埋め込み(フラグメンテーション)法により行なった。具体的には、リアライズ社「炭素繊維の展開と評価方法」第157頁〜第160頁に記載されている方法により行った。すなわち、単繊維1本を樹脂中に包埋した試験片を作製し、この試験片に繊維の破断伸度より大きな伸張を付与した。樹脂中で破断した各繊維の長さを読み取ることによって、次式から界面剪断強度を算出した。
・臨界繊維長(mm)=4×平均繊維長(mm)/3
・界面剪断強度(MPa)=繊維強度(MPa)×繊維直径(mm)/2×臨界繊維長(mm)
試験片作製に用いた樹脂は、CIBA−GEIGY社製「アラルダイドCY230」を100部、「ハードナーHY2967」を35部の割合で混合し、これを専用の型枠に流し込み、20℃の温度で24時間、60℃の温度で6時間の温度条件で硬化した。引張試験は室温20〜25℃で行なった。試験片が破断しない範囲内で(伸度7%)伸張を付与したあと、樹脂内で破断した繊維の長さを偏光顕微鏡で読み取り、平均繊維長を算出した。
<Interfacial shear strength>
Interfacial shear strength, which is evaluation of adhesive strength with resin, was performed by a single fiber embedding (fragmentation) method. Specifically, it was carried out by the method described in Realize, “Development and Evaluation Method of Carbon Fiber”, pages 157 to 160. That is, a test piece in which one single fiber was embedded in a resin was produced, and an elongation greater than the breaking elongation of the fiber was imparted to the test piece. Interfacial shear strength was calculated from the following equation by reading the length of each fiber broken in the resin.
・ Critical fiber length (mm) = 4 × average fiber length (mm) / 3
Interfacial shear strength (MPa) = fiber strength (MPa) × fiber diameter (mm) / 2 × critical fiber length (mm)
The resin used for preparing the test piece was 100 parts of “Araldide CY230” manufactured by CIBA-GEIGY and 35 parts of “Hardener HY2967”, which was poured into a dedicated mold, and heated at a temperature of 20 ° C. The composition was cured at a temperature of 60 ° C. for 6 hours under a temperature condition of 6 hours. The tensile test was performed at room temperature of 20-25 ° C. After imparting elongation within a range where the test piece did not break (elongation 7%), the length of the fiber broken in the resin was read with a polarizing microscope, and the average fiber length was calculated.

[実施例1]
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まで窒素置換した後、重合開始剤として2,2’−アゾビスイソブチロニトリル(以下、AIBNと略記することがある。)0.003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(熱処理条件Aと呼ぶ)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
得られたPAN系重合体溶液を用いて重合体濃度が20重量%となるように調製した後、アンモニアガスをpHが8.5になるまで吹き込むことにより、イタコン酸を中和しつつアンモニウム基をPAN系重合体に導入し、紡糸溶液を得た。PAN系重合体は、Mwが40万であり、Mz/Mwが5.2であり、MZ+1/Mwが10であった。
[Example 1]
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, 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 replacing the space in the reaction vessel with nitrogen to an oxygen concentration of 100 ppm, 0.003 part by weight of 2,2′-azobisisobutyronitrile (hereinafter sometimes abbreviated as AIBN) as a polymerization initiator. The heat treatment was performed under the following conditions with stirring.
(1) Hold at a temperature of 60 ° C. for 3.5 hours Next, in the reaction vessel, 10 parts by weight of dimethyl sulfoxide, 0.4 part by weight of AIBN as a polymerization initiator, and 0.1 part by weight of octyl mercaptan as a chain transfer agent After the parts were metered in, heat treatment under the following conditions (referred to as heat treatment condition A) 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. Use the obtained PAN-based polymer solution to prepare a polymer concentration of 20% by weight, and then blow ammonia gas until the pH reaches 8.5. Thus, an ammonium group was introduced into the PAN polymer while neutralizing itaconic acid to obtain a spinning solution. The PAN-based polymer had Mw of 400,000, Mz / Mw of 5.2, and M Z + 1 / Mw of 10.

得られた紡糸溶液を、40℃の温度で、孔数3,000、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。このときの紡糸ドラフトを28の条件で乾燥させた場合の凝固糸単繊維繊度が1.5dtexの凝固糸条を得、水洗した後、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、総延伸倍率1倍、最終製糸速度を30m/分で、フィラメント数が3000本の炭素繊維前駆体繊維束を得た。得られた炭素繊維前駆体繊維束の結晶配向度は76%、また、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束を250〜270℃の温度の温度分布を有する空気中において単繊維当たりの張力を20mgとして30分間耐炎化処理し、耐炎化繊維束を得た。得られた耐炎化繊維束は、比重が1.45g/cmであった。続いて、得られた耐炎化繊維束を、300〜700℃の温度の温度分布を有する窒素雰囲気中において、単繊維当たりの張力が30mgとなるように予備炭化処理を行い、さらに最高温度1350℃の窒素雰囲気中において、単繊維当たりの張力を20mgとなるように炭化処理を行い、連続した炭素繊維束を得た。このときの焼成工程通過性はいずれも良好であった。得られた炭素繊維束のストランド物性等のデータを、まとめて表1に示す。 The obtained spinning solution was discharged into the air once at a temperature of 40 ° C. at a temperature of 40 ° C. and having a hole number of 3,000 and a nozzle diameter of 0.15 mm, and passed through a space of about 2 mm. Spinning was carried out by a dry-wet spinning method introduced into a coagulation bath composed of an aqueous solution of 20% by weight dimethyl sulfoxide controlled to a temperature to obtain a coagulated yarn. When the spinning draft at this time was dried under the conditions of 28, a coagulated yarn having a coagulated yarn single fiber fineness of 1.5 dtex was obtained, washed with water, further provided with an amino-modified silicone-based silicone oil, and a temperature of 165 ° C. Was dried for 30 seconds using a roller heated to obtain a carbon fiber precursor fiber bundle having a total draw ratio of 1 ×, a final spinning speed of 30 m / min, and 3000 filaments. The obtained carbon fiber precursor fiber bundle had a crystal orientation degree of 76%, excellent quality, and stable yarn passing through. The obtained carbon fiber precursor fiber bundle was subjected to flame resistance treatment in air having a temperature distribution of 250 to 270 ° C. with a tension per single fiber of 20 mg for 30 minutes to obtain a flame resistant fiber bundle. The obtained flame-resistant fiber bundle had a specific gravity of 1.45 g / cm 3 . Subsequently, the obtained flame-resistant fiber bundle was subjected to preliminary carbonization treatment so that the tension per single fiber was 30 mg in a nitrogen atmosphere having a temperature distribution of 300 to 700 ° C., and the maximum temperature was 1350 ° C. In a nitrogen atmosphere, carbonization was performed so that the tension per single fiber was 20 mg, and a continuous carbon fiber bundle was obtained. In this case, the baking process passability was good. Table 1 summarizes data such as strand properties of the obtained carbon fiber bundle.

[実施例2]
炭化処理の最高温度を1250℃に変更したこと以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。結果を表1に示す。
[Example 2]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the maximum carbonization temperature was changed to 1250 ° C. The results are shown in Table 1.

[実施例3]
凝固浴濃度を60重量%のジメチルスルホキシド水溶液に変更したこと以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。結果を表1に示す。
[Example 3]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the coagulation bath concentration was changed to a 60% by weight dimethyl sulfoxide aqueous solution. The results are shown in Table 1.

[実施例4]
凝固浴濃度を79重量%のジメチルスルホキシド水溶液とし、温度を20℃に変更したこと以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。結果を表1に示す。
[Example 4]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the coagulation bath concentration was 79% by weight dimethyl sulfoxide aqueous solution and the temperature was changed to 20 ° C. The results are shown in Table 1.

[比較例1]
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。得られたPAN系重合体溶液を、重合体濃度が20重量%となるように調製した後、アンモニアガスをpHが8.5になるまで吹き込むことにより、イタコン酸を中和しつつ、アンモニウム基を重合体に導入し、紡糸溶液を作製した。PAN系重合体は、Mwが35万であり、Mzが62万であり、Mz/Mwが1.8であり、MZ+1/Mwが3であり、紡糸溶液の粘度は55Pa・sであった。紡糸溶液を、上記のようにして得た紡糸溶液に変更したこと以外は、実施例1と同様にして凝固糸を得ようとしたが、糸切れが起こり、紡糸できなかった。結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
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. The obtained PAN-based polymer solution was prepared so that the polymer concentration was 20% by weight, and then ammonia gas was blown until the pH reached 8.5 to neutralize itaconic acid, while the ammonium group was neutralized. Was introduced into the polymer to prepare a spinning solution. The PAN-based polymer had Mw of 350,000, Mz of 620,000, Mz / Mw of 1.8, M Z + 1 / Mw of 3, and the spinning solution had a viscosity of 55 Pa · s. . A coagulated yarn was obtained in the same manner as in Example 1 except that the spinning solution was changed to the spinning solution obtained as described above, but the yarn was broken and could not be spun. The results are shown in Table 1.

[比較例2]
比較例1と同様の紡糸溶液を用い、低い可紡性をカバーするために、紡糸口金の平均孔径を0.05mmとし、紡糸ドラフトを3としたこと以外は、実施例1と同様にして炭素繊維を得た。このとき、焼成工程の延伸比は、実施例1と同様にした。紡糸口金からの吐出線速度が高まったためか、前駆体繊維の配向度が高まり、炭素繊維束の弾性率が高まりすぎた。結果を表1に示す。
[Comparative Example 2]
In order to cover the low spinnability using the same spinning solution as in Comparative Example 1, the average pore diameter of the spinneret was set to 0.05 mm, and the spinning draft was set to 3, so that the carbon was the same as in Example 1. Fiber was obtained. At this time, the stretch ratio in the firing step was the same as in Example 1. Probably because the discharge linear velocity from the spinneret increased, the degree of orientation of the precursor fibers increased, and the elastic modulus of the carbon fiber bundles increased too much. The results are shown in Table 1.

[比較例3]
紡糸口金から吐出量を調整することにより、前駆体繊維束の単繊維繊度を2.0dtexに変更したこと以外は、実施例1と同様にして炭素繊維を得ようとしたが、耐炎化不足であったためか、炭化工程で糸切れが起こり、炭素繊維束が得られなかった。結果を表1に示す。
[Comparative Example 3]
Except for changing the single fiber fineness of the precursor fiber bundle to 2.0 dtex by adjusting the discharge amount from the spinneret, carbon fiber was obtained in the same manner as in Example 1, but the flame resistance was insufficient. Probably because of this, yarn breakage occurred in the carbonization process, and a carbon fiber bundle could not be obtained. The results are shown in Table 1.

[比較例4]
紡糸ドラフトを14にして、乾燥後の乾熱延伸倍率を2倍にしたこと以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。このとき、焼成工程の延伸比は、実施例1と同様にした。前駆体繊維束の配向度が高まり、炭素繊維束の弾性率が高まりすぎた。結果を表1に示す。
[Comparative Example 4]
A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that the spinning draft was 14 and the dry heat draw ratio after drying was doubled. At this time, the stretch ratio in the firing step was the same as in Example 1. The degree of orientation of the precursor fiber bundle was increased, and the elastic modulus of the carbon fiber bundle was too high. The results are shown in Table 1.

[参考例]
市販されているピッチ系低弾性率炭素繊維(日本グラファイトファイバー(株)製XN−05)の関連特性値を表1に示す。
[Reference example]
Table 1 shows related characteristic values of commercially available pitch-based low elastic modulus carbon fibers (XN-05 manufactured by Nippon Graphite Fiber Co., Ltd.).

Figure 0005434187
Figure 0005434187

Claims (8)

ストランド引張弾性率が70〜140GPaであり、破断伸度が1.3〜3%であり、飽和吸水率が0〜0.4重量%であるポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束であって、元素分析から求められる窒素含有量が1〜5%であり、X線回折測定による002回折線から求められるC軸の結晶子サイズが1.3〜2.0nmであって、002面の結晶配向度が75〜80%であるポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束。   A polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle having a strand tensile modulus of 70 to 140 GPa, a breaking elongation of 1.3 to 3%, and a saturated water absorption of 0 to 0.4% by weight, and elemental analysis The nitrogen content determined from 1 to 5%, the C-axis crystallite size determined from the 002 diffraction line by X-ray diffraction measurement is 1.3 to 2.0 nm, and the degree of crystal orientation of the 002 plane is Polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle that is 75-80%. 連続炭素繊維束を構成する単繊維の表面積比が1.02〜1.2である請求項1記載のポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束。   The polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle according to claim 1, wherein the surface area ratio of single fibers constituting the continuous carbon fiber bundle is 1.02 to 1.2. 連続炭素繊維束を構成する単繊維の繊維断面の長径と短径との比(長径/短径)が1.05〜1.6である請求項1または2記載のポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束。   The polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle according to claim 1 or 2, wherein the ratio of the major axis to the minor axis (major axis / minor axis) of the fiber cross section of the single fiber constituting the continuous carbon fiber bundle is 1.05 to 1.6. . 連続炭素繊維束のフィラメント数が1000〜6000本であり、単繊維径が7〜11μmである請求項1〜3のいずれかに記載のポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束。   The polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle according to any one of claims 1 to 3, wherein the continuous carbon fiber bundle has 1000 to 6000 filaments and a single fiber diameter of 7 to 11 µm. 単繊維引張強度のワイブル形状係数m”が7〜10であり、1直線近似したワイブルプロットの相関係数の二乗Rが0.92〜1である請求項1〜4のいずれかに記載のポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束。 5. The Weibull shape factor m ″ of the single fiber tensile strength is 7 to 10, and the square R 2 of the correlation coefficient of the Weibull plot approximated by one line is 0.92 to 1. 5. Polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle. 重量平均分子量Mwが10万〜100万であり、多分散度Mz/Mw(Mzは、Z平均分子量を表す。)が2.7〜6であるポリアクリロニトリル系重合体を溶媒に溶解して重合体濃度が6〜25重量%にしてなる重合体溶液を、平均孔径が0.10〜0.26mmの紡糸口金から、該重合体溶液の紡糸ドラフトが12〜50の範囲となるように設定制御にして吐出巻き取り、紡糸して、乾湿式紡糸し、乾燥させた凝固糸の単繊維繊度が1.4〜2.3dtexの凝固糸を得、次いで該凝固糸を延伸倍率1〜1.9倍で延伸して単繊維繊度が1.2〜1.8dtexの延伸糸とすることを特徴とするポリアクリロニトリル系炭素繊維用前駆体繊維束の製造方法。   A polyacrylonitrile polymer having a weight average molecular weight Mw of 100,000 to 1,000,000 and a polydispersity Mz / Mw (Mz represents a Z average molecular weight) of 2.7 to 6 is dissolved in a solvent to form a heavy polymer. Setting control of a polymer solution having a coalescence concentration of 6 to 25% by weight from a spinneret having an average pore diameter of 0.10 to 0.26 mm so that the spinning draft of the polymer solution is in the range of 12 to 50 Thus, a coagulated yarn having a single fiber fineness of 1.4 to 2.3 dtex obtained by spinning, spinning, dry-wet spinning, and drying is obtained, and then the coagulated yarn is drawn at a draw ratio of 1 to 1.9. A method for producing a precursor fiber bundle for a polyacrylonitrile-based carbon fiber, characterized in that a drawn fiber having a single fiber fineness of 1.2 to 1.8 dtex is drawn at a double. 凝固糸の引き取り速度が20〜200m/分である請求項6記載のポリアクリロニトリル系炭素繊維用前駆体繊維束の製造方法。   The method for producing a precursor fiber bundle for polyacrylonitrile-based carbon fibers according to claim 6, wherein the take-up speed of the coagulated yarn is 20 to 200 m / min. 請求項6または7記載の製造方法によって得られたポリアクリロニトリル系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1,100〜3,000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化処理するに際し、単繊維当たり最大張力を10〜100mgにするポリアクリロニトリル系連続炭素繊維束の製造方法。   A precursor fiber for polyacrylonitrile-based carbon fiber obtained by the production method according to claim 6 or 7 is subjected to flameproofing treatment in air at a temperature of 200 to 300 ° C, and then an inert atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C. Process for producing a polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle having a maximum tension of 10 to 100 mg per single fiber when carbonized in an inert atmosphere at a temperature of 1,100 to 3,000 ° C. .
JP2009076111A 2009-03-26 2009-03-26 Polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle and method for producing the same Expired - Fee Related JP5434187B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009076111A JP5434187B2 (en) 2009-03-26 2009-03-26 Polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle and method for producing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009076111A JP5434187B2 (en) 2009-03-26 2009-03-26 Polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle and method for producing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2010229578A JP2010229578A (en) 2010-10-14
JP5434187B2 true JP5434187B2 (en) 2014-03-05

Family

ID=43045655

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009076111A Expired - Fee Related JP5434187B2 (en) 2009-03-26 2009-03-26 Polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle and method for producing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5434187B2 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5473468B2 (en) * 2009-08-10 2014-04-16 三菱レイヨン株式会社 Carbon fiber precursor fiber bundle, method for producing the same, and carbon fiber bundle
JP5794737B2 (en) * 2012-07-02 2015-10-14 住友ゴム工業株式会社 Artificial grass
JP6020202B2 (en) * 2013-01-25 2016-11-02 東レ株式会社 Carbon fiber bundle and method for producing the same
JP6020201B2 (en) * 2013-01-25 2016-11-02 東レ株式会社 Carbon fiber bundle and method for producing the same
JP6139318B2 (en) * 2013-07-26 2017-05-31 東邦テナックス株式会社 Carbon fiber manufacturing method
WO2016204240A1 (en) * 2015-06-18 2016-12-22 帝人株式会社 Fibrous carbon, method for manufacturing same, electrode mixture layer for non-aqueous-electrolyte secondary cell, electrode for non-aqueous-electrolyte secondary cell, and non-aqueous-electrolyte secondary cell
JP2018100885A (en) * 2016-12-20 2018-06-28 国立大学法人岐阜大学 Method for measuring strength of regenerated carbon fiber
JP7343538B2 (en) * 2021-03-18 2023-09-12 株式会社豊田中央研究所 Carbon fiber and its manufacturing method

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62265329A (en) * 1986-05-13 1987-11-18 Toho Rayon Co Ltd Carbonaceous reinforcing fiber aggregate
JPH11217734A (en) * 1997-11-21 1999-08-10 Toray Ind Inc Carbon fiber and its production
JP4360233B2 (en) * 2004-03-11 2009-11-11 東レ株式会社 Golf shaft
KR101342176B1 (en) * 2006-10-18 2013-12-16 도레이 카부시키가이샤 Polyacrylonitrile polymer, process for production of the polymer, process for production of precursor fiber for carbon fiber, carbon fiber, and process for production of the carbon fiber

Also Published As

Publication number Publication date
JP2010229578A (en) 2010-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101146843B1 (en) Carbon-fiber precursor fiber, carbon fiber, and processes for producing these
JP5434187B2 (en) Polyacrylonitrile-based continuous carbon fiber bundle and method for producing the same
KR101342176B1 (en) Polyacrylonitrile polymer, process for production of the polymer, process for production of precursor fiber for carbon fiber, carbon fiber, and process for production of the carbon fiber
KR101335140B1 (en) Carbon fiber, process for production of polyacrylonitrile-base precursor fiber for carbon fiber production, and process for production of carbon fiber
JP4910729B2 (en) Method for producing carbon fiber precursor fiber, carbon fiber and method for producing the same
JP5691366B2 (en) Carbon fiber manufacturing method
JP4924469B2 (en) Carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber
JP4617940B2 (en) Polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber precursor fiber, carbon fiber precursor fiber, and method for producing carbon fiber
JP5109936B2 (en) Carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber
JP5811305B1 (en) Carbon fiber and method for producing the same
JP5151809B2 (en) Method for producing carbon fiber precursor fiber
JP2009079343A (en) Method for producing precursor fiber for carbon fiber and carbon fiber
JP4983709B2 (en) Carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber
JP5066952B2 (en) Method for producing polyacrylonitrile-based polymer composition, and method for producing carbon fiber
JP5146394B2 (en) Method for producing carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber
JP2008308777A (en) Carbon fiber and method for producing polyacrylonitrile-based precursor fiber for producing carbon fiber
JP5504859B2 (en) Carbon fiber precursor fiber bundle, carbon fiber bundle and their production method
JP2007321267A (en) Method for producing polyacrylonitrile-based fiber and carbon fiber
JP5141591B2 (en) Carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber
JP2011122254A (en) Carbon fiber precursor fiber bundle, carbon fiber bundle, and method for producing them
JP2007113154A (en) Polyacrylonitrile-based polymer for carbon fiber precursor fiber, and method for producing carbon fiber precursor fiber and carbon fiber
JP2017133123A (en) Carbon fiber and method for producing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120316

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20131015

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20131112

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20131125

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5434187

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees