JP7254448B2 - Carbon fiber, carbonization method, and method for producing carbon fiber - Google Patents

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Description

本発明は均一構造の炭素繊維並びにその炭素化方法及び炭素繊維の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a carbon fiber having a uniform structure, a method for carbonizing the carbon fiber, and a method for producing the carbon fiber.

炭素繊維は、比強度・比弾性率に優れ、軽量であるため、熱硬化性及び熱可塑性樹脂の強化繊維として、従来のスポーツ・一般産業用途だけでなく、航空・宇宙用途、自動車用途など、幅広い用途に利用されている。近年、炭素繊維複合材料の優位性はますます高まり、特に自動車、航空・宇宙用途において、炭素繊維複合材料の性能および生産性の向上に対する要求が高い。複合材料としての特性は炭素繊維そのものの特性に起因するところが大きく、炭素繊維自身への特性向上に対する要求が強まると同時に、炭素繊維自身の生産性の向上も望まれている。
一般的に、炭素繊維は、前駆体繊維に耐炎化処理を施して耐炎化繊維を得、更にこの耐炎化繊維に炭素化処理を施して得られることは広く知られており、またこの方法は工業的にも実施されている。
従来から、耐炎化工程において繊維内部に生じるスキンコア構造を低減する技術が提案されている。例えば、特許文献1には、前駆体繊維の耐炎化工程における繊維の昇温速度を小さくすることにより、単繊維の中心部と外周部との構造ムラの低減を図る技術が提案されている。
しかしながら、耐炎化工程において生じた構造ムラのある耐炎化繊維を炭素化して均一な構造の炭素繊維を得る技術についてはまだ確立されていない。
Carbon fiber has excellent specific strength and specific modulus and is lightweight, so it can be used as a reinforcing fiber for thermosetting and thermoplastic resins, not only for conventional sports and general industrial applications, but also for aerospace applications, automobile applications, etc. Used for a wide range of purposes. In recent years, the superiority of carbon fiber composite materials has increased more and more, and there is a high demand for improving the performance and productivity of carbon fiber composite materials, especially in automobiles, aerospace applications. The properties of composite materials are largely due to the properties of carbon fibers themselves, and the demand for improving the properties of carbon fibers themselves is increasing.
In general, it is widely known that carbon fibers are obtained by subjecting a precursor fiber to a flameproofing treatment to obtain a flameproofed fiber, and further subjecting the flameproofed fiber to a carbonization treatment. It is also practiced industrially.
Conventionally, there have been proposed techniques for reducing the skin-core structure that occurs inside the fiber in the flameproofing process. For example, Patent Literature 1 proposes a technique for reducing structural unevenness between the central portion and the outer peripheral portion of a single fiber by reducing the heating rate of the fiber in the flameproofing step of the precursor fiber.
However, a technique for obtaining carbon fibers having a uniform structure by carbonizing flame-resistant fibers having structural irregularities generated in the flame-resistant process has not yet been established.

特開2006―274518号公報JP-A-2006-274518

本発明は、上記した課題に鑑み、構造ムラのある耐炎化繊維から製造された均一構造の炭素繊維並びにその炭素化方法及び製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a carbon fiber having a uniform structure produced from a flameproof fiber having uneven structure, a method for carbonizing the same, and a method for producing the same.

本発明の一態様に係る炭素繊維は、単繊維の結晶サイズの最大値と最小値との差が、0.1nm以下である。本発明の一態様に係る炭素繊維は、単繊維の結晶配向度の最大値と最小値との差が、1%以下である。
本発明の一態様に係る炭素化方法は、前駆体繊維を耐炎化した耐炎化繊維を炭素化する炭素化方法において、500K/分以上の昇温速度で、1.50~1.70g/cmの範囲内の密度になるまで、前記耐炎化繊維を加熱する。
本発明の一態様に係る炭素繊維の製造方法は、前駆体繊維を耐炎化した耐炎化繊維を炭素化する炭素繊維の製造方法において、500K/分以上の昇温速度で、1.50~1.70g/cmの範囲内の密度になるまで、前記耐炎化繊維を加熱する。
In the carbon fiber according to one aspect of the present invention, the difference between the maximum and minimum crystal sizes of single fibers is 0.1 nm or less. In the carbon fiber according to one aspect of the present invention, the difference between the maximum value and the minimum value of the degree of crystal orientation of the single fiber is 1% or less.
A carbonization method according to an aspect of the present invention is a carbonization method for carbonizing flame-resistant fibers obtained by flame-resistant precursor fibers, at a temperature increase rate of 500 K/min or more, and 1.50 to 1.70 g/cm Heat the flameproofed fiber to a density in the range of 3 .
A method for producing a carbon fiber according to one aspect of the present invention is a method for producing a carbon fiber in which a precursor fiber is flame-resistant and the flame-resistant fiber is carbonized. Heat the flameproofed fiber to a density in the range of .70 g/cm 3 .

本発明の一態様に係る炭素繊維は、均一な構造を有する。
本発明の一態様に係る炭素化方法により、均一な構造に炭素化できる。
本発明の一態様に係る炭素繊維の製造方法により、均一な構造の炭素繊維を製造できる。
A carbon fiber according to one aspect of the present invention has a uniform structure.
The carbonization method according to one aspect of the present invention enables carbonization into a uniform structure.
Carbon fibers having a uniform structure can be produced by the method for producing carbon fibers according to one aspect of the present invention.

スキンコア構造を説明するための模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a skin core structure; 炭素繊維の製造工程を示す概略図である。It is a schematic diagram showing a manufacturing process of carbon fiber.

<<概要>>
発明者らは、前駆体繊維から炭素繊維を製造する炭素化工程に着目して検討を重ね、スキンコア構造を有する耐炎化繊維を用い、特定の条件で炭素化を行うことで、均一な構造の炭素繊維が得られることが判明した。
ここでスキンコア構造について図1を用いて説明する。
スキンコア構造は、表面部であって酸化が進行したスキン層Aと、中央部であって酸化が進行していないコア層Bとを有する2重構造をいう。
光学顕微鏡で観察すると、スキン層Aは外周部の色味の濃い領域であり、コア層Bは内周部の色味の薄い領域である。
なお、スキンコア構造は、光学顕微鏡による耐炎化繊維の断面観察において、その断面における1つの繊維の全断面積に対するコア層面積の比率をコア率として評価することができる。
<<Overview>>
The inventors focused on the carbonization process for producing carbon fibers from precursor fibers and conducted repeated studies, using flame-resistant fibers having a skin-core structure and carbonizing them under specific conditions to obtain a uniform structure. It was found that carbon fibers were obtained.
Here, the skin core structure will be described with reference to FIG.
The skin-core structure refers to a double structure having a skin layer A, which is a surface portion and has been oxidized, and a core layer B, which is a central portion and has not been oxidized.
When observed with an optical microscope, the skin layer A is a dark-colored outer peripheral region, and the core layer B is a light-colored inner peripheral region.
The skin-core structure can be evaluated as the ratio of the core layer area to the total cross-sectional area of one fiber in the cross-section, which is obtained by observing the cross-section of the flame-resistant fiber with an optical microscope.

<<実施形態>>
1.耐炎化工程
(1)耐炎化工程は、前駆体繊維に対して耐炎化する工程である。なお、耐炎化することを耐炎化処理ともいう。
耐炎化工程は、炉内が200~350[℃]の酸化性雰囲気に設定された耐炎化炉内を、前駆体繊維を通すことで行われる。なお、処理空間の温度が高いほど、処理時間が短いほど、コア率が大きくなる。
耐炎化処理は、耐炎化繊維の比重が1.30~1.46[g/cm]の範囲となるように行うことが好ましく、1.34~1.42[g/cm]の範囲となるように行うことがより好ましい。
<<Embodiment>>
1. Flameproofing Step (1) The flameproofing step is a step of making the precursor fiber flameproof. In addition, flameproofing is also referred to as flameproofing treatment.
The flameproofing step is performed by passing the precursor fibers through a flameproofing furnace set in an oxidizing atmosphere of 200 to 350[° C.]. Note that the higher the temperature of the processing space and the shorter the processing time, the higher the core rate.
The flameproofing treatment is preferably performed so that the specific gravity of the flameproof fiber is in the range of 1.30 to 1.46 [g/cm 3 ], more preferably in the range of 1.34 to 1.42 [g/cm 3 ]. It is more preferable to perform so as to be

(2)コア率の算出方法
コア率の算出方法は以下の通りである。
耐炎化繊維の断面観察は、室温硬化型エポキシ樹脂に耐炎化繊維を包埋し、硬化後に研磨した断面に対して行なった。観察には反射顕微鏡を使用した。コア率は、耐炎化繊維の断面画像から明部分の断面積と明部分・暗部分を含む全断面積とを測定し、以下の式(1)に当てはめることで算出した。画像の閾値設定、2値化及び面積の測定は画像処理ソフトウェア(旭化成エンジニアリング社製。A像くん(登録商標))を用いて行った。
コア率 = 明部分の断面積/全断面積 × 100 (1)
(2) Method for calculating core ratio The method for calculating the core ratio is as follows.
The cross section of the flame resistant fiber was observed by embedding the flame resistant fiber in a room temperature curing epoxy resin and polishing the cross section after curing. A reflection microscope was used for observation. The core ratio was calculated by measuring the cross-sectional area of the bright portion and the total cross-sectional area including the bright portion and the dark portion from the cross-sectional image of the flame-resistant fiber and applying it to the following formula (1). Image threshold setting, binarization, and area measurement were performed using image processing software (manufactured by Asahi Kasei Engineering Co., Ltd., Azokun (registered trademark)).
Core ratio = cross-sectional area of light portion/total cross-sectional area x 100 (1)

2.炭素化工程
炭素化工程は、スキンコア構造の耐炎化繊維に対して炭素化して炭素繊維を得る工程である。
なお、炭素化することを炭素化処理ともいう。
炭素化工程は第1炭素化工程と第2炭素化工程とを含む。
第1炭素化工程は、スキンコア構造を有する耐炎化繊維を、密度が1.50~1.70[g/cm]の範囲内となるように、500~1,500[K/分]の昇温温度で加熱する工程である。なお、昇温速度は、炉内に進入する時を基準として、炉内を走行する繊維の温度から算出される。
第2炭素化工程は、第1炭素化工程を終えた繊維を、密度が1.70~1.85[g/cm]の範囲内となるように加熱する工程である。
2. Carbonization Step The carbonization step is a step of carbonizing the flame-resistant fibers having a skin-core structure to obtain carbon fibers.
In addition, carbonization is also called carbonization treatment.
The carbonization process includes a first carbonization process and a second carbonization process.
In the first carbonization step, the flameproof fiber having a skin-core structure is heated at 500 to 1,500 [K/min] so that the density is within the range of 1.50 to 1.70 [g/cm 3 ]. This is a step of heating at an elevated temperature. The rate of temperature increase is calculated from the temperature of the fibers running in the furnace, with the temperature at which the fiber enters the furnace as a reference.
The second carbonization step is a step of heating the fibers that have undergone the first carbonization step so that the density is within the range of 1.70 to 1.85 [g/cm 3 ].

3.炭素繊維
スキンコア構造を有する耐炎化繊維に対して、上記の第1炭素化工程を含む炭素化工程を行うことで、均一な構造の炭素繊維を得ることができる。
(1)結晶サイズ
ここでの均一な構造とは、炭素繊維の結晶サイズ(Lc)において、最大値と最小値の差が0.1[nm]未満のものをいう。また、より均一な構造とは、炭素繊維の結晶サイズ(Lc)において、最大値と最小値の差が0.06[nm]以下のものをいう。
また、ここでの均一な構造とは、炭素繊維の単繊維の結晶配向度の最大値と最小値との差が、1[%]以下のものをいう。より均一な構造とは、単繊維の結晶配向度の最大値と最小値の差が0.9[%]以下のものをいう。なお、結晶配向度の単位は「%」であり、ここでいう最大値と最小値との差は、単に、最大値から最小値を引いたものであり、比率を表すものではない。
これにより、例えば、単繊維の外周の表面に欠陥が生成されても、単繊維の内外層の構造差が小さいため、欠陥に応力が集中し難くなる。これにより、欠陥が破壊の起点となり難い。
3. Carbon Fiber Carbon fibers having a uniform structure can be obtained by performing the carbonization step including the first carbonization step on the flameproof fiber having a skin-core structure.
(1) Crystal size Here, the uniform structure means that the difference between the maximum value and the minimum value of the crystal size (Lc) of the carbon fiber is less than 0.1 [nm]. Further, a more uniform structure means that the difference between the maximum value and the minimum value of the crystal size (Lc) of the carbon fiber is 0.06 [nm] or less.
Further, the uniform structure here means that the difference between the maximum value and the minimum value of the crystal orientation degree of the single fiber of the carbon fiber is 1 [%] or less. A more uniform structure means that the difference between the maximum value and the minimum value of the crystal orientation degree of the single fiber is 0.9 [%] or less. The unit of the degree of crystal orientation is "%", and the difference between the maximum value and the minimum value here is simply the maximum value minus the minimum value, and does not represent a ratio.
As a result, for example, even if a defect is generated on the surface of the outer circumference of the single fiber, stress is less likely to concentrate on the defect because the structural difference between the inner and outer layers of the single fiber is small. This makes it difficult for defects to become starting points of destruction.

結晶サイズLcおよび結晶配向度Π002の測定は、シンクロトロン放射光施設にて実施できる。例えば財団法人高輝度光科学研究センターの大規模放射光施設SPring-8内のフロンティアソフトマター開発産学連合体が所有するビームラインBL03XUにおいて波長0.1305[nm](9,5[keV])のX線をX線フレネルゾーンプレート(FZP)で試料への照射直径が半値全幅で1[μm]となるように集光し、検出分解能[50μm/ピクセル]、検出範囲1032ピクセル×1032ピクセルのX線平面検出器(FPD)にてカメラ長54.2[mm]とし、単糸試料を繊維軸直交方向に1.0[μm]のピッチで走査しながら、各点について露光時間10秒として測定する。なお、繊維軸直交方向は繊維軸と直交する方向である。 The crystal size Lc and crystal orientation Π002 can be measured at a synchrotron radiation facility. For example, the wavelength 0.1305 [nm] (9,5 [keV]) at the beamline BL03XU owned by the frontier soft matter development industry-academia alliance in the large-scale synchrotron radiation facility SPring-8 of the Japan Synchrotron Radiation Research Center X-rays are collected with an X-ray Fresnel zone plate (FZP) so that the irradiation diameter of the sample is 1 [μm] at the full width at half maximum, detection resolution [50 μm / pixel], detection range 1032 pixels × 1032 pixels X With a line plane detector (FPD) and a camera length of 54.2 [mm], while scanning the single yarn sample at a pitch of 1.0 [μm] in the direction perpendicular to the fiber axis, each point was measured with an exposure time of 10 seconds. do. The direction perpendicular to the fiber axis is the direction perpendicular to the fiber axis.

欧州シンクロトロン放射光研究所のウェブページより入手できる解析プログラムFit2D(http://www.esrf.eu/computing/scientific/FIT2D/ より配付)を用いて、測定で得られた二次元tifデータの黒鉛の(002)面の回折ピークについて赤道プロファイルおよび方位角プロファイルを抽出する。赤道プロファイルは、黒鉛の(002)面の回折ピークと低角側に非晶質ピークを仮定して、ガウス関数でのピークフィッティングを行い、黒鉛の(002)面の回折ピークの半値全幅から結晶サイズを求める。方位角プロファイルは、ガウス関数フィッティングの半値全幅から配向度を求める。繊維直径方向の位置較正は、各測定位置における方位角プロファイル強度の繊維軸直交方向分布を楕円関数でフィッティングして、繊維中心および両端(エッジ)を決定する。 Two-dimensional tif data obtained by measurement using the analysis program Fit2D (distributed from http://www.esrf.eu/computing/scientific/FIT2D/) available from the web page of the European Synchrotron Radiation Research Institute Equatorial and azimuthal profiles are extracted for the diffraction peak of the (002) plane of graphite. The equatorial profile is obtained by assuming a diffraction peak of the (002) plane of graphite and an amorphous peak on the low-angle side, performing peak fitting with a Gaussian function, and determining the full width at half maximum of the diffraction peak of the (002) plane of graphite. ask for size. The azimuth angle profile obtains the degree of orientation from the full width at half maximum of Gaussian function fitting. Fiber diametric position calibration determines the fiber center and ends (edges) by fitting the cross-fiber axis distribution of the azimuthal profile intensity at each measurement position with an elliptic function.

4.製造方法
上記「1.耐炎化工程」で説明したスキンコア構造の耐炎化繊維の製造方法及び上記「2.炭素化工程」を含んだ炭素繊維の製造方法について説明する。
ここでは、前駆体繊維がアクリロニトリル系繊維である場合を例にとって説明する。
4. Manufacturing Method A method for manufacturing the flame-resistant fiber having a skin-core structure described in the above "1. Flame-resistant step" and a method for manufacturing the carbon fiber including the above-described "2. Carbonization step" will be described.
Here, a case where the precursor fiber is an acrylonitrile fiber will be described as an example.

(1)炭素繊維の製造工程
図2は、炭素繊維の製造工程を示す概略図である。
炭素繊維は、前駆体繊維であるプリカーサを用いて製造される。1本のプリカーサは、複数本、例えば、24,000本のフィラメントが束になったものである。場合によっては、前駆体繊維束や炭素繊維束ということもある。
プリカーサ1aは、アクリロニトリルを90[質量%]以上、好ましくは95[質量%]以上含有する単量体を重合した紡糸溶液を湿式紡糸法又は乾湿式紡糸法において紡糸した後、水洗・乾燥・延伸して得られる。なお、共重合する単量体としては、アクリル酸アルキル、メタクリル酸アルキル、アクリル酸、アクリルアミド、イタコン酸、マレイン酸等が利用される。
通常、プリカーサ1aを製造する速さと、プリカーサ1aを耐炎化及び炭素化して炭素繊維を製造する速さが異なる。このため、製造されたプリカーサ1aは、一旦、カートンに収容されたり、ボビンに巻き取られたりする。
前駆体繊維のフィラメント数は、製造効率の面では1,000本以上が好ましく、12,000本以上がより好ましく、24,000本以上が特に好ましい。
(1) Manufacturing process of carbon fiber FIG. 2 is a schematic diagram showing a manufacturing process of carbon fiber.
Carbon fibers are manufactured using precursors, which are precursor fibers. A single precursor is a bundle of filaments, for example, 24,000 filaments. Depending on the case, it may be called a precursor fiber bundle or a carbon fiber bundle.
The precursor 1a is obtained by spinning a spinning solution obtained by polymerizing a monomer containing 90 [mass%] or more, preferably 95 [mass%] or more of acrylonitrile by a wet spinning method or a dry-wet spinning method, followed by washing, drying, and stretching. obtained by As monomers to be copolymerized, alkyl acrylate, alkyl methacrylate, acrylic acid, acrylamide, itaconic acid, maleic acid and the like are used.
Generally, the speed of producing the precursor 1a differs from the speed of making the precursor 1a flameproof and carbonizing to produce carbon fibers. Therefore, the manufactured precursor 1a is temporarily housed in a carton or wound on a bobbin.
The number of filaments of the precursor fiber is preferably 1,000 or more, more preferably 12,000 or more, and particularly preferably 24,000 or more, in terms of production efficiency.

プリカーサ1aは、図2に示すように、例えばボビン30から引き出され、下流側に向かって走行する。その途中で、各種の処理がなされて、炭素繊維としてボビン39に巻き取られる。
炭素繊維は、図2に示すように、プリカーサ1aを耐炎化する耐炎化工程と、耐炎化された繊維(以下、「耐炎化繊維」という。)1bを延伸させながら炭素化する炭素化工程と、炭素化された繊維(以下、「炭素化後繊維」ともいう。)1dの表面を改善する表面処理工程と、表面が改善された繊維1eにサイジング剤を付着させるサイジング工程と、サイジング剤が付着した繊維1fを乾燥させる乾燥工程とを経て製造される。
乾燥された繊維1gは、炭素繊維1gとしてボビン39に巻き取られる。なお、各工程を終えた繊維を、例えば耐炎化繊維1bのように、区別しているが、単に「繊維」として説明する際の符号は、「1」を用いる。
ここで、炭素化後繊維1dの表面を改善する処理を表面処理、表面が改善された繊維1eにサイジング剤を付着させる処理をサイジング処理、サイジング剤が付着した繊維1fを乾燥させる処理を乾燥処理とそれぞれいう。以下、各工程及び各処理について説明する。
As shown in FIG. 2, the precursor 1a is pulled out from, for example, a bobbin 30 and runs downstream. On the way, it undergoes various treatments and is wound around a bobbin 39 as carbon fiber.
As shown in FIG. 2, the carbon fiber is produced through a flameproofing step of making the precursor 1a flameproof and a carbonization step of carbonizing the flameproofed fiber (hereinafter referred to as "flameproof fiber") 1b while stretching. , a surface treatment step of improving the surface of the carbonized fiber (hereinafter also referred to as “post-carbonized fiber”) 1d, a sizing step of attaching a sizing agent to the fiber 1e with the improved surface, and a sizing agent It is manufactured through a drying process for drying the adhering fibers 1f.
1 g of dried fiber is wound on a bobbin 39 as 1 g of carbon fiber. The fibers that have undergone each step are distinguished, for example, as the flame-resistant fiber 1b, but the reference numeral "1" is used when simply describing them as "fibers".
Here, the treatment for improving the surface of the fiber 1d after carbonization is the surface treatment, the treatment for attaching the sizing agent to the fiber 1e with the improved surface is the sizing treatment, and the treatment for drying the fiber 1f with the sizing agent attached is the drying treatment. said respectively. Each step and each treatment will be described below.

(1-1)耐炎化工程(耐炎化処理)
耐炎化工程は、200~350[℃]の範囲内の温度であって酸化性雰囲気に設定された耐炎化炉3を利用して行う。具体的には、耐炎化は、空気雰囲気中の耐炎化炉3内をプリカーサ1aが通過することで行われる。なお、酸化性雰囲気は、酸素、二酸化窒素等を含んでもよい。
耐炎化工程では、上流側から下流側に移るにしたがって、炉内の温度が高くなっている。これは、プリカーサ1aの切断を誘発させずに効率よく耐炎化を行うためである。
耐炎化工程での加熱時間は40~80[分]の範囲内である。ここでの耐炎化は、プリカーサ1aの密度が1.5[g/cm]以下となるように、温度、加熱時間等が設定されている。
耐炎化工程中のプリカーサ1aは、製造する炭素繊維1gの特性に合わせて所定の張力で延伸される。耐炎化工程での延伸倍率は、-10~+10[%]の範囲内であることが好ましく、-5~0[%]の範囲内であることがより好ましい。プリカーサ1aの延伸は複数のローラにより行われる。例えば、延伸は、耐炎化炉3の入口のローラ5,7や出口のローラ9,11,13により行われる。
(1-1) Flameproofing step (flameproofing treatment)
The flameproofing process is performed using a flameproofing furnace 3 set in an oxidizing atmosphere at a temperature within the range of 200 to 350 [° C.]. Specifically, flameproofing is performed by passing the precursor 1a through a flameproofing furnace 3 in an air atmosphere. Note that the oxidizing atmosphere may contain oxygen, nitrogen dioxide, or the like.
In the flameproofing process, the temperature inside the furnace increases from the upstream side to the downstream side. This is for efficient flameproofing without inducing breakage of the precursor 1a.
The heating time in the flameproofing process is within the range of 40 to 80 [minutes]. In this flameproofing, the temperature, heating time, etc. are set so that the density of the precursor 1a is 1.5 [g/cm 3 ] or less.
The precursor 1a during the flameproofing step is drawn with a predetermined tension in accordance with the properties of the carbon fiber 1g to be produced. The draw ratio in the flameproofing step is preferably in the range of -10 to +10 [%], more preferably in the range of -5 to 0 [%]. Drawing of the precursor 1a is performed by a plurality of rollers. For example, stretching is performed by rollers 5 and 7 at the entrance of the flameproofing furnace 3 and rollers 9, 11 and 13 at the exit.

(1-2)炭素化工程(炭素化処理)
炭素化工程は、耐炎化繊維1bを加熱することで熱分解反応を生じさせて炭素化を行う工程である。炭素化は、耐炎化繊維1bが第1炭素化炉15を通過し、さらに、第1炭素化炉15を通過した繊維1cが第2炭素化炉17を通過することで行われる。
(1-2) Carbonization step (carbonization treatment)
The carbonization step is a step of heating the flameproof fiber 1b to cause a pyrolysis reaction to carbonize the fiber. Carbonization is performed by passing the flameproof fibers 1 b through the first carbonization furnace 15 and passing the fibers 1 c that have passed through the first carbonization furnace 15 through the second carbonization furnace 17 .

ここで、第1炭素化炉15で行われる炭素化を「第1炭素化」とし、第1炭素化炉15で行われる処理を「第1炭素化処理」とし、第1炭素化炉15で行われる工程を「第1炭素化工程」とする。
同様に、第2炭素化炉17で行われる炭素化を「第2炭素化」とし、第2炭素化炉17で行われる処理を「第2炭素化処理」とし、第2炭素化炉17で行われる工程を「第2炭素化工程」とし、第2炭素化処理や第2炭素化工程を終えた(第2炭素化炉17を出た)繊維1dを「炭素化後繊維」とする。
ここでは、第1炭素化炉15と第2炭素化炉17とは互いに独立した形態で設けられ、各炭素化炉15,17の間には繊維の張力を調整する調整手段を設けることができる。具体的には、第1炭素化炉15の外であって入口側にはローラ19が、第1炭素化炉15と第2炭素化炉17との間にはローラ21が、第2炭素化炉17の外であって出口側にはローラ23がそれぞれ設けられている。
第2炭素化炉17の内部の温度は、第1炭素化炉15の内部の温度よりも高く、第2炭素化炉17の内部での最高の温度が炭素処理工程における最高温度となる。
Here, the carbonization performed in the first carbonization furnace 15 is referred to as "first carbonization", the treatment performed in the first carbonization furnace 15 is referred to as "first carbonization treatment", and the first carbonization furnace 15 The step that is performed is referred to as the "first carbonization step".
Similarly, the carbonization performed in the second carbonization furnace 17 is referred to as “second carbonization”, the treatment performed in the second carbonization furnace 17 is referred to as “second carbonization treatment”, and the second carbonization furnace 17 The process to be performed is referred to as the "second carbonization process", and the fibers 1d that have undergone the second carbonization treatment and the second carbonization process (exited from the second carbonization furnace 17) are referred to as "post-carbonization fibers".
Here, the first carbonization furnace 15 and the second carbonization furnace 17 are provided independently of each other, and adjusting means for adjusting the tension of the fibers can be provided between the carbonization furnaces 15 and 17. . Specifically, outside the first carbonization furnace 15, rollers 19 are provided on the entrance side, rollers 21 are provided between the first carbonization furnace 15 and the second carbonization furnace 17, and the second carbonization furnace 15 is provided. A roller 23 is provided outside the furnace 17 on the exit side.
The temperature inside the second carbonization furnace 17 is higher than the temperature inside the first carbonization furnace 15, and the maximum temperature inside the second carbonization furnace 17 is the maximum temperature in the carbonization step.

第1炭素化工程では、耐炎化繊維を500~1,500[K/分]の昇温速度で加熱する。より好ましい昇温速度は、600~1,200[K/分]である。加熱時間は、処理中の繊維の密度が1.5~1.7[g/cm]の範囲内の所定値になるまでの時間である。上記の昇温速度で加熱する加熱手段としては、例えば、マイクロ波、プラズマ等がある。
第2炭素化工程では、第2炭素化炉の最高温度は目的とする炭素繊維のストランド弾性率に応じて適宜調整すればよく、1,000~2,000[℃]の間であることが好ましい。第2炭素化工程での加熱手段としては、例えば、マイクロ波、プラズマ、電気ヒータ等がある。
In the first carbonization step, the flameproof fiber is heated at a temperature elevation rate of 500 to 1,500 [K/min]. A more preferable heating rate is 600 to 1,200 [K/min]. The heating time is the time required for the density of the fiber being treated to reach a predetermined value within the range of 1.5 to 1.7 [g/cm 3 ]. Examples of heating means for heating at the above-described rate of temperature increase include microwaves and plasma.
In the second carbonization step, the maximum temperature of the second carbonization furnace may be appropriately adjusted according to the desired strand elastic modulus of the carbon fiber, and is between 1,000 and 2,000 [°C]. preferable. Examples of heating means in the second carbonization step include microwaves, plasma, electric heaters, and the like.

(1-3)表面処理工程(表面処理)
表面処理工程は、炭素化後繊維1dが表面処理装置25内を通過することで行われる。表面処理装置25の外であって出口側にはローラ26が設けられている。なお、表面処理することで、炭素繊維1gを利用して複合材料とした場合、炭素繊維1gとマトリックス樹脂との親和性や接着性が向上する。
表面処理は、一般に炭素化後繊維1dの表面を酸化することにより行われる。表面処理として、例えば、液相中又は気相中の処理がある。
液相中での処理は、酸化剤に炭素化後繊維1dを浸漬することによる化学酸化や、炭素化後繊維1dが浸漬する電解液中で通電することによる陽極電解酸化等が工業的に用いられる。気相中での処理は、炭素化後繊維1dを酸化性気体の中を通過させたり、放電等によって発生した活性種を吹き付けたりすることにより行なうことができる。
(1-3) Surface treatment step (surface treatment)
The surface treatment step is performed by passing the carbonized fibers 1 d through the surface treatment device 25 . A roller 26 is provided outside the surface treatment device 25 and on the outlet side. By surface treatment, when 1 g of carbon fiber is used to form a composite material, the affinity and adhesiveness between 1 g of carbon fiber and matrix resin are improved.
The surface treatment is generally performed by oxidizing the surface of the fiber 1d after carbonization. Surface treatments include, for example, treatments in the liquid phase or in the gas phase.
As the treatment in the liquid phase, chemical oxidation by immersing the fiber 1d after carbonization in an oxidizing agent, and anodic electrolytic oxidation by energizing the fiber 1d after carbonization in an electrolytic solution in which the fiber 1d after carbonization is immersed are industrially used. be done. The treatment in the gas phase can be carried out by passing the carbonized fibers 1d through an oxidizing gas or spraying active species generated by electric discharge or the like.

(1-4)サイジング工程(サイジング処理)
サイジング工程は、表面処理された繊維1eがサイジング剤浴27に貯留されているサイジング剤溶液29内を通過することで行われる。なお、サイジング工程により、表面処理された繊維1eの収束性が高まる。
サイジング工程において、表面処理された繊維1eは、サイジング剤浴27の内部やサイジング剤浴27の周辺に配された複数のローラ31,33等により走行方向を変更しながらサイジング剤溶液29内を通過する。サイジング剤溶液29は、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等を溶媒に溶解させた液や、溶媒に分散させたエマルション液が利用される。
(1-4) Sizing step (sizing treatment)
The sizing step is performed by passing the surface-treated fiber 1 e through a sizing agent solution 29 stored in a sizing agent bath 27 . The sizing step enhances the convergence of the surface-treated fibers 1e.
In the sizing process, the surface-treated fibers 1e pass through the sizing agent solution 29 while changing the direction of travel by a plurality of rollers 31, 33, etc. arranged inside and around the sizing agent bath 27. do. As the sizing agent solution 29, for example, a liquid obtained by dissolving an epoxy resin, a urethane resin, a phenol resin, a vinyl ester resin, an unsaturated polyester resin, or the like in a solvent, or an emulsion liquid in which the resin is dispersed in the solvent is used.

(1-5)乾燥工程(乾燥処理)
乾燥工程は、サイジング剤が付着した繊維1fが乾燥炉35内を通過することで行われる。なお、乾燥した繊維1gは、乾燥炉35の外であって下流側のローラ37を介してボビン39に巻き取られる(巻取工程である。)。
(1-5) Drying process (drying treatment)
The drying process is performed by passing the fibers 1f to which the sizing agent is attached through the drying furnace 35. As shown in FIG. Incidentally, 1 g of the dried fiber is wound on a bobbin 39 outside the drying furnace 35 via rollers 37 on the downstream side (this is a winding process).

〔実施例1~2、比較例1~3〕
表1に示す前駆体繊維であるポリアクリロニトリル繊維(単繊維繊度0.8[dtex]、フィラメント数24,000本)に対して、第1炭素化工程及び第2炭素化工程を行った。これを硫酸アンモニウム水液中で電解酸化により表面処理した後、エポキシ系樹脂にてサイジング処理を施した。
このときの各炭素化工程の条件及び炭素繊維の結晶サイズと結晶配向度とを表1に示した。なお、炭素化に使用した耐炎化繊維は実施例及び比較例とも同じであり、耐炎化繊維の特性を表2に示す。なお、耐炎化繊維のコア率は、10[%]であり、スキンコア構造を有している。
[Examples 1 and 2, Comparative Examples 1 and 3]
Polyacrylonitrile fibers (single fiber fineness 0.8 [dtex], number of filaments 24,000), which are precursor fibers shown in Table 1, were subjected to the first carbonization step and the second carbonization step. After surface treatment by electrolytic oxidation in an aqueous solution of ammonium sulfate, this was subjected to sizing treatment with an epoxy resin.
Table 1 shows the conditions of each carbonization step and the crystal size and crystal orientation of the carbon fibers. The flame-resistant fiber used for carbonization was the same in both Examples and Comparative Examples, and Table 2 shows the characteristics of the flame-resistant fiber. The flame-resistant fiber has a core rate of 10% and has a skin-core structure.


Figure 0007254448000001
Figure 0007254448000001

Figure 0007254448000002
Figure 0007254448000002

(1)結晶サイズLc
本発明の炭素化方法を用いた実施例1~2では、炭素繊維の結晶サイズLcの最大値と最小値の差が0.06[nm]以下となり、均一な結晶サイズLcの炭素繊維が得られた。
実施例1と比較例1とは、第1炭素化工程における昇温速度だけが異なり、第2炭素化工程の条件は同じである。第1炭素化工程の昇温速度の違いにより、結晶サイズの最大値と最小値との差に違いが生じた。なお、実施例1と比較例1とでは、第1炭素化工程の昇温速度は異なるが、炭素化温度は略同じである。
同様に、実施例2と比較例2とは、第1炭素化工程における昇温速度だけが異なり、第2炭素化工程の条件は同じである。この場合も、第1炭素化工程の昇温速度の違いにより、結晶サイズの最大値と最小値との差に違いが生じた。なお、実施例2と比較例2とでは、第1炭素化工程の昇温速度は異なるが、炭素化温度は略同じである。また、実施例1、2及び比較例1~3の第1炭素化工程の炭素化温度は略同じである。
このように、第1炭素化の昇温速度が炭素繊維の結晶サイズLcに影響することが判明した。
(1) crystal size Lc
In Examples 1 and 2 using the carbonization method of the present invention, the difference between the maximum value and the minimum value of the crystal size Lc of the carbon fibers was 0.06 [nm] or less, and carbon fibers with a uniform crystal size Lc were obtained. was taken.
Example 1 and Comparative Example 1 differ only in the rate of temperature increase in the first carbonization step, and the conditions in the second carbonization step are the same. Differences in the temperature rise rate in the first carbonization step caused differences in the maximum and minimum crystal sizes. In Example 1 and Comparative Example 1, although the heating rate in the first carbonization step is different, the carbonization temperature is substantially the same.
Similarly, Example 2 and Comparative Example 2 differ only in the rate of temperature increase in the first carbonization step, and the conditions in the second carbonization step are the same. In this case as well, the difference in the maximum and minimum crystal sizes was caused by the difference in temperature increase rate in the first carbonization step. In Example 2 and Comparative Example 2, the rate of temperature increase in the first carbonization step is different, but the carbonization temperature is substantially the same. Further, the carbonization temperatures in the first carbonization step of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 are substantially the same.
Thus, it was found that the rate of temperature increase in the first carbonization affects the crystal size Lc of carbon fibers.

実施例2の第1炭素化の昇温速度は600[K/分]であり、比較例1~3の第1炭素化の昇温速度は400[K/分]であった。このことから、第1炭素化の昇温速度が500[K/分]以上で、均一な結晶サイズの炭素繊維が得られると考えられる。なお、第1炭素化の昇温速度が400[K/分]以下では、第2炭素化工程での昇温速度を変化させても、結晶サイズの最大値と最小値との差を小さくできなかった。 The heating rate of the first carbonization in Example 2 was 600 [K/min], and the heating rate of the first carbonization in Comparative Examples 1 to 3 was 400 [K/min]. From this, it is considered that a carbon fiber having a uniform crystal size can be obtained at a heating rate of 500 [K/min] or more in the first carbonization. When the heating rate in the first carbonization step is 400 [K/min] or less, the difference between the maximum and minimum crystal sizes can be reduced even if the heating rate in the second carbonization step is changed. I didn't.

(2)結晶配向度
本発明の炭素化方法を用いた実施例1~2では、炭素繊維の結晶配向度の最大値と最小値の差が0.9[%]以下となり、均一な結晶配向度の炭素繊維が得られた。
実施例1と比較例1とは、第1炭素化工程における昇温速度だけが異なり、第2炭素化工程の条件は同じである。第1炭素化工程の昇温速度の違いにより、結晶配向度の最大値と最小値との差に違いが生じた。
同様に、実施例2と比較例2とは、上述の通り、第1炭素化工程における昇温速度だけが異なり、第2炭素化工程の条件は同じである。第1炭素化工程の昇温速度の違いにより、結晶配向同の最大値と最小値との差に違いが生じた。
このように、第1炭素化の昇温速度が炭素繊維の結晶配向度に影響することが判明した。
(2) Degree of crystal orientation In Examples 1 and 2 using the carbonization method of the present invention, the difference between the maximum value and the minimum value of the degree of crystal orientation of carbon fibers was 0.9 [%] or less, and the crystal orientation was uniform. degree of carbon fiber was obtained.
Example 1 and Comparative Example 1 differ only in the rate of temperature increase in the first carbonization step, and the conditions in the second carbonization step are the same. Differences in the temperature rise rate in the first carbonization step caused differences in the maximum and minimum values of the degree of crystal orientation.
Similarly, as described above, Example 2 and Comparative Example 2 differ only in the rate of temperature increase in the first carbonization step, and the conditions in the second carbonization step are the same. Differences in the temperature rise rate in the first carbonization step caused differences in the maximum and minimum values for the same crystal orientation.
Thus, it was found that the rate of temperature increase in the first carbonization affects the degree of crystal orientation of carbon fibers.

実施例2の第1炭素化の昇温速度は600[K/分]であり、比較例1~3の第1炭素化の昇温速度は400[K/分]であった。このことから、第1炭素化の昇温速度が500[K/分]以上で、均一な結晶配向度の炭素繊維が得られると考えられる。なお、第1炭素化の昇温速度が400[K/分]以下では、第2炭素化工程での昇温速度を変化させても、結晶配向度の最大値と最小値との差を小さくできなかった。 The heating rate of the first carbonization in Example 2 was 600 [K/min], and the heating rate of the first carbonization in Comparative Examples 1 to 3 was 400 [K/min]. From this, it is considered that a carbon fiber having a uniform degree of crystal orientation can be obtained at a heating rate of 500 [K/min] or more in the first carbonization. When the heating rate of the first carbonization is 400 [K/min] or less, even if the heating rate in the second carbonization step is changed, the difference between the maximum value and the minimum value of the degree of crystal orientation is reduced. could not.

<<変形例>>
以上、実施形態に基づいて説明したが、本発明は実施形態に限られない。例えば、以下で説明する変形例と実施形態の何れかを適宜組み合わせてもよいし、複数の変形例を適宜組み合わせてもよい。
<<Modification>>
As mentioned above, although it demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to embodiment. For example, any of the modified examples and embodiments described below may be appropriately combined, or a plurality of modified examples may be appropriately combined.

炭素繊維
「2.製造方法」の項目では、フィラメント数が24,000本の炭素繊維の製造方法について説明したが、フィラメント数が3,000本、6,000本、12,000本等の他の本数の前駆体繊維の炭素化及び炭素繊維の製造方法にも適用できる。
「3.製造方法」の項目では、炭素化工程を含んだ炭素繊維の製造方法について説明したが、例えば、表面処理工程前に、さらに黒鉛化処理を行ってもよい。
Carbon fiber In the item "2. Production method", the method for producing carbon fiber with 24,000 filaments was explained, but other methods such as 3,000, 6,000, 12,000 It can also be applied to a method of carbonizing precursor fibers and producing carbon fibers.
In the item "3. Manufacturing method", the carbon fiber manufacturing method including the carbonization process was described, but for example, graphitization treatment may be further performed before the surface treatment process.

1 繊維
1a プリカーサ
1b 耐炎化繊維
15 第1炭素化炉
17 第2炭素化炉
REFERENCE SIGNS LIST 1 fiber 1a precursor 1b flameproof fiber 15 first carbonization furnace 17 second carbonization furnace

Claims (8)

密度が1.70~1.85g/cm(1.81g/cmを除く)の炭素繊維であって、
単繊維の結晶サイズの最大値と最小値との差が、0.1nm以下である
炭素繊維。
Carbon fibers having a density of 1.70 to 1.85 g/cm 3 (excluding 1.81 g/cm 3 ),
A carbon fiber in which the difference between the maximum and minimum crystal sizes of a single fiber is 0.1 nm or less.
前記単繊維の結晶配向度の最大値と最小値との差が、1%以下である
請求項1に記載の炭素繊維。
The carbon fiber according to claim 1, wherein the difference between the maximum value and the minimum value of the degree of crystal orientation of the single fiber is 1% or less.
密度が1.70~1.85g/cm(1.81g/cmを除く)の炭素繊維であって、
繊維の結晶配向度の最大値と最小値との差が、1%以下である
炭素繊維。
Carbon fibers having a density of 1.70 to 1.85 g/cm 3 (excluding 1.81 g/cm 3 ),
A carbon fiber in which the difference between the maximum value and the minimum value of the degree of crystal orientation of a single fiber is 1% or less.
前記単繊維の結晶サイズの最大値と最小値との差が、0.1nm未満である
請求項1又は2に記載の炭素繊維。
The carbon fiber according to claim 1 or 2, wherein the difference between the maximum and minimum crystal sizes of the single fibers is less than 0.1 nm.
前記単繊維の結晶配向度の最大値と最小値との差が、0.9%以下である
請求項2又は3に記載の炭素繊維。
The carbon fiber according to claim 2 or 3, wherein the difference between the maximum value and the minimum value of the degree of crystal orientation of the single fiber is 0.9% or less.
前駆体繊維を耐炎化した耐炎化繊維が炭素化されてなる、請求項1~5の何れか1項に記載の炭素繊維の製造方法において、
600K/分以上の昇温速度で、1.50~1.70g/cmの範囲内の密度になるまで、前記耐炎化繊維を加熱する
炭素繊維の製造方法。
The method for producing carbon fiber according to any one of claims 1 to 5, wherein the flame-resistant fiber obtained by flame-resistant precursor fiber is carbonized,
A method for producing carbon fiber, wherein the flameproof fiber is heated at a temperature increase rate of 600 K/min or more until the density is within the range of 1.50 to 1.70 g/cm 3 .
前駆体繊維を耐炎化した耐炎化繊維が炭素化されてなる、請求項1~5の何れか1項に記載の炭素繊維の製造方法において、
500K/分以上の昇温速度で、1.50~1.70g/cmの範囲内の密度になるまで、前記耐炎化繊維をマイクロ波又はプラズマを利用して加熱する
炭素繊維の製造方法。
The method for producing carbon fiber according to any one of claims 1 to 5, wherein the flame-resistant fiber obtained by flame-resistant precursor fiber is carbonized,
A method for producing carbon fibers, wherein the flame-resistant fibers are heated using microwaves or plasma at a heating rate of 500 K/min or higher until the density is within the range of 1.50 to 1.70 g/cm 3 .
前駆体繊維を耐炎化した耐炎化繊維が炭素化されてなる、請求項1~5の何れか1項に記載の炭素繊維の製造方法において、
600K/分以上の昇温速度で、1.50~1.70g/cmの範囲内の密度になるまで、前記耐炎化繊維をマイクロ波又はプラズマを利用して加熱する
炭素繊維の製造方法。
The method for producing carbon fiber according to any one of claims 1 to 5, wherein the flame-resistant fiber obtained by flame-resistant precursor fiber is carbonized,
The flameproof fiber is heated using microwaves or plasma at a heating rate of 600 K/min or more until the density is within the range of 1.50 to 1.70 g/cm 3. Method for producing carbon fiber .
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