JPH0233755B2 - - Google Patents

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JPH0233755B2
JPH0233755B2 JP52119100A JP11910077A JPH0233755B2 JP H0233755 B2 JPH0233755 B2 JP H0233755B2 JP 52119100 A JP52119100 A JP 52119100A JP 11910077 A JP11910077 A JP 11910077A JP H0233755 B2 JPH0233755 B2 JP H0233755B2
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JP
Japan
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mesophase
pitch
molecular weight
fibers
pitches
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JP52119100A
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Japanese (ja)
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JPS5386718A (en
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Ronarudo Makuhenrii Edogaa
Chaarezu Ruisu Aauin
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BP Corp North America Inc
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BP Corp North America Inc
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Publication date
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Priority claimed from US05/423,717 external-priority patent/US4032430A/en
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Publication of JPH0233755B2 publication Critical patent/JPH0233755B2/ja
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    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/32Apparatus therefor
    • D01F9/322Apparatus therefor for manufacturing filaments from pitch
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10CWORKING-UP PITCH, ASPHALT, BITUMEN, TAR; PYROLIGNEOUS ACID
    • C10C3/00Working-up pitch, asphalt, bitumen
    • C10C3/002Working-up pitch, asphalt, bitumen by thermal means
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/145Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from pitch or distillation residues

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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
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  • Materials Engineering (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Working-Up Tar And Pitch (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、メソ相ピツチの製造法に関する。特
に、本発明は、高弾性高強度炭素繊維の製造等に
おいて有用なメソ相ピツチを製造するに際し、減
圧を使用することを特徴とするメソ相ピツチの製
造法に関するものである。かくして、本願発明に
よれば、所定温度においてこれまで可能であつた
よりも実質上短かい期間でそのメソ相含量を生ぜ
しめることが可能である。 近年における航空機、宇宙飛行体及びミサイル
産業の急速に拡がる生長の結果として、物理的性
質のユニークで且つ特別な組合せを示す材料に対
する必要性が起つてきた。かくして、航空機、大
気圏再突入飛行体及び宇宙飛行体の製作の如き用
途で、並びに海底浸漬耐圧容器及び類似物の製造
で用いるには、高い強度及び剛性によつて特徴づ
けられ同時に軽量である材料が必要とされた。現
在の技術はかゝる材料を供給することができず、
そしてこの必要性を満足させる研究は複合物品の
製作に集中していた。 複合形態で用いるために提案された最とも有望
な材料のうちの1つは高強度高弾性炭素紡繊繊維
であり、そしてこの炭素繊維は航空機、宇宙飛行
体及びミサイルの各産業におけるこの急速な成長
が起りつゝある正にこの時に市場に出されたので
ある。かゝる紡繊繊維はプラスチツク及び金属の
両方のマトリクス中に組込まれて異例な程高い強
度―及び高い弾性対重量比並びに他の例外的な特
性を有する複合体が製造された。しかしながら、
かゝる複合体に用いる高強度高弾性炭素紡繊繊維
を製造する際の高いコストは、かゝる複合体が顕
著な性質を示すにもかゝわらず、それらの普及し
た使用に対する大きな障害であつた。 高弾性高強度炭素繊維を低コストで製造する1
つの最近提案された方法は、“メソ相ピツチから
製造した高弾性高強度炭素繊維”と題する米国特
許第4005183号明細書に記載されている。かゝる
方法は、液晶又はいわゆる“メソ相”状態に予め
一部分転移させた炭素質ピツチから炭素質繊維を
先ず紡糸し、次いで、そのようにして製造した繊
維を酸素含有ガス中でそれを不融性にするのに十
分な時間加熱することによつて熱硬化し、そして
最後に、熱硬化繊維を不活性雰囲気中において水
素及び他の揮発物を除去し且つ実質上全部が炭素
の繊維を生成するのに十分なだけ高められた温度
に加熱することによつて炭素化することを包含す
る。この態様で製造した炭素繊維は、繊維軸に対
して優勢的に平行に整列された炭素微結晶の存在
によつて特徴づけられる高度に配向された構造を
有し、そして、グラフアイト化温度への加熱時に
多結晶質グラフアイトの三次元配列特性並びにそ
れに関する高密度及び低い抵抗率の如きグラフア
イト様特性を発現するグラフアイト化可能な物質
である。延伸時の状態からグラフアイト化状態へ
の展開のすべての段階において、その繊維は、繊
維軸に対して優勢的に平行に整列された大きい配
向した細長いグラフアイト化可能な分域(ドーメ
イン又は小領域)の存在によつて特徴づけられ
る。 芳香族ベースを有する天然又は合成ピツチを静
的条件下に一定の温度か又は徐々に上昇する温度
のどちらかでの約350〜500℃の温度で加熱する
と、小さい不溶性液球体がピツチ中に現われ始
め、そしてその寸法は加熱を続けるにつれて徐々
に大きくなる。電子回折及び偏光技術によつて試
験すると、これらの球体は、同じ方法に整列され
た配向分子の層よりなることが示される。これら
の球体は加熱を続けるにつれて寸法が生長し続け
るので、それらは互いに接触状態になりそして互
いに徐々に合体して整列した層のより大きい質量
を生成する。合体が続くにつれて、元の球体より
もずつと大きい整列分子の分域が形成される。こ
れらの分域(ドーメイン又は小領域)は一緒にな
つて凝集メソ相を形成するが、こゝにおいて、1
つの配向分域から他の分域への転移は、徐々に曲
る板晶(ラメラ)を経てそしてしばしばより鋭く
曲る板晶を経てしばしば平滑に且つ連続的に起
る。各分域間における配向差は、分子配列におけ
る種々な形式の線不連続性に相当する凝集メソ相
に偏光吸光輪郭の複雑な整列を生じる。生成した
配向分域の最終寸法は、それらを形成したところ
のメソ相の粘度及びその粘度の向上率(これら
は、特定のピツチ及び加熱速度に左右される)に
依存する。ある種のピツチでは、200ミクロン以
上から1000ミクロン以上までの寸法を有する分域
が形成される。他のピツチでは、メソ相の粘度
は、層のごく限定された合体及び構造転化が起つ
て最終分域寸法が100ミクロンを越えない程であ
る。 この態様でピツチを処理することによつて製造
した高度に配向され、光学的に異方性で、不溶性
の物質は用語“メソ相”が与えられ、そしてかゝ
る物質を含有するピツチは“メソ相ピツチ”とし
て知られている。かゝるピツチは、それらの軟化
点よりも高く加熱されると、2種の本質上不混和
性の液体、即ち光学的に異方性の配向メソ相部分
と等方性の非メソ相部分との混合物になる。用語
「メソ相」は、ギリシヤ語の“メソ”又は“中間”
から誘導され、そしてこの高強に配向された光学
的に異方性の物質の偽結晶性を示す。 熱処理によつて高い弾性ヤング率及び高い引張
強度を有する炭素繊維に転化できる繊維に紡糸す
るには、約40重量%〜約90重量%のメソ相含量を
有する炭素質ピツチが好適である。しかしなが
ら、かゝるピツチから所望の繊維を得るために
は、かゝる量のメソ相が存在することが必要であ
るのみならず、それが静的条件下に大きい合体し
た分域即ち寸法が200ミクロン以上から1000ミク
ロン以上までの整列分子の分域(ドーメイン又は
小領域)を有する均質な凝集メソ相を形成するこ
とも必要である。静的条件下とは、撹拌せずに沈
降させた場合を意味する。大きい合体した分域よ
りもむしろ小さい配向領域を有しそして静的条件
下に繊維状の凝集メソ相を形成するピツチは不適
当である。かゝるピツチは、200ミクロン以上の
寸法を有する大きい合体した分域を生成するには
不十分なごく限定された合体を受ける高い粘度を
有するメソ相を形成する。その代わり、メソ相の
小さい配向分域は、アグロメレート化して最終の
分域寸法が100ミクロンを起えないところの塊又
は繊維状体を形成する。極めて迅速に重合するあ
る種のピツチがこの種のものである。同様に、均
質な凝集メソ相を形成しないピツチは不適当であ
る。後者の現象は、合体するメソ相によつて包囲
されそして合体した分域の均一性及び不均一性並
びにそれらの間の境界を断つ働きをする不融性固
形物(これは、元のピツチに存在するか又は加熱
時に発現する)の存在によつて引起こされる。 他の要件としては、ピツチはその繊維への紡糸
時に用いる条件下に非チキソトロープ性であるこ
と、即ち、それは流れが均一で且つ十分に挙動す
るようにニユートン又は塑性流れ挙動を示さなけ
ればならないことである。かゝるピツチをそれら
が約10〜約200ポイズの粘度を示すところの温度
に加熱すると、それから均一な繊維を容易に紡糸
することができる。他方、紡糸温度においてニユ
ートン又は塑性流れ挙動を示さないピツチは、熱
処理によつて高い弾性ヤング率及び高い引張強度
を有する炭素繊維に転化できる均一な繊維をそこ
から紡糸することができない。 約40重量%〜約90重量%のメソ相含量を有する
炭素質ピツチは、上記の米国特許願第338147号に
開示される如き公知技術に従つて、炭素質ピツチ
を不活性雰囲気中において約350℃よりも高い温
度で所望量のメソ相を生成するのに十分な時間加
熱することによつて調製することができる。用語
「不活性雰囲気」は、用いる加熱条件下にピツチ
と反応しない窒素、アルゴン、キセノン、ヘリウ
ム等の如き雰囲気を意味する。所望のメソ相含量
を生成するのに必要とされる加熱期間は用いるピ
ツチの種類及び温度に応じて変動し、そして低い
温度では高い温度よりも長い加熱期間を必要とす
る。メソ相を生成するのに一般に必要とされる最
低温度である350℃では、約40%のメソ相含量を
生成するには少なくとも1週間の加熱が通常必要
である。約400〜450℃の温度では、メソ相への転
化は急速に進行し、そしてかゝる温度においては
約1〜40時間内に50%のメソ相含量を通常生成す
ることができる。この理由のために、かゝる温度
が一般に用いられる。約500℃よりも高い温度は
望ましくなく、そしてこの温度での加熱はコーク
スへのピツチの転化を回避するために約5分間以
上用いられるべきでない。 所定のメソ相含量を有するメソ相ピツチを生成
するのに必要とされる時間は調製温度が上るにつ
れて短かくされるけれども、高められた温度での
加熱は、ピツチのメソ相及び非メソ相部分の両方
の分子量分布を変えることによつてピツチの流動
学的性質に悪影響を及ぼすことが分つた。かくし
て、高められた温度での加熱は、ピツチのメソ相
部分における高分子量分子の量を増加する傾向が
ある。同時に、かゝる温度での加熱は、ピツチの
非メソ相部分における低分子量分子の量の増加も
もたらす。その結果として、高められた温度にお
いて比較的短時間で調製された所定のメソ相含量
を有するメソ相ピツチは、適度な温度において長
時間にわたつて調製された同様のメソ相含量のメ
ソ相ピツチよりもピツチのメソ相部分に高い平均
分子量及び非メソ相部分に低い平均分子量を持つ
ことが分つた。この広い分子量分布は、ピツチの
流動性及び紡糸性に悪影響を及ぼすことが分つ
た。これは、明らかに、ピツチのメソ相部分の極
めて高い分子量の部分とピツチの非メソ相部分の
極めて低い分子量の部分との間における相溶性の
低い度合のためである。ピツチのメソ相部分にお
ける極めて高い分子量の物質は、ピツチの非メソ
相部分における極めて低い分子量の分子が揮発す
る傾向が大きく増大されるところの極めて高い温
度において適切に可塑化され得るのみである。そ
の結果として、かゝるピツチをそれらが紡糸に好
適な粘度を有するところの温度に加熱しそしてそ
こから繊維を製造する試みをなす場合には、揮発
物の過度な除去が生じ、これはピツチを小さい且
つ均一な直径の繊維に加工することに対してひど
く干渉する。この理由のために、好ましい流動学
的性質をピツチに付与するところの比較的適度な
製造温度においてメソ相ピツチを生成するのに必
要とされる時間を短縮するための手段が探求され
た。 こゝに本発明に従えば、所定のメソ相含量を有
するメソ相ピツチは、もしピツチにメソ相の形成
間に減圧を施こすならば、所定の温度においてこ
れまで可能であるよりも実質上短かい時間で調製
できることが分つた。この態様でのピツチの減圧
処理は、ピツチの低分子量重合副生物と一緒に最
初に存在する揮発性低分子量成分を除去するのを
補助し、そして前駆体ピツチのメソ相ピツチへの
より効率的な転化をもたらす。この態様で、約40
重量%〜約90重量%のメソ相含量を有するメソ相
ピツチは、所定温度において、かゝる処理の不在
下で通常必要とされる速度の2倍以上までの速度
で、即ち、メソ相を減圧の不在下に生成するとき
に通常必要とされる時間の半分以下程度の時間で
調製することができる。 更に本発明によれば、所定のメソ相含量を有す
るメソ相ピツチは、もしピツチにメソ相の形成間
に不活性ガスを通すならば、所定の温度において
これまで可能であるよりも実質上短かい時間で調
製できることが分かつた。この態様でのピツチの
不活性ガス処理は、ピツチの低分子量重合副生物
と一緒に最初に存在する揮発性低分子量成分を除
去するのを補助し、そして前駆体ピツチのメソ相
ピツチへのより効率的な転化をもたらす。この態
様で、約40重量%〜約90重量%のメソ相含量を有
するメソ相ピツチは、所定温度において、かゝる
処理の不在下で通常必要とされる速度の2倍以上
までの速度で、即ち、メソ相をピツチに不活性ガ
スを通さないで生成するときに通常必要とされる
時間の半分以下程度の時間で調製することができ
る。 炭素質ピツチをメソ相を生成するのに十分なだ
け高めた温度に加熱するにつれて、その中に存在
する揮発性の低分子量分子はピツチから徐々に揮
発される。メソ相を生成するときの温度を越えて
高い温度で加熱を続けると、反応性で高分子量の
分子は重合して更に高い分子量の分子を形成し、
次いでこれら自身が配向してメソ相を形成する。
揮発されなかつた反応性の低い低分子量の分子も
重合できるけれども、しばしばそれらは、配向し
てメソ相を形成しないところの約600以下の分子
量を有する水素化及び(又は)置換重合副生物を
生成する。これらの低分子量重合副生物はピツチ
の加熱を続けるにつれて徐々に揮発されるけれど
も、ピツチがメソ相に転化されつゝある時間の多
くの間におけるこれらの副生物の多量の存在は、
その反応性分子によるメソ相の形成を妨げ、その
結果、所定のメソ相含量のピツチを生成するのに
必要な時間をかなり長くすることが分つた。更
に、これらの重合副生物は、それらの小さい寸法
及び芳香族性の故に、ピツチのメソ相部分に存在
する大きい高分子量で芳香族性の分子と易相容性
でなく、そしてこれらの高分子量分子と低分子量
分子との間の相容性の欠如はピツチの流動性及び
紡糸性に悪影響を及ぼす。先に指摘したように、
ピツチのメソ相部分の極めて高分子量の部分は、
ピツチの非メソ相部分の極めて低い分子量の分子
が揮発する傾向が大きく増大されるところの極め
て高い温度において適切に可塑化され得るのみで
あり、そして多量のかゝる物質を有するピツチを
それらが紡糸に好適な粘度を有するところの温度
に加熱しそしてそれから繊維を製造しようとする
ときには、揮発物の過度の除去が起こり、そして
これは小さく且つ均一な直径の繊維へのピツチの
加工に大きく干渉する。 本発明は、ピツチ中に存在するメソ相形成性分
子と、望ましくない揮発性低分子量物質の除去を
生ぜしめ且つピツチをメソ相に迅速に転化される
べくメソ相を形成しないような低分子量成分及び
重合副生物との間の分子量及び揮発物の差異を利
用するものである。メソ相に転化しない分子は高
分子量メソ相形成性分子よりも低い分子量を持
ち、そしてこれらは、ピツチのメソ相への転化の
間に存在する真空によつて又はピツチのメソ相へ
の転間における不活性ガスパージによつて促進さ
せると、メソ相の形成間にピツチから優先的に揮
発され、しかしてピツチは実質上短縮された期間
で所定のメソ相含量を得ることができる。かくし
て、所定のメソ相含量のピツチを生成するのに必
要とされる時間を短縮することの他に、この操作
は、ピツチの非メソ相部分の低分子量分子の量を
減じ且つその平均分子量を上げる効果を持つ。従
つて、かゝるピツチは、揮発物をほとんど発生す
ることなしに小さい且つ均一な直径の繊維に容易
に紡糸することができる。 メソ相に転化しないピツチの揮発性成分の除去
は、ピツチにメソ相の形成間に約100mmHg以下好
ましくは30mmHg以下の圧力を施こすことによつ
て行われる。先に記載したように、望ましくない
揮発性低分子量物質の除去はピツチのメソ相への
転化を促進し、そしてこの態様でメソ相を真空下
に生成すると、所定メソ相含量のピツチを所定温
度で生成するのに必要とされる時間は、減圧の不
在下に通常必要とされる時間の半分以上程短縮さ
れる。一般には、所定のメソ相含量のピツチを生
成するのに必要な時間は、同一条件下にしかし減
圧の不在下に調製するときとは反対に、メソ相を
先に記載の如く真空下に生成するときには、少な
くとも25%通常40〜70%程短縮される。 また、メソ相に転化しないピツチの揮発性成分
の除去は、メソ相の形成間にピツチに不活性ガス
を少なくとも0.5ft3/hrピツチ好ましくは0.7〜
5.0scfh/lbピツチの割合で通すことによつて行
われる。“sch”は、標準ft3/hrの単位である。
これらの成分の除去を容易にるために、用いる加
熱条件下にピツチと反応しない任意の不活性ガス
を用いることができる。かゝるガスの例として
は、窒素、アルゴン、キセノン、ヘリウム、スチ
ーム等である。 先に記載の如く、望ましくない揮発性低分子量
物質の除去はピツチのメソ相への転化を促進させ
るが、この態様でピツチに不活性ガスを通しなが
らメソ相を生成させると、所定のメソ相含量を持
つピツチを所定温度で生成するのに必要とされる
時間は、かゝる処理の不在下で通常必要とされる
時間の半分以上程短縮される。一般には、所定の
メソ相含量のピツチを生成するのに必要な時間
は、同一条件下にしかしかゝる処理の不在下に調
製するときとは反対に、先に記載の如くピツチに
不活性ガスを通しながらメソ相を調製するときに
は、少なくとも25%通常40〜70%程短縮される。 体駆体ピツチをメソ相に転化させるには約350
℃よりも高く約500℃までの任意の温度を用いる
ことができるけれども、メソ相ピツチは、50〜65
重量%のメソ相含量を生成するように380〜440
℃、最とも好ましくは380〜410℃の温度で調製す
ると、改善された流動学的及び紡糸特性を有する
ことが分つた。通常、かゝる温度で所望量のメソ
相を生成するには2〜60時間の加熱が必要とされ
る。これらの条件下に調製したメソ相ピツチは、
更に高められた温度において短時間で調製された
同じメソ相含量を有するメソ相ピツチよりも、ピ
ツチのメソ相及び非メソ相部分の数平均分子量間
に小さい差異を有することが分つた。この狭い分
子量分布に付随する流動学的及び紡糸特性は、小
さい且つ均一な直径の繊維へのピツチの加工を実
質上促進することが分つた。 好ましい条件下に、即ち、50〜65重量%のメソ
相含量を生じるように380〜440℃の温度で加熱す
ることによつて調製したメソ相ピツチは、より高
められた温度において短時間で調製した同じメソ
相含量を有するメソ相ピツチよりも、ピツチのメ
ソ相部分に少量の高分子量分子及びピツチの非メ
ソ相部分に少量の低分子量分子を有し、そしてピ
ツチのメソ相部分に低い数平均分子量及びピツチ
の非メソ相部分に高い数平均分子量を有する。メ
ソ相ピツチをかゝる条件下に調製すると、ピツチ
のメソ相部分における分子の50%以下が4000より
も大きい分子量を有し、これに対して残りの分子
は1400〜2800の数平均分子量を有する。かゝるピ
ツチの非メソ相部分における分子は800〜1200の
数平均分子量を有し、そしてかゝる分子の20%以
下が600以下の分子量を有する。かゝるピツチを
380〜410℃の最とも好ましい温度範囲で加熱する
ことによつて調製すると、ピツチのメソ相部分に
おける分子の20〜40%は4000よりも大きい分子量
を有し、これに対して残りの分子は1400〜2600の
数平均分子量を有する。最とも好ましい温度範囲
で加熱することによつて調製したピツチの非メソ
相部分における分子は900〜1200の数平均分子量
を有し、そしてかゝる分子の10〜16%は600以下
の分子量を有する。他方、メソ相ピツチを440℃
を越える温度で調製すると、ピツチのメソ相部分
における分子の80%以上は4000を越える分子量を
有し、これに対してピツチの非メソ相部分におけ
る分子の25%以上は600以下の分子量を有する。
ピツチの非メソ相部分における分子は800以下の
数平均分子量を有し、これに対して4000を越える
分子量を有しないピツチのメソ相部分における分
子の数平均分子量は1400〜2800である。 50〜65重量%のメソ相含量を生じるように380
〜440℃の温度で加熱することによつて調製した
メソ相ピツチは320〜440℃の温度において10〜
200ポイズの粘度を通常示し、そしてかゝる温度
において揮発物をほとんど発生させずに小さい且
つ均一な直径の繊維に容易に紡糸することができ
る。かゝるピツチは、それらの優秀な流動学的性
質の故に、熱処理によつて高い弾性ヤング率及び
高い引張強度を有する繊維に転化させ得る炭素質
繊維の紡糸に極めて好適である。 好ましいメソ相含量及び分子量特性を有するピ
ツチを生成するためには、炭素質ピツチを380〜
440℃の温度で少なくとも2時間好ましくは2〜
60時間加熱することが通常必要である。65重量%
を越えたメソ相含量を生じないように又は所望の
分子量分布に悪影響を及ぼさないように過度の加
熱は回避されるべきである。所望の分子量特性を
得るためには、ピツチの不混和性のメソ相及び非
メソ相部分の均質なエマルジヨンを生成するよう
にメソ相の形成間にピツチを撹拌することも必要
である。かゝる撹拌は、ピツチのメソ相及び非メ
ソ相部分を効率的に混合するのに十分である限
り、任意の手段によつて、例えばピツチの撹拌又
は回転によつて生ぜしめることができる。 ピツチをメソ相に転化させた程度は、偏光顕微
鏡及び溶解度試験によつて容易に測定することが
できる。元のピツチ中に存在するか又はある場合
には加熱に発現するある種の非メソ相不溶分を除
いて、ピツチの非メソ相部分はキノリン及びピリ
ジンの如き有機溶剤に易可溶性であるが、これに
対してメソ相部分は本質上不溶性である(所定ピ
ツチのキノリン不溶分(QI)%は、75℃におい
てのキノリン抽出によつて測定される。ピリジン
不溶分(PI)%は沸騰ピリジン(115℃)でのソ
ツクスレー抽出によつて測定される。)。加熱時に
非メソ相不溶分を発現しないピツチの場合には、
熱処理をする前のピツチの不溶分含量に優る熱処
理ピツチの不溶分含量は、本質上メソ相含量に相
当する(未処理ピツチの不溶分含量は一般には1
%以下であり(ある種のコールタールピツチを除
いて)、そして元のピツチ中に見出されるコーク
ス及びカーボンブラツクより主としてなる。)。加
熱時に非メソ相不溶分を発現するピツチの場合に
は、熱処理前のピツチの不溶分含量に優る熱処理
ピツチの不溶分含量は、ピツチのメソ相への転化
だけによるのみならず、熱処理間にメソ相と一緒
に生成される非メソ相不溶分を表わす。先に記載
の如く、均質な凝集メソ相の発生を防止するのに
十分な量で不融性非メソ相不溶分(元のピツチ中
に存在するか又は加熱によつて発生されたのどち
らか)を含有するピツチは、本発明での使用に不
適当である。一般には、かゝる不融性物質を約2
重量%以上含有するピツチは不適当である。かゝ
る均質な凝集メソ相分域の存在又は不在並びに不
融性非メソ相不溶分の存在又は不在は、ピツチの
偏光顕微鏡試験によつて視覚観察することができ
る(例えば、ジエイ・デイー・ブルツクス及びジ
ー・エイチ・タイラー氏の“The Formation of
Some Graphitizing Carbons”、Chemistry and
Physics of Carbon、第4巻、ニユーヨーク所在
マーセル・テツカー・インコーポレーテツド、
1968、第243〜268頁、並びにジエイ・デユボイ
ス、シー・アガチエ及びジエイ・エル・ホワイト
氏の“The Carbonaceous Mesophase Formed
in the Pyrolysis of Graphitizable Organie
Materials”、Metallography、1970、第337〜
369頁を参照されたい。)。この態様で、これらの
物質の各々の最も視覚的に算定することができ
る。 本発明に従つて調製したメソ相ピツチの分子量
特性を測定するには、従来の分子量分析技術を用
いることができる。ピツチのメソ相及び非メソ相
部分の両方に対して無関係に分子量測定を実施で
きるようにするために、2つの相は、適当な有機
溶剤の使用によつて都合よく分離させることがで
きる。先に記載の如く、元のピツチ中に存在する
か又はある場合には加熱時に発生するある種の非
メソ相不溶分を除いて、ピツチの非メソ相部分は
キノリン及びピリジンの如き有機溶剤に易溶性で
あり、これに対してメソ相部分は本質上不溶性で
ある(ピツチの非メソ相部分は75℃におけるキノ
リンでの抽出によつて又は沸騰ピリジン(115℃)
でのソツクスレー抽出によつてメソ相部分から容
易に分離することができる)。この態様での溶剤
による2つの相の分離後、ピツチの非メソ相部分
は、溶媒の真空蒸留によつて溶媒から回収するこ
とができる。 本発明に従つて調製したメソ相ピツチの数平均
分子量を決定するのに用いられた1つの手段は、
気相浸透圧計の使用を包含する。この種の器具を
分子量測定に用いることは、エイ・ピー・ブラツ
デイ氏外によつて記述されている(エイ・ピー・
ブラツデイ、エツチ・ハフ及びジエイ・ダブリユ
ー・マツクゲイン氏、J.Phys.&Coll.Chem.55
304(1951))。浸透圧計は、純溶媒に接触する感性
標準サーミスターと、分子量を測定しようとする
物質を既知濃度で溶解させた前記溶媒の溶液に接
触した第二サーミスターとの間における電気抵抗
の差を測定する。2つのサーミスター間の電気抵
抗の差は、溶媒及び溶液の異なる蒸気圧によつて
生じられるサーミスター間における温度差によつ
て引起こされる。この値を前記溶媒及び既知分子
量の化合物を既知濃度で含有する前記溶媒の標準
溶液で得られる抵抗差と比較することによつて、
溶質物質の分子量を計算することが可能である。
純溶媒を一滴及び分子量を測定せんとする物質を
既知濃度で溶解させた前記溶媒の溶液を一滴、溶
媒蒸気で飽和させた密閉サーモスタツト付室にそ
れぞれ収容した標準サーミスター及び試料サーミ
スターに並べて配置し、そして2つのサーミスタ
ーの抵抗を測定し、両者間の差を記録する。所定
溶媒の溶液は常に純溶媒よりも低い蒸気圧を有す
るので、2つの液滴と溶媒蒸気相との間で示差的
な物質移動が起こり、しかして溶媒液滴よりも溶
液液滴(これからの蒸発は少ない)において大き
い全凝縮がもたらされる。この物質移動の差異は
2つのサーミスター間の一時的な温度差(これは
2つの溶滴間の蒸発熱の損失の差異による)を引
起こすが、これは2つの液滴間の蒸気圧の差に比
例する。2つの液滴間の蒸気圧の差、それ故に2
つのサーミスター間の温度及び抵抗の差(ΔR)
は、溶媒中に溶解した溶質物質の分子の数にだけ
依存し、そして分子の化学組成に無関係であるの
で、溶液中の溶質のモル分率(N)は、かかる溶
媒及び既知分子量の化合物を既知濃度で含有する
かゝる溶媒の溶液についてΔR対Nのプロツトか
ら決定することができる(溶液中の所定物質のモ
ル分率とは、溶液中のかゝる物質のモル数+溶媒
のモル数によつて割つた溶液中のかゝる物質のモ
ル数を意味する)。ΔR及びNは互いに直接的な
比例関係を持ち、そしてNの決定から、用いた溶
媒についての検定定数(K)を次の式から計算す
ることが可能である。 K=ΔR/N Kの値を決定すると、物質の分子量は、次の
式、 Mx=(K−ΔR)・My・Wx/ΔR・Wy 〔こゝで、Mxは測定を行なおうとする物質の
分子量であり、Kは用いた溶媒の検量定数であ
り、ΔRは2つのサーミスター間の抵抗差であ
り、Myは溶媒の分子量であり、Wyは溶媒の重量
であり、そしてWxは分子量を測定しようとする
物質の重量である〕 から決定することができる。 ピツチの可溶性部分の分子量は不溶性部分の分
子量を決定するためにその溶液について直接決定
できるけれども、それを例えば水素によるかゝる
物質の芳香族結合の化学的還元によつて先ず可溶
化することが必要である。これらの物質の芳香族
結合の還元によつて石炭及び炭素を可溶化するの
に好適な手段は、ジエイ・デイー・ブルツクス氏
外によつて記述されている(ジエイ・デイー・ブ
ルツクス及びエイチ・シルバーマン氏の“The
Chemical Reduction of Some Cokes and
Chars”、Fuel41、1962、第67〜69頁)。この方法
は、リチウムとエチレンジアミンとの反応によつ
て発生された水素の使用を包含し、そして炭素―
炭素結合を破断することなしに炭素質物質の芳香
族結合を効率的に還元することが分つた。また、
かゝる方法は、本発明に従つて調製したピツチの
不溶性部分を可溶化するのに好適に使用された。 本発明に従つて調製したメソ相ピツチの分子量
特性を決定するのに用いたもう1つの手段は、ゲ
ル透過クロマトグラフイー(GPC)である。こ
の技術は、エル・アール・スナイダー氏によつて
記述されている(エル・アール・スナイダー氏の
“Determination of Asphalt Molecular Weight
Distributions by Gel Permeation
Chromatography”、Anal.Chem.41、1969、第
1223〜1227頁)。ゲル透過クロマトグラフイーは
種々の寸法の重合体又は重合体関連分子の溶液を
分別するのに用いられ、そして試料の分子量分布
は示差屈折計又は示差紫外線吸収分光計の如き溶
質濃度に対して線応答性の検出系の助けを借りて
測定される。気相浸透圧技術の場合における如
く、ピツチのメソ相及び非メソ相部分の両方に対
して無関係に分子量測定を行うことができるよう
にするためには、2つの相は、適当な有機溶媒の
使用によつて先ず分離されなければならない。再
び、ピツチの可溶性部分の分子量はその溶液で直
接測定できるけれども、不溶性部分の分子量を測
定するためには、それを先ず可溶化することが必
要である。 分子量分布を測定しようとするところの試料の
分別は、試料を適当な溶媒中に溶解させ、その溶
液をクロマトグラフに通しそしてクロマトグラフ
の分離カラムを経て溶離する溶液の測定画分を収
集することによつて行われる。所定分子寸法の分
子をクロマトグラフに通すには所定容量の溶媒が
必要とされ、しかしてクロマトグラフから溶離す
る溶液の各画分は所定分子寸法の分子を含有す
る。カラムを流通する画分は高分子量の分子を先
ず含有するのに対して、カラムを経て溶離するの
に最とも長い時間をとる画分は低分子量の分子を
含有する。 試料を分別した後、各画分中の溶質の濃度は、
示差屈折計又は示差紫外線吸収分光計の如き適当
な検出系によつて測定される。示差屈折計を用い
るときには、各画分の屈折率は、かゝる画分及び
溶媒を通過する光の強度に対して感性の2つの光
電池によつて純溶剤のそれと自動的に比較され、
そして2つの電池間の信号強度の差は溶液の累積
溶離容量に対して自動的にプロツトされる。これ
らの信号強度差の大きさは存在する溶質分子の重
量濃度に比例するので、各画分における分子の相
対重量濃度は、その画分の信号強度差をすべての
画分の全積分信号強度差によつて割ることによつ
て決定することができる。この相対濃度は、試料
の累積溶離容量に対して各画分の信号強度差をプ
ロツトすることによつてグラフに描くことができ
る。 次いで、各留分の分子の分子量は、標準技術に
よつて、例えば上記の浸透圧技術によつて測定す
ることができる。最とも普通のピツチは同種の分
子種よりなるので、特定試料の各画分の分子量を
一旦決定してしまうと、その試料を標準として用
い、そして次の試料の画分の分子量を標準の同じ
画分の既知分子量から決定することができる。か
くして、各試料の各画分に対して分子量測定を繰
返して行なうことは必要でなく、それは、標準の
同じ画分について決定した分子量から得ることが
できる。便宜上、標準画分について測定した分子
量を標準の累積溶離容量に対してプロツトするこ
とによつて、標準の分子量対溶離容量の関係を示
す分子量分布曲線を作ることができる。次いで、
この曲線から、所定試料の種々のクロマトグラフ
画分の分子の分子量を直接読取ることができる。
先に記載した如く、各画分中の溶質分子の相対重
量濃度は示差反射率測定によつて決定することが
できる。 分子量測定を容易にするために、所定の試料で
得た信号強度差及び溶離容量値を、標準ピツチの
各クロマトグラフ画分に関する先に決定した分子
量データと一緒にコンピユーターによつて処理
し、そして完全分子量分布分析値に書き直すこと
ができる。この操作によつて、数平均分子量
(Mn)、重量平均分子量(Mw)、分子量分布パラ
メータ(Mw/Mn)の完全プリントアウト、並
びに試料の各クロマトグラフ画分中に存在する溶
質の分子量及び重量%のコンパイラが機械的に提
供される。 熱処理して高い弾性ヤング率及び高い引張強度
を有する繊維を生成することのできる繊維を製造
するのに用いることのできるメソ相ピツチの調製
に対しては、約92〜約96重量%の炭素含量及び約
4〜約8重量%の水素含量を有する芳香族ベース
炭素質ピツチが一般に好適である。酸素、硫黄及
び窒素の如き炭素及び水素以外の元素は望ましく
ないので、約4重量%を越えて存在すべきでな
い。無関係の元素がかゝる量よりも多くで存在す
ることは、後続の熱処理間に炭素微結晶の形成を
破壊し且つこれらの物質から製造した繊維内にお
いてのグラフアイト様構造の展開を妨げる。加え
て、無関係な元素の存在は、ピツチの炭素含量そ
れ故に炭素繊維の最終的収率を低下させる。かか
る無関係な元素が約0.5〜約4重量%の量で存在
すると、ピツチは一般には約92〜95重量%の炭素
含量を有しそして残部が水素である。 本発明の繊維を製造するのに使用されるメソ相
ピツチを調製するための好ましい出発材料は、石
油ピツチ、コールタールピツチ及びアセナフチレ
ンピツチ(これらは十分にグラフアイト化するピ
ツチである)である。もちろん、石油ピツチは、
原油の蒸留又は石油留出油の接触分解から得られ
る残留炭素質物質である。同様に、コールタール
ピツチは、石炭の蒸留によつて得られる。これら
の物質の両方ともメソ相を容易に生成できるとこ
ろの市場で入手可能な天然ピツチであり、この理
由でこれらは好ましい。他方、アセナフチレンピ
ツチは合成ピツチであつて、これは優秀な繊維を
生成できるその能力のために好ましい。アセナフ
チレンピツチは、エドストロム氏が米国特許第
3574653号に記載の如くアセナフチレン重合体の
熱分解によつて製造することができる。 フルオロアントラセンピツチの如きいくらかの
ピツチは加熱時に極めて容易に重合しそしてメソ
相の大きい合体した分域を発見しないので、これ
らは適当な前駆体材料ではない。同様に、高不融
性で非メソ相でしかもキノリン又はピリジンの如
き有機溶媒に不溶性の含分を有するピツチ、又は
加熱時に高不融性非メソ相不溶分を発現するもの
は、先に記載の如く出発材料として用いるべきで
ない。何故ならば、これらのピツチは、熱処理に
よつて高い弾性ヤング率及び高い引張強度を有す
る炭素繊維に転化させ得る高度に配向した炭素質
繊維を生成するのに必要な均質な凝集メソ相を生
成できないからである。この理由のために、約2
重量%以上の不融性でキノリン不溶性若しくはピ
リジン不溶性含分(先に記載の如くして測定)を
有するピツチは、用いられるべきでなく、又はメ
ソ相を生成すべく加熱する前にこの物質を除去す
るために過されるべきである。好ましくは、か
かるピツチは、それらがかゝる不融性不溶性物質
を約1重量以上含むときに過される。たいてい
の石油ピツチ及び合成ピツチは、低い不融性不溶
性含分を有し、そしてかゝる過をせずに直接用
いることができる。他方、たいていのコールター
ピツチは、高い不融性不溶性含分を有し、そして
それらの使用前に過を必要とする。 ピツチを350〜500℃の温度で加熱してメソ相を
生成するときには、ピツチはもちろんある程度ま
で熱処理し、そしてピツチの組成は温度、加熱時
間並びに出発材料の組成及び構造に左右して変動
される。しかしながら、一般的には、炭素質ピツ
チを約40〜約90重量%のメソ相含量を生成するの
に十分な時間加熱した後、得られたピツチは、約
94〜96重量%の炭素含量及び約4〜6重量%の水
素含量を有する。かゝるピツチが炭素及び水素以
外の元素を約0.5〜約4重量%の量で含有すると
きには、メソ相ピツチは一般には約92〜95重量%
の炭素含量を有し残部が水素である。 所望のメソ相ピツチを調製した後、それは、慣
用技術によつて例えば溶融紡糸、遠心紡糸、吹込
紡糸によつて又は他の周知態様で繊維に紡糸され
る。先に記載の如く、熱処理して高い弾性ヤング
率及び高い引張強度を有する炭素紡糸を生成でき
る高度に配向した炭素質繊維を得るためには、ピ
ツチは、静止条件下で大きい合体した分域を有す
る均質な凝集メソ相を形成しなければならず、且
つ紡糸時において用いられる条件下に非チキソト
ロピー性でなければならない。更に、かゝるピツ
チから均一な繊維を得るためには、ピツチは、ピ
ツチの不混和性メソ相及び非メソ相部分を効率的
に混合するように紡糸前に直ちに撹拌されるべき
である。 ピツチを紡糸するときの温度は、もちろん、ピ
ツチが適当な粘度を示すときの温度に左右され
る。ピツチの軟化温度及びその所定温度における
粘度はピツチのメソ相含量が増加するにつれて向
上するので、メソ相含量は、ピツチの軟化点を過
度のレベルに上げる点まで増加させるべきでな
い。この理由のために、約90%よりも多くのメソ
相含量を有するピツチは一般には用いられない。
約40重量%のメソ相含量を有するピツチは通常約
300℃において約200ポイズ及び約375℃において
約10ポイズの粘度を有し、これに対して約90重量
%のメソ相含量を有するピツチは430℃よりも高
い温度において同様の粘度を示す。この粘度範囲
内において、繊維は、約50ft/分〜約1000ft/分
の速度でそして約3000ft/分までさえの速度で
かゝるピツチから具合よく紡糸することができ
る。好ましくは、用いるピツチは、約50〜約65重
量%のメソ相含量を有し、そして約340〜約380℃
の温度において約30〜約150ポイズの粘度を示す。
かゝる粘度及び温度において、約5〜約25ミクロ
ンの直径を有する均一な繊維を容易に紡糸するこ
とができる。しかしながら、先に記載した如く、
所望の繊維を得るためには、ピツチは非チキソト
ロピー性でありそして繊維の紡糸間にニユートン
又は塑性流れ挙動を示すことで重要である。 この態様で製造した炭素質繊維は、繊維軸に対
して平行なそれらの分子の好ましい配向の高い度
合を有する高度に配向したグラフアイト化性物質
である。用語「グラフアイト化性」は、これらの
繊維が多結晶質グラフアイトの三次元配置特性を
有する構造に熱的に(通常、約2500℃を越えた温
度例えば約2500〜約3000℃の温度に加熱すること
によつて)転化できることを意味する。 この態様で製造した繊維は、もちろん、それら
を引出したところのピツチと同じ化学組成を有
し、そして同様のかゝるピツチは約40〜約90重量
%のメソ相を含有する。偏光顕微鏡技術によつて
拡大下に試験すると、繊維は、それらに“ミニ複
合体”の外観を与える組織変種を示す。繊維全体
にわたつて分布されたフイプリル状外観を有する
大きい細長い異方性分域が見られる。これらの異
方性分域は、高度に配向されそして繊維軸に痴し
て優先的に平行に整列されている。これらの異方
性分域(これらは、繊維の紡糸間にピツチに及ぼ
されるせん断力によつて細長くされる)は、完全
にメソ相よりなるのではなく非メソ相からも構成
されると信じられる。明らかに、非メソ相は、こ
れらのせん断力及びメソ相分域が細長くされると
きにそれによつて及ぼされる配向効果によつて紡
糸間に配向されそして細長い分域に延伸される。
また、異方性分域も存在する可能性もあるけれど
も、それらは可視的でないかもしれないので、偶
然消滅を示すような異方性分域から区別するのが
困難である。特徴として、配向した細長い分域
は、5000Å以上、一般には約10000〜約40000Åの
直径を有し、そしてそれらの大きい寸法の故に慣
用の偏光顕微鏡技術によつて1000倍の拡大率で試
験するときに容易に観察される。なお、1000倍の
拡大率を有する標準偏光顕微鏡の最大分解能は僅
か数十分の1ミクロン(1ミクロン=10000Å)
であるので、1000Å以下の寸法を有する異方性分
域はこの技術によつて検出することができない。 約85重量%以上のメソ相を含有するピツチから
紡糸した繊維は予備の熱硬化を行わずに炭素化さ
せるときにそれらの形状をしばしば保持するけれ
ども、約85重量%以下のメソ相を含有するピツチ
から紡糸した繊維は、それらを炭素化する前にい
くらかの熱硬化を必要とする。繊維の熱硬化は、
繊維を酸素含有雰囲気中においてそれらを不融性
にするのに十分な時間加熱することによつて容易
に行われる。用いる酸素含有雰囲気は、純酸素又
は酸素に富む雰囲気であつてよい。最とも好都合
には、空気が酸化用雰囲気として用いられる。 繊維の熱硬化を生ぜしめるのに必要とされる時
間は、もちろん、用いる酸化雰囲気の種類、温
度、繊維の直径、繊維を製造したところの特定の
ピツチ及びかゝるピツチのメソ相含量の如き因子
に応じて変動する。しかしながら、一般には、繊
維の熱硬化は、比較的短時間で、通常約5〜約60
分で行なうことができる。 繊維の熱硬化を生ぜしめるのに用いる温度は、
もちろん、繊維が軟化又は変形するときの温度を
越えるできでない。かくして、用いることのでき
る最高温度は、繊維を紡糸した特定のピツチ及び
かゝるピツチのメソ相含量に左右される。ピツチ
のメソ相含量が高くなる程、その軟化温度は高く
なり、そして繊維の熱硬化を生ぜしめるのに用い
ることのできる温度は高くなる。もちろん、高い
温度においては、所定の直径を持つ繊維は、低い
温度において可能であるよりも短かい時間で熱硬
化させることができる。他方、低いメソ相含量を
有するピツチから製造した繊維は、それらを不融
性にするのに幾分低い温度において比較的長い熱
処理を必要とする。 本発明に従つて製造した炭素質繊維を効率的に
熱硬化させるには、少なくとも250℃の最高温度
が一般に必要である。400℃以上の温度は繊維の
融解及び(又は)過度の燃焼を引起す可能性があ
るので、回避されるべきである。好ましくは、約
275〜約350℃の温度が用いられる。かゝる温度で
は、熱硬化は一般には約5〜約60分内に行なうこ
とができる。繊維をそれらを完全に不融性にする
のに必要とされる以上に酸化することは望ましく
ないので、繊維は一般には約60分より長い間又は
400℃以上の温度では加熱されない。 繊維を熱硬化させた後、不融性繊維は、上記の
如き不活性雰囲気中において、水素及び他の揮発
分を除去し且つ実質上全部が炭素の繊維を生成す
るのに十分なだけ高められた温度に加熱すること
によつて炭素化される。約98重量%以上の炭素含
量を有する繊維は約1000℃以上の温度に加熱する
ことによつて一般に製造することができ、そして
約1500℃以上の温度では、繊維は完全に炭素化さ
れる。 通常、炭素化は、約1000〜約2000℃で好ましく
は約1500〜約1900℃の温度で行われる。一般に
は、約0.5〜約25分好ましくは約1〜約5分の滞
留時間が用いられる。更に長い加熱時間を用いて
良好な結果を得ることができるけれども、かゝる
滞留時間は不経済であり、そして実用上の問題と
して、かゝる長い期間の使用には利益がない。 繊維の重量損失率が繊維構造を破壊する程に過
度にならないことを確実にするためには、繊維を
それらの最終炭素化温度に加熱する前に約700〜
約900℃の温度において短時間加熱するのが好ま
しい。これらの温度においての約30秒〜約5分の
滞留時間が通常十分である。好ましくは、繊維は
約700℃の温度で約0.5分間次いで約900℃の温度
で同じ時間加熱される。いずれにしても、加熱速
度は、揮発が過度の速度で進行しないように制御
されなければならない。 熱処理の好ましい方法では、繊維の連続フイラ
メントが順々に高い温度に保たれた一連の加熱帯
域に通される。所望ならば、かゝる帯域のうちの
第一帯域は酸化雰囲気を収容することができ、そ
してそこで繊維の熱硬化が行われる。一連の加熱
帯域を形成するに当つては、装置の幾つかの配列
を用いることができる。かくして、繊維を数回通
過させ且つ温度を各回毎に高めて、1つの炉を用
いることができる。別法として、後続の炉を先行
の炉の温度よりも高い温度に維持して、幾つかの
炉に繊維を1回だけ通過させることもできる。ま
た、繊維の走行方向において連続的に高い温度に
維持した幾つかの加熱帯域を持つ単一炉を用いる
こともできる。 この態様で製造した炭素繊維は、繊維軸に対し
て平行に優先的に整列された炭素微結晶の存在に
よつて特徴づけられる高度に配向した構造を有
し、そしてグラフアイト化温度に加熱したときに
多結晶質グラフアイトの三次元配列特性並びにそ
れに関連する高密度及び低抵抗率の如きグラフア
イト様特性を発現するグラフアイト化性物質であ
る。 所望ならば、炭素化繊維を先に記載の如き不活
性雰囲気中において約2500〜約3300℃好ましくは
約2800〜約3000℃の範囲内の更に高い温度に更に
加熱して、繊維軸に対して並行な炭素微結晶の好
ましい配向の高い度合のみならず多結晶質グラフ
アイトの構造特性を有する繊維を製造することが
できる。約1分間の滞留時間が満足であるけれど
も、それよりも短い時間及び長い時間の両方と
も、例えば約10秒〜約5分又はそれ以上を用いる
こともできる。5分よりも長い滞留時間は不経剤
で且つ不必要であるけれども、所望ならばそれら
を用いることができる。 約2500℃以上好ましくか約2800℃以上の温度で
加熱することによつて製造された繊維は、多結晶
質グラフアイトの三次元配列を有するとして特徴
づけられる。この三次元配列は、繊維のX線回折
図によつて、特定的には(112)交叉格子線の存
在並びに(10)バンドの2つの異なつた線(100)
及び(101)への分解によつて立証される。回折
図の(00l)バンドを構成する短かい円弧は、繊
維の炭素微結晶が繊維軸に対して並行に優先的に
整列されていることを示す。露出したX線フイル
ムの(002)バンドのマイクロデンシトメーター
による走査は、この好ましい方位がせいぜい約
10゜普通には約5〜約10゜(方位強度分布の最大の
半分における全幅として表わす)であることを示
す。微結晶の見掛層寸法(La)及び見掛堆積高
さ(Lc)は1000Åを越え、かくしてそれはあま
りに大き過ぎてX線技術によつて測定することが
できない。微結晶の層面距離(d)は、相当する(00
)回折円弧から計算すると、せいぜい3.37Å一
般には3.36〜3.37Åである。 次の実施例は、当業者が本発明を更によく理解
できるように例示目的で提供するものである。し
かしながら、それは単に例示するものであつて、
いかなる態様でも本発明を限定するものと解釈す
べきではない。 例 1 市販石油ピツチを用いて、約57重量%のメソ相
含量を有するピツチを調製した。前駆体ピツチ
は、400の数平均分子量、1.23g/c.c.の密度、120
℃の軟化温度を有し、そして0.83重量%のキノリ
ン不溶分(QIは、75℃でのキノリン抽出によつ
て測定された)を含有していた。化学分析による
と、93.0%の炭素含量、5.6%の水素含量、1.1%
の硫黄含量及び0.044%の灰分が示された。 メソ相ピツチは、前駆体石油ピツチを約5℃/
Hrの速度で415℃の温度に加熱しそしてこの温度
にピツチを窒素雰囲気下に更に5時間維持するこ
とによつて調製された。 メソ相への転化が真空下に急速に進行すること
を例示するために、同じ前駆体ピツチからそして
ピツチを1mmHg以下の圧力下に加熱したことを
除いて同じ態様でメソ相ピツチを調製した。得ら
れたピツチは、真空の不在下に調製したピツチに
関しての僅か57%のピリジン不溶分含量に比較し
て71%のピリジン不溶分含量を有していた。 市販石油ピツチを用いて、約53重量%のメソ相
含量を有するピツチを調製した。体駆体ピツチ
は、400の数平均分子量、1.23g/c.c.の密度、120
℃の軟化温度を有し、そして0.83重量%のキノリ
ン不溶分(QIは75℃でのキノリン抽出によつて
測定された。)を含有していた。化学分析による
と、93.0%の炭素含量、5.6%の水素含量、1.1%
の硫黄含量及び0.044%の灰分が示された。 メソ相ピツチは、86c.c.の反応器において60gの
前駆体ピツチを約200℃の温度において1時間に
わたつて加熱し、次いでピツチの温度を約30℃/
Hrの速度で約200℃から約400℃に上げそしてピ
ツチを約400℃において更に12時間維持すること
によつて調製された。この時間の間ピツチを連続
的に撹拌し、そしてピツチに窒素を0.2scfhの割
合で連続的にバツプリングさせた。 この態様で調製したピツチは53%のピリジン不
溶性含分をしていたが、これは53%に近いメソ相
含量を示す。ピツチは繊維に容易に紡糸すること
ができ、そしてピツチを368℃の温度において紡
糸口金(0.015in直径孔)より紡糸することによ
つてかなりの量の繊維が製造された。フイラメン
トは、それが紡糸口金を出るときに且つそれがリ
ールによつて巻取られる前に窒素雰囲気を通過し
た。 この態様で製造した繊維の一部分を酸素中にお
いて390℃で6分間加熱した。得られた酸化繊維
は、完全に不融性でありそして垂みなしに高めら
れた温度において加熱することができた。不融性
繊維を空素雰囲気中において約10分間にわたつて
加熱した後、繊維は、171×103psiの引張強度及
び46×106psiの弾性ヤング率を有することが分つ
た。なお、引張強度及びヤング率は10個の試料の
平均値である。 比較目的のために、ピツチを窒素雰囲気下に調
製する間に窒素をピツチにバツブリングさせなか
つたことを除いて上記と同じ体駆体ピツチからそ
して同じ態様でメソ相ピツチを調製した。50%の
ピリジン不溶分を有するメソ相ピツチを調製する
のに400℃で32時間の加熱が必要であつた。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for producing mesophase pitches. In particular, the present invention relates to a method for producing a mesophase pitch which is useful in the production of high modulus and high strength carbon fibers, which is characterized by using reduced pressure. Thus, according to the present invention, it is possible to develop the mesophase content at a given temperature in a substantially shorter period of time than heretofore possible. As a result of the rapidly expanding growth of the aircraft, spacecraft, and missile industries in recent years, a need has arisen for materials that exhibit unique and special combinations of physical properties. Thus, for use in applications such as the construction of aircraft, atmospheric reentry vehicles and spacecraft, as well as in the construction of submarine submerged pressure vessels and the like, materials characterized by high strength and stiffness and at the same time are lightweight. was needed. Current technology cannot supply such materials;
Research to satisfy this need has focused on the fabrication of composite articles. One of the most promising materials proposed for use in composite form is high-strength, high-modulus carbon-spun fibers, and this carbon fiber is rapidly gaining traction in the aircraft, spacecraft, and missile industries. It was brought to market just as growth was occurring. Such spun fibers have been incorporated into both plastic and metal matrices to produce composites with unusually high strength--and high elasticity-to-weight ratios, as well as other exceptional properties. however,
The high cost of producing high-strength, high-modulus carbon-spun fibers for use in such composites is a major impediment to their widespread use, even though such composites exhibit remarkable properties. It was hot. Producing high-modulus, high-strength carbon fiber at low cost 1
Two recently proposed methods are described in US Pat. No. 4,005,183 entitled "High Modulus High Strength Carbon Fibers Made from Mesophase Pitch." Such a method involves first spinning carbonaceous fibers from a carbonaceous pitch which has previously been partially transformed into a liquid crystalline or so-called "mesophase" state, and then incubating the fibers so produced in an oxygen-containing gas. The thermoset fibers are heat cured by heating for a sufficient time to render them fusible, and finally the thermoset fibers are removed from hydrogen and other volatiles in an inert atmosphere and the substantially all carbon fibers are cured. carbonization by heating to a temperature elevated enough to produce carbon. The carbon fibers produced in this manner have a highly oriented structure characterized by the presence of carbon crystallites aligned predominantly parallel to the fiber axis and It is a graphitizable material that develops graphite-like properties such as the three-dimensional alignment properties of polycrystalline graphite and its associated high density and low resistivity upon heating. At all stages of development from the as-drawn state to the graphitized state, the fiber is composed of large oriented elongated graphitizable domains (domains or small area). When a natural or synthetic pitch with an aromatic base is heated at a temperature of about 350-500°C, either at a constant temperature under static conditions or at a gradually increasing temperature, small insoluble liquid spheres appear in the pitch. initially, and its dimensions gradually increase as heating continues. Examination by electron diffraction and polarization techniques shows that these spheres consist of layers of oriented molecules aligned in the same way. As these spheres continue to grow in size as they continue to heat, they come into contact with each other and gradually coalesce into each other to create a larger mass of aligned layers. As coalescence continues, domains of aligned molecules are formed that are each larger than the original sphere. These domains (domains or subregions) together form a cohesive mesophase, where 1
The transition from one orientational domain to another often occurs smoothly and continuously through gradually curved lamellae and often through more sharply curved lamellae. Orientation differences between each domain result in a complex alignment of polarized absorption profiles in the aggregated mesophase that correspond to various types of linear discontinuities in the molecular alignment. The final dimensions of the resulting orientation domains depend on the viscosity of the mesophase from which they were formed and the rate of increase in that viscosity, which depends on the particular pitch and heating rate. In some pitches, domains are formed with dimensions from over 200 microns to over 1000 microns. At other pitches, the viscosity of the mesophase is such that only limited coalescence and structural transformation of the layers occurs such that the final domain size does not exceed 100 microns. The highly oriented, optically anisotropic, insoluble materials produced by treating pitches in this manner are given the term "mesophase" and pitches containing such materials are referred to as "mesophase". It is known as ``mesophase pitch''. When such pitches are heated above their softening point, they form two essentially immiscible liquids: an optically anisotropic oriented mesophase portion and an isotropic non-mesophase portion. It becomes a mixture with. The term “mesophase” comes from the Greek “meso” or “intermediate”
and exhibits the pseudocrystalline nature of this highly oriented optically anisotropic material. Carbonaceous pits having a mesophase content of about 40% to about 90% by weight are suitable for spinning into fibers that can be converted by heat treatment into carbon fibers having high elastic Young's modulus and high tensile strength. However, in order to obtain the desired fibers from such pitches, it is not only necessary that such an amount of mesophase be present, but also that it has a large coalesced domain or dimension under static conditions. It is also necessary to form a homogeneous aggregated mesophase with domains (domains or subregions) of aligned molecules ranging from 200 microns or more to 1000 microns or more. Static conditions mean settling without stirring. Pitches that have small oriented regions rather than large coalescing domains and form fibrous, aggregated mesophases under static conditions are unsuitable. Such pitches form mesophases with high viscosity that undergo only limited coalescence, insufficient to produce large coalesced domains with dimensions of 200 microns or more. Instead, the small oriented domains of the mesophase agglomerate to form clumps or filaments where the final domain size does not exceed 100 microns. There are certain pitches of this type that polymerize very rapidly. Similarly, pitches that do not form a homogeneous aggregated mesophase are unsuitable. The latter phenomenon is caused by an infusible solid that is surrounded by the coalescing mesophase and serves to disrupt the homogeneity and heterogeneity of the coalescing domains as well as the boundaries between them (which present or developed upon heating). Another requirement is that the pitch is non-thixotropic under the conditions used during spinning into fibers, i.e. it must exhibit Newtonian or plastic flow behavior such that the flow is uniform and well behaved. It is. When such pitches are heated to a temperature at which they exhibit a viscosity of about 10 to about 200 poise, uniform fibers can be readily spun therefrom. On the other hand, pitches that do not exhibit Newtonian or plastic flow behavior at the spinning temperature cannot be spun therefrom into uniform fibers that can be converted by heat treatment into carbon fibers with high elastic Young's modulus and high tensile strength. Carbonaceous pitches having a mesophase content of about 40% to about 90% by weight are prepared by drying carbonaceous pitches in an inert atmosphere with a mesophase content of about 350% by weight in accordance with known techniques such as those disclosed in the above-mentioned U.S. Patent Application No. 338,147. It can be prepared by heating at a temperature above 0.degree. C. for a time sufficient to produce the desired amount of mesophase. The term "inert atmosphere" means an atmosphere such as nitrogen, argon, xenon, helium, etc. that does not react with the pitch under the heating conditions used. The heating period required to produce the desired mesophase content varies depending on the pitch type and temperature used, with lower temperatures requiring longer heating periods than higher temperatures. At 350° C., which is the minimum temperature typically required to produce mesophase, at least one week of heating is typically required to produce a mesophase content of about 40%. At temperatures of about 400 DEG to 450 DEG C., the conversion to meso phase proceeds rapidly, and at such temperatures a meso phase content of 50% can usually be produced within about 1 to 40 hours. For this reason, such temperatures are commonly used. Temperatures higher than about 500°C are undesirable, and heating at this temperature should not be used for more than about 5 minutes to avoid pitch conversion to coke. Although the time required to produce a mesophase pitch with a given mesophase content decreases as the preparation temperature increases, heating at elevated temperatures reduces the mesophase and non-mesophase portions of the pitch. It was found that altering the molecular weight distribution of both had an adverse effect on the rheological properties of the pitch. Thus, heating at elevated temperatures tends to increase the amount of high molecular weight molecules in the mesophase portion of the pitch. At the same time, heating at such temperatures also results in an increase in the amount of low molecular weight molecules in the non-mesophase portion of the pitch. As a result, a mesophase pitch of a given mesophase content prepared at an elevated temperature in a relatively short period of time will be less effective than a mesophase pitch of a similar mesophase content prepared over a longer period of time at a moderate temperature. It was found that the mesophase portion of pitch had a higher average molecular weight and the non-mesophase portion had a lower average molecular weight. This wide molecular weight distribution was found to have an adverse effect on the flowability and spinnability of the pitch. This is apparently due to the low degree of compatibility between the very high molecular weight portions of the mesophase portion of the pitch and the very low molecular weight portions of the non-mesophase portion of the pitch. Very high molecular weight substances in the mesophase portion of the pitch can only be adequately plasticized at very high temperatures where the tendency of very low molecular weight molecules in the non-mesophase portion of the pitch to volatilize is greatly increased. As a result, when attempting to heat such pitches to a temperature at which they have a suitable viscosity for spinning and produce fibers therefrom, excessive removal of volatiles occurs, which is Severely interferes with the processing of fibers into small and uniform diameter fibers. For this reason, means have been sought to reduce the time required to produce mesophase pitches at relatively moderate production temperatures that impart favorable rheological properties to the pitches. Thus, in accordance with the present invention, a mesophase pitch having a given mesophase content can be produced with a mesophase content that is substantially lower than previously possible at a given temperature if the pitch is subjected to a vacuum during the formation of the mesophase. It was found that it can be prepared in a short time. Vacuum treatment of the pitch in this manner helps remove volatile low molecular weight components initially present along with low molecular weight polymerization by-products of the pitch, and more efficiently converts the precursor pitch into a mesophase pit. bring about a transformation. In this manner, approximately 40
A mesophase pitch having a mesophase content of from % to about 90% by weight will, at a given temperature, absorb mesophase at a rate up to twice or more than that normally required in the absence of such treatment, i.e. It can be prepared in less than half the time normally required when produced in the absence of reduced pressure. Furthermore, according to the invention, a mesophase pitch having a given mesophase content can be produced in a substantially shorter time period at a given temperature than heretofore possible if an inert gas is passed through the pitch during the formation of the mesophase. I found out that it can be prepared in a very short amount of time. Inert gas treatment of the pitch in this manner assists in removing volatile low molecular weight components initially present along with low molecular weight polymerization by-products of the pitch and infusing the precursor pitch into the mesophase pitch. Bring about efficient conversion. In this embodiment, a mesophase pitch having a mesophase content of about 40% to about 90% by weight can be used at a given temperature at a rate of up to twice or more than that normally required in the absence of such treatment. That is, the mesophase can be prepared in less than half the time normally required when producing the mesophase without passing an inert gas through the pitch. As the carbonaceous pit is heated to a temperature high enough to form a mesophase, the volatile low molecular weight molecules present therein are gradually volatilized from the pitch. If heating continues above the temperature at which the mesophase is formed, reactive, high molecular weight molecules polymerize to form even higher molecular weight molecules.
These then orient themselves to form a mesophase.
Although less reactive low molecular weight molecules that are not volatilized can also be polymerized, they often produce hydrogenated and/or displacement polymerization byproducts with molecular weights below about 600 that do not align to form mesophases. do. Although these low molecular weight polymerization by-products gradually volatilize as the pitch continues to heat, the presence of large amounts of these by-products during much of the time that the pitch is being converted to the mesophase
It has been found that the formation of mesophase by the reactive molecules is hindered, thereby considerably lengthening the time required to produce a pitch of a given mesophase content. Furthermore, these polymerization by-products, because of their small size and aromatic nature, are not readily compatible with the large, high molecular weight, aromatic molecules present in the mesophase portion of the pitch, and these high molecular weight The lack of compatibility between the molecules and low molecular weight molecules adversely affects pitch flow and spinnability. As pointed out earlier,
The extremely high molecular weight part of the mesophase part of Pituchi is
Very low molecular weight molecules of the non-mesophase portion of pitches can only be properly plasticized at very high temperatures where the tendency to volatilize is greatly increased, and pitches with large amounts of such materials can only be properly plasticized when they are spun. When heating to a temperature at which it has a suitable viscosity and attempting to make fibers from it, excessive removal of volatiles occurs, and this greatly interferes with the processing of the pitch into fibers of small and uniform diameter. . The present invention combines the mesophase-forming molecules present in the pitch with low molecular weight components that do not form a mesophase in order to cause the removal of undesirable volatile low molecular weight substances and to rapidly convert the pitch to the mesophase. It takes advantage of the difference in molecular weight and volatile content between the polymer and polymerization by-products. Molecules that do not convert to the mesophase have lower molecular weights than high molecular weight mesophase-forming molecules, and these may be affected by the vacuum that exists during the conversion of the pitch to the mesophase or by the conversion of the pitch to the mesophase. During the formation of the mesophase, the mesophase is preferentially volatilized from the pitch, so that the pitch can obtain a predetermined mesophase content in a substantially shortened period of time. Thus, in addition to reducing the time required to produce a pitch of a given mesophase content, this operation reduces the amount of low molecular weight molecules in the non-mesophase portion of the pitch and increases its average molecular weight. It has the effect of increasing Therefore, such pitches can be easily spun into small and uniform diameter fibers with little or no evolution of volatiles. Removal of volatile components of the pitch that do not convert to the mesophase is accomplished by subjecting the pitch to a pressure of about 100 mm Hg or less, preferably 30 mm Hg or less, during the formation of the mesophase. As previously described, the removal of undesirable volatile low molecular weight materials promotes the conversion of the pitch to the mesophase, and in this manner, producing the mesophase under vacuum allows the pitch of a given mesophase content to be heated to a given temperature. The time required to produce 1 is reduced by more than half of the time normally required in the absence of reduced pressure. In general, the time required to produce a pitch of a given mesophase content is the same as when the mesophase is prepared under vacuum as described above, as opposed to when prepared under the same conditions but in the absence of reduced pressure. When you do, it will be shortened by at least 25%, usually about 40-70%. In addition, to remove volatile components of the pitch that do not convert to the mesophase, inert gas is supplied to the pitch at least 0.5 ft 3 /hr, preferably from 0.7 to
This is done by passing at a rate of 5.0 scfh/lb pitch. "sch" is the standard unit of ft 3 /hr.
To facilitate removal of these components, any inert gas that does not react with the pitch under the heating conditions used can be used. Examples of such gases are nitrogen, argon, xenon, helium, steam, etc. As mentioned above, the removal of undesirable volatile low molecular weight substances promotes the conversion of the pitch to the mesophase, but generating the mesophase in this manner while passing an inert gas through the pitch results in the formation of a predetermined mesophase. The time required to produce a dense pitch at a given temperature is reduced by more than half the time normally required in the absence of such treatment. In general, the time required to produce a pitch of a given mesophase content will be longer than when the pitch is inert as described above, as opposed to when prepared under the same conditions but in the absence of such treatment. When preparing the mesophase while passing gas, it is shortened by at least 25%, usually by as much as 40-70%. 350 to convert the precursor pitch into the mesophase.
Although any temperature higher than 500°C up to about 500°C can be used, the mesophase pitch is between 50 and 65°C.
380-440 to produce a mesophase content of wt%
It has been found that it has improved rheological and spinning properties when prepared at a temperature of 380-410°C, most preferably 380-410°C. Typically, 2 to 60 hours of heating is required to produce the desired amount of mesophase at such temperatures. The mesophase pitch prepared under these conditions was
It was found that the mesophase pitch had a smaller difference between the number average molecular weights of the mesophase and non-mesophase portions of the pitch than a mesophase pitch with the same mesophase content prepared in a short time at an elevated temperature. The rheological and spinning properties associated with this narrow molecular weight distribution have been found to substantially facilitate processing of the pitch into small and uniform diameter fibers. Mesophase pitches prepared under favorable conditions, i.e. by heating at temperatures of 380-440°C to yield a mesophase content of 50-65% by weight, can be prepared in a short time at higher temperatures. has fewer high molecular weight molecules in the mesophase portion of the pitch and fewer low molecular weight molecules in the non-mesophase portion of the pitch than a mesophase pitch with the same mesophase content, and a lower number of molecules in the mesophase portion of the pitch. It has a high average molecular weight and a high number average molecular weight in the non-mesophase part of pitch. When a mesophase pitch is prepared under such conditions, less than 50% of the molecules in the mesophase portion of the pitch have a molecular weight greater than 4000, whereas the remaining molecules have a number average molecular weight between 1400 and 2800. have The molecules in the non-mesophase portion of such pitches have a number average molecular weight of 800 to 1200, and less than 20% of such molecules have a molecular weight of less than 600. The ringing pitch
When prepared by heating in the most preferred temperature range of 380-410°C, 20-40% of the molecules in the mesophase portion of pitch have a molecular weight greater than 4000, whereas the remaining molecules It has a number average molecular weight of 1400-2600. The molecules in the non-mesophase portion of pitches prepared by heating in the most preferred temperature range have a number average molecular weight between 900 and 1200, and 10-16% of such molecules have a molecular weight below 600. have On the other hand, the mesophase pitch was heated to 440℃.
When prepared at temperatures exceeding .
Molecules in the non-mesophase portion of the pitch have a number average molecular weight of less than 800, whereas molecules in the mesophase portion of the pitch that do not have a molecular weight exceeding 4000 have a number average molecular weight of 1400 to 2800. 380 to yield a mesophase content of 50-65% by weight
Mesophase pitches prepared by heating at temperatures of ~440°C are
It typically exhibits a viscosity of 200 poise and can be easily spun into small, uniform diameter fibers at such temperatures with little volatile evolution. Owing to their excellent rheological properties, such pitches are highly suitable for spinning carbonaceous fibers which can be converted by heat treatment into fibers with high elastic Young's modulus and high tensile strength. To produce pitches with favorable mesophase content and molecular weight characteristics, carbonaceous pitches must be
at a temperature of 440°C for at least 2 hours, preferably from 2 to
Heating for 60 hours is usually required. 65% by weight
Excessive heating should be avoided so as not to produce a mesophase content exceeding 100% or to adversely affect the desired molecular weight distribution. To obtain the desired molecular weight properties, it is also necessary to stir the pitch during mesophase formation to produce a homogeneous emulsion of immiscible mesophase and non-mesophase portions of the pitch. Such agitation may be effected by any means sufficient to efficiently mix the mesophase and non-mesophase portions of the pitch, such as by stirring or rotating the pitch. The degree of conversion of pitch to the mesophase can be easily determined by polarized light microscopy and solubility testing. Except for certain non-mesophase insoluble components present in the original pitch or developed upon heating in some cases, the non-mesophase portion of pitch is readily soluble in organic solvents such as quinoline and pyridine; The mesophase fraction, on the other hand, is essentially insoluble (% quinoline insoluble (QI) of a given pitch is determined by quinoline extraction at 75°C; % pyridine insoluble (PI) is determined by boiling pyridine (QI) (measured by Soxhlet extraction at 115°C). In the case of pitches that do not develop non-mesophase insoluble components during heating,
The insoluble content of the heat-treated pitcher, which exceeds the insoluble content of the pitcher before heat treatment, essentially corresponds to the mesophase content (the insoluble content of the untreated pitcher is generally 1
% (with the exception of certain coal tar pitches) and consists primarily of coke and carbon black found in the original pitch. ). In the case of pitches that develop non-mesophase insolubles upon heating, the insoluble content of heat-treated pitches that exceeds the insolubles content of pitches before heat treatment is due not only to the conversion of pitches to mesophase but also due to the increase in the insoluble content during heat treatment. It represents the non-meso phase insoluble matter that is generated together with the meso phase. As previously described, infusible non-mesophase insolubles (either present in the original pitch or generated by heating) in an amount sufficient to prevent the formation of a homogeneous aggregated mesophase. ) are unsuitable for use in the present invention. Generally, such infusible material is
Pitch containing more than % by weight is inappropriate. The presence or absence of such homogeneously aggregated mesophase domains as well as the presence or absence of infusible non-mesophase insolubles can be visually observed by polarized light microscopy examination of pitches (e.g., G.D. “The Formation of
Some Graphitizing Carbons”, Chemistry and
Physics of Carbon, Volume 4, Marcel Tetzker Incorporated, New York.
1968, pp. 243-268, and “The Carbonaceous Mesophase Formed” by G. Dubois, C. Agachie and G. L. White.
in the Pyrolysis of Graphitizable Organie
Materials”, Metallography 3 , 1970, No. 337~
See page 369. ). In this manner, each of these substances can be most visually calculated. Conventional molecular weight analysis techniques can be used to determine the molecular weight properties of mesophase pitches prepared in accordance with the present invention. In order to be able to carry out molecular weight measurements independently of both the mesophase and non-mesophase portions of the pitch, the two phases can be conveniently separated by the use of suitable organic solvents. As mentioned above, except for certain non-meso phase insolubles present in the original pitch or, in some cases, generated upon heating, the non-meso phase portion of the pitch is dissolved in organic solvents such as quinoline and pyridine. The mesophase portion is readily soluble, whereas the mesophase portion is essentially insoluble (the non-mesophase portion of the pitch is extracted by extraction with quinoline at 75°C or by boiling pyridine (115°C).
(can be easily separated from the mesophase part by Soxhlet extraction). After separation of the two phases by the solvent in this manner, the non-mesophase portion of the pitch can be recovered from the solvent by vacuum distillation of the solvent. One means used to determine the number average molecular weight of mesophase pitches prepared according to the present invention was:
Includes the use of a gas phase osmometer. The use of this type of instrument for molecular weight measurements has been described by A.P. Bratzday et al.
Brazday, Huff and J.D. Maccugain, J.Phys. & Coll.Chem. 55 ,
304 (1951)). An osmometer measures the difference in electrical resistance between a sensitive standard thermistor in contact with a pure solvent and a second thermistor in contact with a solution of said solvent in which a known concentration of the substance whose molecular weight is to be measured is dissolved. do. The difference in electrical resistance between the two thermistors is caused by the temperature difference between the thermistors caused by the different vapor pressures of the solvent and solution. By comparing this value with the resistance difference obtained with the solvent and a standard solution of the solvent containing a compound of known molecular weight at a known concentration,
It is possible to calculate the molecular weight of a solute substance.
One drop of a pure solvent and a drop of a solution of the solvent in which the substance whose molecular weight is to be measured is dissolved at a known concentration are placed next to a standard thermistor and a sample thermistor, respectively housed in a sealed thermostatic chamber saturated with solvent vapor. and measure the resistance of the two thermistors and record the difference between them. Since a solution of a given solvent always has a lower vapor pressure than the pure solvent, there will be differential mass transfer between the two droplets and the solvent vapor phase, such that the solution droplet (coming from evaporation is low) resulting in a large total condensation. This difference in mass transfer causes a temporary temperature difference between the two thermistors (due to the difference in heat of vaporization loss between the two droplets), which is due to the difference in vapor pressure between the two droplets. proportional to the difference. The difference in vapor pressure between the two droplets, hence 2
Difference in temperature and resistance (ΔR) between two thermistors
Since N depends only on the number of molecules of the solute substance dissolved in the solvent and is independent of the chemical composition of the molecules, the mole fraction of solute in solution (N) It can be determined from a plot of ΔR versus N for a solution of such a solvent containing a known concentration (the mole fraction of a given substance in a solution is the number of moles of such substance in the solution + the number of moles of the solvent). (means the number of moles of such substance in solution divided by ). ΔR and N have a direct proportional relationship to each other, and from the determination of N it is possible to calculate the calibration constant (K) for the solvent used from the following equation: K=ΔR/NK Once the value of K is determined, the molecular weight of the substance can be calculated using the following formula, M x = (K-ΔR)・M y・W x /ΔR・W y [Here, M x is the value of the measurement is the molecular weight of the substance to be tested, K is the calibration constant of the solvent used, ΔR is the resistance difference between the two thermistors, M y is the molecular weight of the solvent, and W y is the weight of the solvent. , and W x is the weight of the substance whose molecular weight is to be measured]. Although the molecular weight of the soluble portion of pitch can be determined directly in its solution in order to determine the molecular weight of the insoluble portion, it may be necessary to first solubilize it by chemical reduction of the aromatic bonds of such material, e.g. with hydrogen. is necessary. Suitable means for solubilizing coal and carbon by reduction of the aromatic bonds of these materials have been described by G.D. Brutz et al. (G.D. Brooks and H. Silver). Mr. Mann’s “The
Chemical Reduction of Some Cokes and
"Chars", Fuel 41 , 1962, pp. 67-69). This method involves the use of hydrogen generated by the reaction of lithium with ethylenediamine and
It has been found that aromatic bonds in carbonaceous materials can be efficiently reduced without breaking carbon bonds. Also,
Such a method was preferably used to solubilize the insoluble portion of pitches prepared according to the present invention. Another means used to determine the molecular weight characteristics of mesophase pitches prepared according to the present invention is gel permeation chromatography (GPC). This technique is described by L.R. Snyder (L.R. Snyder's “Determination of Asphalt Molecular Weight”).
Distributions by Gel Permeation
Chromatography”, Anal.Chem. 41 , 1969, No.
pp. 1223-1227). Gel permeation chromatography is used to separate solutions of polymers or polymer-related molecules of various sizes, and the molecular weight distribution of the sample is measured linearly with respect to solute concentration using a differential refractometer or a differential ultraviolet absorption spectrometer. It is measured with the help of responsive detection system. In order to be able to carry out molecular weight measurements independently on both the mesophase and non-mesophase parts of the pitch, as in the case of gas phase osmotic techniques, the two phases are treated in a suitable organic solvent. They must first be separated by use. Again, while the molecular weight of the soluble portion of pitch can be measured directly in its solution, in order to measure the molecular weight of the insoluble portion it is first necessary to solubilize it. Fractionation of a sample whose molecular weight distribution is to be determined involves dissolving the sample in a suitable solvent, passing the solution through a chromatograph, and collecting the measurement fraction of the solution eluted through the separation column of the chromatograph. It is carried out by. A given volume of solvent is required to pass molecules of a given molecular size through the chromatograph, such that each fraction of the solution eluted from the chromatograph contains molecules of a given molecular size. The fractions that flow through the column contain molecules of high molecular weight first, whereas the fractions that take the longest to elute through the column contain molecules of low molecular weight. After fractionating the sample, the concentration of solute in each fraction is
It is measured by a suitable detection system such as a differential refractometer or a differential ultraviolet absorption spectrometer. When using a differential refractometer, the refractive index of each fraction is automatically compared to that of the pure solvent by two photocells sensitive to the intensity of light passing through such fraction and the solvent;
The difference in signal intensity between the two cells is then automatically plotted against the cumulative elution volume of the solution. Since the magnitude of these signal intensity differences is proportional to the weight concentration of solute molecules present, the relative weight concentration of the molecule in each fraction is calculated by dividing the signal intensity difference of that fraction into the total integrated signal intensity difference of all fractions. It can be determined by dividing by . This relative concentration can be graphed by plotting the signal intensity difference of each fraction against the cumulative elution volume of the sample. The molecular weight of each fraction's molecules can then be determined by standard techniques, such as by the osmotic pressure technique described above. Most common pitches consist of the same molecular species, so once the molecular weight of each fraction of a particular sample has been determined, that sample can be used as a standard, and the molecular weight of the next sample fraction can be compared to the same standard. It can be determined from the known molecular weight of the fraction. Thus, it is not necessary to repeat the molecular weight determination for each fraction of each sample, which can be obtained from the molecular weight determined for the same fraction of a standard. For convenience, a molecular weight distribution curve showing the relationship between the molecular weight of the standard and the elution volume can be constructed by plotting the molecular weight measured for the standard fraction against the cumulative elution volume of the standard. Then,
From this curve, the molecular weights of the molecules of the various chromatographic fractions of a given sample can be read directly.
As previously described, the relative weight concentration of solute molecules in each fraction can be determined by differential reflectance measurements. To facilitate molecular weight determination, the signal intensity difference and elution volume values obtained for a given sample are processed by a computer together with the previously determined molecular weight data for each chromatographic fraction of the standard pitch, and It can be rewritten as a complete molecular weight distribution analysis value. This procedure provides a complete printout of the number average molecular weight (Mn), weight average molecular weight (Mw), molecular weight distribution parameters (Mw/Mn), as well as the molecular weight and weight of the solutes present in each chromatographic fraction of the sample. % compiler provided mechanically. For the preparation of mesophase pits that can be used to produce fibers that can be heat treated to produce fibers with high elastic Young's modulus and high tensile strength, a carbon content of about 92 to about 96% by weight. and aromatic-based carbonaceous pits having a hydrogen content of from about 4 to about 8 weight percent are generally preferred. Elements other than carbon and hydrogen, such as oxygen, sulfur and nitrogen, are undesirable and should not be present in excess of about 4% by weight. The presence of extraneous elements in greater than such amounts disrupts the formation of carbon crystallites during subsequent heat treatment and prevents the development of graphite-like structures within fibers made from these materials. In addition, the presence of extraneous elements reduces the carbon content of the pitch and therefore the final yield of carbon fibers. When such extraneous elements are present in amounts of about 0.5 to about 4% by weight, the pitch generally has a carbon content of about 92 to 95% by weight, with the balance being hydrogen. Preferred starting materials for preparing the mesophase pitch used to make the fibers of the invention are petroleum pitch, coal tar pitch and acenaphthylene pitch, which are pitches that graphitize well. be. Of course, oil pits are
It is a residual carbonaceous material obtained from distillation of crude oil or catalytic cracking of petroleum distillate. Similarly, coal tar pitch is obtained by distilling coal. Both of these materials are commercially available natural pitches from which the mesophase can be easily produced, and for this reason they are preferred. Acenaphthylene pitch, on the other hand, is a synthetic pitch, which is preferred because of its ability to produce superior fibers. Acenaphthylene pitch was patented by Mr. Edstrom with US Patent No.
It can be produced by thermal decomposition of an acenaphthylene polymer as described in No. 3,574,653. Some pitches, such as fluoroanthracene pitch, polymerize very easily on heating and do not find large, coalescing domains of mesophase, so they are not suitable precursor materials. Similarly, pitches that are highly infusible, non-mesophase and have a content that is insoluble in organic solvents such as quinoline or pyridine, or that develop highly infusible, non-mesophase insoluble content upon heating, are described above. It should not be used as a starting material. This is because these pitches produce the homogeneous agglomerated mesophase necessary to produce highly oriented carbonaceous fibers that can be converted by heat treatment into carbon fibers with high elastic Young's modulus and high tensile strength. Because you can't. For this reason, approximately 2
Pitch having an infusible, quinoline-insoluble or pyridine-insoluble content (determined as described above) of greater than or equal to % by weight should not be used or the material must be heated before heating to form the mesophase. Should be taken to remove. Preferably, such pitches are used when they contain about 1 weight or more of such infusible material. Most petroleum pitches and synthetic pitches have a low infusible content and can be used directly without further modification. On the other hand, most coulter pitches have a high infusible content and require filtration before their use. When pitchi is heated to a temperature of 350-500°C to produce a mesophase, the pitchi is of course heat-treated to some extent, and the composition of the pitchi is varied depending on the temperature, heating time, and composition and structure of the starting materials. . Generally, however, after heating the carbonaceous pitch for a period sufficient to produce a mesophase content of about 40 to about 90% by weight, the resulting pitch is about
It has a carbon content of 94-96% by weight and a hydrogen content of about 4-6% by weight. When such pitches contain elements other than carbon and hydrogen in amounts of about 0.5 to about 4% by weight, mesophase pitches generally contain about 92 to 95% by weight.
It has a carbon content of , with the balance being hydrogen. After preparing the desired mesophase pitch, it is spun into fibers by conventional techniques, such as by melt spinning, centrifugal spinning, blow spinning, or in other well known manners. As previously described, in order to obtain highly oriented carbonaceous fibers that can be heat treated to produce carbon fibers with high elastic Young's modulus and high tensile strength, Pitzi requires large coalescing domains under static conditions. It must form a homogeneous, cohesive mesophase with a 100% homogeneous structure and must be non-thixotropic under the conditions used during spinning. Furthermore, in order to obtain uniform fibers from such pitches, the pitches should be agitated immediately prior to spinning to effectively mix the immiscible mesophase and non-mesophase portions of the pitches. The temperature at which the pitch is spun will, of course, depend on the temperature at which the pitch exhibits a suitable viscosity. Since the softening temperature of the pitch and its viscosity at a given temperature increases as the mesophase content of the pitch increases, the mesophase content should not be increased to the point of raising the pitch's softening point to an excessive level. For this reason, pitches with a mesophase content of more than about 90% are generally not used.
Pits with a mesophase content of about 40% by weight usually have a mesophase content of about 40% by weight.
It has a viscosity of about 200 poise at 300°C and about 10 poise at about 375°C, whereas pitch with a mesophase content of about 90% by weight exhibits a similar viscosity at temperatures above 430°C. Within this viscosity range, fibers can be conveniently spun from such pitches at speeds of about 50 ft/min to about 1000 ft/min and even up to about 3000 ft/min. Preferably, the pitch used has a mesophase content of about 50 to about 65% by weight and a temperature of about 340 to about 380°C.
It exhibits a viscosity of about 30 to about 150 poise at a temperature of .
At such viscosities and temperatures, uniform fibers having diameters from about 5 to about 25 microns can be readily spun. However, as mentioned earlier,
In order to obtain the desired fibers, it is important that the pits be non-thixotropic and exhibit Newtonian or plastic flow behavior during spinning of the fibers. The carbonaceous fibers produced in this manner are highly oriented graphitizable materials with a high degree of preferred orientation of their molecules parallel to the fiber axis. The term "graphitizable" means that these fibers are thermally (usually at temperatures above about 2500°C, e.g. about 2500 to about 3000°C) means that it can be converted (by heating). The fibers produced in this manner, of course, have the same chemical composition as the pitch from which they are drawn, and similar pitches contain from about 40 to about 90 percent by weight mesophase. When examined under magnification by polarized light microscopy techniques, the fibers exhibit tissue variations that give them a "minicomposite" appearance. Large elongated anisotropic domains with a fibrillar appearance distributed throughout the fiber are seen. These anisotropic domains are highly oriented and aligned preferentially parallel to the fiber axis. We believe that these anisotropic domains (which are elongated by the shear forces exerted on the pitch during fiber spinning) are not composed entirely of mesophase, but also of non-mesophase. It will be done. Apparently, the non-mesophase is oriented during spinning and drawn into elongated domains by these shear forces and the orientation effect exerted by it as the mesophase domains are elongated.
Also, although anisotropic domains may exist, they may not be visible and are therefore difficult to distinguish from anisotropic domains that coincidentally exhibit extinction. Characteristically, the oriented elongated domains have diameters greater than 5000 Å, typically from about 10000 to about 40000 Å, and because of their large dimensions, when examined at 1000x magnification by conventional polarized light microscopy techniques. easily observed. The maximum resolution of a standard polarizing microscope with a magnification of 1000 times is only a few tenths of a micron (1 micron = 10,000 Å).
Therefore, anisotropic domains with dimensions below 1000 Å cannot be detected by this technique. Fibers spun from pitches containing more than about 85% by weight mesophase often retain their shape when carbonized without preliminary heat curing; Fibers spun from pitch require some heat curing before carbonizing them. Thermal curing of fibers is
This is readily accomplished by heating the fibers in an oxygen-containing atmosphere for a sufficient period of time to render them infusible. The oxygen-containing atmosphere used may be pure oxygen or an oxygen-enriched atmosphere. Most conveniently, air is used as the oxidizing atmosphere. The time required to cause thermosetting of the fibers will, of course, depend on such factors as the type of oxidizing atmosphere used, the temperature, the diameter of the fibers, the particular pitch in which the fibers were made and the mesophase content of such pitches. Varies depending on factors. However, in general, heat curing of the fibers takes place in a relatively short period of time, usually from about 5 to about 60
It can be done in minutes. The temperature used to cause thermosetting of the fibers is
Of course, the temperature at which the fiber softens or deforms cannot be exceeded. Thus, the maximum temperature that can be used depends on the particular pitch into which the fiber was spun and the mesophase content of such pitch. The higher the mesophase content of the pitch, the higher its softening temperature and the higher the temperature that can be used to cause thermosetting of the fiber. Of course, at higher temperatures, fibers of a given diameter can be heat-set in a shorter time than is possible at lower temperatures. On the other hand, fibers made from pitch with low mesophase content require relatively long heat treatments at somewhat lower temperatures to render them infusible. Maximum temperatures of at least 250°C are generally required to efficiently heat cure carbonaceous fibers made in accordance with the present invention. Temperatures above 400°C can cause melting and/or excessive burning of the fibers and should be avoided. Preferably, about
Temperatures from 275 to about 350°C are used. At such temperatures, heat curing can generally be accomplished within about 5 to about 60 minutes. Since it is undesirable to oxidize the fibers beyond that required to render them completely infusible, the fibers are generally oxidized for longer than about 60 minutes or
It will not heat up at temperatures above 400℃. After thermosetting the fibers, the infusible fibers are enriched in an inert atmosphere, such as those described above, sufficiently to remove hydrogen and other volatiles and produce substantially all carbon fibers. It is carbonized by heating to a certain temperature. Fibers having a carbon content of about 98% by weight or higher can generally be produced by heating to temperatures of about 1000°C or higher, and at temperatures of about 1500°C or higher, the fibers are fully carbonized. Typically, carbonization is carried out at a temperature of about 1000 to about 2000<0>C, preferably about 1500 to about 1900<0>C. Generally, residence times of about 0.5 to about 25 minutes, preferably about 1 to about 5 minutes are used. Although longer heating times can be used with better results, such residence times are uneconomical and, as a practical matter, there is no benefit to using such long periods. To ensure that the weight loss rate of the fibers is not so excessive as to destroy the fiber structure, the fibers are heated to approximately 700 to
Preferably, heating is carried out for a short period of time at a temperature of about 900°C. Residence times of about 30 seconds to about 5 minutes at these temperatures are usually sufficient. Preferably, the fibers are heated at a temperature of about 700°C for about 0.5 minutes and then at a temperature of about 900°C for the same period of time. In any case, the heating rate must be controlled so that volatilization does not proceed at an excessive rate. In a preferred method of heat treatment, a continuous filament of fiber is passed through a series of heating zones held at successively higher temperatures. If desired, the first of these zones can contain an oxidizing atmosphere and heat curing of the fibers takes place therein. Several arrangements of devices can be used to form a series of heating zones. Thus, one furnace can be used, passing the fiber several times and increasing the temperature each time. Alternatively, subsequent furnaces may be maintained at a higher temperature than the preceding furnace, and the fibers may be passed through some furnaces only once. It is also possible to use a single furnace with several heating zones maintained at continuous high temperatures in the direction of fiber travel. The carbon fibers produced in this manner have a highly oriented structure characterized by the presence of carbon crystallites preferentially aligned parallel to the fiber axis, and when heated to the graphitization temperature It is a graphitizable material that sometimes exhibits graphite-like properties such as the three-dimensional alignment properties of polycrystalline graphite and its associated high density and low resistivity. If desired, the carbonized fibers are further heated in an inert atmosphere as described above to an even higher temperature within the range of about 2500 to about 3300°C, preferably about 2800 to about 3000°C to Fibers can be produced that have the structural characteristics of polycrystalline graphite as well as a high degree of preferred orientation of parallel carbon crystallites. Although residence times of about 1 minute are satisfactory, both shorter and longer times can be used, such as from about 10 seconds to about 5 minutes or more. Although residence times longer than 5 minutes are sterile and unnecessary, they can be used if desired. Fibers produced by heating at temperatures above about 2500°C, preferably above about 2800°C, are characterized as having a three-dimensional array of polycrystalline graphite. This three-dimensional arrangement is determined by the X-ray diffraction diagram of the fiber, specifically the presence of (112) crossed lattice lines and the presence of two distinct lines (100) in the (10) band.
and (101). The short circular arcs that make up the (00l) band of the diffractogram indicate that the carbon crystallites of the fibers are preferentially aligned parallel to the fiber axis. Microdensitometric scanning of the (002) band of exposed X-ray film reveals that this preferred orientation is at best approximately
10° is typically about 5° to about 10° (expressed as the full width at half the maximum of the azimuthal intensity distribution). The apparent layer size (La) and apparent deposition height (Lc) of the crystallites exceed 1000 Å, thus it is too large to be measured by X-ray techniques. The layer distance (d) of the microcrystal is equivalent to (00
) Calculated from the diffraction arc, it is at most 3.37 Å, generally 3.36-3.37 Å. The following examples are provided for illustrative purposes so that those skilled in the art may better understand the invention. However, it is merely an example;
It should not be construed as limiting the invention in any way. Example 1 A pitchch having a mesophase content of approximately 57% by weight was prepared using commercially available petroleum pitchch. The precursor pitch has a number average molecular weight of 400, a density of 1.23 g/cc, and a density of 120
It had a softening temperature of °C and contained 0.83% by weight of quinoline insolubles (QI determined by quinoline extraction at 75 °C). According to chemical analysis, carbon content of 93.0%, hydrogen content of 5.6%, 1.1%
It showed a sulfur content of 0.044% and an ash content of 0.044%. The mesophase pitch is prepared by heating the precursor petroleum pitch at approximately 5°C/
The pitch was prepared by heating at a rate of Hr to a temperature of 415°C and maintaining the pitch at this temperature under a nitrogen atmosphere for a further 5 hours. To illustrate that the conversion to mesophase proceeds rapidly under vacuum, mesophase pitches were prepared from the same precursor pitches and in the same manner except that the pitches were heated to a pressure of less than 1 mm Hg. The resulting pitch had a pyridine insolubles content of 71% compared to only 57% for the pitch prepared in the absence of vacuum. Commercially available petroleum pitch was used to prepare pitch with a mesophase content of approximately 53% by weight. The precursor pitch has a number average molecular weight of 400, a density of 1.23 g/cc, 120
It had a softening temperature of 0.degree. C. and contained 0.83% by weight of quinoline insolubles (QI determined by quinoline extraction at 75.degree. C.). According to chemical analysis, carbon content of 93.0%, hydrogen content of 5.6%, 1.1%
It showed a sulfur content of 0.044% and an ash content of 0.044%. The mesophase pitch is prepared by heating 60 g of the precursor pitch in an 86 c.c.
The pitch was prepared by increasing the temperature from about 200°C to about 400°C at a rate of 100 hr and maintaining the pitch at about 400°C for an additional 12 hours. The pitch was continuously stirred during this time and the pitch was continuously bubbled with nitrogen at a rate of 0.2 scfh. The pitch prepared in this manner had a pyridine insoluble content of 53%, indicating a mesophase content close to 53%. Pitch can be easily spun into fiber, and significant amounts of fiber have been produced by spinning pitch through a spinneret (0.015 inch diameter hole) at a temperature of 368°C. The filament passed through a nitrogen atmosphere as it exited the spinneret and before it was wound by the reel. A portion of the fiber produced in this manner was heated in oxygen at 390°C for 6 minutes. The resulting oxidized fibers were completely infusible and could be heated at elevated temperatures without sagging. After heating the infusible fibers in an air atmosphere for about 10 minutes, the fibers were found to have a tensile strength of 171 x 103 psi and an elastic Young's modulus of 46 x 106 psi. Note that the tensile strength and Young's modulus are the average values of 10 samples. For comparison purposes, mesophase pitches were prepared from the same precursor pitches and in the same manner as described above, except that no nitrogen was bubbled into the pitches while preparing the pitches under a nitrogen atmosphere. Heating at 400° C. for 32 hours was required to prepare a mesophase pitch with 50% pyridine insoluble content.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 炭素質ピツチを、メソ相の形成間に減圧を施
しながら350〜450℃の温度においてメソ相含量が
40〜90重量%の範囲になるまで加熱することから
なるメソ相ピツチの製造法。
1 A carbonaceous pitch was heated at a temperature of 350 to 450°C to reduce the mesophase content while applying reduced pressure during the formation of the mesophase.
A method for producing a mesophase pitch consisting of heating to a range of 40 to 90% by weight.
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