JPH0250211B2 - - Google Patents

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JPH0250211B2
JPH0250211B2 JP60089057A JP8905785A JPH0250211B2 JP H0250211 B2 JPH0250211 B2 JP H0250211B2 JP 60089057 A JP60089057 A JP 60089057A JP 8905785 A JP8905785 A JP 8905785A JP H0250211 B2 JPH0250211 B2 JP H0250211B2
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JP
Japan
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yarn
pitch
fibers
carbon
temperature
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JP60089057A
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Japanese (ja)
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JPS60231825A (en
Inventor
Aasaa Shurutsu Deibitsudo
Kaaru Neruson Roren
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BP Corp North America Inc
Original Assignee
BP Corp North America Inc
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Publication date
Application filed by BP Corp North America Inc filed Critical BP Corp North America Inc
Publication of JPS60231825A publication Critical patent/JPS60231825A/en
Publication of JPH0250211B2 publication Critical patent/JPH0250211B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Inorganic Fibers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

発明の分野 本発明は、炭素繊維の製造のための必須製造工
程とこれまで考えられていた臨界工程を回避した
炭素繊維の製造法に関する。特に、本発明は、炭
素繊維を製造するための炭素化工程に先立つてメ
ソ相ピツチ繊維を不融化する独立工程が排除され
た方法に関する。また、本発明は、新規な炭素繊
維及びかゝる繊維を含む複合物質にも関する。 発明の背景 メソ相ピツチを基材とした炭素繊維は、米国特
許第4005183号の発行以来斯界において周知であ
る。炭素繊維の製造に好適なメソ相ピツチの製造
に関する多数の特許文献が発行されてきた。かゝ
る特許としては、米国特許第4026788号、同第
3976729号及び同第4303631号が挙げられる。 ピツチ繊維の紡糸に好適なメソ相ピツチはメソ
相が連続相になるように少なくとも40重量%のメ
ソ相を含有し、そしてこのメソ相ピツチは静止加
熱時に寸法が少なくとも200ミクロンのドメイン
(分域)を形成することが斯界において判明して
いる。 炭素繊維の製造のためにメソ相ピツチを連続ピ
ツチ繊維に紡糸することは、一般には、数百本の
繊維通常1500〜2000本のピツチ繊維を同時に紡糸
する紡糸装置を用いて実施される。ピツチ繊維の
平均直径は約13ミクロンである。例えば2000本の
ピツチ繊維が後続の工程において一緒に処理され
る。連続繊維の束は、通常、斯界では“ヤーン”
と称されている。通常、炭素繊維は、製造され、
輸送のために包装されそしてヤーンとして複合体
で使用される。かゝるヤーンは、しばしば、“炭
素ヤーン”と称される。 本明細書において、用語「ヤーン」は一緒に紡
糸および加工処理された複数の連続繊維を意味
し、そして用語「ピツチヤーン」、「不融化ヤー
ン」、「炭素ヤーン」及び「グラフアイトヤーン」
は製造プロセスの種々の段階におけるヤーンを表
わすのに用いられる。 一般には、メソ用ピツチから炭素繊維を製造す
るための方法は、メソ相ピツチを紡糸して複数の
ピツチ繊維(ピツチヤーン)にし、そのピツチ繊
維(ピツチヤーン)を不融化し、しかる後その不
融化ピツチ繊維に実質上非反応性の雰囲気中にお
いて炭素化工程を施こして炭素繊維(炭素ヤー
ン)を製造する各工程を包含する。 ピツチ繊維を不融化する工程は炭素繊維の製造
に対して必須であることが、従来技術から知られ
ている。と云うのは、それは、炭素化工程を比較
的迅速に実施するのを可能にするからである。炭
素化工程は、通常、ヤーンを少なくとも約1000℃
の温度に加熱することを必須とする。繊維の変
形、繊維間の融着又は炭素ヤーンの機械的特性の
低下を引き起こさずにヤーンの温度をほゞ室温か
ら最終温度例えば1000℃に短時間で上昇させるこ
とができるのが望ましい。 従来技術では、不融化工程は、メソ相ピツチを
基材とする炭素繊維の製造に特に重要である。メ
ソ相ピツチから誘導される炭素繊維は、引張強度
及びヤーン率の如き優秀な機械的特性によつて特
徴づけられる。と云うのは、メソ相ピツチの芳香
族分子は、メソ相ピツチ繊維の紡糸間にピツチ繊
維に対して平行に配向する傾向があるからであ
る。不融化されていないメソ相ピツチ繊維の温度
をピツチ繊維の軟化点に上昇させると、芳香族分
子の脱配向をもたらし、これによつて優秀な機械
的特性を有する炭素繊維を得る可能性が実質上な
くなる。 従来技術では、製造しようとする炭素ヤーンの
品質を劣化させることなくヤーンの温度を室温か
ら炭素化温度まで上昇させる異例な程長い時間を
回避するためには、炭素化工程に先立つてメソ相
ピツチヤーンを不融化することが必要であること
が強調されてきた。 また、従来技術に従えば、繊維の軟化によつて
ヤーンの繊維間の融着をもたらすのを回避するた
めには非メソ相ピツチ繊維を不融化することが必
須である。 ピツチヤーンを不融化する工程は、斯界におい
ては“熱硬化工程”とも称されている。不融化工
程は発熱反応であり、そしてこの反応によつて発
生する熱は繊維を軟化又は変形する可能性があ
る。この熱はヤーン中の繊維を互いに付着又は粘
着させる場合があり、そしてこのことは、得られ
る炭素ヤーンの引張強度並びにその炭素繊維で作
られる複合体の特性を低下させる。この問題は、
米国特許第4275051号及び同第4276278号で考慮さ
れてきた。 特許文献に反映される如き炭素繊維の製造は、
米国ニユージヤージー州バーク・リツジ所在のノ
イス・データ・コーポレーシヨンによつて発行
(1980年)された“炭素及びグラフアイト繊維、
製造及び用途”と題する書物(マーシヤル・シツ
テグ編)に記載されている。この書物には、種々
の前駆体物質から誘導される如き炭素繊維の歴史
的発展及びそれらの製造について特許された技術
が記載されている。加えて、この書物は、様々な
繊維処理プロセス、複合体を作るために炭素ヤー
ンと共に用いられるマトリツクス、有効な複合体
を作るために炭素繊維と組み合わせて含めること
ができる他の補強材料、及び織物構造体の製造に
おける炭素繊維の利用について簡潔に記載してい
る。 “ザ・インターナシヨナル・コミツテー・フオ
ー・キヤリクテリゼーシヨン・アンド・ターミノ
ロジー・オブ・カーボン(The International
Committe for Characterization and
Terminology of Carbon)”は、斯界において用
いられている多くの用語の定義を明確にするため
にCarbon、Vol.20、第445〜449頁(1982)にお
いて“First Publication、of 30 Definitions”
を発表した。この国際委員会は、“炭素繊維”を、
“有機合成若しくは天然繊維(PAN又は他のも
の)又は樹脂若しくはピツチの如き有機前駆物質
から引き出された繊維のどちらかに炭素化及びそ
れに続いての炭素化繊維の熱処理(約3000Kの温
度まで)によつて得られる非グラフアイト炭素よ
りなるフイラメント”と定義している。また、国
際委員会は、“非グラフアイト炭素”を、“六員環
網状平面に炭素原子が二次的規則性で配列されて
いるがしかし多かれ少なかれ平行の積み重ねは別
として第三方向(C−方向)に測定し得る結晶規
則性がない、炭素元素より主としてなる物質のす
べての変種”と定義している。斯界では、用語
「グラフアイト繊維」は、2500〜3000〓の熱処理
された炭素繊維を記載するのに用いられている。
国際委員会は、かゝる繊維はたいていの場合に非
グラフアイト炭素のまゝであつて慣用名「グラフ
アイト繊維」が不正確であることを指摘した。し
かしながら、国際委員会は、“用語「グラフアイ
ト炭素」は、かゝる結晶質ドメインの容量分率及
び分布均一性には無関係に、もし回折法によつて
物質中に三次元的結晶規則性を検出することがで
きるならば正当化される。”ことを指摘している。 従来技術に従えば、不融化工程は、酸化雰囲気
中において好ましくは繊維が不融化状態になる速
度を高めるために高められた温度で実施される。
米国特許第4389387号は、ピツチ繊維を急速且つ
効率的に不融化する問題を開示している。この特
許は、不融化処理に先立つて10000本のピツチ繊
維を一緒にして直径10〜30mmのトウにするのが好
ましいことを開示している。ピツチ繊維は、ネツ
トベルトコンベヤーに乗せられ、そして空気と酸
素、オゾン、二酸化硫黄、二酸化窒素等の如きガ
ス状酸化剤との混合物を通される。このガス状酸
化剤は、ガス混合物の0.1〜10重量%である。こ
の特許における不融化工程の温度は、ピツチ繊維
の軟化点よりも少なくとも5〜50℃程低い。ま
た、この特許には、不融化のための時間は1〜4
時間と開示されている。また、この特許には、ピ
ツチを不融化する問題はガス状混合物を充填され
たピツチに通すことによつて打破されると述べら
れている。それにもかゝわらず、この特許は、発
生した熱の不十分な除去を回避するためにピツチ
繊維の充填高さを大き過ぎないようにしている。 1971年11月4日付け出願の“炭素繊維の製造に
関する改良”と題する南アフリカ特許願71/7853
号は、繊維をそれが紡糸された後で且つ炭素化工
程に先立つて不融化する方法を開示している。こ
の特許における不融化工程は、“安定化”と称さ
れている。即ち、“安定化”及び不融化は、該特
許では同じでありそして交互に使用されている。
この特許に開示される前駆物質は、石炭の溶液又
はエキストラクト並びにピツチ、ピツチ様の物質
及びタール(特にもしそれらが石炭から誘導され
るならば)を包含する。 この南アフリカ特許願は、“有機物質よりなる
紡糸若しくは押出繊維、フイラメント又はフイル
ムは、それを臭素の水溶液か又は少なくとも25重
量%好ましくは少なくとも40重量%のHNO3を含
有する硝酸の水溶液のどちらかと該紡糸若しくは
押出繊維、フイラメント又はフイルムを熱処理に
対して安定化するのに少なくとも十分な時間接触
させることによる熱処理によつて安定化させるこ
とができること”を開示している。更に、この特
許願は、酸化ガス好ましくは分子酸素を含有する
ものを高められた温度で用いる酸化によつて安定
化繊維を熱処理に対して更に安定化させることが
できることを開示している。 上記南アフリカ特許願は、硝酸が石炭及び同様
の物質と反応して石炭を分解すること、及び硝酸
と石炭との反応が表面作用でありそしてある場合
には硝酸が石炭と激しく又は爆発的にさえ反応す
ることを開示している。 上記南アフリカ特許願に従えば、 “もし硝酸を有機物質の紡糸若しくは押出繊
維、フイラメント又はフイルムと過度の時間反応
させると、硝酸は、該有機物質の紡糸若しくは押
出繊維、フイラメント又はフイルムとそれを分解
させるような態様で反応する場合がある。有機物
質が先に記載した如き石炭の溶液又はエキストラ
クトであるような場合には、硝酸は石炭の溶液又
はエキストラクトと反応して石炭の溶液又はエキ
ストラクトの大きい分子を開裂し、これによつて
石炭の溶液又はエキストラクトがより小さい分子
を有することになる。これは、石炭の溶液若しく
はエキストラクトの紡糸若しくは押出繊維、フイ
ラメント又はフイルムの又はそれから製造した炭
素繊維、フイラメント若しくはフイルムの強度を
減じる影響を及ぼす。従つて、石炭の溶液若しく
はエキストラクト又は他の有機物質の紡糸若しく
は押出繊維、フイラメント又はフイルムは、臭素
又は硝酸のどちらの水溶液とも、安定化繊維、フ
イラメント若しくはフイルム又はそれから製造し
た炭素繊維、フイラメント若しくはフイルムの特
性に重大な悪影響を及ぼすような長い時間反応さ
せるべきではない。” と記載されている。 かゝる南アフリカ特許願は、水性硝酸の使用に
関して1つの実施例を提供している。例1は、30
ミクロンの直径を有する単一フイラメントをある
長さに切断しそして50重量%の硝酸を含む溶液中
に周囲温度(約20℃)で浸漬させたことを開示し
ている。切断した長尺物の数は該特許には記載さ
れていない。次いで、繊維の長尺物を水洗して硝
酸を除去し、そして垂直炉につるして窒素中にお
いて300℃/hrの加熱速度において約260℃の温度
に加熱し、しかる後その窒素雰囲気を酸素によつ
て5分間置換した。続いて、繊維を窒素中におい
て80℃/hrの速度で1000℃の温度に加熱し、そし
てこの温度を1時間保つた。 上記南アフリカ特許願の残りの2つの実施例
は、水性硝酸の代わりに水中に入れた臭素を使用
することを開示している。これらの例の各々にお
いて、炭素化工程の温度上昇速度は、1000℃の最
終温度まで50℃/hrであつた。 また、南アフリカ特許願は、硝酸による繊維の
劣化を回避するためには繊維から硝酸を洗浄する
のが不可避的であることを開示している。南アフ
リカ特許願の開示の工業的利用には、硝酸処理に
続く洗浄工程が必要とされ、そして硝酸処理の後
に、上記例1と同様の酸素中での熱処理が必要で
ある。 有意義には、南アフリカ特許願における実施例
の各々は、炉につるされた繊維の別々の切断長尺
物に対して温度が50℃又は80℃/hrの速度で1000
℃に上昇されたことを示している。これとは対照
をなして、炭素繊維を製造するための典型的な工
業的炭素化工程は、典型的には少なくとも1000本
のフイラメントを有するヤーンをそれが通過する
炉において約1000℃の温度に加熱することであ
る。ヤーンは、室温から炭素化温度までそして再
び室温までの変化を受ける。ヤーンが炭素化温度
を受ける時間は、約1秒以下の程度である。 1969年2月3日付け発行の特公昭45−2510号に
基づいた特許564648号は、30%以下の硫酸含量を
有する乾留石油スラツジから炭素繊維を製造する
方法を開示している。紡糸繊維は、室温と60℃と
の間の温度において塩素ガス流れにさらすこと又
は過酸化水素、塩酸若しくは硝酸溶液中に浸漬す
ることによつて表面処理を受ける。続いて、繊維
は、不融化工程を完結するために酸化雰囲気中に
おいて200℃以上に加熱される。最終工程は、処
理した繊維を炭素化して炭素繊維を生成する熱処
理である。 上記日本特許は、紡糸した石油スラツジ繊維の
酸化雰囲気中での直接的加熱が繊維の転化及び変
形をもたらすために表面処理が必要であることを
開示している。 米国特許第3595946号は、フイラメントが紡糸
機から出てくるときに連続的に又はパツケージに
巻回されたフイラメントにバツチ式で、ピツチの
フイラメントに対して酸化処理を行なうことを開
示している。紡糸機からの熱いフイラメントは、
空気、オゾン、酸化窒素等の如き酸化雰囲気を通
される。この特許は、紡糸機からのフイラメント
をその熱融点よりも低い温度に冷却し次いで硝
酸、硫酸、クロム酸、過マンガン酸塩溶液及び類
似物の如き液状酸化浴を通すことができることを
開示している。また、この特許は、パツケージに
巻回されたフイラメントのバツチに酸化処理を適
用することができることを開示している。また、
この特許は、“フイラメントパツケージの支持体
は、巻回されたフイラメントが酸化プロセス間に
収縮するにつれて降伏し又はへこむような性状及
び(又は)構造を有しなければならない”として
いる。更に、この特許は、次のことを述べてい
る。 “パツケージに巻回されたフイラメントの酸化
は、もしフイラメントの重ねられた隣接ループを
一緒に融着できないならば、かなり臨界的な加熱
形態に従わなければならない。この形態は、当然
のことゝして、ピツチ、その酸化前歴、並びにも
し添加剤があるならば存在する添加剤の種類及び
量に応じて変動する。所定の物質に対する最良の
加熱速度及びソーキング温度は、当然のことゝし
て、決定するのが困難である。と云うのは、酸化
が進むにつれてピツチの溶融温度が変化するから
である。それにもかゝわらず、先に記載した如き
好ましい種類の熱処理ピツチは、温度を15分以内
で100℃に上昇させ(非臨界工程)、フイラメント
を100℃に約20時間保ち、温度を約5℃/hrの好
ましい速度で100℃から195℃に上昇させ、そして
フイラメントを後者の温度において約60〜約120
時間の範囲内(この範囲の上方部が好ましい)の
期間保つことによつて成功下に酸化されるフイラ
メントを生成することが確認された。ある種の物
質の場合には、10℃/hrまでの温度上昇速度を許
容することができることに注目すべきである。い
ずれにしても、酸化処理間の任意の時における温
度は、好ましくは、所定の時におけるピツチの軟
化点よりもせいぜい10℃程低くすべきである。こ
のバツチ式酸化は、新鮮及び再循環の両方の空気
酸素含有ガスであつて所望の温度に予熱されたも
のの一定流れが通過する循環炉において最ともよ
く実施される。 かゝる加熱計画は、プロセスを最適にしてフイ
ラメント間の融着を回避するために試験を実施し
た後でさえも時間が極端に長い。 従来技術にかんがみて、炭素化工程に先立つて
別個の不融化工程を実施するのが必須であること
及び繊維の粘着又は融着を回避するためにはピツ
チヤーンの不融化に対してかなりの注意を払わな
ければならないことと思われる。斯界では不融化
工程を簡単化し且つ促進するために多くの試みが
なされてきた。しかしながら、従来技術には、ヤ
ーンを別個の工程として不融化すること以外はそ
のいかなる不融化法も開示されていない。 その上、従来技術では、ピツチ繊維を硝酸の如
き酸化液で処理した後でさえもピツチ繊維を不融
化するのに酸化雰囲気を必要とする。 発明の概要 本発明は、メソ相ピツチを基材とした炭素ヤー
ンの製造法を包含する。本法は、メソ相ピツチを
紡糸して複数の連続繊維にし、この複数の繊維を
一緒にしてピツチヤーンを作り、ピツチヤーンに
酸化液組成物を接触させ、ピツチヤーンを集めて
かさばつた形態にし、そしてかさばつた形態のピ
ツチヤーンに実質上(不活性非反応性の雰囲気中
において熱処理を施こしてかさばつた形態の炭素
ヤーンを製造することを包含する。 本法は、ピツチヤーンが先ずかさばつた形態に
集められしかる後に酸化液組成物と接触されるよ
うに変形することができる。 酸化液組成物は、本発明に従つた方法において
ピツチヤーンの不融化を可能にし、且つピツチヤ
ーンの“サイズ”又は“サイジング(sizing)”
としても作用する。用語“サイズ”及び“サイジ
ング”は、斯界において交互に用いられる。これ
に関連して、ピツチヤーンに対する“サイジン
グ”は、ピツチヤーン中のピツチ繊維を一緒に維
持しこれによつてピツチヤーンの本体からのピツ
チ繊維の分離を最少限にすることを意図してい
る。製造操作におけるピツチヤーンの取り扱いの
ためにピツチヤーン中のピツチ繊維を一緒に密接
に維持するのが望ましい。 発明の詳細な記述 本発明は、メソ相ピツチを基材とした炭素ヤー
ンの製造を実質上簡素化し、また製造コストを大
きく減少させる。このことは、本発明を従来の炭
素ヤーン製造法と比較することによつてよりよく
評価することができる。 メソ相ピツチを基材とした炭素ヤーンの従来の
製造法は、多くの操作及び高価な装置を使用して
いる。次は、従来の製造操作についての一般的な
記載である。紡糸装置は、平均繊維直径が約12ミ
クロンになるように約50:1の延伸比によつて
個々に延伸される2000本の連続メソ相ピツチ繊維
を生成する。小さい直径を得るには延伸
(drawdown)が必要である。と云うのは、直径
が約12ミクロンの紡糸口は、製造するのに費用が
かゝりそして容易に閉塞するからである。 斯界では、小さい直径を有する炭素繊維は、比
較的直径が大きい炭素繊維よりも一般に良好な機
械的特性を有することが周知である。小さい直径
の炭素繊維を得るには小さい直径のピツチ繊維が
用いられる。 2000本のピツチ繊維がサイジングされそして一
緒に集められてピツチヤーンを形成する。不融化
工程はピツチヤーンをコンベヤーベルト上に均一
なパターンで置くことによつて実施されそしてコ
ンベヤーベルトはピツチヤーンを炉に運こぶ。 ピツチ繊維は、機械的に弱く、従つてかなりの
注意をもつて扱わねばならない。かくして、ピツ
チヤーンをコンベヤーベルトにのせるための方式
は、複雑で且つ速度制限を受ける。 紡糸装置は、コンベヤーベルトの上方に位置さ
れる。ピツチヤーンは、そのピツチヤーンを均一
にのせるためにコンベヤーベルトを横切つて移動
する可動装置に入る。この可動装置は、斯界では
“トラベリングゴデツト(travalling godet)”と
称されそして注意深い設計を行なつても速度制限
を受け、しかもピツチヤーンが装置内のロールに
付着する傾向があるためにピツチヤーンを損傷す
る可能性がある。かゝる付着は、ピツチ繊維を一
緒に維持してピツチヤーンを形成するのに用いら
れるサイジングから生じる表面張力によるもので
ある。 トラベリングゴデツトに続いて、“トランスベ
クター(transvector)”と称される装置が配置さ
れる。このトランスベクターは、トラベリングゴ
デツトにおける最後のロールからピツチヤーンを
吸引下に引き取りそしてそのピツチヤーンをコン
ベヤベルトに向けて下方に誘導する。トランスベ
クターは速度制限を受けないが、しかしピツチヤ
ーンの付近で移動する空気圧によつてピツチ繊維
が損傷を受ける可能性がある。 トランスベクターに続いて、ピツチヤーンを予
定のパターンでコンベヤーベルトに置く“レイダ
ウンチユーブ(laydown tube)”が配置される。
ピツチヤーンの悪いパターンの分布又は高すぎる
積重ねは、不融化工程間における発熱反応によつ
て極めて高い局部的加熱をもたらす可能性があ
る。このレイダウンチユーブはもう1つの潜在的
な問題を提起する。何故ならば、サイジングで湿
つたピツチヤーンは場合によつてはそのチユーブ
の側部に短時間付着し、そしてこれはコンベヤー
ベルトでのレイダウンパターンを妨げるからであ
る。 コンベヤーベルトは、ピツチヤーンを、酸化雰
囲気を有し、且つ工業的操作に対応するようにピ
ツチヤーンにほとんど損傷を起こさせずにそれを
不融化するための予定の熱勾配を有する大きい炉
に運ぶ。この熱処理は、数時間程行なうことがで
きる。炉のコスト並びにエネルギーコストは極め
て高い。 続いて、不融化されたヤーンは、ベルトから引
つぱられそして取り扱い及び貯蔵を容易にするた
めにボビンに堆積される。この操作は、“ダウン
ストリームドライブ(downstream drive)”と
称されるものを使用し、そして不融化ピツチヤー
ンがピツチヤーンよりも強くないので厄介になる
場合がある。不融化ピツチヤーンは、紡糸速度に
対応した速度で集められねばならない。 本発明は、トラベリングゴデツト、トランスベ
クター、コンベヤーベルト、大型の炉及びダウン
ストリームドライブの必要性を排除する。 本発明の好ましい具体例では、紡糸装置は複数
の例えば2000本のピツチ繊維を生成し、そしてこ
れらのピツチ繊維は、酸化液組成物でサイジング
された後にボビンに巻き取りながら一緒にして延
伸される。ピツチヤーンをボビン上に集めながら
そのヤーンを延伸するという組み合わせは、操作
を大きく簡単化し且つ装置の多くの高価な部材を
排除する。しかる後、サイジングしたピツチヤー
ンを巻いたボビンは、実質上非反応性の雰囲気中
において熱処理を受けて炭素ヤーンを生成する。
実質上非反応性の雰囲気中での熱処理前に酸素又
は空気又は類似物中での熱処理を必要とした従来
技術とは対照をなして、本発明に従つたピツチヤ
ーンでは酸化雰囲気中での熱処理が全く必要とさ
れない。 本発明に従つて製造された炭素ヤーンは、従来
技術に従つて製造された炭素ヤーンよりもずつと
効率的な前駆物質の利用を提供する。従来技術の
不融化工程は、18重量%以上程のかなりの量の酸
素をピツチヤーンに導入する。炭化熱処理の間、
駆遂される酸素のいくらかは炭素原子と一緒に逸
散するものと思われる。その結果、従来技術の方
法に従つて製造された炭素ヤーンは、ピツチヤー
ンの18重量%よりも少ない。これとは対照をなし
て、本発明に従つて製造された炭素ヤーンはピツ
チヤーンの約90重量%である。かくして、本発明
は、炭素ヤーンを製造するのに必要とされる操作
を簡単化することの他に従来技術よりも高い生成
物収率を提供する。 酸化液組成物は、熱処理でのその使用の他に多
くの機能を果すことができる。この組成物は、製
造操作間にピツチヤーンと該ピツチヤーンに接触
する装置の部分との間の摩擦を最少限にするため
のピツチヤーンの潤滑を提供することができる。
また、この組成物は、繊維がヤーンとして一緒に
そのまゝとゞまるように繊維と繊維との間の接着
を提供することができる。 好ましい具体例では、酸化液組成物は水性硝酸
からなる。10〜50容量%の水性硝酸の濃度が好ま
しいが、しかし15〜35容量%の濃度がより好まし
い。ピツチ繊維への望ましくないイオンの導入を
回避するために水性硝酸中に脱イオン水を使用す
るのが好ましい。水性硝酸は比較的安価であり、
そして炭素ヤーンを得るのに優れていることが分
つた。 硝酸の濃度は、熱処理を実施する前に硝酸がピ
ツチヤーンにいかに長く接触するかに左右され
る。ピツチヤーンへの硝酸の適用と熱処理との間
の時間が1〜5日のであるような工業的操作に対
しては約25容量%の濃度が好適である。 酸化液組成物に関しては、“ピツチ繊維のスピ
ンサイズ及び熱硬化助剤”と題する上記の米国特
許第4275051号及び同第4276278号を参照された
い。前者の特許には、本発明は、“ヤーン又はト
ウの如きピツチ繊維のマルチフイラメント束を処
理してかゝるマルチフイラメント束を更に他の処
理加工に対して準備するに当り、その繊維に、グ
ラフアイト又はカーボンブラツクを水中に分散さ
せた分散液中に水溶性酸化剤からなる第一化合物
と水溶性表面活性剤からなる別の第二化合物とを
溶解させてなる分散液を適用することからなるピ
ツチ繊維のマルチフイラメント束の処理法を提供
する”と記載されている。他の特許は、酸化剤と
して機能することもできる水溶性表面活性剤を特
徴とする。これらの特許の両方とも、繊維を不融
化するために繊維に対する酸素源として用語“酸
化剤”を使用している。本明細書において用いる
用語「酸化液組成物」は、繊維を不融化するため
の酸素源を包含する。必要ならば、これらの特許
の開示を参照されたい。 酸化液組成物は、水性酸又は過酸素化化合物の
如き水溶性酸化剤を含むことができる。水溶性酸
化剤化合物のいくらかの例としては、過酸化ナト
リウム、過酸化カリウム、過酸化アンモニウム、
過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム、過硫酸アン
モニウム、ピロ硫酸ナトリウム及び硝酸ナトリウ
ムが挙げられる。好ましくは、組成物中には水性
硝酸が用いられる。 また、本発明の酸化液組成物は、カーボンブラ
ツク粒子又はコロイド状グラフアイト及び表面活
性剤を含むことができる。 カーボンブラツク粒子又はコロイド状グラフア
イトは、ピツチ繊維を互いに分離しこれによつて
本発明に従つた熱処理間に繊維と繊維との間の
“粘着”又は融着の発生を最少限にする傾向があ
る。 表面活性剤の機能のうちの1つは、カーボンブ
ラツク粒子の分散体を維持することである。組成
物中に分散させたカーボンブラツク粒子の均質分
散体を維持するのに、従来技術に従つた機械的手
段を用いることができる。また、表面活性剤は、
繊維上への組成物の流れを向上させる。表面活性
剤は、水溶性であつてよくそして陰イオン性又は
非イオン性であつてよい。かゝる表面活性剤は周
知であり、そしてその例としては典型的には、オ
レイン酸テトラメチルナトリウム、オレイン酸テ
トラメチルアンモニウム、ラウリン酸テトラメチ
ルナトリウム、ラウリン酸テトラメチルアンモニ
ウム、ラウリン酸ナトリウム及びラウリン酸アン
モニウムが挙げられる。 酸化液組成物は、サイジングを適用するための
従来技術の方法を使用してピツチ繊維に適用する
ことができる。好ましくは、組成物は、溶液を通
過しそしてその表面上の溶液の一部分をピツチヤ
ーンに運ぶ回転ホイールにピツチヤーンを接触さ
せることによつて適用される。かゝるホイール
は、斯界において“キスホイール(kiss
wheel)”としばしば称され、そして新しい溶液
をヤーンに運ぶと共にヤーンとの摩擦を最少限に
するために回転する。キスホイールの後に、その
後の処理のためにヤーンを堆積することができ
る。 組成物は、ピツチヤーンを組成物の浴に通すこ
とによつてヤーンに適用することができる。これ
は、高速度が浴中の薬剤によつて繊維の損傷を生
じる場合があるので欠陥を有する。 組成物をピツチヤーンに適用する他の方法は、
繊維への組成物の分布を改善するために繊維を一
緒に集めてヤーンを形成する前に組成物の噴霧を
ピツチ繊維に吹き付けることである。 ピツチ繊維に対して水のサイズを用い、そして
ボビン上で生成しようとするヤーンの層に組成物
の噴霧を吹き付けながらヤーンをボビンに巻き取
ることができる。 別法として、組成物は、ピツチヤーンが堆積さ
れた後にそのピツチヤーンに適用することができ
る。例えば、ピツチ繊維をボビン上に巻きそして
ボビンと一緒にヤーンに組成物を施こすことがで
きる。これは、ボビンを組成物の浴中に置くこと
によつて簡単に実施することができる。この場合
について言えば、ヤーンを比較的ゆるく巻くこと
によつて、組成物は巻回体を通つて容易に流れる
ことができこれによつて処理が向上される。複数
の穴を有するボビンは、ボビン近くの繊維が処理
から故意に省かれないような適当な配置を使用し
て組成物を加圧下にコアから外部層へと加圧下に
強制的に送ることができるという利益を有する。
この処理に対しては、ピツチヤーンをボビンに巻
く前にヤーンに対していくらかのサイジングを使
用するのが望ましい。このサイジングに対して水
を使用するのが便利である。 米国特許第4351816号には適当なボビンが記載
されている。ボビンは、円筒体又は端面を有する
円柱体のような形にすることができる。ボビン
は、ボビン上のヤーンを炭素化するために高めら
れた温度に施こされる。従つて、ボビンは、本発
明の実施に対して適当な材料から作られるべきで
ある。好ましくは、ボビンは、ステンレス鋼、耐
火性合金、セラミツク、窒化ほう素又は好ましく
はグラフアイト材料より作られた円筒体からな
る。即ち、ボビンは、ボビン上のピツチヤーンを
炭素化するのに用いられる温度において熱的且つ
機械的に安定な材料が作られる。 上記の米国特許第4351816号は、熱硬化ヤーン
を上記の如きボビンに巻きそして実質上非反応性
の雰囲気中において熱処理して炭素ヤーンを製造
するメソ相ピツチ基材炭素ヤーンの製造法を記載
している。 酸化液組成物と接触されたピツチヤーンは、反
応して、酸素と結合する。0.1〜70時間の期間に
わたつてピツチヤーンの酸素結合量の範囲を調べ
るために試験を実施した。ヤーンは、13.5ミクロ
ンの平均直径を有する2000本のピツチ繊維を有し
ていた。25容量%の濃度を有する硝酸が使用され
た。ヤーンに硝酸を接触させた後、室温において
予定の時間を経過させ、しかる後にこの試験に対
してヤーンを水で洗浄し、そして酸素含量につい
て試験前に125℃で16時間乾燥させた。驚いたこ
とに、酸素結合の範囲は0.1〜7.0hrについて1.5〜
4.8重量%であり、そして酸素結合の大部分は最
初の24時間の間に行われた。試験点は、実質上、
次の関係、 酸素結合(重量%)=1.2355log(hr)+2.5278を
規定する。かくして、この濃度における硝酸との
接触後におけるピツチヤーンの変動は、工業的操
作に有意義な影響を及ぼさないものと思われる。
即ち、処理したピツチヤーンは、炭素化前に貯蔵
することができる。これは、工業的な製造におい
て有益である。 処理されたピツチヤーンの熱処理は、密閉炉に
おいてバツチ式で、又は例えばコンベヤーベルト
炉若しくはボビンを炉に連続的に出し入れするこ
とができるいわゆる“ウオーキングビームフアー
ネス”を使用して連続法として実施することがで
きる。 炉は、ヤーンを熱分解するのに十分な熱を提供
することができ、且つヤーンが消費されないよう
に実質上非反応性の雰囲気を維持することができ
るべきである。炉内の非反応性雰囲気は、窒素、
アルゴン、ヘリウム又は類似物であつてよい。約
2500℃よりも高い温度に対しては、アルゴン及び
ヘリウムが好ましい。 好ましくは、熱処理は、炉を十分にパージする
ことによつて達成される完全に非反応性の雰囲気
中において実施される。少量の酸素は、特にもし
温度を急速に上げ過ぎないならば有害にならない
ものと思われる。酸化液組成物での処理から湿つ
たヤーンはスチームの雰囲気を生じ、この雰囲気
はスチームがもはや実質上非反応性になる温度に
達する前にパージされなければならないことが理
解されよう。炉の雰囲気においてほう素又は類似
の黒鉛化性部材を用いることができ、従つてこれ
らは本発明で用いるときに非反応性と見なされ
る。 本発明を実施するに当つては、ヤーンの温度を
上げる前に炉から空気をパージした。パージ工程
は、炉の内部に減圧を施こし次いでその内部に窒
素を満たすことによつて実施することができる。 本発明に従つた熱処理は、温度の上昇速度に対
して加熱計画を決める際に重要な3つの広い範囲
を有する。約400℃までの温度上昇速度は、ピツ
チ繊維が約400℃に達するまで完全な不融化状態
にならないことを考慮に入れるべきである。400
℃までの温度上昇があまりに速すぎると、軟化、
繊維間の融着及び(又は)メソ相分子の脱配向に
よる繊維の変形が生じる可能性がある。 400℃を越えた温度上昇は高い速度であつてよ
いが、しかし熱分解又は炭素化プロセスのガス損
失の大部分は繊維を約400〜約800℃の間で加熱す
るときに起こることを考慮に入れなければならな
い。急速すぎる上昇は、発生するガスによつて損
傷をもたらす可能性がある。 800℃を越えた温度上昇は、所望なだけ大きく
してよい。典型的には、最終温度は炭素ヤーンの
意図する用途に応じて1300〜2700℃である。 一般には、本発明に従つた熱処理は実質上非反
応性の雰囲気中で実施され、そして温度は約100
℃/hrの速度で室温から800℃まで上昇させるこ
とができる。しかる後、温度は、所望の速さで予
定の最終温度に上昇させることができる。 400℃までの温度の上昇速度は、用いるサイジ
ング、ピツチヤーンと酸化液組成物との間の接触
時間、ピツチの軟化点、繊維の直径及びピツチの
組成に一部分左右される。 好ましくは、炉の加熱計画は、室温から約400
℃まで25℃/hr、次いで約800℃まで50℃/hrで
ある。しかる後、温度は、所望の速度で予定の最
終温度まで上昇させることができる。 好ましくは、ピツチヤーンは、耐火性ボビン上
に堆積される。これは、熱処理後にヤーンが工業
的な使用に対する貯蔵及び地方への輸送に好適な
分散体になつているという利益を有する。 ヤーンは、直交巻き又は本質上平行の巻きでも
つてボビン上に巻き取ることができる。張力は、
従来技術に従つて監視及び制御することができ
る。これは、延伸がボビンへの巻き付けと同時に
実施されるような場合に対して特に重要である。 例 1 約78重量%のメソ相含量及び約324.6℃のメト
トラー(Mettler)軟化点を有するメソ相ピツチ
を通常の紡糸法に従つて2000本のフイラメントに
紡糸した。ピツチ繊維を延伸して平均直径が約13
ミクロンになるようにし、そしてすべての繊維を
一緒に引いてピツチヤーンを作つた。2つの回転
キスホイールを使用して、急速に移動するピツチ
ヤーンに20容量%の濃度を有する硝酸を適用し
た。この酸処理ヤーンをモーター駆動回転グラフ
アイトボビン上に巻き取つた。このボビンには、
繊維を引き且つピツチヤーンの移動を支えるのに
必要な力を供給した。また、このグラフアイトボ
ビンは、その表面上にヤーンを受けとるためのグ
ラフアイトフエルトの層を有していた。また、ボ
ビンは、28cmの長さ及び約9cmの外径を有してい
た。ヤーンは、直交パターンで約85gの張力で巻
き付けられた。各々の巻き付け後のボビンは、約
14cmの直径を有しそして約2.5Kg(乾燥重量)の
ヤーンを有していた。乾燥させた試料を基にした
ヤーンの組成は、次の如くである。 炭 素 81.5% 水 素 3.3% 硫 黄 0.8% 窒 素 2.8% 酸 素 11.6% ボビン上のヤーンに炉において窒素雰囲気中で
熱処理を施こした。温度を上昇させる前に炉を窒
素で4時間パージした。炉の温度を100℃/hrの
速度で室温から1300℃の温度に達するまで上昇さ
せ、そしてこの温度を2時間維持した。しかる
後、炉を冷却して室温に戻した。熱処理によつて
製造された炭素ヤーンの分析をすると、炭素繊維
は、元の乾燥ピツチ繊維と比較して、元の乾燥ピ
ツチの約90.5重量%であることが示された。加え
て、この炭素ヤーンの組成は、 炭 素 98.0% 水 素 0.1% 硫 黄 0.8% 窒 素 0.5% 酸 素 0.5% であることが確められた。 ヤーンの機械的特性を測定すると、平均炭素繊
維は、1.54GPaの引張強度及び約152GPaのヤン
グ率を有していた。 得られた炭素繊維は極めて高い炭素含量を有
し、そしてかゝる炭素繊維は炭素ヤーンで作られ
る複合体の製造に有用であることが分かる。 例 2 熱処理間の収縮の結果として例1で製造された
炭素ヤーンは、巻きパターンの痕跡を有してい
た。これらの痕跡を除去し且つ炭素ヤーンを改良
するために、例1からの炭素ヤーンを、2400℃の
温度を有するスレツドライン(threadline)炭素
化炉に入れた。炭素ヤーンを巻き戻しそして直線
経路に沿つてロールとロールとの間で伸長して窒
素パージシールを経て炭素化炉に送りそして窒素
パージシールを経て出した。炉は、電気抵抗によ
つて加熱された。スレツドライン炭素化は、斯界
において周知である。例えば、米国特許第
4301136号を参照されたい。その後、炭素ヤーン
を寸法決めし、乾燥しそして貯蔵のために第二の
スプールに巻き取つた。得られた炭素繊維の機械
的特性は、2.03GPaの平均繊維引張強度及び
434GPaの平均繊維ヤング率であつた。繊維は、
費用のかゝる従来法によつて製造した炭素繊維と
同様の優れた外観を有していた。 例 3 例1で使用した如き慣用の紡糸装置に異なる紡
糸口金を備えて1000本のピツチ繊維を製造するよ
うに変形した紡糸装置において、80重量%のメソ
相含量及び約325℃のメトラー軟化点を有するメ
ソ相ピツチを用いて1000本のピツチ繊維を製造し
た。回転グラフアイトキスホイールを用いて、ピ
ツチ繊維に酸化液溶液を被覆した。この溶液は、
25容量%の硝酸、75容量%の脱イオン水及び20
g/の量のカーボンブラツクよりなつていた。
キスホイールの回転速度は、ピツチ繊維がその重
量の約半分に等しい溶液の量を吸着するように調
整された。 回転マンドレル(ウインダー)の回転によつて
ピツチ繊維が約13ミクロンの平均直径に延伸され
るようにしてそれらをマンドレルに向けることに
よつてピツチ繊維を紡糸装置から引き出した。こ
のマンドレルは、長さ28cmで、直径9cmでそして
0.6cm壁厚を有するグラフアイトボビンであつた。
ボビンのコアの周囲に0.6cmの炭素フエルト層を
巻き付けた。ピツチヤーンを直交巻き(クロスワ
インド)パターンで巻き付けた。ヤーンは、約
250m/分の線速度を有していた。各ボビンは、
0.5〜1.0Kgのピツチヤーンを有していた。 湿つたピツチヤーンを有するボビンを密閉プラ
スチツク容器に約30℃の温度で24時間入れ、しか
る後プラスチツクバツクから取り出しそしてグラ
フアイトラツクにかけた。次いで、ボビンと共に
ラツクを電気誘導炉に入れた。炭素化に対して実
質上非反応性の雰囲気が存在するのを確実にする
ために、炉を窒素で4時間パージした。また、非
反応性雰囲気を繊維するために熱処理間に炉に窒
素を連続的に供給した。温度を25℃/hrで400℃
まで上げ、しかる後温度を50℃/hrで800℃まで
上げ、そして最後に温度を約1時間で1300℃に上
げた。最終温度を2時間維持し、そして炉を冷却
させて室温に戻した。 本例によつて製造された炭素ヤーンは、極めて
軟質でありそしてボビンから容易に取り外ずされ
た。これは、ヤーンの部分間の融着が起らなかつ
たことを示す。走査顕微鏡写真を使用した炭素ヤ
ーンの分析は、炭素繊維の約5%以下が隣接繊維
へいくらか付着したことを示した。従来技術の方
法によつて製造された炭素ヤーンは、典型には、
10%以上のレベルを示す。 この例の炭素ヤーンは、直交巻きの圧痕を示し
た。例2におけるように、2400℃の温度を有する
慣用のスレツドライン炉を用い、線速度は約
12m/分でありそして線張力は約300gであつた。
繊維を真すぐにすると、その機械的特性は、
2.34GPaの平均繊維引張強度及び407GPaの平均
繊維ヤング率を示した。 例 4 例3で用いたメソ相ピツチ並びにプロセス工程
を反復したが、但し、酸化液溶液はデユポン社に
よつて“FC−170C”として販売される表面活性
剤を0.001%含有していた。 炉での熱処理から得られる炭素ヤーンは、優れ
ておりそして繊維間の粘着をほとんど有しなかつ
た。その後の2400℃でのスレツドライン熱処理
は、2.55GPaの平均繊維引張強度及び345GPaの
平均ヤング率を有する炭素ヤーンをもたらした。 比較例 A〜C 通常の方法に従つて、直径が約13ミクロンの
2000本のピツチ繊維を有するメソ相ピツチヤーン
を作り、そして熱硬化させた。グレングラフアイ
トから作られそして約3inの内径、約11inの長さ
及び約1/4in厚の炭素フエルト層を有するボビ
ン上に熱硬化ヤーンを集めた。このボビンはつば
を有さず、そして巻取張力は、約150gであつた。
約20゜の巻取角を使用した。各例の試料について
言えば、集めたヤーンは長さ約6000ftであり、そ
して熱分解及び炭化処理は、窒素雰囲気中におい
て温度を1300℃に達するまで約50℃/hrの速度で
上昇させこの温度を約2時間保つことによつて実
施された。 温度を室温に戻し、そして熱分解したヤーン
を、窒素雰囲気を有し且つ約2400℃の炉温度を有
するスレツドライン炭化装置に通してヤーンを更
に炭化させた。炭化装置における平均ライン張力
は約800gであつた。 各例での引張強度及びヤング率(モジユラス)
を表1に示す。 次の表1には、比較例A〜Cの特性と一緒に本
発明の例3及び4の引張強度及びモジユラス特性
も示す。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method of manufacturing carbon fibers that avoids critical steps previously considered essential manufacturing steps for the manufacture of carbon fibers. In particular, the present invention relates to a method in which a separate step of infusible mesophase pitch fibers prior to the carbonization step for producing carbon fibers is eliminated. The invention also relates to novel carbon fibers and composite materials containing such fibers. BACKGROUND OF THE INVENTION Mesophase pitch-based carbon fibers are well known in the art since the publication of US Pat. No. 4,005,183. A large number of patent documents have been published relating to the production of mesophase pitches suitable for the production of carbon fibers. Such patents include U.S. Pat. No. 4,026,788 and U.S. Pat.
Examples include No. 3976729 and No. 4303631. Mesophase pitches suitable for spinning pitch fibers contain at least 40% by weight mesophase such that the mesophase is the continuous phase, and the mesophase pits have domains (domains) of at least 200 microns in size upon static heating. ) is known in the art. Spinning mesophase pitch into continuous pitch fibers for the production of carbon fibers is generally carried out using spinning equipment that simultaneously spins several hundred fibers, typically 1500 to 2000 pitch fibers. The average diameter of pitch fibers is approximately 13 microns. For example, 2000 pitch fibers are processed together in a subsequent step. A bundle of continuous fibers is usually referred to in the industry as a “yarn”.
It is called. Usually carbon fiber is manufactured by
It is packaged for transport and used in composites as yarn. Such yarns are often referred to as "carbon yarns." As used herein, the term "yarn" refers to a plurality of continuous fibers spun and processed together, and includes the terms "pitch yarn,""infusibleyarn,""carbonyarn," and "graphite yarn."
are used to represent yarns at various stages of the manufacturing process. In general, the method for producing carbon fiber from meso pitch is to spin meso phase pitch into a plurality of pitch fibers (pitch yarn), to infusible the pitch fibers (pitch yarn), and then to the infusible pitch. It includes the steps of producing carbon fibers (carbon yarn) by subjecting the fibers to a carbonization step in a substantially non-reactive atmosphere. It is known from the prior art that the process of infusibleizing pitch fibers is essential for the production of carbon fibers. This is because it allows the carbonization step to be carried out relatively quickly. The carbonization process typically heats the yarn to at least about 1000°C.
must be heated to a temperature of It would be desirable to be able to increase the temperature of the yarn from about room temperature to a final temperature of, for example, 1000° C. in a short period of time without causing fiber deformation, interfiber fusion, or deterioration of the mechanical properties of the carbon yarn. In the prior art, the infusibility step is particularly important in the production of carbon fibers based on mesophase pitch. Carbon fibers derived from mesophase pitch are characterized by excellent mechanical properties such as tensile strength and yarn modulus. This is because the aromatic molecules of the mesophase pitch tend to be oriented parallel to the pitch fibers during spinning of the mesophase pitch fibers. Increasing the temperature of non-infusible mesophase pitch fibers to the softening point of pitch fibers leads to the deorientation of aromatic molecules, thereby offering a substantial possibility of obtaining carbon fibers with excellent mechanical properties. The top is gone. In the prior art, in order to avoid the unusually long time it takes to raise the temperature of the yarn from room temperature to the carbonization temperature without degrading the quality of the carbon yarn being produced, it is necessary to prepare the mesophase pitch yarn prior to the carbonization step. It has been emphasized that it is necessary to make it infusible. Also, according to the prior art, it is essential to infusible the non-mesophase pitch fibers in order to avoid softening of the fibers resulting in fusion between the fibers of the yarn. The process of making pitch yarn infusible is also referred to as a "thermal curing process" in the art. The infusibility process is an exothermic reaction, and the heat generated by this reaction can soften or deform the fibers. This heat can cause the fibers in the yarn to stick or stick together, which reduces the tensile strength of the resulting carbon yarn as well as the properties of composites made with the carbon fibers. This problem,
It has been considered in US Pat. No. 4,275,051 and US Pat. No. 4,276,278. The production of carbon fiber as reflected in the patent literature is
“Carbon and Graphite Fibers,” published (1980) by Noyce Data Corporation, Burke Ridge, New Jersey, USA.
Manufacture and Applications'' (edited by Marshall Schitteg), which describes the historical development of carbon fibers as derived from various precursor materials and the patented techniques for their manufacture. In addition, this book describes various fiber processing processes, matrices used with carbon yarns to make composites, and other materials that can be included in combination with carbon fibers to make effective composites. The use of carbon fibers as reinforcing materials and in the manufacture of textile structures is briefly described.
Committe for Characterization and
"First Publication, of 30 Definitions" in Carbon, Vol. 20, pp. 445-449 (1982) to clarify the definitions of many terms used in this field.
announced. This international committee has established that “carbon fiber”
“Carbonization of either organic synthetic or natural fibers (PAN or others) or fibers drawn from organic precursors such as resins or pitches and subsequent heat treatment of the carbonized fibers (up to temperatures of approximately 3000 K)” filament made of non-graphitic carbon obtained by The International Committee also defines “non-graphitic carbon” as “a six-membered ring network in which carbon atoms are arranged in a quadratic regularity, but apart from more or less parallel stacking in a third direction (C ``all variants of substances consisting primarily of the element carbon that have no measurable crystalline regularity in the -direction''. In the art, the term "graphite fiber" is used to describe heat-treated carbon fibers of 2500-3000 ml.
The International Commission pointed out that such fibers remain non-graphite carbon in most cases and that the common name "graphite fibers" is inaccurate. However, the International Commission has stated that ``the term ``graphitic carbon'' refers to the use of three-dimensional crystalline regularity in a material by diffraction techniques, regardless of the volume fraction and distribution uniformity of such crystalline domains. is justified if it can be detected. According to the prior art, the infusibility step is carried out in an oxidizing atmosphere, preferably at elevated temperatures to increase the rate at which the fibers become infusible.
US Pat. No. 4,389,387 discloses the problem of rapidly and efficiently infusible pitch fibers. This patent discloses that 10,000 pitch fibers are preferably assembled into a tow with a diameter of 10 to 30 mm prior to infusibility treatment. The pitch fibers are placed on a net belt conveyor and passed through a mixture of air and a gaseous oxidizing agent such as oxygen, ozone, sulfur dioxide, nitrogen dioxide, etc. This gaseous oxidant is 0.1-10% by weight of the gas mixture. The temperature of the infusibility step in this patent is at least 5 to 50°C lower than the softening point of pitch fibers. This patent also states that the time for infusibility is 1 to 4.
time and are disclosed. The patent also states that the problem of making the pitch infusible is overcome by passing a gaseous mixture through the filled pitch. Nevertheless, this patent avoids making the filling height of pitch fibers too large in order to avoid insufficient removal of the heat generated. South African patent application 71/7853 entitled “Improvements in the manufacture of carbon fibres” filed on 4 November 1971
No. 1, No. 1, No. 1, No. 1, No. 1, No. 1, No. 1, No. 1, 2003, 1, 2, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, 3, and 4, disclose a method for infusibleizing fibers after they have been spun and prior to the carbonization step. The infusibility step in this patent is referred to as "stabilization." That is, "stabilization" and infusibility are the same and are used interchangeably in the patent.
Precursors disclosed in this patent include solutions or extracts of coal as well as pitch, pitch-like materials and tars (particularly if they are derived from coal). The South African patent application states that “a spun or extruded fiber, filament or film of organic material is prepared by treating it with either an aqueous solution of bromine or an aqueous solution of nitric acid containing at least 25% by weight of HNO 3 and preferably at least 40% by weight of HNO 3 . The spun or extruded fibers, filaments or films can be stabilized by heat treatment by contacting for at least a sufficient time to stabilize the spun or extruded fibers, filaments or films against heat treatment. Furthermore, this patent application discloses that the stabilized fibers can be further stabilized against heat treatment by oxidation using an oxidizing gas, preferably one containing molecular oxygen, at elevated temperatures. The above South African patent application states that nitric acid reacts with coal and similar substances to decompose the coal, and that the reaction between nitric acid and coal is a surface action and that in some cases nitric acid interacts with coal violently or even explosively. Discloses that it will react. According to the above South African patent application, “If nitric acid is reacted with spun or extruded fibers, filaments or films of organic material for an excessive period of time, nitric acid will react with spun or extruded fibers, filaments or films of organic material and decompose it. If the organic material is a coal solution or extract as described above, the nitric acid may react with the coal solution or extract to form a coal solution or extract. The coal solution or extract has smaller molecules.This is the process by which the coal solution or extract is spun or extruded into or made from fibers, filaments or films. Therefore, spun or extruded fibers, filaments or films of solutions or extracts of coal or other organic materials are stable in aqueous solutions of either bromine or nitric acid. The reaction should not be carried out for such a long time as to have a significant adverse effect on the properties of the composite fibers, filaments or films, or of the carbon fibers, filaments or films produced therefrom." The South African patent application provides one example of the use of aqueous nitric acid. Example 1 is 30
It is disclosed that a single filament with a micron diameter was cut to length and immersed in a solution containing 50% by weight nitric acid at ambient temperature (approximately 20°C). The number of lengths cut is not stated in the patent. The fiber lengths are then washed with water to remove nitric acid and suspended in a vertical furnace and heated in nitrogen at a heating rate of 300°C/hr to a temperature of approximately 260°C, after which the nitrogen atmosphere is replaced with oxygen. Then, it was replaced for 5 minutes. Subsequently, the fibers were heated in nitrogen at a rate of 80°C/hr to a temperature of 1000°C and held at this temperature for 1 hour. The remaining two examples of the South African patent application disclose the use of bromine in water instead of aqueous nitric acid. In each of these examples, the temperature increase rate of the carbonization step was 50°C/hr to a final temperature of 1000°C. The South African patent application also discloses that in order to avoid deterioration of the fibers due to nitric acid, it is essential to wash the nitric acid from the fibers. Industrial application of the disclosure of the South African patent application requires a nitric acid treatment followed by a washing step and, after the nitric acid treatment, a heat treatment in oxygen similar to Example 1 above. Significantly, each of the embodiments in the South African patent application discloses that the temperature is 50°C or 1000°C at a rate of 80°C/hr for separate cut lengths of fiber suspended in a furnace.
This indicates that the temperature has been raised to ℃. In contrast, a typical industrial carbonization process for producing carbon fiber typically involves heating a yarn with at least 1000 filaments to a temperature of about 1000°C in a furnace through which it passes. It means heating. The yarn undergoes a change from room temperature to carbonization temperature and back to room temperature. The time the yarn is subjected to the carbonization temperature is on the order of about 1 second or less. Patent No. 564,648, based on Japanese Patent Publication No. 45-2510, dated February 3, 1969, discloses a method for producing carbon fiber from carbonized petroleum sludge having a sulfuric acid content of less than 30%. The spun fibers are subjected to surface treatment by exposure to a stream of chlorine gas or by immersion in hydrogen peroxide, hydrochloric acid or nitric acid solutions at temperatures between room temperature and 60°C. Subsequently, the fibers are heated to above 200°C in an oxidizing atmosphere to complete the infusibility process. The final step is a heat treatment in which the treated fibers are carbonized to produce carbon fibers. The Japanese patent discloses that surface treatment is necessary because direct heating of spun petroleum sludge fibers in an oxidizing atmosphere results in conversion and deformation of the fibers. U.S. Pat. No. 3,595,946 discloses performing an oxidation treatment on filaments in pitches, either continuously as the filaments exit the spinning machine or in batches on the filaments wound into packages. The hot filament from the spinning machine is
An oxidizing atmosphere such as air, ozone, nitrogen oxide, etc. is passed through. This patent discloses that the filament from the spinning machine can be cooled to a temperature below its thermal melting point and then passed through a liquid oxidizing bath such as nitric acid, sulfuric acid, chromic acid, permanganate solutions and the like. There is. This patent also discloses that an oxidation treatment can be applied to a batch of filaments wound into a package. Also,
The patent states that "the support of the filament package must be of such a nature and/or structure that it yields or caves in as the wound filament shrinks during the oxidation process." Additionally, this patent states: “Oxidation of filament wound into a package must be subject to a rather critical heating regime if superimposed adjacent loops of filament cannot be fused together. will vary depending on the pitch, its prior oxidation history, and the type and amount of additives, if any, present.The best heating rate and soaking temperature for a given material will, of course, be This is difficult to determine, since the melting temperature of the pitch changes as oxidation progresses.Nevertheless, the preferred type of heat-treated pitch, as described above, has a temperature of 15 to 100°C within minutes (non-critical process), hold the filament at 100°C for about 20 hours, increase the temperature from 100°C to 195°C at a preferred rate of about 5°C/hr, and bring the filament to the latter temperature. Approximately 60 to 120 in
It has been found that holding for a period within a range of hours (with the upper part of this range being preferred) produces successfully oxidized filaments. It should be noted that for certain materials, temperature increase rates of up to 10° C./hr can be tolerated. In any event, the temperature at any time during the oxidation treatment should preferably be no more than 10°C below the softening point of the pitch at any given time. This batch oxidation is best carried out in a circulation furnace through which a constant flow of both fresh and recycled air-oxygen gas, preheated to the desired temperature, is passed. Such heating schedules are extremely time consuming even after testing has been carried out to optimize the process and avoid fusion between filaments. In view of the prior art, it has been found that it is essential to carry out a separate infusibility step prior to the carbonization step and that considerable care must be taken in infusibility of pitch yarns in order to avoid sticking or fusing of the fibers. It seems that you have to pay. Many attempts have been made in the art to simplify and speed up the infusibility process. However, the prior art does not disclose any method of infusibility other than infusibility of the yarn as a separate step. Moreover, the prior art requires an oxidizing atmosphere to infusible the pitch fibers even after treating the pitch fibers with an oxidizing liquid such as nitric acid. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention encompasses a method of making mesophase pitch-based carbon yarn. The method involves spinning mesophase pitch into a plurality of continuous fibers, combining the plurality of fibers to form pitch yarn, contacting the pitch yarn with an oxidizing liquid composition, gathering the pitch yarn into a bulky form, and The process involves subjecting the pitch yarn in a bulky form to a substantially heat treatment (in an inert, non-reactive atmosphere) to produce a carbon yarn in a bulky form. The oxidizing liquid composition enables the pitch yarn to be infusible in the method according to the invention, and the "size" or " sizing”
It also acts as. The terms "size" and "sizing" are used interchangeably in the art. In this regard, "sizing" the pitch yarn is intended to keep the pitch fibers in the pitch yarn together, thereby minimizing separation of the pitch fibers from the body of the pitch yarn. It is desirable to keep the pitch fibers in the pitch yarn closely together for handling of the pitch yarn in manufacturing operations. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention substantially simplifies the production of mesophase pitch-based carbon yarns and greatly reduces production costs. This can be better appreciated by comparing the present invention with conventional carbon yarn manufacturing methods. Traditional methods of producing carbon yarns based on mesophase pitches use multiple operations and expensive equipment. The following is a general description of conventional manufacturing operations. The spinning apparatus produces 2000 continuous mesophase pitch fibers that are individually drawn with a draw ratio of about 50:1 to have an average fiber diameter of about 12 microns. Drawdown is necessary to obtain a small diameter. This is because spinnerets approximately 12 microns in diameter are expensive to manufacture and easily clog. It is well known in the art that carbon fibers with small diameters generally have better mechanical properties than carbon fibers with relatively large diameters. Small diameter pitch fibers are used to obtain small diameter carbon fibers. 2000 pitch fibers are sized and gathered together to form pitch yarn. The infusibility process is carried out by placing the pitch yarn in a uniform pattern on a conveyor belt, which conveys the pitch yarn to a furnace. Pitch fibers are mechanically weak and must therefore be handled with considerable care. Thus, the scheme for loading pitch yarn onto a conveyor belt is complex and subject to speed limitations. The spinning device is located above the conveyor belt. The pitch yarn enters a moving device that moves across a conveyor belt to evenly deposit the pitch yarn. This mobile equipment is referred to in the industry as a "travalling godet" and, even with careful design, is subject to speed limitations and can damage pitch yarn due to its tendency to stick to rolls within the equipment. there's a possibility that. Such adhesion is due to surface tension resulting from the sizing used to hold the pitch fibers together to form the pitch yarn. Following the traveling godet, a device called a "transvector" is placed. The transvector picks up the pitch yarn from the last roll in the traveling godet under suction and directs the pitch yarn downward toward the conveyor belt. Transvectors are not subject to speed limitations, but the pitch fibers can be damaged by air pressure moving in the vicinity of the pitch yarn. Following the transvector is a "laydown tube" that places the pitch yarn on the conveyor belt in a predetermined pattern.
A poor pattern distribution or too high stacking of pitch yarns can lead to extremely high localized heating due to exothermic reactions during the infusibility step. This laydown tube presents another potential problem. This is because pitch yarn wet from sizing sometimes sticks to the sides of the tube for a short time and this interferes with the laydown pattern on the conveyor belt. A conveyor belt conveys the pitch yarn to a large furnace with an oxidizing atmosphere and a predetermined thermal gradient to infusible it with little damage to the pitch yarn to accommodate industrial operations. This heat treatment can be performed for several hours. Furnace costs as well as energy costs are extremely high. Subsequently, the infusible yarn is pulled from the belt and deposited on a bobbin for ease of handling and storage. This operation uses what is referred to as a "downstream drive" and can be troublesome because the infusible pitch yarn is less strong than the pitch yarn. The infusible pitch yarn must be collected at a speed that corresponds to the spinning speed. The present invention eliminates the need for traveling godets, transvectors, conveyor belts, large furnaces and downstream drives. In a preferred embodiment of the invention, the spinning apparatus produces a plurality of pitch fibers, for example 2000 pitch fibers, and these pitch fibers are drawn together while being wound onto a bobbin after being sized with an oxidizing liquid composition. . The combination of drawing the pitch yarn while collecting it on the bobbin greatly simplifies operation and eliminates many expensive parts of the equipment. The bobbin wound with the sized pitch yarn is then heat treated in a substantially non-reactive atmosphere to produce carbon yarn.
In contrast to the prior art, which required heat treatment in oxygen or air or the like before heat treatment in a substantially non-reactive atmosphere, pitch yarn according to the present invention requires heat treatment in an oxidizing atmosphere. Not needed at all. Carbon yarns made in accordance with the present invention provide more efficient precursor utilization than carbon yarns made in accordance with the prior art. Prior art infusibility processes introduce significant amounts of oxygen into the pitch yarn, on the order of 18% by weight or more. During carbonization heat treatment,
It is expected that some of the oxygen that is driven off will escape with the carbon atoms. As a result, carbon yarn produced according to prior art methods is less than 18% by weight of pitch yarn. In contrast, carbon yarn made in accordance with the present invention is approximately 90% by weight of pitch yarn. Thus, the present invention provides higher product yields than the prior art in addition to simplifying the operations required to produce carbon yarn. The oxidizing liquid composition can serve many functions in addition to its use in thermal processing. The composition can provide pitch yarn lubrication to minimize friction between the pitch yarn and the parts of the equipment that contact the pitch yarn during manufacturing operations.
The composition can also provide adhesion between the fibers so that the fibers stay together as yarns. In a preferred embodiment, the oxidizing liquid composition comprises aqueous nitric acid. Concentrations of aqueous nitric acid of 10-50% by volume are preferred, but concentrations of 15-35% by volume are more preferred. Preferably, deionized water is used in the aqueous nitric acid to avoid the introduction of undesired ions into the pitch fibers. Aqueous nitric acid is relatively cheap;
It was found to be excellent in obtaining carbon yarn. The concentration of nitric acid depends on how long the nitric acid is in contact with the pitch yarn before carrying out the heat treatment. A concentration of about 25% by volume is suitable for industrial operations where the time between application of nitric acid to pitch yarn and heat treatment is 1 to 5 days. For oxidizing liquid compositions, see U.S. Pat. The former patent states that the present invention "in processing a multifilament bundle of pitch fibers, such as yarn or tow, to prepare such multifilament bundle for further processing, By applying a dispersion obtained by dissolving a first compound consisting of a water-soluble oxidizing agent and another second compound consisting of a water-soluble surfactant in a dispersion in which graphite or carbon black is dispersed in water. ``Provides a method for processing multifilament bundles of pitch fibers''. Other patents feature water-soluble surfactants that can also function as oxidizing agents. Both of these patents use the term "oxidizing agent" as a source of oxygen to the fibers to infusible them. As used herein, the term "oxidizing liquid composition" includes an oxygen source to infusible the fibers. If necessary, reference is made to the disclosures of these patents. The oxidizing liquid composition can include a water-soluble oxidizing agent such as an aqueous acid or a peroxygenated compound. Some examples of water-soluble oxidizing compounds include sodium peroxide, potassium peroxide, ammonium peroxide,
Mention may be made of sodium persulfate, potassium persulfate, ammonium persulfate, sodium pyrosulfate and sodium nitrate. Preferably, aqueous nitric acid is used in the composition. The oxidizing liquid composition of the present invention may also include carbon black particles or colloidal graphite and a surfactant. The carbon black particles or colloidal graphite tend to separate pitch fibers from one another, thereby minimizing the occurrence of "sticking" or fusing between fibers during heat treatment in accordance with the present invention. be. One of the functions of the surfactant is to maintain a dispersion of carbon black particles. Mechanical means according to conventional techniques can be used to maintain a homogeneous dispersion of carbon black particles dispersed in the composition. In addition, surfactants are
Improves the flow of the composition onto the fibers. Surfactants may be water soluble and may be anionic or nonionic. Such surfactants are well known and typically include sodium tetramethyl oleate, tetramethyl ammonium oleate, sodium tetramethyl laurate, tetramethyl ammonium laurate, sodium laurate, and lauric acid. Examples include ammonium acid. The oxidizing liquid composition can be applied to pitch fibers using conventional methods for applying sizing. Preferably, the composition is applied by contacting the pitch yarn with a rotating wheel that passes through the solution and conveys a portion of the solution on its surface to the pitch yarn. Such a wheel is known as a “kiss wheel” in this field.
wheel) and rotates to carry fresh solution to the yarn and to minimize friction with the yarn. After the kissing wheel, the yarn can be deposited for subsequent processing. Composition The composition can be applied to the yarn by passing the pitch yarn through a bath of the composition. This has drawbacks as the high velocity may result in damage to the fibers by the chemicals in the bath. Other ways to apply things to pitch yarn are:
To improve the distribution of the composition to the fibers, a spray of the composition is applied to the pitch fibers before the fibers are brought together to form a yarn. The yarn can be wound onto the bobbin using a water size to the pitch fibers and spraying the layer of yarn to be produced on the bobbin with a spray of the composition. Alternatively, the composition can be applied to the pitch yarn after it has been deposited. For example, pitch fibers can be wound onto a bobbin and the composition applied to the yarn together with the bobbin. This can be done simply by placing the bobbin in a bath of composition. In this case, by winding the yarn relatively loosely, the composition can flow easily through the winding, thereby improving processing. A bobbin with multiple holes may be used to force the composition under pressure from the core to the outer layer using a suitable arrangement such that fibers near the bobbin are not deliberately omitted from processing. It has the benefit of being able to.
For this process, it is desirable to use some sizing on the pitch yarn before winding it onto the bobbin. It is convenient to use water for this sizing. A suitable bobbin is described in US Pat. No. 4,351,816. The bobbin can be shaped like a cylinder or a cylinder with end faces. The bobbin is subjected to elevated temperatures to carbonize the yarn on the bobbin. Therefore, the bobbin should be made of a material suitable for practicing the invention. Preferably, the bobbin consists of a cylinder made of stainless steel, refractory alloy, ceramic, boron nitride or preferably graphite material. That is, the bobbin is made of a material that is thermally and mechanically stable at the temperatures used to carbonize the pitch yarn on the bobbin. U.S. Pat. No. 4,351,816, cited above, describes a method for making mesophase pitch-based carbon yarns in which thermoset yarns are wound onto bobbins as described above and heat treated in a substantially non-reactive atmosphere to produce carbon yarns. ing. The pit yarn contacted with the oxidizing liquid composition reacts and combines with oxygen. Tests were conducted to investigate the range of oxygen binding in pitchyarn over a period of 0.1 to 70 hours. The yarn had 2000 pitch fibers with an average diameter of 13.5 microns. Nitric acid with a concentration of 25% by volume was used. After contacting the yarn with nitric acid, the scheduled time at room temperature was allowed to elapse, after which the yarn was washed with water for this test and dried for 16 hours at 125° C. before testing for oxygen content. Surprisingly, the range of oxygen bonds is from 1.5 to 0.1 to 7.0 hr
4.8% by weight, and most of the oxygen binding took place during the first 24 hours. The test points are essentially
The following relationship is defined: Oxygen bond (wt%) = 1.2355 log (hr) + 2.5278. Thus, fluctuations in pitch yarn after contact with nitric acid at this concentration are not expected to have a significant impact on industrial operations.
That is, the treated pitch yarn can be stored prior to carbonization. This is beneficial in industrial manufacturing. The heat treatment of the treated pitch yarn can be carried out in batches in closed furnaces or as a continuous process, for example using conveyor belt furnaces or so-called "walking beam furnaces" in which the bobbins can be continuously moved in and out of the furnace. Can be done. The furnace should be able to provide sufficient heat to pyrolyze the yarn and maintain a substantially non-reactive atmosphere so that the yarn is not consumed. The non-reactive atmosphere inside the furnace is nitrogen,
It may be argon, helium or the like. about
For temperatures above 2500°C, argon and helium are preferred. Preferably, the heat treatment is carried out in a completely non-reactive atmosphere, which is achieved by thoroughly purging the furnace. Small amounts of oxygen do not appear to be harmful, especially if the temperature is not raised too quickly. It will be appreciated that the wet yarn from treatment with the oxidizing liquid composition creates an atmosphere of steam that must be purged before reaching a temperature at which the steam is no longer substantially reactive. Boron or similar graphitizing materials can be used in the furnace atmosphere and are therefore considered non-reactive when used in the present invention. In practicing the invention, air was purged from the furnace before raising the temperature of the yarn. The purging step can be carried out by applying reduced pressure inside the furnace and then filling the inside with nitrogen. The heat treatment according to the invention has three broad ranges that are important in determining the heating schedule for the rate of temperature increase. The rate of temperature increase to about 400°C should take into account that the pitch fibers do not reach a fully infusible state until about 400°C. 400
If the temperature rises too quickly to ℃, softening,
Deformation of the fibers may occur due to fusion between fibers and/or deorientation of mesophase molecules. Temperature increases above 400°C may be at high rates, but taking into account that most of the gas loss in the pyrolysis or carbonization process occurs when heating the fibers between about 400 and about 800°C. I have to put it in. Rising too quickly can cause damage due to the gases generated. The temperature increase above 800°C may be as large as desired. Typically, the final temperature is between 1300 and 2700°C depending on the intended use of the carbon yarn. Generally, the heat treatment according to the present invention is carried out in a substantially non-reactive atmosphere and the temperature is about 100°C.
It can be raised from room temperature to 800°C at a rate of °C/hr. Thereafter, the temperature can be increased at the desired rate to the intended final temperature. The rate of increase in temperature to 400° C. depends in part on the sizing used, the contact time between the pitch yarn and the oxidizing liquid composition, the softening point of the pitch, the diameter of the fibers, and the composition of the pitch. Preferably, the furnace heating schedule is approximately 400 m
25°C/hr to about 800°C, then 50°C/hr to about 800°C. Thereafter, the temperature can be increased at the desired rate to the intended final temperature. Preferably, the pitch yarn is deposited on a refractory bobbin. This has the advantage that after heat treatment the yarn has become a dispersion suitable for storage and local transportation for industrial use. The yarn can be wound onto the bobbin with orthogonal or essentially parallel windings. The tension is
It can be monitored and controlled according to conventional techniques. This is particularly important for cases where stretching is carried out at the same time as winding onto the bobbin. Example 1 A mesophase pitch having a mesophase content of about 78% by weight and a Mettler softening point of about 324.6°C was spun into 2000 filaments according to conventional spinning techniques. The average diameter of stretched Pituchi fibers is approximately 13
They made it micron and then pulled all the fibers together to make pitch yarn. Nitric acid with a concentration of 20% by volume was applied to the rapidly moving pitch yarn using two rotating kiss wheels. The acid-treated yarn was wound onto a motor-driven rotating graphite bobbin. This bobbin has
It provided the force necessary to pull the fibers and support the movement of the pitch yarn. The graphite bobbin also had a layer of graphite felt on its surface for receiving yarn. The bobbin also had a length of 28 cm and an outer diameter of about 9 cm. The yarn was wrapped in an orthogonal pattern with a tension of approximately 85 g. The bobbin after each winding is approx.
It had a diameter of 14 cm and had approximately 2.5 Kg (dry weight) of yarn. The composition of the yarn, based on the dried sample, is as follows. Carbon 81.5% Hydrogen 3.3% Sulfur 0.8% Nitrogen 2.8% Oxygen 11.6% The yarn on the bobbin was heat treated in a nitrogen atmosphere in a furnace. The furnace was purged with nitrogen for 4 hours before increasing the temperature. The temperature of the furnace was increased at a rate of 100°C/hr from room temperature until reaching a temperature of 1300°C and this temperature was maintained for 2 hours. Thereafter, the furnace was cooled down to room temperature. Analysis of the carbon yarn produced by heat treatment showed that the carbon fibers were approximately 90.5% by weight of the original dry pitch compared to the original dry pitch fiber. In addition, the composition of this carbon yarn was determined to be 98.0% carbon, 0.1% hydrogen, 0.8% sulfur, 0.5% nitrogen, and 0.5% oxygen. Mechanical properties of the yarn were measured and the average carbon fiber had a tensile strength of 1.54 GPa and a Young's modulus of about 152 GPa. The carbon fibers obtained have a very high carbon content and such carbon fibers are found to be useful in the production of composites made of carbon yarns. Example 2 The carbon yarn produced in Example 1 had traces of a winding pattern as a result of shrinkage during heat treatment. To remove these traces and improve the carbon yarn, the carbon yarn from Example 1 was placed in a threadline carbonization furnace with a temperature of 2400°C. The carbon yarn was unwound and stretched between rolls along a straight path through a nitrogen purge seal to the carbonization furnace and out through a nitrogen purge seal. The furnace was heated by electrical resistance. Threadline carbonization is well known in the art. For example, U.S. Pat.
Please refer to No. 4301136. The carbon yarn was then sized, dried and wound onto a second spool for storage. The mechanical properties of the obtained carbon fibers include an average fiber tensile strength of 2.03GPa and
The average fiber Young's modulus was 434 GPa. The fiber is
It had an excellent appearance similar to carbon fiber produced by expensive conventional methods. Example 3 In a conventional spinning apparatus as used in Example 1, modified to produce 1000 pitch fibers with different spinnerets, a mesophase content of 80% by weight and a Mettler softening point of about 325°C. 1000 pitch fibers were produced using the mesophase pitch having the following properties. The pitch fibers were coated with the oxidizing liquid solution using a rotating graphite kissing wheel. This solution is
25% by volume nitric acid, 75% by volume deionized water and 20% by volume
g/g of carbon black.
The rotational speed of the kissing wheel was adjusted so that the pitch fiber adsorbed an amount of solution equal to approximately half its weight. The pitch fibers were drawn from the spinning apparatus by rotating a rotating mandrel (winder) to direct the pitch fibers onto the mandrel such that the pitch fibers were drawn to an average diameter of about 13 microns. This mandrel is 28cm long, 9cm in diameter and
It was a graphite bobbin with a wall thickness of 0.6 cm.
A 0.6 cm layer of carbon felt was wrapped around the bobbin core. The pitch yarn was wound in a cross-wound pattern. The yarn is approx.
It had a linear velocity of 250 m/min. Each bobbin is
It had pitch yarn of 0.5-1.0Kg. The bobbin with the damp pitch yarn was placed in a closed plastic container at a temperature of about 30° C. for 24 hours, after which time it was removed from the plastic bag and placed on a graphite track. The rack along with the bobbin was then placed in an electric induction furnace. The furnace was purged with nitrogen for 4 hours to ensure that a substantially non-reactive atmosphere was present for carbonization. Additionally, nitrogen was continuously supplied to the furnace during the heat treatment to create a non-reactive atmosphere. Temperature 400℃ at 25℃/hr
The temperature was then increased to 800°C at 50°C/hr, and finally the temperature was increased to 1300°C in about 1 hour. The final temperature was maintained for 2 hours and the furnace was allowed to cool back to room temperature. The carbon yarn produced according to this example was extremely soft and easily removed from the bobbin. This indicates that no fusion occurred between the yarn sections. Analysis of the carbon yarn using scanning micrographs showed that less than about 5% of the carbon fibers had some attachment to adjacent fibers. Carbon yarns produced by prior art methods typically include:
Indicates a level of 10% or higher. The carbon yarn in this example exhibited cross-wound impressions. As in Example 2, using a conventional thread line furnace with a temperature of 2400°C, the line speed was approximately
12 m/min and the line tension was about 300 g.
When the fiber is straightened, its mechanical properties are
It exhibited an average fiber tensile strength of 2.34 GPa and an average fiber Young's modulus of 407 GPa. Example 4 The mesophase pitch and process steps used in Example 3 were repeated, except that the oxidizing liquid solution contained 0.001% of a surfactant sold by DuPont as "FC-170C". The carbon yarn obtained from the furnace heat treatment was excellent and had almost no interfiber sticking. Subsequent threadline heat treatment at 2400°C resulted in carbon yarns with an average fiber tensile strength of 2.55 GPa and an average Young's modulus of 345 GPa. Comparative Examples A to C: Approximately 13 microns in diameter according to conventional methods.
A mesophase pitch yarn with 2000 pitch fibers was made and heat cured. The thermoset yarn was collected on a bobbin made from grain graphite and having an inside diameter of about 3 inches, a length of about 11 inches, and a layer of carbon felt about 1/4 inch thick. This bobbin had no collar and the winding tension was about 150 g.
A winding angle of approximately 20° was used. For each example sample, the yarn collected was approximately 6000 ft long, and the pyrolysis and carbonization process involved increasing the temperature in a nitrogen atmosphere at a rate of approximately 50°C/hr until it reached 1300°C. This was carried out by keeping the temperature for about 2 hours. The temperature was returned to room temperature and the pyrolyzed yarn was passed through a thread line carbonizer having a nitrogen atmosphere and a furnace temperature of approximately 2400° C. to further carbonize the yarn. The average line tension in the carbonizer was about 800 g. Tensile strength and Young's modulus (modulus) for each example
are shown in Table 1. Table 1 below also shows the tensile strength and modulus properties of Examples 3 and 4 of the invention as well as the properties of Comparative Examples A to C.

【表】 本発明の方法に従つて製造した炭素繊維の引張
強度特性は、従来技術に教示される方法によつて
製造されたものよりも一般に大きいことが明らか
である。 先に述べたように、従来技術では、繊維を加熱
することによつて繊維を更に熱処理して酸化を完
結することができることが教示されている。加熱
サイクルの一部分は、酸素中において行われる。
この従来技術における加熱工程は、1000℃の温度
までのみそしてガス流れ中につるした個々の繊維
を加熱することによつてのみ実施されている。酸
処理した繊維をスプールに巻き取つた後に加熱す
る試みは全くなされていなかつた。 炭素繊維を熱処理する困難さ及び危険性を次の
例D〜Fによつて示す。 比較例 D メソ相ピツチから、2000本のフイラメントを有
するピツチ繊維ヤーンを紡糸した。繊維は、2lb
の総重量を得るために12lb/hrの押出速度及び
852ft/分の巻取速度で10分間紡糸された。繊維
は、3.5inの直径を得るために1/4in厚の炭素フ
エルトパツドで覆つたグラフアイトボビン上に小
さい直交角で巻き取られた。繊維の最終スプール
又はパツケージは、5inの外径を有していた。 スプールをプラスチツク袋に貯蔵して貯蔵間に
その含水量を維持した。金属シールドで部分的に
包囲した空気循環炉にスプールを入れて直接的な
空気流れを回避し、次いで2.4℃/分の平均速度
で400℃の温度に加熱しそしてそれを2時間保つ
た。冷却後、炉を開くと、スプール上のヤーンの
大部分が溶融し、炉の底部に流れそして炭化して
多孔質体を形成していたのに対して、スプール上
の残りの繊維は溶融しそして炭素フオームを形成
していた。 例Dによつて示されるように、ピツチ繊維が容
易に溶融する傾向は、ボビン上でかさばつた形態
にある繊維を、繊維に対して先ず熱硬化操作を実
施することなしに加熱するのを困難にする。 比較例 E メソ相ピツチから、2000本のフイラメントを有
するメソ相ピツチを紡糸した。繊維は、3.7lbの
総繊維重量を得るために12lb/hrの押出速度及び
852ft/分の巻取速度で18.5分間紡糸された。紡
糸操作間にキスホイールを使用して水性硝酸(25
重量%)及び30g/のカーボンブラツクを含有
する混合物が繊維に適用され、かくしてピツチ繊
維の最終重量に2.4lbが加えられた。繊維は、
3.5inの直径を得るために1/4in厚の炭素フエル
トパツドで覆つたグラフアイトボビン上に小さい
直交角で巻き取られた。繊維の最終スプール又は
パツケージは、底部が10inで頂部が4inの先細に
なつており、そして6.5inの外径を有していた。 スプールを回転乾燥して液体含量を約9重量%
未満に減少させ、次いで金属シールドで部分的に
包囲した空気循環炉に入れて直接的な空気流れを
回避し、次いで3.7℃/分の平均速度で400℃の温
度に加熱しそして2時間保つた。冷却後、炉を開
くと、スプール上のヤーンは崩壊して黒色の毛羽
立つた粉塵物質になつていることが分かつた。 通常の方法で熱硬化させた繊維をボビン上に巻
き付けそして比較例Eにおける如くして酸化雰囲
気中で加熱することによつて追加的な試験を実施
すると、繊維の燃焼及び繊維パツケージの完全損
失がもたらされた。 かくして、かさばつた形態にある不融化ヤーン
は、通常の方法によつて得られるものでも又は硝
酸による処理によつて得られたものでも、酸化雰
囲気中において焼き尺さずに加熱を施こすことが
できないことが示された。ボビン上に巻き取つた
紡糸したままの又は“未処理”ピツチヤーンは、
これらの同じ酸化加熱処理を施こされると、全体
的な溶融を受けた。 先に述べたように、従来技術では、ピツチ繊維
は、空気中で加熱することによつて実施される酸
化工程において熱硬化させることができることが
教示されている。この方法は、ピツチ繊維の酸化
間に生成する反応熱を除去することによつて繊維
温度を制御するために空気が繊維間を流動できる
ように繊維を例えば金網又はネツトベルトコンベ
ヤー上に広げることによつて実施されるのが好ま
しい。次の比較例では、ピツチ繊維をかさばつた
形態において酸化する試みにおいてかような予防
策が取られた。 比較例 E 軟化温度365℃のメソ相ピツチから吹込紡糸し
たピツチ繊維のマツトを作つた。これは、約
1.5inの厚さ及び0.1lb/マツトft2の面積密度
(areal density)を有していた。マツトの9in×
12in部分をステンレス鋼製金網バスケツトに入れ
て循環式熱風炉に入れ、そして加熱した空気が
3.6ft/分の平均速度でマツトをを通して強制送
りされるように閉じ込めた。炉の初期温度は165
℃であつたが、この温度を250℃/hrの速度で上
昇させた。炉及び繊維マツトの温度を監視した。
ほぼ425℃の炉温度において約1時間後に、繊維
の温度は急に約675℃のピーク温度に上昇したが、
このことは、ピツチ繊維の酸化反応が制御を越え
て発熱したことほ示す。繊維の大部分は、無制御
酸化において消費された。かくして、ピツチ繊維
の加熱は、繊維が溶融又は酸化しそして破壊され
るのを防止するためにはかなりの注意を払つて実
施されなければならないことが明らかである。比
較例Fによつて示されるように、過剰熱を除去す
るのに適当な空気流れを提供することによつて熱
硬化反応を促進するような条件下に加熱を実施す
るときでさえも、発熱酸化は制御できない状態に
なる場合があり、恐らくこの場合は急速な酸化を
開始させたホツトスポツトの存在によると思われ
る。先に述べた南アフリカ特許における如き従来
技術では、この問題は、ガス流れ中につるすか又
はスレツドラインプロセスによつて単繊維又はヤ
ーンだけを加熱することによつて回避されてい
る。空気中での個々の繊維の加熱は良好な温度制
御下に且つ酸化損失を伴わずに行なうことがで
き、そしてもし加熱速度を制御するならば繊維は
溶融されずに熱硬化することが容易に明らかにな
るであろう。しかしながら、比較例によつて示さ
れるように、ピツチ繊維をかさばつた形態に加熱
することは、温度制御が全く困難であるためにま
た繊維の溶融破壊及び無制御な発熱酸化反応によ
るピツチ繊維の破壊が起こる可能性があるために
回避されるべきであることが長らく教示されてい
た。 本発明の方法の実施では、繊維は、先ず水性硝
酸で処理され、次いでピツチ繊維を炭化する(酸
化雰囲気の実質的な不在下に)のに適当なボビン
上に巻き取つた後に加熱される。本発明時点にお
けるピツチ基材炭素繊維の製造のための斯界にお
ける知識(比較例D〜Fによつて示される)によ
れば、かような方法はかなり危険であり、そして
ピツチ繊維の破壊をもたらすことが予期される。
それ故に、ピツチ基材炭素繊維の製造における本
発明法の成功は、予想外のことで且つ驚くべきこ
とである。 先に述べたように、ピツチ繊維の酸化を空気中
で行なう従来技術の方法では、18重量%程又はそ
れ以上の極めて高レベルの酸素が繊維中に導入さ
れる。この酸素含有繊維を炭化すると、繊維はそ
の重量の20%以上を失なう。従つて、繊維の収率
が低下する。先に記載したように、本発明の方法
では繊維中の酸素の量は通常5重量%よりも少な
く、そして繊維は炭化時にその重量の90%以上を
保持する。かくして、本発明法によつて製造され
る繊維の収率は従来技術よりもかなり向上され
る。また、炭化工程間における大きな重量損失は
苛酷な収縮をもたらし、かくしてより細いヤーン
を生成することも認識されよう。
Table 1 It is clear that the tensile strength properties of carbon fibers produced according to the method of the present invention are generally greater than those produced by methods taught in the prior art. As mentioned above, the prior art teaches that the fibers can be further heat treated to complete the oxidation by heating the fibers. A portion of the heating cycle takes place in oxygen.
The heating step in this prior art is carried out only to temperatures of 1000° C. and by heating individual fibers suspended in a gas stream. No attempt has been made to heat the acid-treated fiber after it has been wound onto a spool. The difficulty and danger of heat treating carbon fibers is illustrated by the following Examples D-F. Comparative Example D A pitch fiber yarn with 2000 filaments was spun from mesophase pitch. Fiber is 2lb
extrusion speed of 12lb/hr to obtain a total weight of
The yarn was spun for 10 minutes at a take-up speed of 852 ft/min. The fibers were wound at a small orthogonal angle onto a graphite bobbin covered with a 1/4 inch thick carbon felt pad to obtain a 3.5 inch diameter. The final spool or package of fiber had an outside diameter of 5 inches. The spools were stored in plastic bags to maintain their moisture content during storage. The spool was placed in an air circulation oven partially surrounded by a metal shield to avoid direct air flow and then heated at an average rate of 2.4°C/min to a temperature of 400°C and held for 2 hours. After cooling, when the furnace was opened, most of the yarn on the spool melted, flowed to the bottom of the furnace and carbonized to form a porous body, while the remaining fibers on the spool were melted. And a carbon form was formed. As illustrated by Example D, the tendency of pitch fibers to melt easily makes it difficult to heat the fibers in bulky form on the bobbin without first performing a heat curing operation on the fibers. Make it. Comparative Example E A mesophase pitch having 2000 filaments was spun from a mesophase pitch. The fibers were extruded at an extrusion rate of 12lb/hr to obtain a total fiber weight of 3.7lb.
It was spun for 18.5 minutes at a winding speed of 852 ft/min. Aqueous nitric acid (25
% by weight) and 30 grams/carbon black was applied to the fibers, thus adding 2.4 lbs to the final weight of the pitch fibers. The fiber is
It was wound at a small orthogonal angle onto a graphite bobbin covered with a 1/4 inch thick carbon felt pad to obtain a 3.5 inch diameter. The final spool or package of fibers tapered to 10 inches at the bottom and 4 inches at the top, and had an outside diameter of 6.5 inches. Spin dry the spool to reduce the liquid content to approximately 9% by weight.
then placed in an air circulation oven partially enclosed with a metal shield to avoid direct air flow, then heated to a temperature of 400 °C at an average rate of 3.7 °C/min and kept for 2 hours. . After cooling, the furnace was opened and the yarn on the spool was found to have disintegrated into a black fuzzy dust material. Additional tests were carried out by winding heat-cured fibers on a bobbin in the conventional manner and heating them in an oxidizing atmosphere as in Comparative Example E, which showed that fiber combustion and complete loss of the fiber package were detected. Brought to you. Thus, infusible yarns in bulky form, whether obtained by conventional methods or by treatment with nitric acid, can be heated without baking in an oxidizing atmosphere. It has been shown that this is not possible. As-spun or “untreated” pitch yarn wound onto a bobbin is
When subjected to these same oxidative heat treatments, they underwent global melting. As mentioned above, the prior art teaches that pitch fibers can be thermally cured in an oxidation process carried out by heating in air. This method involves spreading the fibers, for example on a wire mesh or net belt conveyor, to allow air to flow between the fibers to control the fiber temperature by removing the heat of reaction generated during oxidation of the pitch fibers. Therefore, it is preferable to carry out this method. In the following comparative example, such precautions were taken in an attempt to oxidize pitch fibers in a bulky form. Comparative Example E A mat of pitch fibers was made by blow-spinning from mesophase pitch having a softening temperature of 365°C. This is approximately
It had a thickness of 1.5 inches and an areal density of 0.1 lb/ft 2 pine. Matsuto's 9in×
The 12-inch section was placed in a stainless steel wire mesh basket, placed in a circulating hot air oven, and the heated air
It was confined to be forced through the pine at an average speed of 3.6 ft/min. The initial temperature of the furnace is 165
The temperature was increased at a rate of 250°C/hr. The furnace and fiber mat temperatures were monitored.
After about 1 hour at a furnace temperature of approximately 425°C, the temperature of the fiber suddenly rose to a peak temperature of about 675°C,
This indicates that the oxidation reaction of the pitch fibers generated heat beyond control. Most of the fiber was consumed in uncontrolled oxidation. It is thus clear that heating pitch fibers must be carried out with considerable care in order to prevent the fibers from melting or oxidizing and being destroyed. As shown by Comparative Example F, even when heating is carried out under conditions that promote the thermosetting reaction by providing adequate air flow to remove excess heat, the exotherm Oxidation can become uncontrolled, probably due to the presence of hot spots that initiate rapid oxidation. In the prior art, such as in the South African patent mentioned above, this problem is avoided by heating only the single fibers or yarns by suspending them in a gas stream or by thread line processes. Heating of individual fibers in air can be done with good temperature control and without oxidative losses, and if the heating rate is controlled the fibers can easily be thermoset without being melted. It will become clear. However, as shown by the comparative examples, heating the pitutsi fibers to bulky form is difficult due to the complete difficulty of temperature control and also due to fiber melt fracture and uncontrolled exothermic oxidation reaction. It has long been taught that this should be avoided due to the potential for destruction. In carrying out the method of the invention, the fibers are first treated with aqueous nitric acid and then heated after winding onto a suitable bobbin to carbonize the pitch fibers (in the substantial absence of an oxidizing atmosphere). According to the knowledge in the art for the production of pitch-based carbon fibers at the time of the present invention (as illustrated by Comparative Examples D-F), such methods are quite dangerous and result in destruction of pitch fibers. It is expected that
The success of the method of the present invention in producing pitch-based carbon fibers is therefore unexpected and surprising. As previously mentioned, prior art methods of oxidizing pitch fibers in air introduce very high levels of oxygen into the fibers, on the order of 18% by weight or more. When carbonizing this oxygen-containing fiber, the fiber loses more than 20% of its weight. Therefore, the yield of fibers decreases. As previously mentioned, in the process of the present invention the amount of oxygen in the fiber is typically less than 5% by weight and the fiber retains more than 90% of its weight upon carbonization. Thus, the yield of fibers produced by the method of the invention is considerably improved over the prior art. It will also be appreciated that large weight losses during the carbonization process result in severe shrinkage, thus producing thinner yarns.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 メソ相ピツチを紡糸して複数の連続ピツチ繊
維を作り、 この複数の連続ピツチ繊維を一緒にしてピツチ
繊維ヤーンを作り、 ピツチ繊維ヤーンを15〜25重量%水性硝酸から
なる水性酸化液組成物で処理し、 処理したヤーンをボビン上に巻き取り、そして ボビン上に巻き取つたピツチヤーンに窒素、ア
ルゴン、ヘリウム及びそれらの混合物から選択さ
れるガスより形成される実質上非反応性の雰囲気
中において1300℃よりも高い最終温度まで熱処理
を施こして炭素ヤーンを生成する、 各工程からなる炭素ヤーンの製造法。 2 酸化液組成物がグラフアイト又はカーボンブ
ラツクを更に含む特許請求の範囲第1項記載の方
法。 3 酸化液組成物が水性表面活性剤を更に含む特
許請求の範囲第1項記載の方法。
[Claims] 1. Mesophase pitch is spun to produce a plurality of continuous pitch fibers, the plurality of continuous pitch fibers are combined to produce pitch fiber yarn, and the pitch fiber yarn is prepared from 15 to 25% by weight aqueous nitric acid. the treated yarn is treated with an aqueous oxidizing liquid composition, the treated yarn is wound onto a bobbin, and the pitch yarn wound on the bobbin is treated with a substantially non-containing gas formed from a gas selected from nitrogen, argon, helium, and mixtures thereof. A process for producing carbon yarn consisting of steps in which carbon yarn is produced by heat treatment to a final temperature above 1300°C in a reactive atmosphere. 2. The method according to claim 1, wherein the oxidizing liquid composition further contains graphite or carbon black. 3. The method according to claim 1, wherein the oxidizing liquid composition further comprises an aqueous surfactant.
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