JPH0323651B2 - - Google Patents

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JPH0323651B2
JPH0323651B2 JP58191294A JP19129483A JPH0323651B2 JP H0323651 B2 JPH0323651 B2 JP H0323651B2 JP 58191294 A JP58191294 A JP 58191294A JP 19129483 A JP19129483 A JP 19129483A JP H0323651 B2 JPH0323651 B2 JP H0323651B2
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JP
Japan
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fibers
fiber
elongation
strength
temperature
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JP58191294A
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Soji Nakatani
Yoshitaka Imai
Hiroaki Yoneyama
Yoshiteru Tanuki
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Mitsubishi Rayon Co Ltd
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Mitsubishi Rayon Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
〔技術分野〕 本発明は、高強度かつ高弾性である炭素繊維の
製造方法に関する。 〔背景技術〕 近年、炭素繊維複合材料は、スポーツ用途、宇
宙航空用途、工業用途等に巾広く応用されつつあ
りその量的拡大はめざましい。 このような状況に対応して、使用される炭素繊
維の性能も飛躍的に向上しつつある。 弾性率に着目すれば10年前には20ton/mm2であ
つたものが数年前には23〜24ton/mm2が標準とな
りさらに最近は30ton/mm2前後のものが指向され
つつあり、今後はこれが主流となる可能性も指摘
されている。 しかしながらこのような弾性率の向上がもしも
炭素繊維の強度を一定にしたままで達成されるな
らば、これは当然のことながら炭素繊維の伸度の
低下をもたらすこととなり、炭素繊維複合材料を
脆弱なものとし、複合材料の信頼性を低下させる
こととなる。 したがつて高弾性高伸度の炭素繊維、いいかえ
れば高伸度であると同時に高強度である炭素繊維
が強く必要とされる現状にある。 従来の弾性率の向上の方法は炭素化温度すなわ
ち最終熱処理温度を上昇させることであつた。し
かしながら、この方法では弾性率の向上と共に強
度は低下し、したがつて炭素繊維の伸度が低下す
るという欠点があつた。 第1図は、かかる事情を説明する炭素化温度と
得られる炭素繊維の物性との関係を示す相関図で
ある。第1図によれば、炭素化温度の上昇にとも
ない、弾性率は曲線Aのごとく上昇するが、強度
ならびに炭素繊維の密度はB,Cのごとく低下す
る。 例えば28ton/mm2の弾性率を保とうとすれば炭
素化温度は約1800℃が必要であるが、この温度で
は1300℃に比較して強度は100Kg/mm2以上低下し、
高強度はとうてい達成できない。炭素化温度の上
昇にともなうこのような強度の低下は、密度の低
下と良く対応しており、炭素化温度上昇の過程
で、強度の低下をもたらすミクロな空孔が繊維中
に発生するためであると推定される。 〔発明の目的〕 炭素化温度を上昇させて高弾性繊維を得るとい
う従来技術では高弾性と高強度を同時に満足する
炭素繊維を得ることは困難であり、このような目
標に対しては、新規な焼成技術の確立が必要とな
る。この目標に対して鋭意検討の結果、本発明者
等は新規焼成方法を見出し、本発明を完成するに
至つた。 〔発明の構成〕 本発明の要旨とするところは、単繊維デニール
が0.1〜1.1デニールのアクリル繊維を用い、繊維
の密度が1.22g/cm3に上昇するまでに3%以上の
伸長を与えた後に、以後の繊維の収縮を実質的に
抑制して耐炎化処理を完了し、ついで不活性雰囲
気中300〜500℃の温度で3%以上の伸長を与えた
後500〜800℃の温度でさらに1%以上の伸長を与
え、最後に不活性雰囲気中1300〜1600℃の温度で
緊張下に処理を行なうことによつて、繊維直径が
1〜6μ、ストランド強度が460Kg/mm2以上、スト
ランド弾性率が28ton/mm2以上、ストランド伸度
が1.6%以上であり、密度が1.76g/cm3以上の炭
素繊維の製造方法を提供することにある。 以下に本発明についてさらに詳細に説明する。 本発明におけるアクリル繊維とは、アクリロニ
トリル(AN)を85wt%以上含有する単独重合体
または共重合体より得られる繊維である。 共重合成分としては、ANと共重合し得るすべ
ての単量体を意味し、その代表例を列挙すればビ
ニルエステル類、アクリル酸エステル類、メタク
リル酸エステル類、アクリル酸類、メタクリル酸
類、イタコン酸類等である。 このような単独または共重合体を得る方法とし
ては均一溶液重合、水溶液におけるレドツクス重
合、不均一系における懸濁重合乳化重合等を用い
ることができる。 本発明におけるアクリル繊維は1.1デニール以
下好ましくは1.0デニール以下の繊度を有するこ
とが不可欠である。本発明者等は、このような細
繊度のアクリル繊維を用いることにより、初めて
本発明の特性を有する炭素繊維が得られることを
見出した。 細繊度のアクリル繊維を焼成して炭素繊維を得
ることは、例えば特開昭49−94924号公報や特開
昭57−42934号公報等によつて公知である。しか
しながら、このような公知文献には、本発明の特
性を有する炭素繊維の製造方法を示唆する記載は
全く認められない。 これは、このような細繊度のアクリル繊維を用
いても焼成条件が不適当であれば本発明の特性を
有する炭素繊維が得られないことを示しており、
本発明はかかる細デニールのアクリル繊維と本発
明の焼成条件との結合によつて初めて達成される
ものであることを証明するものである。 本発明における細繊度のアクリル繊維は、湿式
紡糸、乾式紡糸等の通常のアクリル繊維の紡糸方
式を利用することによつて製造される。例えば通
常の湿式紡糸においては紡糸、延伸、水洗、乾燥
緻密化の後で必要に応じて乾熱延伸、スチーム延
伸等の2次延伸を施す。また該アクリル繊維は不
純物、内部ボイド、グレーズやクラツク等の表面
欠陥を含まないことが好ましい。 このようにして得られたアクリル繊維は、本発
明の焼成方法に従つて耐炎化、第1次炭素化、お
よび第2次炭素化処理が施される。 耐炎化処理は通常は空気の如き酸素−窒素の混
合雰囲気中で行なわれるか一酸化窒素や亜硫酸ガ
スを使用しても良い。耐炎化処理時の温度は200
〜350℃の範囲が適当である。 本発明の耐炎化処理に際しては、耐炎化処理過
程における繊維の密度が1.22g/cm3に到達するま
でに3%以上好ましくは10%以上の伸長を与えた
後に以降の収縮を実質的に抑制して耐炎化処理を
完了することが必要である。密度が1.22g/cm3
至るまでの伸長率が3%未満の場合は所定の炭素
繊維の弾性率ならびに強度が得られない。また、
伸長後の繊維に収縮が生じると微細構造の乱れを
誘導し、炭素繊維の強度低下を引き起すので好ま
しくない。 繊維伸長挙動を与える方法としては、例えば繊
維を多数個の回転ロールと接触させると共に密度
が1.22g/cm3に至るまではロール速度を暫時増加
させ、以降はロール速度を一定に保てばよい。 耐炎化処理が施された繊維は次いで窒素ガス、
アルゴンガス等の不活性雰囲気中300〜800℃の温
度範囲において第1次炭素化処理を行なうにあた
り300〜500℃の温度範囲で3%以上、さらに500
〜800℃の温度範囲で3%以上の伸長が加えられ
る。伸長は例えば第1次炭素化炉を2分割し、中
間にロールを設置することにより実施できる。こ
の伸長処理によつて炭素化過程において形成され
る微細構造の完全性が向上し、その結果得られる
炭素繊維の弾性率ならびに強度が増大する。 この伸長処理における伸長率ならびに温度が、
本発明の範囲を外れると伸長処理効果は消失し、
期待される特性は得られない。また、処理は通常
数十秒から数分間行なわれる。 第1次炭素化処理に引き続き、第2次炭素化処
理すなわち最終熱処理が不活性雰囲気中1300〜
1600℃好ましくは1300〜1500℃の温度範囲で緊張
下に数十秒〜数分間行なわれる。該熱処理におい
て処理過程における最高温度が1300℃未満であれ
ば所定の弾性率を得ることができない。一方、最
高温度が1600℃を越えると強度ならびに密度が低
下し、所定の値以下となる。また、熱処理時にお
ける温度プロフアイルは1000℃前後よりなだらか
に上昇して最高温度に到達するように設定される
ことが好ましい。また、熱処理時において繊維に
与えられる張力は250mg/デニール以上、好まし
くは350mg/デニール以上である必要がある。張
力がこの値より低い場合は、所定の弾性率を得る
ことは困難となる。 本発明は上記した方法を採用することによつ
て、繊維直径が1〜6μ、ストランド強度が460
Kg/mm2以上好ましくは500Kg/mm2以上、ストラン
ド弾性率が28t/mm2以上、ストランド伸度が1.60
%以上好ましくは1.7%以上より好ましくは1.8%
以上、密度が1.76g/cm3以上より好ましくは1.78
g/cm3以上の炭素繊維を容易に製造したるに至
る。 以下実施例により本発明を具体的に説明する。 ストランド強度、ストランド弾性率は
JISR7601の方法により測定した。 ストランド伸度は ストランド強度/ストランド弾性率×100(%
) で示されるものである。 密度は密度勾配管法により測定した。 炭素繊維の直径はレーザー法により測定した。 また、アクリル繊維の配向度Πは2θ=17゜(Cu
−kα線使用)の反射における方位角方向の散乱
強度分布の半価巾H1/2(deg)より次式により
求めた。 Π=180−H1/2/180×100(%) 実施例 1 アクリロニトリル98wt%アクリル酸メチル1wt
%、メタクリル酸1wt%の組成を有する比粘度
〔ηsp〕=0.20の重合体をジメチルホルムアミドを
溶媒として湿式紡糸を行ない、引き続き湯浴上5
倍に延伸し水洗後乾燥して更に乾熱170℃で1.3倍
に延伸して0.8デニールの繊度を有するフイラメ
ント数9000のアクリル繊維を得た。 X線回析より求められる繊維の配向度Πは90.3
%.であつた。 このアクリル繊維を220℃−240℃−260℃の3
段階の温度プロフアイルを有する熱風循環型の耐
炎化炉を60分間通過せしめて耐炎化処理を行なう
に際し、繊維の密度が1.22g/cm3に達するまでに
回転ロールの速度差によつて15%の伸長を与え、
その後繊維と接触する回転ロールの速度を等速に
固定することにより繊維の局部的収縮を抑制して
耐炎化処理を終了した。 次に該耐炎化繊維を純粋なN2気流中450℃の第
1炭素化炉を通過せしめるに際して12%の伸長を
加え、さらに同雰囲気中650℃の第2炭素化炉を
通過せしめるに際して4%の伸長を加え、引続き
同雰囲気中表1の最高温度を有する第3炭素化炉
中において380mg/デニールの張力下に熱処理を
行ない表1の諸物性を有する炭素繊維を得た。
【表】 実施例 2 実施例1と同様にして、但し第1・第2炭素化
炉内での温度と伸長率を変更して焼成を実施し
た。なお第3炭素化炉の最高温度は1450℃、張力
は380mg/デニールとした。得られた炭素繊維の
諸物性を表2に示す。
【表】 実施例 3 実施例1と同様にして、但し紡糸ノズルのオリ
フイス口径、紡糸時の原液吐出量、ならびに延伸
倍率を変更して表3に示す繊度を有するアクリル
繊維を得た。 これ等のアクリル繊維を実施例1と同一の条件
にて焼成を行なつた。この際最終熱処理時におけ
る最高温度は1450℃、張力は400mg/デニールと
した。得られた炭素繊維の諸物性を表3に示す。
〔発明の効果〕
本発明で得られた炭素繊維は、高弾性かつ高強
度であるため、航空機一次構造材、釣竿、ゴルフ
シヤフト等のスポーツ用途、高速遠心分離機、ロ
ボツト等の工業用途、地上高速輸送体等広範囲な
用途に使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来法による炭素化温度と得られる
炭素繊維の物性を示す相関図である。 A……弾性率、B……強度、C……密度。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 単繊維デニールが0.1〜1.1デニールのアクリ
    ル繊維を用い、繊維の密度が1.22g/cm3に上昇す
    るまでに3%以上の伸長を与えた後に、以後の繊
    維の収縮を実質的に抑制して耐炎化処理を完了
    し、ついで不活性雰囲気中300〜500℃の温度で3
    %以上の伸長を与えた後、500〜800℃の温度でさ
    らに1%以上の伸長を与え、最後に不活性雰囲気
    中1300〜1600℃の温度で緊張下に処理を行なつ
    て、繊維直径が1〜6μ、ストランド強度が460
    Kg/mm2以上、ストランド弾性率が28ton/mm2以上、
    ストランド伸度が1.60%以上、密度が1.76g/cm3
    以上の炭素繊維を製造することを特徴とする高強
    度高弾性炭素繊維の製造方法。
JP19129483A 1983-10-13 1983-10-13 高強度高弾性炭素繊維の製造方法 Granted JPS6088129A (ja)

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