JPH0359166A - 高特性炭素繊維の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は炭素繊維の製造方法に関するものであり、より
詳しくは引張り強度及び引張り弾性率が向上した高特性
の炭素繊維の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 炭素繊維は、比強度及び比弾性率が高い材料であり、高
性能複合材料のフィラー繊維として注目されている。

現在、炭素繊維はポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を原
料とするＰＡＮ系炭素繊維とピッチ類を原料とするピッ
チ系炭素繊維が製造されているが、近年の複合材料の高
品質化の要求に応じて、いずれのタイプの炭素繊維も強
度、弾性率の高特性化の検討が種々なされている。

例えば、ピッチ系炭素繊維では従来紡糸原料として使用
されてきた等言質ピッチの代わりに異方性が発達した、
いわゆるメソフェーズピッチを使用する方法（特公昭４
９−、８６３４号公報）が提案されて以来、異方性の紡
糸原料の種々の改質検討が提案・報告されている一方、
既に炭素繊維となった状態のものを更に酸素含有雰囲気
下で特定温度で加熱することにより引張り強度並びに引
張り弾性率を同時に改良する方法（特開昭６Ｌ２１５７
１６号公報）が知られている。

又ＰＡＮ系炭素繊維においても特殊グレードの１０００
℃焼成ＰＡＮ系炭素繊維を空気流通下、特定温度で処理
することが報告されている。

（Ｐｏｌｙｍｅｒ　　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　　ａｎ
ｄ　　５ｃｉｅｎｃｅ　、　Ｍａｙ　。

１９８４　Ｖｏｌ、　２４　Ｎｏ、７．４５５〜４５９
）。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、これらは全て炭素繊維表面の性状を改質
することにより、マトリックスとの接着性を向上させる
ものか、あるいは表面上の大きな欠陥を除去しようとす
るものにすぎず、特性は改善されるものの、本質的な改
善とは言えず炭素繊維内の結晶構造を変化させることに
より、得られる炭素繊維の特性を更に向上しようとする
ものではなかった。

（課題を解決するための手段） そこで本発明者等は、従来の課題を解決すべく鋭意検討
した結果、特定量の電子線を炭素繊維に照射することに
より結晶内に微小な欠陥を生じせしめ、その結果引張り
強度及び引張り弾性率が向上することを見い出し、本発
明に到達した。

すなわち、本発明は引張り強度及び引張り弾性率の向上
した高特性炭素繊維を簡便に製造する方法を提供するも
のである。

そして、その目的は１０００℃以上の温度で焼成して得
られた炭素繊維を５００　ｋＶ以上の電子線で１０００
　Ｍ　ｒ　ａ　ｄ以上照射処理することを特徴とする特
性炭素繊維の製造方法により容易に遠戚される。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明で用いる炭素繊維はピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系
炭素繊維のいずれのものも使用することができる。

ピッチ系炭素繊維を得るための紡糸ピッチとしては、配
向しやすい分子種が形成されており、光学的に異方性の
炭素繊維を与えるものであればよい。

これら紡糸ピッチを得るための炭素質原料としては、例
えば、石炭系のコールタール、コールタールピッチ、石
炭液化物、石油系の重質油、タール、ピッチ等が挙げら
れる。゛・これらの炭素質原料には通常フリーカーボン
、未溶解石炭、灰分などの不純物が含まれているが、こ
れらの不純物は濾過、遠心分離、あるいは溶剤を使用す
る静置沈降分離などの周知の方法で予め除去しておく事
が望ましい。

また、前記炭素質原料を、例えば、加熱処理した後特定
溶剤で可溶分を抽出するといった方法、あるいは水素供
与性溶剤、水素ガスの存在下に水添処理するといった方
法で予備処理を行っておいても良い。

本発明においては、前記炭素質原料あるいは予備処理を
行った炭素質原料を、通常３５０〜５００℃、好ましく
は３８０〜４５０℃で、２分〜５０時間、好ましくは５
分〜５時間、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、
或いは、吹き込み下に加熱処理することによって得られ
る４０％以上、好ましくは７０％以上の光学的異方性組
織を含み、かつキノリンネ溶分が４０重量％以下、好ま
しくは３５重量％以下のメソフェーズピッチが好適であ
る。

本発明でいうメソフェーズピッチの光学的異方性組織割
合は、常温下偏光顕微鏡でのメソフェーズピッチ試料中
の光学的異方性を示す部分の面積割合として求めた値で
ある。

具体的には、例えばメソフェーズピッチ試料を数恥角に
粉砕したものを常法に従って約２ｃｍ直径の樹脂の表面
のほぼ全面に試料片を埋込み、表面を研磨後、全体をく
まなく偏光顕微鏡（１００倍率）下で観察し、試料の全
表面積に占める光学的異方性部分の面積の割合を測定す
る事によって求める。

上記の様な紡糸ピッチを用いて通常の方法に従って溶融
紡糸、不融化、炭化、更には必要に応じて黒鉛化して炭
素繊維を得る。又、ＰＡＮ系炭素繊維としては従来より
公知のものが使用できる。具体的にはポリアクリロニト
リルを含有する紡糸原液を溶融紡糸後、耐炎化処理を行
ないピッチ系炭素繊維の場合と同様にして炭化処理、必
要に応じて黒鉛化処理を行ない炭素繊維を得る。

特に、本発明では１０００℃以上の温度で焼成した炭素
繊維、好ましくは、１２００〜３０００　’Ｃで１０〜
４００秒、特に好ましくは、１４００から２０００℃で
１０〜３００秒程度の温度で炭化あるいは黒鉛化処理し
た炭素繊維あるいは黒鉛繊維（以下、これらを「炭素繊
維」という。）が好適に使用される。

本発明においてかかる炭素繊維に対して５００　ｋＶ以
上好ましくは５００〜２０００　ｋＶ更に好ましくは７
００〜２０００　ｋＶの電子線１０００　Ｍ　ｒａｄ以
上、好ましくは１０００〜１００００　Ｍ　ｒａｄ更に
好ましくは１５００〜１００００　Ｍ　ｒａｄの照射量
を照射処理することが重要である。その際、照射量が１
００Ｏ１００Ｏより少ないと得られた炭素繊維の引張り
強度及び引張り弾性率のいずれも改善されないので好ま
しくない。又あまりに照射量が多いと引張り強度が低下
する可能性が大きくなるのであまり好ましくない。照射
処理自体は通常の電子線照射装置により行われるのが具
体的には、電子線加速装置と、電子線照射領域に被照射
物を般送する装置とを備え、かつ、冷却装置を装備する
かまたは、照射、冷却を断続的に行うことができる照射
装置により行われ、その処理帯域の雰囲気としてはガス
種、圧力、温度について特に制限は無いが、被照射物の
温度が５００℃以上に達する場合は、不活性ガス雰囲気
下で行なうのがよい。

以上の様に、特定の電子線照射により得られた炭素繊維
は繊維自体の強度、弾性率が改善される。

この原因は未だ十分には解明されていないが、臨界エネ
ルギー以上の電子線によって、結晶内部にフレンケル欠
陥のような微細な欠陥が取りこまれるとこによるものと
推定される。

（実施例） 以下実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明
の要旨を超えない限り、本発明は実施例に限定されるも
のではない。

実施例１ 表１に示したように、ＰＡＮ系、ピッチ系各２種の炭素
繊維に対して、搬送装置を有する電子線照射装置を用い
、７５０ｋＶの加速電圧下で約２０秒、照射した後冷却
する操作を７２回繰返し、総照射量１８００Ｍｒａｄと
した、雰囲気は空気中である。

ＰＡＮ系並びにピッチ系の高特性炭素繊維各２種類につ
いて、照射前後の引張り強度と引張弾性率とを比較した
結果を表１に示した。

加速電圧７５０　ｋＶ、照射線量１８００　Ｍ　ｒａｄ
の条件下では、引張り強度及び弾性率について増加が認
められた。

比較例１ 実施例と同一の照射装置を用いて、７５０　ｋＶの加速
電圧下で、約２０秒照射した後冷却する操作を、４回及
び２４回繰返し、総照射量１００及び６００　Ｍ　ｒａ
ｄとした。雰囲気は空気中である。

ピッチ系の２種類の試料についての照射前後の引張強度
並びに引張弾性率の値を表２に示した。

比較例２ １７０　ｋＶの加速電圧下で約５秒照射した後冷却する
操作をｉｏｏ回繰返し、総照射量２０００　Ｍ　ｒａｄ
とした。雰囲気は空気中である。

ピッチ系の２種類の試料についての照射前後の引張強度
並びに引張弾性率の値を表３に示した。本条件では改善
の傾向は認められなかった。

（発明の効果） 本発明によれば、炭素繊維を構成する結晶内に微小な欠
陥を生ぜしめることにより、繊維自体の引張り強度及び
引張り弾性率を同時に向上した高特性の炭素繊維を製造
することができる。特に高特性ピッチ系炭素繊維は機械
的特性が優れているので各種繊維強化複合材に非常に有
用である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）１０００℃以上の温度で焼成して得られた炭素繊
   維に５００ｋＶ以上の電子線で１０００Ｍｒａｄ以上照
   射処理することを特徴とする高特性炭素繊維の製造方法
   。
2. （２）電子線が５００〜２０００ｋＶで１０００〜１０
   ０００Ｍｒａｄの範囲で照射処理する請求項１記載の製
   造方法。