JPH04154888A - Mesophase pitch having ultra-low softening point and low viscosity, its production and production of high-strength and high-modulus carbon fiber - Google Patents

Mesophase pitch having ultra-low softening point and low viscosity, its production and production of high-strength and high-modulus carbon fiber

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JPH04154888A
JPH04154888A JP27940390A JP27940390A JPH04154888A JP H04154888 A JPH04154888 A JP H04154888A JP 27940390 A JP27940390 A JP 27940390A JP 27940390 A JP27940390 A JP 27940390A JP H04154888 A JPH04154888 A JP H04154888A
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mesophase pitch
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Abstract

PURPOSE:To obtain the subject pitch capable of performing stable spinning or molding in high carbonizing yield and a low cost containing a large amount of optically anisotropic phase by removing an organic solvent-insoluble part from a polymer of condensed polycyclic hydrocarbon, etc., and separating by using a specific gravity difference. CONSTITUTION:Condensed polycyclic hydrocarbon or a substance containing the hydrocarbon is polymerized in the presence of hydrogen fluoride-boron trifluoride at 200-400 deg.C under 5-100atm to obtain a pitch. Then, said pitch is subjected to solvent-extracting treatment to remove an organic solvent-insoluble part composed of aromatic hydrocarbon having >=10.0 solubility parameter, a nitrogen-containing six-membered heterocyclic compound or a mixture thereof as principal components, then subjected to separation by a specific gravity difference to afford the objective pitch having <=220 deg.C softening point, <=100 poise viscosity at 250 deg.C and >=1000 average molecular weight and containing >=90wt.% optically anisotropic phase.

Description

【発明の詳細な説明】 産業 の1 ノ里 本発明は、一般には高強度及び高弾性率を有する炭素繊
維及びその他の炭素材料の製造技術に関するものであり
、更に詳しく言えば、ナフタレン、メチルナフタレン、
アントラセンなどの縮合多環炭化水素を重合することに
より得られる、光学的異方性相を90%以上含有した超
低軟化点、低粘度のメンフェーズピッチ及びその製造方
法、並びに該メソフェーズピッチを使用して高強度高弾
性率の炭素繊維を製造する方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention generally relates to a technology for producing carbon fibers and other carbon materials having high strength and high modulus of elasticity. ,
An ultra-low softening point, low viscosity mesophase pitch containing 90% or more of an optically anisotropic phase obtained by polymerizing a condensed polycyclic hydrocarbon such as anthracene, a method for producing the same, and use of the mesophase pitch The present invention relates to a method for producing carbon fibers with high strength and high modulus.

従」LΩ1虹術 近年、航空機、自動車、建築分野、その他種々の産業分
野にて、軽量且つ高強度、高弾性の複合材料の素材を構
成する低コストの高性能炭素繊維が、又は、加圧成形し
て種々の用途に使用される高強度、高密度の成形用炭素
材料が強く要望されている。
In recent years, low-cost, high-performance carbon fibers that constitute lightweight, high-strength, and high-elastic composite materials have been used in aircraft, automobiles, construction, and various other industrial fields. There is a strong demand for high-strength, high-density moldable carbon materials that can be molded and used for various purposes.

従来より、例えば高強度、高弾性率を有する炭素繊維と
してはポリアクリロニトリルを原料とするPAN系炭素
繊維が多く使用されているが、原料が高価であり、又炭
化収率が悪いという問題を有している。
Conventionally, PAN-based carbon fibers made from polyacrylonitrile have been widely used as carbon fibers with high strength and high modulus of elasticity, but they have the problems of expensive raw materials and poor carbonization yields. are doing.

これに対して、原料が安価であり且つ炭化収率がより良
好であるという点から石油系ピッチ或は石炭系ピッチを
原料とした炭素繊維、或は成形用炭素材料の研究開発が
近年盛んに行なわれている。
On the other hand, research and development of carbon fibers or moldable carbon materials using petroleum-based pitch or coal-based pitch as raw materials has been actively conducted in recent years because the raw materials are cheaper and the carbonization yield is better. It is being done.

石油系ピッチ或は石炭系ピッチなどの炭素質原料ピッチ
から、例えば高強度、高弾性率の炭素繊維を得るには、
光学的異方性相が実質的に100%とされるメソフェー
ズピッチを得ることが必要であることが知られている。
For example, to obtain carbon fibers with high strength and high modulus from carbonaceous raw material pitch such as petroleum pitch or coal pitch,
It is known that it is necessary to obtain a mesophase pitch in which the optically anisotropic phase is substantially 100%.

例えば、特開昭54−55625号公報は、不活性ガス
のバブリングと撹拌とを併用して、長時間熱分解重縮合
を行ない、光学的異方性相が実質的に100%とされる
メソフェーズピッチを得る方法を、又、特開昭54−1
60427号公報は、溶剤抽出方法により光学的異方性
相が実質的に100%とされるメソフェーズピッチを得
る方法を開示している。しかしながら、これらの方法に
て得られたピッチ系炭素繊維用メソフェーズピッチの軟
化点は330℃以上の高軟化点を有していた。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-55625 discloses a mesophase phase in which the optically anisotropic phase is substantially 100% by carrying out long-term thermal decomposition polycondensation using a combination of inert gas bubbling and stirring. A method for obtaining pitch is also disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-1
Publication No. 60427 discloses a method for obtaining mesophase pitch having substantially 100% optically anisotropic phase by a solvent extraction method. However, the mesophase pitch for pitch-based carbon fibers obtained by these methods had a high softening point of 330° C. or higher.

これに対して、特公昭61−38755号公報は、原料
ピッチを熱処理して光学的異方性相含有ピッチを生成し
、その後、比重差分離を行なう方法によって、光学的異
方性相が実質的に100%とされるメソフェーズピッチ
を得る方法を開示している。
On the other hand, Japanese Patent Publication No. 61-38755 discloses a method in which a pitch containing an optically anisotropic phase is produced by heat-treating the raw material pitch, and then a specific gravity separation is performed, whereby the optically anisotropic phase is substantially removed. Discloses a method for obtaining a mesophase pitch that is generally 100%.

この方法によると、軟化点が230〜320℃程度とさ
れ、上記特開昭54−55625号公報或は特開昭54
−160427号公報などに記載されるようなピッチ系
炭素繊維用メソフェーズピッチに比較すると、極めて低
い軟化点を有した光学的異方性相が実質的に100%と
されるメソフェーズピッチが得られ、従って、280〜
380℃の紡糸温度にて安定して紡糸することができる
という利点を有している。
According to this method, the softening point is about 230 to 320°C, and the softening point is about 230 to 320°C.
Compared to the mesophase pitch for pitch-based carbon fibers as described in Publication No. 160427, a mesophase pitch with substantially 100% optically anisotropic phase having an extremely low softening point can be obtained. Therefore, 280~
It has the advantage that it can be stably spun at a spinning temperature of 380°C.

日が 2しよ とする0 最近、炭素繊維或は成形用炭素材料の商業的需要が高ま
るにつれて、更に炭化収率が良く、低コストであって、
更には、より安定して紡糸或は成形が可能゛なように一
層低軟化点の且つ低粘度のメソフェーズピッチの開発が
望まれている。
Recently, as the commercial demand for carbon fibers or carbon materials for molding has increased, carbon fibers with better carbonization yields and lower costs are needed.
Furthermore, it is desired to develop a mesophase pitch with a lower softening point and lower viscosity so that it can be spun or molded more stably.

この要望に応えるべ(、弗化水素(HF) ・三弗化硼
素(BF3)の存在下にナフタレン等の縮合多環炭化水
素を重合させて実質的に光学的異方性相を100%含有
したメンフェーズピッチを製造する方法が三菱瓦斯化学
(株)より提案されている(特開平1−139621号
公報、特開平l−254796号公報、特願平1−30
9482号を参照せよ)。
In order to meet this demand, we polymerized condensed polycyclic hydrocarbons such as naphthalene in the presence of hydrogen fluoride (HF) and boron trifluoride (BF3) to contain substantially 100% optically anisotropic phase. Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd. has proposed a method for producing menphase pitch (Japanese Patent Application Laid-open No. 1-139621, Japanese Patent Application Laid-open No. 1-254796, Japanese Patent Application No. 1-30
9482).

上記特開平1−139621号公報に記載の方法にて製
造された実質的に光学的異方性相を100%含有したメ
ソフェーズピッチは、従来の石炭、石油系のメソフェー
ズピッチと比較すると、不融化性が良(、炭化収率が、
高いといった利点を有しており、更に、この方法で得ら
れた、光学的異方性相が100%とされるメソフェーズ
ピッチは、軟化点が上記公開公報の数値では180〜4
00℃(後で説明する本明細書の測定法によると200
〜420℃)、通常は200〜240℃(後で説明する
本明細書の測定法によると220〜260℃)であり、
従前のメソフェーズピッチに比較すると紡糸温度を低く
することができ、紡糸が容易であり、且つ焼成処理によ
り高強度の炭素繊維を得ることができるものである。
The mesophase pitch containing substantially 100% of the optically anisotropic phase produced by the method described in JP-A-1-139621 is more infusible than conventional coal- and petroleum-based mesophase pitches. Good properties (, carbonization yield,
Furthermore, the mesophase pitch obtained by this method, which has 100% optically anisotropic phase, has a softening point of 180 to 4, according to the values in the above publication.
00°C (200°C according to the measurement method in this specification, which will be explained later)
~420°C), usually 200 to 240°C (220 to 260°C according to the measurement method herein described later),
Compared to conventional mesophase pitch, the spinning temperature can be lowered, spinning is easier, and high-strength carbon fibers can be obtained by firing.

しかしながら、より低軟化点、低粘度のメソフェーズピ
ッチが得られれば、更に低い温度での紡糸及び成形がb
]能で、炭素繊維、その他の炭素材料を低コスト生産、
安定生産のために画期的なものとなる。
However, if a mesophase pitch with a lower softening point and lower viscosity can be obtained, spinning and molding at even lower temperatures will be possible.
] capability to produce carbon fiber and other carbon materials at low cost.
This will be a breakthrough for stable production.

従って、本発明の目的は、低い温度での紡糸及び成形が
可能で、炭素繊維、その他の炭素材料を低yIストで、
しかも、安定して生産することを可能!した、超低軟化
点、低粘度のメソフェーズビッグを提供することである
Therefore, an object of the present invention is to produce carbon fibers and other carbon materials with low yI, which can be spun and molded at low temperatures.
Moreover, stable production is possible! The objective is to provide mesophase big with ultra-low softening point and low viscosity.

本発明の他の目的は、弗化水素・三弗化硼素の存在下に
ナフタレンなどの縮合多環炭化水素又はこれを含有する
物質を重合させて、高強度、高弾性率の炭素繊維、或は
高強度、高密度の成形用炭素材料を製造するのに好適に
使用することのできる光学的異方性相を90%以上含有
する前記超低軟化点、低粘度のメソフェーズピッチを製
造する方法を提供することである。
Another object of the present invention is to polymerize a condensed polycyclic hydrocarbon such as naphthalene or a substance containing the same in the presence of hydrogen fluoride or boron trifluoride to produce carbon fibers with high strength and high elastic modulus. is a method for producing the ultra-low softening point, low-viscosity mesophase pitch containing 90% or more of an optically anisotropic phase, which can be suitably used for producing a high-strength, high-density carbon material for molding. The goal is to provide the following.

本発明の更に他の目的は、前記超低軟化点、低粘度のメ
ソフェーズピッチを使用して高強度、高弾性率の炭素繊
維を製造する方法を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a method for producing carbon fibers with high strength and high elastic modulus using the ultra-low softening point and low viscosity mesophase pitch.

区、題を 11するための 「 本発明者らは、上述のように優れた特性を有する、ナフ
タレン等の縮合多環炭化水素を重合させて得られるメソ
フェーズピッチを更に研究、開発する過程において、軟
化点及び粘度をより低下させ、それによって、更に低い
温度で紡糸、成形などの賦形化可能で、炭素繊維などの
炭素+A料の低コスト生産、安定生産を実現し得ること
を見出した。
In the process of further research and development of mesophase pitch obtained by polymerizing condensed polycyclic hydrocarbons such as naphthalene, which has excellent properties as described above, the present inventors It has been found that by further lowering the softening point and viscosity, it is possible to perform shaping such as spinning and molding at even lower temperatures, and to realize low-cost and stable production of carbon + A materials such as carbon fibers.

つまり、ナフタレン等の縮合多環炭化水素を重合させて
得られるメソフェーズピッチの軟化点及び粘度を下げる
には、触媒重合、熱重合いずれの場合でも、一般には反
応温度の低下、触媒量の減少等により重合の程度を低(
すれば良いが、この場合には光学的異方性相が生成しな
いか、生成しても極少量のため、90%以上の光学的異
方性相を含むメソフェーズピッチを作ることは実質的に
不可能である。
In other words, in order to lower the softening point and viscosity of mesophase pitch obtained by polymerizing condensed polycyclic hydrocarbons such as naphthalene, whether in catalytic polymerization or thermal polymerization, generally lowering the reaction temperature, decreasing the amount of catalyst, etc. to reduce the degree of polymerization (
However, in this case, the optically anisotropic phase is not generated, or even if it is generated, it is only in a very small amount, so it is virtually impossible to create a mesophase pitch containing 90% or more of the optically anisotropic phase. It's impossible.

本発明者らは、このようなナフタレン系ピッチなどを原
料として使用し、90%以上の光学的異方性相を含む超
低軟化点、低粘度のメソフェーズピッチを得るために、
ピッチの分子構造、分子量分布、会合特性等を鋭意検討
した結果、以下のような特性を持つピッチが超低軟化点
、低粘度を達成し得ることを見出した。
The present inventors used such naphthalene-based pitch etc. as a raw material, and in order to obtain an ultra-low softening point, low viscosity mesophase pitch containing an optically anisotropic phase of 90% or more,
As a result of intensive study of the molecular structure, molecular weight distribution, association characteristics, etc. of pitch, we found that pitch with the following characteristics can achieve an ultra-low softening point and low viscosity.

つまり、超低軟化点、低粘度のメソフェーズピッチであ
るためには、 (1)分子構造としては側鎖アルキル基、ナフテン環等
を多く含むこと。
In other words, in order to be a mesophase pitch with an ultra-low softening point and low viscosity, (1) the molecular structure must contain many side chain alkyl groups, naphthene rings, etc.

(2)分子量分布の点では、高分子量成分(数千以上の
分子量を有した成分)を含まないこと。
(2) In terms of molecular weight distribution, it should not contain high molecular weight components (components with a molecular weight of several thousand or more).

(3)高分子量成分を含まずに90%り上の光学的異方
性相を安定的に保持するためには、平均分子量が100
0以上、好ましくは1000〜1500であること。
(3) In order to stably maintain an optically anisotropic phase of 90% higher without containing high molecular weight components, the average molecular weight must be 100%.
0 or more, preferably 1000 to 1500.

が必要である。is necessary.

又、本発明者らは、このような特性を持つメソフェーズ
ピッチは次の製造方法にて極めて有効に製造し得ること
を見出した。つまり、 (A)第1段階で、上記特開平1−139621号公報
に記載されるように、弗化水素・三弗化硼素の存在下に
ナフタレンなどの縮合多環炭化水素又はこれを含有する
物質を重合させて光学的異方性相を含有するメソフェー
ズピッチを作る。このピッチは分子構造上の特徴として
側鎖アルキル基、ナフテン環等を多く含んでいる。
Furthermore, the present inventors have discovered that mesophase pitch having such characteristics can be produced extremely effectively by the following production method. That is, (A) in the first step, as described in JP-A-1-139621, a condensed polycyclic hydrocarbon such as naphthalene or the like is contained in the presence of hydrogen fluoride and boron trifluoride. The material is polymerized to create mesophase pitch containing an optically anisotropic phase. This pitch is characterized by its molecular structure, which includes many side chain alkyl groups, naphthene rings, etc.

(B)第2段階では、第1段階で得られたピッチから、
溶解度パラメータ10.0以上の芳香族炭化水素又は含
窒素六員複素環化合物、及びそれらを主成分とする混合
物からなる有機溶剤に不溶な部分を除去する。この操作
により重合反応の過程で生成した高分子量成分を除去す
る。この高分子量成分は、上述のように、低軟化点、低
粘度の達成を阻害するので除去する必要がある。
(B) In the second stage, from the pitch obtained in the first stage,
Aromatic hydrocarbons or nitrogen-containing six-membered heterocyclic compounds having a solubility parameter of 10.0 or more, and mixtures containing them as main components, which are insoluble in organic solvents, are removed. This operation removes high molecular weight components generated during the polymerization reaction process. As mentioned above, this high molecular weight component must be removed because it hinders the achievement of a low softening point and low viscosity.

(C)第3段階では、第2段階で得られたメソフェーズ
ピッチから比重差分離にてその下層部分を抜き出し、光
学的異方性相90%以上のメソフェーズピッチを得る。
(C) In the third step, the lower layer portion is extracted from the mesophase pitch obtained in the second step by specific gravity separation to obtain mesophase pitch having an optically anisotropic phase of 90% or more.

ことにより、目的とする超低軟化点、低粘度のメソフェ
ーズピッチが極めて好適に製造されることを見出した。
It has been found that the desired mesophase pitch with an ultra-low softening point and low viscosity can be produced very suitably by this method.

本発明は係る新規な知見に基づきなされたものである。The present invention has been made based on this new knowledge.

要約すれば本発明は、縮合多環炭化水素又はこれを含有
する物質から得られ、軟化点が220℃未満、250℃
における粘度が10.00ポイズ以下、平均分子量が1
000以上で光学的異方性相を90%以上含有すること
を特徴とする超低軟化点、低粘度のメソフェーズピッチ
である。
To summarize, the present invention is obtained from a condensed polycyclic hydrocarbon or a substance containing the same, and has a softening point of less than 220°C and 250°C.
The viscosity is 10.00 poise or less, the average molecular weight is 1
000 or more, it is an ultra-low softening point, low viscosity mesophase pitch characterized by containing 90% or more of an optically anisotropic phase.

更に説明すれば、本発明に係る超低軟化点、低粘度のメ
ソフェーズピッチは、基本的にナフタレンなどの縮合多
環炭化水素又はこれを含有する物質な弗化水素・三弗化
硼素の存在下に重合させることによって得られるもので
あって、分子構造としては側鎖アルキル基、ナフテン環
等を多く含んでいる。
To explain further, the ultra-low softening point, low viscosity mesophase pitch according to the present invention is basically a condensed polycyclic hydrocarbon such as naphthalene or a substance containing this in the presence of hydrogen fluoride or boron trifluoride. The molecular structure contains many side chain alkyl groups, naphthene rings, etc.

芳香環骨格にアルキル側鎖、ナフテン環が存在すると、
ファンデルワールス半径が広がり、分子間結合力が弱ま
って、軟化点及び粘度を下げる作用をするものと考えら
れる。
When an alkyl side chain and a naphthene ring are present in the aromatic ring skeleton,
It is thought that the van der Waals radius expands, the intermolecular bonding force weakens, and this acts to lower the softening point and viscosity.

又、本発明のメソフェーズピッチは、分子量分布の点で
は、高分子量成分を含まず、平均分子量は1000以上
、好ましくは1000〜1500とされる。高分子量成
分、即ち分子量が数千以上の成分がメソフェーズピッチ
中に含まれている場合には、軟化点及び粘度を高(して
しまう。−方、高分子量成分が存在せず、且つ平均分子
量が1000に達しない場合には、メソフェーズピッチ
中に光学的異方性相を安定して90%以上保持すること
が極めて困難となる。
Furthermore, in terms of molecular weight distribution, the mesophase pitch of the present invention does not contain high molecular weight components and has an average molecular weight of 1000 or more, preferably 1000 to 1500. If a high molecular weight component, that is, a component with a molecular weight of several thousand or more, is contained in the mesophase pitch, it will increase the softening point and viscosity. If it does not reach 1000, it becomes extremely difficult to stably maintain 90% or more of the optically anisotropic phase in the mesophase pitch.

又、平均分子量が1000以下で、光学的異方性相が9
0%未満の場合には安定紡糸が困難で、得られた炭素繊
維の物性も低い傾向がある。
In addition, the average molecular weight is 1000 or less, and the optically anisotropic phase is 9
If it is less than 0%, stable spinning is difficult and the physical properties of the obtained carbon fiber tend to be poor.

このように、分子構造としては側鎖アルキル基、ナフテ
ン環等を多く含み、しかも、分子量分布の点では、高分
子量成分を含まず、更に、平均分子量を1000以上、
好ましくは1000〜1500とすることによって、9
0%以上の光学的異方性相を安定的に保持しており、更
に、軟化点が220℃未満、好ましくは170〜215
℃とされ、同時に、粘度が、250℃にて1000ボイ
ズ以下、好ましくは5〜800ボイズとされる超低軟化
点、低粘度のメソフェーズピッチが実現される。
In this way, the molecular structure contains many side chain alkyl groups, naphthene rings, etc., and in terms of molecular weight distribution, it does not contain high molecular weight components, and has an average molecular weight of 1000 or more.
By setting preferably 1000 to 1500, 9
It stably maintains an optically anisotropic phase of 0% or more, and further has a softening point of less than 220°C, preferably 170 to 215°C.
At the same time, an ultra-low softening point, low viscosity mesophase pitch having a viscosity of 1000 voids or less, preferably 5 to 800 voids at 250° C. is realized.

尚、本明細書で使用される「光学的異方性相」という語
句の意味は、必ずしも学界又は種々の技術文献において
統一して用いられているとは言い雛いので、本明細書で
は、「光学的異方性相」とは、ピッチ構成成分の一つで
あり、常温近くで固化したピッチ塊の断面を研摩し、反
射型偏光顕微鏡で直交ニコル下で観察したとき、試料又
は直交ニコルを回転して光輝が認められる、即ち光学的
異方性である部分を意味し、これに対し、光輝が認めら
れない、即ち光学的等方性である部分は光学的等方性相
と呼ぶ。
Note that the meaning of the phrase "optically anisotropic phase" used in this specification is not necessarily uniformly used in academic circles or in various technical documents, so in this specification, "Optically anisotropic phase" is one of the pitch constituents, and when a cross section of a pitch lump solidified near room temperature is polished and observed under crossed nicols with a reflective polarizing microscope, it is When rotated, it means the part where brilliance is observed, that is, the part is optically anisotropic.On the other hand, the part where brilliance is not observed, that is, is optically isotropic, is called optically isotropic phase. .

光学的異方性相は、光学的等方性相に比べて多環芳香族
の縮合環の平面性がより発達した化学構造の分子が主成
分で、平面を積層したかたちで凝集、会合しており、溶
融温度では一種の液晶状態であると考えられる。従って
これを細い口金から押し出して紡糸するときは分子の平
面が繊維軸の方向に平行に近い配列をするために、この
光学的異方性ピッチから作った炭素繊維は高弾性を示す
ことになる。又、光学的異方性相の定量は偏光顕微鏡直
交ニコル下で観察、写真撮影して光学的異方性部分の占
める面積率を測定して行うので、これは実質的に体積%
を表わす。
The optically anisotropic phase is mainly composed of molecules with a chemical structure in which the planarity of polycyclic aromatic condensed rings is more developed than in the optically isotropic phase, and the planes aggregate and associate in a stacked manner. It is considered to be in a kind of liquid crystal state at the melting temperature. Therefore, when this is extruded from a thin spinneret and spun, the planes of the molecules are aligned nearly parallel to the direction of the fiber axis, so carbon fibers made from this optically anisotropic pitch exhibit high elasticity. . In addition, the optically anisotropic phase is quantified by observing it under crossed Nicols with a polarizing microscope, taking a photograph, and measuring the area ratio occupied by the optically anisotropic part, which is essentially a volume percentage.
represents.

又、本明細書で「メソフェーズピッチ」とは、光学的異
方性相を含むピッチを意味する。
Moreover, in this specification, "mesophase pitch" means a pitch containing an optically anisotropic phase.

更に、本明細書にて「ピッチの軟化点」とは、ピッチの
固−液転移温度をいうが、差動走査型熱量計を用い、ピ
ッチが融解又は凝固するときの潜熱の吸収又は放出がピ
ークを示す温度から求めたものである。
Furthermore, in this specification, the term "softening point of pitch" refers to the solid-liquid transition temperature of pitch, but using a differential scanning calorimeter, the absorption or release of latent heat when pitch melts or solidifies is measured. It is determined from the temperature that shows the peak.

尚、上記特開平1−254796号公報などに記載され
ている軟化点は毛管法により測定されたものであり、本
明細書の差動走査型熱量計による軟化点の測定値はこの
毛管法に基づく値より約20℃高い数値となる。
The softening points described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-254796 are measured by the capillary method, and the values measured by the differential scanning calorimeter in this specification are based on the capillary method. The value is approximately 20°C higher than the base value.

又、粘度の測定は、同心円筒法の高温回転粘度計で行な
った。
The viscosity was measured using a high temperature rotational viscometer using a concentric cylinder method.

平均分子量の測定法に関して言えば、ピッチ成分の分子
量測定は、溶剤に可溶な部分はクロロホルム溶媒に溶解
して蒸気圧平衡法(VPO)で測定し、不溶な部分は金
属リチウムとエチレンジアミンを用いる温和な水添反応
により可溶化後上述の蒸気圧平衡法で測定し、それから
平均分子量を求めた。
Regarding the method of measuring the average molecular weight, the molecular weight of pitch components is measured by dissolving the soluble part in a chloroform solvent and measuring it by vapor pressure equilibrium method (VPO), and using metallic lithium and ethylene diamine for the insoluble part. After being solubilized by a mild hydrogenation reaction, it was measured by the vapor pressure equilibrium method described above, and the average molecular weight was determined therefrom.

上述の本発明に係る超低軟化点、低粘度のメソフェーズ
ピッチは、弗化水素・三弗化硼素の存在下、縮合多環炭
化水素又はこれを含有する物質を重合させて光学的異方
性相を含有するピッチを製造し、このピッチから溶解度
パラメータ10.0以上の芳香族炭化水素又は含窒素六
員複素環化合物、及びそれらを主成分とする混合物から
なる有機溶剤に不溶な部分を除去した後、比重差分離に
より下層部分どして抜き出すことによって極めて好適に
製造し得る。以下、斯る超低軟化点、低粘度のメンフェ
ーズピッチの製造方法について更に詳しく説明する。
The ultra-low softening point, low viscosity mesophase pitch according to the present invention described above is produced by polymerizing a condensed polycyclic hydrocarbon or a substance containing the same in the presence of hydrogen fluoride and boron trifluoride to obtain optical anisotropy. Producing a pitch containing a phase, and removing from this pitch an aromatic hydrocarbon or nitrogen-containing six-membered heterocyclic compound with a solubility parameter of 10.0 or more, and a portion insoluble in an organic solvent consisting of a mixture containing these as the main component. After that, the lower layer can be extracted by specific gravity separation to produce it in a very suitable manner. Hereinafter, a method for manufacturing such ultra-low softening point, low viscosity menphase pitch will be explained in more detail.

・出発原料 本発明の製造方法にて用いる原料としては、ナフタレン
、メチルナフクレン、アントラセン、フェナントレン、
アセナフテン、アセナフチレン、ピレンなとの縮合多環
炭化水素若しくはこれらの混合物、又は、これら縮合多
環炭化水素を一種或は複数種含有する物質であって、種
々の石油留分、石油加工工程の残油及び石炭タール留分
なとも含まれる。
・Starting materials Raw materials used in the production method of the present invention include naphthalene, methylnaphculene, anthracene, phenanthrene,
Condensed polycyclic hydrocarbons such as acenaphthene, acenaphthylene, and pyrene, or mixtures thereof, or substances containing one or more of these condensed polycyclic hydrocarbons, including various petroleum fractions and residues from petroleum processing processes. Also included are oil and coal tar fractions.

これらの原料は、重合触媒である弗化水素(HF)・三
弗化硼素(BF3)と強く結合する塩基性化合物である
窒素化合物、硫黄化合物及び酸素化合物の含有濃度が低
いものが特に原料として適している。
These raw materials are particularly suitable for raw materials containing low concentrations of nitrogen compounds, sulfur compounds, and oxygen compounds, which are basic compounds that strongly bind to hydrogen fluoride (HF) and boron trifluoride (BF3), which are polymerization catalysts. Are suitable.

・第1段階(重合) 上記縮合多環炭化水素又はこれを含有する物質は、重合
触媒である弗化水素・三弗化硼素の存在下に重合させて
光学的異方性相を含有するメソフェーズピッチを製造す
る。このとき、メソフェーズピッチは、光学的異方性相
を50〜100%含有するのが好ましく、光学的異方性
相が50%以下であると、後で説明する第2段階以降で
の収率が著しく低下するので好ましくない。
・First step (polymerization) The above condensed polycyclic hydrocarbon or a substance containing it is polymerized in the presence of hydrogen fluoride/boron trifluoride as a polymerization catalyst to form a mesophase containing an optically anisotropic phase. Manufacture pitch. At this time, it is preferable that the mesophase pitch contains 50 to 100% of the optically anisotropic phase, and if the optically anisotropic phase is 50% or less, the yield in the second stage and subsequent stages, which will be explained later, will be improved. This is not preferable because it significantly reduces the

重合触媒量は、縮合多環炭化水素1モルに対し弗化水素
を0.1〜20モル、三弗化硼素を0゜05〜1,0モ
ルとするのが好適である。弗化水素を20モルを超える
量を使用しても、又三弗化硼素を1.0モルを超える量
を使用しても、反応速度の増加はなく、触媒の循環量が
多くなるだけ、 であり、反応器も大きくなって好まし
くない。又弗化水素0.1モル未満、三弗化硼素0.0
5モル未満では、光学的異方性相を100%含有したメ
ソフェーズピッチを得ることができない。
The amount of the polymerization catalyst is preferably 0.1 to 20 mol of hydrogen fluoride and 0.05 to 1.0 mol of boron trifluoride per mol of condensed polycyclic hydrocarbon. Even if hydrogen fluoride is used in an amount exceeding 20 moles, or boron trifluoride is used in an amount exceeding 1.0 moles, the reaction rate does not increase, and the amount of catalyst circulation increases. Therefore, the reactor becomes large, which is not preferable. Also less than 0.1 mole of hydrogen fluoride, 0.0 boron trifluoride
If the amount is less than 5 moles, it is not possible to obtain mesophase pitch containing 100% of the optically anisotropic phase.

尚、本発明の製造方法においては、弗化水素単独、又は
三弗化硼素単独では重合触媒として有効でな(、両者を
組み合わせることが必要である。
In the production method of the present invention, hydrogen fluoride alone or boron trifluoride alone is not effective as a polymerization catalyst (it is necessary to use a combination of both).

弗化水素と三弗化硼素とを共に用いることにより強いプ
ロトン酸を形成し、塩基である縮合多環炭化水素との錯
体を形成する。
By using hydrogen fluoride and boron trifluoride together, a strong protic acid is formed, which forms a complex with a condensed polycyclic hydrocarbon that is a base.

重合反応温度は200〜400℃であり、好ましくは2
50〜320 ’Cである。温度が400℃を超えると
重合が過度に進行するため、得られるメンフェーズピッ
チの軟化点が高くなる。又、200℃より低い温度では
、光学的異方性相を100%含有したメンフェーズピッ
チが得られない。
The polymerization reaction temperature is 200 to 400°C, preferably 2
50-320'C. If the temperature exceeds 400°C, polymerization will proceed excessively and the softening point of the resulting menphase pitch will become high. Furthermore, at temperatures lower than 200° C., menphasic pitch containing 100% of the optically anisotropic phase cannot be obtained.

重合に要する時間は、原料の種類、重合反応温度及び触
媒量によって変化するが、通常5〜300分であり、好
ましくは30〜240分である。
The time required for polymerization varies depending on the type of raw materials, polymerization reaction temperature, and amount of catalyst, but is usually 5 to 300 minutes, preferably 30 to 240 minutes.

又、重合反応の圧力は、5〜100気圧、好ましくは2
0〜50気圧である。
Moreover, the pressure of the polymerization reaction is 5 to 100 atmospheres, preferably 2
The pressure is 0 to 50 atmospheres.

重合反応は、撹拌機を備えた耐蝕性の反応器中に原料及
び触媒を供給し、撹拌混合下で行う。反応操作は、回分
操作でも連続操作でも良い。
The polymerization reaction is carried out by supplying raw materials and a catalyst into a corrosion-resistant reactor equipped with a stirrer and stirring the mixture. The reaction operation may be a batch operation or a continuous operation.

原料の縮合多環炭化水素(A r )は、触媒と混合す
ることにより錯体を形成し、速やかに重合し、重合物の
画体を形成する。
The condensed polycyclic hydrocarbon (A r ) as a raw material forms a complex by mixing with a catalyst, rapidly polymerizes, and forms a polymer body.

HF + BF3 + (Ar)、  −’ !+責A
r)nBF4−   (1)この重合物の錯体は式(1
)に示される平衡関係を保っているので、揮発成分であ
るHF、BF3は、重合終了後その温度で留去され、触
媒として回収される。このときに若干の重合油が回収さ
れると同時に重合ピッチを分離することができる。
HF + BF3 + (Ar), -'! + Responsibility A
r) nBF4- (1) The complex of this polymer has the formula (1
), the volatile components HF and BF3 are distilled off at that temperature after the completion of polymerization and recovered as a catalyst. At this time, some polymerized oil is recovered and at the same time, polymerized pitch can be separated.

触媒のピッチからの分離回収は、具体的に以下の方法で
実施できる。
The separation and recovery of the catalyst from the pitch can be carried out specifically by the following method.

回分的に触媒を分離する方法としては、重合反応終了後
、温度をそのまま保ち、適当な圧力下でHF、BP、を
気相として反応器から抜き出し、重合体は溶融ピッチと
して回収する。このための過熱方法は外部よりジャケッ
ト等を通して間接加熱するか、触媒に対して比較的不活
性な助剤、例えばベンゼン、トルエン、ハロゲン化炭化
水素の加熱蒸気を反応器内に供給して直接加熱しても良
い。
As a method for separating the catalyst in batches, after the completion of the polymerization reaction, the temperature is maintained as it is, HF and BP are extracted from the reactor as a gas phase under an appropriate pressure, and the polymer is recovered as molten pitch. The heating method for this is either indirect heating from the outside through a jacket, etc., or direct heating by supplying heated steam of a relatively inert auxiliary agent such as benzene, toluene, or halogenated hydrocarbon into the reactor. You may do so.

又、連続的に触媒を分離する方法としては、蒸留塔を用
い、前述の不活性な助剤中に重合反応液を連続的に供給
し、塔頂から気化したHF、B F aを抜き出し、塔
底からピッチを助剤溶液として回収する。
In addition, as a method for continuously separating the catalyst, a distillation column is used, the polymerization reaction liquid is continuously fed into the above-mentioned inert auxiliary agent, and vaporized HF and BFa are extracted from the top of the column. Pitch is recovered from the bottom of the column as an auxiliary solution.

いずれの方法においても、触媒を回収するのに必要な温
度は重合温度と同じであり、回収時の圧力は0〜30気
圧、好ましくは1〜5気圧である。
In either method, the temperature required to recover the catalyst is the same as the polymerization temperature, and the pressure during recovery is 0 to 30 atm, preferably 1 to 5 atm.

このようにして得られた重合ピッチは、実質的に、HF
、BF3を含まない、光学的異方性相が50〜100%
とされるメソフェーズピッチである。
The polymerized pitch thus obtained is substantially HF
, does not contain BF3, optically anisotropic phase is 50-100%
This is the mesophase pitch.

又、該メソフェーズピッチは、分析の結果、分子構造上
の特徴として側鎖アルキル基、ナフテン環等を多く含ん
でいることが分かった。
Further, as a result of analysis, it was found that the mesophase pitch contains many side chain alkyl groups, naphthene rings, etc. as molecular structural characteristics.

通常、側鎖アルキル炭素含有量が3〜11%、ナフテン
炭素含有量が7〜15%であった。
Typically, the side chain alkyl carbon content was 3-11% and the naphthenic carbon content was 7-15%.

・第2段階(溶剤抽出) 上記第1段階にて得られたメソフェーズピッチ中には、
重合反応の過程で生成した高分子量成分、即ち、分子量
が数千以上とされる成分が含まれている。この高分子量
成分は軟化点及び粘度を高くするものであり、除去する
必要がある。
・Second stage (solvent extraction) In the mesophase pitch obtained in the first stage,
It contains high molecular weight components produced during the polymerization reaction, that is, components with a molecular weight of several thousand or more. This high molecular weight component increases the softening point and viscosity and needs to be removed.

本発明者らは、このような高分子量成分は、溶溶解度パ
ラメータ10.0以上の芳香族炭化水素又は含窒素六員
複素環化合物、及びそれらを主成分とする混合物からな
る有機溶剤、好ましくは1O12〜11.2の有機溶剤
を使用し、該有機溶剤に不溶な部分を除去することによ
り極めて効率よく除去し得ることを見出した。
The present inventors believe that such a high molecular weight component is an organic solvent, preferably an aromatic hydrocarbon or a nitrogen-containing six-membered heterocyclic compound having a solubility parameter of 10.0 or more, and a mixture containing these as main components. It has been found that removal can be achieved extremely efficiently by using an organic solvent of 1O12 to 11.2% and removing the portion insoluble in the organic solvent.

更に説明すれば、溶解度パラメータが10.0未満の有
機溶剤、例えば溶解度パラメータが9.1であるベンゼ
ンなどを使用した場合には、ベンゼン可溶成分中に含ま
れる光学的異方性相の量が極端に低下し、場合によって
は零となり、後で説明する第3段階での遠心分離などの
比重差分離操作によっても光学的異方性相を含有したピ
ッチを得ることができない。
To explain further, when using an organic solvent with a solubility parameter of less than 10.0, such as benzene with a solubility parameter of 9.1, the amount of optically anisotropic phase contained in the benzene-soluble component is extremely reduced, and in some cases becomes zero, and pitch containing an optically anisotropic phase cannot be obtained even by specific gravity separation operation such as centrifugation in the third stage, which will be explained later.

又、溶解度パラメータ10.0以上の有機溶剤でも例え
ばブタノール(溶解度パラメータ11゜4)やヘキサノ
ール(溶解度パラメータ10゜6)のように極性基を持
つ溶剤はピッチとの相溶性が低く、本発明で用いる溶剤
としては適さない。
In addition, even if organic solvents have a solubility parameter of 10.0 or more, solvents with polar groups such as butanol (solubility parameter 11°4) and hexanol (solubility parameter 10°6) have low compatibility with pitch, and therefore cannot be used in the present invention. Not suitable as a solvent.

本発明にて好適に使用し得る有機溶剤とじては、例えば
キノリン(溶解度パラメータ10゜7)、ピリジン(溶
解度パラメータ10.6)が挙げられる。
Examples of organic solvents that can be suitably used in the present invention include quinoline (solubility parameter: 10°7) and pyridine (solubility parameter: 10.6).

又、溶剤抽出処理に際して有機溶剤は単独で用いても良
く、又複数種を混合して用いても良い。
Furthermore, in the solvent extraction process, the organic solvent may be used alone or in combination.

更に、このような溶剤抽出処理の条件は、溶剤対ピッチ
比(容量)が1〜5:1、温度50〜200℃、圧力は
大気圧から5.0Kg/cm2 ・Gの範囲とされる。
Further, the conditions for such a solvent extraction treatment are such that the solvent to pitch ratio (volume) is 1 to 5:1, the temperature is 50 to 200 DEG C., and the pressure is in the range from atmospheric pressure to 5.0 Kg/cm2.G.

この溶剤抽出処理により、上記第1段階の重合反応の過
糊で生成した数千以上の分子量を有した高分子量成分が
除去される。
This solvent extraction process removes high molecular weight components having a molecular weight of several thousand or more, which were generated during the oversizing of the first stage polymerization reaction.

・第3段階(比重差分離) 上記第2段階による溶剤抽出処理により溶剤不溶分が除
去され、それによって、メソフェーズピッチ中の光学的
異方性相の割合が低下する。本発明者らの研究実験の結
果によると、例えば、第1段階で得られたメソフェーズ
ピッチ中に光学的異方性相が100%含有されていたと
すると、第2段階における溶剤抽出処理によりメソフェ
ーズピツナ中の光学的異方性相の含有量は60%にまで
低下する。これは高分子量成分にて構成されていた光学
的異方性相部分が、高分子量成分を除去することにより
消失するからである。
- Third stage (specific gravity difference separation) The solvent-insoluble matter is removed by the solvent extraction treatment in the second stage, thereby reducing the proportion of the optically anisotropic phase in the mesophase pitch. According to the results of research experiments conducted by the present inventors, for example, if the mesophase pitch obtained in the first step contains 100% optically anisotropic phase, the mesophase pitch obtained in the second step The content of optically anisotropic phase in tuna is reduced to 60%. This is because the optically anisotropic phase portion composed of high molecular weight components disappears by removing the high molecular weight components.

従って、本発明に従えば、このピッチから光学的異方性
相が90%以上含まれたメソフェーズピッチを得るため
に、第三段階で比重差分離を行い、その下層部分を抜き
出す。該下層部分は、光学的異方性相が90%以上含ま
れたメソフェーズピッチである。
Therefore, according to the present invention, in order to obtain mesophase pitch containing 90% or more of the optically anisotropic phase from this pitch, specific gravity separation is performed in the third step to extract the lower layer portion. The lower layer portion is mesophase pitch containing 90% or more of an optically anisotropic phase.

更に説明すると、この比重差分離工程は、単に、第2段
階で得られたピッチ中の光学的異方性相を取り出ずのが
目的であり、この工程中に更に熱分解及び重縮合が進行
し、光学的異方性相が合体、成長するのは回避すべきで
あり、比重差分離処理温度及び処理時間はこの点を考慮
して適当に選択されるべきである。従って、一般に、比
重差分離は、第2段階で得らねだピッチを、不活性雰囲
気下にて、400℃以下、好ましくは170〜350℃
の範囲に保持して行なわれ、下層に密度の大きい光学的
異方性相部分を集積し、上層のより密度の小さな光学的
等方性相部分から比重差により分離し、下層の光学的異
方性相部分のみを取り出す。
To explain further, the purpose of this specific gravity separation step is simply not to take out the optically anisotropic phase in the pitch obtained in the second step, and thermal decomposition and polycondensation are further carried out during this step. The coalescence and growth of the optically anisotropic phase should be avoided, and the specific gravity separation treatment temperature and treatment time should be appropriately selected in consideration of this point. Therefore, in general, the specific gravity separation is carried out at a temperature of 400°C or lower, preferably 170 to 350°C, in an inert atmosphere.
The optically anisotropic phase portion with high density is accumulated in the lower layer, separated from the optically isotropic phase portion with lower density in the upper layer by the difference in specific gravity, and the optically anisotropic phase portion in the lower layer is Extract only the tropic phase part.

特に、加熱時間を短(し比重差分離をより早く、本発明
の目的にかなって効率よく行なうためには、所定温度に
て且つ実質的に静止状態に保持して行なう静置法による
比重差分離より、遠心分離法による比重差分離を採用し
た方が好ましい。
In particular, in order to shorten the heating time (and to perform the specific gravity difference separation more quickly and efficiently in accordance with the purpose of the present invention, specific gravity difference separation by a static method in which the heating time is kept at a predetermined temperature and in a substantially stationary state is preferred). It is more preferable to employ specific gravity separation by centrifugation than separation.

遠心分離法による場合においても、光学的異方性相含有
ピッチを、遠心力の大きさにもよるが、不活性雰囲気下
にてその軟化点以上、一般には400℃以下、好ましく
は170〜350℃の範囲に保持し、密度の大きい光学
的異方性相部分を遠心方向に集積し、密度の小さな光学
的に等方性相部分から比重差により分離し、光学的異方
性相部分のみを取り出す。遠心力の大きさは、効果的に
短時間で行なうために、好ましくは1000G以上、特
に10000〜40000Gの範囲が選択される。尚、
50000G以上は装置面で制約がある。
Even in the case of centrifugation, the optically anisotropic phase-containing pitch is separated in an inert atmosphere above its softening point, generally below 400°C, preferably between 170 and 350°C, depending on the magnitude of the centrifugal force. ℃ range, the optically anisotropic phase portion with higher density is accumulated in the centrifugal direction, separated from the optically isotropic phase portion with lower density by the difference in specific gravity, and only the optically anisotropic phase portion is separated. Take out. The magnitude of the centrifugal force is preferably 1,000 G or more, particularly in the range of 10,000 to 40,000 G, in order to perform the centrifugal force effectively in a short time. still,
There are restrictions in terms of equipment for 50,000G or more.

比重差分離により分離されたメソフェーズピッチは光学
的異方性相を90%以上含有している。
Mesophase pitch separated by specific gravity separation contains 90% or more of an optically anisotropic phase.

本発明の製造方法における第3段階の目的は、上述した
ように第2段階における溶剤抽出処理により、例えば6
0%程度にまで低下したメソフェーズピッチ中の光学的
異方性相の含有量を90%以上にまで増大することにあ
り、そのためには、本発明の比重差分離ではなく、別の
方法として熱重合、触媒重合等も考えられるが、それら
の方法では再度高分子量の成分が生成してしまい、結果
として軟化点、粘度が高くなり好ましくない。上述のよ
うに、本発明では、比重差分離を採用することにより、
重合による高分子量化を避は且つ光学的異方性相含有量
の高いメソフェーズピッチを得ることができる。
The purpose of the third stage in the production method of the present invention is to obtain, for example, 6
The purpose is to increase the content of the optically anisotropic phase in the mesophase pitch, which has decreased to about 0%, to 90% or more. Polymerization, catalytic polymerization, etc. may also be considered, but these methods result in the formation of high molecular weight components again, resulting in an increase in the softening point and viscosity, which is not preferable. As mentioned above, in the present invention, by employing specific gravity difference separation,
It is possible to avoid high molecular weight due to polymerization and obtain mesophase pitch with a high content of optically anisotropic phase.

以上の本発明の製造方法により、軟化点が220℃未満
、好ましくは170〜21.5℃、250℃における粘
度が1000ポイズ以下、好ましくは5〜800ボイズ
、平均分子量が1000以上、好ましくは1000〜1
500である、光学的異方性相を90%以上含有するメ
ソフェーズピッチが得られる。
According to the above production method of the present invention, the softening point is less than 220°C, preferably 170 to 21.5°C, the viscosity at 250°C is 1000 poise or less, preferably 5 to 800 poise, and the average molecular weight is 1000 or more, preferably 1000 poise. ~1
500, a mesophase pitch containing more than 90% of the optically anisotropic phase is obtained.

このようにして得られた本発明に係るメンフェーズピッ
チは、そのまま成形用炭素材料として好適に使用するこ
ともできるし、更には、当業者には周知の方法にて、紡
糸してピッチ繊維となし、次いで焼成処理することによ
り炭素繊維(炭素化繊維或は黒鉛化繊維)とすることが
できる。
The thus obtained menphase pitch according to the present invention can be suitably used as a carbon material for molding as it is, or can be spun into pitch fibers by a method well known to those skilled in the art. Carbon fibers (carbonized fibers or graphitized fibers) can be obtained by performing a firing treatment.

炭素繊維の製造方法について簡単に説明すると、先ず、
本発明にて得られたメソフェーズピッチは、加熱溶融し
て紡糸し、ピッチ繊維が製造される。紡糸に際して、本
発明のメソフェーズピッチを使用した場合には、200
〜290℃にて、通常250℃以下の低い紡糸温度にて
紡糸を行なうことができる。
To briefly explain the manufacturing method of carbon fiber, first,
The mesophase pitch obtained in the present invention is heated, melted, and spun to produce pitch fibers. When the mesophase pitch of the present invention is used during spinning, 200
Spinning can be carried out at a low spinning temperature of ~290°C, usually 250°C or less.

このピッチ繊維は、不融化炉にて酸化性ガス雰囲気下に
て、一般に温度150〜500″Cで加熱して不融化さ
れる。酸化性ガスとしては、空気、酸素、空気と酸素、
又は窒素混合ガスなどを使用することができ、場合によ
ってはハロゲン、No、、オゾンなどの酸化剤を含んだ
ガスが使用される。又、加熱処理は、温度150〜50
0℃の範囲内で、一定温度にて行なうか、又は連続的或
は段階的に昇温することによって行なうことができる。
The pitch fibers are infusible by heating in an oxidizing gas atmosphere in an infusibilizing furnace, generally at a temperature of 150 to 500"C. Examples of oxidizing gases include air, oxygen, air and oxygen,
Alternatively, a nitrogen mixed gas or the like can be used, and in some cases, a gas containing an oxidizing agent such as halogen, NO, or ozone is used. In addition, the heat treatment is performed at a temperature of 150 to 50
It can be carried out at a constant temperature within the range of 0°C or by increasing the temperature continuously or stepwise.

この不融化繊維は、窒素ガス或はアルゴンガスなどの不
活性ガス雰囲気下にて、3200℃以下の温度まで昇温
することにより炭素化或は黒鉛化して炭素繊維(炭素化
繊維或は黒鉛化繊維)が得られる。
This infusible fiber is carbonized or graphitized by heating it to a temperature of 3200°C or less in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or argon gas, resulting in carbon fiber (carbonized fiber or graphitized fiber). Fiber) is obtained.

このようにして得られた炭素繊維は、引張強度が2.5
GPa以上、引張弾性率が250GPa以上の高強度、
高弾性率の炭素繊維とされ、特に高い弾性率を示す点に
特徴を有している。
The carbon fiber thus obtained has a tensile strength of 2.5
High strength of GPa or more, tensile modulus of 250GPa or more,
It is a carbon fiber with a high elastic modulus, and is characterized by a particularly high elastic modulus.

次に、本発明を実施例について説明する。Next, the present invention will be explained with reference to examples.

夾」1例」2 ナフタレン、弗化水素、三弗化硼素をモル比で1 :0
.45:0.14の割合で混合し、43II。
Examples 1 and 2 Naphthalene, hydrogen fluoride, and boron trifluoride in a molar ratio of 1:0
.. Mixed at a ratio of 45:0.14, 43II.

の耐蝕性反応槽中反応圧25 K g f / c r
dで、260℃、3時間反応させた。反応後窒素ガスを
吹き込みながら軽質分を除去し光学的異方性相含有量1
00%のピッチAを76重量%の収率で得た。
Reaction pressure in a corrosion-resistant reactor of 25 K g f/cr
The reaction was carried out at 260° C. for 3 hours. After the reaction, light components are removed while blowing nitrogen gas to reduce the optically anisotropic phase content to 1.
00% pitch A was obtained with a yield of 76% by weight.

このピッチAを、80℃のキノリン(溶解度パラメータ
10.7)に30分溶解させ、4000G、20分の条
件で不溶分を遠心分離除去後、その可溶成分からキノリ
ンを除去することにより、光学的異方性相の含有量が6
0%のピッチBを得た。
This pitch A was dissolved in quinoline (solubility parameter 10.7) at 80°C for 30 minutes, the insoluble components were removed by centrifugation at 4000 G for 20 minutes, and the quinoline was removed from the soluble components. The content of anisotropic phase is 6
A pitch B of 0% was obtained.

次いで、このピッチBを320℃、窒素気流下、100
OOGで30分遠心分離を行い、光学的等方性相を含ま
ないピッチCを60重量%の収率で得た。ピッチCは光
学的異方性相含有量が100%、軟化点が213℃、2
50℃における粘度が662ポイズ、平均分子量が10
60であった◎ このようにして得られたピッチCを内径0.3mmのノ
ズルを有する紡糸機に充填し、紡糸温度248℃、巻き
取り速度500m/minの条件で連続して1時間紡糸
を行ったが、途中糸切れもなく、外径12.5μmの一
定した直径を有するピッチ繊維を連続的に安定して紡糸
することができた。
Next, this pitch B was heated at 320°C under a nitrogen stream for 100
Centrifugation was performed for 30 minutes in OOG, and pitch C containing no optically isotropic phase was obtained with a yield of 60% by weight. Pitch C has an optically anisotropic phase content of 100% and a softening point of 213°C, 2
Viscosity at 50°C is 662 poise, average molecular weight is 10
◎ The pitch C obtained in this way was filled into a spinning machine having a nozzle with an inner diameter of 0.3 mm, and spinning was continued for 1 hour at a spinning temperature of 248°C and a winding speed of 500 m/min. However, pitch fibers having a constant outer diameter of 12.5 μm could be continuously and stably spun without yarn breakage.

得られたピッチ繊維を酸化性ダス雰囲気下で220℃、
30分酸化不融化し、更に不活性ガス雰囲気下に250
0℃で黒鉛化することにより黒鉛化繊維を得た。この単
繊維の引張物性は、繊維径がl1μm、強度が3.0G
Pa、弾性率が840GPaであった。
The obtained pitch fibers were heated at 220°C in an oxidizing dust atmosphere.
Oxidized for 30 minutes and further heated for 250 minutes under an inert gas atmosphere.
Graphitized fibers were obtained by graphitizing at 0°C. The tensile properties of this single fiber are as follows: fiber diameter is l1μm, strength is 3.0G
Pa and elastic modulus were 840 GPa.

犬」1」l メチルナフタレン、弗化水素、三弗化硼素をモル比で1
 :0.45:0.15の割合で混合し、18βの耐蝕
性反応槽中反応圧25 K g f / c rdで、
260℃、3時間反応させた。反応後窒素ガスを吹き込
みながら軽質分を除去し光学的異方性相含有量100%
のピッチDを75重量%の収率で得た。
1 liter of methylnaphthalene, hydrogen fluoride, and boron trifluoride in a molar ratio of 1
:0.45:0.15 in a corrosion-resistant reaction tank of 18β at a reaction pressure of 25 K g f / cr rd.
The reaction was carried out at 260°C for 3 hours. After the reaction, remove light components while blowing nitrogen gas to achieve optically anisotropic phase content of 100%.
Pitch D was obtained in a yield of 75% by weight.

このピッチDを実施例1と同条件でキノリンネ溶分を除
去することにより、光学的異方性相の含有量が60%の
ピッチEを得た。
By removing the quinoline dissolved content from this pitch D under the same conditions as in Example 1, a pitch E having an optically anisotropic phase content of 60% was obtained.

次いで、ピッチEを実施例1と同条件で遠心分離を行い
、光学的等方性相を含まないピッチFを60重量%の収
率で得た。ピッチFは光学的異方性相含有量が100%
、軟化点が208℃、250℃における粘度が208ポ
イズ、平均分子量が1030であった。
Next, pitch E was centrifuged under the same conditions as in Example 1 to obtain pitch F containing no optically isotropic phase at a yield of 60% by weight. Pitch F has an optically anisotropic phase content of 100%
The softening point was 208°C, the viscosity at 250°C was 208 poise, and the average molecular weight was 1030.

次に、このようにして得られたピッチFを実施例1と同
様の紡糸機にて紡糸温度233℃、巻き取り速度500
 m / m i nの条件で連続して1時間紡糸を行
ったが、途中糸切れもなく、外径12umの一定した直
径を有するピッチ繊維を連続的に安定して紡糸すること
ができた。
Next, the pitch F thus obtained was spun using the same spinning machine as in Example 1 at a spinning temperature of 233°C and a winding speed of 500°C.
Spinning was performed continuously for 1 hour under the conditions of m/min, but pitch fibers having a constant outer diameter of 12 um could be continuously and stably spun without any yarn breakage.

得られたピッチ繊維を実施例1と同条件で不融化、焼成
を行い黒鉛化繊維を得た。この単繊維の引張物性は、繊
維径が9.9μm、強度が3.7GPa、弾性率740
’GPaであった。
The obtained pitch fibers were rendered infusible and fired under the same conditions as in Example 1 to obtain graphitized fibers. The tensile properties of this single fiber include a fiber diameter of 9.9 μm, a strength of 3.7 GPa, and an elastic modulus of 740.
'GPa.

1胤■ユ アントラセン、弗化水素、三弗化硼素をモル比で1 :
0.45:0.14の割合で混合し、184の耐蝕性反
応槽中反応圧25 K g f / c rrrで26
5℃14時間反応させた。反応後窒素ガスを吹き込みな
がら軽質分を除去し光学的異方性相含有量100%のピ
ッチGを78重量%の収率で得た。
1 seed■ Yuanthracene, hydrogen fluoride, and boron trifluoride in a molar ratio of 1:
Mixed in the ratio of 0.45:0.14 and reacted at a reaction pressure of 25 K g f/c rrr in a corrosion-resistant reactor of 184 26
The reaction was carried out at 5°C for 14 hours. After the reaction, light components were removed while blowing nitrogen gas, and pitch G having an optically anisotropic phase content of 100% was obtained at a yield of 78% by weight.

ピッチGから、ベンゼン10%、キノリン90%の混合
溶剤を使用して不溶分を除去し、光学的異方性相の含有
量が60%のピッチHを得た。
Insoluble matter was removed from pitch G using a mixed solvent of 10% benzene and 90% quinoline to obtain pitch H having an optically anisotropic phase content of 60%.

更にピッチHを320℃、窒素気流化、10000Gで
15分遠心分離を行い、光学的異方性相を98%含有す
るピッチ■を60重量%の収率で得た。ピッチ■は軟化
点が214℃1250℃における粘度が550ポイズ、
平均分子量が1240であった。
Furthermore, Pitch H was centrifuged at 320° C. under a nitrogen stream and at 10,000 G for 15 minutes to obtain Pitch II containing 98% of the optically anisotropic phase at a yield of 60% by weight. Pitch ■ has a softening point of 214°C and a viscosity of 550 poise at 1250°C.
The average molecular weight was 1240.

このようにして得られたピッチ■を実施例1と同様の紡
糸機にて紡糸温度245℃、巻き取り速度500 m 
/ m i nの条件で連続して1時間紡糸を行ったが
、途中糸切れもなく、外径12μmの一定した直径を有
するピッチ繊維を連続的に安定して紡糸することができ
た。
The pitch ■ thus obtained was spun using the same spinning machine as in Example 1 at a spinning temperature of 245°C and a winding speed of 500 m.
Spinning was carried out continuously for 1 hour under the conditions of /min, but pitch fibers having a constant outer diameter of 12 μm could be continuously and stably spun without any yarn breakage.

得られたピッチ繊維を実施例1と同条件で不融化、焼成
を行い黒鉛化繊維を得た。この単繊維の引張物性は、繊
維径が9.9μm、強度が3.0GPa、弾性率が71
06Paであった。
The obtained pitch fibers were rendered infusible and fired under the same conditions as in Example 1 to obtain graphitized fibers. The tensile properties of this single fiber are as follows: fiber diameter is 9.9 μm, strength is 3.0 GPa, and elastic modulus is 71
It was 0.6Pa.

比」「例」。ratio” and “example”.

実施例1の、光学的異方性相含有量が100%であるピ
ッチAは、軟化点が265℃であり、250℃における
粘度は測定不可能であって、平均分子量は1320であ
った。
Pitch A of Example 1, which had an optically anisotropic phase content of 100%, had a softening point of 265°C, a viscosity at 250°C that was unmeasurable, and an average molecular weight of 1320.

このピッチAは実施例1と同様の紡糸機にて250℃で
は紡糸不可能であった。又、紡糸温度298℃1巻き取
り速度500 m / m i nの条件で紡糸を行っ
たところ、外径12μmのピッチ繊維を得た。
This pitch A could not be spun at 250° C. using the same spinning machine as in Example 1. Further, when spinning was carried out under the conditions of a spinning temperature of 298° C. and a winding speed of 500 m/min, pitch fibers with an outer diameter of 12 μm were obtained.

得られたピッチ繊維を酸化性ガス雰囲気下にて230″
C160分酸化不融化し、更に不活性ガス雰囲気下25
00 ’Cで黒鉛化することにより、黒鉛化繊維を得た
。この単繊維の引張物性は、繊維径9.7gm、強度3
.2GPa、弾性率680GPaであった。この繊維は
、本発明で得た実施例1の黒鉛化繊維より弾性率の点で
も劣っていることが分かる。
The obtained pitch fiber was heated to 230" in an oxidizing gas atmosphere.
C160 minutes to oxidize and infusible, further under an inert gas atmosphere for 25 minutes
Graphitized fibers were obtained by graphitizing at 00'C. The tensile properties of this single fiber are as follows: fiber diameter: 9.7 gm, strength: 3
.. 2 GPa, and the elastic modulus was 680 GPa. It can be seen that this fiber is inferior to the graphitized fiber of Example 1 obtained by the present invention in terms of elastic modulus.

ル較里ス 実施例1のピッチAを溶解度パラメータ9.1のベンゼ
ンで120℃、20時間抽出しベンゼン可溶成分を38
重量%の収率で得た。この可溶成分からベンゼンを減圧
乾燥により除去しベンゼン可溶のピッチLを得た。この
ピッチLは光学的異方性相を含有しておらず、遠心分離
の操作によっても光学的異方性相を含有したピッチを得
ることができなかった。
Pitch A from Example 1 was extracted at 120°C for 20 hours with benzene with a solubility parameter of 9.1, and the benzene-soluble components were extracted with 38%
A yield of % by weight was obtained. Benzene was removed from this soluble component by drying under reduced pressure to obtain benzene-soluble pitch L. This pitch L did not contain an optically anisotropic phase, and pitch containing an optically anisotropic phase could not be obtained even by centrifugation.

比I口粗且 実施例1のピッチBは、光学的異方性相含有量が60%
であるが、軟化点は214℃、250℃における粘度は
336ボイズ、平均分子量は850であった。
Pitch B of Example 1 with a ratio I mouth coarseness has an optically anisotropic phase content of 60%.
However, the softening point was 214°C, the viscosity at 250°C was 336 voids, and the average molecular weight was 850.

このピッチBを実施例1と同様の紡糸機にて紡糸を試み
たが、圧力変動が激しく紡糸困難であった。
An attempt was made to spin this pitch B using the same spinning machine as in Example 1, but the pressure fluctuations were severe and spinning was difficult.

ルjロ肌A 石油の接触分解工程で副生する重質残渣油20Kgを3
5βの反応槽に張り込み、窒素雰囲気下で充分撹拌しな
から415℃14時間熱分解重縮合を行い光学的異方性
相を25%含有するピッチJを得た。
Rujrohada A 20 kg of heavy residual oil produced as a by-product in the catalytic cracking process of petroleum is
Pitch J containing 25% of an optically anisotropic phase was obtained by filling a 5β reaction tank and carrying out thermal decomposition polycondensation at 415° C. for 14 hours with sufficient stirring under a nitrogen atmosphere.

次に、このピッチJを350℃1窒素気流下で1000
0Gで遠心分離を行い、光学的異方性相含有量100%
のピッチKを25重量%の収率で得た。このピッチには
軟化点が272℃、250℃における粘度は測定不可能
であり、又、平均分子量は1430であった。
Next, this pitch J was adjusted to 1000°C at 350°C under one nitrogen stream.
Centrifugation was performed at 0 G, and the optically anisotropic phase content was 100%.
Pitch K was obtained in a yield of 25% by weight. This pitch had a softening point of 272°C, a viscosity at 250°C which could not be measured, and an average molecular weight of 1430.

次に、このピッチには実施例1と同様の紡糸機にて25
0℃では紡糸不可能であった。又、紡糸温度305℃、
巻き取り速度500 m / m i nの条件で紡糸
を行い外径12μmのピッチ繊維を得、更に比較例1と
同条件で不融化、焼成を行い黒鉛化繊維を得た。この単
繊維の引っ張り物性は繊維径9.7μm、強度3.4G
Pa、弾性率520GPaであった。この繊維は、本発
明で得た実施例1の黒鉛化繊維と同程度の強度を有して
いるが、弾性率の点では実施例1の黒鉛化繊維より大巾
に劣っていることが分かる。
Next, this pitch was made using the same spinning machine as in Example 1.
Spinning was impossible at 0°C. In addition, the spinning temperature is 305°C,
Spinning was performed at a winding speed of 500 m/min to obtain pitch fibers with an outer diameter of 12 μm, and further infusible and fired under the same conditions as in Comparative Example 1 to obtain graphitized fibers. The tensile properties of this single fiber are fiber diameter 9.7μm and strength 3.4G.
Pa, and the elastic modulus was 520 GPa. It can be seen that this fiber has a strength comparable to that of the graphitized fiber of Example 1 obtained by the present invention, but is significantly inferior to the graphitized fiber of Example 1 in terms of elastic modulus. .

1肚立突1 以上の如くに構成される本発明の超低軟化点、低粘度の
メソフェーズピッチは、低い温度での紡糸及び成形が可
能で、炭素繊維、その他の炭素材料を低コストで、しか
も、安定して生産することが可能となった。更に、本発
明のメソフェーズピッチを使用すれば、高強度、高弾性
率の、特に弾性率の高い炭素繊維を製造し得るという特
長を有する。
1. The ultra-low softening point, low viscosity mesophase pitch of the present invention constructed as described above can be spun and molded at low temperatures, and can be used to produce carbon fibers and other carbon materials at low cost. Moreover, stable production has become possible. Furthermore, by using the mesophase pitch of the present invention, carbon fibers having high strength and high elastic modulus, particularly high elastic modulus, can be produced.

又、本発明によると、弗化水素・三弗化硼素の存在下に
ナフタレンなどの縮合多環炭化水素又はこれを含有する
物質を重合させて、その後、溶剤抽出、比重差分離によ
り、高強度、高弾性率の、特に弾性率の高い炭素繊維、
或は高強度、高密度の成形用炭素材料を製造するのに好
適に使用することのできる光学的異方性相を90%以上
含有する前記超低軟化点、低粘度のメソフェーズピッチ
を極めて効率よく製造することができる。
Further, according to the present invention, a condensed polycyclic hydrocarbon such as naphthalene or a substance containing the same is polymerized in the presence of hydrogen fluoride and boron trifluoride, and then high strength is obtained by solvent extraction and specific gravity separation. , high modulus carbon fiber, especially high modulus carbon fiber,
Alternatively, the ultra-low softening point, low-viscosity mesophase pitch containing 90% or more of an optically anisotropic phase, which can be suitably used to produce a high-strength, high-density carbon material for molding, is highly efficient. Can be manufactured well.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)縮合多環炭化水素又はこれを含有する物質から得ら
れ、軟化点が220℃未満、250℃における粘度が1
000ポイズ以下、平均分子量が1000以上で光学的
異方性相を90%以上含有することを特徴とする超低軟
化点、低粘度のメソフェーズピッチ。 2)弗化水素・三弗化硼素の存在下、縮合多環炭化水素
又はこれを含有する物質を重合させて光学的異方性相を
含有するピッチを製造し、このピッチから溶解度パラメ
ータ10.0以上の芳香族炭化水素又は含窒素六員複素
環化合物、及びそれらを主成分とする混合物からなる有
機溶剤に不溶な部分を除去した後、比重差分離により下
層部分として得ることを特徴とする請求項1記載の超低
軟化点、低粘度のメソフェーズピッチの製造方法。 3)請求項1記載のメソフェーズピッチを200〜29
0℃の温度で紡糸してピッチ繊維とし、これを酸化性ガ
ス雰囲気下にて150〜500℃で不融化し、更に不活
性ガス雰囲気下にて3200℃以下の温度まで昇温し炭
素化或は黒鉛化することを特徴とする高強度、高弾性率
炭素繊維の製造方法。
[Claims] 1) Obtained from a condensed polycyclic hydrocarbon or a substance containing the same, with a softening point of less than 220°C and a viscosity of 1 at 250°C
1,000 poise or less, an average molecular weight of 1,000 or more, and an ultra-low softening point, low viscosity mesophase pitch characterized by containing 90% or more of an optically anisotropic phase. 2) In the presence of hydrogen fluoride and boron trifluoride, a condensed polycyclic hydrocarbon or a substance containing it is polymerized to produce pitch containing an optically anisotropic phase, and from this pitch a solubility parameter of 10. It is characterized in that it is obtained as a lower layer portion by gravity separation after removing the organic solvent-insoluble portion consisting of zero or more aromatic hydrocarbons or nitrogen-containing six-membered heterocyclic compounds, and mixtures containing these as main components. A method for producing an ultra-low softening point, low viscosity mesophase pitch according to claim 1. 3) The mesophase pitch according to claim 1 is 200 to 29
Pitch fibers are spun at a temperature of 0°C, infusible at 150 to 500°C in an oxidizing gas atmosphere, and then carbonized by raising the temperature to 3200°C or less in an inert gas atmosphere. is a method for producing high-strength, high-modulus carbon fiber characterized by graphitization.
JP2279403A 1990-10-19 1990-10-19 Ultra-low softening point, low viscosity mesophase pitch, method for producing the same, and method for producing high-strength, high-modulus carbon fiber Expired - Fee Related JP3016089B2 (en)

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