JPH04316612A - Production of graphite fiber - Google Patents

Production of graphite fiber

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JPH04316612A
JPH04316612A JP3108845A JP10884591A JPH04316612A JP H04316612 A JPH04316612 A JP H04316612A JP 3108845 A JP3108845 A JP 3108845A JP 10884591 A JP10884591 A JP 10884591A JP H04316612 A JPH04316612 A JP H04316612A
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JP
Japan
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pitch
spinning
fibers
fiber
melt
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Application number
JP3108845A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Kojima
孝 小島
Ko Moto
耕 毛戸
Takahiro Kojima
隆宏 小島
Koichi Sugano
公一 菅野
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Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Original Assignee
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To produce the subject pitch-based graphite fiber excellent in tensile strength and tensile modulus with industrial advantage. CONSTITUTION:In production of a carbon fiber by using, as the raw material, a mesophase pitch obtained by polymerization of a condensed polycyclic hydrocarbon or a material containing it in the presence of hydrogen fluoride and boron trifluoride, melt spinning it and then carrying out infusibilization and carbonization, the melt spinning is carried out in a draft ratio (Ve/Vo) within a specified range (shadowed portion in fig. 1) and the graphitization is carried out at >=1800 deg.C.

Description

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

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は高性能黒鉛繊維の製造法
に関する。さらに詳しくは、優れた引張強度および引張
弾性率を有するピッチ系黒鉛繊維の製造法に関する。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates to a method for producing high performance graphite fibers. More specifically, the present invention relates to a method for producing pitch-based graphite fibers having excellent tensile strength and tensile modulus.

【0002】0002

【従来の技術】高性能の炭素繊維は、一般に工業的にP
AN(ポリアクリロニトリル)を原料として製造されて
いる。しかしPAN系炭素繊維は難黒鉛化性であり、引
張弾性率が50tf/mm2を超えるような高弾性黒鉛
繊維を得ることは本質的に極めて困難であるという欠点
がある。近年ピッチを原料にした場合にも、PAN系の
ものを遙かに凌ぐ高弾性率を有する黒鉛繊維を比較的容
易に製造し得ることが見いだされ注目されている。
[Prior Art] High-performance carbon fibers are generally manufactured industrially using P.
Manufactured using AN (polyacrylonitrile) as a raw material. However, PAN-based carbon fibers are difficult to graphitize, and have the disadvantage that it is essentially extremely difficult to obtain highly elastic graphite fibers with a tensile modulus exceeding 50 tf/mm2. In recent years, it has been discovered that even when pitch is used as a raw material, it is possible to relatively easily produce graphite fibers with a high modulus of elasticity that far exceeds that of PAN-based fibers, and this has attracted attention.

【0003】上記ピッチ系高性能黒鉛繊維の原料となる
紡糸用ピッチの調製法としては、特公昭59−3019
2号、特開昭54−160427号、特開昭57−11
9984号、特開昭58−18421号に記述された方
法などが知られているが、いずれの方法も煩雑なプロセ
スを経るために、得られるピッチが極めて高価になるの
みならず品質が安定しないという問題がある。
[0003] A method for preparing pitch for spinning, which is a raw material for the pitch-based high-performance graphite fiber, is disclosed in Japanese Patent Publication No. 59-3019.
No. 2, JP-A-54-160427, JP-A-57-11
Methods such as those described in No. 9984 and Japanese Patent Application Laid-open No. 58-18421 are known, but since each method involves a complicated process, the pitch obtained is not only extremely expensive but also of unstable quality. There is a problem.

【0004】またナフタレンを塩化アルミニウムの存在
下重合することにより炭素繊維原料ピッチを調製する方
法も知られている(特開昭61−83317号、特開昭
61−83318号、特開昭61−83319号)。し
かしこれらの塩化アルミニウム触媒を用いる方法は、重
合して得られたピッチ中から塩化アルミニウム触媒を特
別な操作で除去することが必要であると共に、微量の塩
化アルミニウムまたはその誘導体が炭素繊維中に残存し
、炭素繊維の強度などの物性を著しく劣化させるという
問題がある。
[0004] A method of preparing carbon fiber raw material pitch by polymerizing naphthalene in the presence of aluminum chloride is also known (JP-A-61-83317, JP-A-61-83318, JP-A-61-61). No. 83319). However, these methods using aluminum chloride catalysts require a special operation to remove the aluminum chloride catalyst from the pitch obtained by polymerization, and a trace amount of aluminum chloride or its derivatives remains in the carbon fiber. However, there is a problem in that physical properties such as strength of carbon fibers are significantly deteriorated.

【0005】このような問題点を解決するためにナフタ
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、ピレン等の縮合多環炭化水素またはこ
れを含有する物質を、フッ化水素、三フッ化ホウ素の存
在下重合すると、■メソフェーズ含有量が高く、■紡糸
時の熱安定性が高く、■不融化性が高く、■炭化収率が
高いことを特徴とする、高性能炭素繊維の原料として好
適なメソフェーズピッチを安価に安定して調製できるこ
とが報告されている(特開昭63−146920号、 
特開平1−139621号、 特開平1−254796
号)。
In order to solve these problems, naphthalene, anthracene, phenanthrene, acenaphthene,
When fused polycyclic hydrocarbons such as acenaphthylene and pyrene or substances containing them are polymerized in the presence of hydrogen fluoride and boron trifluoride, ■ high mesophase content, ■ high thermal stability during spinning, and ■ It has been reported that mesophase pitch, which is suitable as a raw material for high-performance carbon fiber and is characterized by high infusibility and high carbonization yield, can be stably prepared at low cost (Japanese Patent Laid-Open No. 146920/1983). ,
JP-A-1-139621, JP-A-1-254796
issue).

【0006】上記のいずれの方法によって得られたピッ
チも、メソフェーズピッチであるかまたは潜在的メソフ
ェーズピッチ、プリメソフェーズピッチ等と呼ばれるピ
ッチであり、ピッチの発達した芳香族平面分子が溶融紡
糸の際に繊維軸に平行な方向に配列する。この配向構造
はその後の酸化性雰囲気流通下で徐々に昇温して表面を
酸化する不融化処理の際にも維持され、さらに不活性雰
囲気中で加熱処理する炭素化黒鉛化処理の際の最高処理
温度に応じて発達するため、配向度の高い高引張弾性率
の黒鉛繊維が得られると考えられている。しかし、この
ピッチ分子の繊維軸方向への配向が過剰になると、黒鉛
繊維製造段階において繊維軸に沿ってクラックが発生し
、またクラックが発生しなくとも繊維内の粒界部に存在
するミクロボイドが巨大化することにより黒鉛繊維が極
めて脆くなるため引張強度が低下してしまい、引張強度
、引張弾性率が共に極めて高いという特性を有する高性
能黒鉛繊維を得ることが困難である。
[0006] The pitch obtained by any of the above methods is a pitch called mesophase pitch, latent mesophase pitch, pre-mesophase pitch, etc., and aromatic planar molecules with developed pitch are formed during melt spinning. Arrange in a direction parallel to the fiber axis. This oriented structure is maintained even during the subsequent infusibility treatment, in which the surface is oxidized by gradually increasing the temperature under an oxidizing atmosphere, and is maintained at the highest level during the carbonization graphitization treatment, which is further heat-treated in an inert atmosphere. It is thought that graphite fibers with a high degree of orientation and high tensile modulus can be obtained because the graphite fibers develop depending on the processing temperature. However, if the orientation of pitch molecules in the fiber axis direction becomes excessive, cracks will occur along the fiber axis during the graphite fiber manufacturing stage, and even if no cracks occur, microvoids existing at the grain boundaries within the fiber will occur. As the graphite fiber becomes larger, it becomes extremely brittle and its tensile strength decreases, making it difficult to obtain a high-performance graphite fiber that has extremely high tensile strength and tensile modulus.

【0007】これに対し、これまでにまず繊維の横断面
内のピッチ分子の配向構造を制御することにより炭素繊
維の物性を改善することが試みられた。すなわち上述の
クラックの発生や繊維の脆化は繊維横断面のマクロ構造
がいわゆるラジアル構造であることに起因するとの考え
から、ラジアル構造を回避するための種々の提案がなさ
れている。例えば特開昭59−76925号、特開昭5
9−168124号、特開昭61−167019号等で
は、紡糸条件、すなわちノズル口金孔内でのピッチの粘
度、ピッチの受ける剪断応力または剪断速度等を適正化
しており、特開昭59−168127号、特開昭60−
104528号等のように紡糸ノズルの形状を特定する
ことにより、ランダム構造ないしオニオン構造の炭素繊
維や黒鉛繊維を得ようとしている。また特開昭61−1
2919号、特開昭61−201021号、特開昭61
−258024号等は、紡糸ノズルの直前に充填材層を
設けるものであり、特開昭61−167022号、特開
昭62−177222号、特開昭63−75119号、
特開昭63−303119号、特開平2−6628号等
では紡糸ノズル上に静的または動的攪拌装置を設置する
ことにより、ランダム構造等の炭素繊維や黒鉛繊維を得
ようとしている。しかしこれらの方法により得られた非
ラジアル構造の黒鉛繊維はラジアル構造のものに比べて
必ずしも引張強度が高いとはいえず、また紡糸時のピッ
チ粘度が極めて低いために紡糸が不安定で糸切れが生じ
易かったり、ノズルの構造が複雑なためにノズルの製作
、保守点検が容易でないなどの理由で工業的な生産の際
に不利であるという問題点を有する。
In response, attempts have been made to improve the physical properties of carbon fibers by first controlling the orientation structure of pitch molecules within the cross section of the fibers. That is, based on the idea that the above-mentioned occurrence of cracks and embrittlement of fibers are caused by the macrostructure of the fiber cross section being a so-called radial structure, various proposals have been made to avoid the radial structure. For example, JP-A No. 59-76925, JP-A No. 5
9-168124, JP-A No. 61-167019, etc., the spinning conditions, i.e., the viscosity of the pitch in the nozzle mouth hole, the shear stress or shear rate that the pitch receives, etc., are optimized, and JP-A-59-168127 No., Japanese Patent Application Publication No. 1986-
By specifying the shape of the spinning nozzle, as in No. 104528, it is attempted to obtain carbon fibers or graphite fibers with a random structure or an onion structure. Also, JP-A-61-1
No. 2919, JP-A-61-201021, JP-A-61
-258024 etc. are those in which a filler layer is provided just before the spinning nozzle, and JP-A-61-167022, JP-A-62-177222, JP-A-63-75119,
JP-A-63-303119, JP-A-2-6628, etc. attempt to obtain carbon fibers or graphite fibers with a random structure by installing a static or dynamic stirring device on a spinning nozzle. However, graphite fibers with a non-radial structure obtained by these methods do not necessarily have higher tensile strength than those with a radial structure, and the pitch viscosity during spinning is extremely low, resulting in unstable spinning and fiber breakage. This method has problems in that it is disadvantageous in industrial production because it is easy to cause problems and the structure of the nozzle is complicated, making it difficult to manufacture and maintain the nozzle.

【0008】また繊維軸に平行な方向へのピッチ分子の
配向度自体を制御してクラック発生や繊維の脆化を防止
し、炭素繊維の高強度化を図る試みもなされている。例
えば特開昭59−53717号、特開平1−28231
7号等ではドラフト比やノズル口金孔内でのピッチの粘
度を適正化することにより配向構造を制御しており、特
開昭62−104926号はピッチのドメイン径に基づ
いてノズル口金孔内でのピッチの粘度を適正化すること
により配向構造を制御している。また特開昭60−27
12号はノズル口金を出てからのピッチの粘度を適正化
することにより配向構造を制御している。しかしこれら
のいずれの方法においても充分満足できるものではなく
、これらの方法に従えば構造制御によるクラック発生の
抑制は可能であるかもしれないが、得られる黒鉛繊維の
引張強度、引張弾性率は必ずしも高い値を示さないとい
う問題点を有する。
Attempts have also been made to increase the strength of carbon fibers by controlling the degree of orientation of pitch molecules in the direction parallel to the fiber axis to prevent cracking and embrittlement of the fibers. For example, JP-A-59-53717, JP-A-1-28231
In No. 7, etc., the orientation structure is controlled by optimizing the draft ratio and the viscosity of the pitch in the nozzle orifice, and in JP-A-62-104926, the orientation structure is controlled by optimizing the draft ratio and the viscosity of the pitch in the nozzle orifice. The alignment structure is controlled by optimizing the viscosity of the pitch. Also, JP-A-60-27
No. 12 controls the orientation structure by optimizing the viscosity of the pitch after it leaves the nozzle mouthpiece. However, none of these methods are fully satisfactory, and although it may be possible to suppress the occurrence of cracks by controlling the structure, the tensile strength and tensile modulus of the graphite fibers obtained may not necessarily be the same. The problem is that it does not show a high value.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】以上の如くピッチ系炭
素繊維について種々の改良が行われているが、その性能
は未だ十分でない。しかも上記の公知の方法では、高引
張弾性率を有するが引張強度が400kgf/mm2 
以下にとどまるものが殆どであり、引張弾性率のみなら
ず引張強度も極めて高いという特性を有する高性能黒鉛
繊維を安定して製造することが不可能である。本発明の
目的は、上記ピッチ系黒鉛繊維の従来技術の問題点を解
消し、引張弾性率のみならず引張強度も極めて高いとい
う特性を有する高性能黒鉛繊維を安定して製造する方法
を提供することにある。
Although various improvements have been made to pitch-based carbon fibers as described above, their performance is still not sufficient. Moreover, the above known method has a high tensile modulus but a tensile strength of 400 kgf/mm2.
In most cases, it is not possible to stably produce high-performance graphite fibers having extremely high tensile modulus as well as extremely high tensile strength. An object of the present invention is to provide a method for stably producing high-performance graphite fibers having extremely high tensile modulus as well as extremely high tensile strength, by solving the above-mentioned problems of the conventional pitch-based graphite fibers. There is a particular thing.

【0010】0010

【課題を解決するための手段】本発明者は上記の目的を
達成するために鋭意検討した結果、ピッチを溶融紡糸し
、不融化処理、炭素化黒鉛化処理することにより黒鉛繊
維を製造する方法において、原料ピッチとして縮合多環
炭化水素から得られる特定のメソフェーズピッチを用い
、かつ特定条件下で溶融紡糸と炭素化を行うことにより
、引張弾性率および引張強度が共に極めて高い黒鉛繊維
を安定して製造できることを見い出し、本発明の完成に
至った。
[Means for Solving the Problems] As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventor has devised a method for producing graphite fibers by melt-spinning pitch, subjecting it to infusible treatment and carbonization graphitization treatment. By using a specific mesophase pitch obtained from condensed polycyclic hydrocarbons as the raw material pitch and performing melt spinning and carbonization under specific conditions, we have stabilized graphite fibers with extremely high tensile modulus and tensile strength. The present inventors have discovered that it can be manufactured using the same methods, leading to the completion of the present invention.

【0011】すなわち本発明は、フッ化水素、三フッ化
ホウ素の存在下、縮合多環炭化水素または、これを含有
する物質を重合させて得られたメソフェーズピッチを原
料として、溶融紡糸した後不融化処理、炭素化処理する
ことにより炭素繊維を製造する方法において、溶融紡糸
を下記の(1)式の条件を満足するドラフト比(Ve/
Vo)で行い、黒鉛化処理を1800℃以上の温度で行
うことを特徴とする炭素繊維の製造方法である。
That is, the present invention uses mesophase pitch obtained by polymerizing a condensed polycyclic hydrocarbon or a substance containing the same in the presence of hydrogen fluoride or boron trifluoride as a raw material, melt-spun it, and then produces a nonwoven fabric. In the method of manufacturing carbon fibers by melting treatment and carbonization treatment, melt spinning is carried out at a draft ratio (Ve/
This is a method for producing carbon fiber, characterized in that the graphitization treatment is carried out at a temperature of 1800° C. or higher.

【0012】   0.58(τD/L)−1.54 ≦Ve/Vo≦
  98(τD/L)−0.55   (1)ただし、 τ:溶融ピッチが紡糸ノズルキャピラリー壁面から受け
る剪断応力(kgf/cm2) D:紡糸ノズルキャピラリーの直径(mm)L:紡糸ノ
ズルキャピラリーの長さ(mm)Ve:  巻取速度(
m/min) Vo:  溶融ピッチのキャピラリー内での平均速度(
m/min) を表す。以下、本発明の内容について詳しく説明する。
0.58(τD/L)−1.54≦Ve/Vo≦
98(τD/L)-0.55 (1) However, τ: Shear stress (kgf/cm2) that the molten pitch receives from the wall of the spinning nozzle capillary D: Diameter of the spinning nozzle capillary (mm) L: Length of the spinning nozzle capillary Size (mm) Ve: Winding speed (
m/min) Vo: Average velocity of the molten pitch in the capillary (
m/min). Hereinafter, the content of the present invention will be explained in detail.

【0013】本発明の方法で原料に用いられるメソフェ
ーズピッチは、縮合多環炭化水素またはこれを含有する
物質を重合させて得られたピッチである。すなわちこの
メソフェーズピッチは、特開昭63−146920号、
 特開平1−139621号、 特開平1−25479
6号に示される如く、ナフタレン、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、ピレン等
並びにこれらの骨格を有する縮合多環炭化水素、及びこ
れらの混合物ないしこれらを含有する物質から合成され
たピッチである。
The mesophase pitch used as a raw material in the method of the present invention is a pitch obtained by polymerizing a condensed polycyclic hydrocarbon or a substance containing the same. In other words, this mesophase pitch is disclosed in Japanese Patent Application Laid-open No. 146920/1983.
JP-A-1-139621, JP-A-1-25479
As shown in No. 6, pitch is synthesized from naphthalene, anthracene, phenanthrene, acenaphthene, acenaphthylene, pyrene, etc., condensed polycyclic hydrocarbons having these skeletons, mixtures thereof, or substances containing these.

【0014】またこのメソフェーズピッチは、縮合多環
炭化水素またはこれを含有する物質をフッ化水素、三フ
ッ化ホウ素の存在下で重合させて得られたピッチである
。この重合は、ピッチ原料1モルに対し、重合触媒とし
てフッ化水素0.1〜20モル、三フッ化ホウ素0.0
5〜1.0モルを使用し、180〜400℃、5〜10
0気圧の条件で5〜300分反応させることにより行わ
れる。
The mesophase pitch is a pitch obtained by polymerizing a condensed polycyclic hydrocarbon or a substance containing it in the presence of hydrogen fluoride or boron trifluoride. In this polymerization, 0.1 to 20 mol of hydrogen fluoride and 0.0 mol of boron trifluoride are used as polymerization catalysts for 1 mol of pitch raw material.
Use 5-1.0 mol, 180-400°C, 5-10
The reaction is carried out under conditions of 0 atmospheric pressure for 5 to 300 minutes.

【0015】この合成方法によれば、重合条件を適切に
組み合わせることにより、0〜100%の任意の光学的
異方性相含有率を有し、180〜400℃の任意の軟化
点を有するピッチを調製することができるが、本発明で
用いるピッチは光学的異方性相含有率が90%以上、特
に実質100%であることが好ましく、軟化点が205
〜255℃であることが好ましい。光学的異方性相含有
率が低い場合、溶融状態で異方性相と等方性相が分離し
、紡糸操作を妨害するのみならず、得られる炭素繊維の
引張強度、弾性率などが低くなる。また軟化点が低いと
ピッチ中の低分子量成分が紡糸時に揮発するため、ある
いは軟化点が高いと高温での紡糸が必要となり、ピッチ
の熱分解、熱縮合反応が起こり易くなるために安定な紡
糸を長時間継続することが困難である。
According to this synthesis method, by appropriately combining polymerization conditions, a pitch having an arbitrary optically anisotropic phase content of 0 to 100% and an arbitrary softening point of 180 to 400°C can be produced. However, it is preferable that the pitch used in the present invention has an optically anisotropic phase content of 90% or more, particularly substantially 100%, and a softening point of 205%.
It is preferable that it is -255 degreeC. If the content of the optically anisotropic phase is low, the anisotropic phase and isotropic phase will separate in the molten state, which will not only hinder the spinning operation but also cause the resulting carbon fiber to have low tensile strength, low elastic modulus, etc. Become. In addition, if the softening point is low, the low molecular weight components in the pitch will volatilize during spinning, or if the softening point is high, spinning will be required at high temperatures, making pitch thermal decomposition and thermal condensation reactions more likely to occur, resulting in stable spinning. It is difficult to continue for a long time.

【0016】なお本明細書において「光学的異方性相」
とは、常温近くで固化したピッチ塊の断面を研磨し、反
射型光学顕微鏡で直交ニコル下で観察したとき、試料ま
たは直交ニコルを回転して光輝が認められ、すなわち光
学的異方性である部分を意味し、「光学的異方性相含有
率」とは、顕微鏡で観察した際のこの光学的異方性相の
面積分率を意味する。「メソフェーズピッチ」とはこの
ような光学的異方性相を含むピッチのことである。また
「ピッチの軟化点」は、高化式フローテスターにより測
定されたピッチの固−液転移温度を指す。
[0016] In this specification, "optically anisotropic phase"
When a cross section of a pitch lump solidified near room temperature is polished and observed under crossed nicols using a reflection optical microscope, brightness is observed when the sample or crossed nicols are rotated, that is, optical anisotropy. "Optically anisotropic phase content" means the area fraction of this optically anisotropic phase when observed with a microscope. "Mesophase pitch" refers to a pitch containing such an optically anisotropic phase. Moreover, "softening point of pitch" refers to the solid-liquid transition temperature of pitch measured by a Koka type flow tester.

【0017】このようにして得られたメソフェーズピッ
チは、炭素に対する水素の原子比が0.5〜1.0であ
る。炭素に対する水素の原子比がこのように高いために
不融化時の酸素との反応性が高く、不融化処理を短時間
で終了することができる。そのためこのピッチを用いる
ことにより、黒鉛繊維製造工程の中でコストアップの要
因とされてきた不融化工程を大幅に短縮化できるという
特徴を持つ。
The mesophase pitch thus obtained has an atomic ratio of hydrogen to carbon of 0.5 to 1.0. Since the atomic ratio of hydrogen to carbon is thus high, the reactivity with oxygen during infusibility is high, and the infusibility treatment can be completed in a short time. Therefore, by using this pitch, it is possible to significantly shorten the infusibility process, which has been considered to be a factor in increasing costs in the graphite fiber manufacturing process.

【0018】発明者等はかかる特徴を有したメソフェー
ズピッチを用いて溶融紡糸して炭素繊維を製造する方法
を検討した結果、このメソフェースピッチを前述の(1
)式で規定されるドラフト比(キャピラリー内速度Vo
と巻取速度Veの比率)で紡糸した後、不融化し、18
00℃以上の高温で黒鉛化することにより、引張弾性率
のみならず引張強度も極めて高いという特性を有する高
性能黒鉛繊維を得ることができることを見い出した。
The inventors investigated a method for producing carbon fiber by melt spinning using mesophase pitch having such characteristics.
) Draft ratio (capillary internal speed Vo
and winding speed Ve), and then infusible and
It has been found that by graphitizing at a high temperature of 00° C. or higher, it is possible to obtain high-performance graphite fibers having extremely high tensile modulus as well as extremely high tensile strength.

【0019】(1)式によるドラフト比は、横軸にτD
/Lの対数を、縦軸にドラフト比の対数を採ることによ
り図1に示す2本の直線に挟まれる範囲に示される。こ
の範囲よりドラフト比が小さいと、引張弾性率は高いも
のの破断伸度が小さくなりすぎて高引張強度は得られな
い。逆にこの範囲よりドラフト比が大きいと、破断伸度
は大きいものの引張弾性率が低くなり高引張強度が得ら
れない。
The draft ratio according to equation (1) is expressed by τD on the horizontal axis.
By taking the logarithm of /L and the logarithm of the draft ratio on the vertical axis, it is shown in the range sandwiched between the two straight lines shown in FIG. If the draft ratio is smaller than this range, although the tensile modulus is high, the elongation at break becomes too small and high tensile strength cannot be obtained. Conversely, if the draft ratio is greater than this range, the elongation at break is high but the tensile modulus is low and high tensile strength cannot be obtained.

【0020】ここでτD/Lは次の(2)式で定義され
、使用するノズルの形状やピッチ粘度、ピッチ吐出量の
組合せにより変化させることができる。     τD/L=(PD2 )/(4L2 )   
         =5.44×10−4(Qη)/(
πD2L)            =1.36×10
−8(Voη)/L            =8.1
6×10−10 η/t              
          (2)ただし、 P:溶融ピッチ吐出圧力(kgf/cm2)D:紡糸ノ
ズルキャピラリーの直径(mm)L:紡糸ノズルキャピ
ラリーの長さ(mm)Vo:溶融ピッチのキャピラリー
内での平均速度(m/min) Q:溶融ピッチ吐出速度(ml/min)η:溶融ピッ
チの粘度(poise) t:溶融ピッチのキャピラリー内平均滞留時間(sec
)である。
Here, τD/L is defined by the following equation (2), and can be changed by the combination of the shape of the nozzle used, pitch viscosity, and pitch discharge amount. τD/L=(PD2)/(4L2)
=5.44×10-4(Qη)/(
πD2L) =1.36×10
−8(Voη)/L =8.1
6×10-10 η/t
(2) However, P: Molten pitch discharge pressure (kgf/cm2) D: Diameter of spinning nozzle capillary (mm) L: Length of spinning nozzle capillary (mm) Vo: Average velocity of molten pitch within the capillary (m /min) Q: Melt pitch discharge rate (ml/min) η: Melt pitch viscosity (poise) t: Melt pitch average residence time in the capillary (sec
).

【0021】なお、本発明の方法における溶融紡糸は、
押し出し紡糸、吹き出し紡糸、遠心紡糸等のいずれを用
いてもよい。また使用する紡糸ノズルの形状は、一般の
溶融紡糸に用いられるノズルと同じものでよく特に制限
はない。
[0021] The melt spinning in the method of the present invention is
Any of extrusion spinning, blow spinning, centrifugal spinning, etc. may be used. Further, the shape of the spinning nozzle to be used may be the same as the nozzle used in general melt spinning and is not particularly limited.

【0022】このような条件下で紡糸されたピッチ繊維
は常法により不融化処理された後、不活性雰囲気下での
炭素化を経て1800℃以上の高温で黒鉛化される。黒
鉛化温度が1800℃より低い場合は黒鉛結晶の成長が
不十分であるために本発明で目的とする高い引張弾性率
が得られない。
The pitch fibers spun under these conditions are treated to be infusible by a conventional method, carbonized in an inert atmosphere, and then graphitized at a high temperature of 1800° C. or higher. If the graphitization temperature is lower than 1800° C., the growth of graphite crystals will be insufficient, and the high tensile modulus targeted by the present invention cannot be obtained.

【0023】本発明で調製された黒鉛繊維が極めて高い
引張強度、引張弾性率を示すという作用機構の詳細は明
確ではないが、以下のように推察される。まず原料ピッ
チとして特殊な分子構造、分子量分布を持つメソフェー
ズピッチを用い、上記の条件下で溶融紡糸を行うことに
より、ピッチ分子が繊維軸方向に好適に配向したピッチ
繊維が得られる。このピッチ繊維においては、繊維横断
面内でもピッチ分子が好適に配向、積層している。この
ようなピッチ繊維を不融化後、さらに炭素化を経て特定
温度以上の高温で黒鉛化することにより黒鉛結晶を充分
に成長させれば、結晶が繊維方向に高度に配向している
ため極めて高い引張弾性率を示し、加えて繊維内の粒界
部に存在するミクロボイドが比較的微細に分散している
ために極めて高い引張強度を有する黒鉛繊維が得られる
と考えられる。
Although the details of the mechanism by which the graphite fibers prepared according to the present invention exhibit extremely high tensile strength and tensile modulus are not clear, it is inferred as follows. First, by using mesophase pitch having a special molecular structure and molecular weight distribution as the raw material pitch and performing melt spinning under the above conditions, pitch fibers in which pitch molecules are suitably oriented in the fiber axis direction can be obtained. In this pitch fiber, pitch molecules are suitably oriented and laminated even within the cross section of the fiber. After making such pitch fibers infusible, if graphite crystals are grown sufficiently by carbonizing them and graphitizing them at a high temperature above a certain temperature, the crystals are highly oriented in the direction of the fibers, resulting in extremely high It is thought that graphite fibers exhibiting a tensile modulus of elasticity and extremely high tensile strength can be obtained because the microvoids present at the grain boundaries within the fibers are relatively finely dispersed.

【0024】[0024]

【実施例】次に実施例により本発明をさらに具体的に説
明する。もちろん本発明はこれらの実施例により制限さ
れるものではない。
EXAMPLES Next, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples. Of course, the present invention is not limited to these examples.

【0025】実施例1 ナフタレン1モル、フッ化水素0.5モル、三フッ化ホ
ウ素0.2モルを500ミリリットルの耐酸オートクレ
ーブに仕込み、反応圧力を25kgf/cm2に保ちな
がら260℃に昇温後、2時間反応した。その後オート
クレーブの放出弁を開け、常圧において実質的に全量の
フッ化水素、三フッ化ホウ素をガス状で回収した後、窒
素を吹き込み、低沸点成分を除去したピッチを得た。得
られたピッチの収率は原料ナフタレンに対する重量比で
76%であった。またこのピッチの光学的異方性相含有
率は100%であり、軟化点は231℃、H/C原子比
は0.67であった。
Example 1 1 mole of naphthalene, 0.5 mole of hydrogen fluoride, and 0.2 mole of boron trifluoride were charged into a 500 ml acid-resistant autoclave, and the temperature was raised to 260° C. while maintaining the reaction pressure at 25 kgf/cm2. , reacted for 2 hours. Thereafter, the discharge valve of the autoclave was opened, and substantially all of the hydrogen fluoride and boron trifluoride were recovered in gaseous form at normal pressure, and then nitrogen was blown into the autoclave to obtain pitch from which low-boiling components had been removed. The yield of the pitch obtained was 76% by weight based on the raw material naphthalene. The optically anisotropic phase content of this pitch was 100%, the softening point was 231° C., and the H/C atomic ratio was 0.67.

【0026】このメソフェーズピッチを、D=0.10
mmφ、L/D=5の単孔ノズルを有する溶融紡糸器に
入れ320℃に昇温後、40kgf/cm2の圧力をか
けて押し出し、310m/minで巻取ることにより直
径d=12×10−3mmφのピッチ繊維を得た。この
時の剪断応力はτ=2.00kgf/cm2であり、ド
ラフト比はVe/Vo=69であるので、この紡糸条件
は上述の好適範囲に含まれる。このようにして得られた
ピッチ繊維を空気中で5℃/minの昇温速度で280
℃まで昇温することにより不融化した後、アルゴン雰囲
気下30℃/minの昇温速度で2000℃まで昇温す
ることにより黒鉛繊維を得た。 得られた炭素繊維の引張強度は500kgf/mm2、
引張弾性率は83tf/mm2 、破断伸度は0.6%
であり、高強度、高弾性率であった。
[0026] This mesophase pitch is D=0.10
It was placed in a melt spinning machine with a single hole nozzle of mmφ and L/D=5, heated to 320°C, extruded with a pressure of 40 kgf/cm2, and wound at 310 m/min to obtain a fiber with a diameter d=12×10−. A pitch fiber with a diameter of 3 mm was obtained. The shear stress at this time is τ = 2.00 kgf/cm2, and the draft ratio is Ve/Vo = 69, so these spinning conditions are within the above-mentioned preferred range. The pitch fiber thus obtained was heated to 280 °C in air at a heating rate of 5 °C/min.
After making it infusible by raising the temperature to .degree. C., graphite fibers were obtained by raising the temperature to 2000.degree. C. at a heating rate of 30.degree. C./min in an argon atmosphere. The tensile strength of the obtained carbon fiber was 500 kgf/mm2,
Tensile modulus is 83tf/mm2, elongation at break is 0.6%
It had high strength and high elastic modulus.

【0027】比較例1 実施例1で用いたものと同じ原料ピッチ、紡糸ノズル、
紡糸器を使用し、320℃に昇温後、4kgf/cm2
の圧力をかけて押し出し、30m/minで巻取ること
により直径d=12×10−3mmφのピッチ繊維を得
た。このときのドラフト比はVe/Vo=69であり、
実施例1と同じであるが剪断応力がτ=0.20kgf
/cm2と小さいために、好適範囲から外れている。こ
のピッチ繊維から実施例1と同じ方法により黒鉛繊維を
得た。得られた黒鉛繊維の引張強度は362kgf/m
m2、引張弾性率は73tf/mm2 、破断伸度は0
.5%であった。
Comparative Example 1 The same raw material pitch, spinning nozzle, and
Using a spinning machine, after raising the temperature to 320℃, 4kgf/cm2
Pitch fibers with a diameter d=12×10 −3 mmφ were obtained by extruding the fibers under a pressure of 30 m/min and winding them at a speed of 30 m/min. The draft ratio at this time is Ve/Vo=69,
Same as Example 1, but shear stress τ = 0.20 kgf
/cm2, which is outside the preferred range. Graphite fibers were obtained from this pitch fiber by the same method as in Example 1. The tensile strength of the obtained graphite fiber is 362 kgf/m
m2, tensile modulus is 73tf/mm2, elongation at break is 0
.. It was 5%.

【0028】実施例2 実施例1で用いたものと同じ原料ピッチを、D=0.2
5mmφ、L/D=4の単孔ノズルを有する紡糸器に入
れ、320℃に昇温後、1.6kgf/cm2の圧力を
かけて押し出し、120m/minで巻取ることにより
直径d=12×10−3mmφのピッチ繊維を得た。こ
の時の剪断応力はτ=0.10kgf/cm2であり、
ドラフト比はVe/Vo=434であるので、この紡糸
条件は前述の好適範囲に含まれる。このようにして得ら
れたピッチ繊維を空気中で5℃/minの昇温速度で2
80℃まで昇温することにより不融化した後、アルゴン
雰囲気下30℃/minの昇温速度で1800℃まで昇
温することにより炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の
引張強度は435kgf/mm2、引張弾性率は55t
f/mm2 、破断伸度は0.8%であり、高強度、高
弾性率であった。
Example 2 The same raw material pitch as used in Example 1 was used at D=0.2.
It was placed in a spinning machine with a single hole nozzle of 5 mmφ and L/D=4, heated to 320°C, extruded by applying a pressure of 1.6 kgf/cm2, and wound at 120 m/min to obtain a yarn with a diameter d=12× A pitch fiber with a diameter of 10-3 mm was obtained. The shear stress at this time is τ = 0.10 kgf/cm2,
Since the draft ratio is Ve/Vo=434, this spinning condition is within the above-mentioned preferred range. The pitch fiber thus obtained was heated in air at a heating rate of 5°C/min for 2 hours.
After making it infusible by raising the temperature to 80°C, carbon fibers were obtained by raising the temperature to 1800°C at a heating rate of 30°C/min in an argon atmosphere. The obtained carbon fiber had a tensile strength of 435 kgf/mm2 and a tensile modulus of 55 t.
f/mm2 and elongation at break were 0.8%, indicating high strength and high elastic modulus.

【0029】比較例2 実施例2で用いたものと同じ原料ピッチ、紡糸ノズル、
紡糸器を使用し、313℃に昇温後、9.0kgf/c
m2の圧力をかけて押し出し、360m/minで巻取
ることにより直径d=12×10−3mmφのピッチ繊
維を得た。このときのドラフト比はVe/Vo=434
であり、実施例2と同じであるが剪断応力がτ=0.5
6kgf/cm2と小さいために、好適範囲から外れて
いる。このピッチ繊維から実施例1と同じ方法により黒
鉛繊維を得た。得られた黒鉛繊維の引張強度は360k
gf/mm2、引張弾性率は39tf/mm2 、破断
伸度は0.9%であった。
Comparative Example 2 The same raw material pitch, spinning nozzle, and
Using a spinning machine, after raising the temperature to 313℃, 9.0kgf/c
A pitch fiber having a diameter d=12×10 −3 mmφ was obtained by extruding the fiber under a pressure of m2 and winding it at a speed of 360 m/min. The draft ratio at this time is Ve/Vo=434
is the same as Example 2, but the shear stress is τ=0.5
Since it is small at 6 kgf/cm2, it is out of the preferred range. Graphite fibers were obtained from this pitch fiber by the same method as in Example 1. The tensile strength of the graphite fiber obtained is 360k
gf/mm2, tensile modulus was 39tf/mm2, and elongation at break was 0.9%.

【0030】実施例3〜6、比較例3〜7ナフタレン6
0モル、フッ化水素30モル、三フッ化ホウ素  9モ
ルを43リットルの耐酸オートクレーブに仕込み、反応
圧力を25kgf/cm2に保ちながら260℃に昇温
後、2時間反応した。その後オートクレーブの放出弁を
開け、常圧において実質的に全量のフッ化水素、三フッ
化ホウ素をガス状で回収した後、窒素を吹き込み、低沸
点成分を除去したピッチを得た。得られたピッチの収率
は原料ナフタレンに対する重量比で70%であった。ま
たこのピッチの光学的異方性相含有率は100%であり
、軟化点は237℃、H/C原子比は0.66であった
Examples 3 to 6, Comparative Examples 3 to 7 Naphthalene 6
0 moles of hydrogen fluoride, 30 moles of hydrogen fluoride, and 9 moles of boron trifluoride were charged into a 43 liter acid-resistant autoclave, and the temperature was raised to 260° C. while maintaining the reaction pressure at 25 kgf/cm 2 , followed by reaction for 2 hours. Thereafter, the discharge valve of the autoclave was opened, and substantially all of the hydrogen fluoride and boron trifluoride were recovered in gaseous form at normal pressure, and then nitrogen was blown into the autoclave to obtain pitch from which low-boiling components had been removed. The yield of the pitch obtained was 70% by weight based on the raw material naphthalene. The optically anisotropic phase content of this pitch was 100%, the softening point was 237° C., and the H/C atomic ratio was 0.66.

【0031】このメソフェーズピッチを、単孔ノズルを
有する紡糸器に入れ、表1に示す紡糸条件で溶融紡糸し
、直径d=12×10−3mmφのピッチ繊維を得た。 得られたピッチ繊維を空気中で5℃/minの昇温速度
で280℃まで昇温することにより不融化した後、アル
ゴン雰囲気下30℃/minの昇温速度で2000℃ま
で昇温することにより黒鉛繊維を得た。得られた黒鉛繊
維の物性を表1に示す。表1の実施例3〜6は紡糸条件
が前述の好適範囲に入っており、得られた炭素繊維は高
引張強度、高弾性率を示すが、比較例3〜7の場合は紡
糸条件が好適範囲から外れているために黒鉛繊維の物性
が低い。
This mesophase pitch was put into a spinning machine having a single-hole nozzle and melt-spun under the spinning conditions shown in Table 1 to obtain pitch fibers with a diameter d=12×10 −3 mmφ. The obtained pitch fibers are made infusible by heating up to 280°C at a heating rate of 5°C/min in air, and then heated to 2000°C at a heating rate of 30°C/min in an argon atmosphere. Graphite fibers were obtained. Table 1 shows the physical properties of the graphite fibers obtained. In Examples 3 to 6 in Table 1, the spinning conditions are within the above-mentioned preferred range, and the obtained carbon fibers exhibit high tensile strength and high elastic modulus, but in the case of Comparative Examples 3 to 7, the spinning conditions are suitable. Since it is out of this range, the physical properties of graphite fiber are poor.

【0032】[0032]

【表1】[Table 1]

【0033】[0033]

【発明の効果】本発明の炭素繊維製造法は、ナフタレン
、アントラセン、フェナントレン等、及びこれらの縮合
多環炭化水素を含有する多様な原料のピッチを用いるこ
とができる。しかも本発明に用いるメソフェースピッチ
は酸素との反応性が高いため不融化工程を著しく短縮化
できる。さらにドラフト比を特定の範囲で紡糸し、18
00℃以上の高温で黒鉛化を行うことにより、引張強度
、引張弾性率が共に極めて高い高性能黒鉛繊維が安定し
て得られる。このように本発明の方法は、多様な原料の
ピッチより高性能黒鉛繊維を短時間で容易に製造できる
経済的に優れた方法である。
Effects of the Invention The method for producing carbon fibers of the present invention can use pitches of various raw materials containing naphthalene, anthracene, phenanthrene, etc., and condensed polycyclic hydrocarbons thereof. Moreover, since the mesoface pitch used in the present invention has high reactivity with oxygen, the infusibility process can be significantly shortened. Furthermore, by spinning the draft ratio within a specific range,
By performing graphitization at a high temperature of 00° C. or higher, high-performance graphite fibers with extremely high tensile strength and tensile modulus can be stably obtained. As described above, the method of the present invention is an economically superior method that can easily produce high-performance graphite fibers in a short time using pitches made from various raw materials.

【0034】[0034]

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明における紡糸時のドラフト比(Ve /
Vo )の好適な範囲を斜線で示したものである。 τ:溶融ピッチが紡糸ノズルキャピラリー壁面から受け
る剪断応力(kgf/cm2) D:紡糸ノズルキャピラリーの直径(mm)L:紡糸ノ
ズルキャピラリーの長さの比(mm)Ve:  巻取速
度(m/min) Vo:  溶融ピッチのキャピラリー内での平均速度(
m/min)
Figure 1 shows the draft ratio (Ve/
The preferred range of Vo ) is indicated by diagonal lines. τ: Shear stress that the molten pitch receives from the wall surface of the spinning nozzle capillary (kgf/cm2) D: Diameter of the spinning nozzle capillary (mm) L: Length ratio of the spinning nozzle capillary (mm) Ve: Winding speed (m/min) ) Vo: Average velocity of the melting pitch in the capillary (
m/min)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】フッ化水素、三フッ化ホウ素の存在下、縮
合多環炭化水素または、これを含有する物質を重合させ
て得られたメソフェーズピッチを原料として、溶融紡糸
した後不融化処理、炭素化処理および黒鉛化処理するこ
とにより黒鉛繊維を製造する方法において、溶融紡糸を
下記の条件を満足するドラフト比(Ve/Vo)で行い
、黒鉛化処理を1800℃以上の温度で行うことを特徴
とする黒鉛繊維の製造方法、   0.58(τD/L)−1.54 ≦Ve/Vo≦
 98(τD/L)−0.55 ただし、 τ:溶融ピッチが紡糸ノズルキャピラリー壁面から受け
る剪断応力(kgf/cm2) D:紡糸ノズルキャピラリーの直径(mm)L:紡糸ノ
ズルキャピラリーの長さ(mm)Ve:  巻取速度(
m/min) Vo:  溶融ピッチのキャピラリー内での平均速度(
m/min) を表す。
1. Melt-spinning mesophase pitch obtained by polymerizing a condensed polycyclic hydrocarbon or a substance containing it in the presence of hydrogen fluoride or boron trifluoride as a raw material, followed by infusibility treatment; In the method of producing graphite fibers by carbonization and graphitization, melt spinning is performed at a draft ratio (Ve/Vo) that satisfies the following conditions, and graphitization is performed at a temperature of 1800 ° C. or higher. Characteristic graphite fiber manufacturing method, 0.58 (τD/L)-1.54 ≦Ve/Vo≦
98 (τD/L) - 0.55 However, τ: Shear stress (kgf/cm2) that the melt pitch receives from the wall surface of the spinning nozzle capillary D: Diameter of the spinning nozzle capillary (mm) L: Length of the spinning nozzle capillary (mm) )Ve: Winding speed (
m/min) Vo: Average velocity of the molten pitch in the capillary (
m/min).
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109056119A (en) * 2018-06-26 2018-12-21 武汉科技大学 A method of the intermediate phase pitch-based graphite fibre for adding a processability to be promoted by high temperature

Cited By (2)

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CN109056119B (en) * 2018-06-26 2020-12-08 武汉科技大学 Method for preparing mesophase pitch-based graphite fibers with improved performance through high-temperature tension

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