JPH0742615B2 - 高強度、高弾性率のピッチ系炭素繊維 - Google Patents
高強度、高弾性率のピッチ系炭素繊維Info
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- JPH0742615B2 JPH0742615B2 JP1049779A JP4977989A JPH0742615B2 JP H0742615 B2 JPH0742615 B2 JP H0742615B2 JP 1049779 A JP1049779 A JP 1049779A JP 4977989 A JP4977989 A JP 4977989A JP H0742615 B2 JPH0742615 B2 JP H0742615B2
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- D—TEXTILES; PAPER
- D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は一般には、炭素繊維に関するものであり、特に
宇宙産業、自動車産業、建築産業等に軽量構造材料用強
化繊維として広く使用することのできる高強度、高弾性
率のピッチ系炭素繊維に関するものである。
宇宙産業、自動車産業、建築産業等に軽量構造材料用強
化繊維として広く使用することのできる高強度、高弾性
率のピッチ系炭素繊維に関するものである。
従来の技術 従来、炭素繊維（黒鉛繊維）としては、PAN系炭素繊維
が広く製造及び使用されている。一般的にはPAN系炭素
繊維はピッチ系炭素繊維に比較して特に引張強さの点に
おいて優れた特性を有するために高強度炭素繊維として
使用されており、PAN系炭素繊維の中には引張強度が5.6
GPaと非常に高強度を示すものもあるが弾性率は290GPa
とあまり高くない。これはPAN系炭素繊維が難黒鉛化性
であるため結晶化（黒鉛化度）の向上には限界があり、
本質的に超高弾性率を達成することは困難であるという
理由による。又、PAN系炭素繊維では原料が高価で炭化
収率も悪く、又経済面でも良くない。そこで、これらの
点、即ち、引張強度及び引張弾性率の点において優れ
た、コストの廉価なピッチを原料としたピッチ系炭素繊
維及び黒鉛繊維の製造方法がいくつか提案されている。
が広く製造及び使用されている。一般的にはPAN系炭素
繊維はピッチ系炭素繊維に比較して特に引張強さの点に
おいて優れた特性を有するために高強度炭素繊維として
使用されており、PAN系炭素繊維の中には引張強度が5.6
GPaと非常に高強度を示すものもあるが弾性率は290GPa
とあまり高くない。これはPAN系炭素繊維が難黒鉛化性
であるため結晶化（黒鉛化度）の向上には限界があり、
本質的に超高弾性率を達成することは困難であるという
理由による。又、PAN系炭素繊維では原料が高価で炭化
収率も悪く、又経済面でも良くない。そこで、これらの
点、即ち、引張強度及び引張弾性率の点において優れ
た、コストの廉価なピッチを原料としたピッチ系炭素繊
維及び黒鉛繊維の製造方法がいくつか提案されている。
例えば、ピッチを350〜450℃で約40〜90重量％のメソ相
が生ずるまで十分加熱し、紡糸温度で非チキソトロピー
性を示し10〜200ポイズの粘度を有する炭素質ピッチを
紡糸し、この紡糸繊維を酸素含有雰囲気中で250〜400℃
の温度で不融化して、次いで得られた不融化繊維を不活
性雰囲気中で少なくとも1000℃に加熱し、更に約2500℃
以上に加熱することによって三次元的秩序を示す（11
2）クロス格子線の存在及び（100）と（101）回折線の
分離が認められ、層間隔（doo2）が3.37Å以下、積層厚
み（Lc）1000Å以上を有する黒鉛繊維が製造されること
が報告されている（特公昭60-4286号）。
が生ずるまで十分加熱し、紡糸温度で非チキソトロピー
性を示し10〜200ポイズの粘度を有する炭素質ピッチを
紡糸し、この紡糸繊維を酸素含有雰囲気中で250〜400℃
の温度で不融化して、次いで得られた不融化繊維を不活
性雰囲気中で少なくとも1000℃に加熱し、更に約2500℃
以上に加熱することによって三次元的秩序を示す（11
2）クロス格子線の存在及び（100）と（101）回折線の
分離が認められ、層間隔（doo2）が3.37Å以下、積層厚
み（Lc）1000Å以上を有する黒鉛繊維が製造されること
が報告されている（特公昭60-4286号）。
上述の特公昭60-4286号公報に開示される2800℃まで焼
成された黒鉛繊維は引張強度が1.7〜2.4GPa（250×103
〜350×103psi）、引張弾性率が520〜830GPa（75×106
〜120×106psi）程度のものであった。
成された黒鉛繊維は引張強度が1.7〜2.4GPa（250×103
〜350×103psi）、引張弾性率が520〜830GPa（75×106
〜120×106psi）程度のものであった。
又、特開昭62-104927号公報には、コールタールピッチ
を原料として、配向角（φ）が10°未満であり、積層厚
み（Lc）が180〜250Åで、層間隔（doo2）が3.38〜3.45
Åであるピッチ系炭素繊維を製造し得ることが報告され
ている。
を原料として、配向角（φ）が10°未満であり、積層厚
み（Lc）が180〜250Åで、層間隔（doo2）が3.38〜3.45
Åであるピッチ系炭素繊維を製造し得ることが報告され
ている。
しかしながら、該特開昭62-104927号公報にて示される
炭素繊維の引張強度は2.6〜3.3GPa（265〜333kg/m
m2）、引張弾性率は608〜853GPa（62〜87ton/mm2）であ
るが、伸び率が0.38〜0.43％であった。
炭素繊維の引張強度は2.6〜3.3GPa（265〜333kg/m
m2）、引張弾性率は608〜853GPa（62〜87ton/mm2）であ
るが、伸び率が0.38〜0.43％であった。
特開昭61-83319号公報にはナフタリンを原料として配向
角（φ）が30°未満、好ましくは15〜25°であり、積層
厚み（Lc）が80Åを超え且つ200Å以下で、好ましくは9
0〜170Åであり、又層間隔（doo2）が3.37〜3.440Åを
示す2000℃以上で処理されたピッチ系炭素繊維を製造し
得ることが報告されている。
角（φ）が30°未満、好ましくは15〜25°であり、積層
厚み（Lc）が80Åを超え且つ200Å以下で、好ましくは9
0〜170Åであり、又層間隔（doo2）が3.37〜3.440Åを
示す2000℃以上で処理されたピッチ系炭素繊維を製造し
得ることが報告されている。
該特開昭61-83319号公報にて示される炭素繊維の引張強
度は3.1〜3.9GPa（318〜394Kg/mm2）、引張弾性率は234
〜412GPa（23900〜42000Kg/mm2）であり、伸び率は0.9
〜1.4％であった。更に原料としてナフタリンを使用せ
ねばならず原料コストが高くなるという問題があった。
度は3.1〜3.9GPa（318〜394Kg/mm2）、引張弾性率は234
〜412GPa（23900〜42000Kg/mm2）であり、伸び率は0.9
〜1.4％であった。更に原料としてナフタリンを使用せ
ねばならず原料コストが高くなるという問題があった。
発明が解決しようとする課題 しかしながら、上述からも理解されるようにこれら従来
のピッチ系炭素繊維は少なくとも伸び率が低いために取
扱いが難しく、特に複合材料を製造する場合に大きな問
題となっていた。
のピッチ系炭素繊維は少なくとも伸び率が低いために取
扱いが難しく、特に複合材料を製造する場合に大きな問
題となっていた。
又、上述のようにナフタリンを原料としてピッチ系炭素
繊維を製造した場合には伸び率は大であるが、引張弾性
率が小さく且つ原料コストが高いという問題があった。
繊維を製造した場合には伸び率は大であるが、引張弾性
率が小さく且つ原料コストが高いという問題があった。
本発明者等は、ピッチを原料として高弾性率と高引張強
度と、高伸び率を有する高性能炭素繊維を得るべく研究
開発する過程にて、炭素繊維の結晶構造を特異なものと
することで、高引張強度、高弾性率、高伸び率とを合せ
持つ炭素繊維を得ることができることを見出した。
度と、高伸び率を有する高性能炭素繊維を得るべく研究
開発する過程にて、炭素繊維の結晶構造を特異なものと
することで、高引張強度、高弾性率、高伸び率とを合せ
持つ炭素繊維を得ることができることを見出した。
本発明は、斯る新規な知見に基づきなされたものであ
る。
る。
従って、本発明の目的は、高弾性率で高強度且つ高伸び
率を有する高性能炭素繊維を提供することである。
率を有する高性能炭素繊維を提供することである。
本発明の他の目的は、取扱いが容易であり、特に複合材
料を製造するのが容易な高引張強度、高弾性率及び高伸
び率の高性能炭素繊維を提供することである。
料を製造するのが容易な高引張強度、高弾性率及び高伸
び率の高性能炭素繊維を提供することである。
課題を解決するための手段 上記諸目的は、本発明に係る高引張強度、高弾性率の炭
素繊維によって達成される。要約すれば本発明は、三次
元的秩序を示す（112）クロス格子線の存在及び（10
0）、（101）回折線の分離が共に認められず、Ｘ線構造
パラメーターの配向角（φ）が12°以下であり、積層厚
み（Lc）が80〜180Åである結晶構造を有し、単繊維の
糸径が５〜12μｍ、引張強度が少なくとも3.0GPa以上、
引張弾性率が少なくとも500GPa以上、そして伸び率が0.
5％以上であることを特徴とする高強度、高弾性率を有
するピッチ系炭素繊維である。又、好ましくは、層間隔
（doo2）は3.40〜3.45Åとされる。配向角（φ）は、よ
り好ましくは５〜10°であり、積層厚み（Lc）は100〜1
60Åとされる。
素繊維によって達成される。要約すれば本発明は、三次
元的秩序を示す（112）クロス格子線の存在及び（10
0）、（101）回折線の分離が共に認められず、Ｘ線構造
パラメーターの配向角（φ）が12°以下であり、積層厚
み（Lc）が80〜180Åである結晶構造を有し、単繊維の
糸径が５〜12μｍ、引張強度が少なくとも3.0GPa以上、
引張弾性率が少なくとも500GPa以上、そして伸び率が0.
5％以上であることを特徴とする高強度、高弾性率を有
するピッチ系炭素繊維である。又、好ましくは、層間隔
（doo2）は3.40〜3.45Åとされる。配向角（φ）は、よ
り好ましくは５〜10°であり、積層厚み（Lc）は100〜1
60Åとされる。
本発明者等は上述のように高弾性率と高引張強度を合せ
持ち且つ高伸び率を示す高性能炭素繊維を得るべく研究
開発する過程において従来にない結晶構造上の特徴を有
する炭素繊維によってそれが可能であることを見出し
た。即ち本発明者等は、適当にバランスされた高弾性
率、高引張強度、高伸び率の高性能炭素繊維を得るに
は、三次元的秩序を示す（112）クロス格子線の存在及
び（100）、（101）回折線の分離は共に認められない方
がよく、配向角（φ）及び積層厚み（Lc）が適当な範囲
にバランスされることが特に重要な要素であることを見
出した。
持ち且つ高伸び率を示す高性能炭素繊維を得るべく研究
開発する過程において従来にない結晶構造上の特徴を有
する炭素繊維によってそれが可能であることを見出し
た。即ち本発明者等は、適当にバランスされた高弾性
率、高引張強度、高伸び率の高性能炭素繊維を得るに
は、三次元的秩序を示す（112）クロス格子線の存在及
び（100）、（101）回折線の分離は共に認められない方
がよく、配向角（φ）及び積層厚み（Lc）が適当な範囲
にバランスされることが特に重要な要素であることを見
出した。
本発明に係る高引張強度、高弾性率の炭素繊維について
更に詳しく説明する。
更に詳しく説明する。
従来より炭素繊維の結晶性が良くなると弾性率が向上す
るということは良く知られたことである。しかしなが
ら、従来の市販のピッチ系炭素繊維では、引張強度は2.
2GPaと低く単に結晶性を良くするだけでは高弾性率、高
引張強度、高伸び率を有する高性能炭素繊維は実現され
得ないことを示している。
るということは良く知られたことである。しかしなが
ら、従来の市販のピッチ系炭素繊維では、引張強度は2.
2GPaと低く単に結晶性を良くするだけでは高弾性率、高
引張強度、高伸び率を有する高性能炭素繊維は実現され
得ないことを示している。
本発明者等は、炭素繊維の物性及び構造の相関関係を詳
細に研究をした結果、単に弾性率を向上せしめるには、
三次元的秩序を示す（112）クロス格子線の存在及び（1
00）、（101）回折線の分離が認められるように結晶性
を上げることが重要であるが、反面引張強度が低下する
ことが見受けられ、従って、弾性率の向上と共に高引張
強度、高伸び率を達成するためには三次元的秩序を示す
（112）クロス格子線の存在及び（100）、（101）回折
線の分離は共に認められない方がよく、更に高引張強度
発現のためには該結晶の大きさが比較的小さい緻密な方
が望ましく結晶の大きさを決定する要素である積層厚み
（Lc）及び配向角（φ）が特に適当にバランスした状態
に維持されることが極めて重要であり、又その結果高伸
び率を発揮し得ることがわかった。
細に研究をした結果、単に弾性率を向上せしめるには、
三次元的秩序を示す（112）クロス格子線の存在及び（1
00）、（101）回折線の分離が認められるように結晶性
を上げることが重要であるが、反面引張強度が低下する
ことが見受けられ、従って、弾性率の向上と共に高引張
強度、高伸び率を達成するためには三次元的秩序を示す
（112）クロス格子線の存在及び（100）、（101）回折
線の分離は共に認められない方がよく、更に高引張強度
発現のためには該結晶の大きさが比較的小さい緻密な方
が望ましく結晶の大きさを決定する要素である積層厚み
（Lc）及び配向角（φ）が特に適当にバランスした状態
に維持されることが極めて重要であり、又その結果高伸
び率を発揮し得ることがわかった。
従って、本発明者等の研究実験の結果によると優れた機
械的特性を有する炭素繊維は、Ｘ線構造パラメーターの
配向角（φ）が12°以下、積層厚み（Lc）が80〜180
Å、好ましくは配向角は５〜10°、積層厚みが100〜160
Åであり、又、高引張強度発現のためには層間隔（do
o2）は3.40〜3.45Åであるのが好ましいことを見出し
た。
械的特性を有する炭素繊維は、Ｘ線構造パラメーターの
配向角（φ）が12°以下、積層厚み（Lc）が80〜180
Å、好ましくは配向角は５〜10°、積層厚みが100〜160
Åであり、又、高引張強度発現のためには層間隔（do
o2）は3.40〜3.45Åであるのが好ましいことを見出し
た。
つまり、本発明者等の研究実験の結果によると、適度の
高弾性率と、高引張強度と、高伸び率とを得るには、三
次元的秩序を示す（112）クロス格子線の存在及び（10
0）、（101）回折線の分離は共に認められない方がよ
く、更に、配向角が12°を超えると、得られた炭素繊維
の弾性率が、悪くなるという問題があり、又積層厚みが
80〜160Åの範囲外である場合には、積層厚みが160Åよ
り大きいと十分な炭素繊維の強度が得られ難く積層厚み
が80Åより小さいと十分高い弾性率が得られ難いという
問題点があった。
高弾性率と、高引張強度と、高伸び率とを得るには、三
次元的秩序を示す（112）クロス格子線の存在及び（10
0）、（101）回折線の分離は共に認められない方がよ
く、更に、配向角が12°を超えると、得られた炭素繊維
の弾性率が、悪くなるという問題があり、又積層厚みが
80〜160Åの範囲外である場合には、積層厚みが160Åよ
り大きいと十分な炭素繊維の強度が得られ難く積層厚み
が80Åより小さいと十分高い弾性率が得られ難いという
問題点があった。
本発明による炭素繊維は、配向角が12°以下、積層厚み
が80〜180Åであり、伸び率が0.5％以上であり、高弾性
率と高引張強度及び高伸び率が得られ、本発明による炭
素繊維の伸び率は従来使用されている高弾性率を有する
炭素繊維の伸び率と比較しても高く、従来からの高弾性
率を有する炭素繊維のもろさという問題点を克服した。
が80〜180Åであり、伸び率が0.5％以上であり、高弾性
率と高引張強度及び高伸び率が得られ、本発明による炭
素繊維の伸び率は従来使用されている高弾性率を有する
炭素繊維の伸び率と比較しても高く、従来からの高弾性
率を有する炭素繊維のもろさという問題点を克服した。
次に、本発明に係る炭素繊維の製造方法について説明す
る。
る。
本発明に係る炭素繊維を製造するに際しては、先ず、熱
伝導性の良い挿入部材を入れた紡糸ノズルを使用して紡
糸ノズルにおける溶融ピッチの温度変動、特に温度降下
を最低限度に抑えることにより紡糸し炭素質ピッチ繊維
を得る。このようにして得られたピッチ繊維を窒素ガス
雰囲気下で１フィラメント当り0.0001〜0.2grのテンシ
ョンを付与しながら最低温度120〜190℃から0.005〜0.1
℃／分の昇温速度で最高温度240〜350℃まで加熱して不
融化を行なう。不融化した繊維は、次に不活性ガス中
で、例えばアルゴンガス中で0.1〜10℃／分の昇温速度
で1000℃まで加熱し、更に1000℃から10〜500℃／分の
昇温速度で最高温度1700〜2500℃まで加熱することによ
り高い炭化収率で炭素繊維を得ることができる。
伝導性の良い挿入部材を入れた紡糸ノズルを使用して紡
糸ノズルにおける溶融ピッチの温度変動、特に温度降下
を最低限度に抑えることにより紡糸し炭素質ピッチ繊維
を得る。このようにして得られたピッチ繊維を窒素ガス
雰囲気下で１フィラメント当り0.0001〜0.2grのテンシ
ョンを付与しながら最低温度120〜190℃から0.005〜0.1
℃／分の昇温速度で最高温度240〜350℃まで加熱して不
融化を行なう。不融化した繊維は、次に不活性ガス中
で、例えばアルゴンガス中で0.1〜10℃／分の昇温速度
で1000℃まで加熱し、更に1000℃から10〜500℃／分の
昇温速度で最高温度1700〜2500℃まで加熱することによ
り高い炭化収率で炭素繊維を得ることができる。
これにより、高弾性率でありながら、強度が大で伸び率
が0.5〜1.0％と大きい、炭素繊維を得ることができる。
が0.5〜1.0％と大きい、炭素繊維を得ることができる。
実施例 次に、本発明の高引張強度、高弾性率炭素繊維を実施例
について更に詳しく説明する。
について更に詳しく説明する。
本明細書において、炭素繊維の特性は下記の如き測定方
法を採用した。
法を採用した。
・Ｘ線構造パラメータ 配向角（φ）、積層厚さ（Lcoo2）、層間隔（doo2）は
広角Ｘ線回折より求められる炭素繊維の微細構造を表わ
すパラメータである。
広角Ｘ線回折より求められる炭素繊維の微細構造を表わ
すパラメータである。
配向角（φ）は結晶の繊維軸方向に対する選択的配向の
程度を示すもので、この角度が小さい程配向が良いこと
を意味する。積層厚さ（Lcoo2）は炭素微結晶中の（00
2）面の見掛けの積層の厚さを表わし、一般に積層厚さ
（Lcoo2）が大きい程結晶性が良いと見なされる。又、
層間隔（doo2）は微結晶の（002）面の層間隔を表わ
し、層間隔（doo2）が小さい程結晶性が良いと見なされ
る。
程度を示すもので、この角度が小さい程配向が良いこと
を意味する。積層厚さ（Lcoo2）は炭素微結晶中の（00
2）面の見掛けの積層の厚さを表わし、一般に積層厚さ
（Lcoo2）が大きい程結晶性が良いと見なされる。又、
層間隔（doo2）は微結晶の（002）面の層間隔を表わ
し、層間隔（doo2）が小さい程結晶性が良いと見なされ
る。
配向角（φ）の測定は繊維試料台を使用し、繊維束が計
数管の走査面に垂直になっている状態で、計数管を走査
して（002）回折帯の強度が最大となる回折角２θ（約2
6°）を予め求める。次に計数管をこの位置に保持した
状態で、繊維試料台を360°回転することにより（002）
回折環の強度分布を測定し、強度最大値の1/2の点にお
ける半価幅を配向角（φ）とする。
数管の走査面に垂直になっている状態で、計数管を走査
して（002）回折帯の強度が最大となる回折角２θ（約2
6°）を予め求める。次に計数管をこの位置に保持した
状態で、繊維試料台を360°回転することにより（002）
回折環の強度分布を測定し、強度最大値の1/2の点にお
ける半価幅を配向角（φ）とする。
積層厚さ（Lcoo2）、層間隔（doo2）は繊維を乳鉢で粉
末状にし、学振法「人造黒鉛の格子定数および結晶子の
大きさ測定法」に準処して測定・解析を行ない、以下の
式から求めた。
末状にし、学振法「人造黒鉛の格子定数および結晶子の
大きさ測定法」に準処して測定・解析を行ない、以下の
式から求めた。
Lcoo2＝Ｋλ／βcosθ doo2＝λ/2sinθ ここで、Ｋ＝1.0、λ＝1.5418Å θ：（002）回折角２θより求める β：補正により求めた（002）回折帯の半価幅 又、（112）クロス格子線の存在、及び（100）、（10
1）回折線の分離の判定はステップスキャン法より注目
する範囲について数時間以上積算して、測定し、十分S/
N非が良いスペクトルで行なった。
1）回折線の分離の判定はステップスキャン法より注目
する範囲について数時間以上積算して、測定し、十分S/
N非が良いスペクトルで行なった。
実施例１ 光学的異方性相（AP）を約50％含有する炭素質ピッチを
前駆体ピッチとして使用しこれをローター内有効容積20
0mlの円筒型連続遠心分離装置でローター温度350℃に制
御しつつ遠心力10000GでAP排出口よりピッチを抜き出し
た。得られたピッチは光学的異方性相を98％含み、軟化
点が268℃であった。次に得られたピッチをノズル径0.3
mmの溶融紡糸装置で340℃で紡糸した。このとき使用し
た紡糸装置及び紡糸口金の構造が第１図〜第３図に図示
される。
前駆体ピッチとして使用しこれをローター内有効容積20
0mlの円筒型連続遠心分離装置でローター温度350℃に制
御しつつ遠心力10000GでAP排出口よりピッチを抜き出し
た。得られたピッチは光学的異方性相を98％含み、軟化
点が268℃であった。次に得られたピッチをノズル径0.3
mmの溶融紡糸装置で340℃で紡糸した。このとき使用し
た紡糸装置及び紡糸口金の構造が第１図〜第３図に図示
される。
紡糸装置10はピッチ配管より溶融したピッチ11が注入さ
れた加熱シリンダー12と、該シリンダー12内のピッチを
加圧するプランジャー13と、加熱シリンダー12の底面側
に取付けられた紡糸口金14とを具備し、紡糸口金14は、
紡糸ノズル15が１個穿設されており、ボルト17及び口金
押え18によって加熱シリンダー12の底面側に着脱自在に
固着することによって構成された。紡糸されたピッチ繊
維は紡糸筒19を通過した後巻取りボビン20に巻き取られ
た。
れた加熱シリンダー12と、該シリンダー12内のピッチを
加圧するプランジャー13と、加熱シリンダー12の底面側
に取付けられた紡糸口金14とを具備し、紡糸口金14は、
紡糸ノズル15が１個穿設されており、ボルト17及び口金
押え18によって加熱シリンダー12の底面側に着脱自在に
固着することによって構成された。紡糸されたピッチ繊
維は紡糸筒19を通過した後巻取りボビン20に巻き取られ
た。
本実施例で使用された紡糸口金14に形成された紡糸ノズ
ル15は、大径のノズル導入部15aと、該ノズル導入部15a
に連通して形成された小径のノズル部15bとを有し、大
径のノズル導入部15aと小径のノズル部15bとの間には切
頭円錐形状のノズル遷移部15cが形成された。紡糸口金1
4はステンレス鋼（SUS304）にて作製され、紡糸ノズル1
5部の厚さ（Ｔ）は5mmとされ、大径のノズル導入部15a
及び小径のノズル部15bの長さ（T1）及び（T2）はそれ
ぞれ4mm及び0.65mmとされた。又、大径のノズル導入部1
5a及び小径のノズル部15bの直径（D1）及び（D2）はそ
れぞれ1mm及び0.3mmとされた。
ル15は、大径のノズル導入部15aと、該ノズル導入部15a
に連通して形成された小径のノズル部15bとを有し、大
径のノズル導入部15aと小径のノズル部15bとの間には切
頭円錐形状のノズル遷移部15cが形成された。紡糸口金1
4はステンレス鋼（SUS304）にて作製され、紡糸ノズル1
5部の厚さ（Ｔ）は5mmとされ、大径のノズル導入部15a
及び小径のノズル部15bの長さ（T1）及び（T2）はそれ
ぞれ4mm及び0.65mmとされた。又、大径のノズル導入部1
5a及び小径のノズル部15bの直径（D1）及び（D2）はそ
れぞれ1mm及び0.3mmとされた。
又、紡糸ノズル15の大径ノズル導入部15aには前記紡糸
口金14より大きい熱伝導度を有した、本実施例では銅製
の挿入部材16が配置された。該挿入部材16は、一端16a
が小径ノズル部15の入口に近接し、他端16bは大径ノズ
ル導入部15aの入口より外方へと延在する細長の棒状体
とされ、全長（Ｌ）は20mmであり、直径（ｄ）は、挿入
部材が大径ノズル導入部15aに円滑に挿入され、且つ確
実に保持されるように、大径ノズル導入部15aと挿入部
材16との間の空隙が1/100〜5/100mmとなるように形成さ
れた。
口金14より大きい熱伝導度を有した、本実施例では銅製
の挿入部材16が配置された。該挿入部材16は、一端16a
が小径ノズル部15の入口に近接し、他端16bは大径ノズ
ル導入部15aの入口より外方へと延在する細長の棒状体
とされ、全長（Ｌ）は20mmであり、直径（ｄ）は、挿入
部材が大径ノズル導入部15aに円滑に挿入され、且つ確
実に保持されるように、大径ノズル導入部15aと挿入部
材16との間の空隙が1/100〜5/100mmとなるように形成さ
れた。
又、挿入部材16の該表面には溶融ピッチをノズル部15b
へと流動案内するべく、該挿入部材の軸線方向に沿って
半径（ｒ）が0.15mmの円弧状をした４個の溝18が形成さ
れた。
へと流動案内するべく、該挿入部材の軸線方向に沿って
半径（ｒ）が0.15mmの円弧状をした４個の溝18が形成さ
れた。
上記構成の紡糸装置にて溶融ピッチを紡糸した場合に
は、紡糸ノズルを通過する際の温度降下を30℃以下に抑
えることができた。
は、紡糸ノズルを通過する際の温度降下を30℃以下に抑
えることができた。
このようにして得られたピッチ繊維を窒素雰囲気で開始
温度160℃、最終温度300℃、昇温速度0.01℃／分で不融
化した。このときピッチ繊維には１フィラメント当り0.
001grのテンションを掛けた。
温度160℃、最終温度300℃、昇温速度0.01℃／分で不融
化した。このときピッチ繊維には１フィラメント当り0.
001grのテンションを掛けた。
不融化化処理の終了後、アルゴン雰囲気中で昇温速度１
℃／分、最終温度1000℃で予備炭化を行ない、引続き50
℃／分の昇温速度で2000℃まで昇温し炭化処理を行ない
直径約9.8μｍの炭素繊維を得た。
℃／分、最終温度1000℃で予備炭化を行ない、引続き50
℃／分の昇温速度で2000℃まで昇温し炭化処理を行ない
直径約9.8μｍの炭素繊維を得た。
この炭素繊維は、Ｘ線回折の結果、三次元的秩序の指標
となる（112）クロス格子線の存在及び（100）、（10
1）回折線の分離が共に認められず、積層厚さ（Lcoo2）
が140Å、配向角（φ）が7.1°、層間隔（doo2）が3.42
3Åであつた。又該繊維の物性値は、引張弾性率が610GP
a、引張強度は4.0GPa、繊維の伸び率は0.7％であった。
となる（112）クロス格子線の存在及び（100）、（10
1）回折線の分離が共に認められず、積層厚さ（Lcoo2）
が140Å、配向角（φ）が7.1°、層間隔（doo2）が3.42
3Åであつた。又該繊維の物性値は、引張弾性率が610GP
a、引張強度は4.0GPa、繊維の伸び率は0.7％であった。
比較例１ 実施例１と同一のピッチを用いて、挿入部材なしの紡糸
口金を用いて紡糸温度330℃で紡糸し、得られたピッチ
繊維を空気雰囲気において130℃から0.3℃／分の速度で
255℃まで昇温して不融化した。その他は実施例１と同
様に処理した。
口金を用いて紡糸温度330℃で紡糸し、得られたピッチ
繊維を空気雰囲気において130℃から0.3℃／分の速度で
255℃まで昇温して不融化した。その他は実施例１と同
様に処理した。
この炭素繊維は、Ｘ線回折の結果、三次元的秩序の指標
となる（112）クロス格子線の存在及び（100）、（10
1）回折線の分離が共に認められず、積層厚さ（Lcoo2）
が120Å、配向角（φ）が15°、層間隔（doo2）が3.430
Åであつた。又、該繊維の物性値は、引張弾性率が380G
Pa、引張強度は2.8GPa、繊維の伸び率は0.7％であっ
た。
となる（112）クロス格子線の存在及び（100）、（10
1）回折線の分離が共に認められず、積層厚さ（Lcoo2）
が120Å、配向角（φ）が15°、層間隔（doo2）が3.430
Åであつた。又、該繊維の物性値は、引張弾性率が380G
Pa、引張強度は2.8GPa、繊維の伸び率は0.7％であっ
た。
比較例２ 実施例１と同一のピッチを用いて挿入部材なしの紡糸口
金を用いて、紡糸温度340℃で紡糸し、得られたピッチ
繊維を空気雰囲気中で130℃から0.3℃／分で255℃まで
昇温して不融化した。
金を用いて、紡糸温度340℃で紡糸し、得られたピッチ
繊維を空気雰囲気中で130℃から0.3℃／分で255℃まで
昇温して不融化した。
不融化終了後、アルゴン雰囲気中で3000℃まで昇温して
焼成した。その他は、実施例１と同様に処理した。
焼成した。その他は、実施例１と同様に処理した。
この炭素繊維は、Ｘ線回折の結果、三次元的秩序の指標
となる（112）クロス格子線の存在及び（100）、（10
1）回折線の分離が認められ、積層厚さ（Lcoo2）が590
Å、配向角（φ）が５°、層間隔（doo2）が3.375Åで
あつた。又、該繊維の物性値は、引張弾性率が750GPa、
引張強度2.3GPa、繊維の伸び率は0.3％であった。
となる（112）クロス格子線の存在及び（100）、（10
1）回折線の分離が認められ、積層厚さ（Lcoo2）が590
Å、配向角（φ）が５°、層間隔（doo2）が3.375Åで
あつた。又、該繊維の物性値は、引張弾性率が750GPa、
引張強度2.3GPa、繊維の伸び率は0.3％であった。
比較例３ 実施例１と同一のピッチを用いて挿入部材なしの紡糸口
金を用いて、紡糸温度310℃で紡糸し、得られたピッチ
繊維を空気雰囲気中で130℃から0.3℃／分で255℃まで
昇温して不融化した。
金を用いて、紡糸温度310℃で紡糸し、得られたピッチ
繊維を空気雰囲気中で130℃から0.3℃／分で255℃まで
昇温して不融化した。
不融化終了後、アルゴン雰囲気中で2600℃まで昇温して
焼成を行なった。その他は実施例１と同様に処理した。
焼成を行なった。その他は実施例１と同様に処理した。
この炭素繊維は、Ｘ線回折の結果、三次元的秩序の指標
となる（112）クロス格子線の存在及び（100）、（10
1）回折線の分離が共に認められず、積層厚さ（Lcoo2）
が200Å、配向角（φ）が14℃、層間隔（doo2）が3.394
Åであつた。又、該繊維の物性値は、引張弾性率が480G
Pa、引張強度は2.1GPa、繊維の伸び率は0.4％であっ
た。
となる（112）クロス格子線の存在及び（100）、（10
1）回折線の分離が共に認められず、積層厚さ（Lcoo2）
が200Å、配向角（φ）が14℃、層間隔（doo2）が3.394
Åであつた。又、該繊維の物性値は、引張弾性率が480G
Pa、引張強度は2.1GPa、繊維の伸び率は0.4％であっ
た。
実施例２ 紡糸温度を330℃、焼成温度を1900℃とした以外は実施
例１と同じ材料及び方法にて炭素繊維を得た。
例１と同じ材料及び方法にて炭素繊維を得た。
この炭素繊維は、Ｘ線回折の結果、三次元的秩序の指標
となる（112）クロス格子線の存在及び（100）、（10
1）回折線の分離が共に認められず、積層厚さ（Lcoo2）
が110Å、配向角（φ）が9.5°、層間隔（doo2）が3.43
5Åであつた。又、該繊維の物性値は、引張弾性率が520
GPa、引張強度は3.8GPa、繊維の伸び率は0.7％であっ
た。
となる（112）クロス格子線の存在及び（100）、（10
1）回折線の分離が共に認められず、積層厚さ（Lcoo2）
が110Å、配向角（φ）が9.5°、層間隔（doo2）が3.43
5Åであつた。又、該繊維の物性値は、引張弾性率が520
GPa、引張強度は3.8GPa、繊維の伸び率は0.7％であっ
た。
実施例３ 紡糸温度を345℃、焼成温度を2000℃とした以外は実施
例１と同じ材料及び方法にて炭素繊維を得た。
例１と同じ材料及び方法にて炭素繊維を得た。
この炭素繊維は、Ｘ線回折の結果、三次元的秩序の指標
となる（112）クロス格子線の存在及び（100）、（10
1）回折線の分離が共に認められず、積層厚さ（Lcoo2）
が150Å、配向角（φ）が6.0°、層間隔（doo2）が3.41
0Åであつた。又、該繊維の物性値は、引張弾性率が650
GPa、引張強度は4.1GPa、繊維の伸び率は0.6％であっ
た。
となる（112）クロス格子線の存在及び（100）、（10
1）回折線の分離が共に認められず、積層厚さ（Lcoo2）
が150Å、配向角（φ）が6.0°、層間隔（doo2）が3.41
0Åであつた。又、該繊維の物性値は、引張弾性率が650
GPa、引張強度は4.1GPa、繊維の伸び率は0.6％であっ
た。
発明の効果 本発明に係る特異な結晶構造を有した炭素繊維は、高引
張強度と高弾性率を有する特性を具備し宇宙開発、自動
車、建築物等の軽量構造材料用強化繊維として極めて有
効に使用し得る。更に本発明の高引張強度、高弾性率炭
素繊維は著しく高弾性でありながら、繊維の伸び率は0.
5〜1.0％と大きく、複合材料用強化繊維に使用した場合
には最終製品としての複合材料用強化繊維の性能が向上
するばかりでなくその製造段階においても高弾性率であ
りながら強度が大で繊維の伸び率が大きいために製造時
の糸扱いが非常に容易となり製造効率が大幅に改善され
るという利益がある。
張強度と高弾性率を有する特性を具備し宇宙開発、自動
車、建築物等の軽量構造材料用強化繊維として極めて有
効に使用し得る。更に本発明の高引張強度、高弾性率炭
素繊維は著しく高弾性でありながら、繊維の伸び率は0.
5〜1.0％と大きく、複合材料用強化繊維に使用した場合
には最終製品としての複合材料用強化繊維の性能が向上
するばかりでなくその製造段階においても高弾性率であ
りながら強度が大で繊維の伸び率が大きいために製造時
の糸扱いが非常に容易となり製造効率が大幅に改善され
るという利益がある。
第１図は、本発明に係る炭素繊維を製造するための紡糸
装置に使用される紡糸口金の一実施例の断面図である。 第２図は、第１図の紡糸口金に使用される挿入部材の一
実施例の平面図である。 第３図は、第２図の紡糸口金に使用される挿入部材の一
実施例の平面図である。 14:紡糸口金 15:紡糸ノズル 16:挿入部材
装置に使用される紡糸口金の一実施例の断面図である。 第２図は、第１図の紡糸口金に使用される挿入部材の一
実施例の平面図である。 第３図は、第２図の紡糸口金に使用される挿入部材の一
実施例の平面図である。 14:紡糸口金 15:紡糸ノズル 16:挿入部材
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−104927（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−83319（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−177222（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−295715（ＪＰ，Ａ) 特公 平５−45686（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (3)
- 【請求項１】三次元的秩序を示す（112）クロス格子線
の存在及び（100）、（101）回折線の分離が共に認めら
れず、Ｘ線構造パラメーターの配向角（φ）が12°以下
であり、積層厚み（Lc）が80〜180Åである結晶構造を
有し、単繊維の糸径が５〜12μｍ、引張強度が少なくと
も3.0GPa以上、引張弾性率が少なくとも500GPa以上、そ
して伸び率が0.5％以上であることを特徴とする高強
度、高弾性率のピッチ系炭素繊維。 - 【請求項２】前記結晶の層間隔（doo2）が3.40〜3.45Å
である請求項１記載の高強度、高弾性率のピッチ系炭素
繊維。 - 【請求項３】前記結晶の配向角（φ）は５〜10°であ
り、積層厚み（Lc）は100〜160Åである請求項１又は２
記載の高強度、高弾性率のピッチ系炭素繊維。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1049779A JPH0742615B2 (ja) | 1988-03-28 | 1989-03-03 | 高強度、高弾性率のピッチ系炭素繊維 |
| TW078102132A TW206990B (ja) | 1988-03-28 | 1989-03-22 | |
| US07/327,637 US5114697A (en) | 1988-03-28 | 1989-03-23 | High strength, high modulus pitch-based carbon fiber |
| DE68921658T DE68921658T2 (de) | 1988-03-28 | 1989-03-23 | Pechkohlenstoffaser mit hoher Zugfestigkeit und hohem Elastizitätsmodulus. |
| EP89302979A EP0335622B1 (en) | 1988-03-28 | 1989-03-23 | High strength, high modulus pitch-based carbon fiber |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63-73779 | 1988-03-28 | ||
| JP7377988 | 1988-03-28 | ||
| JP1049779A JPH0742615B2 (ja) | 1988-03-28 | 1989-03-03 | 高強度、高弾性率のピッチ系炭素繊維 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH026623A JPH026623A (ja) | 1990-01-10 |
| JPH0742615B2 true JPH0742615B2 (ja) | 1995-05-10 |
Family
ID=26390232
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1049779A Expired - Lifetime JPH0742615B2 (ja) | 1988-03-28 | 1989-03-03 | 高強度、高弾性率のピッチ系炭素繊維 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5114697A (ja) |
| EP (1) | EP0335622B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0742615B2 (ja) |
| DE (1) | DE68921658T2 (ja) |
| TW (1) | TW206990B (ja) |
Families Citing this family (8)
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