JPH10130963A - 炭素繊維、炭素繊維用プリカーサーおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高引張強度の炭素繊維、ならびにかかる炭素繊
維を生産性よく、かつ効率的に得ることのできる炭素繊
維製造用プリカーサー、およびかかる炭素繊維および炭
素繊維製造用プリカーサーを得るに適した製造方法を提
供する。 【解決手段】下記（１）式で定義される弾性率内外層差
指数Ｋが下記（２）式を満足することを特徴とする炭素
繊維。 Ｋ＝（ＹＭo −ＹＭi ）／Ｄ² …（１） Ｋ≦−５．９６６×１０^-6（ＹＭ）² ＋７．１３６×１
０^-3ＹＭ−１．１…（２） ただし、ＹＭ（ＧＰａ） ：単繊維全体の平均弾性率 ＹＭo （ＧＰａ）：最表層の弾性率 ＹＭi （ＧＰａ）：中心の弾性率 Ｄ（μm ） ：平均単繊維径

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単繊維内外層にわ
たって弾性率分布が小さく、表層の応力負担割合が低
く、高強度である炭素繊維、および、それを得るための
炭素繊維用プリカーサー、およびこれらの製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】炭素繊維は他の繊維に比べて優れた比強
度および比弾性率を有するため、その優れた機械的特性
を利用して樹脂との複合材料用の補強繊維として工業的
に広く利用されている。

【０００３】近年、炭素繊維複合材料の優位性はますま
す高まり、特にスポーツ、航空宇宙用途においては、こ
の炭素繊維複合材料に対する高性能化要求が強い。複合
材料としての特性は炭素繊維そのものの特性に起因する
ところが大きく、この要求はとりもなおさず炭素繊維自
身への高性能化要求である。

【０００４】このような高性能炭素繊維を製造するため
には、特に破断の開始点となるような欠陥の生成を抑制
することが必要である。特に、炭素繊維の破断は大部分
表面から開始しており、表面欠陥の寄与が大きいことが
わかる。それに対して従来、炭素繊維に気相処理、液相
処理、電解処理など種々の後処理をほどこすことによ
り、表層をエッチングして表面欠陥を除去する技術など
が提案された（たとえば、特開昭５８−２１４５２７号
公報、特開昭６１−２２５３３０号公報）。

【０００５】しかし、上記技術によれば強度は向上する
ものの、操作、工程が非常に煩雑になり、現実の生産技
術としては採用が困難で、かつ製造コストが大幅に上昇
するため、生産性に乏しいという問題点を有していた。
炭素繊維への高性能化要求は強いが、同時にコスト意識
も強く、コストパフォーマンスの高い炭素繊維でないと
市場に受け入れられないというのが現状である。

【０００６】本発明者らは、上記従来技術の有する上記
問題点に鑑み、高強度の炭素繊維を生産性よく効率的に
得ることに関して、鋭意検討の結果、本発明に到達し
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高引
張強度の炭素繊維、ならびにかかる炭素繊維を生産性よ
く、かつ効率的に得ることのできる炭素繊維製造用プリ
カーサー、およびかかる炭素繊維および炭素繊維製造用
プリカーサーを得るに適した製造方法を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の炭素繊維は、上
記課題を達成するため、次の構成を有する。すなわち、
下記（１）式で定義される弾性率内外層差指数Ｋが下記
（２）式を満足することを特徴とする炭素繊維。

【０００９】 Ｋ＝（ＹＭo −ＹＭi ）／Ｄ² …（１） Ｋ≦−５．９６６×１０^-6（ＹＭ）² ＋７．１３６×１０^-3ＹＭ−１．１ …（２） ただし、ＹＭ（ＧＰａ） ：単繊維全体の平均弾性率 ＹＭo （ＧＰａ）：最表層の弾性率 ＹＭi （ＧＰａ）：中心の弾性率 Ｄ（μm ） ：平均単繊維径 あるいは、制限視野電子線回折により求めた単糸内外層
配向度比Ｒが１．２５以下であることを特徴とする炭素
繊維である。

【００１０】また、本発明のプリカーサーは、上記課題
を達成するため、次の構成を有する。すなわち、水素原
子との間に水素結合を形成することのできる官能基を含
むことを特徴とする炭素繊維用プリカーサー、または、
カルボニル基、スルホニル基、スルフィニル基のいずれ
か１種以上を１．５重量％以上含むことを特徴とする炭
素繊維用プリカーサーである。

【００１１】また、本発明の炭素繊維製造用プリカーサ
ーの製造方法は、上記課題を達成するため、次の構成を
有する。すなわち、カルボニル基、スルホニル基、スル
フィニル基のいずれか１種以上を含有するポリマーを混
合紡糸することを特徴とする炭素繊維用プリカーサーの
製造方法である。

【００１２】さらに、本発明の炭素繊維の製造方法は、
上記課題を達成するため、次の構成を有する。すなわ
ち、前記炭素繊維用プリカーサーを焼成することを特徴
とする炭素繊維の製造方法である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明についてさらに詳細
に説明する。

【００１４】本発明の炭素繊維は従来の炭素繊維に比較
して単繊維内部の弾性率分布が小さく、その結果、表層
の応力負担割合が軽減されるため、高強度の炭素繊維と
することができる。

【００１５】最表層の弾性率ＹＭo と中心の弾性率ＹＭ
i とは以下のとおりにして求める。まず、化学的または
電気化学的に処理して炭素繊維を元の質量の１０、２
０、３０、４０、５０重量％それぞれエッチングする。

【００１６】化学的に炭素繊維をエッチングする方法に
ついては、たとえば次のような方法をとることができ
る。炭素繊維を最高温度１１００℃、雰囲気として塩素
４：酸素１の混合気を用いて処理して表面をエッチング
する。エッチングの程度は処理時間を変えることでコン
トロールする。また、電気化学的に炭素繊維をエッチン
グする方法については、たとえばＫ．Ｊ．Ｃｈｅｎ、
Ｒ．Ｊ．ＤｉｅｆｅｎｄｏｒｆらがＩｎｔｅｒｎａｔｉ
ｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｏｓ
ｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＩＶ（１９８２）９５〜
１０５ページで報告している方法をとることができる。
それは、炭素繊維を陽極、白金線、銅線、またはニクロ
ム線を陰極として１５〜２００Ｖの直流電圧を付与して
電解エッチングするというものである。

【００１７】続いて、未処理およびエッチングした炭素
繊維について樹脂含浸ストランド法により弾性率を測定
する。すなわち、“ベークライト”ＥＲＬ−４２２１
（登録商標、ユニオン・カーバイド（株）製）／三フッ
化ホウ素モノエチルアミン（ＢＦ₃ ・ＭＥＡ）／アセト
ン＝１００／３／４部を炭素繊維に含浸し、得られた樹
脂含浸ストランドを１３０℃で３０分間加熱して硬化さ
せ、ＪＩＳ−Ｒ−７６０１に規定する樹脂含浸ストラン
ド試験法に従って弾性率を測定した。

【００１８】未処理、１０、２０、３０、４０、５０重
量％エッチングした炭素繊維の弾性率をそれぞれＹＭ、
ＹＭ₁₀、ＹＭ₂₀、ＹＭ₃₀、ＹＭ₄₀、ＹＭ₅₀とする（単位
はすべてＧＰａ）。ＹＭは未処理の炭素繊維の弾性率で
あり、言い換えれば表面から０〜１００重量％部分の平
均弾性率、ＹＭ₁₀は未処理の炭素繊維に対して表面から
１０〜１００重量％部分の平均弾性率であるから、それ
ぞれ表面から５０重量％、５５重量％の部分の弾性率で
あると考えることができる。同様に、ＹＭ₂₀、ＹＭ₃₀、
ＹＭ₄₀、ＹＭ₅₀はそれぞれ６０、６５、７０、７５重量
％部分の平均弾性率であると考えることができるから、
（ｘ、ｙ）＝（５０、ＹＭ）、（５５、ＹＭ₁₀）、（６
０、ＹＭ₂₀）、（６５、ＹＭ₃₀）、（７０、ＹＭ₄₀）、
（７５、ＹＭ₅₀）に対して最少二乗法で下記（４）式で
表される関数を求めると、この式によってｘ（重量％）
エッチングした炭素繊維の最表層の弾性率ｙ（ＧＰａ）
を求めることができる。

【００１９】ｙ＝ａｘ＋ｂ …（４） そこで、上記（４）式に０、１００を代入してそれぞれ
最表層の弾性率ＹＭo（ＧＰａ）と中心の弾性率ＹＭi
（ＧＰａ）とを定義し、下記（１）式によって弾性率内
外層差指数Ｋを求める。

【００２０】Ｋ＝（ＹＭo −ＹＭi ）／Ｄ² …（１） また、平均単繊維径Ｄ（μm ）は次式のようにして求め
る。

【００２１】Ｄ＝（Ｙ／３．１４Ｆｄ）^1/2 ×２０００ Ｙ：繊維目付（ｇ／ｍ） Ｆ：フィラメント数 ｄ：比重 本発明の炭素繊維においては、単繊維内外層にわたる弾
性率分布が小さいため、弾性率内外層差指数Ｋは以下の
関係を満足する。Ｃは１．１である。

【００２２】Ｋ≦−５．９６６×１０^-6（ＹＭ）² ＋
７．１３６×１０^-3ＹＭ−Ｃ 一般に、低弾性率ではＫが比較的小さいものの、弾性率
が高くなるにつれて一旦内外構造差が大きくなってＫが
大きくなり、さらに理論弾性率に近づくに従って再びＫ
は小さくなる傾向を示す。従って、従来得られている炭
素繊維は Ｋ≦−５．９６６×１０^-6（ＹＭ）² ＋７．１３６×１
０^-3ＹＭ−１．１ という関係を満足しない。弾性率分布は小さい方が欠陥
の多い表層の応力負担割合が減少するため、Ｋは小さい
方が好ましい。よって、Ｃは好ましくは１．１５、より
好ましくは１．２、さらに好ましくは１．２５である。

【００２３】また、Ｋは本発明においては０．２２以下
であることが好ましい。Ｋは小さい方が好ましく、さら
に０．２以下が好ましく、０．１８以下がより好まし
く、０．１６以下がさらに好ましい。

【００２４】また、制限視野電子線回折により求めた単
糸内外層配向度比は次のように求める。

【００２５】炭素繊維をその繊維軸方向に引き揃えて常
温硬化型のエポキシ樹脂に包埋し、硬化する。硬化した
炭素繊維包埋ブロックを包埋された炭素繊維の少なくと
も２〜３本が露出するようにトリミングした後、ダイヤ
モンドナイフを装備したミクロトームを用いて、厚さ１
５〜２０ｎｍの超薄切片を作製する。この超薄切片を金
を蒸着したマイクログリッド上に載置して、高分解能電
子顕微鏡を用いて電子線回折をおこなう。この場合に、
炭素繊維の内外構造差を検出するために、制限視野電子
線回折法を用いて特定部分からの電子線回折像を調べ
る。測定条件としては、加速電圧３００ｋＶ、直径０．
２μｍの制限視野絞りで、表層から深さ０．３μｍ以内
の部分、そして単糸中心から０．４μｍ以内の部分それ
ぞれから５点ずつ電子線回折像を撮影する。単糸中心と
は単糸断面における最大半径内接円の中心を言う。

【００２６】続いて、それぞれの電子線回折写真を用い
て、それら電子線回折像の（００２）についてそれぞれ
子午線方向の回折強度の走査プロフィールを作製し、こ
れらの走査プロフィールにつき、半価幅（度）を求め
る。５点からの半価幅の平均Ｈをとり、次式により、配
向度π₀₀₂ （％）を求める。

【００２７】π₀₀₂ ＝１００×（１８０−Ｈ）／１８０ 外層の配向度をπo 、内層の配向度をπi とした時、次
式によって単糸内外層配向度比Ｒを定義する。

【００２８】Ｒ＝πo ／πi 本発明においては電子顕微鏡として日立（株）製のＨ−
９０００ＵＨＲ（透過型）を用いた。

【００２９】本発明の炭素繊維においては、単糸内外層
にわたる弾性率分布が小さいため、内外層配向度比Ｒは
１．２５以下である。配向度分布は小さい方が欠陥の多
い表層の応力負担割合が減少するため、Ｒは好ましくは
１．２以下、より好ましくは１．１以下、さらに好まし
くは１以下である。

【００３０】炭素繊維には、その製造工程に由来する表
面欠陥が存在するが、本発明の炭素繊維においては、弾
性率の単繊維内外層分布が小さく、表面層の応力負担割
合が低いため、結果として強度の高い炭素繊維を得るこ
とができる。すなわち、本発明の炭素繊維は強度が５Ｇ
Ｐａ以上であり、好ましくは６ＧＰａ以上、より好まし
くは７ＧＰａ以上、さらに好ましくは８ＧＰａ以上であ
る。

【００３１】本発明の炭素繊維を得る方法として、水素
原子との間に水素結合を形成することのできる官能基を
含むことを特徴とする炭素繊維用プリカーサー、また
は、カルボニル基、スルホニル基、スルフィニル基のい
ずれか１種以上を１．５重量％以上含むことを特徴とす
る炭素繊維用プリカーサーを用いることができる。

【００３２】カルボニル基、スルホニル基、スルフィニ
ル基は、その構造中の酸素原子とプリカーサーポリマー
中の水素原子との間に水素結合を形成することができ、
焼成工程中、特に炭化工程前半において分子間の引力を
維持することができるため、焼成工程における配向緩和
を抑制できると考えられる。

【００３３】従来技術においても、焼成工程において単
繊維中へ酸素を透過させ、プリカーサーポリマーの酸化
反応をとおしてカルボニル基等を生成し、結果としてあ
る程度配向緩和を抑制することはおこなわれていた。し
かしながら、単繊維中への酸素透過に依存するため、生
成するカルボニル基等酸素を含有する構造は外層には多
いものの、内層には少なく、内層の配向緩和を抑制する
ことができないため、外層の弾性率は高い一方、内層の
弾性率が低下し、大きな弾性率分布を有する炭素繊維し
か得られていないのが実状であった。そのため、表層の
応力負担が大きくて表面欠陥の影響が大きく、高強度の
炭素繊維が得られないという問題点を有していた。

【００３４】本発明の炭素繊維用プリカーサーによれ
ば、すでに焼成する前のプリカーサー中にカルボニル
基、スルホニル基、スルフィニル基をはじめとする水素
原子との間に水素結合を形成することのできる官能基を
有しているため、従来の技術に比較して焼成工程中の内
層の配向緩和を抑制でき、結果として弾性率内外層差指
数Ｋが小さい炭素繊維を初めて得ることができるように
なった。

【００３５】本発明における水素原子との間に水素結合
を形成することのできる官能基とは、カルボニル基、ス
ルホニル基、スルフィニル基等のことを言う。

【００３６】本発明において、炭素繊維用プリカーサー
は、耐炎化、不融化等空気中での熱処理を受けるので、
これらの熱処理後にも残存する耐熱性の高い官能基が好
ましく、これらの官能基としてカルボニル基、スルホニ
ル基、スルフィニル基が挙げられる。

【００３７】本発明におけるカルボニル基、スルホニル
基、スルフィニル基とは、隣接した酸素原子を持たない
ものであることをいう。つまり、カルボン酸、スルホン
酸、スルフィン酸およびそれらの塩、酸無水物、エステ
ルは含まない。これらの官能基が隣接した酸素原糸を有
する場合、比較的耐熱性が低く、プリカーサーの空気中
熱処理中に分解する傾向にあり、配向緩和抑制に効果を
発揮させたい炭化工程前半まで残存させることが難しく
なる。

【００３８】カルボニル基、スルホニル基、スルフィニ
ル基は、プリカーサー中にどのような形態で含有してい
てもよいが、中でもそれら１種以上を含有するポリマー
として、あるいはアクリロニトリル共重合体として含む
ことが好ましい。

【００３９】カルボニル基、スルホニル基、スルフィニ
ル基いずれか１種以上を含有するポリマーの例として
は、ケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエ
ーテルケトンケトン、ポリエーテルスルホン、ポリアミ
ド、ポリイミド、一酸化炭素−エチレン共重合ポリマ
ー、二酸化硫黄- エチレン共重合ポリマー等を挙げるこ
とができる。これらポリマーは、より高い温度まで存在
して配向緩和を抑制するという観点からは耐熱性が高い
方が好ましい。隣接した窒素原子を持つカルボニル基、
スルホニル基、スルフィニル基は耐熱性が低いことがあ
るため、隣接した窒素原子を持たないものであることが
好ましい。

【００４０】ポリマーの耐熱性は次のようにして測定す
ることができる。すなわち、高温型差動ＴＧ−ＤＴＡを
用い、一旦真空引きして窒素で復圧した後、３０ｍｌ／
分の窒素気流下、５００℃／分の昇温速度で６００℃ま
で炭化減量を測定する。この時、室温でのサンプル重量
ｗ₁ と５００℃におけるサンプル重量ｗ₂ との比から次
のように炭化残存率により耐熱性を定義する。

【００４１】 炭化残存率（％）＝１００×（ｗ₂ ／ｗ₁ ） 耐熱性は高い方が好ましいため、ポリマーの炭化残存率
として５重量％以上が好ましく、１０重量％以上がより
好ましく、２０重量％以上がさらに好ましい。後述する
実施例においては、高温型差動ＴＧ−ＤＴＡとして、理
学電機（株）製ＴＡＳ−３００高温型差動ＴＧ−ＤＴＡ
を用いた。

【００４２】これらのカルボニル基、スルホニル基、ス
ルフィニル基を有するポリマーを混合する場合、プリカ
ーサーポリマーとの相溶性が不足すると、海島構造を形
成して島相が大きくなり、期待する配向緩和抑制効果が
発揮されないことがある。目的の効果を大きくするため
には、できるだけ均一にプリカーサーポリマーと混合す
ることが好ましく、そのためにはプリカーサーポリマー
との相溶性改善を目的とした改質をおこなうことが好ま
しい。アクリル系プリカーサーの場合には、アクリロニ
トリルを共重合、あるいはグラフト重合すること等が考
えられる。

【００４３】これらのカルボニル基、スルホニル基、ス
ルフィニル基を有するポリマーを混合する場合の混合量
としては、少なすぎると所期の目的が達成できず、ま
た、多すぎるとかえって得られる炭素繊維の物性が低下
することがあるため、これらのカルボニル基、スルホニ
ル基、スルフィニル基を有するポリマーがポリマー全体
に占める割合は１〜８０重量％が好ましく、３〜５０重
量％がより好ましく、５〜３０重量％がさらに好まし
い。

【００４４】また、カルボニル基、スルホニル基、スル
フィニル基をアクリロニトリル共重合体として含有する
場合、アクリロニトリルと共重合可能なモノマーの例と
してはメチルビニルケトン、ビニルピロリドン、アクリ
ルアミド、メタクリルアミド等を挙げることができる。
この場合も、隣接した窒素原子を持つカルボニル基、ス
ルホニル基、スルフィニル基は耐熱性が低いことがある
ため、隣接した窒素原子を持たないものであることが好
ましい。

【００４５】本発明のプリカーサーはカルボニル基、ス
ルホニル基、スルフィニル基といった含酸素官能基を含
有するため、従来のプリカーサーに比べて酸素含有量が
高い傾向にある。従来のプリカーサーにおける酸素含有
量は高々２〜３重量％であるが、本発明のプリカーサー
において酸素含有量は好ましくは３重量％以上、より好
ましくは４重量％以上、さらに好ましくは５重量％以上
である。

【００４６】本発明において、プリカーサーはアクリル
系繊維、ピッチ系繊維、レーヨン系繊維等いずれでもよ
いが、以下、アクリル系のプリカーサーの製法例につい
て説明する。

【００４７】アクリル系炭素繊維のプリカーサーを構成
するポリアクリロニトリルとしては、アクリロニトリル
８５重量％以上、アクリロニトリルと共重合可能な重合
性不飽和単量体を１５重量％以下含む重合体であること
が好ましい。重合性不飽和単量体としては、アクリル
酸、メタクリル酸、イタコン酸およびそれらのアルカリ
金属塩、アンモニウム塩およびアルキルエステル類、ア
クリルアミド、メタクリルアミドおよびそれらの誘導
体、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸およびそれ
らの塩類またはアルキルエステル類等をあげることがで
き、それらを２種以上組み合わせることもできる。

【００４８】中でも、不飽和カルボン酸等、耐炎化反応
を促進する重合性不飽和単量体を共重合することが好ま
しい。その共重合量は０．１〜１０重量％であることが
好ましく、０．３〜５重量％であることがより好まし
く、０．５〜３重量％であることがさらに好ましい。

【００４９】不飽和カルボン酸の具体例としては、アク
リル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シト
ラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸、メサコン酸等を
あげることができる。また、高強度の炭素繊維を得るた
めには、不飽和カルボン酸のアルキルエステル、酢酸ビ
ニルから選ばれた１種以上を共重合することが好まし
い。その共重合量は０．１〜１０重量％であることが好
ましく、０．３〜５重量％であることがより好ましく、
０．５〜３重量％であることがさらに好ましい。不飽和
カルボン酸のアルキルエステルの具体例としては、アク
リル酸メチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸プロ
ピル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸イソブチル、
メタクリル酸セカンダリーブチル等を挙げることができ
るが、その中でもアクリル酸、メタクリル酸のプロピ
ル、ブチル、イソブチル、セカンダリーブチルエステル
が好ましい。

【００５０】重合方法としては、懸濁重合、溶液重合、
乳化重合など従来公知の方法を採用することができる。
重合度としては、極限粘度（［η］）で好ましくは１．
０以上、より好ましくは１．２５以上、さらに好ましく
は１．５以上である。なお、［η］は５．０以下にする
のが紡糸安定性の点から好ましい。

【００５１】溶液紡糸の場合の溶媒は、有機、無機の公
知の溶媒を使用することができ、具体的にはジメチルス
ルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトア
ミド、硝酸、ロダンソーダ水溶液および塩化亜鉛水溶液
などを溶媒とするポリマー溶液を紡糸原液とする。

【００５２】カルボニル基、スルホニル基、スルフィニ
ル基を含有するポリマーを混合する場合、ポリアクリロ
ニトリルの溶媒と混合するポリマーの溶媒とは同一であ
ることが好ましいが、それには限定されず、複数の溶媒
を使用することも可能である。

【００５３】重合体は公知の方法によってプリカーサー
とすることができる。紡糸は、直接凝固浴中へ紡出する
湿式紡糸法や、一旦空気中へ紡出した後に浴中凝固させ
る乾湿式紡糸法、あるいは乾式紡糸法、溶融紡糸によっ
てもよいが、高強度の炭素繊維を得るためには乾湿式紡
糸が好ましい。

【００５４】溶媒、可塑剤を使用する紡糸方法による時
には、紡出糸を直接浴中延伸してもよいし、また、水洗
して溶媒、可塑剤を除去した後に浴中延伸してもよい。
浴中延伸の条件は、通常、５０〜９８℃の延伸浴中で約
２〜６倍に延伸する。後述する膨潤度を低下させて高強
度の炭素繊維を得るためには、より高温で延伸すること
が好ましく、延伸浴の最高温度は５０℃以上であること
が好ましく、７０℃以上がより好ましく、９０℃以上が
さらに好ましい。浴中延伸後の糸条はホットドラムなど
で乾燥することによって乾燥緻密化が達成される。乾燥
温度、時間などは適宜選択することができる。また、必
要に応じて乾燥緻密化後の糸条をより高温（たとえば加
圧スチーム中）で延伸することもおこなわれ、これらに
よって、所定の繊度、配向度を有するプリカーサーとす
ることができる。

【００５５】乾燥緻密化に先立って、耐熱性付与を目的
としてシリコーン油剤を付与することが高強度の炭素繊
維を得る観点から好ましい。シリコーン油剤は、未変性
のもの、あるいは変性されたものいずれでもよいが、中
でも、アミノ変性シリコーン、エポキシ変性シリコー
ン、エチレンオキサイド変性シリコーンが好ましく、こ
れらの変性シリコーンを２種以上組み合わせて使用する
ことがより好ましい。

【００５６】強度の高い炭素繊維を得るためには、緻密
性の高いプリカーサーが有効である。緻密性としては、
ヨウ素吸着法による明度差ΔＬの値が、好ましくは４５
以下、より好ましくは３０以下、さらに好ましくは１５
以下の緻密なプリカーサーがよい。ΔＬが４５以下の緻
密なプリカーサーを得るための手段としては、乾湿式紡
糸、紡糸原液の高濃度化、紡糸ポリマーの親水性向上、
紡糸原液および凝固浴液の低温化および凝固時の低張力
化などにより凝固糸の膨潤度を低くおさえ、かつ浴延伸
時の延伸段数、延伸倍率および延伸温度の最適化により
浴延伸糸の膨潤度を低くおさえることが有効である。凝
固糸の膨潤度は２２５以下であることが好ましく、２０
０以下がより好ましく、１７５以下がさらに好ましい。
乾燥緻密化する直前の膨潤糸条の膨潤度は２００以下で
あることが好ましく、１５０以下がより好ましく、１０
０以下がさらに好ましい。

【００５７】膨潤度の測定方法は次のとおりである。膨
潤糸を１０ｇ程度サンプリングして流水中で３０分間水
洗した後、遠心脱水（２０００ｒｐｍ×１分）してすば
やく秤量する（ｗ3 ）。次に１２０℃で２時間乾燥した
後に秤量し（ｗ4 ）、次式によって膨潤度Ａとする。

【００５８】Ａ＝（ｗ3 −ｗ4 ）／ｗ4 ×１００ なお、ΔＬは以下の方法により求めた値である。繊維長
５〜７ｃｍの乾燥試料を約０．５ｇ精秤し、２００ｍｌ
の共栓付三角フラスコに採り、これにヨウ素溶液
（Ｉ₂ ：５１ｇ、２、４−ジクロロフェノール１０ｇ、
酢酸９０ｇおよびヨウ化カリウム１００ｇを精秤し、１
ｌのメスフラスコに移して水で溶かして定容とする）１
００ｍｌを加えて、６０℃で５０分間振盪しながら吸着
処理をおこなう。ヨウ素を吸着した試料を流水中で３０
分間水洗した後、遠心脱水（２０００ｒｐｍ×１分）し
てすばやく風乾する。この試料を開繊した後、ハンター
型色差計で明度（Ｌ値）を測定する（Ｌ1 ）。一方、ヨ
ウ素の吸着処理をおこなわない対応の試料を開繊し、同
様に前記ハンター型色差計で、明度（Ｌ0 ）を測定し、
Ｌ0 −Ｌ1 により明度差ΔＬを求める。なお、後述する
実施例においては、ハンター型色差計として、カラーマ
シン（株）製、ＣＭ−２５型を用いた。

【００５９】本発明において、プリカーサーの単繊維繊
度としては、強度向上の観点から引き続く耐炎化工程お
いて焼成ムラを起こさないよう細い方が好ましく、好ま
しくは１．５ｄ以下、より好ましくは１．０ｄ以下、さ
らに好ましくは０．１〜０．８ｄである。

【００６０】本発明においてはポリマーを混合する場
合、その混合方法としては、ホモミキサー等によってあ
らかじめ混合した後紡糸に供してもよいし、それぞれの
ポリマーを紡出直前にスタティックミキサー等によって
混合してもよい。また、あらかじめ重合時の溶媒に混合
するポリマーを溶解、あるいは乳化などの方法で分散さ
せておいてから紡糸原液を重合することもできる。

【００６１】混合されたポリマーは完全に相溶していて
もよいし、また、非相溶状態で分散された状態で存在し
ていてもよいが、本発明の効果を一層明瞭にするために
は相溶していることが好ましい。このようにして得られ
た炭素繊維製造用プリカーサーは、均一、もしくは分散
した状態のポリアクリロニトリルとそれ以外のポリマー
の混合物よりなる。そして、単繊維間の均一性という点
から、混合状態は均一であるか、もしくは分散状態の構
造周期が単繊維径に比べて小さい方が好ましく、ポリア
クリロニトリルとの相溶性を制御するため、混合するポ
リマーを共重合、化学修飾等の方法で変性することも可
能であり、また、アクリロニトリルと混合するポリマー
を構成する単量体とのブロック共重合体、グラフト重合
体等よりなる相溶剤をさらに混合することもできる。単
繊維間の均一性が不足すると、焼成挙動にむらが発生
し、毛羽発生等の原因となることがある。

【００６２】かかるプリカーサーを焼成することにより
高性能な炭素繊維とすることができる。耐炎化条件とし
ては、従来公知の方法を採用することができ、酸化性雰
囲気中２００〜３００℃の範囲で、緊張、あるいは延伸
条件下が好ましく使用され、密度が好ましくは１．２５
ｇ／ｃｍ³ 以上、より好ましくは１．３０ｇ／ｃｍ³以
上に達するまで加熱処理される。この密度は、１．６０
ｇ／ｃｍ³ 以下にとどめるのが一般的であり、これ以上
にすると、物性が低下することがある。

【００６３】一般に雰囲気については、公知の空気、酸
素、二酸化窒素、塩化水素などの酸化性雰囲気を使用で
きるが、経済性の面から空気が好ましい。

【００６４】耐炎化を完了した糸条は、従来公知の方法
で不活性雰囲気中炭化処理をおこなう。炭化温度として
は、得られる炭素繊維の物性から１０００℃以上が好ま
しく、さらに必要に応じて２０００℃以上の温度で黒鉛
化することができる。また、３５０〜５００℃および１
０００〜１２００℃における昇温速度は好ましくは５０
０℃／分以下であり、より好ましくは３００℃／分以
下、さらに好ましくは１５０℃／分以下である。これに
より、ボイドなど内部欠陥の少ない緻密な炭素繊維を得
ることができる。なお、この昇温速度が１０℃／分以下
では生産性が低くなりすぎる。また、３５０〜５００℃
あるいは２３００℃以上において好ましくは１％以上、
より好ましくは５％以上、さらに好ましくは１０％以上
の延伸をおこなうことが緻密性向上の上で重要である。
なお、４０％をこえる延伸は毛羽が発生しやすくなるた
め好ましくない。

【００６５】そして、このようにして得られた炭素繊維
は、酸またはアルカリ水溶液からなる電解槽中で電解酸
化処理を施したり、気相または液相での酸化処理を施す
ことにより、複合材料における炭素繊維とマトリックス
樹脂との親和性や接着性を向上させることが好ましい。

【００６６】特に、短時間で酸化処理でき、酸化程度の
コントロールが容易であることから電解酸化が好まし
い。電解処理の電解液としては酸性、アルカリ性いずれ
も採用できる。酸性電解質としては硫酸、硝酸、塩酸、
酢酸、酪酸、硫酸アンモニウム、硫酸水素アンモニウム
等が挙げられる。好ましくは強酸性を示す硫酸、硝酸が
好ましい。アルカリ性電解質としては水酸化ナトリウ
ム、水酸化カリウム、アンモニア、あるいは、ナトリウ
ム、カリウム、アンモニア等の炭酸塩、炭酸水素塩、酢
酸塩等、水酸化テトラエチルアンモニウム、ヒドラジン
等が挙げられるが、樹脂の硬化障害をおこすアルカリ金
属を含まない炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウ
ム、水酸化テトラアルキルアンモニウム類等が好まし
い。

【００６７】電気量は被処理炭素繊維の炭化度に合わせ
て最適化することが好ましく、高弾性率糸はより大きな
電気量で電解処理することが好ましい。また、電解処理
をおこなった後、水洗および乾燥することが好ましい。

【００６８】さらに、必要に応じて従来公知の技術によ
りサイジング付与などをおこなうことができる。

【００６９】上記のような本発明を用いることにより、
機械的特性、たとえば、樹脂含浸ストランドにおける引
張弾性率を２００ＧＰａ以上、好ましくは２２０ＧＰａ
以上、より好ましくは２４０ＧＰａ以上、さらに好まし
くは２８０〜１０２０ＧＰａとする炭素繊維を得ること
ができる。

【００７０】

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに具体的に
説明する。

【００７１】なお、強度、弾性率は樹脂含浸ストランド
法に従って次のようにして求めた。炭素繊維束に“ベー
クライト”ＥＲＬ−４２２１／三フッ化ホウ素モノエチ
ルアミン（ＢＦ₃ ・ＭＥＡ）／アセトン＝１００／３／
４部を含浸し、得られた樹脂含浸ストランドを１３０℃
で３０分間加熱して硬化させ、ＪＩＳ−Ｒ−７６０１に
規定する樹脂含浸ストランド試験法にしたがって測定し
た。

【００７２】また、ここで、結晶サイズLcとは、Ｘ線回
折により次のとおり求められる結晶サイズ（ｎｍ）をい
う。すなわち、Ｘ線源として、Ｎｉフィルターで単色化
されたＣｕのＫα線を用い、２θ＝２６．０°付近に観
察される面指数（００２）のピークを赤道方向にスキャ
ンして得られたピークからその半価幅を求め、次の式に
より算出した値を結晶サイズLcとする。

【００７３】Lc＝λ／（β₀ cos θ） ここで、λ：Ｘ線の波長（この場合０．１５４１８ｎ
ｍ）、θ：回折角、β₀：真の半価幅を言う。なお、β
₀ は次の式により算出される値を用いる。

【００７４】β₀ ＝（β_e ² −β_l ² ）^1/2 ここで、β_e ：見かけの半価幅、β_l ：装置定数（理学
電機社製4036A2型Ｘ線発生装置を出力３５ｋＶ、１５ｍ
Ａで使用した場合、１．０５×１０^-2 rad）をいう。

【００７５】また、繊維軸方向の配向度π₀₀₂ は次のよ
うに測定した。結晶サイズＬｃの場合と同様に試料を調
整し、同様の解析手法により得られた（００２）回折の
最高強度を含む子午線方向のプロフィールの広がりの半
価幅（Ｈ゜）から次式を用いて結晶配向度π₀₀₂ （％）
を求めた。

【００７６】 π₀₀₂ ＝［（１８０−Ｈ）／１８０］×１００ 実施例１ ジメチルスルホキシドを溶媒とする溶液重合法により、
アクリロニトリル９４重量％、イタコン酸１重量％、イ
ソブチルメタクリレート１重量％とメチルアクリレート
４重量％とからなる［η］が１．７０、重合体濃度２０
重量％のポリマー原液を得た。また、ケトン樹脂“ハイ
ラック”110Hをジメチルスルホキシドに２０重量％にな
るよう溶解し、これらをポリマー全体に対するケトン樹
脂の比率が１０重量％となるように混合して紡糸原液を
調整した。これを、３０００フィラメント用の口金を通
じて一旦空気中に吐出して約３ｍｍの空間部分を走行さ
せた後、１０℃のジメチルスルホキシド３０重量％水溶
液中で凝固させ、凝固糸条を水洗後、４倍まで浴延伸
し、アミノ変性シリコーン油剤２重量％からなる工程油
剤を付与して乾燥緻密化した。さらに、加圧スチーム中
で２．５倍まで延伸して単繊維繊度０．８ｄ、総繊度２
４００Ｄのプリカーサーを得た。混合したケトン樹脂は
カルボニル基含有量が２１．２重量％であるので、プリ
カーサーとしての含有量は２．１２重量％であった。ま
た、混合したケトン樹脂の炭化残存量は３０重量％であ
った。

【００７７】得られたプリカーサーを２４０〜２８０℃
の空気中で、延伸比１．０５で加熱して密度１．３７ｇ
／ｃｍ³ の耐炎化糸を得た。ついで、窒素雰囲気中３５
０〜５００℃の温度領域での昇温速度を２００℃／分と
し、２％の延伸をおこなった後、さらに１４００℃まで
焼成した。

【００７８】続いて濃度０．１モル／ｌの硫酸水溶液を
電解液として、１０クーロン／ｇで電解処理、水洗し、
１５０℃の加熱空気中で乾燥した。このようにして得ら
れた炭素繊維の物性を表１に示す。

【００７９】実施例２ ジメチルスルホキシドを溶媒とする溶液重合法により、
アクリロニトリル９４重量％、イタコン酸１重量％、イ
ソブチルメタクリレート１重量％とメチルアクリレート
４重量％とからなる［η］が１．７０、重合体濃度２０
重量％のポリマー原液を得た。また、ケトン樹脂“ハイ
ラック”110Hをジメチルスルホキシドに１５重量％にな
るよう溶解した後、そこでアクリロニトリルを重合し、
合計ポリマー濃度が２０重量％のアクリロニトリル改質
したケトン樹脂を得た。改質したアクリロニトリル部分
を除いたケトン樹脂の比率がポリマー全体の１０重量％
となるように混合して紡糸原液を調整した。後は、実施
例１と同様にして炭素繊維を得た。物性を表１に示す。
表１に示した以外の特性値は次のとおりである。比重は
１．７７、Ｘ線による配向角π002 は８３．０％、結晶
サイズＬｃは１．７ｎｍであった。

【００８０】比較例１ ケトン樹脂を混合しなかったこと以外は実施例１と同様
にして炭素繊維を得た。物性を表１に示す。

【００８１】実施例３ 混合するポリマーをポリエーテルスルホンとし、ジメチ
ルスルホキシドの１０重量％溶液として混合すること以
外は実施例１と同様にして炭素繊維を得た。物性を表１
に示す。混合したポリエーテルスルホンはスルホニル基
含有量が２７．６重量％であるため、混合後のスルホニ
ル基含有量は２．７６重量％であった。また、炭化残存
率は２５重量％であった。

【００８２】実施例４ ジメチルスルホキシドを溶媒とする溶液重合法により、
アクリロニトリル９２重量％、イタコン酸１重量％、イ
ソブチルメタクリレート１重量％とＮ−ビニル−２−ピ
ロリドン６重量％とからなる［η］が１．７０、重合体
濃度２０重量％の紡糸原液を得た。これを３０００フィ
ラメント用の口金を通じて一旦空気中に吐出して約３ｍ
ｍの空間部分を走行させた後、１０℃のジメチルスルホ
キシド３０重量％水溶液中で凝固させ、凝固糸条を水洗
後、４倍まで浴延伸し、アミノ変性シリコーン油剤２重
量％からなる工程油剤を付与してから乾燥緻密化した。
さらに、加圧スチーム中で２．５倍まで延伸して単繊維
繊度０．８ｄ、総繊度２４００Ｄのプリカーサーを得
た。Ｎ−ビニル−２−ピロリドンのカルボニル基含有量
は２５．２重量％であるから、プリカーサーとしてのカ
ルボニル基含有量は１．５重量％であった。

【００８３】得られたプリカーサーを２４０〜２８０℃
の空気中で、延伸比１．０５で加熱して密度１．３７ｇ
／ｃｍ³ の耐炎化糸を得た。ついで、窒素雰囲気中３５
０〜５００℃の温度領域での昇温速度を２００℃／分と
し、２％の延伸をおこなった後、さらに１４００℃まで
焼成した。

【００８４】続いて濃度０．１モル／ｌの硫酸水溶液を
電解液として、１０クーロン／ｇで電解処理、水洗し、
１５０℃の加熱空気中で乾燥した。このようにして得ら
れた炭素繊維の物性を表１に示す。

【００８５】比較例２ 共重合組成がアクリロニトリル９８重量％、イタコン酸
１重量％とイソブチルメタクリレート１重量％からなる
こと以外は実施例４と同様にして炭素繊維を得た。物性
を表１に示す。

【００８６】実施例５ 共重合組成がアクリロニトリル９０重量％、イタコン酸
１重量％、イソブチルメタクリレート１重量％、メチル
アクリレート２重量％とＮ−ビニル−２−ピロリドン６
重量％からなること以外は実施例４と同様にして炭素繊
維を得た。物性を表１に示す。プリカーサーとしてのカ
ルボニル基含有量は１．５重量％であった。

【００８７】実施例６ 共重合組成がアクリロニトリル９４重量％、イタコン酸
１重量％、イソブチルメタクリレート１重量％とメチル
ビニルケトン４重量％とからなること以外は実施例４と
同様にして炭素繊維を得た。物性を表１に示す。メチル
ビニルケトンのカルボニル基含有量は４０．０重量％で
あるから、プリカーサーとしてのカルボニル基含有量は
１．６重量％であった。

【００８８】実施例７ 共重合組成がアクリロニトリル９５重量％、イタコン酸
１重量％とメチルビニルケトン４重量％とからなること
以外は実施例４と同様にして炭素繊維を得た。物性を表
１に示す。プリカーサーとしてのカルボニル基含有量は
１．６重量％であった。

【００８９】比較例３ 共重合組成がアクリロニトリル９８重量％、イタコン酸
１重量％とイソブチルメタクリレート１重量％とからな
ること以外は実施例７と同様にして炭素繊維を得た。物
性を表１に示す。

【００９０】実施例８ 実施例２と同様にしてプリカーサーを得た。

【００９１】得られたプリカーサーを２４０〜２８０℃
の空気中で、延伸比１．０５で加熱して密度１．３７ｇ
／ｃｍ³ の耐炎化糸を得た。ついで、窒素雰囲気中３５
０〜５００℃の温度領域での昇温速度を２００℃／分と
し、２％の延伸をおこなった後、さらに１７００℃まで
焼成し、さらに５％の延伸をおこないながら２５００℃
で焼成した。

【００９２】続いて濃度０．１モル／ｌの硫酸水溶液を
電解液として、１００クーロン／ｇで電解処理、水洗
し、１５０℃の加熱空気中で乾燥した。このようにして
得られた炭素繊維の物性を表１に示す。表１に示した以
外の特性値は次のとおりである。比重は１．８５、Ｘ線
による配向角π002 は９３．０％、結晶サイズＬｃは
４．４ｎｍであった。

【００９３】比較例４ 比較例１と同様にしてプリカーサーを得た。

【００９４】得られたプリカーサーを実施例８と同様に
して焼成、後処理した。このようにして得られた炭素繊
維の物性を表１に示す。

【００９５】実施例９ プリカーサーの単繊維繊度が１．０ｄ、総繊度が３００
０Ｄであること以外は実施例２と同様にして炭素繊維を
得た。物性を表１に示す。

【００９６】比較例５ プリカーサーの単繊維繊度が１．０ｄ、総繊度が３００
０Ｄであること以外は比較例１と同様にして炭素繊維を
得た。物性を表１に示す。

【００９７】実施例１０ プリカーサーの単繊維繊度が１．０ｄ、総繊度が３００
０Ｄであること、耐炎化延伸比が０．９０、１４００℃
焼成での延伸比が０．９５であること以外は実施例２と
同様にして炭素繊維を得た。物性を表１に示す。

【００９８】比較例６ プリカーサーの単繊維繊度が１．０ｄ、総繊度が３００
０Ｄであること、耐炎化延伸比が０．９０、１４００℃
焼成での延伸比が０．９５であること以外は比較例１と
同様にして炭素繊維を得た。物性を表１に示す。

【００９９】

【表１】 なお、図１は弾性率内外層差指数Ｋと弾性率（ＧＰａ）
との関係を示すグラフであり、放物線、または直線の下
側が本発明の範囲であって、○印が実施例、×印が比較
例に対応する。印の側の数字はそれぞれ実施例、比較例
の番号に対応する。また、□印は文献データから計算し
てプロットしたものである。文献は次のとおりである。

【０１００】Ｋ．Ｍｏｒｉｔａ、Ｈ．Ｍｉｙａｃｈｉ、
Ｋ．Ｋｏｂｏｒｉ ａｎｄ Ｉ．Ｍａｔｓｕｂａｒａ
Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐ．−Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ
９（１９７７）ｐｐ１９３−１９８ Ｋ．Ｊ．Ｃｈｅｎ ａｎｄ Ｒ．Ｊ．Ｄｉｅｆｅｎｄｏ
ｒｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎ
ｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ
ＩＶ（１９８２）ｐｐ９５〜１０５ また、図２は図１の一部分を拡大したものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】弾性率内外層差指数Ｋと弾性率（ＧＰａ）との
関係を示すグラフである。

【図２】図１の一部分を拡大したグラフである。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下記（１）式で定義される弾性率内外層差
   指数Ｋが下記（２）式を満足することを特徴とする炭素
   繊維。 Ｋ＝（ＹＭo −ＹＭi ）／Ｄ² …（１） Ｋ≦−５．９６６×１０^-6（ＹＭ）² ＋７．１３６×１０^-3ＹＭ−１．１ …（２） ただし、ＹＭ（ＧＰａ） ：単繊維全体の平均弾性率 ＹＭo （ＧＰａ）：最表層の弾性率 ＹＭi （ＧＰａ）：中心の弾性率 Ｄ（μm ） ：平均単繊維径
2. 【請求項２】前記（１）式で定義される弾性率内外層差
   指数Ｋが下記（３）式を満足することを特徴とする炭素
   繊維。 Ｋ≦０．２２ …（３）
3. 【請求項３】制限視野電子線回折により求めた単糸内外
   層配向度比Ｒが１．２５以下であることを特徴とする炭
   素繊維。
4. 【請求項４】水素原子との間に水素結合を形成すること
   のできる官能基を含むことを特徴とする炭素繊維用プリ
   カーサー。
5. 【請求項５】カルボニル基、スルホニル基、スルフィニ
   ル基のいずれか１種以上を１．５重量％以上含むことを
   特徴とする炭素繊維用プリカーサー。
6. 【請求項６】カルボニル基、スルホニル基、スルフィニ
   ル基のいずれか１種以上を含有するポリマーを含むこと
   を特徴とする請求項４または５に記載の炭素繊維用プリ
   カーサー。
7. 【請求項７】カルボニル基、スルホニル基、スルフィニ
   ル基のいずれか１種以上をアクリロニトリル共重合体と
   して含むことを特徴とする請求項４〜６いずれかに記載
   の炭素繊維用プリカーサー。
8. 【請求項８】カルボニル基、スルホニル基、スルフィニ
   ル基のいずれか１種以上を含有するポリマーを混合紡糸
   することを特徴とする炭素繊維用プリカーサーの製造方
   法。
9. 【請求項９】請求項４〜７のいずれかに記載の炭素繊維
   用プリカーサーを焼成することを特徴とする炭素繊維の
   製造方法。