JPS58144128A - 高性能炭素繊維の製法 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アクリロニ）　ＩＪル系織繊維焼成すことに
より、高強度及び高弾性率をイーｆする１愛れた炭素繊
維を製造する方法に関する。

炭素繊維はその優れた機械的特性及び熱安定性を有する
ため、近年、急速にその需要が広まり、かつ需要の広ま
りと共に更に高性能な炭素繊維への要望が高まっており
、特に航空機、自動車等の構造材料への分野には、高強
度及び高弾性率を有する炭素繊維が必要とされてきてい
る。

一般にアクリロニトリル系繊維から炭素繊維を製造する
場合、約２００〜４００℃の酸化性雰囲気中で加熱する
ことにより耐炎化構造を形成し、次いで４００℃以上の
不活性雰囲気中で炭素化することにより優れた性能を有
する炭素繊維が得られる。更に特定条件下で適当な伸長
操作を施すことにより、より高強度、高弾性率を有する
炭素繊維が得られることが知られている。

炭素繊維の弾性率は、炭素繊維を形成している結晶の配
向性と相関があり、配向性の向上は高温処理及び高伸長
操作によって達成することができる。一方、強度は処理
温度１０００〜１５００℃で最高値となり、それ以上で
は低下し、また過大な伸長操作はケバの発生、欠陥点の
助長を促す等強度を低下させる結果となる。従って強度
と弾性率のバランスのとれた高性能な炭素繊維を製造す
ることは困難な状況にある。

従来から４００〜８００℃の温度領域においての伸長操
作が炭素繊維を形成する結晶の配向性の向上に有効であ
ることが報告されており、例えば特開昭５４−１４７２
２号公報には、高強度、高弾性率を有する炭素繊維の製
造法が開示されている。これらの先行技術文献は、いず
れもこの温度領域における熱処理と伸長操作の必要性を
指摘しており、熱処理時に大きな伸長操作を施すことに
より高配向な炭素繊維を製造□ している。しかしながら更に高配向な炭素繊維を製造す
る場合、過大な伸長操作が必要で、このような条件下で
はケバの・発生、欠陥点の助長等により強度の低下を招
くことから好ましい方法ではない。

本発明者らは、このような製造上の問題点を考慮し、炭
素繊維を形成する結晶の配向性を高度に保ちつつ、しか
も強度を向上させることのできる具体的手段を探索した
結果、４０ｔｌ〜８００℃の温度領域におい（高い伸長
速度勾配を付加することにより、過大な伸長操作を施す
ことなく、前記の目的が達成し得ることを見出した。

本発明は、アクリロニ）　ＩＪル系織繊維酸化性雰囲気
中２００〜４００℃で耐炎化したのら、不活性ガス雰囲
気中４００〜８００℃で炭素化し、その際次式 ％式％ ただし　Ｖ：延伸ロールへの供給速度（ｍ／時間）Ｖ：
延伸ロールからの引取速度（ｎ１／時間）１・ １：有効温度炉長又は延伸ロール間距離を満たす伸長速
度勾配（ｕ）で処理を行い、更に１０００℃以上で炭素
化することを特徴とする、高性能炭素繊維の製法である
。

なお（Ｖ−ｖ）／ｖは伸長率、（ｖ＋ｖ）／２１は炉長
に対する平均速度の勾配を意味する。

本発明方法によれば、アクリロニトリル系繊維を焼成す
る際に特定な条件下で高い伸長速度勾配を付加すること
により、強度と弾性率のバランスのとれた高性能な炭素
繊維を製造することができる。また高い伸長速度勾配下
で伸長操作を行うと、同一伸長率でも結晶の配向性が向
上し、また処理時間を短縮することができるため、欠陥
点の生成を防止することができる。

本発明に用いられるアクリロニトリル系繊維としては、
アクリロニトリルを９０モル％以上含有するアクリル系
ポリマーから成る繊維であり、その構成成分としてはア
クリロニトリル以外にメタクリル酸メチル、メタクリル
酸エチル等のメタクリル酸エステル、アクリル酸メチル
、アクリル酸エチル等のアクリル酸エステル、アクリル
酸、メタクリル酸、イタコン酸等のカルボン酸、アクリ
ルアミドなどの共重合成分を総量で１０モル％以下の割
合で含むことができる。

これらアクリロニ）　ＩＪル系織繊維、通常は強度４〜
７　、！ｉｌ／ｄ、伸度２．５〜５％のものである。

これらアクリル系繊眸は必要に応じて適当な油剤、例え
ばアルキジンオキサイド系化合物やシロキサン系化合物
を付加することができる。

本発明を実施するに際しては、まずアクＩＪ　ｕ二）　
ＩＪル系織繊維酸化性雰囲気中で２００〜４００℃で熱
処理し、繊維に耐炎化構造を付与する。この場合、伸長
操作を行うことができるが、過大な伸長操作はケバの発
生、欠陥点の生成となるため０〜２５％の伸長率が好ま
しい。繊維密度を１．３０〜１．４５９　／　ｃｍ３程
度にするため、処理温度及び時間を調整することが必要
である。

次いで不活性雰囲気中で４００〜８００℃の温度領域で
前記の式の範囲で伸長速度勾配（１１）を付加する。伸
長速度勾配の付加には２種の方法すなわち適当な伸長率
で短時間に伸長操作を施す方法と適当な伸長率で供給速
度を速める方法がある。前者は熱処理炉長、延伸ロール
間距離又は有効温度炉長を短がくする方法である。ある
程度の熱処理時間が必要な場合にはゴデツトロール等で
局部的に、伸長操作を行ってもよい。

後者の方法は生産性が高く、前者と組み合わせることに
より、一層効果的な結果が得られる。

本発明方法では、伸長速度勾配を付加するために、前記
のいずれの方法を用いてもよく、また両者を組合わせて
用いることもできる。延伸ロールへの供給速度（ｖ）は
１０〜８０ｍ／時間、有効温度炉長又は延伸ロール間距
離（］）は０．２〜２．５ｍが好ましい。伸長率は　５
〜６０％が好ましく、供給速度（ｖ）及び引取速度（ｖ
）を変えることにより調整することができる。伸長速度
勾配（ｕ）を計算する際には、１として通常は有効温度
炉長が用いられるが、延伸ロールが有効温度炉長内にあ
る場合は延伸ロール間距離が用いられる。

こうして得られた炭素化処理繊維を１０００℃以上の温
度の不活性雰囲気中で、熱処理を行う。１０００℃以上
の不活性雰囲気中での熱処理を施さない場合は高強度及
び高弾性率な炭素繊維を得ることができない。またこの
工程で極端に収縮させると高配向な炭素繊維を得ること
ができない。好ましくは一１０〜＋１０％程度の伸張率
とするのがよい。

下記実施例中の炭素繊維の引張強度及び弾性率は、炭素
繊維のトウにエピコート８２８及びメチルナジック酸無
水物からなるエポキン樹脂を含浸して硬化させ、繊維含
有率約５０％のストランドとして試長２０ｃｒｆＬで測
定した。

実施例１ メチルアクリレート２．５モル％及びアクリル酸１モル
％を含むアクリロニトリル系繊維（全デニール４５６０
１５０００フイラメント、単繊維強度５．０９　、／ｄ
、伸度１６，０％）を連続的に空気中２５０℃で１時間
加熱し、繊維密度１．６８ｇ／ＣＴＬ３　　の耐炎化繊
維を得る。なお空気中での加熱に際しては張力を付与し
、この間の繊維の伸長率を１０％とした。

こうして得られた繊維を、窒素雰囲気中６００℃で伸長
率を変え、炉内の有効温度炉長を第１表に示すように変
更することにより、Ｕ値が第１表に示した値となるよう
な条件下で処理する。更にこの繊維を窒素雰囲気中１２
００℃で１分間定長処理すると炭素繊維が得られる。

得られた炭素繊維の引張強度（ＴＳ）及び弾性率（ＴＭ
）を第１表に示す。Ｕが１０を越える炭素繊維は極めて
高強度かつ高弾性であることが知られる。

第　　１　　表 実施例２ 実施例１で得られた炭素繊維を、更に窒素雰囲気中２６
００℃で１９分間の定員処理を行℃・、得られた炭素繊
維の引張強度及び弾性率を調べた。その結果を第２表に
示す。Ｕ値の１０以上のものに高温処理を行うと、高強
度及び高弾性を有する炭素繊維が得られることが知られ
ろ。

第　　２　　表 出願人　三菱レイヨン株式会社 代理人　弁理土手　埜　正　雄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 アクリロニトリル系繊維を酸化性雰囲気中２００〜４０
   ０℃で耐炎化したのち、不活性ガス雰囲気中４００〜８
   ００℃で炭素化し、その際次式 ％式％ ただし　Ｖ：延伸ロールへの供給速度（ｍ／時間）Ｖ：
   延伸ロールからの引取速度（ｍ／時間）１：有効温度炉
   長文は延伸ロール間距離を満たす伸長速度勾配（ｕ）で
   処理を行い、更に１０００℃以上で炭素化することを特
   徴とする、高性能炭素繊維の製法。