JPS5837411B2 - 炭素繊維の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高強度炭素繊維の製造法に係り、更に詳しくは
特定の延伸条件下で延伸を施したアクリル系重合体繊維
糸条を耐炎化時特定の範囲の収縮を附与せしめて耐炎化
処理したのち，炭素化することによって３ ０ ０Ｋ９
／ｍ１Ａ以上の強度を有する炭素繊維の製造法に関する
ものである。

従来炭素繊維はアクリル系重合体繊維を原料として、酸
化性雰囲気中２００〜３５０℃で耐炎化処理したのち、
不活性雰囲気中ＳＯＯ〜１７００℃で炭素化処理するこ
とによって製造されることは既知である。

このようにして得られた炭素繊維は強度．弾性率が高く
かつ比重が小さいために各種スポーツ用の材料として又
高速輸送機や高速回転体のような構造材に使用されはじ
めている。

しかしながら従来の炭素繊維の強度は２００〜２ ９
０１’９／ｒｔｔｙ７ｔ程度であり、一層の用途の拡大
をはかるには更に高い強度の炭素繊維が要求されている
現状にある。

本発明者等はこのような要望に対応すべく鋭意研究の結
果、アクリル系重合体溶液を紡出し、水洗して脱溶媒，
乾燥したのち繊維を１０５〜１５０℃の飽和水蒸気中で
、特定の延伸条件下において延伸を行ない得られた繊維
糸条を原料として耐炎化時，特定の範囲の収縮率を附与
する条件下において耐炎化処理したのち１炭素化するこ
とによって３ ０ ０ｋｇ／，７Ａ以上の高強度炭素繊
維を製造しうろことを見出し本発明に到ったものである
。

すなわち本発明はアクリル系重合体溶液を紡出し、水洗
して脱溶媒したのち１０５〜１５０℃の飽和水蒸気中で
該繊維糸条の最大延伸倍率に対し７５〜８５多となるご
とく延伸して得た繊維糸条を２００〜３５０℃の酸化雰
囲気中で８〜１８悌収縮するごとく耐炎化処理したのち
ＳＯＯ℃以上の不活性ガス雰囲気中で炭素化処理する方
法である。

アクリル系重合体溶液とはアクリロニトリル９５重量φ
以上とアクリル酸メチル、アクリルアミド，アクリル酸
エチル，アクリル酸等公知の単量体を単独又は共重合せ
しめた重合体を、塩化亜鉛を５５重量％以上含む水溶液
、ジメチルホルムアミド、チオシアン酸ナトリウム等の
アクリル系重合体に対する公知の溶媒に溶解した溶液で
ある。

アクリル系重合体溶液中の重合体濃度は、夫々の溶媒に
対し異なるが溶液粘度が８０〜２００ポイズになるよう
にして通常８〜２５重量φが好ましい。

又重合体の分子量はスタウジンガーの式より求めた値で
５〜１０万のものが適当である。

このようにして得られた重合体溶液を、夫々の重合体溶
液に使用した溶媒の希薄水溶液中に０．０ ８〜０．０
！５ｍｍ直径の１０００ 〜１０．０００個の細孔を
有するノズルを通して紡出し水洗して脱溶媒する。

脱溶媒の間に１〜３倍延伸したのち水分率５φ以下にな
るように乾燥して緻密化する。

水分率が５咎を越えると延伸時に緻維が失透を生じるの
で好ましくない。

次いで乾燥した該繊維糸条を１０５〜１５０℃の飽和水
蒸気中にて０．１〜１０秒間それぞれの温度における該
アクリル繊維糸条の最大延伸率の７５〜８５幅の範囲に
おいて延伸する。

この場合飽和水蒸気温度が１０５℃以下では充分延伸が
行なえないため炭素繊維とした場合の強度が低くなる。

一方１５０℃以上の場合は延伸性が逆に低下するので好
ましくない。

ここで最大延伸とは乾燥した繊維を切断するまで延伸し
たときの延伸前の繊維長に対する延坤後の繊維長さの比
である。

通常延伸は飽和水蒸気を※浸満たした容器とその前後に
供給および引取ローラーを配した装置に繊維糸条を通し
て連続的に延伸する。

その際の供給ローラー速度に対する引取ローラー速度の
比で示す。

本発明においてはこの最大延伸率の７５〜８５係の範囲
で延伸することが必要である。

更に重要なことはこのような延伸を施した繊維糸条を耐
炎化時．酸化性雰囲気中で８〜１８係の収縮範囲で耐炎
化処理することである。

このいずれか一方の条件が満たされていない場合は得ら
れた炭素繊維の強度は満足するものができない。

第１表にアクリロニトリル９７．５重量φとアクリル酸
メチル２．５重量係を共重合してなるアクリル系重合体
を濃厚塩化亜鉛水溶液に１０重量係を溶解した重合体溶
液から紡出し脱溶媒し、脱溶媒を行なう間に３倍延伸し
たのち乾燥して得られた繊維糸条を１１５℃の飽和水蒸
気中で最大延伸率の７０，８０，９０，９５φでそれぞ
れ延伸した繊維につき、２５０℃の空気中で耐炎化する
際収縮を変えて耐炎化処理した耐炎繊維を実施例１と同
様にし，て炭素繊維を製造した場合の物性を示す。

第１表の如く最大延伸率に対する延伸の割合が高ければ
高いほどアクリル系繊維の強度は高くなるのに対し、炭
素繊維の強度は最大延伸率に対する延伸の割合が８０多
近傍で最も高い値を示し．更にこの延伸を施した繊維を
耐炎化時に１０％．１５袈の収縮で耐炎化した場合一層
高い強度の炭素繊維力Ｓ得られること力Ｓ明らかとなっ
た。

耐炎化は空気、酸素等の酸化性雰囲気中で２００〜３５
０℃の温度で１０分〜３時間程度熱処理する。

熱処理温度が２００℃以下では耐炎化に長時間を要し経
済的でない。

逆に３５０℃以上では耐炎化処理時に繊維の切断が起り
やすく、しかも燃えやすくなり好ましくない。

耐炎化処理時間は耐炎化温度に関係するり３マツチの炎
で燃えなくなる程度までの時間すなわち１０分〜２時間
程度が好ましい。

次に耐炎化処理した繊維の炭素化処理は８００〜１ ７
７．７．℃の不活性ガス雰囲気中で繊維糸条に張力１
〜４０ｍｇ／ｄをかけて処理することが好ましい。

不活性ガス雰囲気とは窒素，アルコン、ヘリウム等のガ
スである。

炭素化処理時の糸条への張力がｌｍｇ／ｄ以下あるいは
４ ０ ｍｇ／ｄ 以上の場合は炭素繊維の強度が低
くなる傾向があるので好ましくない。

炭素化時間はとくに制限はないが好ましくは０．１分〜
１０分間が経済的、強度的に有利である。

本発明によって製造された炭素繊維は在来の炭素繊維に
比べ一段と高い強度を有しており、各種構造材用原料と
して大いに有望である。

以下本発明を実施例により説明するが、実施例中の部、
φはとくに記載のない限り重量で示す。

実施例 １ アクリロニトリル９９φ、アクリル酸メチル１φとから
戒り、スタウジンガーの式から求められる分子量９０，
０００の重合体を６０φの塩化亜鉛水溶液により１０悌
となるよう溶解して粘度１１５ポイズのアクリル系重合
体溶液（紡糸原液）を得た。

この紡糸原液を０．０７ｓｍｍの直径を有する細孔６，
０００個から或るノズルにより２５φ塩化亜鉛水溶液中
に圧出したのち引取りローラーにてダ取った。

引取ローラー速度は３ｍ／分とした。引取ったアクリル
系繊維糸条は２０℃の水で水洗したのち，更に８５℃の
温水で脱溶媒した。

脱溶媒の間に２． ５ ％延伸するように水洗ローラー
の速度を７． ５ ｍ ／分調整し、その速度で１２０
℃の乾燥空気中にて繊維の水分率が０． ５ ％となる
まで乾燥した。

次いで連続的に１１５℃の飽和水蒸気を満たした入口お
よび出口部に供給ローラーおよび延伸ローラーを配した
装置の中を通して延伸した。

アクリル系繊維糸条が切断を起すまで延伸したときの延
伸ローラーの速度は４２．３ｍ／分であり、その時の最
大延伸率は４ ２．３／７．５＝５．６ ４倍であった
。

延伸ローラーの速度を最大延伸率５．６４倍の約７８φ
である３３．０ｍ／分にして延伸した結果単繊維デニー
ル１．５ｄ、構成本数６，０００からなる引張り強度４
．７ｇ／ｄのアクリル系繊維糸条が得られた。

このアクリル系繊維糸条を人口および出口部に供給ロー
ラーと引取ローラーを設けた炉長５ｍの耐炎化炉を通し
た。

炉内の雰囲気を空気とし炉温度２５５℃（２５５℃に保
持された長さを４ｍ）で、供給ローラー速度２ｍ／分、
づ取ローラー速度１．８４ｍ／分として耐炎化処理した
。

耐炎化時の収縮率は８φであった。次いで耐炎化処理し
た該繊維糸条を入口および出口部に供給ローラーと引取
ローラーを有し、供給ローラーと炉Ｑ間に張力調節装置
を配した炉長２ｍの炭素化炉に通した。

炉内雰囲気を窒素ガスとし、炉温度１３５０℃、１３５
０℃に保持された長さ０．４ｍ、供給ローラー速度ｌｍ
／分、張力１５ｍｇ／ｄ にして張力に連動して引取
ローラー速度を変速したが、引取ローラーの速度は０．
９５±０．０１ｍ／分であった。

このような条件下にて炭素化処理して得られた繊維の強
度は３１９ｋｇ／一で弾性率２ ４， ９ ｔｔｙｎ／
一であり、高強度の炭素繊維であった。

実施例 ２ アクリロニトリル９７％、アクリル酸メチル２係、アク
リルアミド１係とからなるスタウジンガーの式で求めた
分子量７５，０００の重合体をジメチルホルムアミド溶
媒に対し２５φとなるように溶解し粘度８６ポイズの重
合体溶液（紡糸原液）を得た。

この重合体溶液を０．０ ８ ｍｍ直径で１，０ ０
０個の細孔を有するノズルから３５係ジメチルホルムア
ミド水溶液中に紡出し，引取ローラー速度２ｍ／分で引
取った。

引取った繊維糸条を２０℃の水で水洗したのち８５℃の
温水で脱溶媒したのち１１５℃の温度で水分率が１係に
なるよう乾燥し、次いで１２０℃の飽和水蒸気中で延伸
した。

延伸は脱溶媒中に２倍延伸し、飽和水蒸気中では４．６
倍延伸した。

水洗，脱溶媒時における水洗ローラー速度は４ｍ／分、
乾燥時のローラー速度は４ｍ／分、延伸前のローラー速
度４ｍ／分，延伸ローラー速度１８．４ｍ／分であった
。

飽和水蒸気中での最大延伸率は６．０倍あり、最大延伸
率に対する延伸の割合は７７饅であった。

このようにして得られた繊維を実施例１と同様耐炎化処
理時の収縮率を１４φとする以外は同じ設備および条件
で耐炎化および炭素化せしめ炭素繊維とした。

この炭素繊維の強度は３２８ｋｇ／一で弾性率は２４．
３元／寵であった。

比較例 耐炎化時の収縮率を２２優とする以外は実癩例２と同様
な装置、条件にして耐炎化、炭素化して炭素繊維を得た
。

得られた炭素繊維の強度は２ ３ ８ ｋｇ／蒜で弾性
率は２４． Ｑ ｔｔｙｎ ／７Ｂ７ｊ．であり．とく
に強度は実箔例１および２の炭素繊維より著しく低い値
を示した。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ アクリル系重合体溶液を凝固浴中に紡出し、水洗乾
   燥して得られたアクリル系繊維糸条を、１０５〜１５０
   ℃の飽和水蒸気中で該繊維糸条の最大延伸倍率に対し７
   ５〜８５袈になる如く延伸したアクリル系繊維糸条を２
   ００〜３５０℃の酸化性雰囲気中で８〜１８多収縮する
   ように耐炎化処理し、次いで８００℃以上の不活性雰囲
   気中で炭素化することを特徴とする高強度炭素繊維の製
   造法。