JPS6088127A - 高強度・高弾性炭素繊維の製法 - 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】 〔技術分野〕 本発明は、高強度かつ高弾性である炭素繊維の製法に関
する。

〔背景技術〕

近年、炭素繊維複合材料は、スポーツ用途、宇宙航空用
途、工業用途等に巾広く応用されつつありその量的拡大
はめざましい。

このような状況に対応して、使用される炭素繊維の性能
も飛躍的に向上しつつある。

弾性率に着目すれば、１０年前には２０　ｔｏｎＺ■２
前後であったものが数年前には２３〜２４ｔｏｎ　／■
２が標準となり、さらに最近では３０ｔｏｎ／＋ａ＋”
前後のものが指向されつつあり、今後はこれが主流とな
る可能性も指摘されている。

しかしながら、このような弾性率の向上がもしも炭素繊
維の強度を一定にしたままで達成されるならば、これは
当然のことながら炭素繊維の伸度の低下をもたらすこと
となり、炭素繊維複合材料を脆弱なものとし、複合材料
の信頼性を低下させることとなる。

したがって高弾性高伸度の炭素繊維、いいかえれば高伸
度であると同時に高強度である炭素繊維が強く必要とさ
れる現状にある。

従来の弾性率の向上の方法は炭素化温度すなわち最終熱
処理温度を上昇させることであった。

しかしながら、この方法では弾性率の向上と共に強度は
低下し、したがって炭素繊維の伸度が低下するという欠
点があった。

第１図はかかる事情を説明する炭素化温度と得られる炭
素繊維の、物性との関係を示す相関図である。第１図に
よれば、炭素化温度の上昇にともない、弾性率は曲線の
のごとく上昇するが、強度ならびに炭素繊維の密度は■
、■のごとく低下する。

例えば２８　ｔｏｎ／ｍ”の弾性率を保とうとすれば炭
素化温度は約１８００℃が必要であるが、この温度では
１３００℃に比較して強度は１００ｋｙ／　ｍ”以上低
下し、高強度はとうてい達成できない。炭素化温度の上
昇にともなうこのような強度の低下は、密度の低下と良
く対応しており、このことは、炭素化温度上昇の過程で
、強度の低下をもたらすミクロな空孔が繊維中に発生す
るためであると推定される。

〔発明の目的〕

炭素化温度を上昇させて高弾性繊維を得るという従来技
術では、高弾性と高強度を同時に満足する炭素繊維を得
ることは困難であり、このような目標に対しては、新規
な焼成技術の確立が必要となる。この目標に対して鋭意
検討の結果、本発明者等は新規焼成方法を見出し、本発
明を完成するに至った。

〔発明の構成〕

本発明の要旨とするところは、単繊維デニールが０．１
〜１１デニールのアクリル繊維を用い、繊維の密度がｔ
　２２　ｆ／ｃｒａ”に上昇するまでに３−以上の伸長
を与えた後に以後の繊維の収縮を実質的に抑制して耐炎
化処理を完了し、ついで不活性雰囲気中３００〜８００
℃の温度で３チ以上の伸長を加えさらに同雰囲気中１３
００〜１６００℃の温度で緊張下に処理を行なうことに
よって繊維直径が１〜６μ、ストランド強度が４ｓｏｋ
ｇ／■２以上、ストランド弾性率が２８ｔｏｎ／ｍ”以
上であｐ、密度がｔ　７６　ｔ／ｍ”以上の炭素繊維の
製造方法を提供することにある。

以下に本発明についてさらに詳細に説明する。

本発明におけるアクリル繊維とは、アクリロニドｌ）ル
（ＡＮ）を８５　ｗｔ％以上含有する単独重合体または
共重合体より得られる繊維である。

共重合成分としては、ＡＮと共重合し得るすべての単量
体を意味し、その代表例を列挙すれば、ビニルエステル
類、アクリル酸エステル類、メタクリル酸エステル類、
アクリル酸類、メタクリル酸類、イタコン酸類等である
。

このような単独または共重合体を得る方法としては、均
一溶液重合、水溶液におけるレドックス重合、不均一系
における懸濁重合、乳化重合等を用いることができる。

本発明におけるアクリル繊維は１１デニール以下、好ま
しくはｔＯデニール以下の繊度を有することが不可欠で
ある。

本発明者等は、このような細繊度のアクリル繊維を用い
ることによシ、初めて本発明の特性を有する炭素繊維が
得られることを見出した。

細繊度のアクリル繊維を焼成して炭素繊維を得ることは
、例えば特開昭４９−９４９２４号公報や特開５７−４
２９３４号公報等によって公知である。しかしながら、
これらの公知文献には、本発明の特性を有する炭素繊維
の製造法を示唆する記載は全く認められない。

これはこのような細繊度のアクリル繊維を用いても、焼
成条件が不適当であれば本発明の特性を有する炭素繊維
が得られないことを示しており、本発明はかかる細デニ
ールのアクリル繊維と本発明の焼成条件との結合によっ
て初めて達成されるものであることを証明するものであ
る。

本発明における細繊度のアクリル繊維は、湿式紡糸、乾
式紡糸尋の通常のアクリル繊維の紡糸方式を利用するこ
とによって製造される。

例えば通常の湿式紡糸においては紡糸、延伸、水洗、乾
燥緻密化の後で必要に応じて乾熱延伸、スチーム延伸等
の２次延伸を施す。

また該アクリル繊維は不純物、内部ボイド、クレーズや
クラック等の表面欠陥を含まないことが好ましい。

このようにして得られたアクリル繊維は、本発明の焼成
方法に従って耐炎化、第１次炭素化、および第２次炭素
化処理が施される。

耐炎化処理は通常は空気の如き酸素−窒素の混合算器気
中で行なわれるが一酸化窒素や亜硫酸ガスを使用しても
良い。耐炎化処理時の温度は２００〜６５０ｐの範囲が
適当である。

本発明の耐炎化処理に際しては、耐炎化処理過程におけ
る繊維の密度が１２２　ｆ／ｃｍ”に到達するまでに３
％以上、好ましくは１０％以上の伸長を与えた後に以降
の収縮を実質的に抑制して耐炎化処理を完了することが
必要である。

密度がｔ　２２　ｆ／ｃｍ”に至るまでの伸長率が３チ
未満の場合は所定の炭素繊維の弾性率ならびに強度が得
られない。

また、伸長後の繊維に収縮が生じると微細構造の乱れを
誘導し、炭素繊維の強度低下を引き起すので好ましくな
い。

繊維に伸長挙動を与える方法としては、例えば繊維を多
数個の回転ロールと接触させると共に、密度が１．２２
　ｆ／ｃａｔ”に至るまではロール速度を暫時増加させ
、以降はロール速度を一定に保てばよい。

耐炎化処理が施された繊維は、次いで窒素ガス、アルゴ
ンガス等の不活性雰囲気中３００〜８００℃の温度範囲
において、第１次炭素化処理を行なうにあた５３％以上
好ましくは５％以上の伸長がさらに加えられる。この処
理において伸長率が５％未満であれば、所定の弾性率な
らびに強度を得ることが困難となる。また、温度が３０
０℃未満ならびに８００℃を越える場合は処理効果が見
出せない。処理は通常数十秒から数分間性なわれる。

第１次炭素化処理に引き続き第２炭素化処理すなわち最
終熱処理が不活性雰囲気中１３００〜１６００℃の温度
範囲で緊張下に数十秒〜数分間行なわれる。この熱処理
において、処理過程における最高温度が１５００１１ｍ
未満であれば、所定の弾性率を得ることができない。一
方、最高温度が１６００℃を越えると強度ならびに密度
が低下し、所定の値以下となる。

また、熱処理時における温度プロファイルは、１０００
℃前稜よりなだらかに上昇して最高温度に到達するよう
に゛設定されることが好ましい。

また、熱処理時において繊維に与えられる張力は２５０
■／デニ一ル以上、好ましくは！５０キ／デニール以上
である必要がある。張力がこの値よシ低い場合は、所定
の弾性率を得ることは困難となる。

以下実施例により、本発明を具体的に説明する。

ストランド強度、ストランド弾性率はＪＩ８Ｒ７６０１
の方法にょシ測定した。

密度は密度勾配管法により測定した。

炭素繊維の直径紘レーザー法にょシ測定した。

アクリル繊維の配向度Ｈは２θｗ＝１７°（ｃｕ−にα
線使用）の反射における方位角方向の散乱強度分布の半
価中Ｈ１／２　（ｄｅｇ）よシ次式によりめる。

実施例１ アクリロニトリル９８　ｗｔ％、アクリル酸メチル１　
ｗｔ％、メタクリル酸１　ｗｔ％の組成を有する比粘度
〔ηｓｐ　）　＝　Ｑ、　２０の重合体を、ジメチルホ
ルムアミドを溶媒として湿式紡糸を行ない、引き続き湯
浴上５倍に延伸し、水洗後乾燥して更に乾熱１７０℃で
１．３倍に延伸してα８デニールの繊度を有するフィラ
メント数９０００のアクリル繊維を得た。

Ｘ線回折よ請求められる繊維の配向度Ｈは９α３優であ
った。

このアクリル繊維を２２０℃−２４０℃−２６０℃の３
段階の温度プロファイルを有する熱風循環型の耐炎化炉
を６０分間通過せしめて耐炎化処理を行なうに際し、繊
維の密度がｔ２２１／３ｓに達するまでに回転ロールの
速度差にょつて１５チの伸長を与え、その後繊維と接触
する回転ロールの速度を等速に固定することにより、線
維の局部的収縮を抑制して耐炎化処理を終了した。

次に耐炎化繊維を純粋なＮ、気流中６００℃の第１炭素
化炉中金６分間通過せしめるに際して、１ｏｔｓの伸長
を加え、さらに同雰囲気中表１の最高、温度を有する第
２炭素化炉中において４００り／デニールの張力下に熱
処理を行ない表１の諸物性を有する炭素繊維を得た。

表　１ 実施例２ 実施例１と同様にして、但し耐炎化処理時の伸長率なら
びに第１炭素化炉内での温度と伸長率を変更して焼成を
実施した。なお、第２炭素化炉の最高温度は１４５０℃
、張力は３８０■／デニールとした。得られた炭素繊維
の諸物性を表２に示す。

実施例３ 実施例１と同様にして、但し紡糸ノズルのオリフィス口
径、紡糸時の原液吐出量、ならびに延伸倍率を変更して
表６に示す繊度を有するアクリル繊維を得た。

これ等のアクリル繊維を実施例１と同一の条件にて焼成
を行なった。この際最終熱処理時における最高温度は１
４５０℃、張力は４００　ｒｎ、９／−ｆデニールとし
た。得られた炭素繊維の諸物性を表３に示す。

表　３ 〔発明の効果〕 本発明で得られる炭素繊維は高弾性かつ高強度であるた
め、航空機−次構造材、釣竿、ゴルフシャフト等のスポ
ーツ用途、高速遠心分離機、ロボット等の工業用途、地
上高速輸送体等広範囲な用途に使用することが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来法による炭素化温度と得られる炭素繊維
の物性を示す相関図である。 ■　弾性率　■　強度　◎　密度

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ｔ　単繊維デニールがｏ、ｉ〜１１デニールのアクリル
   繊維を用い、繊維の密度が１．２２　ｔ／ｃｍＢに上昇
   するまでに３％以上の伸長を与えた後に、以後の繊維の
   収縮を実質的に抑制して耐炎化処理を完了し、ついで不
   活性雰囲気中３００〜８００℃の温度で３％以上の伸長
   を加え、さらに不活性雰囲気中１５００〜１６００℃の
   温度で緊張下に処理を行なって、繊維直径が１〜６μ、
   ストランド強度が４３’　Ｏｋｇ／ｍ”以上、ストラン
   ド弾性率が２８　ｔ／ｍ＋２以上、密度が１７６　ｔ／
   α易以上の炭素繊維を製造することを特徴とする高強度
   ・高弾性炭素繊維の製法。