JPS6088129A - 高強度高弾性炭素繊維の製造方法 - 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造方法
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　ｔｏｎ／＋ｍ”
であったものが数年前には２６〜２４　ｔｏｎ／ｍｎ２
が標準となシさらに最近は３０　ｔｏｎ／ｍｍ２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１００に９　／　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、炭素化温度上昇の過程で、強度の低
下をもたらすミクｐ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、ｎ、　−
１）Ｅ　ａ　１〜１１デニールのアクリル繊維を用い、
繊維の密度がｔ　２２　ｔ／♂に上昇するまでに３チ以
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６０
０〜５００℃の温度で３チ以上の伸長を与えた後５００
〜８００℃の温度でさらに１チ以上の伸長を与え、最後
に不活性雰囲気中１６００〜１６００℃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４６０　ｋｇ／■宜以上、ストランド弾
性率が２８　ｔｏｎ／ｍ”以上であり、密度がｔ　７６
　ｆ／ｃｍ”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、アクリロニトリル（
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１．０デニール以下の繊度を有することか不可欠で
ある。本発明者等は、このような細繊度のアクリル繊維
を用いることにより、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号公報や特開昭５７−
４２９５４号公報等によって公知である。しかしながら
、このような公知文献には、本発明の特性を有する炭素
繊維の製造方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お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
式紡糸等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、グ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−窒素の混合雰囲気
中で行なわれるか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２００〜５５０℃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１．２２９７ｃｍ”　Ｋ到達するまでに
６俤以上好ましくは１０俤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１．２２９７ｃｍ”に至るまでの伸
長率が３％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１．２２９７
ｃｍ”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力３００〜５０
０℃の温度範囲で６％以上、さらに５００〜８００℃の
温度範囲で３俤以上の伸長が加えられる。伸長は例えば
第１次炭素化炉を２分割し、中間にロールを設置するこ
とによシ実施できる。この伸長処理によって炭素化過程
において形成される微細構造の完全性が向上し、その結
果得られる炭素繊維の弾性率ならびに強度が増大する。

この伸長処理における伸長率ならびに温度が、本発明の
範囲を外れると伸長処理効果は消失し、期待される特性
は得られない。また、処理は通常数十秒から数分間行な
われる。

第１次炭素化処理に引き続き、第２次炭素化処理すなわ
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。該熱処
理において処理過程における最高温度が１３００℃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’Ｃ前ｆｆｌ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
２５０ｑ／デニ一ル以上、好ましくは５５ｒ）ｑ／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
の方法により測定した。

密度は密度勾配管法により測定した。

炭素繊維の直径はレーザー法により測定した。

また、アクリル繊維の配向度Ｈに２０−１７゜（Ｃ！ｕ
−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Ｈしくｄｅｇ）より次式によ請求めた。

実施例１ アクリロニトリル９８　ｗｔ％アクリル酸メデメチル１
ｔ％、メタクリル酸１　ｗｔ％の組成を有する比粘度Ｃ
ｉ　ｓｐ）　＝α２０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１３倍に延伸
して［１，８デニールの繊度を有するフィラメント数９
０００のアクリル繊維を得た。

Ｘ線回折よりめられる繊維の配向度Ｈに９０−５％であ
った。

このアクリル繊維を２２０℃−２４０℃−２６０ｃ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１，２２１／１３に達する丑でに回転ロ−−
ルの速度差によって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
繊維の局部的収縮を抑制して耐炎化処理を終了した。

次に該耐炎化繊維を純粋なＮ！気流中４５０℃の第１炭
素化炉奢通過せしめるに際して１２％の伸長を加え、さ
らに同雰囲気中６５０℃の第２炭素化炉を通過せしめる
に際して４チの伸長を加え、引続き同雰囲気中表１の最
高温度を有する第３炭素化炉中において３８０＋ｖ／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、但し第１・第２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３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３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’Ｃ１張力は４Ｑ□ｙ／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〕 本発明で得られた炭素繊維は、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. を単繊維デニールが０．１−？　ｔ　１デニールのアク
   リル繊維を用い、繊維の密度が１．２２　ｆ／ｃｍ”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３００〜５００℃の温度で３％以上の
   伸長を与えた後、５００〜８００℃の温度でさらに１チ
   以上の伸長を与え、最後に不活性雰囲気中１３００〜１
   ６００℃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４６０　ｋｇ／ｍ２以上、
   ストランド弾性率が２８　ｔｏｎ／ｗ”以上、密度が１
   ．７６　ｔ　／ａｍ”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造方法。