JPS61152826A - 高弾性炭素繊維及びその製造法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高強度高弾性のアクリル系炭素繊維ならびにか
かる炭素繊維を安定に製造する方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、炭素繊維複合材料は、スポーツ用途。

宇宙硫空用途、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数年前には４０　ｔｏｎ／ｉ＋ｍ”
前後が限界であったものが最近では５０　ｔｏｎ／ｍ♂
前後が実用化の目標となりつつある。

従来の弾性率の向上の方法は黒鉛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４５　ｔｏｎ／ｗ”以上の弾性率を得よう
とすれば、従来技術では熱処理温度は３０００℃に近い
温度となる。かかる温度はヒーターの材料である炭素の
分解温度に近い。したがって４５　ｔｏｎ／Ｈ１”以上
の弾性率を有する炭素繊維を製造しようとすればヒータ
ーの寿命が極めて短かいために数日でヒーターを交換す
る必要があり、製造コストは極めて高いものとなる問題
があった。

またかかる高弾性炭素繊維は高弾性であるがゆえに破断
伸度が通常０．５％以下と低く脆弱である。しかしなが
ら伸度は出来る限り高いことすなわち高弾性であると同
時に高強度である炭素繊維が必要とされる現状にある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は４５　ｔｏｎ／　Ｈ’以上の弾性率を有しかつ
強度も３００　ｋｇ／ｌａ”以上と高い炭素繊維を比較
的安価に提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の要旨とするところは、直径が６μ以下でありス
トランド弾性率が４５　ｔｏｎ／Ｗｘ”以上であるアク
リル系高弾性炭素繊維及び単繊維デニールがＯ，１〜１
．１デニールのアクリル繊維を用い、酸素存在雰凹気下
で耐炎化処理を行い、引続き不活性雰囲気下で炭素化処
理を行った後、さらに不活性雰囲気下で黒鉛化処理を行
って上記の炭素繊維を製造することにある。

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１．１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−
４２９３４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１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。

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、炭素化および黒鉛化処理が施され
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２００〜３５０℃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１．２２　Ｐ／ｃｒｕ”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な行うか、もしく
は繊維の密度が１．２２７’／ａｎ”に到達した以降も
１％以上、好ましくは３％以上の伸長をさらに与えて耐
炎化を完了することが好ましい。

伸長が不充分な場合は繊維の微細構造の乱れを誘導し、
強度および弾性率の低下を引起すので好ましくない。

耐炎化処理が施された繊維は、次いで蟹素ガス、アルゴ
ンガス等の不活性雰囲気中において炭素化処理を行う。

この炭素化処理においては炉を２個以上に分割して炭素
化を実施することが好ましい。例えば炉を２分割して炭
素化を実施する場合を示せば、第１炭素化炉では３００
〜８００℃の温度範囲で３％以上、好ましくは５％以上
の伸長を与え、さらに第２炭素化炉では１０００″Ｃ以
上の温度範囲において２００ｍ９／デニ一ル以上の張力
下に炭素化を行う。かかる方法によって炭素繊維の弾性
率２強度は増大する。

炭素化処理に引続き、黒鉛化処理すなわち最終熱処理が
不活性雰囲気中２５００〜２９００℃の温度範囲で緊張
下に数十秒〜数分間行われる。該熱処理において処理過
程における最高温度が２５００℃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２９００
℃を越えると黒鉛化炉の寿命が急速に短かくなり、安定
に炭素繊維を製造することは困難となる。黒鉛化処理時
においては１５０■／デニ一ル以上、好ましくは２００
１ｎ９／デニ一ル以上の張力下で黒鉛化を行うことが弾
性率の向上のために好ましい。

最後に得られた炭素繊維には表面処理ならびにサイジン
グ処理が行われる。表面処理としては種々の塩類を用い
る電解酸化、酸化剤を用いる薬液酸化等が有効であるが
、これに限定されるものではない。

〔実施例〕

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ＪＩＳＲ７６０１
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πは２θ＝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Ｈｇ（ｄｅ７ｓ　）より次式により求めた。

実施例１ アクリロニトリル９８ｖｔ％、メタクリル酸２ｗｔ％の
組成を有する比粘度ηａｐ　＝　０．２０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い、引続
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０．８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線解析より求められる繊維の配向度πは９０％であっ
た。

このアクリル繊維を２２０℃−２４０℃−２５５℃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うに際し、繊維
の密度が１．２２Ｐ／ｃｍ”に達するまでに回転ロール
の速度差によって１５％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６００℃の第１炭
素化炉を通過せしめるに際して７％の伸長を加え、さら
に同雰囲気中１２００℃の第２炭素化炉を通過せしめ、
引続き同雰囲気中第１表の最高温度を有する黒鉛化炉中
において２５０■／デニールの張力下に熱処理を行い、
第１表の諸物性を有する炭素繊維を得た。

第　　１　　表 実施例２ 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第
２表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
を行った。この際黒鉛化時における最高温度は２６００
℃とした。得られた炭素繊維の諸物性を第２表に示す。

第　　２　　表 〔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、航空宇宙構造材、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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、直径が６μ以下でありストランド弾性率が４５ｔｏ
   ｎ／ｍｍ＾２以上であるアクリル系高弾性炭素繊維。 ２、単繊維デニールが０．１〜１．１デニールのアクリ
   ル繊維を酸素存在雰囲気下で耐炎化処理を行い、引続き
   不活性雰囲気下で炭素化処理を行つた後、さらに不活性
   雰囲気下で黒鉛化処理を行うことにより直径が６μ以下
   でありストランド弾性率が４５ｔｏｎ／ｍｍ＾２以上の
   高弾性炭素繊維を製造することを特徴とする高弾性炭素
   繊維の製造法。