JPS6141325A - Manufacture of carbon fiber - Google Patents

Manufacture of carbon fiber

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JPS6141325A
JPS6141325A JP8614985A JP8614985A JPS6141325A JP S6141325 A JPS6141325 A JP S6141325A JP 8614985 A JP8614985 A JP 8614985A JP 8614985 A JP8614985 A JP 8614985A JP S6141325 A JPS6141325 A JP S6141325A
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pitch
anisotropic
mesophase
raw material
fiber
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大谷 杉郎
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Abstract

PURPOSE:To produce a carbon fiber having anisotropic structure, by using a pitch having latent anisotropy as a raw material, melt-spinning the pitch, and infusibilizing and carbonizing the fiber. CONSTITUTION:A pitch having latent anisotropy is melted by heating usually at 200-300 deg.C, and the molten liquid is extruded through a nozzle and cooled to obtain a spun pitch fiber. The pitch fiber is infusibilizd by heating in an oxygen- containing atmosphere, and carbonized by heating in an inert gas at 800-1,500 deg.C (preferably at a heating rate of 5-20 deg.C/min). When the heating is continued to >=2,000 deg.C, a graphitized fiber can be manufactured.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は潜在的異方性ピッチを原料として異方性構造を
もつ炭素繊維(黒鉛繊維を含む)の製造方法に関するも
のである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for producing carbon fibers (including graphite fibers) having an anisotropic structure using potentially anisotropic pitch as a raw material.

一般にピッチは、これまで粘結剤、含浸用ピッチ、コー
クス原料、人造黒鉛原料などとして利用されてきたが、
最近ではこれらの他に炭素繊維原料としての用途が注目
されている。
In general, pitch has been used as a binder, impregnation pitch, coke raw material, artificial graphite raw material, etc.
Recently, in addition to these uses, attention has been paid to its use as a raw material for carbon fibers.

炭素繊維原料としてのピッチに関しては、最初は光学的
に等方性(以下単に等方性という)のピッチが工業的に
採用されていたが、近年では光学的に異方性(以下単に
異方性という)のピッチを工業的な炭素繊維原料として
用いることの検討が行なわれている。等方性のピッチか
ら得られる等方性の炭素繊維は、機械的特性などの観点
から見るといわゆる低弾性率、低強度品に該当するもの
であるが、一方、異方性ピッチから得られる異方性の炭
素繊維は高弾性率、高強度品に該当し、ポリアクリロニ
トリルやレーヨンを緊張下で加熱処理することにより得
られる高性能の炭素繊維に匹敵する特性を示す。従って
今後は、炭素繊維製造用の原料ピッチとして異方性ピッ
チの占める割合が増加すると考えられ、その製造に多く
の研究が向けられている。
Regarding pitch as a raw material for carbon fiber, optically isotropic pitch (hereinafter simply referred to as isotropic pitch) was initially used industrially, but in recent years, optically anisotropic pitch (hereinafter simply referred to as anisotropic pitch) has been adopted industrially. The use of pitch (referred to as carbon fiber) as an industrial carbon fiber raw material is being considered. Isotropic carbon fibers obtained from isotropic pitch correspond to so-called low elastic modulus and low strength products from the viewpoint of mechanical properties, etc., but on the other hand, isotropic carbon fibers obtained from anisotropic pitch Anisotropic carbon fibers are high-modulus, high-strength products, and exhibit properties comparable to high-performance carbon fibers obtained by heat-treating polyacrylonitrile or rayon under tension. Therefore, in the future, it is thought that the proportion of anisotropic pitch as a raw material pitch for carbon fiber production will increase, and much research is being directed to its production.

異方性ピッチは等方性ピッチを加熱処理する過程におい
て生ずる。即ち、等方性ピッチを350〜450℃に加
熱すると、ピッチ中で環化、芳香族化および重縮合など
の反応が進行し、等方性のピッチマトリックス中に異方
性を持つ小球体(球晶)が現われるようになる。この異
方性小球体は、比較的高分子量の多環多核骨格の炭化水
素から構成され、芳香族含有率の高い成分からなり、ネ
マチック構造を持つ一種の液晶である。またこの/J%
i体は主としてキノリンネ溶成分からなり、温度を上げ
るか処理時間を延長することによって、次第に成長し、
次いで小球体の合体が起る。このような過程を経てピッ
チ全体は異方性組織を持つようになり、系全体の粘度も
顕著に増加し、ついにはコークスとなる。この異方性を
示す小球体または小球体の相はメソフェースと呼称され
、メソフェースを含むか、大部釡がメソフェースになっ
たピッチはメソフェースピッチと呼称される。従来の異
方性構造を持つ炭素繊維は、前記したメソフェースピッ
チを紡糸し、不溶融化し、炭化することによって製造さ
れる(特公昭49−8634号、特開昭49−1912
7号、特開昭53−65425号、特開昭53−119
326号、特開昭54−160427号)。
Anisotropic pitch is generated in the process of heat treating isotropic pitch. That is, when isotropic pitch is heated to 350-450°C, reactions such as cyclization, aromatization, and polycondensation proceed in the pitch, forming anisotropic small spheres ( Spherulites) begin to appear. These anisotropic microspheres are composed of relatively high molecular weight hydrocarbons with a polycyclic and polynuclear skeleton, are composed of components with a high aromatic content, and are a type of liquid crystal with a nematic structure. Also this/J%
The i-form mainly consists of quinolinated components and gradually grows by increasing the temperature or prolonging the treatment time.
Coalescence of the spherules then occurs. Through this process, the entire pitch comes to have an anisotropic structure, and the viscosity of the entire system increases significantly, eventually turning into coke. A small sphere or a phase of small spheres exhibiting this anisotropy is called a mesoface, and a pitch that includes a mesoface or has a large pot that is a mesoface is called a mesoface pitch. Conventional carbon fibers having an anisotropic structure are manufactured by spinning the mesoface pitch described above, making it infusible, and carbonizing it (Japanese Patent Publication No. 49-8634, Japanese Patent Application Laid-open No. 49-1912).
No. 7, JP-A-53-65425, JP-A-53-119
No. 326, JP-A-54-160427).

メソフェースピッチを原料として炭素繊維を製造する場
合、いくつかの困難な問題があるが、その根本的問題は
、一般にメソフェース成分の溶融温度および溶融粘度が
、マトリックスを形成する等方性成分のそれらよりも高
いことに起因する。
There are several difficult problems when producing carbon fiber using mesoface pitch as a raw material, but the fundamental problem is that the melting temperature and melt viscosity of the mesoface component generally differ from those of the isotropic component forming the matrix. This is due to the fact that it is higher than

即ちメソフェースを含むピッチは、マトリックス成分が
液状を示すような比較的低温度で溶融した場合、メソフ
ェースは同相的に挙動し系全体がチクソトロビックな挙
動を示してその紡糸を困難にすることが多い。一方、メ
ソフェースも溶融するような比較的高温度で溶融した場
合には、メソフェースピッチはこのように高温度下では
熱的に不安定なため、次第にその粘度を上昇させ、つい
にはコークス化される。殊にメソフェース含量の多いピ
ッチにおいては、そのコークス化の速度は大きい。そし
て、このコークス化現象は連続紡糸を困難にする。この
ように、メソフェースピッチを原料として炭素繊維を製
造する場合、得られる炭素繊維は異方性を示し、等方性
ピッチから得られる炭素繊維に比してその性能は優れて
いるものの、その溶融紡糸に困難が伴うという根本的な
問題があり、従来この点を解決する方法は未だ提案され
ていない。
In other words, when a pitch containing mesophase is melted at a relatively low temperature such that the matrix component exhibits a liquid state, the mesophase behaves in-phase and the entire system exhibits thixotropic behavior, making its spinning difficult. many. On the other hand, when melted at a relatively high temperature where mesophase pitch also melts, mesophase pitch gradually increases its viscosity and eventually becomes coke, as it is thermally unstable at such high temperatures. Ru. Particularly in pitches with a high mesophase content, the rate of coking is high. This coking phenomenon makes continuous spinning difficult. In this way, when producing carbon fibers using mesoface pitch as a raw material, the resulting carbon fibers exhibit anisotropy, and although their performance is superior to that of carbon fibers obtained from isotropic pitches, There is a fundamental problem that melt spinning is difficult, and no method to solve this problem has been proposed yet.

本発明は、メソフェースピッチを用いる炭素繊維の製造
に見られる前記の問題を根本的に解決するためになされ
たもので、a)熱安定性のよい均一な一相系のピッチで
あり、b)溶融温度が低く、しかも溶融粘度が小さく、
従って300℃以下の低い温度で紡糸でき、C)メソフ
ェースを含まないで、異方性構造をもつ炭素繊維の原料
として適している特殊なピッチ、即ち潜在的異方性ピッ
チを用いて炭素繊維を製造する方法を提供するものであ
る。
The present invention was made in order to fundamentally solve the above-mentioned problems encountered in the production of carbon fiber using mesoface pitch. ) low melting temperature and low melt viscosity,
Therefore, carbon fibers can be spun at low temperatures below 300°C, and C) carbon fibers can be produced using a special pitch that does not contain mesophase and is suitable as a raw material for carbon fibers with an anisotropic structure, that is, potentially anisotropic pitch. The present invention provides a method for manufacturing.

本発明で用いる潜在的異方性ピッチは、石油系や石炭系
の原料から得られるH/C(水素/炭素の原子比)が0
.43〜0.75で、一般的にメソフェースピッチとい
われる芳香族性ピッチに存在するような多環多核の炭化
水素が部分的に水素化された構造の、実質的にキノリン
可溶性多環多核骨格の炭化水素を潜在的異方性形成成分
として含み、溶融状態でメソフェースは実質的に形成し
ないで、全体的に均質でかつ光学的に等方性の単−相を
形成し、外力を加えるとその方向への配向性を示し、H
/Cが0.55〜1.2であるピッチと定義される。
The potentially anisotropic pitch used in the present invention has an H/C (hydrogen/carbon atomic ratio) of 0 obtained from petroleum-based or coal-based raw materials.
.. 43 to 0.75, a substantially quinoline-soluble polycyclic and polynuclear skeleton with a structure in which polycyclic and polynuclear hydrocarbons such as those present in aromatic pitches generally referred to as mesophase pitches are partially hydrogenated. contains hydrocarbons as potential anisotropy-forming components, does not substantially form mesophase in the molten state, and forms a homogeneous and optically isotropic single phase as a whole, and when external force is applied, Indicates the orientation in that direction, H
/C is defined as a pitch of 0.55 to 1.2.

この潜在的異方性ピッチは、従来の等方性ピッチおよび
異方性ピッチとは明確に区別されるもので、本発明者に
より見出された全く新しい型のピッチである。
This potential anisotropic pitch is clearly distinguished from conventional isotropic pitch and anisotropic pitch, and is a completely new type of pitch discovered by the present inventor.

本発明で炭素繊維原料として用いる潜在的異方性ピッチ
は、全体的には等方性ピッチとみなし得るものであるが
、その中にメソフェース構成成分たり得る炭素骨格をも
った多環多核骨格の炭化水素が含まれていて、そのため
潜在的な配向性をもっており、せん断力や延伸力などの
外力を加えるとその方向に分子が配向したことを示す光
学的異方性が観察され、また炭素化や黒鉛化の過程で異
方性が発現できる性質をもったピッチである。このメソ
フェース構成成分たり得る炭素骨格をもった多環多核骨
格の炭化水素成分とは、石油系、石炭系などから得られ
る11/Cが0.43〜0.75、好ましくは0.45
〜0.65であるような芳香族性ピッチ中に存在する多
環多核の炭化水素が、部分的に水素化された構造をもつ
もので、従来の異方性ピッチに含まれるメソフェースを
構成する炭化水素とは多環多核骨格を有する点では類似
しているが、実質的にキノリン可溶で、溶融状態ではメ
ソフェースを形成せず、また相分離もしないで存在する
点で明確に異なる。そのため、これを含む潜在的異方性
ピッチは、いわゆるメソフェースを含む異方性ピッチと
異なり、光学的に等方性を示し、均質で単−相を形成し
、溶融温度が低く、溶融粘度も小さい。
The potentially anisotropic pitch used as a carbon fiber raw material in the present invention can be regarded as an isotropic pitch as a whole, but it contains a polycyclic polynuclear skeleton with a carbon skeleton that can be a mesophase component. Contains hydrocarbons and therefore has latent orientation, and when external forces such as shearing force or stretching force are applied, optical anisotropy is observed indicating that the molecules are oriented in that direction, and carbonization It is a pitch that has the property of exhibiting anisotropy during the graphitization process. The hydrocarbon component with a polycyclic polynuclear skeleton having a carbon skeleton that can be a mesophase constituent component is one whose 11/C is 0.43 to 0.75, preferably 0.45, obtained from petroleum, coal, etc.
The polycyclic polynuclear hydrocarbons present in aromatic pitches with a molecular weight of ~0.65 have a partially hydrogenated structure and constitute mesophases included in conventional anisotropic pitches. Although it is similar to hydrocarbons in that it has a polycyclic and polynuclear skeleton, it is clearly different in that it is substantially soluble in quinoline and exists without forming mesophase or phase separation in the molten state. Therefore, unlike anisotropic pitches containing so-called mesophases, potential anisotropic pitches containing this type of pitch exhibit optical isotropy, are homogeneous, form a single phase, have a low melting temperature, and have a low melt viscosity. small.

またこの潜在的異方性ピッチは、前記のような潜在的異
方性をもつために、これを原料として溶融紡糸し、炭素
化することにより、異方性構造の炭素繊維を与えるとい
う特徴を有する。
In addition, since this potentially anisotropic pitch has the aforementioned potential anisotropy, it has the characteristic that by melt-spinning it as a raw material and carbonizing it, a carbon fiber with an anisotropic structure can be obtained. have

更に本発明で炭素繊維原料として用いる潜在的異方性ピ
ッチは、通常150〜350℃程度、多くは300℃以
下の溶融温度を有し、粘性的には均質で、非チクソトロ
ピックでニュートン流動する。また、溶融状態における
熱安定性に優れ、350℃程度で加熱してもコークス化
せず、しかもその溶融粘度は低く、通常200〜300
℃の温度で100ポイズ以下である。潜在的異方性ピッ
チは、このような溶融特性を有するところから、炭素繊
維を製造する際の溶融紡糸性において極めて優れたもの
である。
Further, the potentially anisotropic pitch used as a carbon fiber raw material in the present invention usually has a melting temperature of about 150 to 350°C, often 300°C or less, is viscously homogeneous, non-thixotropic, and has Newtonian flow. . In addition, it has excellent thermal stability in the molten state, does not form coke even when heated at about 350°C, and has a low melt viscosity, usually 200 to 300°C.
The temperature is 100 poise or less in °C. Since the latent anisotropic pitch has such melting characteristics, it has extremely excellent melt spinnability when producing carbon fibers.

潜在的異方性ピッチにおけるキノリン可溶の、メソフェ
ース構成成分たり得る炭素骨格をもった、部分水素化さ
れた多環多核骨格の炭化水素の含量は、通常1〜90重
量%、好ましくは5〜70重量%である。
The content of partially hydrogenated polycyclic polynuclear skeleton hydrocarbons, soluble in quinoline, in the potentially anisotropic pitch, with a carbon skeleton that can be a mesophase component, is usually 1 to 90% by weight, preferably 5 to 90% by weight. It is 70% by weight.

本発明で用いる潜在的異方性ピッチは、例えば予め常法
により製造されたメソフェースピッチを原料として、こ
れをその中に含まれているメンフェースが実質的に消失
し、ピッチ全体が実質的に単−相を形成するまで水素化
処理した後、熱処理することによって製造することがで
きる。この場合、原料として用いるメソフェースピッチ
中のメソフェース含量は、1〜90重量%、好ましくは
5〜70重量%である。
The potentially anisotropic pitch used in the present invention is obtained by using, for example, a mesophase pitch previously produced by a conventional method as a raw material, in which the mesophase contained therein substantially disappears and the entire pitch becomes substantially It can be produced by hydrogenating until a single phase is formed, followed by heat treatment. In this case, the mesophase content in the mesophase pitch used as a raw material is 1 to 90% by weight, preferably 5 to 70% by weight.

水素化処理は多環多核の炭化水素への部分的水素化を目
的として行なわれ、芳香核などへの水素添加に採用され
ている従来公知の種々の方法が採用される。例えば、ア
ルカリ金属、アルカリ土類金属およびそれらの化合物を
用いて還元する方法、電解還元法、錯体触媒などを用い
た均一系接触水素添加法、および固体触媒を用いた不均
一系接触水素添加法などである。さらに、水素加圧下で
無触媒の水素化方法やテトラリンなどの水素供与物(H
ydrogen Donor)を用いて水素化する方法
なども可能である。水素化条件は使用する方法によって
異なるが、400°C以下の温度、常圧〜200気圧の
圧力を採用することができる。また、水素化処理を行う
場合、原料ピッチは、粉末状、分散状または溶融状で行
うか、或いは適当な溶媒を使用することもできる。
Hydrogenation treatment is carried out for the purpose of partial hydrogenation of polycyclic polynuclear hydrocarbons, and various conventionally known methods employed for hydrogenation of aromatic nuclei and the like are employed. For example, reduction methods using alkali metals, alkaline earth metals and their compounds, electrolytic reduction methods, homogeneous catalytic hydrogenation methods using complex catalysts, etc., and heterogeneous catalytic hydrogenation methods using solid catalysts. etc. Furthermore, we have developed a non-catalytic hydrogenation method under hydrogen pressure and hydrogen donors such as tetralin (H
A method of hydrogenation using Hydrogen Donor is also possible. Hydrogenation conditions vary depending on the method used, but a temperature of 400°C or less and a pressure of normal pressure to 200 atmospheres can be employed. Furthermore, when hydrogenating the raw material pitch, it can be carried out in the form of powder, dispersion or melt, or a suitable solvent can also be used.

前記水素化処理は、原料ピッチに含まれるメソフェース
が実質的にキノリン可溶成分に変化し、メンフェースが
消失するまで行なう。メソフェースを形成するキノリン
ネ溶の多環多核骨格の炭化水素は部分的に水素化される
ことによってキノリン可溶性となり、水素化処理以前に
ピッチ中に存在したメソフェースは消失する。
The hydrogenation treatment is carried out until the mesophase contained in the raw material pitch is substantially changed into a quinoline-soluble component and the mesophase disappears. The hydrocarbons of the quinoline-soluble polycyclic polynuclear skeleton that form the mesophase become quinoline-soluble by being partially hydrogenated, and the mesophase that existed in the pitch before the hydrogenation treatment disappears.

本発明の潜在的異方性ピッチを得るには、前記のように
水素化処理されたピッチは、次に溶融状態で一定時間加
熱保持する。通常、前記のようにしてメソフェースが消
失するまで水素化処理されたピッチは、等方性のもので
あるが、必然的に芳香核などに過度の水素が入り込み、
これに外力を加えても通常配向性を示さず、潜在的異方
性ピッチとするためには、前記水素化ピッチは加熱処理
されることが必要となる。この場合の加熱温度は。
To obtain the potentially anisotropic pitch of the present invention, the hydrotreated pitch as described above is then heated and held in the molten state for a certain period of time. Normally, pitch that has been hydrogenated until the mesophase disappears as described above is isotropic, but inevitably an excessive amount of hydrogen enters the aromatic nuclei, etc.
The hydrogenated pitch usually does not exhibit orientation even when an external force is applied thereto, and in order to form a potentially anisotropic pitch, the hydrogenated pitch needs to be heat-treated. What is the heating temperature in this case?

一般的には溶融湿度以上で450℃以下であり、好まし
くは280〜430℃の温度である。この場合の加熱に
おいては、メソフェースが再び形成されない ゛ように
注意すべきはもちろんである。またこの処理は全体を通
じて常圧または圧力を制御した条件下で実施することが
できる。この加熱処理により。
Generally, the temperature is higher than the melting humidity and lower than 450°C, preferably 280 to 430°C. Of course, during heating in this case, care must be taken to ensure that mesophases are not formed again. Additionally, the entire process can be carried out under normal pressure or under pressure-controlled conditions. Due to this heat treatment.

ピッチ中に残存する水素化により生じた軽沸点成分は揮
発し、しかも芳香核などに過度に入り込んだ水素は脱水
素されて潜在的異方性をもった且つ熱安定性の高められ
たピッチが得られる。。従って、前記水素化処理工程と
この熱処理工程を結合させ原料ピッチを処理することに
よって、多環多核骨格の炭化水素含量の調節された潜在
的異方性ピッチを得ることができる。
The light boiling point components remaining in the pitch resulting from hydrogenation are volatilized, and the hydrogen that has excessively entered aromatic nuclei is dehydrogenated, resulting in a pitch with latent anisotropy and increased thermal stability. can get. . Therefore, by combining the above hydrogenation treatment step and this heat treatment step to treat the raw pitch, a potentially anisotropic pitch with a controlled hydrocarbon content in a polycyclic polynuclear skeleton can be obtained.

潜在的異方性ピッチに用いられる原料ピッチとしては、
石油系、石炭系のいずれも適用され、一般的には、従来
呼称されているメソフェースピッチまたは異方性ピッチ
あるいはまた、これらのピッチから分離された特定のピ
ッチ成分も任意に採用することができる。一般的には、
本発明において用いる原料ピッチは、H/C(水素/炭
素の原子比)が0.43〜0.75の範囲にあるもので
あれば使用可能であり、本発明によれば、このような原
料ピッチは水素化および加熱処理によりH/(1,がo
、55〜1.2の範囲にある潜在的異方性ピッチに変換
される。H/Cが0.43〜0.75の範囲にある芳香
族性ピッチ中のメソフェース相に含まれるような多環多
核の炭化水素の部分水素化物を含むことが、潜在的異方
性ピッチの特色である。
The raw material pitch used for potential anisotropic pitch is:
Both petroleum-based and coal-based pitches are applicable, and generally, the conventionally called mesophase pitch or anisotropic pitch, or a specific pitch component separated from these pitches can also be arbitrarily adopted. can. In general,
The raw material pitch used in the present invention can be used as long as it has an H/C (hydrogen/carbon atomic ratio) in the range of 0.43 to 0.75, and according to the present invention, such raw material pitch can be used. Pitch is converted to H/(1, o by hydrogenation and heat treatment)
, to a potential anisotropic pitch ranging from 55 to 1.2. The inclusion of partial hydrides of polycyclic and polynuclear hydrocarbons, such as those contained in the mesophase phase in aromatic pitches with H/C in the range of 0.43 to 0.75, increases the potential of anisotropic pitches. It is a special feature.

゛次表には潜在的異方性ピッチと従来公知の紡糸用のメ
ソフェースピッチおよび等方性ピッチの物性を比較して
示す。
The following table shows a comparison of the physical properties of potential anisotropic pitch and conventionally known mesophase pitch and isotropic pitch for spinning.

第1表 さて、前記のような方法で得られたピッチが潜在的異方
性を有するか否かは次のようにして判定することができ
る。ピッチの一部を常法に従って樹脂に埋めた後研磨し
た試料をつくり、その表面に一方向の外力を加える(例
えば、その表面を口紙などを用いて一方向にこする)。
Table 1 Now, whether or not the pitch obtained by the method described above has potential anisotropy can be determined as follows. A sample is prepared by embedding a portion of the pitch in resin in a conventional manner and then polishing it, and applying an external force in one direction to its surface (for example, by rubbing the surface in one direction using a mouthpiece, etc.).

そしてその表面を偏光顕微鏡で見た時に、その外力の方
向への分子の配向による弱い偏光が見られるか否かによ
って判定される。特に同−視野内に、相互に直交するよ
うな方向にこすった二つの部分が納るようにすると極め
て明瞭に判定することができる。
When the surface is viewed with a polarizing microscope, the determination is made based on whether or not weakly polarized light is seen due to the orientation of the molecules in the direction of the external force. In particular, if two parts rubbed in directions orthogonal to each other are placed within the same field of view, it can be determined very clearly.

前記した潜在的異方性ピッチは、炭素繊維製造用の原料
ピッチとして極めて有利な特徴を有している。即ち、前
記したように、このピッチは350℃以下、通常180
〜300℃という低い溶融温度で、しかも紡糸可能な溶
融粘度を示し、その上熱安定性も優れていることから、
従来のメソフェースピッチを原料として炭素繊維を製造
する場合に見られるような、溶融紡糸に際しての困難は
ない。なお、本明細書における溶融温度はいずれも高化
式フローテスター法による軟化点を意味する。
The potentially anisotropic pitch described above has extremely advantageous characteristics as a raw material pitch for carbon fiber production. That is, as mentioned above, this pitch is 350°C or less, usually 180°C.
It has a low melting temperature of ~300°C and a melt viscosity that allows spinning, and has excellent thermal stability.
There are no difficulties in melt spinning, which are encountered when producing carbon fiber using conventional mesoface pitch as a raw material. Note that all melting temperatures in this specification mean softening points measured by the Koka flow tester method.

次に、潜在的異方性ピッチからの炭素繊維の製造につい
て以下に詳述する。
The production of carbon fibers from potentially anisotropic pitch will now be detailed below.

潜在的異方性ピッチから炭素繊維を製造するには、原料
ピッチをその融点以上、通常200〜300℃で加熱溶
融し、溶融液をノズルから押出し、紡糸しながら冷却し
、次にこの紡糸されたピッチを酸素を含む雰囲気中で加
熱して不融化した後、不活性ガス中でさらに高温に加熱
して炭素化する。この場合の炭素化温度は800〜15
00℃であり、加熱に際しての昇温速度は、2〜b 5〜b ℃程度以上にすることにより、黒鉛化された繊維を得る
ことができる。本発明の場合、紡糸直後のピッチ繊維の
光学顕微鏡による断面観察では、研磨によって表面が乱
されろため、繊維軸方向への潜在的異方性ピッチの配向
は観察されない場合が多い。しかし、紡糸時における延
伸効果で、繊維軸方向への分子の潜在的な選択的配向が
形成されるため、ひきつづき炭素化や黒鉛化の段階にお
いて、異方性構造が顕著に発現し、異方性構造をもった
炭素繊維が形成される。
To produce carbon fiber from potentially anisotropic pitch, raw pitch is heated and melted above its melting point, usually at 200 to 300°C, the melt is extruded through a nozzle, cooled while spinning, and then this spun material is The pitch is heated in an oxygen-containing atmosphere to make it infusible, and then further heated to a high temperature in an inert gas to carbonize it. The carbonization temperature in this case is 800-15
00°C, and by setting the temperature increase rate during heating to about 2-b5-b°C or higher, graphitized fibers can be obtained. In the case of the present invention, when observing the cross section of pitch fibers immediately after spinning using an optical microscope, potential anisotropic pitch orientation in the fiber axis direction is often not observed because the surface is not disturbed by polishing. However, due to the stretching effect during spinning, a latent selective orientation of molecules in the fiber axis direction is formed, so that an anisotropic structure is clearly expressed in the subsequent carbonization and graphitization stages. Carbon fibers with a natural structure are formed.

次に本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。なお
実施例において0工はキノリンネ溶成分を意味し、QS
はキノリン可溶成分を意味し、BIはベンゼン不溶成分
を意味し、BSはベンゼン可溶成分を意味する。
Next, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples. In the examples, 0 means a quinolinated component, and QS
means a quinoline soluble component, BI means a benzene insoluble component, and BS means a benzene soluble component.

実施例I FCC法(石油留分の流動接触分解法)から得られるデ
カントオイルから製造された等方性ピッチを420℃で
熱処理し、メソフェースピッチを得た。
Example I Isotropic pitch produced from decant oil obtained from the FCC method (fluid catalytic cracking of petroleum fractions) was heat treated at 420° C. to obtain mesoface pitch.

このピッチのH/C(原子比)は0.57で、溶剤分別
法によればQI32.8%、05−BI48.3%、B
518.9%であった。このピッチは偏光顕微鏡下では
第1図に示すように光学的異方性小球体が多数認められ
、いわゆるメソフェースピッチであった。このピッチは
紡糸温度では熱安定性に劣り、曳糸性が悪く。
The H/C (atomic ratio) of this pitch is 0.57, and according to the solvent fractionation method, QI is 32.8%, 05-BI is 48.3%, B
It was 518.9%. Under a polarizing microscope, many optically anisotropic small spheres were observed at this pitch, as shown in FIG. 1, and it was a so-called mesoface pitch. This pitch has poor thermal stability at spinning temperatures and poor spinnability.

100m/n1m以上の速度で長繊維への紡糸は困難で
あった。このピッチを粉末にし、Birch 還元法に
よって温度95℃で水素化した。水素化されたピッチは
、QI<0.4%、05−Bl36.5%、 B563
%で実質的にはQIを含まない単−相のピッチであった
。また、この水素化ピッチにおけるH/C(原子比)は
1.01に増加した。この水素化ピッチは、これに外力
を加えても配向せず、潜在的異方性を示すものではなか
った。
It was difficult to spin into long fibers at a speed of 100 m/n1 m or more. This pitch was powdered and hydrogenated by Birch reduction method at a temperature of 95°C. Hydrogenated pitch QI<0.4%, 05-Bl36.5%, B563
%, it was a single-phase pitch containing substantially no QI. Moreover, H/C (atomic ratio) in this hydrogenated pitch increased to 1.01. This hydrogenated pitch did not become oriented even when an external force was applied to it, and did not exhibit potential anisotropy.

次に、この水素化ピッチを不活性気流中で400℃まで
加熱した後、減圧にて保持し、微量の低分子成分を除い
た。
Next, this hydrogenated pitch was heated to 400° C. in an inert gas stream and then held under reduced pressure to remove trace amounts of low molecular components.

斯くして得られたピッチは、QI<0.3%で実質的に
QI酸成分含まず、H/C原子比0.98であった。
The pitch thus obtained had a QI<0.3%, substantially no QI acid component, and an H/C atomic ratio of 0.98.

偏光顕微鏡下では第2図に見られるように、メソフェー
ス組織は全く認められなかったが、一方向にこすること
によって第3図のように、その方向に沿って弱いがはっ
きりした偏光が見られ、潜在的異方性を有することが確
認された。第3図(a)、(b)及び(c)は、互に直
交する矢印方向にこすった後のピッチ表面の偏光顕微鏡
写真であり、(b)、(C)は(a)を同一の視野で、
顕微鏡のステージを、それぞれ45@、90’回転させ
た場合である。このピッチの溶融温度は約240℃で、
熱安定性にすぐれ、350℃で3時間加熱しても組織変
化は見られなかった。
Under a polarizing microscope, as shown in Figure 2, no mesophase structure was observed at all, but by rubbing in one direction, weak but clear polarized light could be seen along that direction, as shown in Figure 3. , it was confirmed that it has potential anisotropy. Figures 3 (a), (b) and (c) are polarized light micrographs of the pitch surface after rubbing in the directions of the arrows perpendicular to each other; In view,
This is a case where the microscope stage is rotated by 45@ and 90', respectively. The melting temperature of this pitch is approximately 240℃,
It has excellent thermal stability and no structural change was observed even after heating at 350°C for 3 hours.

このピッチを、次の条件で溶融紡糸した。This pitch was melt-spun under the following conditions.

紡糸口径         0.6mm紡糸圧(水柱)
        35cm紡糸温度         
270〜280℃紡糸速度         350m
/分次に、得られたピッチ繊維を280℃まで空気中で
加熱して不融化し、その後アルゴン気流中で5℃/分の
昇温速度1000℃まで加熱し炭素化した。
Spinning diameter: 0.6mm Spinning pressure (water column)
35cm spinning temperature
270-280℃ Spinning speed 350m
Next, the obtained pitch fibers were heated to 280° C. in air to make them infusible, and then heated to 1000° C. at a temperature increase rate of 5° C./min in an argon stream to carbonize them.

この炭素繊維の断面を偏光顕微鏡で観察したところ、縦
方向の断面および横方向の断面は、それぞれ第4図およ
び第5図に示すように異方性構造を持つことが確認され
た。この炭素繊維をさらに2500℃で黒鉛化し、その
X線回折法による配向度を測定した。その結果を第6図
における曲線1で示す。
When the cross section of this carbon fiber was observed with a polarizing microscope, it was confirmed that the vertical cross section and the horizontal cross section had an anisotropic structure as shown in FIGS. 4 and 5, respectively. This carbon fiber was further graphitized at 2500°C, and its degree of orientation was measured by X-ray diffraction. The results are shown by curve 1 in FIG.

このグラフにおいて、横軸は繊維軸と炭素結晶子のC軸
方向とのなす角度(θ)を示し、縦軸は(002)回折
線の相対回折強度(RI)を示す。完全等方性の炭素ま
たは黒鉛繊維の場合には回折線の相対回折強度(RI)
は曲線2に示すように水平方向になるが、本発明による
黒鉛繊維の場合はθによってRIが顕著に変化し、本発
明による黒鉛繊維は配向していることが明らかに理解さ
れる。
In this graph, the horizontal axis represents the angle (θ) between the fiber axis and the C-axis direction of the carbon crystallite, and the vertical axis represents the relative diffraction intensity (RI) of the (002) diffraction line. In the case of completely isotropic carbon or graphite fibers, the relative diffraction intensity (RI) of the diffraction lines
is horizontal as shown in curve 2, but in the case of the graphite fiber according to the present invention, the RI changes significantly with θ, and it is clearly understood that the graphite fiber according to the present invention is oriented.

次に斯くして得られた炭素繊維および黒鉛繊維の引張強
度および弾性率を第2表に示す。
Table 2 shows the tensile strength and elastic modulus of the carbon fibers and graphite fibers thus obtained.

第2表Table 2

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は原料として用いたメソフェースのピッを表面の
偏光顕微鏡写真(倍率400倍)を示し、第2図は潜在
的異方性ピッチ、第3図は、これを互に直交する方向に
こすった後のピッチ表面の偏光顕微鏡写真を示す。第3
図において、矢印はこすった方向を示す。第3図(b)
、(c)は(a)と同一の視野で顕微鏡のステージをそ
れぞれ45°、90”回転させた場合である。第4図及
び第5図は潜在的異方性ピッチから得られる炭素繊維の
それぞれ縦方向断面及び横方向断面に関する偏光顕微鏡
写真(倍率800倍)を示す。第6図はX線回折法によ
り配向度測定結果を示すグラフである。 出願人代理人 弁理士 池 浦 敏 明第  十  図
       第  5  図第  6  図 θ(角度)
Figure 1 shows a polarized light micrograph (magnification: 400x) of the surface of the mesophase pit used as a raw material, Figure 2 shows the potential anisotropic pitch, and Figure 3 shows the surface of the mesophase pit used as a raw material. This is a polarized light micrograph of the pitch surface after it has been removed. Third
In the figure, the arrow indicates the direction of rubbing. Figure 3(b)
, (c) are the same field of view as in (a) when the microscope stage is rotated by 45° and 90'', respectively. Figures 4 and 5 show the carbon fibers obtained from the potential anisotropic pitch. Polarized light micrographs (magnification: 800x) of longitudinal and transverse sections are shown, respectively. Fig. 6 is a graph showing the results of measuring the degree of orientation by X-ray diffraction method. Applicant's agent, patent attorney Toshiaki Ikeura No. 10 Figure 5 Figure 6 Figure θ (angle)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)潜在的異方性ピッチを原料として用い、これを溶
融紡糸し、不融化し、炭素化することを特徴とする炭素
繊維の製造方法。
(1) A method for producing carbon fibers, which comprises using potentially anisotropic pitch as a raw material, melt-spinning it, making it infusible, and carbonizing it.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56104823A (en) * 1980-01-28 1981-08-20 Shin Etsu Chem Co Ltd Enteric coating composition for solid preparation

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS56104823A (en) * 1980-01-28 1981-08-20 Shin Etsu Chem Co Ltd Enteric coating composition for solid preparation
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