JPS6156326B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は均一性の優れた高強度炭素繊維（本明
細書において「炭素繊維」とは「黒鉛繊維」を含
むものとする。）の製造方法に関する。さらに詳
しくは、炭素繊維用プレカーサーとして、湿式紡
糸工程で得た凝固糸を溶剤含有延伸浴中で延伸し
て作製されたアクリル繊維を用い、これを焼成す
ることによつて、均一性に優れた炭素繊維を製造
する方法に関する。 アクリル系繊維から炭素繊維を製造することは
周知であつて広く実施されている。然しながら、
炭素繊維の物性には未だかなり大きなバラツキが
あり、そのため炭素繊維の本来の能力が十分発揮
されているとは言えない。また、炭素繊維を製造
する工程のうち、酸化性雰囲気中で加熱処理する
所謂耐炎化工程での切糸が多く生産性が低下して
いるのが現状である。かかる問題点を解決すべく
炭素繊維用プレカーサーの強度、弾性率、配向
度、結晶度等の改良がいくつか提案されている。
また、耐炎化工程での切糸はプレカーサーの耐炎
化工程での接者、融着等に原因して起ると考えら
れるが、接着、融着を防止するために、耐炎化条
件の適正化、油剤の開発等が提案されている。か
かる提案にもかかわらず炭素繊維の強度は理論的
に達成可能な推定値の10数％、弾性率では50％程
度しか達成されていない。また、耐炎化時の切糸
等の問題は充分に満足できる結果が得られていな
い。 本発明の目的は、高強度であるとともに物性の
バラツキが小さい炭素繊維を得るにある。さらに
他の目的は、耐炎化時の切糸を減少させるにあ
る。 本発明に係る炭素繊維の製造方法は、アクリロ
ニトリル系重合体を溶剤に溶解して紡糸原液を作
成し、該紡糸原液を紡糸口金から凝固浴中に押し
出して延伸せずに凝固せしめた後、得られた溶剤
を含有したままの凝固糸を凝固浴中の凝固液濃度
より高い濃度で溶剤を含む延伸浴中で延伸し、さ
らに水洗、乾燥して作成したアクリル繊維を焼成
することを特徴とする。 上述のように、作成された紡糸原液を凝固浴中
で充分に凝固をさせた後、溶剤を含有したまま、
溶剤含有延伸浴中で延伸すると均一構造物が得ら
れる。すなわち、溶剤含有延伸浴中では凝固によ
り形成された高分子凝集体が動きやすい状態であ
るため、より均一な延伸が可能となり、均一な構
造形成ができ、かつ配向度も均一なものとなる。
また、溶剤を含有した状態で延伸することによ
り、従来よりも高い延伸倍率を達成することも可
能となり、得られた繊維物性が向上する。こうし
て得られるアクリル系繊維をプレカーサーとして
用いて焼成すると、強度が高くかつ強度のバラツ
キが小さく均一な炭素繊維が得られる。 さらに、本発明方法で得られるアクリル系繊維
プレカーサーは強度のバラツキが小さく、構造欠
陥が少ないために、耐炎化時の切糸が極端に低下
し、耐炎化時の稼動率が向上する。 本発明方法においては、凝固浴中で充分に凝固
せしめた後に、溶剤を含有する延伸浴中で延伸す
ることによつて、より均一な延伸を達成し、配向
を高め、かつ、膨潤度を小さくして緻密化を進め
るものである。このように、膨潤度を小さくして
緻密化を促進するには、溶剤含有延伸浴中の溶剤
濃度を凝固浴中の凝固液濃度より高くする必要が
あり、両者の濃度差は３重量％以上であることが
望ましい。また、溶剤含有延伸浴の温度は凝固浴
の温度よりも５℃以上高いことが好ましい。膨潤
度の低下及び緻密化がより速やかに進行するから
である。 特に、硝酸水溶液を紡糸原液調整用溶剤、凝固
液および延伸浴液として使用する場合は、凝固液
と同じ濃度条件で延伸するとき延伸倍率を大きく
とることが全く困難となるのとは対照的に、本発
明の方法のように凝固浴中で充分に凝固させた後
凝固溶中の硝酸濃度より高い濃度の硝酸水溶液中
で延伸するときは本発明の効果が非常に顕著であ
る。さらに、好ましい溶剤含有延伸浴の条件は、
凝固浴より３重量％以上高い濃度で且つ凝固浴よ
り高い（特に５℃以上）温度である。このような
条件で延伸すると延伸倍率を充分に高めることが
でき均一な延伸が可能となると同時に、1.5デニ
ール以下の細繊度繊維の紡糸が容易となる。 本発明の方法において、紡糸原液調製用溶剤、
凝固浴中の凝固液および溶剤含有延伸浴中の溶剤
は、アクリル系重合体の溶剤として知られるもの
の中から選ぶことができる。そのような溶剤とし
ては、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトア
ミド、ジメチルスルホキシド等の有機系溶剤、な
らびにロダン塩、塩化亜鉛、硝酸、硫酸等の無機
系溶剤が挙げられる。これらの中でも、紡糸時の
変性を嫌うため低温で凝固させている硝酸等の無
機酸系の溶剤においては効果が大きい。また、溶
剤含有延伸浴中の溶剤と凝固浴中の凝固液は異な
つていても差支えないが、回収等のことを考えれ
ば、それらは同一物質であることが好しい。 本発明方法で用いられる「アクリル系重合体」
とは、ポリアクリロニトリルおよびアクリロニト
リルを少なくとも90重量％含有するアクリロニト
リルとその他の不飽和単量体との共重合体などを
指す。共重合されるその他の不飽和単量体として
は、アクリル酸、メタアクリル酸、アクリル酸メ
チル、メタアクリル酸メチル、酢酸ビニル、イタ
コン酸等のエチレン系不飽和化合物を挙げること
ができる。アクリル系重合体は一般に常用される
重合手段によつて得ることができる。 本発明方法における紡糸自体は、極く一般に知
られている湿式紡糸の技法に従つて行えばよい。
延伸後の水洗は含有している溶剤を洗い落せれば
いかなる水洗方法でもよく、また、乾燥方法も水
分を除去できればよく、特に限定されるものでは
ない。 かくして得られたアクリル繊維から炭素繊維を
製造するに際しては、従来より公知の如何なる焼
成方法をも採用することができる。一般に、酸化
性雰囲気中にて150〜400℃に加熱し環化せしめる
耐炎化工程と、次いで非酸化性雰囲気中または減
圧下にて高温焼成することにより炭素化乃至黒鉛
化せしめる炭素化工程とからなる焼成方法が好適
である。耐炎化工程の雰囲気としては空気が好適
であり、炭素化ないしは黒鉛化の雰囲気としては
窒素、ヘリウム、アルゴン等が好適である。 本発明方法によつて得られる炭素繊維は、強度
その他の物性に優るとともに、品質の均一性が良
好であつて、コンポジツト形成素材として最も優
れた性能をもつ。さらに、耐炎化工程での切糸が
非常に少く、高生産性を以つて炭素繊維を製造す
ることができる。 以下に本発明方法の代表的な実施例を示す。実
施例中、百分率は特に断らない限り重量基準で示
す。 実施例 １ アクリロニトリル97％、アクリル酸３％からな
るアクリロニトリル系共重合体を70％硝酸に溶解
し、重合体濃度が16.3％の紡糸原液を調製し、該
原液を紡糸口金から35.3％、−３℃の硝酸水溶液
中に押出して充分に凝固させた後、硝酸含有延伸
浴の条件をいろいろ変化させて（条件は後記第１
表に示す）、延伸倍率５倍で延伸を行つた。その
後、通常の水洗を行い、150℃で乾燥して、単糸
繊度1.5デニール、フイラメント数6000fのプレカ
ーサーを作製した（以上の方法を「Ａ法」とよ
ぶ。）。 比較のために、上記と同一紡糸原液を35.3％−
３℃の硝酸水溶液中に押出して充分に凝固させた
後、溶剤含有延伸浴中での延伸を施こすことな
く、水洗し、熱水中で５倍の延伸を行い、150℃
で乾燥して、単糸繊度1.5デニール、フイラメン
ト数6000fのプレカーサーを作製した（この方法
を「Ｂ法」とよぶ。） 上述のようにして得られたプレカーサーを電気
炉を使用して空気雰囲気下で240℃にて1.5倍延伸
しながら、45分間連続的に処理することにより耐
炎化糸を得、引続いてかかる耐炎化糸を窒素雰囲
気下で30℃から1200℃まで３分間かかつて徐々に
昇温することにより炭素繊維を得た。得られた炭
素繊維の物性等を測定した。結果は下記第１表の
とおりであつた。

【表】 第１表から、本発明方法によれば高強度で強度
のバラツキの小さな炭素繊維が得られることがわ
かる。また、接着も減少し切糸が極端に少ない。 実施例 ２ アクリロニトリル98％、メタアクリル酸メチル
1.0％、メタアクリル酸1.0％からなるアクリロニ
トリル系共重合体を55％のロダンソーダ水溶液に
溶解して重合体濃度16％の紡糸原液を調製し、紡
糸口金（孔径0.08mmφ、孔数6000）を介して−３
℃、15.5％のロダンソーダ水溶液中に押出して充
分に凝固させた後、ロダンソーダを含有する延伸
浴の条件をいろいろ変化させ（条件は後記第２表
に示す）、延伸倍率5.5倍で延伸を行つた。その
後、充分に水洗し、150℃で乾燥し、1.5デニー
ル、フイラメント数6000fのプレカーサーを作製
した。 上述のようにして得られたプレカーサーを実施
例と同様な方法で耐炎化処理及び炭素化処理をし
て炭素繊維を得た。該繊維の強度、弾性率及びそ
れらのバラツキについて比較検討した。結果は下
記第２表のとおりであつた。

【表】 耐炎化工程での切糸は、試料No.12〜15は非常
に良好であつたのに対し、試料No.9は切糸が多
発して操業性は極端に悪かつた。 実施例 ３ 実施例１で調製した凝固糸を用いて、塩化亜鉛
水溶液（濃度42％、温度15℃）中で延伸６倍し、
乾燥を行い、1.2デニール、6000フイラメントの
プレカーサーを作製した。この繊維を実施例１と
同様な方法で耐炎化処理、炭素化処理をして、炭
素繊維を得た。この炭素繊維の物性を測定した。
引張強度431Kg／mm²で、バラツキσは2.2Kg／mm²で
あり、非常に高い強度を示すとともにバラツキも
小さいものであつた。弾性率も同様で、
25.5Ton／mm²でσは0.4Ton／mm²という優れたもの
であつた。また、耐炎化工程での切糸も非常に少
く、良好な操業状態であつた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アクリル繊維より炭素繊維を製造するに際
   し、アクリロニトリルを90重量％以上含有するア
   クリル系重合体を溶剤に溶解して紡糸原液を作成
   し、該紡糸原液を紡糸口金から凝固浴中に押し出
   して延伸せずに凝固せしめた後、得られた溶剤を
   含有したままの凝固糸を凝固浴中の凝固液濃度よ
   り高い濃度で溶剤を含む延伸浴中で延伸し、さら
   に水洗、乾燥して作成したアクリル繊維を焼成す
   ることを特徴とする均一性に優れた高強度炭素繊
   維の製造方法。 ２ 凝固浴中の凝固液濃度と溶剤含有延伸浴中の
   溶剤濃度との間に３重量％以上の差がある特許請
   求の範囲第１項に記載の炭素繊維の製造方法。 ３ 凝固浴中の凝固液温度が溶剤含有延伸浴中の
   溶剤温度より５℃以上低い温度である特許請求の
   範囲第１項または第２項に記載の炭素繊維の製造
   方法。 ４ 紡糸原液作成用溶剤、凝固液および溶剤含有
   延伸浴中の溶剤としてそれぞれ硝酸水溶液を用い
   る特許請求の範囲第１項から第３項までのいずれ
   かに記載の炭素繊維の製造方法。