JPS62177220A - ピツチ系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】 （産業上の利用分野） 本発明はピッチ系炭素繊維の製造方法に関するものであ
る。

（従来の技術） 炭素繊維は、比強度及び比弾性率が高い材料であシ、高
性能複合材料のフィラー繊維として注目されている。

現在、炭素繊維はポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を原
料とするＰＡＮ系炭素炭素繊維ッチ類を原料とするピッ
チ系炭素繊維が製造されているが、一般に開発が先行し
ていた為にＰＡＮ系炭素炭素繊維く使用され、高強度、
高弾性の高特性炭素繊維としても主としてＰＡＮ系炭素
炭素繊維々の工夫を加えて使用されているのが現状であ
る。

しかしながら、ＰＡＮ系炭素炭素繊維に高弾性化するこ
とには限界がある点で難点を有している。又、その原料
であるＰＡＮが高価であること、原料当りの炭素繊維の
収蓋が低いこと等のため高価であるという難点も有して
いる。

そこで近年より高弾性な特徴を有し、より広範な用途が
期待されるピッチ系炭素繊維の高特性化が種々検討され
ている。

一般にピッチ系炭素繊維の製造は、ピッチ類を加熱溶融
し、溶融紡糸してピッチ繊維を得、これを空気などの酸
化性雰囲気下で一〇〇〜１Ｉｏｏ℃程度で加熱して不融
化繊維とし１次いで窒素などの不活性ガス芥囲気中で１
００℃以上に加熱して炭化し、更に必要に応じてコ００
０〜Ｊ０００Ｃの高温で黒鉛化処理することによシ得ら
れる。

ところが、ＰＡＮを原料とする場合に比較して、糸強度
が極めて弱いピッチ繊維を連続したフィラメント状で製
造するには、合成繊維の製造の際に用いられる巻き取シ
装置では、糸切れ、ケバ立ちを生じ易く、連続的に処理
するのは非常に困難であった。

そこで、ピッチ繊維を連続したフィラメント状で製造す
る場合には、ピッチを溶融紡糸し、得られたピッチ繊維
を容器等に沈積させ、その状態で不融化並びに炭化する
方法などが行なわれていた。

しかしながら、かかる方法では、ピッチ繊維力が付与さ
れていない状態で炭化収縮が行なわれる念め、得られた
炭素繊維が直線状とはならず、ら線状あるいは波うつ等
の焼きぐせがついてしまうという問題があった。

そこで、かかる問題点を解決するために、ピッチを溶融
紡糸し集束剤を使わず気流引取装置を介して容器に引取
ることにより連続フィラメント状ピッチ繊維束を得、こ
れを不融化し、次いで特定の破断伸度まで１次炭化した
後、緊張下にさらに高温で炭化する方法（特開昭６０−
ｌコロ３コダ号公報）が知られている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、かかる方法では、集束剤を用いずピッチ
繊維束を製造するため、静電気の作用で単繊維が互いに
反発して繊維束として非常にまとまりが悪く、更に不融
化、−次炭化において繊維束がばらけたりして取扱い上
大きな問題があった。

また、−次炭化温度が１Ｉｏｏ〜りＳＯＣと比較的に低
く、充分な炭化が進んでおらず、従って繊維の強度は１
ｏｙ７−程度と弱く取扱いに難点があった。また−次炭
化されたトウは強度が弱くそれ自身炭素繊維として利用
できるものではなく、そのすべてを２次炭化処理して強
度向上を計らねばならない。

よって−次炭化工程での負荷が大きくなり生産性の点で
も問題があった。

そこで、本発明者等は、かかる問題点を解決すべく鋭意
検討した結果、集束剤を用いてピッチ繊維を集束してト
ウを形成し、これを充分な繊維強度が達成されるまで特
定温度で炭化処理し、その後高温直下連続的に熱処理す
ることによシ上記問題点が解決できることを見い出し本
発明に到達したものである。

すなわち、本発明の目的は直線状の連続フィラメント状
ピッチ系炭素繊維を簡便に製造するソチ繊維を集束剤を
用いてピッチ繊維束とした後、不融化処理、炭化処理、
更に必要に応じて黒鉛化処理することＫよシビツテ系炭
素繊維をし、次いで強制的に張力を付与しながら、該炭
化処理温度よシもｓ　−Ａ　ｏ　ｏ℃高い温度で連続的
に加熱処理することにより容易に達成される。

以下、本発明の詳細な説明する。本発明で用いる炭素繊
維を得るためのピッチとしては、配向しやすい分子種が
形成されておシ、光学的に異方性の炭素繊維を与えるよ
うなものであれば特に制限はなく、従来の種々のものが
使用できる。

これらピッチを得るための炭素質原料としては、例えば
１石炭系のコールタール、コールタールピッチ、石炭液
化物、石油系の重質油、タール、ピッチ等が挙げられる
。これらの炭素質原料には通常フリーカーボン、未溶解
石炭、灰分などの不純物が含まれているが、これらの不
純物は濾過、遠心分離、あるいは溶剤を使用する静置沈
降分離などの周知の方法で予め除去しておくことが望ま
しい。

また、前記炭素質原料を、例えば、加熱処理した後特定
溶剤で可溶分を抽出するといった方法、あるいは水素供
与性溶剤、水素ガスの存在下に水添処理するといった方
法で予備処理を行なっておいても良い。

本発明においては、前記炭素質原料あるいは予備処理を
行なった炭素質原料を、通常３ｊＯ〜ｚｏｏ℃、好まし
くは３１０〜ダｓｏ℃で、コ分〜、ｔＯ時間、好ましく
はｊ分〜Ｓ時間、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気
下、或いは、吹き込み下に加熱処理することによって得
られる１１以上、好ましくは、７０％以上の光学的異方
性組織を含み、かつキノリンネ溶分がＩｉｏ重量重量子
以下ましくは３５重［９６以下のメソフェーズピッチが
好適である。

本発明でいうメソフェーズピッチの光学的異方性組織割
合は、常温下偏光顕微鏡でのメソフェーズピッチ試料中
の光学的異方性を示す部分の面積割合として求めた値で
ある。

具体的には、例えばメンフェーズピッチ試料を数鵡角に
粉砕したものを常法に従って約１百直径の樹脂の表面の
ほぼ全面に試料片を埋込み、表面を研磨後、表面全体を
くまなく偏光顕微鏡（ｉｏｏ倍率）下で観察し、試料の
全表面積に占める光学的異方性部分の面積の割合を測定
することによって求める。

上記の様なピッチを用いて常法により溶融紡糸してピッ
チ繊維を得て、これに集束剤を用いてピッチ４ａ維束を
形成する。

集束剤としては特に限定されるものではないが、各種の
界面活性剤や合成樹脂あるいはシリコンオイル等を含む
油剤が用いられるが好ましくハシリコンオイル、シリコ
ンオイル誘導体ヲ含む油剤を用いるとよい。得られたピ
ッチ繊維束は、実質的に非張力下で酸化性雰囲気中で不
Ｃで炭化処理（／袂炭化処理）される。

ここで非張力下での加熱処理とは、ピッチ繊維束に対し
外部から強制的な張力を付与しない状態で不融化及び炭
化処理を行なうことを意味するものであり、具体的には
、ピッチ繊維束を連続フィラメントの状態で容器に沈積
させ、その状態のままで不融化並びに上記温度で炭化処
理する、いわゆる１回分法ｌで行なうことを意味する。

１次炭化処理の昇温速度は、ｒｏｏ−ｊｏｏ。

℃／時間、処理時間はＯ，Ｓ〜ｉｏ時間の範囲から選択
するのが好ましい。

この１次炭化処理によシ強度１００〜コ００ｋｐ　／　
ｍｌ、伸度ｌ−コチの炭素繊維が得られるように温度、
処理時間等を制御するのが好ましい。

このような方法で得られた炭素繊維のトウを次いで強制
的に張力を付与しながら、前記炭化処理温度よシもＳ〜
ｂｏｏｃ、好ましくはＩＱ〜ｕｏｏｃ高い温式で連続的
に加熱処理する。

かかる加熱処理すること忙よシ糸ぐせ（焼きぐせ）等が
ついていた炭素繊維が直線状となる。

強制的に張力を付与する手段としてはローラ等を介して
繊維軸方向に引張るようにして張力を付与すればよく、
また張力としてはトウの集束状態、炭化温度、トウ強度
などにょシ左右されるが、通常θ−０１−！ＬＡＰ／ｄ
ｓ好ましくは０、　／−／　ｆ　／　ｄの範囲から選択
される。

また、加熱処理は炭化処理から引続いて連続的に行なっ
てもよいし、それぞれを別個に行なってもよい。

加熱処理の時間は糸ぐせをとることのみを目的とする場
合はｊ秒〜１分程麻でよい。また強度および弾性率を同
時に向上させることを目的とする場合はｌ−コＯ分程度
所定の高温度に保持することが必要である。

の範囲から選択される。この温度は高温側であるほど強
硬、弾性率は大幅に向上するものである。

（効果） 本発明によれば、不融化繊維トウを通気孔を有する容器
に収納された充填密度の高い状態で生産性よく炭化処理
することができ、引続いて張力付与下に連続的に高温加
熱処理することにより、糸ぐせのない高強度、高弾性率
の炭素繊維を容易に得ることができる。１次炭化された
ものは、糸ぐせは残っているものの相当の強度を保有し
ているのでセメント材配合用のチョツプドファイバーな
どＫそのママ応用することができる。更に、張力付与下
の高温加熱処理の温度を調整することによシ最終炭素繊
維の強度および弾性率を、それぞれの目的、用途に応じ
て広い範囲から任意に選択することができ、工業的生産
性に優れた発明である。

以下、本発明を実施例によυ具体的に説明するが、その
要旨をこえない限Ｕ、本発明は下記の実施例に限定され
るものではない。

実施例！ コールタールピッチを水添し、熱処理して得られた光学
的異方性割合１００％のピッチを得、これを孔数コ５０
、孔径ｏ、１ｒｅｓの口金を用いて温度３００℃で単糸
径１０μとなるよう溶融紡糸し、シリコン系集束剤を用
いて集束し、ピッチ繊維トウを得た。

得られた集束本数−ＳＯ本のピッチ線維トウをダ本合糸
して単繊維７０００本のトウとし、これを通気孔を有す
る容器に収納された状態で、空気雰囲気下、３ｒｏｃで
３０分加熱することにより不融化繊維トウを得た。不融
化繊維トウの強度はユに４７　ｔｄ、伸度はへｌチであ
った。

次いで不融化繊維トウを同一の容器に保持したまま、窒
素雰囲気下炭化炉に入れ、１時間かけて９００Ｃまで昇
温し、同温度で更に１時間保持し、コ時間かけて冷却し
室温下に取出した。

得られ九炭素繊維の強度はｌコＯｋｇ　／　ｔｐｄ、伸
度はｔ、ｓ％で６つ九。容器から炭素繊維をとり出し、
ローラを介してボビンに巻きとったが、炭化時に形成さ
れた繊維トウの屈曲が明らかに残っておシ、ボビン上に
周期的な糸グセ（焼きグセ）が観察された。

ボビンに巻きとった炭素繊維トウを、１４１００℃に保
持された連続式炭化炉に供給し、０．３？／ｄの張力を
かけながら炉内での滞留時間を５分として加熱処理した
。該加熱処理された炭素繊維トウを再びボビンに巻きと
ったが糸グセは全く見られず、極めてなめらかに巻きと
ることができた。また、このトウの強度は３コＯｋｔ／
−１弾性率はａｊＴ／−であシ、加熱処理前に比べて格
段に物性が向上していた。

出願人　　三菱化成工業株式会社 代理人　　弁理士　長谷用　　− （ほか１名′）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ピッチを溶融紡糸してピッチ繊維を得、該ピッチ
   繊維を集束剤を用いてピッチ繊維トウとした後、不融化
   処理、炭化処理、更に必要に応じて黒鉛化処理すること
   によりピッチ系炭素繊維を製造する方法において、該不
   融化繊維トウを非張力下８００〜１５００℃の温度で炭
   化処理し、次いで強制的に張力を付与しながら、該炭化
   処理温度よりも５〜６００℃高い温度で連続的に加熱処
   理することを特徴とするピッチ系炭素繊維の製造方法。
2. （２）加熱処理温度が炭化処理温度よりも１０〜４００
   ℃高い温度であることを特徴とする特許請求の範囲第（
   １）項記載の方法。
3. （３）炭化処理を９００〜１２００℃で行ない、得られ
   た炭素繊維の伸度が１〜２％であることを特徴とする特
   許請求の範囲第（１）項記載の方法。
4. （４）炭化処理を９００〜１２００℃で行ない、得られ
   た炭素繊維の強度が１００〜２００ｋｇ／ｍｍ＾２であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の方
   法。
5. （５）強制的に付与する張力が００１〜５ｇ／ｄである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項ないし第（
   ４）項のいずれかに記載の方法。