JPS62177222A - Production of pitch based carbon fiber - Google Patents

Production of pitch based carbon fiber

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JPS62177222A
JPS62177222A JP1587486A JP1587486A JPS62177222A JP S62177222 A JPS62177222 A JP S62177222A JP 1587486 A JP1587486 A JP 1587486A JP 1587486 A JP1587486 A JP 1587486A JP S62177222 A JPS62177222 A JP S62177222A
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JP
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pitch
cross
spinning
fiber
carbon fiber
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JP1587486A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuhiko Mizuuchi
和彦 水内
Yasuo Nagata
永田 保雄
Takeshi Hamada
健 濱田
Hirofumi Sunago
砂子 洋文
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Nippon Steel Corp
Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Nippon Steel Chemical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain the titled fibers capable of freely and stably controlling the cross-sectional area without cracking along the fiber axis direction, by disturbing the flow caused when flowing in pitch just above a capillary of nozzle in melt spinning. CONSTITUTION:Mesophase-containing pitch is initially melt spun. In the process, the flow produced in flowing in the above-mentioned pitch is disturbed just above a capillary 2 of a nozzle 2. The resultant pitch fibers are subsequently infusibilized by a well-known method, e.g. air oxidation, etc. and the infusibilized fibers are heat-treated, carbonized or graphitized to provide the aimed fibers. In order to the flow of the pitch just above the capillary, an apparatus constructed to extrude the pitch 7 above the capillary 2 from the nozzle 2 while stirring with a stirring rod 8 is used.

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新規な製造方法に関する
ものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Field of Application] The present invention relates to a novel method for producing pitch-based carbon fiber.

さらに詳しく言えば、炭素繊維の横断面構造を安定に、
かつ自由に制御することが可能なピッチ系炭素繊維の製
造方法に係わるものである。
More specifically, the cross-sectional structure of carbon fiber is stabilized,
The present invention also relates to a method for producing pitch-based carbon fiber that can be freely controlled.

(従来の技術〕 炭素繊維としては、大別してPAN (ポリアクリロニ
トリル)系炭素繊維とピッチ系炭素繊維が知られている
(Prior Art) Carbon fibers are broadly classified into PAN (polyacrylonitrile)-based carbon fibers and pitch-based carbon fibers.

ピッチ系炭素繊維は、原料としてピッチを用い、原料ピ
ッチが40%以上、好ましくは80%以上のメソフェー
ズ部分を含有する場合には、−Mに高弾性率をもたせる
こともできる。
In the pitch-based carbon fiber, when pitch is used as a raw material and the raw material pitch contains a mesophase portion of 40% or more, preferably 80% or more, -M can also have a high elastic modulus.

ところで、ピッチ系炭素繊維は、特に黒鉛化度が高く、
高弾性を有するときには、従来繊維軸方向に沿って割れ
が入る場合が多く、このような炭素繊維は割れのために
商品価値が著しく低下する。
By the way, pitch-based carbon fiber has a particularly high degree of graphitization,
Conventionally, when carbon fibers have high elasticity, cracks often occur along the fiber axis direction, and such cracks significantly reduce the commercial value of carbon fibers.

この繊維軸方向に沿った割れは、炭素繊維の横断面にお
いて、炭素層面が放射状に配列したいわゆるラジアルタ
イプの構造を、炭素繊維が有することが原因であること
が知られている。
It is known that this cracking along the fiber axis is caused by the carbon fiber having a so-called radial type structure in which carbon layer surfaces are arranged radially in a cross section of the carbon fiber.

この層面の配列の仕方は、炭素繊維の断面を、偏光顕微
鏡または走査型電子顕微鏡等で観察することにより認め
られるもので、この配列の仕方を模式的に表わしたもの
が第5図である。
This arrangement of the layer planes can be recognized by observing the cross section of the carbon fibers using a polarizing microscope or a scanning electron microscope, and FIG. 5 schematically shows this arrangement.

前述の繊維軸方向に沿った割れを避けるために、ラジア
ルタイプの横断面構造を回避し、第5図りに模式的に示
したオニオンタイプまたは同図Bに示したランダムタイ
プの横断面構造をとらせるような製造方法が提案されて
おり、それらの方法によって炭素繊維の割れの問題自体
は解決されると思われる。
In order to avoid the aforementioned cracking along the fiber axis direction, we avoided the radial type cross-sectional structure and adopted the onion type cross-sectional structure schematically shown in Figure 5 or the random type cross-sectional structure shown in Figure B. Manufacturing methods have been proposed that allow carbon fibers to crack, and these methods seem to solve the problem of carbon fiber cracking.

例えば、特開昭59−53717号公報、特開昭59−
76925号公やしこ示されている方法によれば、溶融
紡糸において高温で紡糸するか、一度高温として再び低
温にした状態で紡糸するならば、オニオンまたはランダ
ムタイプの横断面構造を有する炭素繊維が得られるとし
ている。
For example, JP-A-59-53717, JP-A-59-53717,
According to the method disclosed in Japanese Patent No. 76925, carbon fibers having an onion or random type cross-sectional structure can be produced by melt spinning at a high temperature or by spinning at a high temperature and then at a low temperature. is expected to be obtained.

特開昭59−168424号公報記載の方法によれば、
溶融紡糸の際にキャピラリーをimaする際のすり速度
を小さくすることでランダムタイプの横断面構造を有す
る炭素繊維を得ている。
According to the method described in JP-A-59-168424,
Carbon fibers having a random cross-sectional structure are obtained by reducing the sliding speed when imaning the capillary during melt spinning.

特開昭59−168127号公報記載の方法によれば、
溶融紡糸において、キャピラリーの出口で、流路を拡大
したノズルを用いて、オニオンまたはランダムタイプの
横断面構造を有する炭素繊維を得ている。
According to the method described in JP-A-59-168127,
In melt spinning, a nozzle with an enlarged flow path is used at the exit of the capillary to obtain carbon fibers with an onion or random type cross-sectional structure.

特開昭59−163423号公報記載の方法によれば、
溶融紡糸において異形断面としたキャピラリーを有する
ノズルを用いると、歪んだラジアルタイプまたはランダ
ムタイプの横断面構造の炭素繊維が得られるとしている
According to the method described in JP-A-59-163423,
It is said that when a nozzle having a capillary with an irregular cross section is used in melt spinning, carbon fibers with a distorted radial type or random type cross-sectional structure can be obtained.

このように、ピッチ系炭素繊維の繊維軸方向に沿った割
れの問題を克服するための提案は多いが、共通して、■
紡糸が不安定になる、■横断面の構造としては、オニオ
ンタイプかランダムタイプまたはその組み合わせ程度の
少ない種類のものしか実現し得す、制御方法として、よ
り一般的に多種類の横断面構造を設計し得ない、■単に
横断面のマクロな構造(例えばラジアルタイプ、オニオ
ンタイプ等)しか制御し得ず、ミクロなレベルでの横断
面構造、すなわち横断面方向における黒鉛結晶の発達の
程度の制御は困難である、等の問題点を有している。
In this way, there are many proposals to overcome the problem of cracking along the fiber axis direction of pitch-based carbon fibers, but in common,
Spinning becomes unstable. ■ The cross-sectional structure can only be onion type, random type, or a combination of these. As a control method, it is more common to create multiple types of cross-sectional structures. ■Can only control the macroscopic structure of the cross section (e.g. radial type, onion type, etc.), and cannot control the cross-sectional structure at the microscopic level, that is, the degree of development of graphite crystals in the cross-sectional direction. There are problems such as:

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

本発明は、繊維軸に沿った割れが生ぜず、かつ、オニオ
ン、ランダムタイプはもちろん、それら以外の多種類の
横断面構造を有する炭素繊維を、紡糸の安定性を欠くこ
となく製造し、さらに、炭素繊維の横断面のミクロな構
造、すなわち横断面方向での黒鉛化の程度までも制御可
能な炭素繊維の製造方法を提供するものである。
The present invention produces carbon fibers that do not crack along the fiber axis and have various cross-sectional structures such as onion and random types, as well as other types of cross-sectional structures, without sacrificing spinning stability. The present invention provides a method for producing carbon fibers in which even the microstructure of the cross-section of carbon fibers, that is, the degree of graphitization in the cross-sectional direction, can be controlled.

(問題点を解決するための手段) 本発明者等は、メソフェーズピッチ系炭素繊維の繊維軸
方向に沿った割れの問題を克服し、ランダム、オニオン
タイプのみならず、任意のタイプの横断面構造をもつ炭
素繊維を安定に製造し、かつ横断面のマクロな構造だけ
でなく、もつとミクロな構造まで制御するためには、メ
ソフェーズピッチの溶融紡糸段階で、キャピラリー直上
部でのメソフェーズピッチがキャピラリーに流れ込む時
に生じる流れを乱すか、または意図的に横断面方向に新
たな流れを作った状態で紡糸を行なうことが、本質的に
有効であることを見い出した。
(Means for Solving the Problems) The present inventors have overcome the problem of cracking along the fiber axis direction of mesophase pitch-based carbon fibers, and have solved the problem of cracking along the fiber axis direction of mesophase pitch-based carbon fibers, and have solved the problem of cracking in mesophase pitch-based carbon fibers. In order to stably produce carbon fibers with carbon fibers and control not only the macroscopic structure of the cross section but also the microscopic structure, it is necessary to It has been found that it is essentially effective to disrupt the flow that occurs when the fiber flows into the fiber, or to perform spinning while intentionally creating a new flow in the cross-sectional direction.

ランダム、オニオンタイプの横断面構造を有する炭素繊
維を製造するための従来の方法では、紡糸のどの段階で
、ラジアルタイプの横断面構造が発現するのかが分って
いなかった。
In conventional methods for producing carbon fibers with random, onion-type cross-sectional structures, it was not known at what stage of spinning a radial-type cross-sectional structure would develop.

本発明者等は、メソフェーズピッチから炭素繊維を製造
する際に通常の紡糸を行なった場合、ラジアルタイプの
横断面構造が紡糸段階でのキャピラリー直上部で発現す
るという機構を見い出したことに基づき、これらの問題
点を解決し、本発明を完成したものである。
The present inventors have discovered a mechanism in which a radial type cross-sectional structure is developed just above the capillary at the spinning stage when normal spinning is performed when producing carbon fiber from mesophase pitch. The present invention has been completed by solving these problems.

〔作 用〕[For production]

以下に本発明の内容について、詳しく説明する。 The content of the present invention will be explained in detail below.

第2図は、本発明者等が横断面構造発現の機構を調べる
ために用いた単孔紡糸器である。溶融したメソフェーズ
ピッチlは、窒素ガスによりキャピラリー2を通じて、
ノズル3から吐出し、巻取ボビン4により巻き取られ、
ピッチ繊維となる。
FIG. 2 shows a single-hole spinner used by the present inventors to investigate the mechanism of cross-sectional structure development. The melted mesophase pitch l is passed through the capillary 2 by nitrogen gas,
It is discharged from the nozzle 3 and wound up by the winding bobbin 4,
Becomes pitch fiber.

ここで、このピッチ繊維5と、放流糸6 (ノズル3か
ら吐出したピッチを巻き取らずに自由落下させたもの)
と、キャピラリー上部のピッチ7を採取(ピッチを吐出
させたまま、ノズル3を水で急冷して得たもの)し、そ
の横断面構造を反射偏光i!Ji微鏡で観察した。
Here, this pitch fiber 5 and the discharge yarn 6 (the pitch discharged from the nozzle 3 is allowed to fall freely without being wound up)
Then, the pitch 7 at the top of the capillary was sampled (obtained by rapidly cooling the nozzle 3 with water while the pitch was being discharged), and its cross-sectional structure was analyzed using reflected polarized light i! Observed with a Ji microscope.

その結果、本発明者等は驚くべきことに、これら3つの
横断面構造は、ともにラジアルタイプで相似的に対応し
ていることを見い出した。そして、この結果はメソフェ
ーズピッチの粘度が60ポイズ〜2300ポイズ、吐出
量が0.03 g 5in−’〜0、1315in−皿
、線径が5μ−〜40μmの範囲で同様の現象が起るこ
とを確かめた。
As a result, the present inventors surprisingly found that these three cross-sectional structures are all radial types and correspond to each other in a similar manner. This result shows that the same phenomenon occurs when the viscosity of mesophase pitch is 60 poise to 2300 poise, the discharge amount is 0.03 g 5in-' to 0, 1315 inch plate, and the wire diameter is 5μ to 40μm. I confirmed that.

さらに、第1図に示すように撹拌棒8を用いて、粘度が
250ボイズのキャピラリー上部のピッチ7を8rpI
11の回転速度で撹拌しながらメソフェーズピッチ1を
0.065g win−’で吐出させ、先に述べた方法
により、ピッチ繊維5、放流糸6、そしてキャピラリー
直上部のピッチ7を採取し、その横断面構造を反射偏光
顕微鏡で観察した。
Furthermore, as shown in FIG.
Mesophase pitch 1 was discharged at 0.065 g win-' while stirring at a rotational speed of 11, and pitch fibers 5, discharge thread 6, and pitch 7 directly above the capillary were collected by the method described above, and their transverse The surface structure was observed using a reflective polarizing microscope.

その結果、これら3つの横断面構造は、ともに、第5図
Aに模式的に示したようなりワジオニオンタイプであり
、相似的に対応していることを見い出した。
As a result, it was found that these three cross-sectional structures were all of the wadionion type as schematically shown in FIG. 5A, and corresponded to each other in a similar manner.

ここでクワジオニオンタイプの横断面構造とは、繊維の
軸に直角な方向の断面において、分子が同一方向に配列
した領域が、同心円状に渦を巻く様に分布するものであ
る。そして、この断面構造は新規な横断面構造であり、
反射偏光顕微鏡観察では、これまでに知られているオニ
オンタイプとは全く異なる様相を呈しながら、これを不
融化、熱処理した後、走査型電子顕微鏡(SEM)で横
断面構造を観察した場合にはオニオンタイプに酷似して
いるため、クワジオニオン(IIオニオン)タイプと命
名した。
Here, the quadionion type cross-sectional structure is one in which regions in which molecules are arranged in the same direction are distributed in a concentric spiral manner in a cross section in a direction perpendicular to the axis of the fiber. This cross-sectional structure is a new cross-sectional structure,
When observed with a reflective polarization microscope, it appeared to have a completely different appearance from the previously known onion type; however, when the cross-sectional structure was observed with a scanning electron microscope (SEM) after being made infusible and heat treated, Because it is very similar to the onion type, it was named the Quadionion (II Onion) type.

これらの知見から、通常紡糸を行なったときのランダム
タイプの横断面構造は、ノズル内のキャピラリー直上部
で発現し、キャピラリー通過時、延伸過程では基本的に
この構造が変化せず、またキャピラリー直上部でラジア
ルタイプ以外の横断面構造を持っていても、その構造は
ラジアルタイプの場合と同様に、ピッチ繊維の横断面構
造として保存されるということがわかった。
From these findings, it is clear that the random type cross-sectional structure during normal spinning occurs just above the capillary in the nozzle, and that this structure basically does not change during the drawing process when passing through the capillary. It was found that even if the upper part has a cross-sectional structure other than the radial type, that structure is preserved as the cross-sectional structure of pitch fibers, just as in the case of the radial type.

したがって、キャピラリー直上部のピッチの流れを乱す
か、またはラジアルタイプの横断面構造をとらないよう
な別な流れをつ(った状態で紡糸してやれば任意の横断
面構造を有する炭素繊維を製造できることが明らかとな
った。  ′ □゛そして、この方法が、優れている点
は、′Φこの制御がキャピラリー直上部という比較的大
きい場所で行なうために、種々の細工がしやすく第二オ
ンタイプ、ランダムタイプ以外の種々の横断面構造を有
する炭素繊維をつくりやすい、■溶融したピッチの延伸
過程(この過程でピッチ繊維の糸切れが起こりやすい)
と、空間的に離れたところでの制御であるため紡糸が安
定している。■キャピラリー直上部のピッチの流れを乱
すことによって、メソフェーズの均質な領域が小さくな
り、このことが延伸過程で相似的に受けつがれてピッチ
繊維となるために、ピッチ繊維の横断面でピッチ分子が
同一方向に配列しているような領域(このような領域で
は不融化の後に熱処理したときに、黒鉛化が進みやすい
)を、小さくするように設計することができる、等であ
る。  1 特に■を効果的に実現するように設計したノズルを使っ
て紡糸し、得られたピッチ繊維を不融化、熱処理して得
られる炭素繊維の黒鉛化度は低いものになる。しかしな
がら、繊維軸方向での配向度は、延伸過程でほとんど決
定するため、得られる炭素繊維の配向度と弾性率は、通
常紡糸で得たものと変りない。
Therefore, it is possible to produce carbon fibers with any cross-sectional structure by disrupting the pitch flow directly above the capillary or by spinning with a different flow that does not have a radial type cross-sectional structure. ′ □゛And the advantage of this method is ′ΦSince this control is performed in a relatively large place directly above the capillary, various modifications can be easily made. It is easy to create carbon fibers with various cross-sectional structures other than the random type. ■ Drawing process of molten pitch (during this process, pitch fibers tend to break)
The spinning is stable because the control is performed at spatially distant locations. ■By disrupting the flow of pitch just above the capillary, the homogeneous region of mesophase becomes smaller, and this is inherited in a similar manner during the drawing process to form pitch fibers, so that pitch molecules appear in the cross section of pitch fibers. For example, it is possible to design a region in which the particles are arranged in the same direction (in such a region, graphitization tends to proceed when heat treatment is performed after infusibility) to be smaller. 1. The degree of graphitization of the carbon fiber obtained by spinning the pitch fiber using a nozzle designed to effectively achieve (1), making it infusible and heat-treating the obtained pitch fiber will be low. However, since the degree of orientation in the fiber axis direction is mostly determined during the drawing process, the degree of orientation and elastic modulus of the obtained carbon fibers are the same as those obtained by ordinary spinning.

そのため、この炭素繊維の低い黒鉛化度は、横断面方向
での黒鉛層面発達の悪さに起因する。実際、走査型電子
顕微鏡(SEM)、透過型電子顕微鏡(TEM)で、こ
の炭素繊維の横断面方向での黒鉛結晶の発達の仕方を観
察すると、通常紡糸で得たものに比べて、炭素層面のう
ねりの曲率半径が小さい。すなわち繊維の横断面方向に
おいて、黒鉛層面の平面性が悪いことが確認された。
Therefore, the low degree of graphitization of this carbon fiber is due to poor graphite layer surface development in the cross-sectional direction. In fact, when observing the development of graphite crystals in the cross-sectional direction of this carbon fiber using a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM), it was found that the carbon layer plane The radius of curvature of the waviness is small. That is, it was confirmed that the flatness of the graphite layer surface was poor in the cross-sectional direction of the fiber.

そして、本発明では弾性率が同じである場合には、横断
面方向での黒鉛層面の発達の程度が低い方が強度が高い
ことを見い出した。
In the present invention, it has been found that when the elastic modulus is the same, the lower the degree of development of the graphite layer plane in the cross-sectional direction, the higher the strength.

以上、本発明において、見い出した新しい原理と、これ
を用いて、炭素繊維の横断面構造を制御する炭素繊維の
製造方法の特長を述べた0次いで、この本発明の製造方
法と、その効果について詳述する。
Above, we have described the new principle discovered in the present invention and the features of the carbon fiber manufacturing method that controls the cross-sectional structure of carbon fiber using the new principle.Next, we will discuss the manufacturing method of the present invention and its effects. Explain in detail.

本発明の製造方法は、紡糸段階において、ノズルのキャ
ピラリー直上部のピッチの流れを制御するところにその
特長がある。その具体的な方法としては、静置式撹拌器
を用いる方法と動的に撹拌する方法がある。
The manufacturing method of the present invention is characterized in that the pitch flow of the nozzle directly above the capillary is controlled in the spinning stage. Specific methods include a method using a static stirrer and a method using dynamic stirring.

静置式撹拌器を用いる場合は、例えば第3図(A)に示
したように、キャピラリー上部にらせん状の物体9を設
置するだけで、新たな横断面構造を作り出すことができ
る。この横断面構造は、キャピラリー上部のピッチの粘
度、流れ、またはその状態に非常に敏感である。
When using a static stirrer, a new cross-sectional structure can be created simply by installing a spiral object 9 on top of the capillary, as shown in FIG. 3(A), for example. This cross-sectional structure is very sensitive to the viscosity, flow, or condition of the pitch at the top of the capillary.

例えば、軟化点308℃、TM−90,8%、Q I 
−19,8%、メソフェーズ含有量−100%のメソフ
ェーズピッチを使用し、第3図(A)の様なノズルを用
いて紡糸し、メソフェーズピッチの粘度を60ポイズか
ら1000ボイズの範囲でピッチの吐出量を0.011
5in−’から0.1 g win−’の範囲内で調整
することで、第5図(B)、(D)、(F)に模式的に
示した3種類の横断面構造を得ることができる。
For example, softening point 308℃, TM-90.8%, Q I
Using a mesophase pitch with a mesophase content of -19.8% and a mesophase content of -100%, spinning was performed using a nozzle as shown in Figure 3 (A), and the viscosity of the mesophase pitch was adjusted to a range of 60 poise to 1000 poise. Discharge amount 0.011
By adjusting within the range of 5 in-' to 0.1 g win-', three types of cross-sectional structures schematically shown in Fig. 5 (B), (D), and (F) can be obtained. can.

また、第3図(B)に示したノズルを用いて紡糸し、メ
ンフェースピッチの粘度を400ボイズ、吐出量を0.
02 g win−’とした場合には、第5図(E)に
模式的に示したような横断面構造であった。
Further, the nozzle shown in FIG. 3(B) was used for spinning, and the viscosity of the membrane pitch was 400 voids, and the discharge amount was 0.
02 g win-', the cross-sectional structure was as schematically shown in FIG. 5(E).

また、第3図(C)に示したノズルを用いて紡糸し、メ
ソフェーズピッチの粘度を250ポイズ、吐出量を0.
061 win−’にした場合には、第5図(B)と(
D)の中間的な横断面構造が得られた。
Further, spinning was performed using the nozzle shown in FIG. 3(C), and the viscosity of mesophase pitch was 250 poise, and the discharge amount was 0.
061 When set to win-', Figure 5 (B) and (
An intermediate cross-sectional structure of D) was obtained.

次いで、動的に撹拌する方法であるが、例えば第4図(
A)または(B)に示したようなノズルを用い、撹拌棒
を回転させつつ紡糸した場合、メソフェーズピッチの粘
度が60ポイズ〜700ポイズ、吐出量が0.03g■
in−’〜0.1315in−’の範囲においては、第
5図(A)に模式的に示した様なタイプか、または(A
)と(D)との中間的なタイプの横断面構造をもつもの
を得ることができる。
Next, there is a method of dynamic stirring, for example, as shown in Fig. 4 (
When spinning using a nozzle as shown in A) or (B) while rotating the stirring rod, the viscosity of mesophase pitch is 60 poise to 700 poise, and the discharge amount is 0.03 g■
In the range of 0.1315 in-' to 0.1315 in-', the type shown schematically in FIG. 5(A) or (A
) and (D) can be obtained with an intermediate type of cross-sectional structure.

また、第4図(C)に示したようなノズルを用い撹拌棒
を回転しつつ紡糸した場合、メソフェーズピッチの粘度
が100ボイズ〜600ポイズ、吐出量が0.031 
m1n−’〜0.065 g 5in−’の範囲におい
ては第5図(B)、(D)、または(B)と(D)の中
間的な横断面構造をもつものを得た。
Furthermore, when spinning is performed using a nozzle as shown in FIG. 4(C) while rotating the stirring bar, the viscosity of mesophase pitch is 100 poise to 600 poise, and the discharge rate is 0.031 poise.
In the range of m1n-' to 0.065 g 5in-', the cross-sectional structure of FIG. 5 (B), (D), or intermediate between (B) and (D) was obtained.

また、第4図(D)に示したようなノズルを用いて撹拌
棒を回転しつつ紡糸した場合、メソフェーズピッチの粘
度が400ボイズ、吐出量が0.065g 5in−’
の場合には、第5図(A)または(G)(ウィークラジ
アル)に模式的に示したような横断面構造を得た。
Furthermore, when spinning is performed using a nozzle as shown in FIG. 4(D) while rotating the stirring rod, the viscosity of mesophase pitch is 400 voids, and the discharge amount is 0.065 g 5in-'
In this case, a cross-sectional structure as schematically shown in FIG. 5 (A) or (G) (weak radial) was obtained.

このように横断面構造を自由に制御できれば、炭素繊維
の表面の性質を制御し、これにより複合材料として用い
る場合にもマトリックスとの界面の性質を最適なものに
することが可能となる。
If the cross-sectional structure can be freely controlled in this way, it becomes possible to control the surface properties of carbon fibers, thereby optimizing the properties of the interface with the matrix when used as a composite material.

また、これらのうちでも炭素繊維のミクロなレベルでの
横断面構造の制御には静置式撹拌器を用いる場合でも効
果はあるが、キャピラリー直上部のメソフェーズピッチ
の動的な撹拌が特に有効である。
Among these methods, although it is effective to use a static stirrer to control the cross-sectional structure of carbon fibers at a microscopic level, dynamic stirring of the mesophase pitch directly above the capillary is particularly effective. .

従来より知られている通常の紡糸方法を用いて得た炭素
繊維と本発明による紡糸方法のうち、動的な撹拌を行な
う紡糸によって得た炭素繊維の物性について一例を表−
1に示ス。
Table 1 shows an example of the physical properties of carbon fibers obtained by a conventional spinning method and a spinning method according to the present invention, which involves dynamic stirring.
Shown in 1.

本発明による紡糸方法のうち特に動的な撹拌を行なう紡
糸によって得た炭素繊維は黒鉛化度が低いにもかかわら
ず、配向角に変化がなくまた弾性率の低下がみられない
、また強度が改善されていることがわかる。
Among the spinning methods of the present invention, the carbon fibers obtained by spinning with particularly dynamic stirring have a low degree of graphitization, but there is no change in the orientation angle, no decrease in the elastic modulus, and the strength is low. You can see that it has been improved.

表−1炭素繊維の物性値の比較 ここで本発明の製造方法において用いられるピ    
゛ッチはメソフェーズピッチであればどの様なものでも
良い0例えば石油系ピッチであっても良いし、石炭系ピ
ッチであってもよいし、また種々の方法で水添処理した
後に熱処理を行なって得たものであっても良いし、水添
処理なしモ熱処理のみを行なって得たものであっても良
い、また高温にしたとき、メソフェーズ部分が消失する
ようなものでも良いし、消失しないようなものであって
も良い。
Table 1 Comparison of physical properties of carbon fibers
The pitch may be any mesophase pitch. For example, it may be petroleum-based pitch or coal-based pitch, or it may be hydrogenated by various methods and then heat treated. The mesophase portion may or may not disappear when heated to high temperatures. It may be something like this.

ただし、本発明は炭素繊維の横断面構造を制御するもの
であるので、メソフェーズな有量の多いもの、例えば5
0%以上、好ましくは90%以上のものを使ったときに
特に効果が大きい。
However, since the present invention is to control the cross-sectional structure of carbon fibers, carbon fibers with a large amount of mesophase, such as 5
The effect is particularly great when using 0% or more, preferably 90% or more.

また本発明の紡糸方法を行なう際、メソフェーズピッチ
の粘度、吐出量、およびピッチ繊維の線径等は、紡糸が
可能な範囲であればどの様に選択しても良い0例えばメ
ソフェーズピッチの粘度は50ボイズ〜2000ボイズ
程度の範囲で、吐出量は紡糸温度、線径によって変わる
ので、適宜選択すればよい。
Furthermore, when carrying out the spinning method of the present invention, the viscosity of the mesophase pitch, the discharge amount, the wire diameter of the pitch fiber, etc. may be selected in any way as long as spinning is possible.For example, the viscosity of the mesophase pitch Since the discharge amount varies depending on the spinning temperature and the wire diameter, it may be selected as appropriate in the range of about 50 to 2000 voids.

ピッチ繊維の線径は、5μll〜50μ−程度の範囲か
ら選ぶのが実用上良いであろう、ただし、本発明の紡糸
方法を実行したときには、先に述べたようにメソフェー
ズピッチの粘度や吐出量が横断面構造に影響するため、
実現したい横断面構造を考えた上で、これらの紡糸条件
を決定すべきである。
Practically speaking, it would be best to select the wire diameter of the pitch fiber from a range of about 5 μl to 50 μl. However, when carrying out the spinning method of the present invention, the viscosity and discharge rate of the mesophase pitch may vary as described above. affects the cross-sectional structure, so
These spinning conditions should be determined by considering the desired cross-sectional structure.

得られたピッチ繊維は、空気酸化等の公知の方法で不融
化繊維とし、この不融化繊維を不活性ガス中で、100
0〜2000℃、または引続いて2000℃以上の適当
な熱処理温度で熱処理し、炭化もしくは黒鉛化すること
によって炭素繊維を得る。このようにして得た炭素繊維
は、本発明の紡糸方法で付与されたマクロなそしてミク
ロな横断面構造を受は継いだものになっている。
The obtained pitch fibers are made into infusible fibers by a known method such as air oxidation, and the infusible fibers are heated to 100% in an inert gas.
Carbon fibers are obtained by heat treatment at a suitable heat treatment temperature of 0 to 2000°C, or subsequently 2000°C or higher, and carbonization or graphitization. The carbon fiber thus obtained has a macroscopic and microscopic cross-sectional structure imparted by the spinning method of the present invention.

以上述べてきたように、本発明の製造方法は紡糸安定性
に優れ、かつオニオン、ランダムはもちろん、それ以外
の横断面構造も自由に制御可能であり、さらに横断面の
ミクロなレベルの構造を制御できるという、従来の紡糸
方法の有していた問題点を克服した新規な製造方法であ
る。
As described above, the manufacturing method of the present invention has excellent spinning stability, and can freely control not only onion and random cross-sectional structures, but also the micro-level structure of the cross-section. This is a new manufacturing method that overcomes the problems of conventional spinning methods.

次に本発明において、ピッチ系炭素繊維および原料ピッ
チの特性を表わすのに用いた諸物性値について述べる。
Next, in the present invention, various physical property values used to express the characteristics of pitch-based carbon fibers and raw material pitch will be described.

(1)X線回折により求めた諸物性値、配向角(HWH
M) 、結晶子サイズ(Lc(。。8〉)、層間隔(d
O。オ) 真直ぐに張った炭素繊維束を含む平面に垂直な方向から
、xmを繊維束に照射する。そして、繊維束を透過、回
折したXvAを検出器で検出する際に、002面に対応
するシグナルが最大となる方向に検出器を固定する。′ 次いで、入射X線と検出器の方向を固定したまま、繊維
束を入射X線に垂直な平面内で回転させると、検出器で
検出されるシグナル強度は繊維の回転角度の180°の
周期関数となり、180°毎に1つのピークをもつ。こ
のピークの半値中の半分の値を配向角(Half Wi
dthof Half Maximum、HWHM)と
呼ぶ。
(1) Physical properties determined by X-ray diffraction, orientation angle (HWH
M), crystallite size (Lc(..8〉), layer spacing (d
O. e) Irradiate the fiber bundle with xm from a direction perpendicular to the plane containing the straight carbon fiber bundle. When the detector detects XvA transmitted through and diffracted through the fiber bundle, the detector is fixed in the direction where the signal corresponding to the 002 plane is maximized. ' Next, when the fiber bundle is rotated in a plane perpendicular to the incident X-rays while keeping the directions of the incident X-rays and the detector fixed, the signal intensity detected by the detector is equal to the period of 180° of the rotation angle of the fibers. It is a function with one peak every 180°. The half value of this peak is determined as the orientation angle (Half Wi
dthof Half Maximum, HWHM).

また学振法に従って、測定すべき炭素繊維を粉末にし、
これにシリコンの粉末を混合して試料となし、X線回折
パターンを得たとき、(002)面に対応するピーク位
置から算出した炭素繊維の微小黒鉛結晶の層間隔をd、
。2で表わす、またこのピークの半値巾より算出した微
小黒鉛の積層厚さを結晶子サイズと呼びL e Ill
。2)で表わす。
In addition, in accordance with the Gakushin Law, the carbon fiber to be measured is powdered,
A sample was obtained by mixing silicon powder with this, and when an X-ray diffraction pattern was obtained, the interlayer spacing of the carbon fiber micro graphite crystals calculated from the peak position corresponding to the (002) plane was d,
. 2, and the stacking thickness of micrographite calculated from the half-width of this peak is called the crystallite size.
. 2).

HW HMは、黒鉛結晶がいかに良く繊維軸に沿って配
向しているかを示す指標であり、d、。2、LC,。。
HW HM is an indicator of how well graphite crystals are oriented along the fiber axis, d. 2.LC. .

2.は繊維の黒鉛化度を表わす一般的な指標である。d
o。2は小さいほど、LCT。。2.は大きいほど繊維
の黒鉛化度が進んでいる事を表わす。
2. is a general index expressing the degree of graphitization of fibers. d
o. The smaller 2 is, the LCT. . 2. The larger the value, the more advanced the degree of graphitization of the fibers.

(2)磁気抵抗率 磁気抵抗率は通常△ρ/ρで表わされ、以下の0式で定
義されている(磁気抵抗率は無次元数であり、パーセン
ト表示される。)。
(2) Magnetoresistivity Magnetoresistivity is usually expressed as Δρ/ρ and is defined by the following formula (0) (Magnetoresistivity is a dimensionless number and is expressed as a percentage).

△ρ/=(ρ(Ilt)−ρ(0))/ρ<o>・・・
■ここでρ(甘)は、試料に磁束密度せの磁場を印加し
たときの試料の比抵抗であり、ρ(0)は磁場を印加し
ないときの試料の比抵抗である。
△ρ/=(ρ(Ilt)−ρ(0))/ρ<o>...
(2) Here, ρ (sweet) is the specific resistance of the sample when a magnetic field of magnetic flux density is applied to the sample, and ρ (0) is the specific resistance of the sample when no magnetic field is applied.

磁気抵抗率Δρ/ρは、炭素繊維の黒鉛化度が上がると
大きくなる。そして磁気抵抗率の特長は、試料の形、大
きさに左右されず、また比較的大きな欠陥の有無に依存
しない事であり、試料の黒鉛化度を評価するのに最も通
した物性値の1つである。さらに、磁気抵抗率は、炭素
繊維の黒鉛化度の高いところで敏感であり、この領域で
は、X線回折から求めた物性値が全て敏感でなくなって
くるので特に有用である。
The magnetoresistivity Δρ/ρ increases as the degree of graphitization of the carbon fiber increases. The advantage of magnetoresistivity is that it is not affected by the shape or size of the sample, nor does it depend on the presence or absence of relatively large defects, and is one of the most commonly used physical property values for evaluating the degree of graphitization of a sample. It is one. Furthermore, magnetoresistive properties are particularly sensitive in areas where the degree of graphitization of carbon fibers is high, and all physical property values determined from X-ray diffraction become insensitive in this area, which is particularly useful.

なお、本願の説明において示した磁気抵抗率は、全て液
体窒素温度で、40本以上の炭素繊維の束をまっすぐに
張った試料に垂直な方向に10KGの磁場を印加したと
きの磁気抵抗率の値である。
The magnetic resistivity shown in the explanation of this application is the magnetic resistivity when a magnetic field of 10 KG is applied in the perpendicular direction to a sample made of a bundle of 40 or more carbon fibers stretched straight at liquid nitrogen temperature. It is a value.

(3)引張り強度、引張り弾性率、伸び引張り強度物性
はJISR7601に示された方法に準じて測定された
(3) Tensile strength, tensile modulus, and elongation tensile strength physical properties were measured according to the method shown in JISR7601.

(4)粘度、軟化点 粘度はフローテスターを用いて、ハーゲン・ボアズイユ
の式により算出した。軟化点は、粘度が20000ボイ
ズとなる温度のことである。
(4) Viscosity and softening point viscosity were calculated using the Hagen-Boiseuille formula using a flow tester. The softening point is the temperature at which the viscosity becomes 20,000 voids.

(5)メソフェーズ含有量 本発明で言うメソフェーズとは、冷却固化したピッチを
樹脂等に埋込んで表面を研磨し、反射偏光顕微鏡を用い
て観察する事によって決定できる光学的に異方性を示す
組織を指す。またメソフェーズ含有量とは前述の様にし
て観察して認められる異方性組織の面積割合を指す。
(5) Mesophase content The mesophase referred to in the present invention exhibits optical anisotropy, which can be determined by embedding cooled and solidified pitch in resin, polishing the surface, and observing it using a reflective polarization microscope. Refers to an organization. Further, the mesophase content refers to the area ratio of the anisotropic structure observed as described above.

以下に本発明の内容をより詳細に説明するための比較例
と、実施例を示す、なお本文中の%は、磁気抵抗率とメ
ソフェーズ含有量以外は全て重量%である。
Comparative Examples and Examples are shown below to explain the content of the present invention in more detail. Note that all percentages in the text are percentages by weight except for magnetoresistivity and mesophase content.

実施例 1 原料として軟化点80℃のコールタールピッチを、水素
化溶媒としてテトラヒドロキノリンを用い、120 k
g am−”の圧力下、440℃で18分間反応させた
後、減圧下270℃で溶剤および低沸点留分を除き、水
素化処理ピッチを得た。これを常圧下470℃で42分
間熱処理した後、減圧下480℃で低沸点分を除きメソ
フェーズピッチを得た。このメソフェーズピッチは、−
軟化点が308℃、T I = 90.8%、Q I 
= 19.8%、メソフェーズ含有量=100%であっ
た。
Example 1 Coal tar pitch with a softening point of 80° C. was used as a raw material, and tetrahydroquinoline was used as a hydrogenation solvent, and 120 k
After reacting at 440°C for 18 minutes under the pressure of ``g am-'', the solvent and low boiling point fractions were removed at 270°C under reduced pressure to obtain a hydrogenated pitch.This was heat treated at 470°C for 42 minutes under normal pressure. After that, low boiling point components were removed at 480°C under reduced pressure to obtain mesophase pitch.
Softening point is 308°C, T I = 90.8%, Q I
= 19.8%, mesophase content = 100%.

前記のメソフェーズピッチを撹拌棒を装備しである第4
図(C)に示したようなノズルに入れて、10℃5in
−’の昇温速度で355℃まで加熱し、30分間保ち、
しかる後に、撹拌棒を27rps+で回転させ溶融ピッ
チを撹拌しながら、窒素ガスで圧力をかけて、0.06
 g mic’で溶融したピッチを吐出させ、500 
m−l1in−’の巻き取り速度で、巻き取ってピッチ
繊維とした。
The fourth mesophase pitch is equipped with a stirring bar.
Put it in a nozzle like the one shown in figure (C) and heat it for 5 inches at 10℃.
-' heating rate to 355°C and keep for 30 minutes,
After that, while stirring the molten pitch by rotating the stirring rod at 27 rps+, pressure was applied with nitrogen gas to reduce the pitch to 0.06
Discharge the molten pitch with g mic', and
The pitch fiber was wound up at a winding speed of ml1 in-'.

撹拌棒の先端は、ノズルの吐出口の上約21■まで近付
けて紡糸を行なった。この間の紡糸状態は良好で安定し
ていた。
The tip of the stirring rod was brought close to about 21 cm above the discharge port of the nozzle for spinning. During this period, the spinning condition was good and stable.

この様にして得たピッチ繊維は、反射偏光顕微鏡による
観察の結果、その横断面構造が第5図(B)に模式的に
示したようなランダムタイプであった。
As a result of observation using a reflective polarizing microscope, the pitch fiber thus obtained was found to have a random cross-sectional structure as schematically shown in FIG. 5(B).

この様にして得たピッチ繊維を空気中で200℃から3
00℃まで、0.5℃mic’の昇温速度で昇温し、そ
のまま1時間不融化処理を行なった。しかる後アルゴン
ガス中にて50℃ff1in−’の昇温速度で2500
℃まで昇温し、15分間、熱処理を施し、炭素繊維を得
た。
The pitch fibers obtained in this way were heated at 200℃ in air for 3
The temperature was raised to 00°C at a rate of 0.5°C mic', and the infusibility treatment was continued for 1 hour. Thereafter, the temperature was increased to 2500°C in argon gas at a heating rate of 50°Cff1 in-'.
The temperature was raised to .degree. C., and heat treatment was performed for 15 minutes to obtain carbon fibers.

この様にして得た炭素繊維の繊維軸に直角な方向の断面
構造は、反射偏光顕微鏡と走査型電子顕微鏡による観察
の結果、第5図(B)に模式的に示したようなランダム
タイプであった。
The cross-sectional structure of the carbon fiber thus obtained in the direction perpendicular to the fiber axis was observed using a reflective polarizing microscope and a scanning electron microscope, and was found to be of a random type as schematically shown in Figure 5 (B). there were.

この炭素繊維のX線回折により求めた配向角(HWHM
)は8.4°、結晶子サイズ(Lc+oon)は20n
I11.層間隔(doo、)は0.339mm、磁気抵
抗率(△ρ/ρ)は−0,401%であり、また引張り
強度は263 kg am−”、引張り弾性率は49t
on鶴−2、伸びは0.54%であった。
Orientation angle (HWHM) determined by X-ray diffraction of this carbon fiber
) is 8.4°, crystallite size (Lc+oon) is 20n
I11. The interlayer spacing (doo,) is 0.339 mm, the magnetic resistivity (Δρ/ρ) is -0,401%, the tensile strength is 263 kg am-'', and the tensile modulus is 49 t.
on Tsuru-2, the elongation was 0.54%.

実施例 2 実施例1で用いたメソフェーズピッチを第4図(B)に
模式的に示したような撹拌棒を装備したノズルに入れて
、10℃−1n−’の昇温速度で355℃まで加熱し、
30分間保ち、しかる後に撹拌棒を17.8 rp−で
回転させながら、窒素ガスで圧力をかけて0.06 g
 +m1n−’で溶融した原料ピッチを吐出させ、50
0m・■in−’の巻き取り速度で巻き取り、ピッチ繊
維となした。
Example 2 The mesophase pitch used in Example 1 was put into a nozzle equipped with a stirring bar as schematically shown in FIG. Heat,
Hold for 30 minutes, then pressurize with nitrogen gas while rotating the stirring bar at 17.8 rpm to remove 0.06 g.
+m1n-' to discharge the melted raw material pitch, 50
It was wound up at a winding speed of 0 m·in-' to form a pitch fiber.

撹拌棒の先端はノズルの吐出口より約7鰭の高さの所に
設置した。
The tip of the stirring rod was placed at a height of about 7 fins from the nozzle outlet.

この様にして得たピッチ繊維は、その横断面構造が第5
図(A)に模式的に示したようなりワジオニオンタイプ
であった。また紡糸は安定していた。
The pitch fiber obtained in this way has a cross-sectional structure of 5
It was of the wadionion type as schematically shown in Figure (A). Moreover, the spinning was stable.

このピッチ繊維を実施例1と同様に不融化、熱処理を施
して炭素繊維を得た。
This pitch fiber was made infusible and heat treated in the same manner as in Example 1 to obtain carbon fiber.

この炭素繊維の繊維軸に直角な方向の横断面構造は、反
射=pm鏡と走査型電子顕微鏡による観察の結果、第5
図(A)に模式的に示したようなりワジオニオンタイプ
であった。
The cross-sectional structure of this carbon fiber in the direction perpendicular to the fiber axis was determined by observation using a reflection = pm mirror and a scanning electron microscope.
It was of the wadionion type as schematically shown in Figure (A).

この炭素繊維のX線回折により求めた配向角(HWHM
)は8.3°、結晶子サイズ(L c (aot+ )
は19mm、層間隔(dtot)は0.339mm、磁
気抵抗率(Δρ/ρ)は−0,432%であった。
Orientation angle (HWHM) determined by X-ray diffraction of this carbon fiber
) is 8.3°, and the crystallite size (L c (aot+ )
was 19 mm, the interlayer spacing (dtot) was 0.339 mm, and the magnetoresistive rate (Δρ/ρ) was −0,432%.

また、引張り強度は 260kgm−”、引張り弾性率
は45 ton m−”、伸びは0.58%であった。
Further, the tensile strength was 260 kgm-'', the tensile modulus was 45 ton m-'', and the elongation was 0.58%.

実施例 3 実施例1で用いたものと同じメソフェーズピッチを、第
4図(A)に模式的に示したような撹拌棒を装備したノ
ズルに入れて、10″’e*in−’の昇温速度で35
5℃まで加熱し、30分間保ち、しかる後に、撹拌棒を
9.8rp−で回転させながら、窒素ガスで圧力をかけ
て、0.05g 5in−’で原料ピッチを吐出させ、
500m−@1n−1の巻き取り速度で巻き取って、ピ
ッチ繊維とした。
Example 3 The same mesophase pitch used in Example 1 was placed in a nozzle equipped with a stirring bar as schematically shown in Figure 4(A), and a 10'''e*in-' rise was applied. 35 at temperature speed
Heating it to 5°C, keeping it for 30 minutes, then applying pressure with nitrogen gas while rotating the stirring bar at 9.8 rpm, discharging the raw material pitch at 0.05g 5in-',
It was wound up at a winding speed of 500 m@1n-1 to obtain a pitch fiber.

撹拌棒の先端はノズルの吐出口より約10鶴の高さに設
置した。
The tip of the stirring rod was placed at a height of approximately 10 mm from the discharge port of the nozzle.

この様にして得たピッチ繊維は反射偏光s!J徽鏡で観
察した結果、その横断面構造が、第5図(A)に模式的
に示したようなりワジオニオンタイプであった。また紡
糸は安定していた。
The pitch fibers obtained in this way reflect polarized light s! As a result of observation with a J-hui mirror, the cross-sectional structure was a wadionion type as schematically shown in FIG. 5(A). Moreover, the spinning was stable.

このピッチ繊維を、実施例1と同様に不融化、熱処理を
施して炭素繊維を得た。
This pitch fiber was made infusible and heat treated in the same manner as in Example 1 to obtain carbon fiber.

得られた炭素繊維の横断面構造は、反射偏光gl微鏡と
走査型電子顕微鏡による観察の結果、第5図(A)に模
式的に示したようなりワジオニオンタイプであった。
The cross-sectional structure of the obtained carbon fiber, as a result of observation using a reflective polarized GL microscope and a scanning electron microscope, was of a wadionion type as schematically shown in FIG. 5(A).

この炭素繊維のX線回折により求めた配向角(HWHM
)は8.1°、結晶子厚さくLc(。。2))は21m
m、層間隔(doo2)は0.339mm、磁気抵抗率
(Δρ/ρ)は−0,323%であった。
Orientation angle (HWHM) determined by X-ray diffraction of this carbon fiber
) is 8.1°, crystallite thickness Lc(..2)) is 21m
m, the layer spacing (doo2) was 0.339 mm, and the magnetoresistive rate (Δρ/ρ) was −0,323%.

また引張り強度は268 kg M−”、引張り弾性率
は50 ton鶴−1、伸びは0.54%であワた。
The tensile strength was 268 kg M-'', the tensile modulus was 50 tons Tsuru-1, and the elongation was 0.54%.

実施例 4 実施例1で用いた原料ピッチを、第3図(A)に模式的
に示したようなドリル状の金具を備えたノズルに入れて
、10℃−1「1の昇温速度で3・45℃まで加熱し、
30分間保ち、しかる後に窒素ガスで圧力をかけて、0
.051 +m1n−’で溶融した原料ピッチを吐出さ
せ、400m−5in−’の巻き取り速度で巻き取り、
ピッチ繊維となした。
Example 4 The raw material pitch used in Example 1 was put into a nozzle equipped with a drill-shaped fitting as schematically shown in Fig. 3(A), and heated at a heating rate of 10°C-1. Heat to 3.45℃,
Hold for 30 minutes, then apply pressure with nitrogen gas and reduce to 0.
.. 051 +m1n-' to discharge the melted raw material pitch, and wind it up at a winding speed of 400m-5in-'.
Made with pitch fiber.

この様にして得たピッチ繊維は、その断面構造が第5図
(D)に模式的に示したようなオニオンタイプであった
。また紡糸は安定していた。
The pitch fiber thus obtained had an onion-type cross-sectional structure as schematically shown in FIG. 5(D). Moreover, the spinning was stable.

このピッチ繊維を実施例1と同様に不融化、熱処理を施
して炭素繊維を得た。
This pitch fiber was made infusible and heat treated in the same manner as in Example 1 to obtain carbon fiber.

この炭素繊維の繊維軸に直角な方向の断面構造は、反射
顕微鏡と走査型電子顕微鏡による観察の結果、第5図(
D)に模式的に示したようなオニオンタイプであった。
The cross-sectional structure of this carbon fiber in the direction perpendicular to the fiber axis is shown in Figure 5 as a result of observation using a reflection microscope and a scanning electron microscope.
It was an onion type as schematically shown in D).

この炭素繊維のX線回折により求めた配向角(HWHM
)は8.2°、結晶子サイズ(Lc+oon)は29n
m、層間隔(does)は0.338mm、磁気抵抗率
(Δρ/ρ)は+0.15%であった。
Orientation angle (HWHM) determined by X-ray diffraction of this carbon fiber
) is 8.2°, crystallite size (Lc+oon) is 29n
m, the layer spacing (does) was 0.338 mm, and the magnetoresistive rate (Δρ/ρ) was +0.15%.

また、引張り強度は240 kg■−2、引張り弾・性
率は50 ton m−”、伸びは0.48%であった
Further, the tensile strength was 240 kg■-2, the tensile modulus was 50 ton m-'', and the elongation was 0.48%.

実施例 5 実施例1で用いたメソフェーズピッチを、第3図(A)
に模式的に示したようなドリル状の金具を備えたノズル
に入れて、10℃−1n−’の昇温速度で355℃まで
加熱し、30分間保ち、しかる後に窒素ガスで圧力をか
けて、0.02g win″lで溶融した原料ピッチを
吐出させ、170m−ain−’の巻き取り速度で巻き
取り、ピッチ繊維となした。
Example 5 The mesophase pitch used in Example 1 is shown in Figure 3 (A).
The sample was placed in a nozzle equipped with a drill-shaped metal fitting as schematically shown in , and heated to 355°C at a temperature increase rate of 10°C-1n-', maintained for 30 minutes, and then pressurized with nitrogen gas. , 0.02 g win''l was discharged and wound up at a winding speed of 170 m-ain-' to form a pitch fiber.

この様にして得たピッチ繊維は、その断面構造が第5図
(B)に模式的に示したようなランダムタイプであった
。また紡糸は安定していた。
The pitch fiber thus obtained had a random cross-sectional structure as schematically shown in FIG. 5(B). Moreover, the spinning was stable.

このピッチ繊維を実施例1と同様に不融化、熱処理を施
して炭素繊維を得た。
This pitch fiber was made infusible and heat treated in the same manner as in Example 1 to obtain carbon fiber.

この炭素繊維の繊維軸に直角な方向の断面構造は、反射
顕微鏡と走査型電子顕微鏡による観察の結果、第5図(
B)に模式的に示したようなランダムタイプであった。
The cross-sectional structure of this carbon fiber in the direction perpendicular to the fiber axis is shown in Figure 5 as a result of observation using a reflection microscope and a scanning electron microscope.
It was a random type as schematically shown in B).

この炭素繊維のX線回折により求めた配向角(HWHM
)は9,0%、結晶子サイズ(L Ctooz、)は2
6nm、層間隔(dooz)は0.338nm、 +1
1気抵抗率(△ρ/ρ)は+0.08%であった。
Orientation angle (HWHM) determined by X-ray diffraction of this carbon fiber
) is 9.0%, crystallite size (L Ctooz, ) is 2
6nm, layer spacing (dooz) is 0.338nm, +1
The 1st resistivity (Δρ/ρ) was +0.08%.

また、引張り強度は245 kg tm−”、引張り弾
性率は50 ton mn−”、伸びは0.49%であ
った。
Further, the tensile strength was 245 kg tm-'', the tensile modulus was 50 ton mn-'', and the elongation was 0.49%.

実施例 6 実施例1で用いた原料ピッチを、第3図(B)に模式的
に示したような偏平板状の金具を備えたノズルに入れて
、10℃m1n−’の昇温速度で350℃まで加熱し、
30分間保ち、しかる後に窒素ガスで圧力をかけて、0
.02g m1n−’で溶融した原料ピッチを吐出させ
、170m−Ilin−’の巻き取り速度で巻き取り、
ピッチ繊維となした。紡糸状況は安定していた。
Example 6 The raw material pitch used in Example 1 was put into a nozzle equipped with a flat metal fitting as schematically shown in Fig. 3(B), and heated at a heating rate of 10°C m1n-'. Heat to 350℃,
Hold for 30 minutes, then apply pressure with nitrogen gas and reduce to 0.
.. Discharge the melted raw material pitch at 02 g m1n-' and wind it up at a winding speed of 170 m-Ilin-'.
Made with pitch fiber. The spinning situation was stable.

この様にして得たピッチ繊維は、その断面構造が第5図
(E)に模式的に示したような構造であった。
The pitch fiber thus obtained had a cross-sectional structure as schematically shown in FIG. 5(E).

このピッチ繊維を実施例1と同様に不融化、熱処理を施
して炭素繊維を得た。
This pitch fiber was made infusible and heat treated in the same manner as in Example 1 to obtain carbon fiber.

この炭素繊維の繊維軸に直角な方向の断面構造は、反射
顕微鏡と走査型電子顕微鏡による観察の結果、第5図1
)に模式的に示したような構造であった。
The cross-sectional structure of this carbon fiber in the direction perpendicular to the fiber axis is shown in Figure 5-1 as a result of observation using a reflection microscope and a scanning electron microscope.
) The structure was schematically shown in .

この炭素繊維のX線回折により求めた配向角(f(WH
M)は7.9°、結晶子サイズ(lc(。ot、)は3
0ns、層間隔(doo、)は0.337nm、 53
気抵抗率(△ρ/ρ)は+0.25%であった。
Orientation angle (f(WH
M) is 7.9°, crystallite size (lc(.ot,) is 3
0ns, layer spacing (doo,) is 0.337nm, 53
The resistivity (Δρ/ρ) was +0.25%.

また、引張り強度は235 kg va−”、引張り弾
性率は49 ton am−”、伸びは0.48%であ
った。
Further, the tensile strength was 235 kg va-'', the tensile modulus was 49 ton am-'', and the elongation was 0.48%.

実施例 7 実施例1で用いた原料ピッチを、第3図(C)に模式的
に示したようなうず巻状の金具を設置したノズルに入れ
て、10℃lll1n”の昇温速度で340℃まで加熱
し、30分間保ち、しかる後に窒素ガスで圧力をかけて
、0.02g sinりで溶融した原料ピッチを吐出さ
せ、170m−m1n−’の巻き取り速度で巻き取り、
ピッチ繊維となした。
Example 7 The raw material pitch used in Example 1 was put into a nozzle equipped with a spiral metal fitting as schematically shown in FIG. ℃, kept for 30 minutes, then applied pressure with nitrogen gas, discharged 0.02 g sin of molten raw material pitch, and wound it at a winding speed of 170 m-m1n-'.
Made with pitch fiber.

この様にして得たピッチ繊維は、その断面構造が第5図
(B)と(D)の中間的なタイプであった。また紡糸は
安定していた。
The pitch fiber thus obtained had a cross-sectional structure intermediate between those shown in FIGS. 5(B) and 5(D). Moreover, the spinning was stable.

このピッチ繊維を実施例1と同様に不融化、熱処理を施
して炭素繊維を得た。
This pitch fiber was made infusible and heat treated in the same manner as in Example 1 to obtain carbon fiber.

この炭素繊維の繊維軸に直角な方向の断面構造は、反射
顕微鏡と走査型電子顕微鏡による観察の結果、第5図(
B)と(D)の中間的なタイプであった。
The cross-sectional structure of this carbon fiber in the direction perpendicular to the fiber axis is shown in Figure 5 as a result of observation using a reflection microscope and a scanning electron microscope.
It was an intermediate type between B) and (D).

この炭素繊維のX線回折により求めた配向角(HW H
M)は8.3°、結晶子サイズ(LC<a□、)は28
n−1層間隔(does)は0.338n+i、 fa
磁気抵抗率Δρ/ρ)は−0,06%であった。
The orientation angle (HW H
M) is 8.3°, crystallite size (LC<a□,) is 28
n-1 layer spacing (does) is 0.338n+i, fa
The magnetoresistivity Δρ/ρ) was -0.06%.

また、引張り強度は250 kg +18−”、引張り
弾性率は45 ton 鰭−”、伸びは0.55%であ
った。
Further, the tensile strength was 250 kg +18-'', the tensile modulus was 45 ton fin-'', and the elongation was 0.55%.

比較例 実施例1で用いた原料ピッチを、第2図に示したような
従来タイプのノズルに入れて、10’C5in−’の昇
温速度で355℃まで加熱し、30分間保ち、しかる後
に窒素ガスにて圧力をかけ、溶融した原料ピッチをノズ
ルから0.06g n+in−’で吐出させ、5 Q 
Q m−5in−’の巻き取り速度で巻き取ってピッチ
繊維とした。
Comparative Example The raw material pitch used in Example 1 was put into a conventional type nozzle as shown in Fig. 2, heated to 355°C at a heating rate of 10'C5in-', kept for 30 minutes, and then Pressure was applied with nitrogen gas, and the molten raw material pitch was discharged from the nozzle at a rate of 0.06 g n+in-'.
The pitch fiber was wound up at a winding speed of Q m-5 in-'.

この様にして得たピッチ繊維は、反射偏光顕微鏡による
観察の結果、その横断面構造が第5図(C)に模式的に
示したようなラジアルタイプであった。
As a result of observation using a reflective polarizing microscope, the pitch fiber thus obtained was found to have a radial cross-sectional structure as schematically shown in FIG. 5(C).

このピッチ繊維を実施例1と同様に不融化、熱処理を施
して炭素繊維を得た。
This pitch fiber was made infusible and heat treated in the same manner as in Example 1 to obtain carbon fiber.

この様にして得た炭素繊維の横断面構造は、反射偏光顕
微鏡と走査型電子顕微鏡による観察の結果、第5図(C
)に模式的に示したようなラジアルタイプであり、また
繊維軸方向に沿って割れが入っているものが多数認めら
れた。
The cross-sectional structure of the carbon fiber thus obtained was observed using a reflective polarizing microscope and a scanning electron microscope, as shown in Figure 5 (C
), and many cracks were observed along the fiber axis direction.

得られた炭素繊維のX線回折により求めた配向角(HW
)(M)は9.6°、結晶子サイズ(Lc <5tun
 )は32n−、層間隔(doom)が0.337nm
であり、磁気抵抗率(Δρ/ρ)が+0.455%であ
った。また、引張り強度は170 kg  漠@−”、
引張り弾性率は49 ton llIn−”、伸びは0
.35%であった。
The orientation angle (HW
) (M) is 9.6°, crystallite size (Lc <5tun
) is 32n-, layer spacing (doom) is 0.337nm
The magnetic resistivity (Δρ/ρ) was +0.455%. In addition, the tensile strength is 170 kg.
Tensile modulus is 49 tons llIn-”, elongation is 0
.. It was 35%.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

炭素繊維の横断面構造を制御することが可能な本発明の
製造方法は、紡糸安定性に優れているため、炭素繊維製
造工程における生産の能率が良い。
The manufacturing method of the present invention, which is capable of controlling the cross-sectional structure of carbon fibers, has excellent spinning stability, and therefore has good production efficiency in the carbon fiber manufacturing process.

このことによりコストを上げずに、ラジアルタイプ以外
の横断面構造を有する炭素繊維を容易に製造することが
できる。
This makes it possible to easily produce carbon fibers having cross-sectional structures other than the radial type without increasing costs.

また、炭素繊維を複合材料の素材に用いた場合には、マ
トリックスと炭素繊維との界面を考慮したときに、炭素
繊維の表面状態が重要な因子となるが、本発明の製造方
法によれば、オニオン、ランダムタイプ以外の横断面構
造をも任意に制御して製造できることから、複合材料と
して最適な表面状態を自由に選定可能である。
Furthermore, when carbon fibers are used as a material for composite materials, the surface condition of the carbon fibers is an important factor when considering the interface between the matrix and the carbon fibers, but according to the manufacturing method of the present invention, the surface condition of the carbon fibers is an important factor. Since cross-sectional structures other than , onion, and random types can be controlled and manufactured as desired, the optimal surface condition for the composite material can be freely selected.

さらに、本発明の方法は、横断面のマクロな構造のみな
らず、ミクロな構造をも制御できるため、炭素繊維の物
性値を大きく変えることができ、このことにより、複合
材料にしたときの衝撃強度の改善等が期待できる。
Furthermore, since the method of the present invention can control not only the macro structure of the cross section but also the micro structure, it is possible to greatly change the physical properties of carbon fibers, which reduces the impact when made into a composite material. Improvements in strength, etc. can be expected.

また、低黒鉛化度の炭素繊維は、ハンドリングが高黒鉛
化度の炭素繊維に比して容易であることは良く知られて
いる。したがって、本発明の製造方法を用いることで炭
素繊維の製造工程上でハンドリング、糸条送行時の糸切
れ等のトラブルを少なくし、コストを下げ安定に高品質
の炭素繊維を製造しうる。
Furthermore, it is well known that carbon fibers with a low degree of graphitization are easier to handle than carbon fibers with a high degree of graphitization. Therefore, by using the manufacturing method of the present invention, troubles such as handling and yarn breakage during yarn feeding can be reduced in the carbon fiber manufacturing process, and high quality carbon fibers can be stably manufactured at lower costs.

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

第1図(1)、(2)は、本発明の紡糸法の一例を示す
模式的立面図である。 第2図(1)、(2)は通常の紡糸法を示す単孔紡糸器
の模式的立面図である。 第3図は(A)、(B)、(C)は、本発明の紡糸法で
用いたノズルの設置例を示す立面説明図である。(A)
はドリル状の金具を、(B)は板状体を、(C)はうず
巻状の金具をキャピラリー上部に置いた図である。 第4図(A)、CB)、(C)、(D)も本発明の紡糸
法で用いたノズルの設置例を示す立面説明図である。(
A)、(B)、(C)、(D)はそれぞれ撹拌棒の形が
異なる図を示す。 第5図(A)、(B)、(C)、(D)。 (E)、(F)、CG)は、炭素繊維等のいろいろな種
類の横断面構造を模式的に表わした断面図である。(A
)はクワジオニオンタイプ、(B)はランダムタイプ、
(C)はラジアルタイプ、CD)はオニオンタイプ、(
E)はプルックステイラータイプ、(F)は(C)と(
D)の組み合わせタイプ、(G)はウィークラジアルタ
イプを示した図である。 l・・・溶融メンフェースピッチ、2・・・キャピラリ
ー、3・・・ノズル、4・拳・巻取ボビン、5・・・ピ
ッチ繊維、6・・・放流糸、7・・・ピッチ、8・・−
[拌棒、9ψ・・らせん状の物体、10・・・板状体、
 It・・・うず巻状の金具。
FIGS. 1 (1) and (2) are schematic elevational views showing an example of the spinning method of the present invention. FIGS. 2(1) and 2(2) are schematic elevational views of a single-hole spinning machine showing a normal spinning method. FIGS. 3(A), 3(B), and 3(C) are explanatory elevational views showing examples of installation of nozzles used in the spinning method of the present invention. (A)
(B) shows a plate-shaped member, and (C) shows a spiral-shaped metal fitting placed on top of a capillary. FIGS. 4(A), CB), (C), and (D) are also explanatory elevational views showing examples of installation of nozzles used in the spinning method of the present invention. (
A), (B), (C), and (D) each show a diagram in which the shape of the stirring bar is different. FIG. 5 (A), (B), (C), (D). (E), (F), CG) are cross-sectional views schematically showing various types of cross-sectional structures such as carbon fibers. (A
) is Quadionion type, (B) is random type,
(C) is radial type, CD) is onion type, (
E) is Prolux Taylor type, (F) is (C) and (
D) is a combination type, and (G) is a diagram showing a weak radial type. l... molten membrane pitch, 2... capillary, 3... nozzle, 4... fist/winding bobbin, 5... pitch fiber, 6... discharge thread, 7... pitch, 8・・−
[Stirring rod, 9ψ... spiral-shaped object, 10... plate-shaped object,
It... spiral metal fittings.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)メソフェーズ含有ピッチを溶融紡糸して得たピッ
チ繊維を不融化し、さらに熱処理を施してピッチ系炭素
繊維を製造する際に、溶融紡糸段階において、ノズルの
キャピラリー直上でメソフェーズ含有ピッチがキャピラ
リーに流れ込む時に生じる流れを乱すか、または、意図
的に横断面方向に新たな流れを作った状態で紡糸を行な
うことにより、得られる炭素繊維の横断面構造を制御す
ることを特徴とするピッチ系炭素繊維の製造方法。
(1) When pitch fibers obtained by melt-spinning mesophase-containing pitch are infusible and further heat-treated to produce pitch-based carbon fibers, mesophase-containing pitch is formed directly above the capillary of the nozzle during the melt-spinning stage. A pitch system characterized by controlling the cross-sectional structure of the resulting carbon fiber by disturbing the flow that occurs when it flows into the fiber, or by performing spinning with a new flow intentionally created in the cross-sectional direction. Carbon fiber manufacturing method.
(2)溶融紡糸段階において、ノズルのキャピラリー上
部に静置式撹拌器を置いた状態で紡糸を行なうことによ
り、得られる炭素繊維の横断面構造を制御することを特
徴とする特許請求の範囲第(1)項記載のピッチ系炭素
繊維の製造方法。
(2) In the melt-spinning step, the cross-sectional structure of the resulting carbon fiber is controlled by performing spinning with a static stirrer placed above the capillary of the nozzle. 1) The method for producing pitch-based carbon fiber as described in item 1).
(3)溶融紡糸段階において、ノズルのキャピラリー上
部の溶融したピッチを動的に撹拌しながら紡糸を行なう
ことにより、得られる炭素繊維の横断面構造を制御する
ことを特徴とする特許請求の範囲第(1)項記載のピッ
チ系炭素繊維の製造方法。
(3) In the melt-spinning step, the cross-sectional structure of the resulting carbon fiber is controlled by performing spinning while dynamically stirring the molten pitch above the capillary of the nozzle. The method for producing pitch-based carbon fiber according to item (1).
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