JPS6219527B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6219527B2
JPS6219527B2 JP12455082A JP12455082A JPS6219527B2 JP S6219527 B2 JPS6219527 B2 JP S6219527B2 JP 12455082 A JP12455082 A JP 12455082A JP 12455082 A JP12455082 A JP 12455082A JP S6219527 B2 JPS6219527 B2 JP S6219527B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
yarn
mesophase pitch
thermoset
temperature
winding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP12455082A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5915517A (en
Inventor
Aasaa Shurutsu Deibitsudo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Union Carbide Corp
Original Assignee
Union Carbide Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Union Carbide Corp filed Critical Union Carbide Corp
Priority to JP12455082A priority Critical patent/JPS5915517A/en
Publication of JPS5915517A publication Critical patent/JPS5915517A/en
Publication of JPS6219527B2 publication Critical patent/JPS6219527B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65HHANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL, e.g. SHEETS, WEBS, CABLES
    • B65H2701/00Handled material; Storage means
    • B65H2701/30Handled filamentary material
    • B65H2701/31Textiles threads or artificial strands of filaments
    • B65H2701/314Carbon fibres

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、炭素ヤーン、特にメソ相ピツチ誘導
炭素ヤーンの製造法に関する。 一般的に言つて、メソ相ピツチ誘導炭素ヤーン
を製造する通常の工業的方法は、複数のメソ相ピ
ツチ繊維をメソ相ピツチヤーンにし、このメソ相
ピツチヤーンを熱硬化させて熱硬化ヤーンを生成
し、しかる後にその熱硬化ヤーンに不活性雰囲気
中において装通(スレツド)ライン熱処理を施こ
して該熱硬化ヤーンを熱分解して炭化し且つ炭素
ヤーンを生成する各工程を含む。 スプリー氏の米国特許第3503708号は、公知の
炭素ヤーン製造法を記載している。 従来技術の方法及び教示に従えば、熱処理工程
は、熱硬化ヤーンを線状に伸ばしそして張力をか
けて実施される。従来技術では、この張力は、ヤ
ーンに引張強度及びヤング率の如き良好な機械的
特性をもたらし且つヤーン中の繊維のキンク
(kink)及び他の表面欠陥を回避するために必要
であることが判明している。 炭素ヤーン中の炭素繊維に表面欠陥が存在する
と、炭素ヤーンの工業的使用に通じる後続工程が
悪影響を受ける。例えば、炭素ヤーンに対して実
施される典型的な製造操作は、炭素ヤーンに対し
て仕上材料を使用することである。炭素ヤーンに
存在する表面欠陥及び破断繊維は、比較的多量の
仕上材料を保持する炭素ヤーンに帰着する傾向が
ある。このことは、ヤーンを乾燥させてボビン上
に巻付けるのを困難にする。 加えて、大半の工業上の用途では炭素ヤーンを
樹脂と共に複合構造体中に組込むことが要求さ
れ、そしてその表面欠陥及び破断繊維は炭素ヤー
ンに過剰の樹脂使用量を保持させる一因となる傾
向がある。このことは望ましくない。 工業上の経済性によつて、炭素ヤーンの生産速
度を高めるための努力が促された。これらの努力
において、熱分解間に熱硬化ヤーンの移動速度を
速めることによつて熱分解に必要とされる時間を
短縮する試みがなされた。こゝに本発明におい
て、ある速度を越えると、熱硬化ヤーン中におけ
る繊維の破断発生が著しく増加することが分つ
た。かくして、これは、従来技術の方法に従つた
高生産速度に対する重大な障害である。 熱分解間における熱硬化ヤーンの破断の原因を
注意深く且つ広範囲に分析すると、熱硬化メソ相
ピツチヤーンの耐荷重能が熱分解中にかなり低下
することが分つた。特に、熱硬化メソ相ピツチヤ
ーンの装通ライン破断強度は、不活性雰囲気中に
おけるヤーンの温度が約700〜約800℃の温度に達
するまで上昇されるにつれて、室温におけるその
値からこの傾の約1/4に低下することが分つた。高 い温度程、ヤーンの破断強度が増大する。 この現象の発見は、従来技術の方法に従つた生
産速度上の重大な制限を表わしている。 高められた温度での装通ライン破断強度の低下
という上記問題を回避しようとして、熱硬化メソ
相ピツチヤーンをボビン上に集めしかる後にピツ
チヤーンをボビン上で熱分解し且つ炭化すること
によつて実験が実施された。得られた炭素ヤーン
は、破断繊維及び表面欠陥を有しそして満足なも
のとは見なされなかつた。その上、使用したボビ
ンは、通常、この熱処理の結果として、熱硬化ヤ
ーンの収縮から生じる力のために損傷状態になつ
た。試験されたボビンの中に、微粒グラフアイト
より作つたボビンがあつた。これは、高められた
温度においてヤーンと相容性のボビンを得るため
に使用された。 ボビンの使用のために生じた問題を回避しよう
として上記の実験において熱硬化メソ相ピツチヤ
ーンのコアレスパツケージ(coreless
package)さえも使用された。それにもかゝわら
ず、このコアレスパツケージは、表面欠陥を有す
る不満足な炭素ヤーンをもたらした。 本発明は、従来技術の問題を打破しそして多く
の驚くべき利益を提供する。 本発明は、従来技術の方法に従つて可能である
よりも高い生産速度を低いコストで且つほとんど
問題を伴わずに可能にする。また、本発明の熱処
理に対しては製造者の労苦が少なくて済み、そし
て本発明では従来技術の方法と比較してエネルギ
ーの使用効率が高い。 更に一層驚くべきことは、本発明によつて、従
来技術の方法と比較して異例な程良質の炭素ヤー
ンの製造が可能になり且つ炭素ヤーンの機械的特
性に対して良好な制御が可能になることである。 多くの利益の中には、本発明の1つの具体例に
対して用いられる装通ラインの炉で得られるより
長い操作寿命及びより安定な炉の操作が含まれて
いる。 本明細書における用語「ピツチ」は、有機物質
の熱処理から誘導された主として芳香族有機化合
物の複雑な混合物よりなる炭素質残留物を意味す
る。ピツチは、室温において固体でありそして広
い融点又は軟化温度範囲を示す。溶融物から冷却
すると、ピツチは結晶化せずに固化状態になる。 本明細書における用語「メソ相」は、液晶と同
意語であり、即ち結晶と等方性液体との中間にあ
る物質の状態を表わす。通常、この状態にある物
質は、異方性及び液体特性の両方を示す。 ピツチは、様々な量のメソ相を含有することが
できる。ピツチ中のメソ相領域は液体状態におい
て光学的異方性と認められ、そしてこの異方性は
固体状態でも維持される。 本明細書における用語「メソ相ピツチ」は、少
なくとも約40重量%のメソ相を含有するピツチを
意味する。これは、ピツチが撹拌又は同様の手段
によつて分散されたときに連続的な異方性相を形
成できる最低レベルである。 好ましくは、本発明は、少なくとも約70重量%
のメソ相を有するメソ相ピツチを使用して実施さ
れる。 斯界において使用される用語「ヤーン」は、複
数の繊維を表わしている。一般には、繊維の数は
少なくとも約1000そして通常約2000である。ま
た、繊維の数は5000以上であつてもよい。 本明細書における用語「メソ相ピツチヤーン」
及び「ピツチヤーン」は、ヤーンを形成している
複数のメソ相ピツチ繊維又は“紡糸時の”繊維を
表わす。 本明細書における用語「熱硬化ヤーン」は、熱
硬化処理を受けたピツチヤーンを意味する。 本明細書における用語「熱分解ヤーン」及び
「炭素ヤーン」は、それぞれ、熱分解されそして
炭化された熱硬化ヤーンを意味する。 本明細書における用語「巻繊角」は、熱硬化ヤ
ーンをボビン上に巻付ける操作に関連して用いら
れる。従来技術での使用に従えば、この用語は、
ボビン上に巻付けられるヤーンのその部分とボビ
ンの軸に対して垂直の平面とによつて定められる
角度を意味する。 本発明は、主として、炭素ヤーン中の個々の炭
素繊維について少なくとも約10×106psiの平均ヤ
ング率を有するメソ相ピツチ誘導炭素ヤーンに向
けられている。 本発明の1つの具体例は、メソ相ピツチ誘導炭
素ヤーンの製造法に関し、そして複数のメソ相ピ
ツチ繊維をメソ相ピツチヤーンにし、前記メソ相
ピツチヤーンを熱硬化させて熱硬化ヤーンを生成
し、前記熱硬化ヤーンを、該熱硬化ヤーンの熱分
解及び炭化に用いられる温度において熱的及び機
械的に安定であり且つ圧縮性で弾性の炭素材料の
層を有するボビン上に巻繊し、そして前記ボビン
上にある前記熱硬化ヤーンに不活性雰囲気中にお
いて予定の熱処理を施こして該熱硬化ヤーンを熱
分解し且つ炭化する各工程を含むことを特徴とす
る。 好ましくは、メソ相ピツチは、少なくとも約70
重量%のメソ相含量を有する。 一般には、ボビンは、円筒体又は端面を有する
円柱体の形態をとることができる。ボビンは、ス
テンレス鋼、耐熱性合金、セラミツク、窒化ホウ
素又は好ましくはグラフアイト材料より作られた
本体からなる。加えて、ボビンは、熱処理間にお
けるボビンの膨張並びに熱分解及び炭化処理間に
おける熱硬化ヤーンの収縮から生じる応力を吸収
するためにその円筒又は円柱部分の周囲に炭素フ
エルトの如き圧縮性で弾性の炭素材料の層を有す
ることを特徴とする。 典型的には、ボビンの円筒又は円柱部分は、約
3inの内径及び31/2inの外径並びに約11inの長さを 有することができる。 様々な工業的用途に対する炭素フエルトの使用
は周知であり、そしてかゝる材料については米国
特許第3107142号に記載されている。 好ましくは、炭素フエルトは、約1/4〜約1/12
inの 厚さを有する。 メソ相ピツチヤーンは、少なくとも約1000のメ
ソ相ピツチ繊維そして典型的には約2000のメソ相
ピツチ繊維を含む。メソ相ピツチヤーン中のメソ
相ピツチ繊維の数は、前記よりも多くてもよい。 本発明は、約2000の繊維を有するメソ相ピツチ
誘導炭素ヤーンの工業的製造に関して特に有意義
である。ヤーンの取扱い及び許容品質の維持の困
難に対して対策が要求されている。 一般には、巻繊工程間に熱硬化ヤーンに及ぼさ
れる張力は、約75〜約300g好ましくは約150〜約
200gである。 熱硬化ヤーンがボビン上に巻付けられるときに
それに及ぼされる張力の程度を制御することが重
要である。もし張力が低く過ぎると、得られるゆ
るく巻付けられたボビンは製造操作で取扱うのが
困難であり、そしてヤーン中の繊維は良好な機械
的特性を得るのに必要とされる真直度を示さな
い。もし張力が高過ぎると、ボビンのコア近くの
繊維は変形状態になり、更に他の問題も起る。 本発明の具体例のうち1つは、温度を約1300℃
になるまで約50〜約100℃/hrで上昇させこの温
度を約1〜2時間維持することによつて実施され
る熱処理を教示する。同様の装通ライン熱処理が
知られている。この熱処理は、炭化が実際には起
つているけれども、斯界では、“予備炭化”と称
されている。この処理から得られた炭素ヤーン
は、それをある範囲の工業的用途に対して好適に
している多くの特性を有する。しかしながら、引
張強度及びヤング率の如き機械的特性の向上を望
むならば、斯界において用いられる如き装通ライ
ン処理が実施される。これは、ヤーンを巻戻しそ
してこれを装通ライン処理に約2500℃の温度で送
ることによつて行われる。驚いたことに、この装
通ライン処理は、繊維をほとんど破断せずに比較
的高い張力を使用して実施することができる。 本発明の使用によつて、予備炭化処理の後に、
従来技術の方法に従つて使用された張力よりも一
般に高い張力を使用して装通ライン処理を実施す
ることが可能になる。装通ライン処理間における
高い張力の使用は、一般には、従来技術に従つた
同じ温度処理を施こした炭素ヤーンよりも10〜40
%高いヤング率を有する炭素ヤーンをもたらす。 予備炭化処理の使用は、幾つかの他の利益を有
する。この処理の間、熱硬化ヤーンは、繊維から
ガスが駆逐されながら周知の転移段階を通過す
る。これらのガスは腐食性で且つ高反応性である
場合があるので、加熱装置はこれらのガス類に耐
えるように設計されなければならない。ある程度
まで、ガスが1300℃で反応性である傾向は、2500
℃の如き典型的高い熱分解及び炭化温度よりも低
い。 かくして、二段階熱分解及び炭化操作は第二の
加熱装置が侵略に対して低抵抗性になることを可
能にし、従つて第二の加熱装置はそれほぼ高価な
装置でなくてもよくそして用いられる装置は一般
には長い有効操作寿命を有する。 典型的には、メソ相ピツチヤーンは、それに空
気又はある他の酸化性雰囲気中で約200〜約400℃
の温度を施こすことによつて熱硬化される。ボビ
ンへの熱硬化ヤーンの巻繊は、ある範囲の巻繊角
を使用して実施することができる。約1300℃の最
高温度を使用する上記予備炭化処理に対して端面
を有しないボビンと関連させて約15〜約30゜の比
較的広範囲の角を使用することができることが分
つた。端面を有するボビンではヤーンがボビンの
端部から落ちるのを回避するために0゜又は平行
巻繊を使用すべきである。平行巻きを有するボビ
ンを約3000℃まで熱処理すると、約400×103psi
以上の強度及び約100×106psi以上のヤング率を
有する良質ヤーンを製造することができる。 本発明は、工業上の問題が打破され且つ回避さ
れるので少なくとも2000の炭素繊維を有する炭素
ヤーンに特に向けられている。 しかしながら、本発明は、メソ相ピツチ繊維を
形成し、前記メソ相ピツチ繊維を熱硬化させ、前
記熱硬化繊維をボビン上に巻付け、そして前記ボ
ビン上にある熱硬化繊維に不活性雰囲気中で予定
の熱処理を施こして該熱硬化繊維を熱分解し且つ
炭化する各工程を含むメソ相ピツチ誘導炭素繊維
の製造法にも関する。 本発明の更に他の目的及び利益は、以下の詳細
な説明及び特許請求の範囲の記載から明らかにな
るであろう。 本発明の本質及び目的を更に十分に理解するた
めには、添付図面と関連させて行なう以下の詳細
な説明を参照されたい。 本発明を実施するに当つて、添付図面及び発明
の詳細な説明で例示するためにある種の具体例が
選定されている。次に、第1〜4図を説明する。 第1図は、メソ相ピツチからの炭素ヤーンの工
業的製造における主要工程を示す。紡糸装置5
は、それぞれが約13ミクロンの直径を有する2000
のメソ相ピツチ繊維を紡糸するのに使用される。
これらのメソ相ピツチ繊維はメソ相ピツチヤーン
6を形成し、そしてこれを熱硬化装置7に入る。
熱硬化ヤーン8は、熱硬化装置7によつて製造さ
れそして熱処理のために熱分解及び炭化装置9に
移送されて炭素ヤーン11を生成し、そしてこれ
は収集装置12においてロール上に巻取られる。
典型的には、装置7と装置9との間の熱硬化ヤー
ン8に対して、板紙ボビンへの巻繊操作及びそれ
からの巻出操作が実施される。 熱硬化ヤーン8を装置9に比較的高い速度で通
す試みは熱硬化ヤーン8に対して負荷の変動をも
たらし、これは低品質の炭素ヤーン11を生成し
た。 第2図は、メソ相ピツチヤーン14を形成する
ための2000のメソ相ピツチヤーンを製造する紡糸
装置13を示す。メソ相ピツチヤーン14は、熱
硬化ヤーン17を製造する熱硬化装置16に入
る。収集装置18は、熱硬化ヤーン17をボビン
上に集める。 第3A及び3B図は、本発明の実施に好適なボ
ビンの2つの具体例を示す。ボビン19は、本体
21と、該本体21の周囲に巻付けられそして平
滑な連続的結合を提供するために斜切部23を有
する炭素フエルト材料22とを含む。炭素フエル
ト材料22は、本体21に対して接着剤で又は
“マスキング”テープ24でも取付けることがで
きる。テープ24は高温において炭化するので、
これは、熱硬化ヤーンがボビン19上に巻付けら
れるまで炭素フエルト材料22をその場所に一時
間に保持するのに使用されるに過ぎない。 典型的には、本体21の内径は約3inでそして
本体21の長さは約11inである。炭素フエルト材
料22は、約1/4inの厚さを有する。 第3B図は、本発明に関連させて使用すること
ができるボビン25を示す。ボビン25は、それ
が端板26を有するという点でボビン19とは異
なる。ボビン25は、熱硬化ヤーンがボビン25
の端部から落ちるという問題に遭遇することなく
該ヤーンのゼロ角又は平行巻きを可能にする。 第4図では、熱硬化ヤーンを有するボビンは、
熱分解及び炭化装置27において熱処理を受け
る。本発明の1つの具体例では、追加的な熱処理
は実施されない。もう1つの具体例では、ヤーン
28は炭化装置29において約2400℃で装通ライ
ン処理を受ける。これは炭素ヤーン30を生成す
るが、この炭素ヤーン30は収集装置31に移送
され、こゝで炭素ヤーン30は貯蔵及び取扱いの
ために他のボビン上に巻付けられる。 以下の実施例では、用いたボビンは市販微粒グ
ラフアイトから作られた。 例 1〜8 通常の方法に従つて、それぞれの直径が約13ミ
クロンである2000のピツチ繊維を有するメソ相ピ
ツチヤーンを製造しそして熱硬化させた。この熱
硬化ヤーンを、微粒グラフアイトから作られそし
て約3inの内径、約11inの長さ及び約1/4in厚の炭素 フエルト層を有するボビン上に集めた。このボビ
ンは端面を有さず、そして巻繊張力は約150gで
あつた。約20゜の巻繊角を使用した。これらの例
の各試料について言えば、収集されたヤーンは長
さが約6000ftであり、そして熱分解及び炭化処理
は、温度を1300℃に達するまで約50℃/hrの速度
で上昇させこの温度を約2時間保つことによつて
窒素雰囲気中において実施された。 温度を室温に戻し、次いでこの熱分解ヤーンを
更に炭化させるために装通ライン炭化装置に通し
た。この炭化装置は、窒素雰囲気を有し且つ約
2400℃の炉温度を有していた。炭化装置における
平均線張力は約800gであつた。 各例における引張強度及びヤング率を第1表に
示す。
The present invention relates to a method for making carbon yarns, particularly mesophase pitch-derived carbon yarns. Generally speaking, the usual industrial method of producing mesophase pitch-derived carbon yarns is to form a plurality of mesophase pitch fibers into a mesophase pitch yarn, heat set the mesophase pitch yarn to produce a thermoset yarn; Thereafter, the thermoset yarn is subjected to a thread line heat treatment in an inert atmosphere to pyrolyze and carbonize the thermoset yarn and produce a carbon yarn. Spry, US Pat. No. 3,503,708, describes a known method for making carbon yarn. According to prior art methods and teachings, the heat treatment step is carried out by stretching and tensioning the thermoset yarn into a line. In the prior art, this tension was found to be necessary to give the yarn good mechanical properties such as tensile strength and Young's modulus and to avoid fiber kinks and other surface defects in the yarn. are doing. The presence of surface defects on the carbon fibers in the carbon yarn adversely affects the subsequent processing leading to the industrial use of the carbon yarn. For example, a typical manufacturing operation performed on carbon yarn is to use a finishing material on the carbon yarn. Surface defects and broken fibers present in the carbon yarn tend to result in the carbon yarn retaining a relatively large amount of finish material. This makes the yarn difficult to dry and wind onto a bobbin. Additionally, most industrial applications require carbon yarns to be incorporated into composite structures with resins, and surface defects and broken fibers tend to contribute to carbon yarns retaining excessive resin loading. There is. This is not desirable. Industrial economics have prompted efforts to increase the production rate of carbon yarn. In these efforts, attempts have been made to reduce the time required for pyrolysis by increasing the speed of movement of the thermoset yarn during pyrolysis. In the present invention, it has been found that when the speed exceeds a certain speed, the occurrence of fiber breakage in the thermoset yarn increases significantly. This is thus a significant impediment to high production rates according to prior art methods. A careful and extensive analysis of the causes of breakage of thermoset yarns during pyrolysis revealed that the load-carrying capacity of thermoset mesophase pit yarns decreases considerably during pyrolysis. In particular, the thread-line breaking strength of a thermoset mesophase pit yarn decreases from its value at room temperature by about 1% of this slope as the temperature of the yarn in an inert atmosphere is increased to a temperature of about 700 to about 800°C. It was found that the value decreased to /4. Higher temperatures increase the breaking strength of the yarn. The discovery of this phenomenon represents a significant limitation on production rates according to prior art methods. In an attempt to avoid the above problem of reduced thread line breaking strength at elevated temperatures, experiments were carried out by collecting thermoset mesophase pitch yarn on a bobbin and then pyrolyzing and carbonizing the pitch yarn on the bobbin. It was implemented. The resulting carbon yarn had broken fibers and surface defects and was not considered satisfactory. Moreover, the bobbins used usually became damaged as a result of this heat treatment due to forces resulting from shrinkage of the thermoset yarn. Among the bobbins tested was one made from fine-grained graphite. This was used to obtain a bobbin compatible with yarn at elevated temperatures. In an attempt to avoid the problems that arose due to the use of bobbins, coreless packages of thermoset mesophase pitch yarn were used in the experiments described above.
package) was even used. Nevertheless, this coreless package resulted in unsatisfactory carbon yarns with surface defects. The present invention overcomes the problems of the prior art and provides many surprising benefits. The invention allows higher production rates at lower cost and with fewer problems than is possible according to prior art methods. Additionally, the heat treatment of the present invention requires less effort on the part of the manufacturer, and the present invention uses energy more efficiently than prior art methods. Even more surprising is that the present invention allows for the production of carbon yarns of exceptionally good quality compared to prior art methods and provides good control over the mechanical properties of the carbon yarns. It is what happens. Among the many benefits are the longer operating life and more stable furnace operation obtained in the through-line furnace used for one embodiment of the present invention. The term "pitch" as used herein refers to a carbonaceous residue derived from heat treatment of organic materials and consisting of a complex mixture of primarily aromatic organic compounds. Pitch is solid at room temperature and exhibits a wide melting or softening temperature range. When cooled from the melt, the pitch does not crystallize but becomes solidified. The term "mesophase" herein is synonymous with liquid crystal, ie, refers to a state of matter intermediate between a crystal and an isotropic liquid. Typically, materials in this state exhibit both anisotropic and liquid properties. The pitch can contain varying amounts of mesophase. The mesophase region in the pitch is observed to be optically anisotropic in the liquid state, and this anisotropy is maintained in the solid state. The term "mesophase pitch" as used herein means a pitch containing at least about 40% by weight mesophase. This is the lowest level at which the pitch can form a continuous anisotropic phase when dispersed by stirring or similar means. Preferably, the present invention provides at least about 70% by weight
It is carried out using a mesophase pitch having a mesophase of . The term "yarn" as used in the art refers to a plurality of fibers. Generally, the number of fibers will be at least about 1000 and usually about 2000. Further, the number of fibers may be 5000 or more. The term “mesophase pitch yarn” used herein
and "pitch yarn" refers to a plurality of mesophase pitch fibers forming a yarn or "as-spun" fibers. As used herein, the term "thermoset yarn" refers to pitch yarn that has undergone a heatset treatment. The terms "pyrolytic yarn" and "carbon yarn" herein refer to a thermoset yarn that has been pyrolyzed and carbonized, respectively. The term "winding angle" herein is used in connection with the winding of thermoset yarn onto a bobbin. According to its usage in the prior art, this term:
means the angle defined by that portion of the yarn wound on the bobbin and a plane perpendicular to the axis of the bobbin. The present invention is primarily directed to mesophase pitch-derived carbon yarns having an average Young's modulus of at least about 10×10 6 psi for the individual carbon fibers in the carbon yarns. One embodiment of the present invention relates to a method for making a mesophase pitch-derived carbon yarn, and comprising: forming a plurality of mesophase pitch fibers into a mesophase pitch yarn; thermosetting said mesophase pitch yarn to produce a thermoset yarn; The thermoset yarn is wound onto a bobbin having a layer of carbon material that is thermally and mechanically stable and compressible and elastic at the temperatures used for pyrolysis and carbonization of the thermoset yarn; The method comprises the steps of subjecting the overlying thermoset yarn to a predetermined heat treatment in an inert atmosphere to pyrolyze and carbonize the thermoset yarn. Preferably, the mesophase pitch is at least about 70
It has a mesophase content of % by weight. Generally, the bobbin can take the form of a cylinder or a cylinder with end faces. The bobbin consists of a body made of stainless steel, high temperature alloy, ceramic, boron nitride or preferably graphite material. In addition, the bobbin may be provided with a compressible, elastic material such as carbon felt around its cylinder or cylindrical portion to absorb stresses resulting from expansion of the bobbin during heat treatment and contraction of the thermoset yarn during pyrolysis and carbonization. It is characterized by having a layer of carbon material. Typically, the cylinder or cylindrical portion of the bobbin is approximately
It can have an inner diameter of 3 inches and an outer diameter of 31/2 inches and a length of about 11 inches. The use of carbon felts for various industrial applications is well known and such materials are described in US Pat. No. 3,107,142. Preferably, the carbon felt is about 1/4 to about 1/12
It has a thickness of in. The mesophase pitch yarn includes at least about 1000 mesophase pitch fibers and typically about 2000 mesophase pitch fibers. The number of mesophase pitch fibers in the mesophase pitch yarn may be greater than that mentioned above. The invention is particularly useful for the industrial production of mesophase pitch-derived carbon yarns having approximately 2000 fibers. Difficulties in handling yarn and maintaining acceptable quality require countermeasures. Generally, the tension applied to the thermoset yarn during the winding process is from about 75 to about 300 g, preferably from about 150 to about
It is 200g. It is important to control the degree of tension that is exerted on the thermoset yarn as it is wound onto the bobbin. If the tension is too low, the resulting loosely wound bobbin will be difficult to handle in manufacturing operations, and the fibers in the yarn will not exhibit the straightness needed to obtain good mechanical properties. . If the tension is too high, the fibers near the core of the bobbin become deformed and other problems occur. In one embodiment of the invention, the temperature is about 1300°C.
The heat treatment is taught to be carried out by increasing the temperature at about 50 to about 100° C./hr to about 1 to 2 hours and maintaining this temperature for about 1 to 2 hours. Similar through-line heat treatments are known. This heat treatment is referred to in the art as "pre-carbonization," although carbonization actually occurs. The carbon yarn obtained from this treatment has a number of properties that make it suitable for a range of industrial applications. However, if it is desired to improve mechanical properties such as tensile strength and Young's modulus, a through-line treatment as used in the art is performed. This is done by unwinding the yarn and sending it to a threading line treatment at a temperature of approximately 2500°C. Surprisingly, this threading line process can be carried out using relatively high tensions with little breakage of the fibers. By using the present invention, after the pre-carbonization treatment,
It becomes possible to perform threading line processing using tensions that are generally higher than those used according to prior art methods. The use of higher tensions during threading line treatment typically results in 10 to 40
% yields carbon yarn with high Young's modulus. The use of pre-carbonization has several other benefits. During this treatment, the thermoset yarn passes through a well-known transition stage while gases are expelled from the fibers. The heating equipment must be designed to withstand these gases, as they can be corrosive and highly reactive. To some extent, the tendency for gases to be reactive at 1300°C is similar to that at 2500°C.
lower than typical high pyrolysis and carbonization temperatures such as °C. Thus, the two-stage pyrolysis and carbonization operation allows the second heating device to be less resistant to attack, and thus the second heating device does not have to be a nearly expensive device and can be used easily. The equipment generally has a long useful operating life. Typically, the mesophase pit yarn is heated to about 200 to about 400°C in air or some other oxidizing atmosphere.
It is thermally cured by applying a temperature of . Winding of thermosetting yarn onto a bobbin can be carried out using a range of winding angles. It has been found that a relatively wide range of angles from about 15 DEG to about 30 DEG can be used in conjunction with bobbins without edges for the pre-carbonization process described above using maximum temperatures of about 1300 DEG C. For bobbins with ends, 0° or parallel winding should be used to avoid yarn falling off the ends of the bobbin. When a bobbin with parallel windings is heat treated to about 3000℃, the
Good quality yarns can be produced with strengths greater than or equal to about 100 x 10 6 psi and Young's modulus greater than about 100 x 10 6 psi. The present invention is particularly directed to carbon yarns having at least 2000 carbon fibers since the industrial problems are overcome and avoided. However, the present invention provides a method of forming mesophase pitch fibers, thermosetting the mesophase pitch fibers, winding the thermoset fibers onto a bobbin, and applying the thermoset fibers on the bobbin in an inert atmosphere. The present invention also relates to a method for producing mesophase pitch-derived carbon fibers comprising the steps of subjecting the thermoset fibers to a predetermined heat treatment to pyrolyze and carbonize the fibers. Further objects and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description and claims. For a fuller understanding of the nature and objects of the invention, reference should be made to the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings. Certain embodiments are chosen to illustrate the practice of the invention in the accompanying drawings and detailed description. Next, FIGS. 1 to 4 will be explained. FIG. 1 shows the main steps in the industrial production of carbon yarn from mesophase pitch. Spinning device 5
are 2000, each with a diameter of approximately 13 microns
The mesophase is used to spin pitch fibers.
These mesophase pitch fibers form mesophase pitch yarn 6 and enter a thermosetting device 7.
The thermosetting yarn 8 is produced by a thermosetting device 7 and transferred to a pyrolysis and carbonization device 9 for heat treatment to produce a carbon yarn 11, which is wound onto rolls in a collecting device 12. .
Typically, the thermosetting yarn 8 between the devices 7 and 9 is subjected to winding operations onto a paperboard bobbin and unwinding operations therefrom. Attempting to pass the thermosetting yarn 8 through the apparatus 9 at relatively high speeds resulted in load fluctuations on the thermosetting yarn 8, which produced carbon yarns 11 of poor quality. FIG. 2 shows a spinning apparatus 13 for producing 2000 mesophase pitch yarns to form mesophase pitch yarn 14. FIG. The mesophase pitch yarn 14 enters a thermosetting device 16 which produces thermoset yarn 17. A collecting device 18 collects the thermoset yarn 17 onto a bobbin. Figures 3A and 3B illustrate two embodiments of bobbins suitable for practicing the present invention. The bobbin 19 includes a body 21 and a carbon felt material 22 wrapped around the body 21 and having a beveled portion 23 to provide a smooth continuous bond. Carbon felt material 22 can be attached to body 21 with adhesive or even with "masking" tape 24. Since the tape 24 carbonizes at high temperatures,
This is only used to hold the carbon felt material 22 in place for an hour until the thermosetting yarn is wound onto the bobbin 19. Typically, the inside diameter of body 21 is about 3 inches and the length of body 21 is about 11 inches. Carbon felt material 22 has a thickness of approximately 1/4 inch. FIG. 3B shows a bobbin 25 that can be used in connection with the present invention. Bobbin 25 differs from bobbin 19 in that it has an end plate 26. The bobbin 25 is a thermosetting yarn.
allows zero angle or parallel winding of the yarn without encountering problems with it falling off the ends of the yarn. In FIG. 4, the bobbin with thermosetting yarn is
It undergoes heat treatment in a pyrolysis and carbonization device 27. In one embodiment of the invention, no additional heat treatment is performed. In another embodiment, yarn 28 is subjected to thread line processing in carbonizer 29 at about 2400°C. This produces carbon yarn 30 which is transferred to a collection device 31 where it is wound onto other bobbins for storage and handling. In the following examples, the bobbins used were made from commercially available fine-grained graphite. Examples 1-8 Mesophase pitch yarns having 2000 pitch fibers, each approximately 13 microns in diameter, were prepared and heat set according to conventional methods. The thermoset yarn was collected onto a bobbin made from fine grained graphite and having an inner diameter of about 3 inches, a length of about 11 inches, and a layer of carbon felt about 1/4 inch thick. The bobbin had no end faces and the winding tension was about 150 g. A winding angle of approximately 20° was used. For each sample in these examples, the yarn collected was approximately 6000 ft in length, and the pyrolysis and carbonization treatment increased the temperature at a rate of approximately 50°C/hr until it reached 1300°C. The test was carried out in a nitrogen atmosphere by holding for about 2 hours. The temperature was allowed to return to room temperature and the pyrolyzed yarn was then passed through a through-line carbonizer for further carbonization. This carbonization device has a nitrogen atmosphere and has a
It had a furnace temperature of 2400℃. The average linear tension in the carbonizer was about 800 g. Table 1 shows the tensile strength and Young's modulus of each example.

【表】 例1〜8は、優秀な機械的特性を示しそして十
分に平行にされ且つ実質上ほつれがない炭素ヤー
ンをもたらした。 例 9 例1における如きメソ相ピツチヤーンを作り、
そして端面を有するがしかし他の点では例1に用
いたボビンと同様のボビンに前記ピツチヤーンを
巻付けた。約200gの張力と共に平行巻きを用い
た。熱処理速度は例1におけると同じであつた
が、但し、最終温度は約3000℃であつた。装通ラ
イン処理は使用しなかつた。得られた炭素ヤーン
は、約400×103psiの引張強度及び100×106psiよ
りも大きいヤング率を有していた。 以上本発明の構成を具体的に例示説明したけれ
ども、当業者には幾多の変更修正が可能であるの
で、本発明はこれらの具体例に限定するつもりは
ないことを理解されたい。
TABLE Examples 1-8 exhibited excellent mechanical properties and yielded carbon yarns that were well parallelized and virtually unraveled. Example 9 Make a mesophase pitch yarn as in Example 1,
The pitch yarn was then wound around a bobbin having end faces but otherwise similar to the bobbin used in Example 1. Parallel winding was used with a tension of about 200 g. The heat treatment rate was the same as in Example 1 except that the final temperature was approximately 3000°C. No loading line treatment was used. The resulting carbon yarn had a tensile strength of about 400×10 3 psi and a Young's modulus of greater than 100×10 6 psi. Although the configuration of the present invention has been specifically illustrated and described above, it should be understood that the present invention is not intended to be limited to these specific examples, as many changes and modifications can be made by those skilled in the art.

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

第1図は炭素ヤーンを製造するための工業的操
作の概略ブロツク図であつて、6がメソ相ピツチ
ヤーン、8が熱硬化ヤーンそして11が炭素ヤー
ンを示す。 第2図は本発明の工程のうちいくらかを示すブ
ロツク図であつて、14がメソ相ピツチヤーンそ
して17が熱硬化ヤーンを示す。 第3A及ぼ第3B図は本発明で用いるボビンの
2つの具体例を示し、参照数字19及び25がボ
ビンを示す。 第4図は第2図に示される工程に後く本発明の
概略ブロツク図であつて、28が炭素ヤーンそし
て30が装通ライン処理を受けた炭素ヤーンを示
す。
FIG. 1 is a schematic block diagram of an industrial operation for producing carbon yarn, with 6 indicating mesophase pitch yarn, 8 thermosetting yarn and 11 carbon yarn. FIG. 2 is a block diagram illustrating some of the steps of the present invention, with 14 indicating mesophase pitch yarn and 17 indicating thermosetting yarn. Figures 3A and 3B show two specific examples of bobbins for use in the present invention, with reference numerals 19 and 25 indicating the bobbins. FIG. 4 is a schematic block diagram of the invention after the step shown in FIG. 2, with reference numeral 28 indicating the carbon yarn and 30 indicating the carbon yarn having undergone threading line processing.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 複数のメソ相ピツチ繊維をメソ相ピツチヤー
ンにし、 前記のメソ相ピツチヤーンを熱硬化させて熱硬
化ヤーンを生成し、 前記熱硬化ヤーンを、該熱硬化ヤーンの熱分解
及び炭化に用いられる温度において熱的及び機械
的に安定であり且つ圧縮性で弾性の炭素材料の層
を有するボビン上に巻繊し、そして 前記ボビン上にある前記熱硬化ヤーンに不活性
雰囲気中において予定の熱処理を施こして該熱硬
化ヤーンを熱分解し且つ炭化する、 各工程を含むメソ相ピツチ誘導炭素ヤーンの製造
法。 2 巻繊間に熱硬化ヤーンに及ぼされる張力が約
75〜約300gである特許請求の範囲第1項記載の
方法。 3 巻繊間に熱硬化ヤーンに及ぼされる張力が約
150〜約200gである特許請求の範囲第2項記載の
方法。 4 熱処理が熱硬化ヤーンの温度を約1300℃に上
げることからなる特許請求の範囲第1項記載の方
法。 5 熱処理が、温度を約1300℃になるまで約50〜
約100℃/hrで上昇させその後に約1300℃の温度
を予定の時間維持することによつて実施される特
許請求の範囲第4項記載の方法。 6 約1300℃の温度が約1〜約2時間維持される
特許請求の範囲第5項記載の方法。 7 巻繊工程が約15〜約30゜の巻繊角度で実施さ
れる特許請求の範囲第1項記載の方法。 8 巻繊工程がほぼ平行巻きで実施される特許請
求の範囲第1項記載の方法。 9 メソ相ピツチヤーンが少なくとも約1000のメ
ソ相ピツチ繊維を含む特許請求の範囲第1項記載
の方法。 10 メソ相ピツチヤーンが少なくとも約2000の
メソ相ピツチ繊維を含む特許請求の範囲第1項記
載の方法。 11 メソ相ピツチヤーンが約2000のメソ相ピツ
チ繊維を含み、巻繊間に熱硬化ヤーンに及ぼされ
る張力が約75〜約300gであり、巻繊工程が約15
〜約30゜の巻繊角で実施され、そして熱処理が、
温度を約1300℃になるまで約50〜約100℃/hrで
上昇させその後に約1300℃の温度を約1〜約2時
間維持することによつて実施される特許請求の範
囲第1項記載の方法。
[Scope of Claims] 1. A plurality of mesophase pitch fibers are formed into a mesophase pit yarn, the mesophase pit yarn is thermally cured to produce a thermoset yarn, and the thermoset yarn is subjected to pyrolysis and pyrolysis of the thermoset yarn. winding onto a bobbin having a layer of carbon material that is thermally and mechanically stable and compressible and elastic at the temperatures used for carbonization, and applying the thermoset yarn on the bobbin in an inert atmosphere. A method for producing a mesophase pitch-derived carbon yarn comprising the steps of subjecting the thermoset yarn to a predetermined heat treatment to pyrolyze and carbonize the yarn. 2 The tension exerted on the thermosetting yarn between the windings is approximately
75 to about 300 g. 3 The tension exerted on the thermosetting yarn between the windings is approximately
3. The method of claim 2, wherein the amount is from 150 to about 200 g. 4. The method of claim 1, wherein the heat treatment comprises raising the temperature of the thermoset yarn to about 1300C. 5. Heat treatment is performed by increasing the temperature to approximately 50~1300℃.
5. The method of claim 4 carried out by increasing the temperature at about 100°C/hr and then maintaining the temperature at about 1300°C for the predetermined time. 6. The method of claim 5, wherein the temperature of about 1300<0>C is maintained for about 1 to about 2 hours. 7. The method of claim 1, wherein the winding step is carried out at a winding angle of about 15 to about 30 degrees. 8. The method according to claim 1, wherein the winding step is performed in substantially parallel winding. 9. The method of claim 1, wherein the mesophase pitch yarn comprises at least about 1000 mesophase pitch fibers. 10. The method of claim 1, wherein the mesophase pitch yarn comprises at least about 2000 mesophase pitch fibers. 11 The mesophase pitch yarn contains about 2000 mesophase pitch fibers, the tension applied to the thermoset yarn during winding is about 75 to about 300 g, and the winding process is about 15
The winding angle is ~30°, and the heat treatment is
Claim 1 carried out by increasing the temperature at about 50 to about 100°C/hr to about 1300°C and then maintaining the temperature at about 1300°C for about 1 to about 2 hours. the method of.
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