JPS6335821A - 炭素繊維製造用アクリル系繊維 - Google Patents

炭素繊維製造用アクリル系繊維

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JPS6335821A
JPS6335821A JP18113886A JP18113886A JPS6335821A JP S6335821 A JPS6335821 A JP S6335821A JP 18113886 A JP18113886 A JP 18113886A JP 18113886 A JP18113886 A JP 18113886A JP S6335821 A JPS6335821 A JP S6335821A
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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) 本発明は炭素繊維製造用アクリル系繊維に関する。ざら
に詳しくは、高強度および高弾性を有する炭素繊維の製
造に好適な繊維表層部の緻密性が高い、アクリル系繊維
に関する。
(従来技術およびその問題点) アクリル系繊維は炭素繊維製造用の前駆体繊維(プリカ
ーサ)として広く利用されている。すなわち、該繊維を
200〜400℃の酸化性雰囲気中で加熱処理すること
によって、酸化繊維に転換し。
これに引続いて少なくとも1000℃の不活性雰囲気中
で炭化する方法がアクリル系炭素繊維の製造方法として
、工業的に広く採用されている。このようにして得られ
た炭素繊維は、優れた物性によって、特に複合材料に好
適な強化繊維として幅広く利用されている。近年、複合
材料の性能をより一4向上させて2例えば航空機の一次
構造部材に適用する試みがなされており、この複合材料
に用いる炭素繊維の高強度化に対する要求が強くなって
いる。
このような要求に対して、焼成技術や後処理技術に関す
る改良が多数提案されているが、前駆体繊維としてのア
クリル系繊維の改良に関する技術についても、これまで
に多数提案されている。これまでの改良技術は、大別し
て■共重合の組成や重合度等2重合体、の組成からの改
善、■繊維表面の粗さや2表面に存在するクラック、あ
るいは傷やボイド等、m維の表面や表層に存在する欠陥
を減少させる方法、■繊維の延伸条件や、予備処理等に
より、繊維の配向度を適切に設定する方法。
■焼成段階での単糸同志の融着を回避するための油剤成
分の改良9等々である。しかしこれらの技術のみでは、
現在要望されている高強度(例えばストランド強度≧5
00 kg/mm”)の炭素繊維を安定して製造するこ
とは困難であった。
このような現状に鑑み、炭素繊維の高強度化を阻害して
いる要因について検討した結果、炭素繊維の表面に存在
する。欠は傷、切傷、押傷、付着物等々の欠陥によって
大部分が占められていることを第一に見出した。これら
の欠陥は製糸工程で用いる糸道ガイドによって傷つけら
れると推定される傷や、高温延伸あるいは高張力延伸の
際の。
糸と糸との接触、さらには焼成段階でのガイド類との擦
過による傷が大部分である。これらの欠陥は製糸工程で
の糸道の改善や、油剤成分の改良により、かなり少なく
することができるが、それだけでは得られる炭素繊維の
強度はまだ満足できるレベルには至らない。そこで炭素
繊維の破断部分を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて
、より詳細に観察した結果、上記のような欠陥が表面に
見出されない部分からも多くの破断が発生していること
を第二に見出した。このことはプリカーサとしてのアク
リル系繊維の内部に、炭素繊維に変換された後に、破断
の原因となる微少な欠陥、あるいは応力のかかった状態
で顕在化する潜在的な微少欠陥が存在していることを示
唆するものであった。この第二の事実は、アクリル系繊
維に内在する欠陥を減少せしめることが高強度化に必須
の条件であることを2強く認識させるものであった。
このような繊維の内部に存在する微小な欠陥の発生を抑
止する。あるいは減少せしめる手段として、アクリル系
繊維の緻密性を高くすることが提案され、高緻密化の方
法がこれまでに開示されている。以下にこれまでの開示
技術とその問題点を述べる。
例えば、特公昭54−39494号公報では非水系の有
機溶媒を凝固浴とした湿式紡糸法により、緻密性の高い
アクリル系繊維を製造する方法が開示されている。しか
し本開示技術では凝固浴に非水系の有機溶媒を用いると
いう特殊性の他に、湿式紡糸法を適用しているために9
表層の緻密性が高い凝固糸が得られないという2本質的
な欠陥を有するものであった。
特開昭58−214518号公報では、プリカーサとし
てのアクリル系繊維の緻密性を表わす尺度として。
ヨウ素の吸着量と、ヨウ素の吸着するスキン層の厚さを
規定している。しかし2本技術は主として湿式紡糸法に
より得られる繊維について検討したものであり、また表
層の緻密性が著しく疎い領域の範囲を規定したものであ
り、この緻密性では本発明者らが求めている高強度な炭
素繊維を得ることは非常に難しいものであった。
特開昭59−88925号公報および特開昭59−82
420号公報には、紡糸原液として特定量の水を含む有
機溶媒を適用する技術、および紡糸原液に適用する有機
溶媒を限定し、同時に低温の凝固条件を適用する技術が
開示されている。この技術はいずれも凝固糸に緻密なフ
ィブリルを発達させることを目的として、凝固糸の膨潤
度を130%以下に規定しているものである。しかしな
がら、この技術においても最終的に得られるプリカーサ
の緻密性の程度については開示されていないと同時に、
凝固以降の製糸条件の最適範囲についても開示されてお
らず、この凝固糸の膨潤度だけの規定では優れた特性を
有する炭素繊維帯ることはできなかったのである。
特開昭61−41326号公報では、凝固糸の比表面積
と、ポリマの共重合比率との関係、およびミクロボイド
の数との関係を規定し、またその製造方法として、原液
の高濃度化ならびに低温凝固法を開示している。しかし
ながら2本開示技術では、凝固系の緻密性の尺度は開示
されているものの、焼成工程に供給するプリカーサとし
ての緻密性については、具体的にはなんら開示されてお
らず、また本開示技術の凝固糸の物性の関係式は、共重
合比率の高い組成のポリマにはよく合致するものの。
共重合比率の低い(特に1wt%以下)条件ではよく合
致しないものであった。また凝固条件についての技術的
開示は有るものの、後続する延伸条件は開示されておら
ず、この凝固条件のみでは優れた強度を有する炭素繊維
を得ることはできなかった。
このように、従来開示されている技術はいずれも炭素繊
維の高強度化に対して、十分なものではなかフた。本発
明者らは、このような現状に鑑がみ、製糸工程全般と得
られるアクリル系繊維の微細構造との関連を検討し、ざ
らに焼成して得られる炭素繊維の強度との関連を鋭意検
討して、プリカーサとしてのアクリル系繊維の最も重要
な特性を見出した結果2本発明に到達したものである。
(発明が解決しようとする問題点) 本発明の目的は、炭素繊維の破断の原因となる欠陥の少
ない、緻密性の高い炭素繊維製造用アクリル系繊維を提
供することにある。さらに詳しくは、繊維全体として緻
密性が高いこととともに。
表層部の緻密性が極めて高い炭素繊維製造用アクリル系
m!Iを提供することにある。
(問題点を解決するための手段) 本発明の目的は、少なくとも92重量%のアクリロニト
リルを含有するアクリロニトリル系重合体からなり、ヨ
ウ素吸着法により測定される明度差(ΔL)が20以下
である炭素繊維製造用アクリル系繊維によって達成する
ことができる。
ここでヨウ素吸着法による明度差(ΔL)は以下の測定
方法により求めることができる。すなわち、j&維長が
5〜7cmの乾燥試料を約0−5gM秤し。
200m lの共栓付三角フラスコに採り、これにヨウ
素溶液(I 25o、r6g、 2.4−ジクロロフェ
ノール10g、酢酸90 gおよびヨウ化カリウム10
0 gを秤量し、ILメスフラスコに移して、水で溶か
して定容とする) foo mlを加えて、60±0.
5℃で50分分間上うしながら吸着処理を行う。ヨウ素
を吸着した試料を流水中で30分間水洗した後、遠心脱
水(2000rpmX 1分)を行ない、すばやく風乾
する。
この試料を開繊した後、ハンター型色差計で明度(L値
)を測定する(Ll)。一方ヨウ素の吸着処理を行わな
い対応の試料を開繊し、同様にハンター型色差計で明度
を測定する(Lo)。LI  LOより明度差ΔLを求
める。なお本発明者らは、カラーマシン(株)製、カラ
ーマシン0M−25型のハンター型色差計を用いて測定
した。
ΔLが20以下である本発明のヨウ素の吸着量は2重量
比で表わすと0.9 重量%以下と極めて少ないもので
あり、また繊維表面の吸着層の厚さも。
繊維直径の1/20以fと極めて薄いものである。
ヨウ素溶液中での繊維の膨潤を抑制しつつ、ヨウ素の吸
着速度を可及的速やかにおこなうという観点から、吸着
処理の温度を60°Cに設定しているのである。70℃
以上では膨潤が生じ、繊維全体にヨウ素が吸着され、緻
密性の正しい評価が行なわれないと同時に、最も重要な
繊維表層部の緻密性を評価していることにならないので
ある。ヨウ素は繊維中で緻密性の低い領域に吸着されや
すい。
という事実と上記の吸着温度に関する事実とを合せて考
えれば、ΔLが20以下である繊維は2表層の緻密性が
極めて高いものであるということができるのである。
本発明の炭素繊維製造用アクリル系繊維においては、Δ
Lが20以下、好ましくは15以下である。ΔLが20
を越えるアクリル系繊維では2表層部の緻密性が低いた
めに、炭素繊維に焼成されたのちに、破断の要因となる
欠陥が繊維の表層部に存在するようになり、高い強度の
炭素繊維を得ることができないのである。
以下2本発明の炭素繊維製造用アクリル系繊維の製造方
法について述べる。
本発明で好ましく用いるアクリル系繊維はアクリロニト
リル(以下ANと称する)を主成分として含有し、92
重量%以上、好ましくは、97重量%以上のANと、好
ましくは8重量%以下、特に好ましくは、3重量%以下
の該ANと共重合性があって、耐炎化反応を促進するビ
ニル基含有化合物(以下ビニル系モノマという)とAN
との共重合体が用いられる。
耐炎化を促進する作用を有するビニル系モノマとしては
2例えばアクリル酸、メタアクリル酸。
イタコン酸、およびそれらのアルカリ金属塩、アンモニ
ウム塩、α(1−ヒドロキシルエチル)アクリロニトリ
ル、アクリル酸ヒドロキシルエステル等を挙げることが
できる。またこれらの耐炎化促進能を有するビニル系モ
ノマ以外にAN系重合体の紡糸性または、製糸性等を向
上させるために。
前記アクリル酸やメタクリル酸の低級アルキルエステル
類、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸、スチレン
スルホン酸およびそれらのアルカリ金属塩、酢酸ビニル
や塩化ビニル等の第3成分を共重合成分の総量が8重量
%以下、好ましくは3重量%以下となる範囲で共1合さ
せてもよい。
AN系の共重合体は公知の乳化懸濁、塊状、溶液等の公
知の重合法を用いて重合することができる。さらにこれ
らの重合体からアクリル系繊維を製造するに際してはジ
メチルホルムアミドやジメチルスルホオキサイド、硝酸
、ロダンソーダ水溶液、および塩化亜鉛水溶液等のポリ
マ溶液を紡糸原液として、凝固浴液面上に設けた紡糸口
金を通して、一旦不活性雰囲気中に紡出した後、凝固浴
中に該紡出糸条を導入して凝固せしめる。乾−湿式紡糸
法によって紡糸して繊維化するのである。
特に乾−湿式紡糸法を採用するのは、凝固浴中での凝固
過程にある紡出糸(凝固糸)にかかる張力を小さくでき
るために、凝固糸の表層(スキンN)の緻密性を高くで
きるのである。
ここで得られた凝固糸の特性は、最終的に得られるアク
リル系繊維の物性を支配する2重要な因子の一つとなる
が、特に凝固糸の膨潤度は最終糸の緻密性に対して大き
な影響を与える。本発明のΔLに対しては、凝固糸の膨
潤度は重要な支配因子であり、ΔLを小さくするために
は、この膨潤度を小さくする必要がある。
凝固糸の膨潤度(以下BGと表現する。測定方法は後述
)は200%以下とすることが好ましく。
180%以下とすることがさらに好ましい。以下の方法
により、膨潤度の極めて小さい凝固糸を得る事ができる
。■紡糸原液のポリマ濃度を18%以上、好ましくは2
0%以上の高濃度とすること。
■紡糸原液の温度を75℃以下、好ましくは65℃以下
の低温にすること、■凝固浴の温度を30℃以下、好ま
しくは15℃以下の低温にすること。
等である。つぎにこの凝固糸を水洗して、凝固糸に含ま
れる溶剤を洗浄した後に、液浴中で延伸(浴延伸)を行
なう。
ΔLの小さな本発明のアクリル系繊維を得るためには、
前記の凝固糸の膨潤度を低くすることが必要ではあるが
2これだけでは十分ではない。すなわち、浴延伸を行な
って得られる浴延伸糸の膨潤度(以下BYと表現する)
と、凝固糸の膨潤度の比By/BcをO,aO以下、好
ましくは0.65以下とすることが同時に必要なのであ
る。
膨潤度比Eh/BGは、凝固糸中の疎な領域を浴延伸段
階でいかに効率良く、また多量に緻密化できるかという
ことを表す指標であり、単に浴延伸糸の膨潤度を低くす
るのではなく、膨潤度比B v / B cを低くする
ことによりて、浴延伸糸の膨潤度を160%以下、好ま
しくは100%以下と低くすることが2本発明のΔLの
小さなアクリル系繊維を製造方法するうえで重要である
この膨潤度比B y / B cの値を小さくするため
には、上記の好ましい原液条件、凝固条件、および凝固
糸の膨潤度とともに、特定の条件による浴延伸が必要と
なる。すなわち、2段以上、好ましくは3段以上の多段
延伸法により、各延伸段での延伸倍率を2.0倍以下と
して、糸に急激な変形を生じさせないようにすることに
より、単糸同志の融着を回避することによって、最終段
の延伸温度(浴温度)をできるだけ高く設定することが
必要である。この最終段での浴延伸温度、すなわち最高
温延伸温度としては、凝固浴の温度よりも50℃以上、
さらに好ましくは60℃以上高温とすることが必要なの
である。
以上のように、ΔLの低い本発明のアクリル系繊維の製
造方法のうち、浴延伸工程までを記載したが、その要点
は膨潤度の低い凝固糸を特定の条件のもとに浴延伸する
ことにより、膨潤度比の低い浴延伸糸を製造方法するこ
とにある。以下に該浴延伸糸の製造方法の好ましい実施
態様の例を示す。すなわち、少なくとも92重量%のア
クリロニトリルを含有し、極限粘度が1.00以上、5
.00以下のアクリロニトリル系重合体と、該重合体の
溶媒からなり、該重合体の濃度が18重量%以上であり
、温度が75℃以下である紡糸原液を、30℃以下の凝
固浴の中に乾−湿式紡糸することによリ、膨潤度Baが
200%以下の凝固糸となし、引続いて該凝固糸を水洗
して凝固糸中の溶媒を洗浄した後に、前記凝固浴の温度
よりも50℃以上高い温度の延伸浴を有する。2段以上
の延伸段数からなる。多段塔延伸によって、膨潤度比B
y/BGを0.80以下、好ましくは0.65以下とし
、#潤度が160%以下の浴延伸糸を得るのである。
このようにして得られた浴延伸糸は次に工程油剤を、乾
燥繊維重量あたり0.2〜1.5重量%付与する。油剤
の成分としては、特に焼成中の単繊維同志の融着を防止
するのに効果的な、シリコン系あるいは変性シリコン系
化合物を付与することが好ましい。
工程油剤を付与した後に、乾燥緻密化処理を行ない、緻
密化繊維を得る。ところで、最終的に得られるアクリル
系繊維の特性としては、前記のΔLの他に、π(400
)で規定される繊維のX線配向度(測定方法は後述)を
90%以上とすることが好ましい。X線配向度は、繊維
を構成する凝結島構造の繊維軸方向への配向の度合を示
すものである。
この凝結晶の配向は得られる炭素繊維の、結晶配向や結
晶子の成長と密接な関連を有する。このX線配向度が9
0%未満であると、ΔLが20以下で2表層の緻密性が
高くても、炭素m紺の本来有する強度が低いために、高
い強度は得られないのである。このような高配向度は、
たとえば浴延伸での延伸倍率を十分高く設定することや
、加圧スチーム雰囲気下で、二次延伸を行うことにより
得ることができる。
(発明の効果) 本発明の炭素繊維製造用アクリル系繊維は表層部の緻密
性が極めて高いために、これを焼成して得られる炭素繊
維では、破断の要因となる欠陥が少なくなり、高い強度
が得られる。
以下実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
なお2本文中および実施例中に用いた物性値は以下の方
法により測定したものである。
(A)炭素繊維の性能(強度2弾性率)JIS R−7
601に準じて測定したエポキシ樹脂を含浸したストラ
ンドから求めた物性であり。
測定回数n=10の平均値である。
(B)膨潤度 膨潤糸を遠心脱水機を用いて付着水を除去した(300
0 rpmX15分間)後の重量 (w)と、これを1
10°CX 2時間熱風乾燥機で乾燥した後の重量(W
 O)から、以下の計算式を用いて求めた値である。
BG+ By”4 (W−Wo) /w□)X100 
(%)(C)X線配向度π(400) 試料20 mg/4 cmを1市幅の金型にコロジオン
で固めて測定に供する。X線源としてNiフィルターで
単色化した。Cuのにα線(波長: 1.5418A)
を使用し、出力35 kv、 15 mAで測定し、2
θ= 17.0°付近に観察される面指数 (400)
のピークを円周方向にスキャンして得られたピークの半
値幅H(°)より π(400)= (180−H) /180  (%)
なる式から求めた。
なお、ゴニオメータのスリット系としては、2mmφ。
計数管としてはシンチレーションカウンターを用いた。
実施例−1 AN 99.3χ、イタコン酸0.7 $の共重合体の
ジメチルスルフォオキシド(DMSO)溶液を紡糸原液
に用いた。この原液中の共重合体の極限粘度は1.80
であった。第1表に示すように2種々の共重合体の濃度
と温度からなる紡糸原液を、直径0.15 mm、孔数
3000の口金を用いて、−星空気中に吐出させ、約3
 mmの空間を通過させたのち。
5℃にコントロールした30χのDMSOの水溶液から
なる凝固浴に導き凝固させた。この凝固糸を水洗槽のな
かで脱溶媒し、引き続き温水中で4段の延伸を行ない、
水膨潤状態のアクリル繊維(以下浴延伸糸と称する)を
得た。最終延伸浴の温度は、単糸同志の融着が発生しな
い範囲で、最も高い温度に設定した。ここで得られた浴
延伸糸に。
乾燥糸重量に対して0.7〜0.9%の付着量となるよ
うに、シリコン系の油剤を付与し、引き続き130℃の
加熱ローラで乾燥緻密化処理を行った。この乾燥緻密化
後の糸条を、更に3 kg/mm2−にの飽和スチーム
中で3倍に延伸した。このようにして得られた前駆体繊
維は、単糸デニール=0.8 de、 ) −タルデニ
ール=2400 De 、強度=6.5〜7.0  g
/d。
伸度=10.5〜11.2 $であった。この前駆体繊
維を。
250〜280℃の温度勾配を有する耐炎化炉で耐炎化
処理(処理時間=25分)シ2次に、窒素雰囲気下で3
00〜1300℃の温度勾配を有する炭化炉で焼成して
、炭素繊維に転換した。なお得られた炭素繊維のヤング
率が30 t/mm2となるように耐炎化工程および炭
化工程の張力を調整した。得られた結果を第1表に示す
紡糸原液中のポリマ)関度Cpの増大とともに、凝固糸
の膨潤度BGが減少し、同時に膨潤度比B y/ B 
cも減少し、この結果ΔLが減少し、焼成して得られた
炭素繊維のストランド強度が、このΔLの減少に伴ない
向上していることが判る。特にNo 2〜5のΔLか2
0以下のものでは500 kg/mm2以上の高いスト
ランド強度が得られていることが判る。
実施例−2 ポリマの濃度を25%とする以外は実施例−1と同様の
ポリマ組成、および溶媒として紡糸原液を調整した。紡
糸原液の温度を35℃〜75℃に変化させて、実施例−
1と同様に乾−湿式紡糸法を用いた製糸法によって、前
駆体繊維を試作し。
実施例−1と同様に焼成して、炭素繊維とした。
第2表に結果を示した。原液温度の低下に伴ない。
浴延伸工程での最高浴温度が高くなり、同時に膨潤度比
By/Bcが小さくなる。このBy/Bcが小さくなる
に伴ないΔLが減少し、ストランド強度が高くなること
が判る。
実施例−3 ポリマの濃度を28%とする以外は、実施例−2と同様
に紡糸原液を調整した。紡糸原液の温度を45℃、凝固
浴の温度な0℃、として実施例−2と同様に乾−湿式紡
糸法を用いて紡糸し、引き続き浴延伸の最高温度を種々
変化させて、この浴延伸温度で安定に延伸できる最も高
い延伸倍率で浴延伸をおこなった。なおこの条件での最
高浴延伸温度はNo 13の70°Cであった。実施例
−2と同様に油剤を付与した後に、乾燥緻密化を行(ζ
、引き続き3.5 kg/mm2−Gの飽和スチーム中
で2.6倍延伸して、前駆体繊維を得た。実施例−2と
同様に焼成して炭素繊維を得た。評価結果を第3表に示
した。
凝固糸の膨潤度が135%と低い値であるにもかかわら
ず、浴延伸温度を十分に高くすると同時に。
浴延伸での延伸倍率を大きくして、膨潤度比を0.80
以下とすることにより、ΔLを小さな値とすることがで
き、高いストランド強度を示す炭素繊維を得ることがで
きることが判る。
実施例−4 ポリマの濃度を25 Xとする以外は実施例−1と同様
のポリマ組成、および溶媒として、紡糸原液を調整した
。紡糸原液の温度を45℃として。
凝固浴の温度を0〜50℃まで変化させた。実施例−1
と同様に乾−湿式紡糸を行ない、水洗後。
引続いて6段階の浴延伸を行なった。各延伸浴において
は、延伸倍率を1.8倍以下に設定し、かつ単糸同志が
融着しない範囲で浴延伸温度が最も高くなるように、延
伸倍率を設定した。引続いて実施例−1と同様に油剤を
付与し、乾燥緻密化処理を行なった。さらに、4.5 
kg/cm2−Gの飽和スチーム中で延伸張力が0.8
0 g/dとなるように延伸倍率を設定した。ここで得
られた前駆体繊維を実施例−1と同様に焼成して、炭素
繊維とした。第5表に結果を示した。
凝固浴の温度(凝固温度)を低くするに従がい。
凝固糸の膨潤度が小さくなり、また浴延伸の温度を高く
設定することができ、この結果として、浴延伸糸の膨潤
度が小さくなることが判る。また同時に浴延伸の最高温
度と凝固浴の温度の差Ty−Taが増大し、膨潤度比B
y/BGが減少して、ΔLが減少し、得られる炭素繊維
のストランド強度が増大することが判る。本発明の範囲
であるNo14〜17(凝固温度=0〜30℃)ではB
 v / B aの値が0.63以下であり、ΔLは6
〜19の範囲の値であり、高いストランド強度の炭素繊
維が得られていることが判る。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 少なくとも92重量%のアクリロニトリルを含有するア
    クリロニトリル系重合体からなり、ヨウ素吸着法により
    測定される明度差(ΔL)が20以下である炭素繊維製
    造用アクリル系繊維。
JP61181138A 1986-07-31 1986-07-31 炭素繊維製造用アクリル系繊維の製造方法 Expired - Lifetime JPH0615722B2 (ja)

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