JPH04153326A - ピッチ系炭素繊維の製法 - Google Patents
ピッチ系炭素繊維の製法Info
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- JPH04153326A JPH04153326A JP27481190A JP27481190A JPH04153326A JP H04153326 A JPH04153326 A JP H04153326A JP 27481190 A JP27481190 A JP 27481190A JP 27481190 A JP27481190 A JP 27481190A JP H04153326 A JPH04153326 A JP H04153326A
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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。
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
この発明は、高弾性率と高圧縮強度を兼有するピッチ系
炭素繊維の製法に関する。
炭素繊維の製法に関する。
従来の技術
炭素繊維は軽量で強度が高く、優れた耐熱性や耐薬品性
等の特性を有するために構造用複合材基材や高能性素材
等として多くの分野、例えば宇宙用、航空用、レジャー
用、スポーツ用および産業用の複合材料等の分野におい
て利用されている。
等の特性を有するために構造用複合材基材や高能性素材
等として多くの分野、例えば宇宙用、航空用、レジャー
用、スポーツ用および産業用の複合材料等の分野におい
て利用されている。
炭素繊維はポリアクリロニトリル系（ＰＡＮ系）炭素繊
維とピッチ系炭素繊維に大別されるが、ピッチ系炭素繊
維の中でも高性能品（ＨＰ）の炭素繊維は繊維軸に配向
した異方性の高い黒鉛結晶から構成されているために、
ＰＡＮ系に比べて弾性率は高いが、圧縮強度が低いとい
う欠点があり、その改良が要請されている。特に、宇宙
用や航空用の先端複合材料等の分野においては、高弾性
率と高圧縮強度を兼有するピッチ系炭素繊維の開発が要
請されている。
維とピッチ系炭素繊維に大別されるが、ピッチ系炭素繊
維の中でも高性能品（ＨＰ）の炭素繊維は繊維軸に配向
した異方性の高い黒鉛結晶から構成されているために、
ＰＡＮ系に比べて弾性率は高いが、圧縮強度が低いとい
う欠点があり、その改良が要請されている。特に、宇宙
用や航空用の先端複合材料等の分野においては、高弾性
率と高圧縮強度を兼有するピッチ系炭素繊維の開発が要
請されている。
この発明はこのような要請に応え、実用上十分に高弾性
率と高圧縮強度を兼有するピッチ系炭素繊維を提供する
ためになされたものである。
率と高圧縮強度を兼有するピッチ系炭素繊維を提供する
ためになされたものである。
課題を解決するための手段
即ち本発明は、ピッチを構成する芳香族炭化水素が酸素
原子によって三次元的に架橋された酸素を０．５〜２．
０重量％含有する光学的等方性紡糸ピッチを０．５〜Ｉ
Ｏ重量％配合した光学的異方性紡糸ピッチを溶融紡糸し
、得られた繊維を不融化処理に付した後、炭化処理に付
し、さらに黒鉛化処理に付すことを特徴とする高圧縮強
度と高弾性率を兼有するピッチ系炭素繊維の製法に関す
る。
原子によって三次元的に架橋された酸素を０．５〜２．
０重量％含有する光学的等方性紡糸ピッチを０．５〜Ｉ
Ｏ重量％配合した光学的異方性紡糸ピッチを溶融紡糸し
、得られた繊維を不融化処理に付した後、炭化処理に付
し、さらに黒鉛化処理に付すことを特徴とする高圧縮強
度と高弾性率を兼有するピッチ系炭素繊維の製法に関す
る。
本発明で使用する光学的等方性紡糸ピッチは、石油系ま
たは石炭系の重質油またはピッチを原料として調製され
得るが、例えば、空気を吹き込みながら熱処理すること
によっても調製することができる。この場合、通気量は
重質油１ｋｇに対し１〜５Ｍ分であり、加熱温度は３０
０〜３５０℃でおこなうことができる。
たは石炭系の重質油またはピッチを原料として調製され
得るが、例えば、空気を吹き込みながら熱処理すること
によっても調製することができる。この場合、通気量は
重質油１ｋｇに対し１〜５Ｍ分であり、加熱温度は３０
０〜３５０℃でおこなうことができる。
上記のようにして酸素を含有させた等方性ピッチは、軟
化点を調整するために、通常、３００〜３２０℃で、０
９ｌ−１，０ｍｍＨｇの条件下での減圧ストリッピング
処理に付される。調整される軟化点は、基材ピッチとし
て使用する光学的異方性紡糸ピッチの軟化点との差が１
０℃以内、好ましくは５℃以内になる温度である。両者
の軟化点の差がｌＯｏＣを越える場合には、両者の最適
紡糸温度が相違するために、紡糸性が著しく悪化する。
化点を調整するために、通常、３００〜３２０℃で、０
９ｌ−１，０ｍｍＨｇの条件下での減圧ストリッピング
処理に付される。調整される軟化点は、基材ピッチとし
て使用する光学的異方性紡糸ピッチの軟化点との差が１
０℃以内、好ましくは５℃以内になる温度である。両者
の軟化点の差がｌＯｏＣを越える場合には、両者の最適
紡糸温度が相違するために、紡糸性が著しく悪化する。
本発明で使用する光学的等方性紡糸ピッチは、上記のエ
アーブローイング法以外に、酸化剤、例えば、硝酸や混
酸等を用いて調製してもよい。
アーブローイング法以外に、酸化剤、例えば、硝酸や混
酸等を用いて調製してもよい。
本発明で使用する光学的等方性紡糸ピッチは、ピッチを
構成する芳香族炭化水素が酸素原子によって三次元的に
架橋された構造を有すると考えられている。
構成する芳香族炭化水素が酸素原子によって三次元的に
架橋された構造を有すると考えられている。
該光学的等方性紡糸ピッチの酸素含有量は０゜５〜２．
０重量％、好ましくは１．０〜１．５重量％であり、０
．５重量％よりも少ない場合には、後述するように、異
方性紡糸ピッチとの相溶性が残るために圧縮強度を向上
させる効果が不充分となり好ましくない。また、２．０
重量％よりも多くなると、紡糸性が著しく悪化するため
、異方性ピッチを混合した混合ピッチにおいても紡糸性
が悪く、安定した紡糸を行うことができない。
０重量％、好ましくは１．０〜１．５重量％であり、０
．５重量％よりも少ない場合には、後述するように、異
方性紡糸ピッチとの相溶性が残るために圧縮強度を向上
させる効果が不充分となり好ましくない。また、２．０
重量％よりも多くなると、紡糸性が著しく悪化するため
、異方性ピッチを混合した混合ピッチにおいても紡糸性
が悪く、安定した紡糸を行うことができない。
上記の酸素含有光学的等方性紡糸ピッチの配合量は０．
５〜ｌＯ重量％、好ましくは１．０〜５重量％であり、
０．５重量％よりも少ない場合には、圧縮強度を十分に
向上させることができず、また、１０重量％よりも多く
なると、弾性率の低下をもたらすので好ましくない。
５〜ｌＯ重量％、好ましくは１．０〜５重量％であり、
０．５重量％よりも少ない場合には、圧縮強度を十分に
向上させることができず、また、１０重量％よりも多く
なると、弾性率の低下をもたらすので好ましくない。
本発明に使用する光学的異方性紡糸ピッチは、石油系ま
たは石炭系の重質油またはピッチを原料とし、従来から
既知のいずれの製法によって調製してもよく、その製法
は特に限定的ではないが、光学的異方性成分の割合が９
０％以上、好ましくは９５％以上になるように調整すれ
ばよい。このような光学的異方性紡糸ピッチの軟化点は
通常２００〜２８０℃で、トルエン不溶分およびキノリ
ンネ溶分は通常それぞれ５０〜９０％および０〜４０％
である。
たは石炭系の重質油またはピッチを原料とし、従来から
既知のいずれの製法によって調製してもよく、その製法
は特に限定的ではないが、光学的異方性成分の割合が９
０％以上、好ましくは９５％以上になるように調整すれ
ばよい。このような光学的異方性紡糸ピッチの軟化点は
通常２００〜２８０℃で、トルエン不溶分およびキノリ
ンネ溶分は通常それぞれ５０〜９０％および０〜４０％
である。
上記の光学的等方性紡糸ピッチおよび光学的異方性紡糸
ピッチは、溶融紡糸機へ供給する前に、例えば３００〜
３６０℃の温度で溶融撹拌混合することによって、前者
を後者に均一分散させた混合紡糸ピッチとする。
ピッチは、溶融紡糸機へ供給する前に、例えば３００〜
３６０℃の温度で溶融撹拌混合することによって、前者
を後者に均一分散させた混合紡糸ピッチとする。
得られた混合紡糸ピッチは溶融紡糸工程に付される。溶
融紡糸条件は特に限定的ではなレフが、例えば以下の条
件下でおこなう。
融紡糸条件は特に限定的ではなレフが、例えば以下の条
件下でおこなう。
ノズル孔の口径：０．０５〜０ 、５ ｍｍ紡糸温度＝
３００〜３５０℃ 紡糸粘度＝１００〜３００ポイズ 紡糸速度：１００〜５００ｍ／分 本発明における紡糸条件は混合紡糸ピッチの粘度が３０
０ポイズ以下、好ましくは１５０〜２００ポイズになる
温度で紡糸する。紡糸粘度が３００ポイズよりも高くな
ると後述するように等方性ピッチの紡糸変形によるフィ
ブリル化が不充分になるため繊維の弾性率および引張強
度が低下するので好ましくない。
３００〜３５０℃ 紡糸粘度＝１００〜３００ポイズ 紡糸速度：１００〜５００ｍ／分 本発明における紡糸条件は混合紡糸ピッチの粘度が３０
０ポイズ以下、好ましくは１５０〜２００ポイズになる
温度で紡糸する。紡糸粘度が３００ポイズよりも高くな
ると後述するように等方性ピッチの紡糸変形によるフィ
ブリル化が不充分になるため繊維の弾性率および引張強
度が低下するので好ましくない。
上記の溶融紡糸工程によって得られる繊維を常法に従っ
て、不融化処理に付した後、炭化処理に付し、さらに黒
鉛化処理に付すことによって、本発明による高弾性率と
高圧縮強度を兼有するピッチ系炭素繊維が得られる。
て、不融化処理に付した後、炭化処理に付し、さらに黒
鉛化処理に付すことによって、本発明による高弾性率と
高圧縮強度を兼有するピッチ系炭素繊維が得られる。
不融化処理、炭化処理および黒鉛化処理の条件は例えば
以下の通りである。
以下の通りである。
不融化処理
処理温度：２７０〜３００℃
処理時間：１０〜３０分間
雰囲気： 空気
炭化処理
処理温度：８００〜１０００℃
昇温速度：ｌ〜５℃／分
処理時間：３０〜９０分間
雰囲気二 窒素ガス気流下
黒鉛化処理
処理温度：２５００〜２８００℃
昇温速度：ｌＯ〜５０℃／分
処理時間：１−１０分間
雰囲気： アルゴンガス気流下
ｍ−叫
本発明に使用する光学的等方性紡糸ピ・ソチは、ピッチ
の構成成分である芳香族炭化水素が酸素原子によって三
次元的に架橋した構造を有すると考えられるので、黒鉛
化処理によっても黒鉛構造をとらず、基材ピッチとして
使用する光学的異方性紡糸ピッチに対して相溶性を示さ
ない。このため両者を溶融混合すると、前者は約１〜５
μ程度の光学的等方性小球体となって後者に分散する。
の構成成分である芳香族炭化水素が酸素原子によって三
次元的に架橋した構造を有すると考えられるので、黒鉛
化処理によっても黒鉛構造をとらず、基材ピッチとして
使用する光学的異方性紡糸ピッチに対して相溶性を示さ
ない。このため両者を溶融混合すると、前者は約１〜５
μ程度の光学的等方性小球体となって後者に分散する。
このような相溶性のないピッチを混合紡糸することは従
来技術では不可能であるが、本発明においては、両者の
軟化点を近似させることによって最適紡糸粘度となる温
度が近接し、紡糸性を損なうことなく混合紡糸すること
が可能となる。
来技術では不可能であるが、本発明においては、両者の
軟化点を近似させることによって最適紡糸粘度となる温
度が近接し、紡糸性を損なうことなく混合紡糸すること
が可能となる。
このような特性を有する混合ピッチを紡糸することによ
って、高弾性率と高圧縮強度を兼有する炭素繊維が得ら
れる理由は必ずしも明らかではないが、次の様に推察す
ることができる。即ち、光学的等方性紡糸ピッチは、紡
糸時の変形応力によって極めて細い針状体となって繊維
中にフィブリル状に分散するので繊維の圧縮方向の強度
を補強することが可能となり、炭素繊維の圧縮強度を向
上させることができる。また弾性率に関しては、繊維中
にフィブリル状に分散した光学的等方性紡糸ピッチの繊
維径が細く、さらに繊維断面を占める割合も小さいため
に、光学的異方性紡糸ピッチのみから得られる炭素繊維
の弾性率を、それほど損うことなく維持することが可能
となるので、高弾性率と高圧縮強度を兼有する炭素繊維
が得られると推察される。
って、高弾性率と高圧縮強度を兼有する炭素繊維が得ら
れる理由は必ずしも明らかではないが、次の様に推察す
ることができる。即ち、光学的等方性紡糸ピッチは、紡
糸時の変形応力によって極めて細い針状体となって繊維
中にフィブリル状に分散するので繊維の圧縮方向の強度
を補強することが可能となり、炭素繊維の圧縮強度を向
上させることができる。また弾性率に関しては、繊維中
にフィブリル状に分散した光学的等方性紡糸ピッチの繊
維径が細く、さらに繊維断面を占める割合も小さいため
に、光学的異方性紡糸ピッチのみから得られる炭素繊維
の弾性率を、それほど損うことなく維持することが可能
となるので、高弾性率と高圧縮強度を兼有する炭素繊維
が得られると推察される。
以下、本発明を実施例によって説明する。
実施例１
石油の接触分解で生成する重質油から得られた石油ピッ
チを減圧下での熱処理（４００〜４５０’ｃ／ ｌ Ｏ
〜３０ ｍｍＨｇ）に付すことによッテ、メンフェーズ
小球体含有ピッチを調製し、該メソフェーズピッチに、
原料油であるデカントオイルを常圧換算で４３０℃まで
蒸留して得られた留出油を凝集剤として添加することに
よって、光学的異方性紡糸ピッチＡ（異方性割合：９９
％、軟化点：２３５℃１トル工ン不溶分ニア５％、キノ
リンネ溶分：２５％）を分離した。
チを減圧下での熱処理（４００〜４５０’ｃ／ ｌ Ｏ
〜３０ ｍｍＨｇ）に付すことによッテ、メンフェーズ
小球体含有ピッチを調製し、該メソフェーズピッチに、
原料油であるデカントオイルを常圧換算で４３０℃まで
蒸留して得られた留出油を凝集剤として添加することに
よって、光学的異方性紡糸ピッチＡ（異方性割合：９９
％、軟化点：２３５℃１トル工ン不溶分ニア５％、キノ
リンネ溶分：２５％）を分離した。
また、石油の接触分解で生成する重質油を４３０℃で蒸
留して得られた残留油１ｋｇを、空気を４Ｑ／分の割合
で吹き込みながら熱処理（３２０℃１１２時間）に付し
た後、３００℃での減圧ストリ・ンピング処理に付すこ
とによって、光学的等方性紡糸ピッチ（酸素含有率＝０
．９重量％、軟化点：２３５°Ｏ，）ルエン不溶分＝５
３％、キノリンネ溶分二０％）を得た。
留して得られた残留油１ｋｇを、空気を４Ｑ／分の割合
で吹き込みながら熱処理（３２０℃１１２時間）に付し
た後、３００℃での減圧ストリ・ンピング処理に付すこ
とによって、光学的等方性紡糸ピッチ（酸素含有率＝０
．９重量％、軟化点：２３５°Ｏ，）ルエン不溶分＝５
３％、キノリンネ溶分二０％）を得た。
上記のようにして調製した光学的異方性紡糸ピッチＡ９
８重量部および光学的等方性紡糸ピッチ２重量部を溶融
撹拌混合しく溶融温度＝３３０℃）、該混合ピッチを０
、３ ｍｍのノズル孔を通して溶融紡糸した（紡糸温
度＝３３３℃１紡糸粘度：１７０ポイズ）。この場合、
曳糸性は良好で、１時間以上にわたって糸切れは発生し
なかった。
８重量部および光学的等方性紡糸ピッチ２重量部を溶融
撹拌混合しく溶融温度＝３３０℃）、該混合ピッチを０
、３ ｍｍのノズル孔を通して溶融紡糸した（紡糸温
度＝３３３℃１紡糸粘度：１７０ポイズ）。この場合、
曳糸性は良好で、１時間以上にわたって糸切れは発生し
なかった。
この繊維を不融化処理（空気中、２８０℃）に付し、次
いで炭化処理（Ｎ２気流中、１０００℃）に付した後、
黒鉛化処理（Ａｒ気流中、２８００℃）に付すことによ
って、ピッチ系炭素繊維■を得た。
いで炭化処理（Ｎ２気流中、１０００℃）に付した後、
黒鉛化処理（Ａｒ気流中、２８００℃）に付すことによ
って、ピッチ系炭素繊維■を得た。
得られたピッチ系炭素繊維Ｉの物性を以下の表−１に示
す。
す。
実施例２
光学的異方性紡糸ピッチＡ９０重量部および光学的等方
性紡糸ピッチ１０重量部を溶融撹拌混合する以外は、実
施例１と同様にして、ピッチ系炭素繊維■を調製した。
性紡糸ピッチ１０重量部を溶融撹拌混合する以外は、実
施例１と同様にして、ピッチ系炭素繊維■を調製した。
得られたピッチ系炭素繊維■の物性を以下の表−１に示
す。
す。
比較例）
原料紡糸ピッチとして、実施例１記載の方法によって調
製した光学的異方性紡糸ピッチＡを単独で使用する以外
は、実施例１と同様にして、ピッチ系炭素繊維工′を製
造した。
製した光学的異方性紡糸ピッチＡを単独で使用する以外
は、実施例１と同様にして、ピッチ系炭素繊維工′を製
造した。
得られたピッチ系炭素繊維Ｉ′の物性を以下の表−１に
示す。
示す。
比較例２
実施例１記載の異方性紡糸ピッチＡの調製手順に準拠し
て、光学的異方性紡糸ピッチＢ（異方性割合：１００％
、軟化点＝２６０°Ｏ，ｌ−ルエン不溶分ニア８％、キ
ノリンネ溶分：２８％）を分離した。
て、光学的異方性紡糸ピッチＢ（異方性割合：１００％
、軟化点＝２６０°Ｏ，ｌ−ルエン不溶分ニア８％、キ
ノリンネ溶分：２８％）を分離した。
光学的異方性紡糸ピッチＢ９８重量部および実施例１記
載の方法によって調製した光学的等方性紡糸ピッチ２重
量部を溶融撹拌混合し、該混合ピッチを実施例１と同様
の紡糸処理に付したところ、糸切れが頻発し、繊維を得
ることはできなかった。
載の方法によって調製した光学的等方性紡糸ピッチ２重
量部を溶融撹拌混合し、該混合ピッチを実施例１と同様
の紡糸処理に付したところ、糸切れが頻発し、繊維を得
ることはできなかった。
比較例３
原料紡糸ピッチとして、実施例１記載の方法によって調
製した光学的等方性紡糸ピッチを単独で使用する以外は
、実施例１と同様にしてピッチ系炭素繊維■′を製造し
た。
製した光学的等方性紡糸ピッチを単独で使用する以外は
、実施例１と同様にしてピッチ系炭素繊維■′を製造し
た。
得られたピッチ系炭素繊維■′の物性を以下の表−１に
示す。
示す。
Ｉ
（１）ループ法による繊維自体の圧縮強度発明の効果
本発明によれば、従来法では製造することのできなかっ
た高弾性率と高圧縮強度を兼有するピッチ系炭素繊維を
簡易な方法によって低コストで製造することができる。
た高弾性率と高圧縮強度を兼有するピッチ系炭素繊維を
簡易な方法によって低コストで製造することができる。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、ピッチを構成する芳香族炭化水素が酸素原子によっ
て三次元的に架橋された酸素を０．５〜２．０重量％含
有する光学的等方性紡糸ピッチを０．５〜１０重量％配
合した光学的異方性紡糸ピッチを溶融紡糸し、得られた
繊維を不融化処理に付した後、炭化処理に付し、さらに
、黒鉛化処理に付すことを特徴とする高圧縮強度と高弾
性率を兼有するピッチ系炭素繊維の製法。 ２、光学的等方性紡糸ピッチと光学的異方性紡糸ピッチ
の軟化点差が１０℃以下である請求項１記載の方法。 ３、溶融紡糸時の粘度が３００ポイズ以下である請求項
１記載の方法。 ４、請求項１から３いずれかに記載の方法によって製造
されるピッチ系炭素繊維。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27481190A JPH04153326A (ja) | 1990-10-11 | 1990-10-11 | ピッチ系炭素繊維の製法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27481190A JPH04153326A (ja) | 1990-10-11 | 1990-10-11 | ピッチ系炭素繊維の製法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04153326A true JPH04153326A (ja) | 1992-05-26 |
Family
ID=17546898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27481190A Pending JPH04153326A (ja) | 1990-10-11 | 1990-10-11 | ピッチ系炭素繊維の製法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04153326A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009030189A (ja) * | 2007-07-25 | 2009-02-12 | Teijin Ltd | 炭素繊維およびその製造方法 |
-
1990
- 1990-10-11 JP JP27481190A patent/JPH04153326A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009030189A (ja) * | 2007-07-25 | 2009-02-12 | Teijin Ltd | 炭素繊維およびその製造方法 |
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