JPH04185720A - ピッチ系炭素繊維の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は炭素繊維に関し、特に、極細のピッチ系炭素繊
維およびその製造方法に関するものである。

〔発明の背景〕

一般にピッチ系炭素繊維は、高品位炭素繊維（ＨＰ品）
と汎用炭素繊維（ＧＰ品）に大別することができる。

ＨＰ品は、光学的異方性の紡糸ピッチを紡糸することに
より、ピッチを構成する液晶分子を繊維軸方向に平行に
配列させ、さらにこれを不融化・炭化することによって
黒鉛結晶が形成され高強度・高弾性率の炭素繊維を得る
ことができる。

一方、ＧＰ品は、光学的等方性ピッチをそのまま紡糸し
焼成することによって、黒鉛結晶が成長しない光学的等
方性の組織を有し安価で一定強度の炭素繊維として得る
ことかできる。

これら従来の炭素繊維はそれぞれの特徴ならびに特性に
適合した分野で製品への応用開発か進められている。

従来、これらの炭素繊維は、ＨＰ品か主として溶融紡糸
により製造され、ＧＰ品は主として遠心紡糸法で製造さ
れており、その繊維径はいずれの場合も約８〜１５μｍ
程度であり、それより細い繊維を従来の方法で製造する
ことは困難である。

また、本来的に炭素は脆性材料であるため繊維にした場
合においても、他の繊維に比べてしなやかさが劣ってお
り、また折れやすいという固有の問題がある。

そのため長繊維の状態での／’％ンドリングが難しく、
また短繊維をプラスチックやコンクリートに混合して複
合材を製造する場合においても、製造時において繊維が
折れやすく、あるいは短繊維から製造したベーパー、フ
ェルト、マット類もしなやかさかないため破損しやすい
という欠点があつた。

これらの欠点は繊維径を細くすることによって改善され
るものではあるか、従来の技術において細い繊維を製造
することかできなかったのは主として次の理由による。

通常、溶融紡糸法ではピッチをノズルから吐出し、それ
を高速で巻き取ることによって繊維の細化か行われるか
、紡糸されたピッチ糸目体の強度は約０．４ｋｇ／ｓと
低いものであり、さらに径か細くなるにつれてフィラメ
ント−本当たりの強さは極めて小さなものとなる。一方
、紡糸時の張力は繊維径か細くなるにつれて、即ち、巻
き取り速度が速くなるにつれて増加するので、ついには
張力かピッチ繊維の強度を上回って糸切れが発生し、こ
のため安定した紡糸かできなくなる事態に至る。

一方、遠心紡糸法で紡糸する場合においては、高速で回
転するノズルからピッチを吐出し、遠心力でこれを吹き
飛ばすことによって細化か行われるが、細い繊維はそれ
自身の質量か小さいため、慣性力かかかりに＜＜、従っ
て得られる繊維の径の細化にも限界がある。

〔発明の概要〕

本発明は上述のように従来の技術では解決できなかった
、光学的等方性炭素繊維、光学的異方性炭素繊維または
それらの複合繊維の機能を飛躍的に向上させる極細の炭
素繊維を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明によるピッチ系炭
素繊維の製造方法は、光学的等方性ピッチまたは／およ
び光学的異方性ピッチからなる紡糸原料ピッチを、該紡
糸原料ピッチの粘度が２０ポイズ以下となる温度条件下
で紡糸ノズルから吐出するとともに、前記紡糸原料ピッ
チの粘度が２０ポイズ以下となる温度よりも１００℃低
い温度かそれ以上の温度に予熱されたガスを、前記紡糸
ノズルの周囲から前記紡糸原料ピッチの吐出方向と同方
向でかつ吐出繊維に平行に流出させることによって、前
記紡糸原料ピッチを平均繊維径５μｍ以下の極細繊維に
紡糸し、次いで得られた紡糸繊維を不融化し、さらに炭
化することを特徴とするものである。

本発明による炭素繊維は繊維径か細いため、そのしなや
かさか格段に改善されている。このため、これをプラス
チックやコンクリート等のマトリックスに混合して複合
材を作る工程においては従来から問題になっていた折損
の問題か著しく低減される。

本発明による炭素繊維から製造したペーパー、フェルト
、マット等の成形体は繊維密度か増加し、成形体自身の
しなやかさ、強度が増加するため、その機能の一層の向
上を図ることができる。

〔発明の詳細な説明〕

本発明において紡糸原料として使用する紡糸ピッチは光
学的等方性ピッチ、光学的異方性ピッチまたはそれらの
混合ピッチを使用することかできる。

本発明によって極細の繊維が製造出来る要因のひとつは
紡糸ピッチを２０ポイズ以下という低粘度で紡糸するこ
とにある。前述のように繊維を細くしたときに糸切れが
おこる原因は紡糸張力がビッチ糸の強度を上回ることに
ある。ところかこの紡糸張力は粘度か小さくなるにつれ
て減少する。

本発明においては、２０ポイズ以下という極めて低い粘
度においても紡糸か可能となるため、従来にない極細の
繊維を得ることができる。たとえば、前述した溶融紡糸
において長繊維を紡糸する場合は、低粘度による糸切れ
か起こるため、紡糸ピッチの粘度は１００ポイズが限界
である。一方、遠心紡糸においては紡糸中に糸切れか起
こっても支障とはならないので溶融紡糸より低粘度での
紡糸が可能であるが、あまりに低粘度ではピッチの表面
張力がまさって繊維とならずに液滴状となる。

従って、この場合においても紡糸粘度は５０ポイズ程度
が限界となる。

本発明の方法におけるもうひとつの特徴は、ピッチを細
化するために流動させるガス流である。

紡糸ピッチは粘度感温性か極めて大きいので、ノズルか
ら吐出された後短時間で冷却され、粘度か急速に増加す
る。従って吐出されたピッチを瞬間的に細化することか
重要である。本発明においては、細化を効果的かつ迅速
に行うために、特定の方法でカス流れを用いる。この場
合におけるガスは、１００ｍ／ｓｅｃ以上の流速で流す
ことか好ましい。またガスによるピッチの温度低下を防
ぐためガスは少なくとも吐出温度より１００℃低い温度
以上に予熱することが好ましい。

さらに、ガス流は吐出ピッチの吐出方向と同方向かつ平
行に流出させることが肝要である。ガス流とピッチの吐
出方向とか実質的に平行でなければピッチは十分に細化
される前に切断され、極細の繊維は得られない。

第１図は、上記のような方法を実施するために用いられ
得る紡糸装置の紡糸ノズル部分の概要図であり、この図
に例示された紡糸用ノズルは、紡糸ピッチを吐出するた
めの紡糸ピッチノズル１とその周囲にガスの流路を形成
するためのガス流路管２とから基本的に構成され、紡糸
ピッチ３が吐出される際にその周囲に予熱されたガス流
４が平行して流出するようになっている。この例に示す
紡糸装置の場合、紡糸ノズル１の吐出孔の直径が０．５
ｍｍ以下、好ましくは０６２５ｍｍ以下であることが望
ましい。

上述した本発明の方法によれば、紡糸繊維の平均繊維径
が５μｍ以下、さらには２μｍ以下のものを得ることが
できる。

以上のような方法で細化された極細のピッチ繊維はケン
スに捕集され、あるいはそのままベルトコンベア上に捕
集されて不融化、炭化される。

紡糸繊維の不融化の際の温度条件は特に制限されるもの
ではないが、通常、２２０〜３００℃の温度範囲で行う
ことができ、さらに、炭化工程は、７００〜３０００℃
程度の温度範囲において実施され得る。

なお、本発明の方法においては、複数種類の紡糸ピッチ
を複合化させて単繊維として紡糸することもできる。こ
の方法としては、たとえば２種類またはそれ以上のピッ
チを非混合状態で紡糸装置に供給し複合ノズルにより一
緒に溶融紡糸することによりピッチの複合化を行うこと
が可能である。

〔実施例〕

（実施例１） 紡糸用ピッチとして石油の接触分解で副生ずる重質油を
原料として、軟化点が２００℃の光学的等方性ピッチを
調整した。この紡糸ピッチを内径０．２ＩＩＩｒｓのピ
ッチ吐出ノズルの周囲に内径０．　５順のガス吹き出し
口を設けた紡糸装置にチャージし、３５０℃に加熱して
溶融した。この時の溶融ピッチの粘度は１０ポイズであ
った。

このピッチを１００ｍｇ／分の速度で吐出し、ガス吹き
だし口より、３００℃に予熱した空気を１００ｍ／ｓｅ
ｃで吹き出すことで細化し、ピッチ繊維を得た。ついで
このピッチ繊維を空気雰囲気中２６０℃で不融化し、窒
素雰囲気中、１０００℃で炭化した。

得られた炭化繊維の強度は１００ｋｇ／ａ＋ｓｔ、繊維
径は平均が１．１μｍ、最大のものでも４μｍと細いも
のであった。第２図および第３図は、このようにして得
られた炭素繊維の繊維の形状を示す顕微鏡写真である。

（実施例２） 実施例１と同じ原料油から、軟化点２３５℃の光学的異
方性ピッチを調整した。

この紡糸ピッチを実施例１と同じ紡糸装置を用い、３７
０℃に加熱して溶融した。この時の粘度は１０ポイズで
あった。このピッチを５０１１１ｇ／分で吐出し、３５
０℃に予熱した窒素ガスを１００ｍ　／　ｓｅｅで吹き
出してピッチ繊維とし、次いで、２９０℃で不融化、１
０００℃で炭化した。

得られた炭化繊維の繊維系は平均が１．２μｍと細いも
のであった。

（比較例１） 光学的等方性ピッチの加熱温度を３２０℃、溶融粘度を
１００ポイズとしたほかは実施例１と同様に紡糸・焼成
して炭素短繊維を得た。この炭化繊維の繊維径は平均１
５．５μｍと実施例１と比べて著しく太いものであった
。

（比較例２） 実施例２て使用した光学的異方性紡糸ピッチを内径０．
３ＩｌＩ１１のノズルを２００ホール有する紡糸装置に
供給し、３２０℃で各ホールから３０ｍｇ／分で吐出し
、直径３０ｃｍのスプールに巻き取った。

巻き取り速度か増加するにつれて繊維径か細くなったか
、巻き取り速度か３００ｍ／分、を越えるとピッチ繊維
径か１０μｍ以下となり糸切れが頻発し、安定した紡糸
か出来なくなった。また紡糸温度を実施例２と同し３７
０℃にしたところ、ノズル面かピッチで濡れてしまい、
紡糸することか出来なかった。

（比較例３） 実施例１で使用した光学的等方性紡糸ピッチを内径０，
５ｎのノズルを３００ホール有する遠心紡糸装置に供給
し、遠心器の回転数３５０Ｏｒｐｍ。

温度３４０℃で紡糸し、得られた繊維を不融化・炭化し
た。１０００℃の炭化後の繊維の強度は６０ｋｇ／Ｉｎ
ＩＡまた、繊維の平均径は１５μｍと太いものであった
。

さらに、紡糸温度を実施例１と同じ３５０℃にしたとこ
ろ、ピッチかショット状となり、繊維を得る事が出来な
かった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の製造方法において使用し得る紡糸装
置におけるノズル部分の実施例を示す概要図、第２図お
よび第３図は、本発明の実施例で得られた炭素繊維の繊
維の形状を走査型電子顕微鏡で撮影した顕微鏡写真であ
る。 １・・・紡糸ピッチノズル、 ２・・・ガス流路管、 ３・・・紡糸ピッチ。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 ↓ 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光学的等方性ピッチまたは／および光学的異方性ピ
   ッチからなる紡糸原料ピッチを、該紡糸原料ピッチの粘
   度が２０ポイズ以下となる温度条件下で紡糸ノズルから
   吐出するとともに、前記紡糸原料ピッチの粘度が２０ポ
   イズ以下となる温度よりも１００℃低い温度かそれ以上
   の温度に予熱されたガスを、前記紡糸ノズルの周囲から
   前記紡糸原料ピッチの吐出方向と同方向でかつ吐出繊維
   に平行に流出させることによって、前記紡糸原料ピッチ
   を平均繊維径５μｍ以下の極細繊維に紡糸し、次いで得
   られた紡糸繊維を不融化し、さらに炭化することを特徴
   とする、ピッチ系炭素繊維の製造方法。 ２、前記紡糸繊維の平均繊維径が２μｍ以下である、請
   求項１に記載の方法。 ３、前記予熱されたガスの流速が、１００ｍ／ｓｅｃ以
   上である、請求項１に記載の方法。