JPH11124742A - 炭素繊維の製造法 - Google Patents

炭素繊維の製造法

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JPH11124742A JP29295197A JP29295197A JPH11124742A JP H11124742 A JPH11124742 A JP H11124742A JP 29295197 A JP29295197 A JP 29295197A JP 29295197 A JP29295197 A JP 29295197A JP H11124742 A JPH11124742 A JP H11124742A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】強度、弾性率ともに優れた高性能炭素繊維の工
業的に有利な製造法を提供する。 【解決手段】アクリル系重合体溶媒溶液に、変性された
ピッチを0.1〜30重量%溶解混合し、紡糸・焼成す
る炭素繊維の製造法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は強度と弾性率ともに優れ
た高性能炭素繊維製造法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から炭素繊維はその優れた比強度・
比弾性率から、宇宙航空・スポーツ、レジャー産業等の
幅広い分野において、各種複合材の強化材として工業的
に利用されている。現在、工業的規模で生産されている
炭素繊維は、ポリアクリロニトリル主成分の合成繊維を
原料とするPAN系炭素繊維と、石油・石炭・合成ピッ
チ等を原料とするピッチ系炭素繊維に大きく2種類分け
られる。
【0003】PAN系炭素繊維は主に高強度・高伸度に
優れるが、原料に由来し難黒鉛化性であることから、弾
性率が低いという欠点がある。弾性率向上を図るには2
000℃を越す高温での焼成が有効であるが、同時に強
度の低下を招く。また高温焼成による炉の低寿命化な
ど、コストアップにつながる要因が増え、工業的規模で
は不利になる。
【0004】ピッチ系炭素繊維に関しては大きく分けて
等方性ピッチ由来のものと、異方性ピッチ由来のものが
あるが、高性能を発現するには一般的には異方性ピッチ
が用いられる。異方性ピッチ原料からの炭素繊維は、そ
の原料の易黒鉛化の性質から高弾性・高強度に優れるが
伸度が低く、工業的には炭素繊維の生産性や複合化の際
のハンドリング性に劣るという欠点がある。
【0005】これらのことからPAN系炭素繊維とピッ
チ系炭素繊維の両者の欠点を補うため、両者の複合化の
検討が種々なされている。例えばアクリル系重合体にピ
ッチを混合し紡糸・焼成する炭素繊維製造法(特開平2
−47311号)が提案されている。しかし、この方法
は基本的には単なる混合であるため、混合ピッチを非常
に微細に粉砕しておく必要があるなど、工業的規模での
利用には不利である。さらに混合するピッチが軟化点を
有するため、炭素繊維製造工程中の耐炎化時にピッチの
不融化を同時に最適に行わなければピッチが軟化溶融す
る恐れがあるなどの工程の複雑化につながり、炭素繊維
製造のコストアップの原因となりかねない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の如き高性能炭素繊維製造の現状に鑑み、強度、弾性率
ともに優れた炭素繊維の工業的に有利な製造法を提供す
ることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記の如き
課題を有する炭素繊維製造法について鋭意検討した結
果、ポリアクリロニトリル系炭素繊維を製造するに際し
て、アクリル系重合体溶媒溶液に、変性されたピッチを
0.1〜30重量%溶解混合し、それを紡糸・焼成する
ことによって、従来の製造工程をほとんど変更すること
なく、強度を保持しつつ、弾性率を向上させることがで
きることを見出し、本発明に到達した。すなわち本発明
は、アクリル系重合体溶媒溶液に、変性されたピッチを
0.1〜30重量%溶解混合し、紡糸・焼成することを
特徴とする炭素繊維の製造法である。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明において用いられるアクリ
ロニトリル系重合体は特に限定されるものではないが、
炭素繊維の機械的物性を考慮すると、少なくとも90モ
ル%以上のアクリロニトリルと、10モル%以下のアク
リロニトリルと共重合可能なビニル系モノマー、例えば
アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸等の不飽和カル
ボン酸及びその塩類、アクリル酸メチル、アクリル酸ブ
チル、アクリルアミドや、アリルスルホン酸及びそれの
塩類などをからなるアクリロニトリル系重合体が挙げら
れる。
【0009】アクリロニトリルとビニル系モノマーの重
合方法は特に限定されるものではなく、従来公知の方法
である、溶液、懸濁、乳化重合を適用することができ
る。これらのアクリロニトリル系重合体は紡糸するため
に、一般的なポリアクリロニトリル系重合物の紡糸原液
に使用される溶媒である、ジメチルスルホキシド(DM
SO)、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトア
ミド等の極性有機溶媒の溶液にして用いられる。
【0010】本発明で用いられる変性ピッチの原料は、
石炭、石油、合成系のいずれのピッチも用いることがで
きる。このようなピッチは偏光顕微鏡下の光学組織で、
等方性、異方性は問わないが、本発明の目的である高性
能炭素繊維の製造には異方性が好ましく用いられる。
【0011】本発明で用いられるピッチ、特に異方性ピ
ッチでは原料ピッチのDMSO等の極性有機溶媒に対す
る溶解性が低く、かつ軟化点を有するため、極性溶媒に
対して溶解を有し、かつ軟化点・融点等を持たず、窒素
等不活性雰囲気中でも加熱により変形することなく炭素
化できるように変性する必要がある。変性は例えば硫酸
や酢酸等の酸水溶液中に細かく粉砕された原料ピッチを
分散し、50℃付近の温度条件で過酸化水素などの酸化
剤を添加し反応させることで達成され、該反応後、濾過
・水洗・乾燥により変性されたピッチが得られる。十分
に変性されたピッチはDMSO等の極性有機溶媒に容易
に溶解する。また、熱に対し不融でさらなる加熱にも形
態を維持しながら炭素化していき、原料ピッチが光学的
異方性である場合は処理ピッチも異方性組織を保持して
いる。
【0012】アクリル系重合物と変性されたピッチとの
混合には、特別な操作は必要ない。溶液重合より紡糸原
液が得られる場合、従来の手順でアクリロニトリルと共
重合成分の重合を行い、これに変性されたピッチを添加
し、室温で溶解混合する。懸濁、乳化重合のように得ら
れた重合物をあらためて有機溶媒に溶解し紡糸原液とす
る場合は、その有機溶媒に変性されたピッチを溶解して
からポリマーを溶解しても良いし、その逆でもよい。
【0013】アクリル系重合物と変性されたピッチとの
混合割合は、0.1〜30重量%、好ましくは2〜15
重量%である。0.1重量%未満ではその添加効果が明
確でなくなり、30重量%以上では紡糸工程での延伸が
困難になり、糸切れなども発生する。
【0014】本発明における紡糸方法は、アクリル系炭
素繊維の製造に利用される従来公知の方法を適用するこ
とができ、その後の延伸や乾燥緻密化により炭素繊維プ
レカーサーを得ることができる。得られたプレカーサー
の耐炎化、焼成は、溶解したピッチが熱に対して変形せ
ず炭素化することから、従来の条件をそのまま適用する
ことができる。
【0015】
【実施例】次に実施例により本発明を具体的に説明す
る。ただし本発明はこれらの実施例により制限されるも
のではない。
【0016】実施例1 アクリロニトリル95モル%、メチルアクリレート4.
5モル%、イタコン酸0.5モル%のモノマー組成物
を、重合後の重合物濃度が20%付近になるようにジメ
チルスルホキシド中に仕込み、アゾビスイスブチルニト
リル(AIBN)を開始剤、ドデシルメルカプタンを連
鎖移動剤に用い65℃で溶液重合を行い、アクリル系重
合体を得た。一方、変性ピッチ調製用の原料ピッチには
ナフタレンからHF/BF3 触媒を用いて重合して得ら
れたメソフェーズ100%の合成ピッチを用いた。この
原料ピッチをコーヒーミルで粉砕し、50℃に加熱され
た硫酸水溶液中に攪拌下分散した。これに過酸化水素を
少しずつ添加し反応を開始した。ビッチに対して5倍量
の過酸化水素の全量を添加した後、一晩の反応を行い、
反応終了後ガラスフィルターにより濾過し、イオン交換
水で濾液が酸性を示さなくなるまで水洗を行った後、減
圧乾燥して変性ピッチを得た。得られた変性ピッチは室
温でジメチルスルホキシドやジメチルホルムアミドに容
易に溶解することを確認できた。また粉末状態の変性ピ
ッチを窒素雰囲気下、環状炉を用い1000℃まで焼成
を行ったが、焼成後の粒子の融着や変形が見られず炭素
化することが確認できた。この焼成粉を樹脂埋めし研磨
した後、光学組織観察を行ったが、原料と同様メソフェ
ーズ100%であることが観察された。このようにして
調製した変性ピッチを、重合物に対し10%添加し撹拌
下溶解混合行った。溶解確認後、減圧脱泡を行いこれを
紡糸原液とした。この紡糸原液をDMSO65%よりな
る水系凝固浴中に、0.08mmφ・100Hの紡糸口
金を通し吐出した後、熱水中で3倍に延伸し、続いて1
35℃のグリセリン浴中で2倍に延伸した。その後十分
水洗し、緊張下150℃の乾燥・180℃の熱処理を行
い炭素繊維プレカーサーとした。この炭素繊維プレカー
サーを緊張下220℃で30分そして250℃で30分
の熱処理を空気中で行い耐炎化糸とした。この耐炎化糸
を緊張下、高純度窒素中毎分10℃で1000℃まで昇
温し炭素繊維を得た。得られた炭素繊維の性能は、引張
強度189kg/mm2 、弾性率18t/mm2 であっ
た。
【0017】比較例1 実施例1において、変性ピッチを混合しないでポリアク
リロニトリル系のみよりなる炭素繊維を同様に製造し
た。得られた炭素繊維の性能は、引張強度180kg/
mm2 、弾性率14t/mm2 であった。
【0018】実施例2 実施例1と同組成のモノマーより、懸濁重合にてポリア
クリロニトリル系共重合体を合成した。DMSO溶媒に
後で溶解する懸濁重合物に対し、10%の変性されたピ
ッチを添加溶解した。この変性ピッチのDMSO溶液を
50℃に保温し、これに重合物濃度が20%付近になる
ように重合物を少しずつ溶解し、全量溶解後減圧脱泡を
行い紡糸原液を調製した。この紡糸原液を実施例1と同
様に紡糸し、炭素繊維の調製を行った。得られた炭素繊
維の性能は、引張強度205kg/mm2 、弾性率20
t/mm2 であった。
【0019】比較例2 実施例2において、変性ピッチを混合しないでポリアク
リロニトリル系のみよりなる炭素繊維を同様に製造し
た。得られた炭素繊維の性能は、引張強度191kg/
mm2 、弾性率16t/mm2 であった。
【0020】
【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように、本
発明の炭素繊維の製造方法では、従来のポリアクリロニ
トリル系炭素繊維用の重合物の重合方法、及び炭素繊維
調製方法を何ら変更することなく採用することができ、
ポリアクリロニトリル系炭素繊維の強度を下げることな
く弾性率を向上させることができる。従って本発明によ
り強度と弾性率ともに優れた高性能炭素繊維を工業的に
有利に製造することができ、本発明の工業的意義は大き
い。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アクリル系重合体溶媒溶液に、変性された
    ピッチを0.1〜30重量%溶解混合し、紡糸・焼成す
    ることを特徴とする炭素繊維の製造法。
  2. 【請求項2】変性されたピッチが、ジメチルスルホキシ
    ド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミド
    から選ばれた一種以上の極性有機溶媒に容易に溶解する
    ものである請求項1記載の炭素繊維製造法。
  3. 【請求項3】変性されたピッチが、異方性組織を有し、
    不活性雰囲気中で加熱により変形することなく炭素化す
    るものである請求項1記載の炭素繊維製造法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100759102B1 (ko) 2006-05-29 2007-09-19 주식회사 나노테크닉스 전기방사법에 의한 폴리아크릴로나이트닐과 피치의 2성분계탄소 나노섬유 및 활성탄소 나노섬유 제조방법
JP2012507638A (ja) * 2008-11-06 2012-03-29 インダストリー ファウンデーション オブ チョンナム ナショナル ユニバーシティ スキン−コア構造を有する炭素ナノ繊維、その製造方法、および前記炭素ナノ繊維を含む製品
US8865106B2 (en) 2011-12-26 2014-10-21 Industrial Technology Research Institute Composite raw material, carbon fiber material and method for forming the same
CN114687011A (zh) * 2022-05-06 2022-07-01 广州碳加科技有限公司 一种低成本碳纤维原丝的制备方法

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