JPS5851526B2 - 炭素繊維製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炭素繊維の製造方法に関し、特にメソフェーズ
ピッチから炭素繊維を製造する方法に関する。

メソ７エーズピツチから炭素繊維を製造する従来の方法
には次の如き工程が含まれている。

即ち、ピッチを連続的フィラメント又はピッチ繊維に紡
糸すると共に、そのピッチ繊維を低温窒素ガスで冷却し
て紡糸口金の毛細管状出口の縁に蓄積する残留物をでき
るだけ少なくし、紡糸性を改良する。

然る後ピッチ繊維を熱風炉へ移し、そして次にピッチ繊
維を炭化して炭素繊維を得る。

急冷用窒素を用いるのは、紡糸口金面の酸素を除くこと
がピッチの蓄積及びそれによる繊維の切断を防ぐのに必
要であると考えられていたからであると思われる。

更に、文献中にある成る紡糸理論では、急冷用窒素がピ
ッチ繊維の粘度を増大し、それによって繊維を引く間の
繊維切断が最も少なくなり、紡糸操作が改善されること
が示されている。

用いた種々の型のピッチの中で、メソフェーズピッチは
炭素繊維を商業的開発にかげるのに値する優れた性質を
有する炭素繊維を製造するのに適していることが知られ
ている。

メンフェーズから得られた炭素繊維は軽量で強く、堅く
て導電性があり、化学的にも物理的にも不活性であるこ
とが知られている。

メンフェーズから得られた炭素繊維は複合体の補強材と
してよい性能を果し、宇宙船用及び高品質スポーツ用品
に用途が見出されている。

更にメソフェーズピッチから作られた炭素繊維は好まし
い高分子配向を示し、比較的優れた機械的性を有する。

ここで用いる「ピッチ」という用語は当分野で用いられ
ているように理解すべきものであり、一般に室温では固
体であるが比較的広い溶融又は軟化温域を示す主に芳香
族有機化合物の複雑な混合物からなる炭素質残漬を指す
。

ここで用いる用語「メソフェーズ」は当分野で用いられ
ている通りに理解さるべきであり、一般に液晶と同義語
である。

即ち結晶固体と無定形液体との中間であるものの状態を
指す。

普通メンフェーズ状態の材料は異方性と液体の性質の両
方を示す。

ここで用いる用語「メンフェーズ含有ピッチ」とは、約
４０重量％より少ないメソフェーズを含むピッチであり
、非メソフェーズ部分即ち等方性相が連続相となってい
る。

ここで用いる用語「メソフェーズピッチ」は約４０重量
％より多いメソフェーズを含有するピッチであり、従来
法に従って攪拌等により分散させると連続的異方性相を
形成することができる。

ここで用いる用語「延伸比（ｄｒａｗ ｒａｔｉｏ ）
Ｊは紡糸口金の毛細管状出口の断面積を引いたピッチ
繊維の断面積で割ったものである。

次の特許は従来技術の代表的なものであり、参考のため
ここに記載する。

米国特許第４００５１８３号（Ｓ ｉｎｇｅｔ ）米国
特許第３９１９３８７号（Ｓ ｉｎｇｅｒ ）米国特許
第’４０３２４３０号及び第 ３９７６７２９号（Ｌｅｗｉｓその他） 米国特許第３９９５０１４号（Ｌｅｗｉｓ ）英国特許
第２００５２９８号（Ｃｈｗａｓｔｉａｋ）本発明の主
たる目的の一つは、紡糸口金からピッチ繊維を紡糸し、
ピッチ繊維を熱硬化し、然る後ピッチ繊維を炭化して炭
素繊維を生成させる諸工程を含むメンフェーズピッチか
ら炭素繊維を製造する方法において、改良点がピッチ繊
維を熱ガス雰囲気（ｈｏｔ ｇａｓｅｏｕｓ ｅｎｖｉ
ｒｏｎｍｅｎｔ ） 中へ紡糸することからなる炭素
繊維の製造方法にある。

本発明の他の目的は、約り５０℃〜約４００℃の温度範
囲で約ｏ、 ｉ〜約３０ ｆｔ３／時の体積流速でガス
雰囲気を用いることである゛。

本発明の更に別の目的は、ガス雰囲気として窒素又は他
の不活性ガスを用いることである。

熱不活性ガスの使用により約４０単位の延伸速度より大
きな高い延伸比でピッチ繊維の好ましい配向を改善する
ことができる。

本発明の更に他の目的はガス雰囲気として熱酸素ガスを
用いることである。

なぜならそれは全ての延伸比に対して好ましい配向を改
善するのみならず、ピッチ繊維が如何なる物理的器具に
も接触しないうちにそのピッチ繊維を熱硬化するからで
ある。

之によりピッチ繊維は一層取扱い易くなり、ピッチ繊維
が互に付着しないように「サイジング（ｓｉｚｉｎｇ
） Ｊ といわれる方法でピッチ繊維を被覆する必要を
解消している。

サイジングを省略することは操作コストを節約するのみ
ならず、サイジングを与えることに起因して後の処理操
作中で繊維の表面に欠陥が生じてくるのを避けることが
できる。

酸素の代りに空気及びオゾンの如き他の熱酸化性ガスを
用いることができる。

適当な酸性ガスは簡単な実験によって決定することがで
きる。

メソフェーズピッチは少な（とも７０重量％メソフェー
ズを含んでいるのが好ましい。

従来法によれば紡糸操作はピッチ繊維を延伸しながら行
うことができる。

熱酸素を用いる本発明は従来の延伸比を越える延伸範囲
を可能にし、然も良好な品質の炭素繊維を与える。

従来技術から、延伸は繊維内の好ましい配向を一層よく
し、非小径の繊維を製造することができるようにするこ
とはよく知られている。

本発明による炭素繊維は約５〜約１４７ミクロンの範囲
の径を有する。

熱硬化量は一つには供給される酸素ガスの温度、ピッチ
繊維が熱硬化される時間の長さ及びガスの酸化性の程度
に依存する。

約２ミクロン迄の熱硬化層が得られるが、ピッチ繊維の
もつと低い熱硬化度でも抗張力及び引張りモジュラスの
如き機械曲性質を改善し、繊維の取り扱い性を改良する
のに充分である。

ガス雰囲気を確立する酸化性ガスは少なくとも約１５０
℃で約４００℃以下の温度を有するのが好ましい。

最も低い適当な温度は用いられるピッチの融点に依存し
、融点が高くなる程必要な最低温度は高くなる。

最高温度は、成る温度より高いとピッチ繊維が弱くなり
、切れる結果になる傾向があることを示す試験に基いて
いる。

酸素或は空気をこの温度範囲で用いるのが好ましく、酸
素を用いるのが一層好ましい。

本発明の性質及び目的を完全に理解していただくために
、本発明を実施するための装置の概略的断面図を示す付
図に関連して述べる次の詳細な記述を参照されたい。

本発明を実施する際、いくつかの具体例を本明細書中で
述べるために選び、付図に示した具体例を参考にする。

付図は本発明を実施するための簡単にした装置を示して
いる。

基本的には装置は単繊維紡糸装置で、急冷用窒素ではな
く熱ガス供給系を含むように変えである。

押し出し器１は液体メソフェーズピッチ２を貯槽３へ押
し込む。

メソフェーズピッチ２は約３２５℃のメトラー（Ｍｅｔ
ｔｌｅｒ ）軟化点をもち、約７７重量％のメソフェー
ズを含んでいた。

貯槽３は従来法に従い約３３９℃の温度に維持した。

メソフェーズピッチ２は貯槽３から毛細管ダイス４を通
って移動する。

そのダイスも約３３９℃の温度に維持されていた。

毛細管ダイス４中の毛細管状開口から押し出し物が押し
出され、それがピッチ繊維５となる。

毛細管状開口の径は約０．０２０インチである。

ピッチ繊維５は熱硬化炉６中で熱硬化されるが、その炉
は約り５０℃〜約４００℃の範囲で選択されたどのよう
な温度に対しても±Ｉ ’Ｃ内に維持することができた
。

酸化性ガスは酸素である。

予熱器１は酸素の温度を約３５８℃へ上昇させるのに用
いられている。

酸化性ガスは予熱する必要はないが、酸素及び空気の如
き予熱酸化性ガスは一層短い時間で一層高い熱硬化度を
生ずることが見出されている。

酸素は予熱器７へ入口８から供給する。

加熱された酸素は出口１０から出、その出口は導管１１
によって熱硬化炉６へ結合されている。

熱硬化炉６には加熱された酸素をピッチ繊維５０周りに
分布するための内部分布機構が含まれている。

ピッチ繊維５への酸素供給速度は約３〜約１５ ｆｔ’
／時の間で変えることができる。

ピッチ繊維は延伸装置１２から生ずる引張により引張り
力にかげながら熱硬化させる。

引張り装置１２の速度は約５８〜約１４７ミクロンの範
囲の径をもつピッチ繊維を生ずるように変える。

約５ミクロンの径のピッチ繊維を生成させるため別の試
験を行なった。

熱硬化炉６は約１０インチの長さで、熱硬化を行わせる
ための典型的な帯留時間は次の通りであった。

約５７ミクロンのピッチ繊維の場合には延伸装置１２の
引張り速度は約２６３ｃｍ／秒であり、熱硬化の滞留時
間は約０．０１秒であった。

熱硬化炉６中のピッチ繊維の部分の平均速度はその引張
り速度よりはるかに小さい。

延伸したピッチ繊維を次に従来のやり方に従い約１７０
０℃で不活性雰囲気中で炭化した。

本発明によりつくられたピッチ繊維と、従来の方法（複
数）に従ってつくったピッチ繊維について好ましい配向
の量を比較する試験を行なった。

ピッチ繊維の好ましい配向の量は、ピッチ繊維をＸ線に
かげてＸ線回折図形を求めて決定された。

繊維軸に平行なピッチ分子の好ましい配向度が高いこと
は、回折図形の（００２）帯を構成する短い弧の存在か
ら明らかである。

Ｘ−線フイルムの（００２）帯を微小濃度計で走査する
と、好ましい配向角を示し、それは方位角強度分布の半
値幅（ＦＷＨＭ）によって表わして、約２３°の理論的
限界から約６５°の典型的商業的上限までの範囲にある
。

角が小さい程、好ましい配向は一層よくなる。

熱酸素ガスの代りに次のガスを用いて追加実験を行なっ
た２３１７℃の熱窒素、室温の空気及び従来法による急
冷用窒素。

表１は上記試験に従ってつくられたピッチ繊維を互に比
較できるように示したものである。

表１から延伸比を増大すると、ＦＷＨＭが増大すること
によって示されるように急冷用窒素と周囲の空気につい
ては好ましい配向を減することが分る。

急冷用窒素は従来法の一部として使用されている。

本発明により作られたピッチ繊維は高い延伸比に対して
優れた好ましい配向を示す。

径が０．０１３インチ及び０．００４インチの毛細管を
用いて更にピッチ繊維をつ（つた。

熱酸素の存在により毛細管の閉塞はなく、良好な品質の
ピッチ繊維が得られることが分った。

０．０１３インチ径の毛細管の場合の延伸比は１４７０
であり、紡糸操作に伴う異常な問題はなかった。

０．００４インチ径の毛細管からの押し出し物は約１０
０の延伸比にかげた。

本発明は、図に示し且つ上で記述した正確な細部及び当
業者に思い当る他の修正に限定されるものではないこと
を理解していただきたい。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明を実施するための装置の概略的断面図であ
る。 １：押し出し器、２：メソフェーズピッチ、４：ダイス
、５：ピッチ繊維、６ｚ熱硬化炉、８ｚ酸酸素口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 紡糸口金でピッチ繊維を紡糸し、ピッチ繊維を熱硬
   化させ、然る後ピッチ繊維を炭化して炭素繊維を生成さ
   せる諸工程を含むメソフェーズから炭素繊維を製造する
   方法において、ピッチ繊維を熱ガス雰囲気中に紡糸する
   ことを特徴とする、改良炭素繊維製造方法。 ２ 熱ガス雰囲気が約り５０℃〜約４００℃の温度にあ
   る前記第１項に記載の方法。 ３ 熱ガス雰囲気が不活性ガスである前記第２項に記載
   の方法。 ４ ガスが窒素である前記第３項に記載の方法。 ５ 熱ガス雰囲気が酸化性ガスである前記第２項に記載
   の方法。 ６ ガスが酸素又は空気である前記第５項に記載の方法
   。 Ｔ 紡糸が約１２：１〜約１４７０：１の範囲の延伸比
   を有する前記第１項に記載の方法。 ８ ピッチ繊維が少なくとも７０重量％のメソフェーズ
   含有量を有するメソフェーズピッチから製造される前記
   第１項に記載の方法。 ９ ガスが約０．１〜約３０ ｆｔ３／時の速度で供給
   される前記第１項に記載の方法。 １０ ガスを周囲へ導入する前にそのガスを予熱する
   前記第１項に記載の方法。 １１ 熱ガス雰囲気をピッチ繊維上に熱硬化外側層を
   生じさせることができるように選択する前記第１項に記
   載の方法。