JPS6039764B2 - 炭素繊維の製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炭素繊維の製造法に関するものである。

炭素繊維は高温炉の断熱材、発熱体、電極、電極板、電
子管のグリッドなどの電機機材、角打パッキン、シート
ガスケット、積層品、複合材料など広い分野に用いられ
るようになった。

従来、炭素繊維の製造法はその出発原料の炭素繊維の銘
柄および各銘柄についての処理法の組み合わせにより、
多くの方法が探られているが、基本的には原繊維を比較
的低温度で耐炎化処理（不融化処理）を行ない、つぎに
これを不活性気流中で１４００００付近まで昇温加熱し
て炭素化し、さらに要すれば３０００ｏｏまでの高温度
で黒鉛化を行なっている。

しかし、従来法の炭化熱処理工程は原紙縦を空気中で耐
炎化して得られる有機高分子前駆体を不活性雰囲気中で
高温度に達するまで加熱しながら炭化熱処理を行うため
、前記高分子前駆体が熱分解して発生する非樋性有機物
が炭素繊維の表面に汝着し、炭素繊維表面が不活性化と
なり、その結果この炭素繊維を強化材としてェポキシ系
、ポリエステル系、ポＩＪィミド系等の樹脂をマトリッ
クとして複合材を製作した場合炭素繊維と樹脂との接着
性（ぬれ性）が悪く、その後合材の機械的特性は不十分
であった。

このため不活性雰囲気中で炭化熱処理工程を経て製造し
た炭素繊維を樹脂の強化材として使用するには、この炭
素繊維にさらに特殊な表面処理を行なうなど複雑な工程
を施さなくてはならない。このため炭素繊維自体の強度
が劣下し易く、この炭素繊維を用いての複合材はコスト
高になり強度も劣化する等の欠点がある。

また、従来法の炭素繊維は高分子前駆体を不活性雰囲気
中で長時間高温度に保つので、生産能率が低く、原価高
となる欠点を有している。

本発明者らは活性表面に富み、かつ強度が大である炭素
繊維を炭イ０反率が大で熱効率よく製造する方法を求め
て研究した結果、炭素繊維を製造するさし・の中間生成
物の高分子前駆体を炭素化および黒鉛化するための熱処
理はきわめて短時間で完結し得ること、炭素化、黒鉛化
するための熱処理が短時間に完結すれば、そのさし、の
炭化収率は雰囲気による影響がきわめて小さいこと、し
たがって短時間の炭化熱処理であれば活性雰囲気でも炭
化収率を高くして実施し得ること、またこのさし、得ら
れる炭素繊維は表面積が大となるなど活性に富み、樹脂
との接着性（ぬれ性）が良好となり両者から得られる複
合材の特性が改善されるとの知見を得て本発明を完成す
るにいたった。

すなわち本発明の炭素繊維の製造方法の要旨は原繊維を
耐炎化処理して得られる高分子前駆体を空気、二酸化炭
素、水蒸気、酸化窒素の一種以上又はこれらとハロゲン
との混合物の雰囲気中で５００００以上で５秒〜１分間
第一次熱処理し、ついで得られた第一次熱処理品を空気
、二酸化炭素、水蒸気、酸化窒素の一種以上又はこれら
とハロゲンとの混合物の雰囲気で第二次熱処理すること
を特徴とするものである。

原繊維にはポリアクリルニトリル系繊維Ｌ レ−ョン系
繊維、ピッチ系繊維、リグニンーポバール系繊維などが
用いられ、慣用法によりこれを空気中で１００〜３００
ｑｏの低温度で耐炎化処理して高分子前駆体を得る。

炭素化、黒鉛化の処理時間は雰囲気、高分子前駆体の組
成および形状、処理温度（５００ｑＣ以上）により場に
応じて定められるが通常５秒〜１分での短時間で一工程
として行なうことにより目的が達成される。

さらにこの炭素化処理は二段階、例えば５００〜９００
００での第二次炭素化工程、ついでそれ以上の温度での
第二次炭素化工程に分けて行なうことができる。このさ
し、第二次炭素化処理時間は第一次炭素化処理時間より
短かいことが好ましく、これにより良好な炭素繊維が得
られる。本発明によれば活性表面に富み、かつ強度が大
である炭素繊維を炭化収率がよく、熱効率よく製造でき
、得られる炭素繊維は、表面活性に富むもので樹脂との
接着性（ぬれ性）がよく、この炭素繊維を強化材とした
樹脂の複合体は強度が大である。つぎに本発明を実施例
によって説明するが本発明はこれらによって限定される
ものではない。

実施例 １ポリアクリルニトリルを主成分とする単糸デ
ニール１．５デニール、フィラメント数６０００の織機
を空気中２００〜２７ｏ０で３時間耐炎化処理し、得ら
れた高分子前駆体を炭酸ガス雰囲気中９００℃で１５秒
間処理し、ついで空気と塩素ガスとの混合ガス（空気：
塩素のモル比１：１．５）中で１４００午０で６秒間熱
処理して炭素繊維を得た。

この炭素繊維の引張強度は２８０ｋｇ／の、弾性率は２
３ｏｎ／柵、その表面積はペット法（窒素ガスによる）
による測定の結果２．０〆／夕であった。

この炭素繊維をェポキシ樹脂をマトリックスとして厚さ
２５側、長さ６仇肌、中２比吻の複合体を製造した。そ
のさし、の炭素繊維と樹脂とのぬれ性はきわめてよく得
られた複合体は繊維容積含有率が６０％であり、ショー
トビーム法（ＡＳＴＭ２３４４）によってその鱗断力を
求め得られた結果を第一表に示す。比較例 １ 実施例１によって得た高分子前駆体を窒素ガス雰囲気で
９００００で１９段、間熱処理し、さらに窒素ガスの雰
囲気中で１４００ｏ０６秒間処理した。

得られた炭素繊維の引張強度は２８０ｋ９／松、弾性率
は２３ｂｎ／柵、表面積は０．３の／夕であった。この
炭素繊維を実施例１に準じて複合体を製造し、複合体の
特性を求めてその結果を第１表に示す。なお複合体の繊
維容積含有率は６０％であり、複合体を製造するさし、
、炭素繊維とェポキシ樹脂とのぬれ性は実施例１の場合
に比し明らかに劣っていることが認められた。表 １ ※ 窒素ガスを用いてペット法によって測定※※ シ
ョートビーム法 ＡＳＴＭ２３４４以上のことから、実
施例１の炭素繊維は比較例１の炭素繊維と比較して引張
強度、弾性率においてはほぼ同じであるが表面積は、は
るかに大きく、樹脂とのぬれ性は一段とよく樹脂との複
合体の鱗断力も大きいことが認められた。

実施例 ２ 単糸デニール１．３デニール、フィラメント数１０００
０本のポリアクリルニトリル系繊維を空気中で２４００
０で５時間耐炎化処理して高分子前駆体を得た。

この高分子前駆体を過熱水蒸気の雰囲気で５００００に
おいて２硯砂、間処理し、さらに同じ雰囲気で１４００
００で６秒間処理して炭素繊維を得た。この炭素繊維を
実施例１に準じてェポキシ樹脂をマトリックスとして厚
さ２．５肌、長さ６仇肋、中２仇肋の複合体を得た。得
られた炭素繊維およびその複合体の諸特性は実施例１に
準じて求め、得られた結果を表２表に示す。

なおその複合体の繊維容積含有率は６０％であり、樹脂
の硬化サイクルは８００○で２時間、１５０℃で４時間
行なった。比較例 ２ 実施例２で得た高分子前駆体をアルゴン雰囲囲気で５０
０００において２現砂間処理し、ついで１４００００で
６秒間処理して炭素繊維を得た。

この炭素繊維を実施例２に準じてェポキシ樹脂をマトリ
ックスとして厚さ２．５脚、長さ６比舷、中２０脚の複
合体を得た。得られた炭素繊維およびその複合体の諸特
性を実施例２に準じて求め、得られた結果を第２表に示
す。

なお複合体の繊維含有率は６０％であった。比較例 ３
比較例２で得た炭素繊維をさらに空気中で６００℃で１
時間表面処理を行ない、この炭素繊維を実施例２に準じ
てェポキシ樹脂をマトリックスとして複合体を得た。

得られた炭素繊維およびその複合体の諸特性を実施例２
に準じて求め、得られた結果を第２表に示す。第２表 第２表から明らかなように実施例２の炭素繊維は比較例
の炭素繊維と比して表面処理前は引張強度および弾性率
において同じであるが炭素繊維と樹脂とで複合体を製造
した場合本発明の方法では樹脂とのぬれ性がよく得られ
た複合体は魂断力などの諸特性がすぐれていることが認
められた。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 原繊維を耐炎化処理して得られる高分子前駆体を空
   気、二酸化炭素、水蒸気、酸化窒素の１種以上又はこれ
   らとハロゲンとの混合物の雰囲気中で５００℃以上で５
   秒〜１分間第一次熱処理し、ついで得られた第一次熱処
   理と同じ雰囲気又は別個の空気、二酸化炭素、水蒸気、
   酸化窒素の一種以上又はそれらとハロゲンとの混合物の
   雰囲気で第一次熱処理温度以上で第一次熱処理時間より
   も短時間で第二次熱処理することを特徴とする炭素繊維
   の製造法。