JPS6088128A - 高強度・高弾性炭素繊維の製造法 - 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】 〔技術分野〕 不発明は、高強度かつ高弾性である炭素繊維の製造法に
関する。

〔背景技術〕

近年、炭素繊維複合材料は、スポーツ用途、宇宙航空用
途、工業用途等に巾広く応用されつつあり、その量的拡
大はめざましい。このような状況に対応して、使用され
る炭素繊維の性能も飛躍的に向上しつつある。

弾性率に着目すれば、１０年前にはｚｏｔｏｎ贋前後で
あったものが、数年前には２３〜２４ｔＯｎ／譚２が標
準となりさらに最近では５０ｔＯＩＩＩ／ｌ１１２前後
のものが指向でれつつあり、今後はこれが主流となる可
能性も指摘されている。

しかしながら、このような弾性率の向上が、もしも炭素
繊維の強度を一定にしたままで達成されるならば、これ
は当然のことながら炭素繊維の伸度の低下ｔもたらすこ
ととなり、炭素繊維複合材料全脆弱なものとし、複合材
料の信頼性を低下させることとなる。

したがって高弾性かつ高伸度の炭素繊維、いいかえれば
高伸度であると同時１ｃｉｌ［ｉ強度である炭素繊維が
強く必要とされる現状ｒｃある。

従来の弾性率の向上の方法は炭素化温度すなわち最終熱
処理温度全上昇させることでめった。

しかしながら、この方法では弾性率の向上と共に強度は
低下し、したがって炭素繊維の伸度が低下するという欠
点があった。第１図はかかる事情を説明する炭素化温度
と得られる炭素繊維の物性との関係を示す相関図でおる
。第１図によれば、炭素化温度の上昇にともない、弾性
率は曲線■のごとく上昇するが、強度ならびに炭素繊維
の密度は、■、■のごとく低下する。

例えば２８　ｔｏｎ７’−の弾性率を保とうとすれば炭
素化温度は約１８００℃が必要でめるが、この温度では
１５００℃に比較して強度は１００ゆ／關２以上低下し
、高強度はとうてい達成できない。炭素化温度の上昇に
ともなうこのような強度の低下は、密度の低下と艮く対
応しており、炭素化温度上昇の過程で強度の低下をもた
らすミクロな空孔が繊維中に発生するためであると推定
される。

〔発明の目的〕

炭素化温度を上昇させて高弾性繊維全得るという従来技
術では、高弾性と高強度上同時に満足する炭素繊維を得
ることは困難でめり、このような目標に対しては新規な
焼成技術の確立が必要となる。

この目標に対して鋭意検討の結果、不発明者等は新規焼
成方法を見出し、本発明を完敗するに至った。

〔発明の構成〕

本発明の要旨とするところは、単繊維デニールが０１〜
１．１デニールのアクリル繊維を用い、繊維の密度力１
．２２　ｆ１０＋＋”　ｖｃ上昇ｊる’ＥＴ［３チ以上
、さらに１．２２１１７ｃｍ３以後におＺ”［１％以上
の伸長音訓えて耐炎化処理を光了し、ついで不活性雰囲
気中３００〜８００℃の温度で５％以上の伸長を加え、
さらに不活性雰囲気中１５００〜１６００℃の温度で緊
張下に処理を行って、繊維直径が１〜６μ、ストランド
強度が４６０跋／ｍ”以上、ストランド弾性率が２８ｔ
　７ｗｍ”以上、密度が１．７６　ｔ／ｃａｒ”以上の
炭素繊維の製造方法を提供することにある。

以下に本発明について、さらに詳細に説明する。

本発明におけるアクリル繊維とは、アクリロニトリル（
ＡＮ）′ｔ−８５ｗｔ％以上含有する単独重合体または
共１合体より得られる繊維である。

共重合成分としては、ＡＮと共１合し得るすべての単量
体を意味し、その代表例全列挙すれば、ビニルエステル
類、アクリル酸エステル類、メタクリル酸エステル類、
アクリル酸類、メタクリル酸類、イタコン酸類等である
。

このような単独または共重合体を得る方法としては、均
一溶液重合、水溶液におけるレドックス重合、不均一系
における懸濁重合乳化重合等を用いることができる。

本発明におけるアクリル繊維は１．１デニール以下、好
ましくは１．０デニール以下の繊度ヲ有することが不可
欠である。

不発明者等は、このような細繊度のアクリル繊維を用い
ることにより、初めて本発明の特注ｔ！する炭素繊維が
得られることを見出した。

細繊度のアクリル繊維を焼成して炭素繊維を得ることは
、例えば特開昭４９−９４９２４号公報や特開昭５７−
４２９３４号公報等によって公知である。しかしながら
、このような公知文献には、本発明の特性を有する炭素
繊維ならびにその製造法を示唆する記載は全く認められ
ない。

これは、このような細繊度のアクリル繊維を用いても、
焼成条件が不遍幽であれば、不発明の特性を有する炭素
繊維が得られないことを示しており、本発明はかかる細
デニールのアクリル繊維と本発明の焼成条件との結合に
よって初めて達成されるものであることを証明するもの
である。

本発明における細繊度のアクリル繊維は、湿式紡糸、乾
式紡糸等の通常のアクリル繊維の紡糸万式會利用するこ
とによって製造される。例えば通常の湿式紡糸にお−で
は紡糸、延伸、水洗、乾燥緻密化の後で、必要に応じて
乾熱延伸。

スチーム延伸等の２次延伸を施す。１だ該アクリル繊維
は不純物、内部ボイド、クレーズやクラック等の表面欠
陥を含まないことが好ましい。

このようにして得られたアクリル繊維は、本発明の焼成
方法に従って耐炎化、第１次炭素化。

および第２次炭素化処理が施される。

耐炎化処理は通常は空気の如き酸素−窒素の混合雰囲気
中で行われるか一酸化窒素や亜硫酸ガス金使用しても艮
い。耐炎化処理時の温度は２００〜３５０Ｃの範囲が適
当である。

本発明の耐炎化処理に際しては、耐炎化処理過程におけ
る繊維の密度が１．２２　ｔｅｒｍ３Ｉ／ｃ到達するま
でに３チ以上、好ましくは１０％以上の伸長を与えた後
に、さらＶＣ１，２２ｔ／ｃｒｎ”以降の密度域におい
て１％以上の伸長を加えて耐炎化処理を完了することが
必要である。

耐炎化過程において、このような伸長を加えることによ
り繊維の微細構造に乱れｔ−”ｆつたく生じることなく
耐炎化は完了され、不発明の炭素繊維を得ることが可能
となる。

繊維にこのような伸長挙動會与える方法としては、例え
ば繊維を多数個の回転ロールと接触させると共に、回転
ロールの速度を所定の伸長プロファイルとなるように設
定することにより達成できる。耐炎化処理が施された繊
維は、次いて窒素ガス、アルゴンガス等の不活性雰囲気
中３００〜８００℃の温度範囲において、第１次炭素化
処理を行うにあた４１１１３％以上、好ましくは５チ以
上の伸長がさらに加えられる。この処理において伸長率
が３％未満であれば、所定の弾性率ならびに強度會得る
ことが困難となる。

また、温度が３００℃未満ならびに８００℃會越える場
合は処理効果が見出せない。処理は通常数十秒から数分
間性われる。

第１次炭素化処理に引き続き、第２炭素化処理すなわち
最終熱処理が不活性雰囲気中１３００〜１６００℃の温
度範囲で緊張下に数十秒〜数分間行われる。この熱処理
において、処理過程における最高温度が１５００℃未満
であれば、所定の弾性率を得ることができない。−万、
最高温度が１６００℃を越えると強度ならびに密度が低
下し所定の値以下となる。

また、熱処理時における温度グロファイルは、１０００
℃前後よりなだらかに上昇して最高温度に到達するよう
に設定されることが好ましい。

また、熱処理時において繊維に与えられる張力は２５０
ダ／デニ一ル以上、好ましくは３５０岬／デニ一ル以上
である必要がある。張力がこの値より低い場合は所定の
弾性率を得ることは困難となる。

以下、実施例により不発明を具体的に説明する。

ストランド強度、ストランド弾性率はＪ工５Ｒ７６０１
の方法により測定した。密度は密度勾配管法により測定
した。

炭素繊維の直径はレーザー法により測定した。

アクリル繊維の配向度Ｈに２０＝１７°（Ｏｕ−にα線
使用）の反射における方位角方向の散乱強度分布の牛価
巾Ｈｄ　（ｄθＶ〕より次式によりめる。

８０ 実施例１ アクリロニトリル９８　ｗｔ％、アクリル酸メチル１　
ｗｔ％、メタクリルｊｌ１１ｗｔ％の組成を有する比粘
度〔ηｓｐ〕＝　１２０の１合体管ジメチルホルムアイ
ドｔ−Ｓ媒として湿式紡糸を行い、引き続き湯浴上５倍
に延伸し、水洗後乾燥して更に乾熱１７０℃で１．３倍
に延伸してα８デニールの繊度ｔ−Ｖするフィラメント
数９０００のアクリル繊維を得た。Ｘ線回折よりめられ
る繊維の配向度Ｈは？　［Ｌ３９６でめった。このアク
リル繊維を２２０Ｃ−２４０℃−２６０℃の３段階の温
度プロファイルを有する熱風循環型の耐炎化炉ｔ−６０
分間通過せしめて耐炎化処理を行うに際し、繊維の密度
がｔ　２２　ｔ／国３に達するまでに２０％の伸長を加
え、その後１．２５　ｆ／ａｓ”ｖｃ達する盲でＥｌら
に８１５憾の伸長を加えて耐炎化処理を終了した。

次に耐炎化繊維を純粋なＮ２気流中６００℃の第１炭素
化炉中金３分間通過せしめるに際して１０％の伸長を加
え、さらに同雰囲気中表１の最高温度全Ｍする第２炭素
化炉中において４００〜／デニールの張力下に熱処理全
行い、表１の諸物性ｔ−有する炭素繊維を得た。

表　１ 実施例２ 実施例１と同様にして、但し耐炎化処理時の伸長率なら
びに第１炭素化炉内での温度と伸長率を変更して焼成′
ｔ″実施した。なお、第１炭素化炉の温度は５５０℃、
第２炭素化炉の最高温度ｉｔ　１４５０℃、張力は５８
０Ｍｆ／デニールとした。得られた炭素繊維の諸物性を
表２に示す。

表　２ なお、耐炎化伸長率（１）は、繊維の密度が１、２２　
ｔｌ削１に至るまでの伸長率であり、同（Ｕ）は繊維の
密度が１．２２〜ｉ、　２５　ｔ／ｌｙｓ”の範囲にお
ける伸長率である。

実施例５ 実施例１と同様にして、但し原液吐出量ならびに延伸倍
率を変更して表３に示す繊維を有するアクリル繊維を得
た。

これ等のアクリル繊維を実施例１と同一の条件にて焼成
を行った。この際最終熱処理時における最高温度は１４
５０℃、張力は４００〜／デニールとした。得られた炭
素繊維の諸物性を表３に示す。

表　３ 実施例４ 実施例１において第１炭素化炉の温度を変えて焼成を行
い、表４に示す結果を得た・表　４ 〔発明の効果〕 本発明で得られた炭素繊維は高弾性かつ高強力であるた
め航空機−次構造材、釣竿、ゴルフシャフト等のスポー
ツ用途、高速遠心分離機。

ロボット等の工業用途、地上高速輸送体等広範囲な用途
に使用することが可能で必る。

【図面の簡単な説明】

ＷＪ１図は、従来法による炭素化温度で得られる炭素繊
維の物性との関係を示す相関図である。 ■弾性率　■強朋　■密度

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、　単繊維デニールが［１１〜１．１デニールのアク
   リル繊維を用い、繊維の密度が１．２２　ｔ／ｃｔｌに
   上昇するまでに５９６以上、さらＶｃｌ、　２２　ｆ／
   ｃｒｒ？以後において１％以上の伸長を加えて耐炎化処
   理を完了し、ついで不活性雰囲気中３００〜８００℃の
   温度で３％以上の伸長を加え、さらに不活性雰囲気中１
   ３００〜１６００℃の温度で緊張下に処理を行って、繊
   維直径が１〜６μ、ストランド強度が４６０　ｋｇ７　
   ｍ”以上、ストランド弾性率が２８ｔ／■２以上、密度
   が１、７６　ｔｌ譚３以上の炭素繊維を製造することｔ
   −特徴とする高強度・高弾性炭素繊維の製造法Ｏ