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JP2020128615A - Carbon fiber bundle and method for producing the same - Google Patents

Carbon fiber bundle and method for producing the same Download PDF

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JP2020128615A JP2019022469A JP2019022469A JP2020128615A JP 2020128615 A JP2020128615 A JP 2020128615A JP 2019022469 A JP2019022469 A JP 2019022469A JP 2019022469 A JP2019022469 A JP 2019022469A JP 2020128615 A JP2020128615 A JP 2020128615A
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Abstract

To provide a twisted carbon fiber bundle that is suitable for a carbon fiber reinforced composite material requiring a load capacity per single fiber, has an excellent scratch resistance and process passability, has high productivity, and, furthermore, has excellent handleability and high-level processability.SOLUTION: There is provided a carbon fiber bundle having a single fiber fineness of 1.0 to 4.0 dtex, having a strand modulus E of 250 to 420 GPa, and having a crystallite size Levaluated by bulk measurement of the entire fiber bundle of 1.7 to 6.0 nm. The relation between the strand elastic modulus E and the crystallite size Lsatisfies equation (1). When setting one end as a fixed end and the other as a free end, twist of 2 turns/m or more remains, and, of the double cross-section structure observed on the center side and the circumferential side of the single fiber cross-section, an outer layer ratio Ac (%), which is the ratio of the area occupied by the circumferential side in the cross-sectional area of the single fiber is 85% or more. E≥38 L+190 (1).SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、単繊維あたりの耐荷重が高く工程通過性に優れ、生産性が高く、さらに取り扱い性や高次加工性に優れる、撚りを有する炭素繊維束とその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a twisted carbon fiber bundle having a high load resistance per single fiber, excellent processability, high productivity, and excellent handleability and high-order processability, and a method for producing the same.

炭素繊維を用いた複合材料は航空・宇宙用途をはじめとし、自転車やゴルフクラブなどのスポーツ用途などに利用されており、最近では自動車用部材や圧力容器などの産業用途にも展開が進んでいる。産業用途においては、炭素繊維の高い機械的特性はそのままに、金属材料や、ガラス繊維強化複合材料など現行材料と同等の経済性が求められている。そのニーズに応えるためには、高価な炭素繊維のコストダウンだけではなく、さらなる炭素繊維の機械的特性の向上による構造部材の軽量化(部材使用量の削減)を図り、その軽量化に伴う炭素繊維使用量の低減が望まれている。このように炭素繊維を用いた複合材料の需要は高まってきており、炭素繊維の生産性を向上することが求められている。 Composite materials using carbon fibers are used for aviation and space applications, sports applications such as bicycles and golf clubs, etc., and have recently been expanded to industrial applications such as automobile parts and pressure vessels. .. In industrial applications, the high mechanical properties of carbon fibers are required, and the economical efficiency equivalent to that of current materials such as metal materials and glass fiber reinforced composite materials is required. In order to meet the needs, not only cost reduction of expensive carbon fiber, but also weight reduction of structural members (reduction of material usage) by further improvement of mechanical properties of carbon fiber, It is desired to reduce the amount of fibers used. Thus, the demand for composite materials using carbon fibers is increasing, and it is required to improve the productivity of carbon fibers.

炭素繊維は、共重合成分を含むポリアクリロニトリルなどの前駆体繊維を200−300℃の空気中で酸化する耐炎化工程、500−1200℃の不活性雰囲気中で加熱する予備炭素化工程、1200−3000℃の不活性雰囲気中で加熱する炭素化工程を経ることで製造される。炭素繊維の生産性を高めるためには、単繊維あたりの質量、すなわち単繊維繊度を大きくすることで生産性の向上が可能であるが、そのためには炭素繊維前駆体繊維の単繊維繊度を大きくすることが最も有効である。しかし、単繊維繊度の大きい繊維束を得る上で、耐炎化工程における構造斑が生じることが障害となっている。また、さきに述べた炭素繊維の使用量低減のためには、炭素繊維強化複合材料の剛性を支配する炭素繊維のストランド引張弾性率(以下、ストランド弾性率と略記)の向上が最も効果的であり。このような背景から、炭素化工程の通過性や炭素繊維束の取り扱い性と炭素繊維のストランド弾性率との両立が重要である。 The carbon fiber includes a flameproofing step of oxidizing a precursor fiber such as polyacrylonitrile containing a copolymerization component in air at 200 to 300°C, a preliminary carbonization step of heating in an inert atmosphere at 500 to 1200°C, 1200- It is manufactured by undergoing a carbonization step of heating in an inert atmosphere at 3000°C. In order to increase the productivity of carbon fiber, it is possible to improve the productivity by increasing the mass per single fiber, that is, the single fiber fineness, but for that purpose, increase the single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber. It is most effective to do. However, in obtaining a fiber bundle with a large single fiber fineness, the occurrence of structural unevenness in the flameproofing process is an obstacle. In order to reduce the amount of carbon fiber used as described above, it is most effective to improve the strand tensile elastic modulus (hereinafter abbreviated as “strand elastic modulus”) of the carbon fiber that governs the rigidity of the carbon fiber reinforced composite material. Yes. From such a background, it is important that the passability in the carbonization process, the handleability of the carbon fiber bundle and the strand elastic modulus of the carbon fiber are compatible.

特許文献1では、かさ高く、酸素透過性のある不飽和カルボン酸アルキルエステルをポリアクリロニトリルに共重合したポリマーを炭素繊維前駆体繊維束に適用することで、耐炎化工程で繊維内部の酸素濃度分布が均一になり、耐炎化時間の短縮および炭素繊維の高物性化が可能になる技術を提案している。特許文献2では、酸素透過性のあるビニル系モノマーと耐炎化遅延効果のあるホウ素化合物を用いることで耐炎化時に生成する繊維断面の断面二重構造を抑制し、引張特性に優れた炭素繊維とその製法を示している。特許文献3では、ビニル系のモノマーを共重合したポリアクリロニトリルを用いることで前駆体繊維束の酸素透過性と延伸性を高め、炭素繊維束の生産性と強度を改善する技術が提案されている。特許文献4および5は、かさ高く、酸素透過性があり、さらに耐炎化促進効果をもつヒドロキシアルキル基をもつビニル化合物をポリアクリロニトリルに共重合したポリマーを炭素繊維前駆体繊維束に適用することで、単繊維繊度の大きい炭素繊維を効率よく製造する方法を提案している。特許文献6では、さらに単繊維繊度が大きくても耐炎化できる技術と、樹脂含浸性に優れる炭素繊維の製法を示している。また、特許文献7では高張力時における毛羽発生を抑制する目的で、予備炭素化処理後の繊維束に交絡または撚りを加える技術が提案されている。 In Patent Document 1, by applying a polymer obtained by copolymerizing a bulky, oxygen-permeable unsaturated carboxylic acid alkyl ester to polyacrylonitrile to a carbon fiber precursor fiber bundle, oxygen concentration distribution inside the fiber in a flameproofing process It is proposed that the technology will be uniform, shortening the flameproofing time and improving the physical properties of the carbon fiber. In Patent Document 2, by using a vinyl-based monomer having oxygen permeability and a boron compound having a flame retarding delaying effect, it is possible to suppress a double cross-section structure of a fiber cross section generated at the time of flame resistance and to provide a carbon fiber having excellent tensile properties. The manufacturing method is shown. Patent Document 3 proposes a technique for improving the oxygen permeability and stretchability of a precursor fiber bundle by using polyacrylonitrile obtained by copolymerizing a vinyl-based monomer to improve the productivity and strength of the carbon fiber bundle. .. Patent Documents 4 and 5 disclose that a polymer obtained by copolymerizing a vinyl compound having a hydroxyalkyl group having bulkiness, oxygen permeability, and flameproofing promoting effect with polyacrylonitrile is applied to a carbon fiber precursor fiber bundle. , Has proposed a method for efficiently producing carbon fibers having a large single fiber fineness. Patent Document 6 discloses a technique capable of achieving flame resistance even when the single fiber fineness is further large, and a method for producing carbon fiber having excellent resin impregnation property. Further, Patent Document 7 proposes a technique of adding entanglement or twist to the fiber bundle after the pre-carbonization treatment for the purpose of suppressing the generation of fluff under high tension.

特開平9−31758号公報JP 9-31758 A 特開平11−12856号公報JP, 11-12856, A 特開2006−257580号公報JP, 2006-257580, A 国際公開第2012/050171号International Publication No. 2012/050171 国際公開第2013/157612号International Publication No. 2013/157612 特開2018−145541号公報JP, 2018-145541, A 特開2014−141761号公報JP, 2014-141761, A

しかしながら、背景技術には次のような課題がある。 However, the background art has the following problems.

特許文献1では、炭素繊維前駆体繊維の共重合成分として酸素透過性に優れる成分を用いているが、炭素繊維の単繊維繊度が十分に大きくはなく、単繊維の耐荷重が不十分であり、操業性の悪化が懸念される問題があった。特許文献2では、また、ホウ素により表面の耐炎化進行を抑制する手法であるため、繊維径が大きくなると繊維断面方向の耐炎化ムラが悪化する懸念から単繊維繊度を大きくできない問題があった。特許文献3では、炭素繊維前駆体繊維束に酸素透過性に優れる共重合成分が少なく、さらに単繊維繊度も小さいため、生産量の低下と操業性の悪化により炭素繊維束の生産効率を向上できない問題があった。特許文献4では、外層比率が低いため単繊維耐荷重の低下による毛羽発生による品位の低下が懸念される。特許文献5では、酸素透過性にやや劣る(メタ)アクリル酸ヒドロキシアルキルを含むポリアクリロニトリル系共重合体を用いており、外層比率が低いために品位が劣り、操業性の悪化が懸念される。特許文献6では、炭素繊維前駆体繊維束の単繊維繊度は大きいものの、共重合成分の酸素透過性が劣る上、共重合量も不十分であるため、外層比率が低くなっており、操業性向上に十分な単繊維耐荷重が得られない問題があった。また、特許文献7で開示されている実施例によると、得られる炭素繊維束には撚りが残存すると推定されるものの、かかる撚りが炭素繊維束の収束性に与える影響に関して何ら示唆も言及もなく、さらに、用いた前駆体繊維の単繊維繊度が0.7dtexと細いため、得られる炭素繊維束の単繊維直径も細く、ガイドやローラーとの接触時に毛羽が発生しやすいという課題があった。特許文献7のように、炭素繊維束の単繊維繊度を1.0dtex未満とすることで、特許文献3〜6で開示される外層比率を高める効果を得ることも可能であるが、単繊維断面積が小さい場合は、外層比率の向上の効果以上に想定されるハンドリング中の荷重に十分な単繊維が得られず、工程中で毛羽が発生しやすくなる。特に、炭素化工程における張力を一定以上付加しなければならない場合に、単繊維繊度を小さくして外層比率を向上させた場合には、炭素化工程において張力を一定以上付加した際に炭素化工程の荷重に十分な単繊維が得られず、工程中で毛羽が発生するという課題があった。 In Patent Document 1, a component having excellent oxygen permeability is used as a copolymerization component of the carbon fiber precursor fiber, but the single fiber fineness of the carbon fiber is not sufficiently large and the load resistance of the single fiber is insufficient. However, there was a problem of concern about deterioration of operability. In Patent Document 2, since it is a method of suppressing the progress of flame resistance on the surface by boron, there is a problem that the single fiber fineness cannot be increased because the flame resistance unevenness in the fiber cross-sectional direction is deteriorated as the fiber diameter increases. In Patent Document 3, since the carbon fiber precursor fiber bundle has a small amount of a copolymer component having excellent oxygen permeability and the single fiber fineness is small, the production efficiency of the carbon fiber bundle cannot be improved due to a decrease in production amount and deterioration of operability. There was a problem. In Patent Document 4, since the outer layer ratio is low, there is a concern that the quality of monofilaments may be reduced due to a decrease in load resistance of the single fibers. In Patent Document 5, a polyacrylonitrile-based copolymer containing hydroxyalkyl (meth)acrylate, which is slightly inferior in oxygen permeability, is used. Since the outer layer ratio is low, the quality is inferior and the operability may be deteriorated. In Patent Document 6, although the single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber bundle is large, the oxygen permeability of the copolymerization component is poor and the copolymerization amount is insufficient, so that the outer layer ratio is low and the operability is low. There was a problem that a sufficient single fiber load capacity for improvement could not be obtained. Further, according to the example disclosed in Patent Document 7, although it is presumed that twisting remains in the obtained carbon fiber bundle, there is no suggestion or mention regarding the influence of such twisting on the convergence of the carbon fiber bundle. Further, since the single fiber fineness of the precursor fiber used is as thin as 0.7 dtex, the single fiber diameter of the obtained carbon fiber bundle is also small, and there is a problem that fluffs are likely to occur at the time of contact with a guide or a roller. By setting the single fiber fineness of the carbon fiber bundle to less than 1.0 dtex as in Patent Document 7, it is possible to obtain the effect of increasing the outer layer ratio disclosed in Patent Documents 3 to 6, but the single fiber breakage When the area is small, sufficient monofilaments cannot be obtained for the load during handling that is expected to be greater than the effect of improving the outer layer ratio, and fluff is likely to occur during the process. In particular, when the tension in the carbonization process must be applied above a certain level, if the single fiber fineness is reduced and the outer layer ratio is improved, the carbonization process when the tension is applied above a certain level in the carbonization process However, there was a problem that sufficient filaments could not be obtained under the load, and fluff was generated during the process.

本発明では、単繊維あたりの耐荷重が必要とされる炭素繊維強化複合材料に適しており、工程通過性に優れるため生産性が高く、さらに取り扱い性や高次加工性に優れる、撚りを有する炭素繊維束とその製造方法を提供することを目的とする。 In the present invention, it is suitable for carbon fiber reinforced composite materials that require a load bearing capacity per single fiber, has high productivity because it has excellent processability, and has excellent twistability and higher workability. An object is to provide a carbon fiber bundle and a method for producing the same.

かかる目的を達成するために、本発明は次の構成を有する。 In order to achieve such an object, the present invention has the following configurations.

すなわち、本発明の炭素繊維束は、単繊維繊度が1.0〜4.0dtex以上であり、ストランド弾性率Eが250〜420GPaであり、繊維束全体のバルク測定により評価される結晶子サイズLが1.7〜6.0nmであり、ストランド弾性率Eと結晶子サイズLとの関係が式(1)を満たし、片端を固定端、もう一方を自由端としたとき、2ターン/m以上の撚りが残存しており、単繊維断面の中心側と円周側に観察される断面二重構造のうち、円周側の面積の単繊維断面積に占める割合である外層比率Acが85%以上である炭素繊維束である。
E≧38L+190 ・・・(1)。
That is, the carbon fiber bundle of the present invention has a single fiber fineness of 1.0 to 4.0 dtex or more, a strand elastic modulus E of 250 to 420 GPa, and a crystallite size L evaluated by bulk measurement of the entire fiber bundle. c is 1.7 to 6.0 nm, the relationship between the strand elastic modulus E and the crystallite size L c satisfies the expression (1), and when one end is a fixed end and the other is a free end, 2 turns/ Outer layer ratio Ac, which is the ratio of the area on the circumference side to the single fiber cross-sectional area of the double structure of the cross section observed on the center side and the circumference side of the single fiber cross section, in which the twist of m or more remains, The carbon fiber bundle is 85% or more.
E≧38L c +190 (1).

また、本発明の炭素繊維束の製造方法は、アクリロニトリル単位90.0〜97.0質量%と構造式CH=CHCOOC2n+1(構造式中、n=2〜4であり、アルキル鎖は直鎖である。)で表されるアクリレート系モノマー(X)単位3.0〜10.0質量%を含むポリアクリロニトリル系重合体を用いて、単繊維繊度が2.0〜6.0dtexである炭素繊維前駆体繊維束を得た後に、耐炎化温度が200℃〜300℃である条件において、酸化性雰囲気中で処理する耐炎化処理により単繊維断面の中心側と円周側に観察される断面二重構造のうち、円周側の面積の単繊維断面積に占める割合である外層比率Asが85%以上の耐炎化繊維束を得た後に、該耐炎化処理で得られた耐炎化繊維束を最高温度500〜1000℃の不活性雰囲気中において予備炭素化する予備炭素化処理と、該予備炭素化処理で得られた予備炭素化繊維束を1000〜3000℃の不活性雰囲気中において炭素化する炭素化処理を順に行う炭素繊維束の製造方法であって、炭素化処理中の繊維束の撚り数を2ターン/m以上、張力を1.5mN/dtex以上とする炭素繊維束の製造方法である。 The method of producing a carbon fiber bundle of the present invention, acrylonitrile units 90.0 to 97.0 wt% and the structural formula CH 2 = CHCOOC n H 2n + 1 ( in the structural formula is n = 2 to 4, the alkyl chain A single-fiber fineness is 2.0 to 6.0 dtex using a polyacrylonitrile polymer containing 3.0 to 10.0% by mass of an acrylate monomer (X) unit represented by a straight chain. After obtaining the carbon fiber precursor fiber bundle, it is observed on the center side and the circumferential side of the single fiber cross section by the flameproofing treatment in an oxidizing atmosphere under the condition that the flameproofing temperature is 200°C to 300°C. After obtaining a flameproof fiber bundle having an outer layer ratio As of 85% or more, which is the ratio of the area on the circumferential side to the single fiber cross-sectional area in the double-layered cross-section structure, the flame-resistant fiber obtained by the flameproofing treatment. A pre-carbonization treatment for pre-carbonizing the bundle in an inert atmosphere at a maximum temperature of 500 to 1000° C., and a pre-carbonized fiber bundle obtained by the pre-carbonization treatment to carbon in an inert atmosphere at 1000 to 3000° C. A method for producing a carbon fiber bundle, which comprises sequentially performing carbonization treatment for carbonization, wherein the number of twists of the fiber bundle during the carbonization treatment is 2 turns/m or more and the tension is 1.5 mN/dtex or more. Is the way.

本発明によれば、単繊維あたりの耐荷重が高く、工程通過性に優れるため生産性が高く、炭素繊維束は撚りを有しているため、繊維束としての取り扱い性や高次加工性に優れた炭素繊維束が得られる。 According to the present invention, the load resistance per single fiber is high, the productivity is high because of excellent process passability, and since the carbon fiber bundle has a twist, the handleability and high-order processability as a fiber bundle are improved. An excellent carbon fiber bundle is obtained.

単繊維あたりの耐荷重を増やすためには炭素繊維の外層比率と単繊維繊度のバランスが重要であり、工程通過性を高めることに加えて取り扱い性や高次加工性を向上させるためには炭素繊維束に撚りが残存していることを明確にして発明に到達した。 In order to increase the withstand load per single fiber, it is important to balance the carbon fiber outer layer ratio and the single fiber fineness, and in order to improve processability and handleability and higher-order processability, carbon The present invention has been reached by clarifying that the twist remains in the fiber bundle.

本発明の炭素繊維束は、単繊維繊度が1.0〜4.0dtexであり、好ましくは1.2〜3.0dtexであり、より好ましくは1.4〜2.5dtexである。単繊維繊度とは、単繊維の単位長さあたりの質量であり、1dtexは単繊維10,000mあたりの質量が1gとなるような繊維であることから、単繊維直径に関連する。単繊維繊度が大きいと単繊維あたりでは耐荷重が大きくなるために擦過などの炭素繊維のハンドリング中に荷重の大きくなる外力に対して単繊維破断(毛羽生成)しにくくなる。炭素繊維束の単繊維繊度が1.0dtex以上あれば単繊維断面積が大きく、想定されるハンドリング中の荷重に十分な単繊維が得られ、工程中で毛羽が発生しにくく耐炎化工程・予備炭素化工程・炭素化工程の工程通過性が良くなる。炭素繊維束の単繊維繊度は4.0dtex以下であると後述する断面二重構造の外層比率が小さく抑えることができ、毛羽が発生しにくくなる。単繊維繊度は炭素繊維束の目付とフィラメント数から算出することができる。かかる単繊維繊度を制御するためには、炭素繊維前駆体繊維束の製糸工程における紡糸溶液の吐出量・延伸倍率および耐炎化から炭素化工程での炭素化収率を制御することが重要であり、主には紡糸溶液の吐出量を制御することで達成される。 The single fiber fineness of the carbon fiber bundle of the present invention is 1.0 to 4.0 dtex, preferably 1.2 to 3.0 dtex, and more preferably 1.4 to 2.5 dtex. The single fiber fineness is a mass per unit length of a single fiber, and 1 dtex is a fiber whose mass per 10,000 m of a single fiber is 1 g, and therefore is related to a single fiber diameter. If the monofilament fineness is large, the load resistance per monofilament becomes large, and thus the monofilament breakage (fuzz formation) is less likely to occur due to an external force that increases the load during handling of the carbon fiber such as rubbing. If the monofilament fineness of the carbon fiber bundle is 1.0 dtex or more, the monofilament cross-sectional area is large, and sufficient monofilaments can be obtained for the load during the assumed handling. The processability of the carbonization process/carbonization process is improved. When the monofilament fineness of the carbon fiber bundle is 4.0 dtex or less, the outer layer ratio of the cross-section double structure described later can be suppressed to be small, and fluff is less likely to occur. The single fiber fineness can be calculated from the basis weight of the carbon fiber bundle and the number of filaments. In order to control the single fiber fineness, it is important to control the carbonization yield in the carbonization step from the discharge amount/drawing ratio of the spinning solution and flame resistance in the carbon fiber precursor fiber bundle spinning step. This is mainly achieved by controlling the discharge rate of the spinning solution.

本発明の炭素繊維束は、ストランド弾性率Eが250〜420GPaであり、好ましくは255〜380GPaであり、より好ましくは260〜340GPaであり、より好ましくは265〜340GPaであり、最も好ましくは265〜330GPaである。ストランド弾性率Eが高いほど、炭素繊維強化複合材料とした際に炭素繊維による補強効果が大きく、高剛性な炭素繊維強化複合材料が得られる。炭素化工程において張力を付与しなければ、繊維束が収縮することにより、局所的に撚り癖に類似した形状を有する炭素繊維束が得られる場合があるものの、このようにして得られた炭素繊維束はストランド弾性率Eが低くなりやすく、工業的に有用ではないことがある。ストランド弾性率Eが250GPa以上であれば、炭素繊維強化複合材料の剛性を高めやすく、今後成長が期待される産業用途などにおけるニーズに応えることができる。ストランド弾性率Eが420GPa以下であれば、炭素化工程の通過性や炭素繊維束の取り扱い性の良い炭素繊維束が得られる。ストランド弾性率EはJIS R7608(2004年)に記載の、樹脂含浸ストランドの引張試験に準拠して評価することができる。炭素繊維束が撚りを有する場合は、かかる撚り数と同数の撚りを逆方向に付与することで解撚したものを評価に供する。ストランド弾性率Eは、炭素化処理において張力をかけられる場合は張力や最高温度といった公知の手法により制御することができる。 The strand modulus E of the carbon fiber bundle of the present invention is 250 to 420 GPa, preferably 255 to 380 GPa, more preferably 260 to 340 GPa, more preferably 265 to 340 GPa, and most preferably 265 to 265. It is 330 GPa. The higher the strand elastic modulus E, the greater the reinforcing effect of the carbon fibers in the carbon fiber reinforced composite material, and the more rigid the carbon fiber reinforced composite material can be obtained. If no tension is applied in the carbonization step, the carbon fiber bundle may shrink locally to obtain a carbon fiber bundle having a shape similar to the twisting habit, but the carbon fiber thus obtained The bundle tends to have a low strand elastic modulus E and may not be industrially useful. When the strand elastic modulus E is 250 GPa or more, the rigidity of the carbon fiber reinforced composite material can be easily increased, and it is possible to meet the needs in industrial applications where future growth is expected. When the strand elastic modulus E is 420 GPa or less, it is possible to obtain a carbon fiber bundle having good passability in the carbonization step and good handleability of the carbon fiber bundle. The strand elastic modulus E can be evaluated according to the tensile test of the resin-impregnated strand described in JIS R7608 (2004). In the case where the carbon fiber bundle has a twist, the same number of twists as the number of twists is applied in the opposite direction, and the untwisted product is used for evaluation. The strand elastic modulus E can be controlled by a known method such as tension or maximum temperature when tension is applied in the carbonization treatment.

本発明における繊維束全体のバルク測定により評価される結晶子サイズLは1.7〜6.0nmであり、好ましくは1.7〜5.0nmであり、より好ましくは2.0〜4.0nmであり、最も好ましくは2.3〜3.8nmである。結晶子サイズLとは、炭素繊維中に存在する結晶子のc軸方向の厚みおよび結晶子の繊維軸を基準とした配向角を表す指標であり、広角X線回折により評価される。詳しい評価手法は後述する。結晶子サイズLが大きいと炭素繊維内部の応力負担が効果的に行われるため、ストランド弾性率Eを高めやすいが、結晶子サイズLが大きすぎると、応力集中原因となり、炭素化工程の通過性が悪化し、炭素繊維束の取り扱い性が悪化することがあるため、必要とするストランド弾性率Eおよび炭素化工程の通過性や炭素繊維束の取り扱い性のバランスにより定めるとよい。結晶子サイズLは、主に炭素化処理以降の処理時間や最高温度によって制御することができる。 The crystallite size L c evaluated by bulk measurement of the entire fiber bundle in the present invention is 1.7 to 6.0 nm, preferably 1.7 to 5.0 nm, and more preferably 2.0 to 4. It is 0 nm, and most preferably 2.3 to 3.8 nm. The crystallite size L c is an index representing the thickness of the crystallites existing in the carbon fiber in the c-axis direction and the orientation angle with respect to the fiber axis of the crystallites, and is evaluated by wide-angle X-ray diffraction. The detailed evaluation method will be described later. When the crystallite size L c is large, the stress load inside the carbon fiber is effectively carried out, so that the strand elastic modulus E is easily increased. However, when the crystallite size L c is too large, it causes stress concentration, and the carbonization process Since the passability may be deteriorated and the handleability of the carbon fiber bundle may be deteriorated, it may be determined depending on the required strand elastic modulus E and the balance between the passability in the carbonization step and the handleability of the carbon fiber bundle. The crystallite size L c can be controlled mainly by the treatment time after the carbonization treatment and the maximum temperature.

本発明の炭素繊維束は、ストランド弾性率Eと結晶子サイズLとの関係が、
E≧38L+190 ・・・(1)
を満たし、好ましくは上式における切片が191であり、さらに好ましくは切片が192である。式(1)を満たす炭素繊維束は、結晶子サイズLに対してストランド弾性率Eが十分に高いため、炭素化工程の通過性や炭素繊維束の取り扱い性を損なうことなく、ストランド弾性率Eを効果的に高めることができ、炭素繊維強化複合材料の剛性を高めやすく、今後成長が期待される産業用途などにおけるニーズに応えることができる。式(1)を満たす炭素繊維束は、後述する本発明の炭素繊維束の好ましい製造方法により得られる。
In the carbon fiber bundle of the present invention, the relationship between the strand elastic modulus E and the crystallite size L c is
E≧38L c +190 (1)
Is satisfied, preferably the intercept in the above formula is 191 and more preferably the intercept is 192. Since the carbon fiber bundle satisfying the formula (1) has a sufficiently high strand elastic modulus E with respect to the crystallite size L c , the strand elastic modulus can be maintained without impairing the passability in the carbonization step and the handleability of the carbon fiber bundle. E can be effectively increased, the rigidity of the carbon fiber reinforced composite material can be easily increased, and it is possible to meet the needs in industrial applications where future growth is expected. The carbon fiber bundle satisfying the formula (1) is obtained by a preferred method for producing a carbon fiber bundle of the present invention described later.

本発明の炭素繊維束は、片端を固定端、もう一方を自由端としたとき、2ターン/m以上の撚りが残存する。本発明において、固定端とは繊維束の長手方向を軸とした回転ができないように固定された繊維束上の任意の部分であり、粘着テープなどを用いて繊維束の回転を拘束することなどによって作製できる。自由端とは、連続した繊維束をその長手方向に垂直な断面で切断したときに出現する端部のことを指し、何にも固定されておらず、繊維束の長手方向を軸とした回転が可能な端部のことである。片端を固定端、もう一方を自由端としたとき、撚りが残存するとは、炭素繊維束が撚りを有することを意味する。本発明者らが検討したところ、炭素繊維束が撚りを有する場合、繊維束が捌けることなく自ずと収束するため、繊維束としての取り扱い性を向上させる効果があることがわかった。また、炭素繊維束が撚りを有することにより、炭素繊維束を高次加工する際に、単繊維レベルでの破断、いわゆる毛羽が生じても、長い毛羽に成長しにくく、高次加工性が高まることもわかった。これは、毛羽が繊維束の長手方向に向かって進行しようとする際、毛羽の根元が撚りに内包されるため、その進行が阻害されるためである。また、撚りを有さない一般的な炭素繊維束に強制的に撚りを付与した場合、繊維束に常に張力をかけておかないと、強制的な撚りを付与された炭素繊維束同士がさらに高次の撚りを形成し、ロープを編むように折りたたまれてしまう場合があるのに対して、炭素繊維束が撚りを有する場合は、張力の有無によらず、高次の撚りを形成することはなく、しなやかで取り扱い性の高い炭素繊維束となる。片端を固定端、もう一方を自由端としたとき、撚りが解けることなく、結果的に2ターン/m以上の撚りが残存する場合に特に取り扱い性や高次加工性向上の効果が大きくなることがわかった。残存する撚り数は多いほど収束性が高くなるため好ましいが、加撚する製造プロセスの制約上、500ターン/m程度が上限である。残存する撚り数は好ましくは30〜120ターン/mであり、より好ましくは46〜100ターン/mである。片端を固定端、もう一方を自由端としたとき、2ターン/m以上の撚りが残存する炭素繊維束は、後述する本発明の炭素繊維束の製造方法に従って作製することができる。残存する撚り数は、炭素化工程における繊維束の撚り数を調整することにより制御することができる。残存する撚り数の詳しい評価手法は後述するが、繊維束上の任意の箇所をテープなどでしっかりと固定して固定端とした後に、固定端から離れた位置で繊維束を切断して自由端を形成し、固定端が最上部に来るように繊維束を懸垂させてしばらく静置したあと、自由端を把持して解撚していき、完全に解撚するまでに要した撚り数を長さ1mあたりに規格化したものを、本発明における、残存する撚り数とする。 The carbon fiber bundle of the present invention has a twist of 2 turns/m or more when one end is a fixed end and the other end is a free end. In the present invention, the fixed end is an arbitrary portion on the fiber bundle that is fixed so as not to rotate about the longitudinal direction of the fiber bundle, and restrains the rotation of the fiber bundle using an adhesive tape or the like. Can be made by The free end refers to the end that appears when a continuous fiber bundle is cut in a cross section perpendicular to its longitudinal direction, is not fixed to anything, and rotates around the longitudinal direction of the fiber bundle. It is the end that can be. When one end is a fixed end and the other end is a free end, the twist remaining means that the carbon fiber bundle has a twist. As a result of studies by the present inventors, it has been found that when the carbon fiber bundle has a twist, the fiber bundle naturally converges without being loosened, so that it has an effect of improving handleability as a fiber bundle. In addition, since the carbon fiber bundle has a twist, even when breakage at the single fiber level, so-called fluff occurs, when the carbon fiber bundle is subjected to high-order processing, it does not easily grow into long fluff and high-order workability is enhanced. I also understood that. This is because when the fluff is going to travel in the longitudinal direction of the fiber bundle, the root of the fluff is included in the twist, which hinders its progress. In addition, when twist is forcibly applied to a general carbon fiber bundle that does not have twist, if the fiber bundle is not always under tension, the carbon fiber bundles that have been forcibly twisted will have higher While the next twist may be formed and the rope may be folded like knitting, when the carbon fiber bundle has a twist, it does not form a higher twist regardless of the presence or absence of tension. The carbon fiber bundle is flexible and easy to handle. When one end is a fixed end and the other end is a free end, the twisting will not be unraveled, and as a result, a twist of 2 turns/m or more will remain, and the effect of improving handleability and high-order workability will be particularly large. I understood. The larger the number of remaining twists, the higher the convergence, which is preferable, but the upper limit is about 500 turns/m due to the constraint of the manufacturing process for twisting. The number of remaining twists is preferably 30 to 120 turns/m, more preferably 46 to 100 turns/m. A carbon fiber bundle in which a twist of 2 turns/m or more remains when one end is a fixed end and the other end is a free end can be produced according to the method for producing a carbon fiber bundle of the present invention described below. The number of twists remaining can be controlled by adjusting the number of twists of the fiber bundle in the carbonization step. Although a detailed evaluation method of the number of remaining twists will be described later, after fixing any point on the fiber bundle firmly with tape etc. to make a fixed end, cut the fiber bundle at a position apart from the fixed end and free end. The fiber bundle is suspended so that the fixed end is at the top and left for a while, then the free end is grasped and untwisted to increase the number of twists required to completely untwist. The number of twists remaining in the present invention is standardized per 1 m.

本発明の炭素繊維束は、単繊維断面の円周側と中心側に生じる構造差(断面二重構造と呼ぶ)のうち、円周側の面積の単繊維の断面積に対して占める割合として定義する炭素繊維の外層比率Acが85%以上であり、好ましくは91%以上であり、より好ましくは95〜98%である。断面二重構造の外層比率Acが85%以上であれば、単繊維の耐荷重が増すことで破断しにくくなり工程通過性に優れ、外層比率Acが高いほど望ましい。ただし、外層比率Acが98%以下の場合は単繊維強度の低下が起こらず、耐荷重を高くすることができる。炭素繊維束の単繊維繊度を1.0dtex未満とすることで、断面二重構造の外層比率Acを高めることも可能であるが、単繊維断面積が小さい場合は、外層比率Acの向上の効果以上に想定されるハンドリング中の荷重に十分な単繊維が得られず、工程中で毛羽が発生しやすくなる。特に本発明の炭素繊維束のように、炭素化工程の通過性や炭素繊維束の取り扱い性を損なうことなく、ストランド弾性率Eを効果的に高めるためには、後述のとおり、炭素化工程における張力を一定以上付加しなければならない。そのため、単繊維繊度を小さくして外層比率Acを向上させた場合には、炭素化工程において張力を一定以上付加した場合に炭素化工程の荷重に十分な単繊維が得られず、工程中で毛羽が発生するため、本発明の炭素繊維束を得ることができない。すなわち、本発明では、単繊維繊度が大きい場合でも外層比率Acが高いことで、炭素化工程の通過性や炭素繊維束の取り扱い性を損なうことなくストランド弾性率Eを効果的に高めることができ、炭素繊維強化複合材料の剛性を高めることに達した。断面二重構造の外層比率Acは炭素繊維束を樹脂包埋し、繊維軸に垂直な面を湿式研磨することで露出した断面を光学顕微鏡で観察し、画像解析から繊維断面積および断面二重構造のうち円周側の構造の面積を算出することで求められる。かかる断面二重構造の外層比率Acを制御するためには、耐炎化工程の処理時間と処理温度、もしくはポリアクリロニトリル系重合体の共重合成分を変更することで制御できる。 The carbon fiber bundle of the present invention is the ratio of the area on the circumferential side to the cross-sectional area of the single fiber in the structural difference between the circumferential side and the central side of the single fiber cross section (referred to as the cross-section double structure). The outer layer ratio Ac of the defined carbon fibers is 85% or more, preferably 91% or more, and more preferably 95 to 98%. When the outer layer ratio Ac of the cross-section double structure is 85% or more, the load resistance of the single fiber is increased and the single fiber is less likely to be broken, and the process passability is excellent. The higher the outer layer ratio Ac is, the more desirable. However, when the outer layer ratio Ac is 98% or less, the single fiber strength does not decrease, and the withstand load can be increased. By setting the single fiber fineness of the carbon fiber bundle to less than 1.0 dtex, it is possible to increase the outer layer ratio Ac of the cross-section double structure, but when the single fiber cross-sectional area is small, the effect of improving the outer layer ratio Ac As a result, sufficient monofilaments cannot be obtained under the load assumed during handling, and fluffing is likely to occur during the process. In particular, like the carbon fiber bundle of the present invention, in order to effectively increase the strand elastic modulus E without impairing the passability of the carbonization process and the handleability of the carbon fiber bundle, as described below, in the carbonization process, Tension must be applied above a certain level. Therefore, when the single fiber fineness is reduced and the outer layer ratio Ac is improved, sufficient single fibers cannot be obtained for the load of the carbonization process when tension is applied to a certain level or more in the carbonization process, Since the fluff is generated, the carbon fiber bundle of the present invention cannot be obtained. That is, in the present invention, even when the single fiber fineness is large, the outer layer ratio Ac is high, and thus the strand elastic modulus E can be effectively increased without impairing the passability in the carbonization process and the handleability of the carbon fiber bundle. , Reached to increase the rigidity of carbon fiber reinforced composite materials. The outer layer ratio Ac of the cross-section double structure is such that the carbon fiber bundle is embedded in the resin and the surface perpendicular to the fiber axis is wet-polished to observe the exposed cross section with an optical microscope. It can be obtained by calculating the area of the structure on the circumferential side of the structure. In order to control the outer layer ratio Ac of the double structure in cross section, it can be controlled by changing the treatment time and the treatment temperature of the flameproofing step or the copolymerization component of the polyacrylonitrile polymer.

次に、本発明の炭素繊維束を得ることに好ましい炭素繊維束の製造方法について述べる。 Next, a method for producing a carbon fiber bundle which is preferable for obtaining the carbon fiber bundle of the present invention will be described.

本発明の炭素繊維の製造方法によると、炭素繊維前駆体繊維束の製造に供する原料の組成について、アクリロニトリル単位が90.0〜97.0質量%とアクリレート系モノマー(X)単位が3.0〜10.0質量%であり、好ましくはアクリロニトリル単位が90.0〜96.0質量%とアクリレート系モノマー(X)単位が4.0〜10.0質量%であり、より好ましくはアクリロニトリル単位が90.0〜95.0質量%とアクリレート系モノマー(X)単位が5.0〜10.0質量%であるポリアクリロニトリル系重合体を用いる。アクリレート系モノマー(X)とは、構造式CH=CHCOOC2n+1で表され、n=2〜4であり、アルキル基が直鎖であるアクリル酸エステル系モノマーである。アクリレート系モノマー単位が3.0質量%以上であれば、炭素繊維前駆体繊維束の耐炎化工程における外層比率Asが高くなり、10.0質量%以下であれば得られる炭素繊維単繊維の強度および耐荷重が増加することにより、工程通過性に優れる。ポリアクリロニトリル系共重合体のアクリロニトリル単位とアクリレート系モノマー(X)単位の比率は、重合時のそれぞれの単量体の組成比を調整することで制御できる。アクリレート系モノマー(X)としては、アクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸ノルマルブチルが例示され、延伸性向上による品位向上と酸素透過性の両立の観点から、アクリル酸エチルが特に好ましい。その他の共重合成分としては、耐炎化反応の促進を目的としてメタクリル酸、アクリル酸、イタコン酸、アクリルアミドなどを用いることができる。 According to the method for producing a carbon fiber of the present invention, regarding the composition of the raw material used for producing the carbon fiber precursor fiber bundle, the acrylonitrile unit is 90.0 to 97.0 mass% and the acrylate-based monomer (X) unit is 3.0. To 10.0% by mass, preferably 90.0 to 96.0% by mass of acrylonitrile units and 4.0 to 10.0% by mass of acrylate-based monomer (X) units, and more preferably acrylonitrile units. A polyacrylonitrile-based polymer having 90.0 to 95.0 mass% and an acrylate monomer (X) unit of 5.0 to 10.0 mass% is used. The acrylate-based monomer (X) is an acrylic acid ester-based monomer represented by a structural formula CH 2 ═CHCOOC n H 2n+1 , n=2 to 4, and an alkyl group having a straight chain. When the acrylate-based monomer unit is 3.0% by mass or more, the outer layer ratio As in the flameproofing process of the carbon fiber precursor fiber bundle becomes high, and when it is 10.0% by mass or less, the strength of the obtained carbon fiber single fiber is high. And, since the withstand load is increased, the process passability is excellent. The ratio of the acrylonitrile unit of the polyacrylonitrile copolymer and the acrylate monomer (X) unit can be controlled by adjusting the composition ratio of each monomer during polymerization. Examples of the acrylate-based monomer (X) include ethyl acrylate, propyl acrylate, and normal butyl acrylate, and ethyl acrylate is particularly preferable from the viewpoint of achieving both quality improvement by improving stretchability and oxygen permeability. As the other copolymerization component, methacrylic acid, acrylic acid, itaconic acid, acrylamide or the like can be used for the purpose of promoting the flame resistance reaction.

炭素繊維前駆体繊維束を製造するにあたり、乾湿式紡糸法および湿式紡糸法のいずれかを用いて製糸する。製糸工程は一般に、紡糸口金から凝固浴に紡糸溶液を吐出させて紡糸する凝固工程と、該凝固工程で得られた繊維を水浴中で洗浄する水洗工程と、該水洗工程で得られた繊維を水浴中で延伸する水浴延伸工程と、該水浴延伸工程で得られた繊維に工程油剤を塗布する油剤工程と、該油剤工程で得られた繊維を乾燥熱処理する乾燥熱処理工程からなり、必要に応じて、該乾燥熱処理工程で得られた繊維をスチーム延伸するスチーム延伸工程を含む。なお、各工程の順序を適宜入れ替えることも可能である。紡糸溶液とは、前記したポリアクリロニトリル共重合体を、ジメチルスルホキシド・ジメチルホルムアミド・ジメチルアセトアミドなどの有機溶媒や、硝酸・塩化亜鉛・ロダンソーダなどの水溶液といったポリアクリロニトリル共重合体が可溶な溶媒に溶解したものである。 In producing the carbon fiber precursor fiber bundle, the fiber is formed by using either a dry/wet spinning method or a wet spinning method. The spinning process is generally a coagulation process in which a spinning solution is discharged from a spinneret into a coagulation bath for spinning, a water washing process in which the fibers obtained in the coagulation process are washed in a water bath, and the fibers obtained in the water washing process are A water bath drawing step of drawing in a water bath, an oil agent step of applying a step oil agent to the fibers obtained in the water bath drawing step, and a dry heat treatment step of drying and heat treating the fibers obtained in the oil agent step. And a steam drawing step of steam drawing the fiber obtained in the dry heat treatment step. Note that the order of the steps can be changed as appropriate. The spinning solution is a solution of the above polyacrylonitrile copolymer in an organic solvent such as dimethylsulfoxide/dimethylformamide/dimethylacetamide or an aqueous solution of nitric acid/zinc chloride/rodan soda in which the polyacrylonitrile copolymer is soluble. It was done.

前記凝固浴には、紡糸溶液の溶媒として用いた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などの溶媒と、凝固促進成分を含ませることが好ましい。凝固促進成分としては、前記ポリアクリロニトリル共重合体を溶解せず、かつ紡糸溶液に用いる溶媒と相溶性があるものを使用することができる。具体的には、凝固促進成分として水を使用することが好ましい。単繊維の横断面が真円状で、かつ繊維側面が平滑となる範囲で有機溶剤の濃度を高くし、凝固浴の温度を低く設定することが好ましい。例えば、溶剤にジメチルスルホキシドを用いた場合には、ジメチルスルホキシド水溶液の濃度を5〜30質量%、あるいは70〜80質量%とし、凝固浴温度を−10〜30℃とすることが望ましい。 The coagulation bath preferably contains a solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide used as a solvent for the spinning solution, and a coagulation promoting component. As the coagulation promoting component, a component which does not dissolve the polyacrylonitrile copolymer and which is compatible with the solvent used in the spinning solution can be used. Specifically, it is preferable to use water as the coagulation promoting component. It is preferable to increase the concentration of the organic solvent and set the temperature of the coagulation bath low in a range in which the cross section of the single fiber is a perfect circle and the side surface of the fiber is smooth. For example, when dimethyl sulfoxide is used as the solvent, it is desirable that the concentration of the dimethyl sulfoxide aqueous solution is 5 to 30% by mass, or 70 to 80% by mass, and the coagulation bath temperature is -10 to 30°C.

前記水洗工程における水洗浴としては、温度が30〜98℃の複数段からなる水洗浴を用いることが好ましい。また、水浴延伸工程における延伸倍率は、高い真円度の断面形状を維持する観点から、1〜6倍であることが好ましい。 As the washing bath in the washing step, it is preferable to use a washing bath having a plurality of stages at a temperature of 30 to 98°C. Further, the stretching ratio in the water bath stretching step is preferably 1 to 6 times from the viewpoint of maintaining a cross-sectional shape with high circularity.

水浴延伸工程の後、単繊維同士の融着を防止する目的から、繊維束にシリコーン等からなる油剤を付与することが好ましい。かかるシリコーン油剤は、好ましくは変性されたシリコーンを用いることであり、より好ましくは耐熱性の高いアミノ変性シリコーンを含有するものを用いることである。 After the water bath drawing step, it is preferable to add an oil agent made of silicone or the like to the fiber bundle for the purpose of preventing fusion of the single fibers. The silicone oil agent is preferably a modified silicone, and more preferably one containing an amino-modified silicone having high heat resistance.

乾燥熱処理工程は、公知の方法を利用することができる。例えば、乾燥温度は100〜200℃が例示される。 A known method can be used for the dry heat treatment step. For example, the drying temperature is, for example, 100 to 200°C.

前記した水洗工程、水浴延伸工程、油剤付与工程、乾燥熱処理工程の後、必要に応じ、スチーム延伸を行うことにより、本発明の炭素繊維束を得るのに好適な炭素繊維前駆体繊維束が得られる。スチーム延伸は、加圧スチーム中において、延伸倍率は2〜6倍であることが好ましい。 A carbon fiber precursor fiber bundle suitable for obtaining the carbon fiber bundle of the present invention is obtained by performing steam stretching, if necessary, after the above-mentioned water washing step, water bath drawing step, oil agent applying step, and dry heat treatment step. To be In the steam drawing, the draw ratio is preferably 2 to 6 times in pressurized steam.

本発明の炭素繊維の製造方法によると、炭素繊維前駆体繊維束の単繊維繊度は2.0〜6.0dtexであり、好ましくは2.1〜4.2dtex、より好ましくは2.2〜3.5dtexである。炭素繊維前駆体繊維束の単繊維繊度が2.0dtex以上あれば耐荷重の高い単繊維が得られ、毛羽が発生しにくく工程通過性が良くなる。単繊維繊度が6.0dtexを超えると、耐炎化および予備炭素化、炭素化における耐擦過性が低下し、工程通過性が悪化する。単繊維繊度は炭素繊維前駆体繊維束の単位長さあたりの質量とフィラメント数から算出する。かかる単繊維繊度を制御するためには、炭素繊維前駆体繊維束の紡糸工程における紡糸溶液の吐出量・延伸倍率および焼成工程での炭素化収率を制御することが重要であり、主には紡糸溶液の吐出量を制御することで達成される。 According to the method for producing carbon fiber of the present invention, the single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber bundle is 2.0 to 6.0 dtex, preferably 2.1 to 4.2 dtex, and more preferably 2.2 to 3 dtex. It is 0.5 dtex. When the single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber bundle is 2.0 dtex or more, a single fiber having a high load resistance can be obtained, and fluff is less likely to be generated and the process passability is improved. When the single fiber fineness exceeds 6.0 dtex, flame resistance, pre-carbonization, and scratch resistance in carbonization decrease, and process passability deteriorates. The single fiber fineness is calculated from the mass per unit length of the carbon fiber precursor fiber bundle and the number of filaments. In order to control the single fiber fineness, it is important to control the discharge amount/stretching ratio of the spinning solution in the spinning step of the carbon fiber precursor fiber bundle and the carbonization yield in the firing step, and mainly This is achieved by controlling the discharge rate of the spinning solution.

本発明の炭素繊維束は、前記した炭素繊維前駆体繊維束を耐炎化処理した後、予備炭素化処理、炭素化処理を順に行うことにより得ることができる。 The carbon fiber bundle of the present invention can be obtained by subjecting the above-mentioned carbon fiber precursor fiber bundle to flameproofing treatment, and then sequentially performing preliminary carbonization treatment and carbonization treatment.

また、本発明の炭素繊維束の製造方法によると、耐炎化処理の熱処理温度が200〜300℃であり、好ましくは220〜280℃であり、より好ましくは230℃〜270℃である。耐炎化温度を低くすることで、前述の炭素繊維束の外層比率Acを向上させることもできるが、耐炎化処理の熱処理時間を長くする必要があるため生産性が悪化することに加え、予備炭素化処理および炭素化処理の通過性が悪化することがある。そのため、耐炎化処理の熱処理温度が200℃以上であれば炭素繊維前駆体繊維束の酸素透過性に応じて高温かつ短時間で効率よく耐炎化処理できるため、生産性を悪化させることなく予備炭素化処理および炭素化処理の通過性が良好となる。耐炎化処理の熱処理温度が300℃以下であれば炭素繊維前駆体繊維束の熱暴走が抑制され、操業性に優れる。 Further, according to the method for producing a carbon fiber bundle of the present invention, the heat treatment temperature for the flameproofing treatment is 200 to 300°C, preferably 220 to 280°C, more preferably 230°C to 270°C. Although the outer layer ratio Ac of the carbon fiber bundle can be improved by lowering the flameproofing temperature, it is necessary to prolong the heat treatment time of the flameproofing treatment, which deteriorates the productivity, and the preliminary carbon The passability of carbonization treatment and carbonization treatment may deteriorate. Therefore, if the heat treatment temperature of the flameproofing treatment is 200° C. or higher, the flameproofing treatment can be efficiently performed at a high temperature and in a short time according to the oxygen permeability of the carbon fiber precursor fiber bundles, and thus the preliminary carbon is not deteriorated The passability of the chemical treatment and the carbonization treatment is improved. When the heat treatment temperature of the flameproofing treatment is 300° C. or lower, thermal runaway of the carbon fiber precursor fiber bundle is suppressed and the workability is excellent.

本発明の炭素繊維束の製造方法によると、耐炎化繊維束の外層比率Asが85%であり、好ましくは91%以上、さらに好ましくは95〜98%である。外層比率Asが大きいほど断面二重構造が小さくなるため、該耐炎化繊維束を炭素化処理した後の炭素繊維束の単繊維の強度が優れ、工程における毛羽の発生を抑えることができる。耐炎化繊維束の外層比率Asは、耐炎化繊維束を樹脂包埋したのち、表面を研磨することで現れる繊維軸に垂直な断面を光学顕微鏡により観察し、繊維断面の色調が異なる領域のうち、外側の領域の断面積全体に占める面積を算出することで得られる。外層比率Asを85%以上とするためには、耐炎化工程で耐炎化繊維束をサンプリングして外層比率Asを確認し、耐炎化温度を調整することや、炭素繊維前駆体繊維の原料として酸素透過性に優れる共重合成分を使用することで達成できる。 According to the method for producing a carbon fiber bundle of the present invention, the outer layer ratio As of the flameproof fiber bundle is 85%, preferably 91% or more, and more preferably 95 to 98%. The larger the outer layer ratio As, the smaller the double structure in cross section, and therefore the strength of the single fiber of the carbon fiber bundle after the carbonization treatment of the flameproof fiber bundle is excellent, and the generation of fluff in the process can be suppressed. The outer layer ratio As of the flameproof fiber bundle is determined by observing a cross section perpendicular to the fiber axis, which appears by polishing the surface of the flameproof fiber bundle with a resin, with an optical microscope, and showing the color tone of the fiber cross section in a different region. , It is obtained by calculating the area occupied by the entire cross-sectional area of the outer region. In order to set the outer layer ratio As to 85% or more, the flameproof fiber bundle is sampled in the flameproofing step to check the outer layer ratio As, and the flameproofing temperature is adjusted, or oxygen is used as a raw material of the carbon fiber precursor fiber. This can be achieved by using a copolymer component having excellent permeability.

また、本発明の炭素繊維束の製造方法によると、耐炎化処理の条件について、耐炎化初期温度Ti(℃)とポリアクリロニトリル系共重合体のアクリレート系モノマー(X)単位の質量組成比Za(%)が好ましくは以下の関係を満たし、より好ましくは右辺が1100であり、さらに好ましくは右辺が1200である。式を満たす場合、炭素繊維前駆体繊維束の酸素透過性に応じて高温かつ短時間で効率よく耐炎化処理できるため、生産性に優れることがある。酸素透過性に優れる共重合成分を炭素繊維前駆体繊維束の原料として適量使用することで達成できる。
Ti×Za≧1000。
Further, according to the method for producing a carbon fiber bundle of the present invention, regarding the flameproofing treatment condition, the flameproofing initial temperature Ti (° C.) and the mass composition ratio Za() of the acrylate-based monomer (X) unit of the polyacrylonitrile-based copolymer are %) preferably satisfies the following relationship, more preferably the right side is 1100, and even more preferably the right side is 1200. When the formula is satisfied, the flame resistance treatment can be efficiently performed at a high temperature for a short time depending on the oxygen permeability of the carbon fiber precursor fiber bundle, and thus the productivity may be excellent. This can be achieved by using an appropriate amount of a copolymer component having excellent oxygen permeability as a raw material for the carbon fiber precursor fiber bundle.
Ti×Za≧1000.

該耐炎化処理で得られた耐炎化繊維束を予備炭素化する予備炭素化処理においては、得られた耐炎化繊維束を、不活性雰囲気中、最高温度500〜1200℃において、比重が1.5〜1.8になるまで熱処理する。 In the pre-carbonization treatment for pre-carbonizing the flame-resistant fiber bundle obtained by the flame-resistant treatment, the obtained flame-resistant fiber bundle has a specific gravity of 1. at a maximum temperature of 500 to 1200° C. in an inert atmosphere. It heat-processes until it becomes 5-1.8.

さらに、前記予備炭素化処理に引き続いて、炭素化処理を行う。炭素化処理においては、得られた予備炭素化繊維束を、不活性雰囲気中、好ましくは最高温度1200〜3000℃において熱処理する。炭素化処理における最高温度は、得られる炭素繊維束のストランド弾性率Eを高める観点からは、高い方が好ましいが、高すぎると炭素化処理の通過性や炭素繊維束の取り扱い性を損なうことがあるため、トレードオフを考慮して設定するのが良い。上記理由から、炭素化処理における最高温度は、好ましくは1400〜2500℃であり、より好ましくは1700〜2000℃である。 Further, carbonization treatment is performed subsequent to the preliminary carbonization treatment. In the carbonization treatment, the obtained pre-carbonized fiber bundle is heat-treated in an inert atmosphere, preferably at a maximum temperature of 1200 to 3000°C. From the viewpoint of increasing the strand elastic modulus E of the obtained carbon fiber bundle, the maximum temperature in the carbonization treatment is preferably high, but if it is too high, the carbonization treatment passability and the handleability of the carbon fiber bundle may be impaired. Therefore, it is better to set in consideration of trade-off. For the above reason, the maximum temperature in the carbonization treatment is preferably 1400 to 2500°C, more preferably 1700 to 2000°C.

また、本発明において、炭素化処理における張力は1.5mN/dtex以上であり、好ましくは3〜18mN/dtexであり、より好ましくは5〜18mN/dtexである。炭素化処理の張力は、炭素化炉出側で測定した張力(mN)を、用いた炭素繊維前駆体繊維束の単繊維の平均繊度(dtex)とフィラメント数との積である総繊度(dtex)で除したものとする。該張力を制御することで、得られる炭素繊維束の結晶子サイズLに大きな影響を与えることなく、ストランド弾性率Eを制御することができ、先述の式(1)を満たす炭素繊維束が得られる。炭素繊維束のストランド弾性率Eを高める観点からは、該張力は高い方が好ましいが、高すぎると工程通過性や、得られる炭素繊維の品位が低下する場合があり、両者を勘案して設定するのが良い。撚りを付与せずに炭素化工程における張力を高めると、単繊維破断が生じ、毛羽が増加することにより、炭素化処理の通過性が低下したり、繊維束全体が破断することにより、必要な張力を維持できなかったりする場合があるが、炭素化処理において、繊維束に撚りが付与されていれば、毛羽が抑制されるため、高い張力を付与することが可能となる。 Further, in the present invention, the tension in the carbonization treatment is 1.5 mN/dtex or more, preferably 3 to 18 mN/dtex, and more preferably 5 to 18 mN/dtex. The tension of carbonization treatment is the total fineness (dtex) which is the product of the average fineness (dtex) of the single fibers of the carbon fiber precursor fiber bundle used and the tension (mN) measured at the carbonization furnace outlet side. ). By controlling the tension, the strand elastic modulus E can be controlled without significantly affecting the crystallite size L c of the obtained carbon fiber bundle, and a carbon fiber bundle satisfying the above-mentioned formula (1) can be obtained. can get. From the viewpoint of increasing the strand elastic modulus E of the carbon fiber bundle, it is preferable that the tension is high, but if it is too high, the process passability and the quality of the obtained carbon fiber may be deteriorated. Good to do. If the tension in the carbonization step is increased without imparting twist, single fiber breakage occurs, the number of fluffs increases, the passability of the carbonization treatment decreases, or the entire fiber bundle breaks, which is necessary. Although tension may not be maintained in some cases, in the carbonization treatment, if twist is imparted to the fiber bundle, fluff is suppressed, and thus high tension can be imparted.

本発明の炭素繊維束の製造方法において、炭素化処理中の繊維束の撚り数を2ターン/m以上とする。撚り数は好ましくは30〜120ターン/mであり、より好ましくは46〜100ターン/mである。かかる撚り数を上記範囲に制御することで、得られる炭素繊維束に特定の撚り癖を付与でき、収束性に優れ、炭素繊維束としての取り扱い性ならびに高次加工性の高い炭素繊維束となる。かかる撚り数の上限に特に制限はないが、加撚工程が煩雑となることを避けるため、500ターン/m程度を一応の上限とするのが好ましい。かかる撚り数は、前駆体繊維束または耐炎化繊維束、予備炭素化繊維束を一旦ボビンに巻き取った後、該繊維束を巻き出す際にボビンを巻き出し方向に対して直交する面に旋回させる方法や、ボビンに巻き取らず走行中の繊維束に対して回転するローラーやベルトを接触させて撚りを付与する方法などにより制御することができる。 In the method for producing a carbon fiber bundle of the present invention, the number of twists of the fiber bundle during the carbonization treatment is 2 turns/m or more. The twist number is preferably 30 to 120 turns/m, and more preferably 46 to 100 turns/m. By controlling the number of twists within the above range, it is possible to impart a specific twisting habit to the obtained carbon fiber bundle, which is excellent in convergence and becomes a carbon fiber bundle with high handleability and high-order processability as a carbon fiber bundle. .. The upper limit of the number of twists is not particularly limited, but in order to avoid complicating the twisting process, it is preferable to set the upper limit to about 500 turns/m. The number of twists is such that the precursor fiber bundle, the flame-resistant fiber bundle, or the pre-carbonized fiber bundle is once wound around the bobbin, and when the fiber bundle is unwound, the bobbin is swung in a plane orthogonal to the unwinding direction. It can be controlled by a method of imparting a twist by contacting a rotating roller or belt to a running fiber bundle without winding the bobbin.

本発明の炭素繊維束の製造方法において、炭素化処理中の繊維束の撚り数を制御するための撚りを入れる工程については特に制限はないが、好ましくは炭素化処理の前であり、より好ましくは耐炎化処理の前であり、さらに好ましくは予備炭素化処理の前である。かかる撚りは、前駆体繊維束または耐炎化繊維束、予備炭素化繊維束を一旦ボビンに巻き取った後、該繊維束を巻き出す際にボビンを巻き出し方向に対して直交する面に旋回させる方法や、ボビンに巻き取らず走行中の繊維束に対して回転するローラーやベルトを接触させることで付与することができる。 In the method for producing a carbon fiber bundle of the present invention, there is no particular limitation on the step of introducing twist for controlling the number of twists of the fiber bundle during carbonization treatment, but preferably before carbonization treatment, and more preferably Is before the flameproofing treatment, and more preferably before the precarbonization treatment. Such twisting involves winding the precursor fiber bundle, the flameproof fiber bundle, or the pre-carbonized fiber bundle once on the bobbin, and then, when unwinding the fiber bundle, swivels the bobbin in a plane orthogonal to the unwinding direction. It can be applied by a method or by bringing a rotating roller or belt into contact with a running fiber bundle without winding it on a bobbin.

本発明において、不活性雰囲気に用いられる不活性ガスとしては、例えば、窒素、アルゴンおよびキセノンなどが好ましく例示され、経済的な観点からは窒素が好ましく用いられる。 In the present invention, as the inert gas used in the inert atmosphere, for example, nitrogen, argon and xenon are preferably exemplified, and nitrogen is preferably used from the economical viewpoint.

前記製造方法で得られた炭素繊維束は、さらに最高3000℃までの不活性雰囲気において追加の炭素化処理を行い、用途に応じてストランド弾性率Eを適宜調整してもよい。 The carbon fiber bundle obtained by the above-mentioned production method may be subjected to additional carbonization treatment in an inert atmosphere at a maximum temperature of 3000° C., and the strand elastic modulus E may be appropriately adjusted according to the application.

以上のようにして得られた炭素繊維束は、好ましくは酸化処理が施され、酸素含有官能基が導入される。本発明の電解表面処理については、気相酸化、液相酸化および液相電解酸化が用いられるが、生産性が高く、均一処理ができるという観点から、液相電解酸化が好ましく用いられる。本発明において、液相電解酸化の方法については特に制約はなく、公知の方法で行えばよい。 The carbon fiber bundle obtained as described above is preferably subjected to an oxidation treatment to introduce an oxygen-containing functional group. For the electrolytic surface treatment of the present invention, gas phase oxidation, liquid phase oxidation and liquid phase electrolytic oxidation are used, but liquid phase electrolytic oxidation is preferably used from the viewpoint of high productivity and uniform treatment. In the present invention, the liquid-phase electrolytic oxidation method is not particularly limited, and a known method may be used.

かかる電解処理の後、得られた炭素繊維束に集束性を付与するため、サイジング処理をすることもできる。サイジング剤には、複合材料に使用されるマトリックス樹脂の種類に応じて、マトリックス樹脂との相溶性の良いサイジング剤を適宜選択することができる。 After such an electrolytic treatment, a sizing treatment can be performed in order to provide the obtained carbon fiber bundle with a focusing property. As the sizing agent, a sizing agent having good compatibility with the matrix resin can be appropriately selected according to the type of the matrix resin used in the composite material.

本明細書に記載の各種物性値の測定方法は以下の通りである。 The methods for measuring various physical properties described in the present specification are as follows.

<片端を固定端、もう一方を自由端としたときに残存する撚り数>
水平面から60cmの高さの位置にガイドバーを設置し、炭素繊維束の任意の位置をガイドバーにテープで貼り付けることによって固定端とした後、固定端から50cm離れた箇所で炭素繊維束を切断し、自由端を形成する。自由端はテープに挟み込むように封入して、単繊維単位にほどけないように処理する。回数を数えながら自由端を回転させてゆき、完全に解撚されるまでに回転させた回数n(ターン)を記録する。以下の式により、残存する撚り数を算出する。上記測定を3回実施した平均を、本発明における残存する撚り数とする。
残存する撚り数(ターン/m)=n(ターン)/0.5(m)。
<Number of twists remaining when one end is a fixed end and the other is a free end>
A guide bar was installed at a height of 60 cm from the horizontal plane, and the carbon fiber bundle was fixed at any position of the carbon fiber bundle with tape to the guide bar. Then, the carbon fiber bundle was placed 50 cm away from the fixed end. Cut and form the free end. The free end is enclosed so that it is sandwiched between tapes, and processed so that it does not become loose in single fiber units. The free end is rotated while counting the number of times, and the number of times n (turn) of the rotation until it is completely untwisted is recorded. The number of remaining twists is calculated by the following formula. The average of the above three measurements is taken as the number of twists remaining in the present invention.
Number of remaining twists (turn/m)=n (turn)/0.5 (m).

<炭素繊維束のストランド弾性率E>
炭素繊維束のストランド弾性率Eは、JIS R7608(2004年)の樹脂含浸ストランド試験法に準拠し、次の手順に従い求める。ただし、炭素繊維束が撚りを有する場合、撚り数と同数の逆回転の撚りを付与することにより解撚してから評価する。樹脂処方としては、“セロキサイド(登録商標)”2021P(ダイセル化学工業社製)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(東京化成工業(株)製)/アセトン=100/3/4(質量部)を用い、硬化条件としては、常圧、温度125℃、時間30分を用いる。炭素繊維束のストランド10本を測定し、その平均値をストランド弾性率Eとする。なお、ストランド弾性率Eを算出する際の歪み範囲は0.1〜0.6%とする。
<Strand elastic modulus E of carbon fiber bundle>
The strand elastic modulus E of the carbon fiber bundle is determined according to the resin impregnated strand test method of JIS R7608 (2004) according to the following procedure. However, in the case where the carbon fiber bundle has twists, evaluation is performed after untwisting by imparting the same number of twists in the reverse rotation as the number of twists. As the resin formulation, "Celoxide (registered trademark)" 2021P (manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.)/3 boron trifluoride monoethylamine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.)/acetone=100/3/4 (parts by mass) was used. As the curing conditions, normal pressure, a temperature of 125° C., and a time of 30 minutes are used. Ten strands of the carbon fiber bundle are measured, and the average value is taken as the strand elastic modulus E. The strain range for calculating the strand elastic modulus E is 0.1 to 0.6%.

<炭素繊維束の結晶子サイズL
測定に供する炭素繊維束を引き揃え、コロジオン・アルコール溶液を用いて固めることにより、長さ4cm、1辺の長さが1mmの四角柱の測定試料を用意する。用意された測定試料について、広角X線回折装置を用いて、次の条件により測定を行う。
<Crystallite size L c of carbon fiber bundle>
A carbon fiber bundle to be used for measurement is aligned and solidified using a collodion alcohol solution to prepare a square column measurement sample having a length of 4 cm and a side length of 1 mm. The prepared measurement sample is measured under the following conditions using a wide-angle X-ray diffractometer.

1.結晶子サイズLの測定
・X線源:CuKα線(管電圧40kV、管電流30mA)
・検出器:ゴニオメーター+モノクロメーター+シンチレーションカウンター
・走査範囲:2θ=10〜40°
・走査モード:ステップスキャン、ステップ単位0.02°、計数時間2秒。
1. Measurement of crystallite size L c・X-ray source: CuKα ray (tube voltage 40 kV, tube current 30 mA)
・Detector: Goniometer + Monochromator + Scintillation counter ・Scanning range: 2θ = 10-40°
-Scan mode: step scan, step unit 0.02°, counting time 2 seconds.

得られた回折パターンにおいて、2θ=25〜26°付近に現れるピークについて、半値幅を求め、この値から、次のシェラー(Scherrer)の式により結晶子サイズを算出する。 In the obtained diffraction pattern, the full width at half maximum is obtained for the peak appearing in the vicinity of 2θ=25 to 26°, and the crystallite size is calculated from this value by the following Scherrer formula.

結晶子サイズ(nm)=Kλ/βcosθ
但し、
K:1.0、λ:0.15418nm(X線の波長)
β:(β −β 1/2
β:見かけの半値幅(測定値)rad、β:1.046×10−2rad
θ:Braggの回析角。
Crystallite size (nm)=Kλ/β 0 cos θ B
However,
K: 1.0, λ: 0.15418 nm (wavelength of X-ray)
β 0: (β E 2 -β 1 2) 1/2
β E : Apparent half width (measured value) rad, β 1 : 1.046×10 −2 rad
θ B : Bragg diffraction angle.

2.結晶配向度π002の測定
後述の実施例および比較例においては、上記広角X線回折装置として、島津製作所製XRD−6100を用いる。
2. Measurement of Crystal Orientation Degree π 002 In the Examples and Comparative Examples described later, Shimadzu XRD-6100 is used as the wide-angle X-ray diffractometer.

<炭素繊維束の取り扱い性>
評価対象の炭素繊維束の繊維軸方向に30cm離れた位置を右手と左手で別々に把持する。右手と左手の把持部が接触するまで近づけてゆき、繊維束の一部がロープのように高次の撚りを形成する場合は、取り扱い性が不良(×)とし、評価を打ち切る。前記操作において取り扱い性が不良とならなかった場合、続けて、右手と左手の間隔を20cmの距離に近づけた後、繊維束の様子を目視観察しながら、両手を鉛直方向に複数回上下させる。右手と左手の把持部の鉛直方向の高さを常に同じに保つため、両手の鉛直方向への移動は同じタイミングで行う。上下させる距離は10cmとし、1秒に1往復させる速度で20回繰り返す。このとき、繊維束が単繊維単位に拡がる場合を収束性不足のため取り扱い性が不良(×)とし、評価を打ち切る。官能評価であるため厳密な線引きは難しいが、繊維束のどこか一部でも繊維軸に垂直方向に5cm以上拡がった場合は、単繊維単位に拡がったとみなす。繊維軸に垂直方向に5cm以上拡がらなくても、繊維束のどこか一部でも、より小さな繊維束に分割された場合は、取り扱い性がやや不良(△)とし、評価を打ち切る。ここまでの操作で取り扱い性が不良あるいはやや不良とならなかった場合、取り扱い性は良好(○)とする。ただし、一定以上の単繊維直径である場合、単繊維の屈曲に対する抵抗、いわゆるコシが強い傾向にあり、上記実験操作の際に、繊維束全体に適度なコシがあり、取り扱いがしやすい傾向にあった。そこで、官能的ではあるものの、実際の実験操作において適度なコシがあり、取り扱いがしやすい場合を、特に良好(◎)とする。評価対象の炭素繊維束がサイジング処理されている場合、オーブン中でサイジング剤を焼き飛ばすか、溶媒中で洗浄することによって除去してから評価する。評価は極力風の少ない室内で行い、繊維束の中央部は重力で懸垂させることとする。
<Handling of carbon fiber bundles>
The positions of 30 cm apart in the fiber axis direction of the carbon fiber bundle to be evaluated are separately held by the right hand and the left hand. The right hand and the left hand are brought close to each other until they come into contact with each other, and when a part of the fiber bundle forms a high-order twist like a rope, the handleability is judged to be poor (x) and the evaluation is terminated. When the handling property is not poor in the above operation, the distance between the right hand and the left hand is brought close to a distance of 20 cm, and then both hands are vertically moved a plurality of times vertically while visually observing the state of the fiber bundle. In order to keep the vertical heights of the right and left hand grips always the same, the vertical movements of both hands are performed at the same timing. The distance to be moved up and down is 10 cm, and it is repeated 20 times at a speed of reciprocating once per second. At this time, when the fiber bundle spreads into single fiber units, the handling property is judged to be poor (x) due to insufficient convergence and the evaluation is terminated. Since it is a sensory evaluation, it is difficult to draw a rigorous line, but if any part of the fiber bundle extends 5 cm or more in the direction perpendicular to the fiber axis, it is considered that the fiber bundle has spread to a single fiber unit. Even if the fiber bundle does not extend 5 cm or more in the direction perpendicular to the fiber axis, if some part of the fiber bundle is divided into smaller fiber bundles, the handling property is considered to be somewhat poor (Δ) and the evaluation is terminated. If the handling up to this point does not result in poor or slightly poor handling, the handling is rated good (◯). However, when the diameter of the monofilament is a certain value or more, the resistance to bending of the monofilament, that is, the so-called elasticity tends to be strong, and during the above-mentioned experimental operation, the entire fiber bundle has an appropriate elasticity and tends to be easily handled. there were. Therefore, it is particularly good (⊚) when it is sensual but has a proper elasticity in an actual experimental operation and is easy to handle. When the carbon fiber bundle to be evaluated is subjected to sizing treatment, the sizing agent is burnt off in an oven or removed by washing in a solvent before evaluation. The evaluation is performed in a room with minimal wind, and the central part of the fiber bundle is suspended by gravity.

<耐炎化繊維、炭素繊維の外層比率(As、Ac)の測定>
長さ2cmに切断した耐炎化繊維もしくは炭素繊維をエポキシ樹脂に包埋し、繊維軸に垂直な断面を湿式研磨処理した後、顕微鏡を用いて観察して写真を撮影する。撮影した写真は画像処理ソフトウェアを用いて解析した。条件によっては外層と内層が一定の範囲にグラデーションを形成したり、外層と内層の境界に中間的な層が形成されリング状に観察されたりする場合があるが、これらの境界部分と外層とが形成するグラデーションの外側端を二重構造の境界と定める。単繊維30本について画像解析を行った。外層比率は耐炎化繊維や炭素繊維の平均断面積aと内層部分の平均面積aを求めた後、下記式にしたがって算出する。
外層比率(%)=(1−a)÷a×100
<Measurement of outer layer ratio (As, Ac) of flame resistant fiber and carbon fiber>
A flame-resistant fiber or carbon fiber cut to a length of 2 cm is embedded in an epoxy resin, a cross section perpendicular to the fiber axis is wet-polished, and then observed with a microscope to take a photograph. The photographs taken were analyzed using image processing software. Depending on the conditions, a gradation may be formed in a certain range between the outer layer and the inner layer, or an intermediate layer may be formed at the boundary between the outer layer and the inner layer and may be observed in a ring shape. The outer edge of the gradation to be formed is defined as the boundary of the double structure. Image analysis was performed on 30 single fibers. The outer layer ratio is calculated according to the following formula after obtaining the average cross-sectional area a 0 of the flameproof fiber or carbon fiber and the average area a 1 of the inner layer portion.
Outer layer ratio (%)=(1-a 1 )÷a 0 ×100

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。本実施例における各測定方法は上述の通りである。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples. However, the present invention is not limited to these. Each measuring method in this example is as described above.

(実施例1)
アクリロニトリル、イタコン酸、アクリレート系モノマーとしてアクリル酸エチルを93.5:1.0:5.5の質量比で混合した単量体混合物を、ジメチルスルホキシド(DMSO)を溶媒とした溶液重合法により重合し、ポリアクリロニトリル系共重合体溶液を得、紡糸溶液とした。得られた紡糸溶液を孔数3000の口金を用いて一旦空気中に吐出し、空間を通過させた後、DMSOの水溶液からなる凝固浴に導く乾湿式紡糸法により凝固させ、凝固糸とした。得られた凝固糸を水洗した後、温水浴中で2倍に延伸し、シリコーン系油剤を付与し、表面温度が180℃のホットドラムで加熱処理を行った。その後、加圧水蒸気中で4倍に延伸して単繊維繊度2.2dtexの炭素繊維前駆体繊維束を得た。この炭素繊維前駆体繊維束を、熱風循環式オーブンを用いて250℃の空気中で熱処理し、耐炎化繊維束を得た。得られた耐炎化繊維束をエポキシ樹脂(主剤:BUEHLER社製EPO−KWICK RESIN、硬化剤:EPO−KWICK HARDENER)に樹脂包埋し、耐炎化繊維束の繊維軸方向に垂直な面を湿式研磨し、断面を光学顕微鏡(ライカマイクロシステムズ社製工業用正立顕微鏡DM2700M)で観察し、画像処理ソフトウェア(Image J)を用いて外層比率Asを算出した。耐炎化初期温度Tiを230℃として、空気雰囲気230〜280℃のオーブン中で延伸比を1として熱処理し、耐炎化繊維束に転換した。得られた耐炎化繊維束に加撚処理を行い、22ターン/mの撚りを付与し、温度300〜800℃の窒素雰囲気中において、延伸比0.97として予備炭素化処理を行い、22ターン/mの撚りが残存した予備炭素化繊維束を得た。次いで、かかる予備炭素化繊維束に、表1に示す条件で炭素化処理を施した後、付着量が1.0質量%となるようにサイジング剤を付与し、炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束の評価結果を表1に記載する。
(Example 1)
Polymerization of a monomer mixture obtained by mixing acrylonitrile, itaconic acid, and ethyl acrylate as an acrylate-based monomer in a mass ratio of 93.5:1.0:5.5 by a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide (DMSO) as a solvent. Then, a polyacrylonitrile-based copolymer solution was obtained and used as a spinning solution. The obtained spinning solution was once discharged into the air using a spinneret having a hole number of 3,000, allowed to pass through a space, and then coagulated by a dry-wet spinning method in which it was introduced into a coagulation bath made of an aqueous solution of DMSO to obtain a coagulated thread. The obtained coagulated yarn was washed with water, then drawn twice in a warm water bath, a silicone-based oil agent was applied thereto, and heat treatment was performed with a hot drum having a surface temperature of 180°C. Then, it was stretched 4 times in pressurized steam to obtain a carbon fiber precursor fiber bundle having a single fiber fineness of 2.2 dtex. This carbon fiber precursor fiber bundle was heat-treated in air at 250° C. using a hot air circulation oven to obtain a flameproof fiber bundle. The flame-resistant fiber bundle thus obtained is embedded in an epoxy resin (main agent: EPO-KWICK RESIN manufactured by BUEHLER, curing agent: EPO-KWICK HARDENER), and the surface perpendicular to the fiber axis direction of the flame-resistant fiber bundle is wet-polished. Then, the cross section was observed with an optical microscope (Leica Microsystems industrial upright microscope DM2700M), and the outer layer ratio As was calculated using image processing software (Image J). The flame-proofing initial temperature Ti was set to 230° C., and heat treatment was performed in an oven in an air atmosphere of 230 to 280° C. at a draw ratio of 1 to convert to a flame-resistant fiber bundle. The obtained flame-resistant fiber bundle is twisted to give a twist of 22 turns/m, and pre-carbonized at a draw ratio of 0.97 in a nitrogen atmosphere at a temperature of 300 to 800° C. for 22 turns. A pre-carbonized fiber bundle with a twist of /m left was obtained. Next, the pre-carbonized fiber bundle was subjected to carbonization treatment under the conditions shown in Table 1, and then a sizing agent was added to the carbon fiber bundle so that the adhered amount was 1.0% by mass to obtain a carbon fiber bundle. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fiber bundles.

(実施例2)
撚り数を87ターン/m、炭素化時の張力を8.0mN/dtexとした以外は実施例1と同様にし、耐炎化繊維束および炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束の評価結果を表1に記載する。
(Example 2)
A flame-resistant fiber bundle and a carbon fiber bundle were obtained in the same manner as in Example 1 except that the twist number was 87 turns/m and the tension during carbonization was 8.0 mN/dtex. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fiber bundles.

(実施例3)
炭素化処理の最高温度を1900℃とした以外は実施例1と同様にし、耐炎化繊維束および炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束の評価結果を表1に記載する。
(Example 3)
Flame-resistant fiber bundles and carbon fiber bundles were obtained in the same manner as in Example 1 except that the maximum temperature of carbonization treatment was set to 1900°C. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fiber bundles.

(実施例4)
撚り数を87ターン/m、炭素化時の張力を8.0mN/dtex、炭素化処理の最高温度を1900℃とした以外は実施例1と同様にし、耐炎化繊維束および炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束の評価結果を表1に記載する。
(Example 4)
A flame-resistant fiber bundle and a carbon fiber bundle were obtained in the same manner as in Example 1 except that the number of twists was 87 turns/m, the tension during carbonization was 8.0 mN/dtex, and the maximum temperature of carbonization treatment was 1900°C. It was The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fiber bundles.

(実施例5)
実施例1でポリアクリロニトリル系共重合体の原料をアクリロニトリル、イタコン酸、アクリレート系モノマーとしてアクリル酸エチルの質量比が96.0:1.0:3.0である単量体組成物とした以外は実施例4と同様にして耐炎化繊維束および炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性はプロセス上許容できる範囲であった。得られた炭素繊維束の評価結果を表1に記載する。
(Example 5)
Except that the raw material of the polyacrylonitrile-based copolymer in Example 1 was the acrylonitrile, itaconic acid, and the monomer composition in which the mass ratio of ethyl acrylate was 96.0:1.0:3.0 as the acrylate-based monomer. A flame-resistant fiber bundle and a carbon fiber bundle were obtained in the same manner as in Example 4. The carbonization process passability was within an allowable range in the process. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fiber bundles.

(実施例6)
実施例1でポリアクリロニトリル系共重合体の原料をアクリロニトリル、イタコン酸、アクリレート系モノマーとしてアクリル酸ノルマルブチルの質量比が92.0:1.0:7.0である単量体組成物とした以外は実施例4と同様にして耐炎化繊維束および炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性は良好であり、得られた炭素繊維束の品位も良好であった。得られた炭素繊維束の評価結果を表1に記載する。
(Example 6)
The raw material of the polyacrylonitrile-based copolymer in Example 1 was a monomer composition in which the mass ratio of acrylonitrile, itaconic acid, and normal butyl acrylate as an acrylate-based monomer was 92.0:1.0:7.0. A flameproof fiber bundle and a carbon fiber bundle were obtained in the same manner as in Example 4 except for the above. The carbonization process passability was good, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was also good. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fiber bundles.

(比較例1)
実施例1の紡糸溶液の吐出量を変更して単繊維繊度1.0dtexの炭素繊維前駆体繊維束を得た以外は実施例4と同様にし、耐炎化繊維束および炭素繊維束を得た。炭素化工程通過性はプロセス上許容できる範囲であり、得られた炭素繊維束の品位もやや不良であった。得られた炭素繊維束の評価結果を表1に記載する。
(Comparative Example 1)
A flame-resistant fiber bundle and a carbon fiber bundle were obtained in the same manner as in Example 4 except that the discharge amount of the spinning solution in Example 1 was changed to obtain a carbon fiber precursor fiber bundle having a single fiber fineness of 1.0 dtex. The carbonization process passability was within a permissible range in the process, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was somewhat poor. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fiber bundles.

(比較例2)
撚り数を0ターン/m、炭素化時の張力を2.0mN/dtexとした以外は実施例1と同様にし、耐炎化繊維束および炭素繊維束を得た。炭素化工程においてローラーへの毛羽の巻き付きが発生し、得られた炭素繊維束の品位は悪かった。得られた炭素繊維束の評価結果を表1に記載する。
(Comparative example 2)
A flame-resistant fiber bundle and a carbon fiber bundle were obtained in the same manner as in Example 1 except that the number of twists was 0 turn/m and the tension during carbonization was 2.0 mN/dtex. In the carbonization process, fluff winding around the roller occurred, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was poor. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fiber bundles.

(比較例3)
撚り数を0ターン/m、炭素化時の張力を2.1mN/dtexとした以外は実施例3と同様にし、耐炎化繊維束および炭素繊維束を得た。炭素化工程においてローラーへの毛羽の巻き付きが発生し、得られた炭素繊維束の品位は悪かった。得られた炭素繊維束の評価結果を表1に記載する。
(Comparative example 3)
A flame resistant fiber bundle and a carbon fiber bundle were obtained in the same manner as in Example 3 except that the number of twists was 0 turn/m and the tension during carbonization was 2.1 mN/dtex. In the carbonization process, fluff winding around the roller occurred, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was poor. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fiber bundles.

(比較例4)
実施例1でポリアクリロニトリル系共重合体の原料をアクリロニトリル、イタコン酸、アクリレート系モノマーとしてアクリル酸エチルの質量比が97.1:1.0:1.9である単量体組成物とした以外は実施例4と同様にして耐炎化繊維束および炭素繊維束を得た。炭素化工程においてローラーへの毛羽の巻き付きが発生し、得られた炭素繊維束の品位は悪かった。得られた炭素繊維束の評価結果を表1に記載する。
(Comparative example 4)
Except that the raw material of the polyacrylonitrile-based copolymer in Example 1 was the acrylonitrile, itaconic acid, and the monomer composition in which the mass ratio of ethyl acrylate was 97.1:1.0:1.9 as the acrylate-based monomer. A flame-resistant fiber bundle and a carbon fiber bundle were obtained in the same manner as in Example 4. In the carbonization process, fluff winding around the roller occurred, and the quality of the obtained carbon fiber bundle was poor. Table 1 shows the evaluation results of the obtained carbon fiber bundles.

(比較例5)
実施例1でポリアクリロニトリル系共重合体の原料をアクリロニトリル、イタコン酸、アクリレート系モノマーとしてアクリル酸エチルの質量比が99.0:1.0:0である単量体組成物とした以外は実施例4と同様にして耐炎化繊維束を得た。炭素化工程においてローラーへの毛羽の巻き付きが発生し、炭素化過程で糸が切れたため炭素繊維束が得られなかった。
(Comparative example 5)
Example 1 was repeated except that the raw material of the polyacrylonitrile-based copolymer was acrylonitrile, itaconic acid, and a monomer composition in which the mass ratio of ethyl acrylate was 99.0:1.0:0 as the acrylate-based monomer. A flameproof fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 4. In the carbonization process, fluffs were wrapped around the roller, and the yarn was broken during the carbonization process, so a carbon fiber bundle could not be obtained.

(比較例6)
耐炎化初期温度Tiを190℃にした以外は、実施例5と同様にして耐炎化繊維束を得た。炭素化工程においてローラーへの毛羽の巻き付きが発生し、炭素化過程で糸が切れたため炭素繊維束が得られなかった。
(Comparative example 6)
A flameproof fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 5 except that the flameproofing initial temperature Ti was set to 190°C. In the carbonization process, fluffs were wrapped around the roller, and the yarn was broken during the carbonization process, so a carbon fiber bundle could not be obtained.

(比較例7)
耐炎化初期温度Tiを310℃にした以外は、実施例1と同様にして耐炎化処理を行ったが、耐炎化工程で糸が切れてしまい、耐炎化繊維束が得られなかった。
(Comparative Example 7)
The flameproofing treatment was performed in the same manner as in Example 1 except that the flameproofing initial temperature Ti was set to 310° C. However, the yarn was broken in the flameproofing process, and the flameproof fiber bundle could not be obtained.

Figure 2020128615
Figure 2020128615

Claims (7)

単繊維繊度が1.0〜4.0dtexであり、ストランド弾性率Eが250〜420GPaであり、繊維束全体のバルク測定により評価される結晶子サイズLが1.7〜6.0nmであり、ストランド弾性率Eと結晶子サイズLとの関係が式(1)を満たし、片端を固定端、もう一方を自由端としたとき、2ターン/m以上の撚りが残存しており、単繊維断面の中心側と円周側に観察される断面二重構造のうち、円周側の面積の単繊維断面積に占める割合である外層比率Acが85%以上である炭素繊維束。
E≧38L+190 ・・・(1)
The single fiber fineness is 1.0 to 4.0 dtex, the strand elastic modulus E is 250 to 420 GPa, and the crystallite size L c evaluated by bulk measurement of the entire fiber bundle is 1.7 to 6.0 nm. , The relationship between the strand elastic modulus E and the crystallite size L c satisfies the expression (1), and when one end is a fixed end and the other is a free end, a twist of 2 turns/m or more remains, A carbon fiber bundle having an outer layer ratio Ac of 85% or more, which is the ratio of the area on the circumference side to the single fiber cross-sectional area of the double-section structure observed on the center side and the circumference side of the fiber cross section.
E≧38L c +190 (1)
片端を固定端、もう一方を自由端としたとき、30〜120ターン/mの撚りが残存している請求項1に記載の炭素繊維束。 The carbon fiber bundle according to claim 1, wherein a twist of 30 to 120 turns/m remains when one end is a fixed end and the other end is a free end. 外層比率Acが91%以上である請求項1または2に記載の炭素繊維束。 The carbon fiber bundle according to claim 1, wherein the outer layer ratio Ac is 91% or more. アクリロニトリル単位90.0〜97.0質量%と構造式CH=CHCOOC2n+1(構造式中、n=2〜4であり、アルキル鎖は直鎖である。)で表されるアクリレート系モノマー(X)単位3.0〜10.0質量%を含むポリアクリロニトリル系重合体を用いて、単繊維繊度が2.0〜6.0dtexである炭素繊維前駆体繊維束を得た後に、耐炎化温度が200℃〜300℃である条件において、酸化性雰囲気中で処理する耐炎化処理により単繊維断面の中心側と円周側に観察される断面二重構造のうち、円周側の面積の単繊維断面積に占める割合である外層比率Asが85%以上の耐炎化繊維束を得た後に、該耐炎化処理で得られた耐炎化繊維束を最高温度500〜1200℃の不活性雰囲気中において予備炭素化する予備炭素化処理と、該予備炭素化処理で得られた予備炭素化繊維束を1200〜3000℃の不活性雰囲気中において炭素化する炭素化処理を順に行う炭素繊維束の製造方法であって、炭素化処理中の繊維束の撚り数を2ターン/m以上、張力を1.5mN/dtex以上とする炭素繊維束の製造方法。 Acrylonitrile units 90.0 to 97.0 wt% and the structural formula CH 2 = CHCOOC n H 2n + 1 ( in the structural formula, a n = 2 to 4, the alkyl chain is linear.) Acrylate monomer represented by (X) Flame resistance after obtaining a carbon fiber precursor fiber bundle having a single fiber fineness of 2.0 to 6.0 dtex using a polyacrylonitrile-based polymer containing 3.0 to 10.0% by mass of unit Under the condition that the temperature is 200° C. to 300° C., of the cross-sectional double structure observed on the center side and the circumferential side of the single fiber cross section by the flameproofing treatment in an oxidizing atmosphere, the area of the circumferential side is After obtaining a flame-resistant fiber bundle having an outer layer ratio As of 85% or more, which is a ratio of the single fiber cross-sectional area, the flame-resistant fiber bundle obtained by the flame-proof treatment is placed in an inert atmosphere at a maximum temperature of 500 to 1200°C. In order to carry out preliminary carbonization treatment for pre-carbonization and carbonization treatment for pre-carbonization fiber bundle obtained by the preliminary carbonization treatment in an inert atmosphere of 1200 to 3000° C. to produce a carbon fiber bundle. A method for producing a carbon fiber bundle, wherein the number of twists of the fiber bundle during the carbonization treatment is 2 turns/m or more and the tension is 1.5 mN/dtex or more. 耐炎化初期温度Ti(℃)とアクリレート系モノマー(X)単位の質量組成比Za(%)が、Ti×Za≧1000の関係を満たす請求項4に記載の炭素繊維束の製造方法。 The method for producing a carbon fiber bundle according to claim 4, wherein the flameproofing initial temperature Ti (° C.) and the mass composition ratio Za (%) of the acrylate-based monomer (X) unit satisfy the relationship of Ti×Za≧1000. 炭素化処理中の繊維束の撚り数が30〜120ターン/mである請求項4または5に記載の炭素繊維束の製造方法。 The method for producing a carbon fiber bundle according to claim 4 or 5, wherein the twist number of the fiber bundle during the carbonization treatment is 30 to 120 turns/m. 外層比率Asが91%以上である請求項5〜7のいずれかに記載の炭素繊維束の製造方法。 The method for producing a carbon fiber bundle according to claim 5, wherein the outer layer ratio As is 91% or more.
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