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JP3223452B2 - 炭素繊維前駆体繊維の製造方法 - Google Patents

炭素繊維前駆体繊維の製造方法

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JP3223452B2
JP3223452B2 JP03785891A JP3785891A JP3223452B2 JP 3223452 B2 JP3223452 B2 JP 3223452B2 JP 03785891 A JP03785891 A JP 03785891A JP 3785891 A JP3785891 A JP 3785891A JP 3223452 B2 JP3223452 B2 JP 3223452B2
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JP
Japan
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yarn
less
fiber
porosity
average pore
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鹿 野 彰 初
本 隆 山
坊 行 生 笠
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Mitsubishi Chemical Corp
Mitsubishi Rayon Co Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Chemical Corp
Mitsubishi Rayon Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、炭素繊維前駆体(プレ
カ−サ−)の製造方法に関し、特に高強度及び高弾性を
有する炭素繊維の製造に好適な、緻密性の高い、炭素繊
維前駆体繊維を製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】炭素繊維の高強度、高弾性化について
は、焼成技術や後処理技術に関する技術が多数提案され
ているが、一方炭素繊維前駆体としてのアクリル系繊維
の改良に関する技術についても多数提案されている。そ
して、高強度、高弾性化の1つの手段として、炭素繊維
前駆体としてのアクリル系繊維の緻密性を高くすること
が提案されている。
【0003】ところで、従来、炭素繊維前駆体としての
アクリル系繊維の緻密性を表す尺度として、前駆体繊維
のヨウ素の吸着量及びヨウ素を吸着するスキン層の厚
さ、或は膨潤状態にある工程糸の膨潤度等が採用されて
いる。(特開昭58−214518号公報、特公昭63
−21916号公報)。
【0004】しかし、これらの技術では、例えばヨウ素
を利用する方法は、繊維の表層の緻密性しか測れないた
め繊維全体の緻密性がわからなく、またヨウ素の吸着量
が油剤の付着量や種類で異なり、繊維基質構造の緻密性
以外の要素による影響を受け易い点で問題がある。ま
た、凝固糸の膨潤度及び凝固糸の膨潤度と浴延伸糸の膨
潤度との比である膨潤度比で規定する方法は、あくまで
膨潤糸条の固体部分と液体部分の構成比を表しているに
すぎなく、ミクロな構造の微細性を加味した緻密性の尺
度としてはなはだ不十分である。このように、従来採用
している評価方法は、繊維の緻密性を正確に把握するに
は十分なものではなかった。そのため、従来の評価方法
を採用する前駆体繊維の製造方法によっては、十分に緻
密性の高い繊維を得ることができなかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高強
度、高弾性の炭素繊維を得るための、緻密性の高い炭素
繊維前駆体としてのアクリル繊維の製造方法を提供する
ことにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、高強度、
高弾性の炭素繊維を得るために、緻密性の高いアクリル
系繊維の製造方法を鋭意検討した結果、前駆体繊維の構
造の緻密性を評価する尺度として平均細孔半径、空孔率
を採用すると、該緻密性を正確に評価し得ることを知見
し、緻密性の高い前駆体繊維を製造する本発明を完成し
た。
【0007】すなわち本発明は、アクリロニトリル単位
95重量%以上、アクリルアミド単位0.5重量%以上
を構成成分とするアクリル系重合体の溶剤溶液を湿式紡
糸して、平均細孔半径が140Å以下、空孔率が55%
以下の凝固糸とした後、これを沸水中にて延伸しなが
ら洗浄して平均細孔半径が110Å以下、空孔率が40
%以下の水膨潤糸条となし、次いで該水膨潤糸条にシリ
コン系油剤処理、乾燥緻密化処理を施すことを特徴とす
る炭素繊維用前駆体繊維の製造方法である。
【0008】本発明においてアクリル系繊維形成用重合
体は、アクリロニトリル単位95重量%以上、アクリル
アミド単位0.5重量%以上を構成成分とする必要があ
る。アクリロニトリル、アクリルアミド以外の共重合成
分としては、たとえばアクリル酸、メタクリル酸、イタ
コン酸等の酸類、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチ
ル等のアクリル酸誘導体、メタクリルアミド、N−メチ
ロ−ルアクリルアミド、N,N−ジメチルアクリルアミ
ド等のアクリルアミド誘導体、メチルビニルケトン、エ
チルビニルケトン等のアルキルビニルケトン、アクロレ
イン、メタクロレイン等のアクロレイン誘導体、2−ビ
ニルピリジン、2−メチル−5−ビニルピリジン等のビ
ニルピリジン誘導体、メタクリルスルホン酸ソ−ダ等の
スルホン酸誘導体、酢酸ビニル、メタクリロニトリル等
があげられ、これらは単独でも組み合わせでも用いられ
る。
【0009】紡糸原液を調製するに当ってのアクリル系
重合体の溶媒は、特に限定されないがジメチルホルムア
ミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、
硝酸、ロダンソ−ダ水溶液、及び塩化亜鉛水溶液等が使
用できる。本発明では紡糸原液の重合体の濃度は18重
量%以上である。また紡糸原液の温度は60℃以上であ
ることが好ましい。重合体の極限粘度と濃度及び温度に
より紡糸原液の溶液粘度が決まるが、製造条件として許
容される溶液粘度の範囲内において、重合体の濃度をで
きるだけ大きく設定することが好ましい。
【0010】上記の紡糸原液を湿式紡糸して、平均細孔
半径は140Å以下、空孔率は55%以下の凝固糸
なす。このような平均細孔半径及び空孔率の小さい凝固
を得るには、紡糸原液のポリマ−濃度を前述したよ
うに18%以上にすると共に、紡糸原液の温度を60℃
以上にすること及び凝固浴の温度を50℃以下、好まし
くは40℃以下にすることにより達成できる。
【0011】本発明においては、上記の凝固糸を、先
ず1.0〜2.0倍に空中延伸するのが好ましい。次い
で、沸水中で凝固糸に含まれている溶媒を洗浄しなが
ら延伸する。この時1〜10倍延伸するのが好ましい。
また、この延伸の方法として、2段以上の多段延伸法を
用いることも可能である。この方法は糸の急激な変形に
よるボイドの発生を少なくするため有利である。
【0012】さらに延伸浴温度は、単糸同志が融着しな
い範囲でできるだけ高く設定し、凝固浴温度よりもでき
るだけ高温にすることが効果的である。この観点から延
伸浴の温度は70℃以上の高温とすることが好ましい。
多段延伸法の場合には、最終浴を90℃以上の高温とす
ることが好ましい。
【0013】このような延伸条件を適正化することによ
り水膨潤糸の平均細孔半径が110Å以下、空孔率が
40%以下にすることができる。
【0014】本発明において、平均細孔半径、空孔率
は、次に示す水銀圧入法により測定した値である。凝固
浴及び延伸浴から出た糸条を採取し、水洗後、液体窒素
による凍結乾燥法を用いて構造の固定化を行なう。この
乾燥試料を約0.2g精秤しディラトメ−タ−に入れ
る。次に水銀注入装置を用いて容器内を真空(0.05
トル以下)にし、その後水銀を充填する。そして、ポロ
シメ−タ−を用いて測定を行なう。外圧により細孔半径
を求め、水銀圧入量より細孔体積を求める。圧力は最大
3000バ−ルまでかける。空孔率は以下の式を用いて
求めた。 空孔率=ρVp/(ρVp+1) [ここで、 ρ=比重、 Vp=測定値(g当りの空孔
体積)] また平均細孔半径は、以下のようにして求めた。
【0015】
【数1】
【0016】[ここで、 ni=細孔数、 N=全細孔
数、 ri=細孔半径(Å)] rを求める式は,次のとおりである。 πr2p=−2πrσcosθ [ここで、 σ:水銀の表面張力、 θ:接触角]
【0017】前記の水膨潤糸条は、その後にシリコン系
あるいは変性シリコン系油剤処理を施す。この際の油剤
の付着量は繊維当り0.01〜5重量%で、単糸同志が
融着しなく、また集束性が良い状態になるように制御す
る。シリコン系油剤処理を施した後に、乾燥緻密化処理
を施し緻密性の高い繊維とする。また、乾燥後さらに加
熱ロ−ラ−にて乾熱延伸を行なうと更に緻密性を高める
ことができる。
【0018】本発明の炭素繊維前駆体繊維束の製造方法
により得られるアクリル繊維は繊維全体としての緻密性
が高いため、これを焼成して得られる炭素繊維は高強
度、高弾性のものとなる。
【0019】
【実施例】以下実施例により本発明をさらに具体的に説
明する。なお、本文中及び実施例中に用いた物性値は、
以下の方法により測定したものである。 (1)炭素繊維の性能(強度、弾性率)は、JIS R
−7601に準じて測定した。エポキシ樹脂を含浸した
ストランドの物性値から求めた。 (2)平均細孔半径、空孔率は、前述の水銀圧入法に依
った。
【0020】実施例1 アクリロニトリル(AN)とアクリルアミド(AAm)
と第3成分としてのメタクリル酸(MAA)とを表1の
重量割合で共重合したアクリル系共重合体を、ジメチル
アセトアミドに溶解して紡糸原液(重合体濃度21重量
%、原液温度70℃)を調製した。この紡糸原液を、直
径0.075mm、孔数3000の口金を用いて、濃度
72%、浴温35℃のジメチルアセトアミド水浴液中に
吐出し凝固糸となし、これに1.5倍の空中延伸を施
し、引き続いて70℃の延伸浴で4.3倍に延伸し、更
に沸水の延伸浴で1.3倍に延伸し、洗浄した。
【0021】次にこの水膨潤糸に、単糸同志の融着が
起こらず集束性が良い状態になるように濃度を制御した
シリコン系油剤を賦与した。その後130℃の加熱ロ−
ラ−で乾燥緻密化処理を行ない、本発明の炭素繊維前駆
体繊維を得た。凝固糸及び水膨潤糸の平均細孔半径
及び空孔率、並びに前駆体繊維から製造した炭素繊維の
物性を表1に示す。
【0022】
【表1】
【0023】表1より凝固糸及び水膨潤糸の平均細
孔半径が小さく、また空孔率が低い前駆体繊維ほど、強
度及び弾性率が高い炭素繊維を製造できることが判る。
なお、表1の第1欄はアクリロニトリル(AN)単位が
90重量%の共重合体を用いた例で、比較のために挙げ
た。
【0024】比較例1 実施例1でアクリルアミドの代わりにアクリル酸メチル
(MA)を共重合成分として用いた。このときの共重合
重量比はアクリロニトリル/アクリル酸メチル/メタク
リル酸=95/4/1にした。このアクリル系共重合体
を用いて実施例1と同様にして炭素繊維前駆体繊維を製
造した。このときの結果を表2に示す。
【0025】
【表2】
【0026】実施例2 アクリロニトリルとアクリルアミドとメタクリル酸との
共重合重量比がアクリロニトリル/アクリルアミド/メ
タクリル酸=98/1/1であるアクリル系共重合体の
ジメチルアセトアミド溶液(重合体濃度21重量%、原
液温度70℃)を紡糸原液に用いた。
【0027】紡糸条件、延伸条件、油剤処理、乾燥緻密
化の各条件は実施例1と同じである。乾燥緻密化処理の
後に180℃の加熱ロ−ラ−で1.2倍の乾熱延伸を行
った炭素繊維前駆体繊維と、該乾熱延伸を行なわない炭
素繊維前駆体繊維とをつくり、それぞれから製造した炭
素繊維についてその物性を調べた。その結果を表3に示
す。
【0028】
【表3】
【0029】乾燥緻密化処理後に、乾熱延伸を行なうこ
とにより更に高強度、高弾性の炭素繊維を製造できる。
【0030】実施例3 実施例2と同様の重合体組成の重合体及び溶媒を用いて
紡糸原液を調整した。凝固浴の濃度は72%と一定に
し、温度を25〜55℃の範囲で変化させ実施例1と同
様の湿式紡糸を行った。そのときの結果を表4に示す。
【0031】
【表4】
【0032】凝固浴の温度を低くするに従い凝固糸
び延伸後の水膨潤糸の平均細孔半径及び空孔率が小さ
くなり、各前駆体繊維より製造した炭素繊維の性能(強
度、弾性率)も著しく向上していることが判った。
【0033】
【発明の効果】本願発明によれば、高い緻密性を有する
炭素繊維前駆体アクリル系繊維を製造することができ
る。したがって、この前駆体繊維から、高強度、高弾性
の炭素繊維を製造することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笠 坊 行 生 広島県大竹市御幸町20番1号 三菱レイ ヨン株式会社大竹事業所内 (56)参考文献 特開 昭59−88925(JP,A) 特開 昭63−256713(JP,A) 特開 昭61−41326(JP,A) 特開 昭62−117814(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) D01F 1/00 - 6/96 D01F 9/00 - 9/04

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アクリロニトリル単位95重量%以上、ア
    クリルアミド単位0.5重量%以上を構成成分とするア
    クリル系重合体の溶剤溶液を湿式紡糸して、平均細孔半
    径が140Å以下、空孔率が55%以下の凝固糸とし
    た後、これを沸水中にて延伸しながら洗浄して平均細孔
    半径が110Å以下、空孔率が40%以下の水膨潤糸条
    となし、次いで該水膨潤糸条にシリコン系油剤処理、乾
    燥緻密化処理を施すことを特徴とする炭素繊維用前駆体
    繊維の製造方法。
  2. 【請求項2】アクリロニトリル単位95重量%以上、ア
    クリルアミド単位0.5重量%以上を構成成分とするア
    クリル系重合体の溶剤溶液を湿式紡糸して、平均細孔半
    径が140Å以下、空孔率が55%以下の凝固糸条とし
    た後、これを先ず空気中で1〜2倍延伸した後、沸水中
    で1〜10倍延伸しながら洗浄して平均細孔半径が11
    0Å以下、空孔率が40%以下の水膨潤糸条となし、次
    いで該水膨潤糸条にシリコン系油剤処理、乾燥緻密化処
    理を施すことを特徴とする炭素繊維用前駆体繊維の製造
    方法。
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