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JPS593567B2 - Graphite fiber and its manufacturing method - Google Patents

Graphite fiber and its manufacturing method

Info

Publication number
JPS593567B2
JPS593567B2 JP3617073A JP3617073A JPS593567B2 JP S593567 B2 JPS593567 B2 JP S593567B2 JP 3617073 A JP3617073 A JP 3617073A JP 3617073 A JP3617073 A JP 3617073A JP S593567 B2 JPS593567 B2 JP S593567B2
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JP
Japan
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fibers
pitch
fiber
mesophase
carbon
Prior art date
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Expired
Application number
JP3617073A
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Japanese (ja)
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JPS4919127A (en
Inventor
シドニ− シンガ− レオナ−ド
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Union Carbide Corp
Original Assignee
Union Carbide Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Union Carbide Corp filed Critical Union Carbide Corp
Publication of JPS4919127A publication Critical patent/JPS4919127A/ja
Publication of JPS593567B2 publication Critical patent/JPS593567B2/en
Expired legal-status Critical Current

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    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
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    • DTEXTILES; PAPER
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高い弾性ヤング率と高い引張強さを有する多結
晶黒鉛に特有の三次元的配列をもつ構造を有する炭素繊
維に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a carbon fiber having a structure with a three-dimensional arrangement specific to polycrystalline graphite, which has a high elastic Young's modulus and a high tensile strength.

さらに詳細には本発明は部分的に液晶またはいわゆる[
メソフェーズ(m esophase )J状態に変化
したピッチから製造した高いヤング率と高い引張強さを
有する上記のような炭素繊維に関する。
More particularly, the present invention may be partially liquid crystal or so-called [
The present invention relates to carbon fibers as described above having high Young's modulus and high tensile strength produced from pitch transformed into the mesophase J state.

近年航空機、宇宙およびミサイル工業が急速に発展成長
した結果、独特な並はずれた種々の物理的性質を併せも
つ材料が要求されるようになってきた。
The rapid development and growth of the aircraft, space and missile industries in recent years has created a need for materials that possess a unique and extraordinary combination of physical properties.

例えば、航空機構造体、大気圏再突入船および宇宙船の
製造等ならびに深海潜水艇および類似の構造体の製造に
使用するには高い強度と靭性とをもち、同時に軽量であ
ることを特徴とする材料が必要とされている。
Materials characterized by high strength and toughness, and at the same time light weight, for use, for example, in the manufacture of aircraft structures, atmospheric reentry vessels and spacecraft, etc., as well as in the manufacture of deep-sea submersibles and similar structures. is needed.

現在の技術はこのような材料を供給することが出来ず、
この要求を満たすための研究は複合体物品の製造に集中
されている。
Current technology cannot supply such materials;
Research to meet this need has focused on manufacturing composite articles.

複合体状で使用するために示唆された最も有望な材料の
1つは、航空機、宇宙およびミサイル工業が急速に成長
しつつある丁度その時に市場に導入された高強度、高モ
ジュラスの炭素織物であつた。
One of the most promising materials suggested for use in composites is high-strength, high-modulus carbon fabric, which was introduced to the market just as the aircraft, space and missile industries were rapidly growing. It was hot.

このような織物はプラスチックおよび金属マトリックス
に配合すると、非常に高い強度対重量比およびモジュラ
ス対重量比ならびに他の特別の性質を有する複合体をも
たらす。
Such fabrics, when incorporated into plastic and metal matrices, result in composites with very high strength-to-weight and modulus-to-weight ratios and other special properties.

しかしながら、このような複合体で使用される高強度、
高モジュラスの炭素織物の製造費は高く、そのことがこ
の複合体によって示される顕著な特性にもかかわらず広
範囲な使用に対する大きな障害となっている。
However, the high strength used in such composites,
The cost of manufacturing high modulus carbon fabrics is high, which is a major impediment to widespread use despite the outstanding properties exhibited by this composite.

現在入手し得るほとんどの高強度、高モジユラス炭素織
物は大部分レーヨンまたはアクリル繊維から誘導されて
おり、それらの前駆物質が高価なため本質的に高価であ
る。
Most currently available high strength, high modulus carbon fabrics are derived largely from rayon or acrylic fibers and are inherently expensive due to the high cost of their precursors.

出発物質が高価であることの外に、このような前駆物質
から得られる炭素収率が低いこと(25〜50%のオー
ダー)、および満足な炭素織物を製造するのに必要な複
雑な処理工程も最終生成物の費用を高くする原因になっ
ている。
Besides the high cost of the starting materials, the low carbon yields obtained from such precursors (on the order of 25-50%) and the complex processing steps required to produce satisfactory carbon fabrics This also increases the cost of the final product.

例えば、低温でレーヨン繊維からつくった炭素織物は弱
く、多孔質でかつ組織がほとんど完全に無秩序であり、
高モジュラスおよび高強度は、繊維が幾らか可塑性にな
る高温で繊維の長手方向に応力を加えることによっての
み得られる。
For example, carbon fabrics made from rayon fibers at low temperatures are weak, porous, and almost completely disordered;
High modulus and strength can only be obtained by stressing the fibers in the longitudinal direction at elevated temperatures where the fibers become somewhat plastic.

他方、高い強度およびモジュラスは、アクリル繊維を炭
化する前に、一般に酸素含有雰囲気中で長い熱安定化処
理にかける間、長手方向に応力をかけることによって、
さらに所望ならその後の熱処理中でも応力を適用し続け
ることによってアクリル繊維から誘導した炭素織物で一
般に得られる。
On the other hand, high strength and modulus are obtained by subjecting the acrylic fibers to longitudinal stress during a long heat stabilization treatment, generally in an oxygen-containing atmosphere, before carbonization.
Additionally, carbon fabrics derived from acrylic fibers are generally obtained by continuing to apply stress during subsequent heat treatments if desired.

両方の場合とも、所望水準のモジュラスと強度を得るに
は繊維に応力を適用することが必要である。
In both cases, it is necessary to apply stress to the fibers to obtain the desired level of modulus and strength.

レーヨンの場合、繊維に存在する無秩序な微結晶を繊維
軸に平行に配列させ、それにより繊維の強度とモジュラ
スを増大させるため高温で応力が適用される。
In the case of rayon, stress is applied at high temperatures to cause the disordered crystallites present in the fiber to align parallel to the fiber axis, thereby increasing the strength and modulus of the fiber.

アクリル繊維たとえばポリアクリロニt−IJルの場合
、前駆物質はすでに高度に配向されており、この配向を
保持するため応力は一般に炭化前の熱安定化処理中に適
用されるが、熱処理中に繊維分子間で生じる交差結合に
よってこの配向けさらに永久的に保持されるようになる
In the case of acrylic fibers, such as polyacrylonite T-IJ, the precursor is already highly oriented and stress is generally applied during a heat stabilization process prior to carbonization to maintain this orientation, but during the heat treatment the fiber molecules The cross-linking that occurs between the two makes this orientation more permanent.

いずれの場合においても、応力の適用は、処理中の繊維
の破壊をしばしばもたらし、別の処理装置を必要とし、
したがって繊維のコストを実質的に上げる原因になる。
In either case, the application of stress often results in fiber breakage during processing, requiring separate processing equipment, and
This causes a substantial increase in the cost of the fiber.

レーヨンおよびアクリル繊維は高価であり、かつ炭素織
物に加工し難いばかりでなく、熱処理によって多結晶黒
鉛の特徴である三次元的結晶構造に実質的に変換出来な
い「非黒鉛化」性物質でもある。
Rayon and acrylic fibers are not only expensive and difficult to process into carbon fabrics, but they are also "non-graphitizable" materials that cannot be substantially converted into the three-dimensional crystalline structure characteristic of polycrystalline graphite through heat treatment. .

大抵の炭素質前1駆物質から製造される炭素はさらに熱
処理することによって、配向度の低い構造をもつ炭化生
成物から多結晶黒鉛に特徴的な三次元結晶構造にほとん
ど近い構造にある程度変換することが出来るが、あるい
わゆる「黒鉛化可能」または「黒鉛化性」物質たとえば
石油コークスからつくられた炭素のみが、黒鉛構造およ
びそれに伴う黒鉛に似た特性たとえば高密度ならびに低
電気抵抗を十分示すことができる。
Carbon produced from most carbonaceous precursors undergoes further heat treatment to some extent converting the carbonization product from a poorly oriented structure to one that almost approximates the three-dimensional crystalline structure characteristic of polycrystalline graphite. However, only certain so-called "graphitizable" or "graphitizable" materials, such as carbon made from petroleum coke, exhibit sufficient graphitic structure and associated graphite-like properties, such as high density and low electrical resistance. be able to.

融解することなく木炭に熱分解する物質に特徴的なよう
に、レーヨンおよびアクリル繊維は、高度の三次元的配
列を有する大きな結晶を形成することができない物質の
中に入る。
Rayon and acrylic fibers are among the materials that cannot form large crystals with a high degree of three-dimensional arrangement, as is characteristic of materials that pyrolyze into charcoal without melting.

これにもかかわらず、このような物質の熱分解によって
つくられた繊維は、それらの元素状炭素含有量または加
熱された温度に基づいて「炭素化」または「黒鉛化」と
して一般に分類されている。
Despite this, fibers made by pyrolysis of such materials are commonly classified as "carbonized" or "graphitized" based on their elemental carbon content or the temperature to which they are heated. .

たとえばシュミット(S ehmi dt)およびジョ
ンズ(Jones )は704乃至927℃(1,30
0°F乃至1,700°F)の温度でつくった繊維を部
分的炭化物または炭化物と分類し、一方2.704乃至
2,982℃(4,900乃至5,400°F)で処理
した繊維を黒鉛として分類し、同様に元素状炭素含有量
最高90重量係の繊維を「部分的炭化」と分類し、一方
元素状炭素含有量91乃至98重量%の繊維を「炭化」
と分類し、そして元素状炭素含有量が98重量係を超え
る繊維を「黒鉛」と分類している。
For example, Schmidt and Jones have
Fibers made at temperatures between 0°F and 1,700°F are classified as partially carbide or carbide, while fibers processed at temperatures between 2.704 and 2,982°C (4,900 and 5,400°F) Similarly, fibers with an elemental carbon content of up to 90% by weight are classified as "partially carbonized," while fibers with an elemental carbon content of 91 to 98% by weight are "carbonized."
Fibers with an elemental carbon content of more than 98% by weight are classified as "graphite."

(シュミット、デー・エル・およびジョンズ、ダブリュ
ー・シー・著、[炭素基繊維強化プラスチック″Car
bon−B ase F 1berReinforce
d P 1astics ”j、AFML、WPAFB
、ディトン、オハイオ・ASD−TDR−62−635
゜8月、1962)。
(Schmidt, D.L. and Johns, W.C., [Carbon-Based Fiber Reinforced Plastics"Car
bon-Base F 1berReinforce
d P 1astics ”j, AFML, WPAFB
, Deaton, Ohio ASD-TDR-62-635
゜August, 1962).

しかしながらこのような分類法は繊維の実際の結晶構造
を考慮に入れていない。
However, such classification methods do not take into account the actual crystal structure of the fibers.

したがって、たとえばこのような分類法では「黒鉛(1
,1繊維は、たとえ「非黒鉛化」前駆物質からつくった
もので多結晶黒鉛の特徴である三次元的結晶構造を実質
的に欠如していても、非常な高温で処理したもの、ある
いは元素状炭素含量が非常に大きいものであることにな
る。
Therefore, for example, in this classification method, "graphite (1
, 1 fibers, even though they are made from "non-graphitized" precursors and thus essentially lack the three-dimensional crystalline structure characteristic of polycrystalline graphite, are processed at very high temperatures or This means that the carbon content is very large.

レーヨンおよびアクリル繊維を2,500乃至3.00
0℃およびそれ以上の高温で処理することによってつく
った高モジュラス、高強度炭素繊維は、温度の増加につ
れである初期の黒鉛に似た特性たとえば高密度、高炭素
含有量および低電気抵抗を示すが、前述したようにこの
繊維は多結晶黒鉛の三次元的配列構造を十分に示すこと
が出来ない。
Rayon and acrylic fibers from 2,500 to 3.00
High modulus, high strength carbon fibers made by processing at elevated temperatures of 0°C and above exhibit properties similar to pristine graphite, such as high density, high carbon content, and low electrical resistance as temperature increases. However, as mentioned above, this fiber cannot sufficiently exhibit the three-dimensional array structure of polycrystalline graphite.

繊維を、実質的に全てが炭素になった繊維を生成するの
に十分な高い温度たとえば約i、ooooCに加熱する
と、多核芳香族環をなして配夕1ルかつ互いに平行に積
層した炭素原子の平面が繊維内で徐々に発達してくる。
When the fiber is heated to a temperature high enough to produce a fiber that is essentially all carbon, e.g. about planes gradually develop within the fiber.

約1,000℃以上にさらに加熱すると、これらの積層
体または微結晶は、他の微結晶と合体することによりま
たは周囲の未組織炭素原子を組込むことにより成長し続
けて寸法が大きくなり、そしていわゆる「黒鉛化」温度
に加熱すると微結晶内の層平面は幾らか相互回転および
変位して自から再配列し始める。
Upon further heating above about 1,000° C., these stacks or crystallites continue to grow and increase in size by coalescing with other crystallites or by incorporating surrounding unorganized carbon atoms, and Upon heating to so-called "graphitization" temperatures, the layer planes within the crystallites begin to rearrange themselves with some mutual rotation and displacement.

しかしながら、微結晶成長および微結晶内の層面の回転
は極めて小さく、生成する微結晶は小さい乱層構造(t
urbostratic )、すなわち微結晶内の層平
面は互いにすべて実質的に平行であるが、これらの層(
すなわち、炭素原子が一平面に平行に密に配列した層)
は互いに回転的に太きくずれた状態にある。
However, the growth of microcrystals and the rotation of the layer planes within the crystallites are extremely small, and the resulting microcrystals have a small turbostratic structure (t
urbostratic), i.e. the layer planes within the crystallite are all substantially parallel to each other, but these layers (
In other words, a layer in which carbon atoms are densely arranged in parallel in one plane)
are rotationally offset from each other.

繊維の長手方向に応力を適用(レーヨンの場合高温でま
たはアクリル繊維の場合熱安定化中)すると、繊維内に
いくらかの配向が、それらの微結晶が長手方向の繊維軸
に平行に並ぶことによって生ずるが、各微結晶は高温に
加熱した後でさえもなお乱層構造で多結晶黒鉛の三次元
的配列を実質的に欠いている。
When stress is applied in the longitudinal direction of the fibers (at high temperatures for rayon or during heat stabilization for acrylic fibers), some orientation occurs within the fibers by aligning their crystallites parallel to the longitudinal fiber axis. However, even after heating to high temperatures, each crystallite still has a turbostratic structure and substantially lacks the three-dimensional alignment of polycrystalline graphite.

長手方向の繊維軸に平行な微結晶の好ましい配向は、繊
維に高いモジュラスと強度を賦与するが、各微結晶内の
炭素面が互いにそれ自身配列していないと、繊維が真の
黒鉛特性たとえば高い熱伝導度および電気伝導度を示す
のを妨げる。
The preferred orientation of the crystallites parallel to the longitudinal fiber axis endows the fiber with high modulus and strength, but if the carbon faces within each crystallite do not align themselves with each other, the fiber will have true graphitic properties, e.g. Prevents it from exhibiting high thermal and electrical conductivity.

レーヨンおよびアクリル繊維を2.500乃至3、00
0°Cおよびそれ以上の高温に処理することによってつ
くられた高モジュラス、高強度炭素繊維の繊維微結晶が
高度に好ましく配向していることは、これら繊維のX線
回折像の(001)帯を構成する短い円弧によって明確
に示されている。
Rayon and acrylic fibers from 2.500 to 3.00
The highly preferred orientation of the fiber microcrystals of high-modulus, high-strength carbon fibers produced by treatment at high temperatures of 0°C and higher indicates that the (001) band in the X-ray diffraction images of these fibers clearly indicated by the short circular arcs that make up the .

これら微結晶の乱層構造すなわち微結晶内の平行層が互
いに不整合になっていることは回折像中に112クロス
格子線〔即ち112線、112面反射線〕がないことお
よび広い10回折帯が2つの異なった線100〔100
面反射線〕および101〔101面反射線〕に分解して
いないことによって明らかとなる。
The turbostratic structure of these microcrystals, that is, the parallel layers within the microcrystals are mismatched with each other, is due to the absence of 112 cross grating lines [i.e., 112 lines, 112 plane reflection lines] in the diffraction image and the wide 10 diffraction band. are two different lines 100 [100
This becomes clear because it is not resolved into 101 [plane reflection lines] and 101 [101 plane reflection lines].

微結晶内で三次元的配列が欠如していることはさらに層
平面の比較的大きい層間隔d(炭素微結晶の基礎面間の
距離、繊維のX線回折パターンの002回折線間の距離
から計算される)によって指摘され、これはポリアクリ
ロニトリルまたはレーヨンからつくった繊維の場合3.
4OAを越えることによって示されている。
The lack of three-dimensional alignment within the microcrystals is further explained by the relatively large interlayer spacing d in the layer planes (distance between basal planes of carbon microcrystals, distance between 002 diffraction lines in the X-ray diffraction pattern of the fiber). 3) for fibers made from polyacrylonitrile or rayon.
Indicated by exceeding 4OA.

この測定値はX線回折像の対応する(oog線間の距離
から計算され、アール・イー・フランクリンによって炭
素の非配向層または非配向パラメーターPの割合に関連
づけられた(アール・イー・フランクリン、Acta
Cryst t↓t 253 。
This measurement was calculated from the distance between the corresponding (oog lines of the X-ray diffraction pattern and was related to the proportion of the non-oriented layer of carbon or the non-oriented parameter P by R. E. Franklin, R. E. Franklin, Acta
Cryst t↓t 253.

1951)。1951).

(1)フランクリンによって示された関係に基づくと、
ポリアクリロニトリルまたはレーヨンのいずれからかつ
くった繊維の非配合パラメーターPは0.7を越える。
(1) Based on the relationship shown by Franklin,
The non-compounding parameter P for fibers made from either polyacrylonitrile or rayon is greater than 0.7.

3,000°Cの熱処理を受けた後、層間隔d。After undergoing heat treatment at 3,000°C, the layer spacing d.

o2が3.4OAより大きいか、または非配向パラメー
タPが0.7より大きい炭素はケト黒鉛化」炭素であり
、一方3,000℃の熱処理を受けた後、層間隔d。
Carbons with o2 greater than 3.4 OA or non-orientation parameter P greater than 0.7 are "ketographitized" carbons, while after undergoing heat treatment at 3,000 °C, the interlayer spacing d.

o2が3.37A以下または非配向パラメーターが0.
4以下の炭素は「良好な黒鉛化」または「黒鉛化性」炭
素であると考えられる(たとえば英国特許第 1220482号明細書参照)。
o2 is 3.37A or less or non-orientation parameter is 0.
Carbons below 4 are considered to be "well graphitizing" or "graphitizable" carbons (see for example GB 1220482).

((1)非配向層の割合Pは配向および非配向の無作為
な分布を仮定して112線から計算した。
((1) The proportion P of non-oriented layers was calculated from line 112 assuming a random distribution of oriented and non-oriented layers.

つぎにこの測定値を2つの配向間で分離された配向また
は非配向での3.354A、配向群のどちらかの側かの
第1配向での3.399Aおよび他のすべての配向での
3.440Aの3つの層間隔しか存在しないと仮定して
層間隔d。
We then combined this measurement with 3.354A for the oriented or non-oriented separated between the two orientations, 3.399A for the first orientation on either side of the group of orientations, and 3.399A for all other orientations. Layer spacing d assuming that there are only three layer spacings of .440A.

o2に関連させた。)約3.4OAより大きな層間隔お
よび約0.7より大きな非配向パラメーターを有する他
に、レーヨンおよびアクリル繊維を2.500乃至3,
000°Cおよびそれ以上の温度に処理してつくった高
モジュラス、高強度炭素繊維の微結晶は、「黒鉛性炭素
」の特徴である微結晶寸法すなわち500A以上の層寸
法Laおよび微結晶厚さく 5tack hei−gh
t ) L c (微結晶の厚さ、繊維のX線回折像の
002回折線の幅のマイクロデンシトメーターの走査に
より測定される)を示し得ないという点で「非黒鉛性」
であると考えられる。
Related to o2. ) In addition to having a layer spacing greater than about 3.4 OA and a non-orientation parameter greater than about 0.7, rayon and acrylic fibers are
The microcrystals of high modulus and high strength carbon fibers produced by processing at temperatures of 000°C and above have the characteristics of "graphitic carbon", that is, the layer size La of 500A or more and the microcrystal thickness. 5tack hei-gh
t) "Non-graphitic" in that it cannot exhibit Lc (microcrystalline thickness, measured by microdensitometer scanning of the width of the 002 diffraction line in the X-ray diffraction image of the fiber).
It is thought that.

即ち、これら物質の微結晶の見掛けの層寸法Laは20
0Aを越えず、一方見掛けの微結晶の厚さLcは100
Aを越えない。
That is, the apparent layer size La of the microcrystals of these substances is 20
0A, while the apparent microcrystalline thickness Lc is 100
Do not exceed A.

寸法が小さいためこれら微結晶は普通の偏光顕微鏡技術
で1,000倍に拡大して検出することは出来ない〔倍
率i、oooの標準偏光顕微鏡の最大解像力は1ミクロ
ンの数十分の1ζこ過ぎない(1ミクロン−10,0O
OA)。
Due to their small size, these microcrystals cannot be detected using ordinary polarized light microscopy techniques at 1,000 times magnification [the maximum resolving power of a standard polarized light microscope with magnification i, ooo is 1ζ a few tenths of a micron]. Not too much (1 micron - 10,00
OA).

したがって、1.0OOAまたはそれ以下の寸法の微結
晶はこの技術では検出することが出来ない〕。
Therefore, microcrystals with dimensions of 1.0 OOA or less cannot be detected with this technique].

ジャックソンおよびマルジョラム(ジャックソン、ピー
・ダブリュー・およびマルジョラム、リュー・アール・
、Nature 、 218巻、83−84頁、4月6
1E]、1968年)は重合体繊維を最高1、.000
℃まで制御熱分解してつくった「炭化」繊維およびさら
に最高2.700℃まで処理してつくった「黒鉛化」繊
維は、ニッケルで被覆して1.000℃以上に加熱する
ことによって再結晶し広範囲の三次元的配列と微結晶寸
法500Aの黒鉛化繊維をつくることが出来るが、この
ような再結晶化は繊維強度の急激な低下を伴うと報告し
ている。
Jackson and Marjoram (Jackson, P.W. and Marjoram, R.W.
, Nature, vol. 218, pp. 83-84, April 6
1E], 1968) used polymer fibers up to 1, . 000
"Carbonized" fibers made by controlled pyrolysis down to 1,000 degrees Celsius and "graphitized" fibers made by further processing up to 2,700 degrees Celsius can be recrystallized by coating them with nickel and heating them to over 1,000 degrees Celsius. Although it is possible to produce graphitized fibers with a wide range of three-dimensional arrangements and a crystallite size of 500 A, it has been reported that such recrystallization is accompanied by a rapid decrease in fiber strength.

もちろん弱められた繊維はニッケル被覆から分離し難く
、製造費が法外に高価でかつ高い強度対重量比およびモ
ジュラス対重量比の複合体をつくるのに不適当である。
Of course, weakened fibers are difficult to separate from the nickel coating, are prohibitively expensive to manufacture, and are unsuitable for making high strength-to-weight and modulus-to-weight composites.

レーヨンおよびアクリル繊維の外に、炭素織物の前1駆
物質として種々の天然および合成ピッチが示唆されて来
た。
In addition to rayon and acrylic fibers, various natural and synthetic pitches have been suggested as precursors for carbon fabrics.

これらの物質は炭素含有量が高く、紡糸可能な溶融物を
形成することができるため、炭素繊維の製造に適当であ
るか、ピッチの熱可塑性のために最初に繊維を熱硬化し
て炭化中にフィラメント形を保持せしめることなしには
ピッチから延伸した繊維を炭化することは不可能である
These materials have a high carbon content and can form spinnable melts, making them suitable for the production of carbon fibers or, due to the thermoplastic nature of the pitch, first thermosetting the fibers during carbonization. It is not possible to carbonize fibers drawn from pitch without causing the fibers to retain their filament shape.

熱硬化は一般に繊維を空気中または他の酸素含有雰囲気
中で不融解性になるまで長時間加熱することによって達
成される。
Heat curing is generally accomplished by heating the fiber in air or other oxygen-containing atmosphere for an extended period of time until it becomes infusible.

しかしながら、このような処理は繊維を不融解性にする
ばかりでなく、またその後の熱処理中の微結晶の成長お
よび配列を妨害し、その結果繊維の黒鉛構造が発達する
のを妨げる。
However, such treatment not only renders the fiber infusible, but also hinders the growth and alignment of crystallites during subsequent heat treatment, thereby preventing the development of the graphitic structure of the fiber.

したがって生成する炭素繊維は、通常高繊維モジュラス
に伴う繊維軸に沿った高度の微結晶配向をもたない小さ
な乱層構造の微結晶から構成される。
The resulting carbon fibers are therefore composed of small turbostratic crystallites without the high degree of crystallite orientation along the fiber axis that usually accompanies high fiber modulus.

ピッチから炭素繊維を製造する課題についての最初の刊
行物(オクニ、ニス・著、「溶融熱分解生成物からの炭
素繊維について」、カーボン、131−38,1965
)は、市販のピッチたとえばコールタールピッチまたは
石油ピッチを取扱っておらず、ポリ塩化ビニルを窒素雰
囲気中で約400〜415℃で30分またはそれ以上の
時間熱分解してつくった特別のピッチを増扱っている。
The first publication on the problem of producing carbon fibers from pitch (Okuni, N., "On carbon fibers from molten pyrolysis products", Carbon, 131-38, 1965)
) does not carry commercially available pitches such as coal tar pitch or petroleum pitch, but instead sells special pitches made by pyrolyzing polyvinyl chloride at approximately 400-415°C for 30 minutes or more in a nitrogen atmosphere. We are handling more.

この方法は、このようなピッチを溶融紡糸して繊維をつ
くり、この繊維をオゾンで70°C以下および(または
)空気中で最高260℃まで酸化して不融解性繊維を形
成し、次にこの繊維を窒素雰囲気中で500〜1,35
0℃で炭化して酸素繊維をつくることを提案している。
This method involves melt spinning such pitch into fibers, oxidizing the fibers in ozone below 70°C and/or in air up to 260°C to form infusible fibers, and then 500 to 1,35 in a nitrogen atmosphere.
It is proposed to carbonize at 0°C to create oxygen fibers.

このようにしてつくられた繊維はガラス質炭素から構成
されているが、最高約18×106g/C績(256,
000psi)の引張強さが報告されている。
The fibers made in this way are composed of vitreous carbon, and have a maximum weight of approximately 18 x 106 g/C (256,
Tensile strengths of 0,000 psi) have been reported.

しかしながら、このような繊維で得られる最高モジュラ
スは、明らかに繊維内の微結晶配向が欠如しているため
、5×1085’/era (8X 106psi )
より低かった。
However, the highest modulus obtainable with such fibers is 5 x 1085'/era (8X 106 psi), apparently due to the lack of crystallite orientation within the fibers.
It was lower.

塩素吉トルエンの反応によりベンジルクロリドを製造す
る際の副生物として生成する残留クール物質を出発物質
として用いた場合、はとんど同一の繊維が得られたと云
われている。
It is said that almost identical fibers were obtained when the residual cool material produced as a by-product in the production of benzyl chloride by the reaction of chlorychitoluene was used as the starting material.

近年、石油アスファルトおよびコールタールピッチから
紡糸した炭素繊維の製造および特性がオタニによって論
じられた(オタニ、ニス・、ヤマダ、チー・、コイクバ
シ、チー・およびヨコヤマ、ニー・著、rMP炭素繊維
の原料物質について」、カーボン、↓2425−432
、1966 )。
Recently, the production and properties of carbon fibers spun from petroleum asphalt and coal tar pitch were discussed by Otani (Otani, Nis, Yamada, Qi, Koikubashi, Qi, and Yokoyama, Nie), Raw Materials for rMP Carbon Fibers. About Matter”, Carbon, ↓2425-432
, 1966).

これらの物質は最初に約380°Cで60分間乾溜(ピ
ッチに窒素ガスを泡立たせて)し、ついで380℃また
はそれ以下の温度で60−80分真空蒸溜した後200
乃至370°Cの温度で繊維に紡糸した。
These materials were first dry distilled (by bubbling nitrogen gas through the pitch) at about 380°C for 60 minutes, then vacuum distilled for 60-80 minutes at 380°C or below, followed by 200°C.
The fibers were spun at temperatures between 370°C and 370°C.

コールタールピッチの場合、高速度紡糸性を改良するた
め、ジクミルペルオキシド添加後窒素下でさらに280
℃で加熱することが必要であった。
In the case of coal tar pitch, to improve high-speed spinnability, an additional 280 min.
It was necessary to heat at °C.

紡糸繊維をオゾン中で60乃至70℃で酸化し、ついで
空気中で260°Cに加熱することによって不融解性に
し、ついで窒素雰囲気中でi、ooooCに加熱するこ
とによって炭化した。
The spun fibers were oxidized in ozone at 60-70°C, then made infusible by heating to 260°C in air, and then carbonized by heating to i,ooooC in a nitrogen atmosphere.

石油アスファルトから延伸した繊維の特性は、ポリ塩化
ビニルピッチからつくった繊維のそれと同様であったが
、コールタールピッチからつくった繊維は強度がより低
く、一層紡糸し難かった。
The properties of fibers drawn from petroleum asphalt were similar to those of fibers made from polyvinyl chloride pitch, but fibers made from coal tar pitch were less strong and more difficult to spin.

石油アスファルトおよびコールタールピッチの混合物か
らつくった繊維は、コールタールピッチからつくった繊
維より石油アスファルトからつくった繊維に類似してい
た。
Fibers made from a mixture of petroleum asphalt and coal tar pitch were more similar to fibers made from petroleum asphalt than fibers made from coal tar pitch.

さらに近年、ハウソーンその他等は石油アスファルトお
よび他のピッチからオクニその他等が用いた方法と同じ
方法でつくった炭素繊維の引張強さおよびヤング率は繊
維を2,000乃至2,8000Cの温度で延伸するこ
とによって250X103psiおよび一7X106p
siから各々375X10”psiおよび70X106
psiに上げることか出来ると報告した(ハウソーン
、エッチ・エム・、ベーカー、シー・、ベンタル、アー
ル・エッチ・、およびリンガ−、チー・アール・、[ピ
ッチからの高強度、高モジユラス黒鉛繊維j 、Nat
uret227.946−947.8月29日、197
0)。
More recently, Hawthorn et al. have shown that the tensile strength and Young's modulus of carbon fibers made from petroleum asphalt and other pitches by the same method used by Okuni et al. have been determined by stretching the fibers at temperatures between 2,000 and 2,8000 C. By 250X103psi and one 7X106p
si to 375X10”psi and 70X106 respectively
psi (Hawthorne, H.M., Baker, C., Bentall, R.H., and Ringer, C.R., [high strength, high modulus graphite fibers from pitch] , Nat
uret227.946-947.August 29, 197
0).

このようζこしてつくった繊維の構造はレーヨンおよび
ポリアクリロニl−IJル「黒鉛」繊維で従来観察され
た構造と類似すると云われた。
The structure of the fibers produced in this way was said to be similar to that previously observed in rayon and polyacrylonyl "graphite" fibers.

しかしながら、これら初期の前駆物質から誘導された繊
維の場合、繊維に長手方向の応力を適用すると長手方向
軸に平行な繊維微結晶の高度の配向が生じるが、各微結
晶は乱層構造のままであり、多結晶黒鉛に特徴的な三次
元的配列を実質的に欠いている。
However, for fibers derived from these initial precursors, applying longitudinal stress to the fibers results in a high degree of orientation of the fiber crystallites parallel to the longitudinal axis, but each crystallite remains in a turbostratic structure. It substantially lacks the three-dimensional arrangement characteristic of polycrystalline graphite.

さらlこ近年の報告で、ハウソーンはピッチおよび類似
の前1駆物質から誘導したガラス質炭素繊維の高温延伸
することによってつくった繊維の構造について一層完全
に論じている(ハウソーン、エッチ・エム、「引張り一
黒鉛化ガラス質炭素繊維の構造と特性」、“炭素繊維、
その複合体および用途に関する国際会議″、プラスチッ
クス・インステイチュート、論文/I6.13.13/
113/ 13、ロンドン、1971 )。
In a recent report, Hawthorne more fully discusses the structure of fibers made by hot drawing of vitreous carbon fibers derived from pitch and similar precursors (Hawthorne, H.M.; “Structure and properties of tensile graphitized vitreous carbon fiber”, “Carbon fiber,
``International Conference on Composites and Applications'', Plastics Institute, Paper/I6.13.13/
113/13, London, 1971).

これら繊維の特徴であるX線回折は、(OO1)線およ
びhk帯以外の反射が存在せず、これはこれら繊維の乱
層構造の性質と一致するという点でポリアクリロニトリ
ル−およびレーヨンを基にした繊維と一般に類似である
き云われている。
The X-ray diffraction characteristic of these fibers is based on polyacrylonitrile and rayon in that there are no reflections other than the (OO1) line and hk band, which is consistent with the turbostratic nature of these fibers. It is generally said that the fibers are similar to

繊維微結晶はガラス質炭素の特徴である大きなd−間隔
(≧3.4OA)および小さな見掛は微結晶寸法(La
≦136 A t L c≦145A)を有することが
示された。
The fiber crystallites have large d-spacing (≧3.4OA) and small apparent crystallite size (La
≦136 A t L c ≦145 A).

最高30OAの幅と直径800−90OAの粒状領域を
有するフィブリルが指摘されている。
Fibrils with granular areas of widths up to 30 OA and diameters of 800-90 OA have been noted.

オタニ他等はさらに繊維軸に平行な炭素結晶の高度の好
ましい配向を有する炭素繊維が、ピッチ物質から延伸し
た繊維にハウソーン他等の方法で高温度で応力を適用す
ることによって得ることが出来るばかりでなく、また応
力の適用なしにテトラベンゾフェナジンからつくった高
度に配向された分子を有するピッチからも得ることが出
来ると報告している(オクニ、ニス・、コクボ、ワイ・
、コイタバシ、チー・、「ピッチ物質から高度に配向し
た炭素繊維の製造」、ブレティン・オブ・ザ・ケミカル
・ソサイアテイ・オブ・ジャパン、43゜3291−3
292.10月、1970)。
Otani et al. further show that carbon fibers with a highly preferred orientation of the carbon crystals parallel to the fiber axis can be obtained by applying stress at high temperatures to fibers drawn from pitch materials as in Hawthorne et al. reported that it can also be obtained from pitch with highly oriented molecules made from tetrabenzophenazine without the application of stress (Okuni, Nis, Kokubo, Y).
, Koitabashi, Chi., "Production of highly oriented carbon fibers from pitch materials", Bulletin of the Chemical Society of Japan, 43°3291-3.
292. October, 1970).

しかしながら、このような繊維の製造方法は開示されて
いない。
However, a method for manufacturing such fibers is not disclosed.

このようなピッチからつくった繊維は高度に配向してい
ることが報告されたが、このような繊維は黒鉛状構造を
有することまたは高温での応力適用によってピッチ前1
駆物質から以前につくった高配向炭素繊維と如何に異な
るかは指摘されていない。
Fibers made from such pitches have been reported to be highly oriented, but such fibers may have a graphitic structure or the application of stress at high temperatures may cause the pre-pitch
It is not pointed out how this differs from highly oriented carbon fibers previously made from precursor materials.

したがって、ピッチ物質は高温熱処理によって等方性構
造から高度に配向した分子のドメイン((domain
) ) ’物理学で用いられている技術用語で、三次
元領域において、その領域内の分子が、その領域をとり
囲んでいる分子よりもより強く高度にお互いに同方向に
配夕lルた三次元領域を示す〕を含有する構造に変換出
来るこ吉は周知であるが(ブルークス、ジエー・デー・
、およびティラー、ジー・エッチ・著、「ある黒鉛化炭
素の形成」、ケミストリ・アンド・フィジックス・オブ
・カーボン、第4巻、マーセルデツカ−、インコーホレ
ーテッド、ニューヨーク、1968゜243−268頁
;ホワイト、ジエー・アール・、グスリー、ジー・エル
・、およびガードナー、ジエー・オー・著、「炭化コー
ルタールピッチのメソフェーズ微細構造」、カーボン、
5,517゜1968;およびシュボイス、ジエー・、
アガチェ、シー・およびホワイト、ジエー・エル・著「
黒鉛化可能有機物質の熱分解で形成された炭素質メソフ
ェーズ」、メタログラフィ、3,337−369,19
70)、このような物質を多結晶黒鉛の特徴である三次
元結晶構造を有する炭素繊維に変換する方法は報告され
ていない。
Therefore, pitch materials change from an isotropic structure to highly oriented molecular domains (domain
) 'A technical term used in physics that refers to a three-dimensional region in which the molecules within that region are more strongly and highly aligned with each other in the same direction than the surrounding molecules. It is well known that Kokichi can be converted into a structure containing [indicating a three-dimensional region] (Brooks, G.D.
, and Tiller, G. H., "Formation of Certain Graphitized Carbons," Chemistry and Physics of Carbon, Volume 4, Marcel Detzker, Inc., New York, 1968, pp. 243-268; White, G.R., Guthrie, G.L., and Gardner, G.O., "Mesophase Microstructure of Carbonized Coal Tar Pitch," Carbon,
5,517°1968; and Chebois, J.
Agache, C. and White, G.L.
"Carbonaceous mesophase formed by pyrolysis of graphitizable organic materials", Metallography, 3, 337-369, 19
70), no method has been reported for converting such materials into carbon fibers having the three-dimensional crystal structure characteristic of polycrystalline graphite.

このような構造を有する炭素繊維はいまなお知られてお
らず、現在迄高温延伸にしろまたは応力をかけずに高度
に配向したピッチ前駆物質から直接作るにしろ、ピッチ
前1駆物質から誘導した高モジュラス、高強度炭素繊維
はすべてレーヨンまたはアクリル前駆物質からつくった
高モジュラス、高強度炭素繊維と構造がほとんど異らな
い。
Carbon fibers with such a structure are still unknown, and to date, carbon fibers derived from pre-pitch precursors have not been produced either by high-temperature drawing or directly from highly oriented pitch precursors without applying stress. All high modulus, high strength carbon fibers differ little in structure from high modulus, high strength carbon fibers made from rayon or acrylic precursors.

このような繊維はすべて、前駆物質にかかわらず、主に
繊維軸に平行に配列された炭素微結晶が存在することを
特徴とするが、いずれの繊維も多結晶黒鉛の特徴である
三次元的配列はもっていない。
All such fibers, regardless of their precursor, are characterized by the presence of carbon microcrystals arranged primarily parallel to the fiber axis, but all fibers exhibit the three-dimensional structure characteristic of polycrystalline graphite. It doesn't have an array.

本発明によれば、分子が繊維軸に平行に高度に好ましい
配向をしている炭素繊維(紡糸されたままのピッチ繊維
)が、部分的に液晶またはいわゆる「メソフェーズ」状
態に変換されたある適当な炭素質ピッチからたとえば溶
融紡糸技術によって紡糸することが出来、かつこのよう
な繊維をさらに熱処理することによって高い弾性ヤング
率と高い引張強さとを有する炭素繊維(加熱により水素
および他の揮発分が除去されて炭化された後の繊維)に
変換出来ることが見出された。
According to the invention, carbon fibers (as-spun pitch fibers) with a highly preferred orientation of the molecules parallel to the fiber axis are produced in a suitable manner, partially converted into a liquid crystal or so-called "mesophase" state. Carbon fibers that can be spun from carbonaceous pitch, for example by melt-spinning techniques, and which have a high elastic Young's modulus and high tensile strength by further heat-treating such fibers (heating removes hydrogen and other volatiles) It has been found that it can be converted into fibers after being removed and carbonized.

このようにしてつくられた炭素繊維は主に繊維軸に平行
に配列した炭素微結晶の存在によって特徴づけられる高
度に配向した構造を有するばかりでなく、また黒鉛化温
度に加熱した場合多結晶黒鉛に特徴的な三次元的配列お
よびそれに附随する黒鉛に似た特性たとえば高密度およ
び低電気抵抗を示すようになる。
The carbon fibers produced in this way not only have a highly oriented structure, characterized mainly by the presence of carbon microcrystals arranged parallel to the fiber axis, but also produce polycrystalline graphite when heated to graphitization temperatures. exhibits a characteristic three-dimensional arrangement and associated graphite-like properties such as high density and low electrical resistance.

延伸状態から黒鉛化状態へ至る発展段階のすべてにおい
て、繊維は、主に繊維軸に平行に配列した大きな細長い
配向黒鉛化可能ドメインを有することを特徴とする。
At all stages of development from the drawn state to the graphitized state, the fiber is characterized by large elongated oriented graphitizable domains arranged primarily parallel to the fiber axis.

周知のように、天然ピッチは、ある石油たとえばペンシ
ルバニャ原油から誘導したあるまれなパラフィン系ピッ
チを除いて溶融環状芳香族炭化水素から本質的につくら
れた有機化合物の複雑な混合物であり、したがって芳香
族を基礎とすると云われている。
As is well known, natural pitch is a complex mixture of organic compounds made essentially from molten cyclic aromatic hydrocarbons, with the exception of some rare paraffinic pitches derived from some oils, such as Pennsylvanian crude oil, and thus It is said to be based on aromatics.

これら有機化合物を構成する分子は比較的小さく(平均
分子量数百以下)かつ相互作用が弱いので、このような
ピッチは本来等方性である。
Since the molecules constituting these organic compounds are relatively small (average molecular weight of several hundred or less) and have weak interactions, such pitches are isotropic in nature.

これらピッチを静的条件下(撹拌を行わない条件下)で
約350−450℃で、しかも一定の温度かあるいは徐
々に温度を上げて加熱すると、小さな不溶性液体法がピ
ッチ中に現われ始め、加熱し続けると寸法が徐々に増大
する。
When these pitches are heated under static conditions (without agitation) at about 350-450°C, either at a constant temperature or gradually increasing the temperature, small insoluble liquid particles begin to appear in the pitch; If you continue to do so, the dimensions will gradually increase.

電子回折および偏光顕微鏡で調べると、これらの球は同
方向に配夕1ルた配向分子の層からなることが示される
Examination by electron diffraction and polarized light microscopy shows that these spheres consist of layers of oriented molecules oriented in the same direction.

これらの球は加熱し続けるにつれつ寸法が成長し続ける
ので、球は互いに接触して徐々に互いに合体し配列層の
大きな塊になる。
As these spheres continue to grow in size as they continue to heat up, the spheres touch each other and gradually coalesce together into a large mass of aligned layers.

合体が続くと、最初の球よりははるかに犬きり配列分子
のドメインが形成される。
As coalescence continues, domains of molecules that are much more dog-shaped than the initial spheres are formed.

これらのドメインは互いに集まってバルクメソフェーズ
(bulk mesophase )を形成し、このメ
ンフェーズでは1つの配向ドメインから他のドメインへ
の転移が時には徐々に曲線をなす薄層を介して滑らかに
かつ連続的に起り、また時にはより鋭く曲線をなす薄層
を介して起る。
These domains come together to form a bulk mesophase, in which the transition from one orientational domain to another occurs smoothly and continuously, sometimes through gradually curved thin layers. and sometimes through more sharply curved laminae.

ドメイン間の配向の差異は、このトルクメソフェーズ中
で、分子配列が種々の配列により線的に不連続になるの
に相当して偏光に消光輪郭部を有する複雑な列を形成す
る。
Differences in orientation between domains form complex arrays in this torque mesophase with extinction contours in polarization corresponding to linear discontinuities of molecular alignment with different alignments.

生成する配向ドメインの究極的サイズは、ドメインを形
成しているメソフェーズの粘度および粘度の増加率に依
存し、メンフェーズの粘度およびその増加率は特定のピ
ッチおよび加熱速度に依存する。
The ultimate size of the resulting oriented domains depends on the viscosity of the mesophase forming the domain and the rate of increase in viscosity, which in turn depends on the particular pitch and heating rate.

あるピッチでは、サイズ200乃至数百ミクロンのドメ
インが形成される。
At some pitches, domains from 200 to several hundred microns in size are formed.

他のピッチではメンフェーズの粘度は、最終ドメインサ
イズが100ミクロンを越えない位の限られた層の合体
および構造再配列しか起きないような粘度である。
For other pitches, the viscosity of the menphase is such that only limited layer coalescence and structural rearrangement occurs such that the final domain size does not exceed 100 microns.

ピッチをこのように処理してつくった高度に配向した光
学的に異方性の不溶解性物質は「メンフェーズ」と呼ば
れ、この物質を含有するピッチは「メンフェーズピッチ
」として知られている。
The highly oriented, optically anisotropic, insoluble material produced by treating pitch in this way is called "menphase", and the pitch containing this material is known as "menphase pitch". There is.

このようなピッチは軟化点以上に加熱すると2つの混和
し得ない液体、すなわち1つの光学的異方性配向メソフ
ェーズ部分ともう1つの等方性非メソフェーズ部1分の
混合物になる。
Such pitch, when heated above its softening point, becomes a mixture of two immiscible liquids, one optically anisotropically oriented mesophase portion and one isotropic non-mesophase portion.

「メンフェーズ」という言葉はギリシャ語の「メンス」
または「中間体」という言葉から由来するもので、この
高度に配向した光学的異方性物質の凝結品性を指す。
The word "menphase" comes from the Greek word "mens"
It is derived from the word "intermediate" and refers to the solidified nature of this highly oriented, optically anisotropic material.

メンフェーズ含有量が約40乃至約90重量%の炭素質
ピッチは、本発明により多結晶黒鉛に特徴的な三次元的
配列を発達させることができる高度に配向した炭素質繊
維の製造に適当である。
Carbonaceous pitch having a menphase content of about 40 to about 90% by weight is suitable for the production of highly oriented carbonaceous fibers capable of developing the three-dimensional alignment characteristic of polycrystalline graphite according to the present invention. be.

しかしながら、このようなピッチから所望の繊維を得る
ためには、ピッチに含有されるメソフェーズは静止条件
下で大きな合体ドメイン(coales=ced do
main )すなわち粒径が200乃至数百ミクロンの
配列分子ドメインを有する均質なバルクメソフェーズを
形成しなければならない。
However, in order to obtain the desired fibers from such pitches, the mesophase contained in the pitches must form large coalescing domains (coales = ced do
(main), that is, a homogeneous bulk mesophase having aligned molecular domains with a particle size of 200 to several hundred microns must be formed.

大きな合体ドメインではなく小さな配向ドメインを有し
、静止条件下で繊維状のバルクメソフェーズを形成する
ピッチは不適当である。
Pitches that have small oriented domains rather than large coalescent domains and form fibrous bulk mesophases under static conditions are unsuitable.

このようなピツチは200ミクロン以上のサイズの大き
な合体ドメインを形成するには不十分な限られた合体し
か起さない高粘度のメンフェーズを形成する。
Such pitches form highly viscous menphases that undergo only limited coalescence, insufficient to form large coalesced domains of size greater than 200 microns.

その代り、小さな配向ドメインのメソフェーズは凝集し
て最終ドメインサイズが100ミクロンを越えない塊ま
たは繊維状塊を形成する。
Instead, the mesophase of small oriented domains aggregates to form clumps or fibrous masses with a final domain size of no more than 100 microns.

非常に急速に重合するあるピッチはこの種類である。Certain pitches are of this type that polymerize very rapidly.

同様に、均質なバルクメソフェーズを形成しないピッチ
は不適当である。
Similarly, pitches that do not form a homogeneous bulk mesophase are unsuitable.

後者の現象は、合体するメソフェーズによって包囲され
、かつ合体ドメインの均質性および均一性を阻止する働
きをする不融解性固体(原ピッチ中に存在するかまたは
加熱の際生成した)およびそれらの間の境界の存在によ
って引起される。
The latter phenomenon is caused by the presence of infusible solids (present in the original pitch or formed during heating) and between them that are surrounded by the coalescing mesophase and serve to prevent the homogeneity and uniformity of the coalescing domains. is caused by the existence of boundaries.

以上の如くメンフェーズ、バルクメソフェーズおよびド
メイン等に関連して本発明を説明したが、更に要約して
それらの関連を説明する。
As mentioned above, the present invention has been explained in relation to menphase, bulk mesophase, domain, etc., but the relationship among them will be further summarized and explained.

ピッチを例えば約400℃の温度に加熱すると、小さな
メンフェーズの球が現われ、時間と共に次第に大きさを
増していく。
When pitch is heated to a temperature of, for example, about 400° C., small spheres of menphase appear, which gradually increase in size over time.

これ等の球はその形成温度では液体状態であって芳香族
分子の層状に積み重なったものからなる。
These spheres are in a liquid state at their formation temperature and consist of layered stacks of aromatic molecules.

各法はその形成温度では配向した液体を構成し、その配
向液体に対する用語は一般に「液晶」であり、ピッチに
関しては「メソフェーズ」である。
Each method constitutes an oriented liquid at its formation temperature; the term for the oriented liquid is generally "liquid crystal" and for pitch, "mesophase."

メンフェーズ球の濃度が増大するに従って球同志の衝突
が起り、合体して大きな球になり、最後に合体したメン
フェーズの大きな領域が生ずる。
As the concentration of menphase spheres increases, spheres collide with each other, coalesce into larger spheres, and finally produce large areas of coalesced menphase spheres.

合体メンフェーズの大きな領域が「バルクメソフェーズ
」である。
The large region of the coalescent mesophase is the "bulk mesophase."

バルクメソフェーズが均質であるならば、即ち固体又は
液体の異物の相が含まれていないならばバルクメソフェ
ーズは「均質バルクメソフェーズ」と呼ばれる。
If the bulk mesophase is homogeneous, ie, contains no solid or liquid foreign phases, the bulk mesophase is called a "homogeneous bulk mesophase."

「ドメイン」とはバルクメソフェーズの中の比較的小さ
な領域で、そのバルクメソフェーズ中でほぼ同じ配向を
有する分子全部によって区別された小さな領域である。
A "domain" is a relatively small region within the bulk mesophase that is separated by all molecules having approximately the same orientation within the bulk mesophase.

ドメインのサイズすなわち大きさはクロスニコル下での
その物体の像の消光輪郭間の直線距離として技術的に定
義される□。
The size or size of a domain is technically defined as the straight-line distance between the extinction contours of the object's image under crossed Nicols□.

この距離は本質的に、ドメイン中の分子に関し、分子配
向’8H45°回転された輪郭間で測定される。
This distance is essentially measured between the molecular orientation '8H45° rotated contours for the molecules in the domain.

全体的に同じ方向に配向した分子を含むバルクメソフェ
ーズは一つのドメインを構成することにナル。
A bulk mesophase containing molecules oriented in the same direction throughout constitutes a single domain.

従って一つの均質なバルクメソフェーズが一つのドメイ
ンでもあるということもある。
Therefore, one homogeneous bulk mesophase may also be one domain.

通常バルクメソフェーズは二つ以上のドメインを含んで
いる。
Bulk mesophase usually contains two or more domains.

更に簡単に要約すれば、メソフェーズの小球が合体して
、大きな球であるバルクメソフェーズになり、そのバル
クメソフェーズの中で同じ方向に配向した分子を含む領
域がドメインである。
To summarize more simply, mesophase globules coalesce into a bulk mesophase, and a domain is a region within the bulk mesophase that contains molecules oriented in the same direction.

従って、バルクメソフェーズを構成する全ての分子が同
じ方向に配向していれば、そのバルクメソフェーズは一
つのドメインであり、またバルクメソフェーズを構成す
る全ての分子のうちで、囚ある領域の一群の分子は同じ
方向に配向しており、■)他の領域の一群の分子は同じ
方向に配向しているが、その方向は(5)の領域の一群
の分子の方向とは異なる場合は二つのドメインとなる。
Therefore, if all the molecules that make up the bulk mesophase are oriented in the same direction, the bulk mesophase is one domain, and among all the molecules that make up the bulk mesophase, a group of molecules in a certain region are oriented in the same direction, and ■) a group of molecules in another region are oriented in the same direction, but if the direction is different from the direction of the group of molecules in the region (5), then two domains becomes.

従って、バルクメソフェーズを構成する全ての分子のう
ちで、このような状態が複数存在すれば複数のドメイン
が存在することになる。
Therefore, if multiple such states exist among all molecules constituting the bulk mesophase, multiple domains will exist.

通常、バルクメソフェーズは二つ以上のドメインを含ん
でいる。
Usually, bulk mesophase contains two or more domains.

そしてドメインのサイズはクロスニコル下でのその物体
の像の消光輪郭部の直線距離として技術的に定義されて
いる。
The size of a domain is technically defined as the straight-line distance of the extinction contour of the object's image under crossed Nicols.

他の必要条件は、ピッチが繊維への紡糸に使用される条
件下で非チキソトロピー性であること、すなわちピッチ
は流動が均一でかつ良好に挙動するようにニュートン流
動または塑性流動挙動を示すことである。
Another requirement is that the pitch be non-thixotropic under the conditions used for spinning into fibers, i.e. the pitch must exhibit Newtonian or plastic flow behavior such that the flow is uniform and well behaved. be.

このようなピッチを粘度が約10ポイズ乃至約200ポ
イズを示す温度に加熱すると、均質な繊維を容易に紡糸
することが出来る。
When such pitch is heated to a temperature at which the viscosity thereof ranges from about 10 poise to about 200 poise, homogeneous fibers can be easily spun.

他方、紡糸温度でニュートン流動または塑性流動挙動を
示さないピッチでは、その後の熱処理によって多結晶黒
鉛に特徴的な三次元的配列を発達し得る繊維に変換出来
る均質な繊維を紡糸することが出来ない。
On the other hand, pitches that do not exhibit Newtonian or plastic flow behavior at the spinning temperature cannot be spun into homogeneous fibers that can be converted by subsequent heat treatment into fibers that can develop the three-dimensional arrangement characteristic of polycrystalline graphite. .

メンフェーズ含有量約40乃至約90重量%の炭素質ピ
ッチは、公知技術により炭素質ピッチを不活性雰囲気中
で約350℃以上の温度で所望量のメンフェーズを生成
するのに十分な時間加熱することによって製造すること
が出来る。
Carbonaceous pitch having a menphase content of about 40 to about 90% by weight can be obtained by heating carbonaceous pitch in an inert atmosphere at a temperature of about 350° C. or higher for a time sufficient to produce the desired amount of menphase using known techniques. It can be manufactured by

不活性雰囲気とは、使用する加熱条件下でピッチと反応
しない雰囲気たとえば窒素、アルゴン、キセノン、ヘリ
ウム等を意味する。
By inert atmosphere is meant an atmosphere that does not react with the pitch under the heating conditions used, such as nitrogen, argon, xenon, helium, and the like.

所望のメソフェーズ含有量の生成するのに必要な加熱時
間は、使用される特定のピッチおよび温度により変化し
、高温よりは低湿でより長い加熱時間が必要である。
The heating time required to produce the desired mesophase content will vary depending on the particular pitch and temperature used, with longer heating times required at lower humidity than at higher temperatures.

メソフェーズの生成に一般に必要とされる最小湿度の3
50℃では、約40%のメンフェーズ含有量を生成する
には通常少なくとも1週間の加熱が必要である。
The minimum humidity generally required for mesophase formation is 3.
At 50°C, at least one week of heating is usually required to produce a menphase content of about 40%.

約400乃至450℃の湿度では、メソフェーズへの変
換は急速に進み、このような温度では約1−40時間内
で通常50%のメンフェーズ含有量を生じさせることが
出来る。
At humidity levels of about 400-450°C, conversion to mesophase is rapid and can typically produce 50% mesophase content within about 1-40 hours at such temperatures.

このためこのような温度が好ましい。Therefore, such a temperature is preferable.

約500℃以上の温度は望ましくなく、この温度での加
熱はピッチのコークスへの変換を避けるために約5分よ
り長く用いてはならない。
Temperatures above about 500°C are undesirable, and heating at this temperature should not be used for more than about 5 minutes to avoid conversion of pitch to coke.

ピッチがメソフェーズに変換される程度は、偏光顕微鏡
および溶解度検査によって容易に測定することが出来る
The extent to which pitch is converted to mesophase can be easily determined by polarized light microscopy and solubility testing.

最初のピッチ中に存在するか、またはある場合には加熱
により生成するある非メソフェーズ不融解性物を除いて
、ピッチの非メソフェーズ部分は有機溶媒たとえばキノ
リンおよびピリジンに容易に溶解し、一方メンフェーズ
部分は実質的に溶解しない〔あるピッチのキノリンネ溶
解性物(Q・■・)の百分率は75℃でキノリン抽出に
よって測定される。
With the exception of certain non-mesophase infusibles present in the initial pitch or, in some cases, formed upon heating, the non-mesophase portion of the pitch is readily soluble in organic solvents such as quinoline and pyridine, while the mesophase The percentage of quinoline solubles (Q·■·) in a given pitch is determined by quinoline extraction at 75°C.

ピリジン不溶解性物(P・■・)の百分率は沸騰ピリジ
ン(115℃)でソックスレー抽出によって測定される
〕。
The percentage of pyridine insolubles (P·■·) is determined by Soxhlet extraction in boiling pyridine (115° C.)].

加熱の際非メソフェーズ不溶解性物を生成しないピッチ
の場合には、熱処理以前のピッチの不溶解性吻合有量以
上の熱処理ピッチの不融解性物質量がメソフェーズ含有
量に実質的に相当する〔未処理ピッチの不溶解性吻合有
量は一般に1%以下で(あるコールタールピッチを除く
)、大部分厚ピッチに見出されるコークスおよびカーボ
ンブラックからなる〕。
In the case of pitches that do not produce non-mesophase insolubles upon heating, the amount of infusible material in the heat-treated pitch that is greater than or equal to the amount of insoluble anastomoses in the pitch before heat treatment substantially corresponds to the mesophase content [ The insoluble anastomotic content of untreated pitch is generally less than 1% (with the exception of some coal tar pitches) and consists mostly of coke and carbon black found in thick pitches].

加熱の際非メソフェーズ不溶解性物を生成するピッチの
場合では、熱処理前のピッチの不溶解性吻合有量以上の
熱処理ピッチの不溶解性吻合有量は、ピッチのメソフェ
ーズへの変換に基づくのみならず、熱処理中メソフェー
ズと共に生成する非メソフェーズ不溶解性物も表わす。
In the case of pitches that generate non-mesophase insolubles upon heating, the insoluble anastomotic content of the heat-treated pitch, which is greater than or equal to the insoluble anastomotic content of the pitch before heat treatment, is solely based on the conversion of the pitch to mesophase. It also refers to non-mesophase insoluble substances that are generated together with mesophase during heat treatment.

均質な嵩ばったメンフェーズの発達を阻止するに十分な
量の不融解性非メソフェーズ不溶解性物(原ピッチに存
在するかまたは加熱により生成する)を含有するピッチ
は前述したように本発明で使用するのに不適当である。
Pitches containing a sufficient amount of insoluble non-mesophase insolubles (either present in the raw pitch or generated by heating) to inhibit the development of a homogeneous bulky menphase can be used in the present invention as described above. unsuitable for use.

一般に、このような不溶解性物質を約2重量%を超えて
含有するピッチは不適当である。
Generally, pitches containing more than about 2% by weight of such insoluble materials are unsuitable.

不融解性非メソフェーズ不溶解性物が存在するかまたは
存在しないかはもちろん、このような均質なバルクメソ
フェーズ領域が存在するか否かもピッチの偏光顕微鏡検
査によって実際に観察することが出来る〔たとえば、ブ
ルークス、ジエー・デー・およびティラー、ジー・エッ
チ・、(前出)およびデュボイス、ジエ・、アガ゛チェ
シー、およびホワイト、ジエー・エル・、(前出)によ
る文献参照〕。
The presence or absence of insoluble non-mesophase insolubles, as well as the presence or absence of such homogeneous bulk mesophase regions, can actually be observed by polarized light microscopy of pitch [e.g. References Brooks, G.D. and Tiller, G.H., (ibid.) and Du Bois, G.I., Agachessey, and White, G.L., (ibid.)].

これら物質の各々の量もこの方法で実際に測定すること
が出来る。
The amounts of each of these substances can also be actually measured using this method.

炭素含有量約92乃至約96重量%および水素含量約4
乃至約8重量%の芳香族系炭素質ピッチは、一般に本発
明の繊維の製造に使用出来るメンフェーズピッチの製造
に適当である。
Carbon content of about 92 to about 96% by weight and hydrogen content of about 4
Aromatic carbonaceous pitch ranging from about 8% by weight is generally suitable for making menphasic pitch that can be used to make the fibers of the present invention.

炭素および水素以外の元素たとえば酸素、硫黄および窒
素は望ましくなく、したがって約4重量%を超えて存在
してはならない。
Elements other than carbon and hydrogen, such as oxygen, sulfur and nitrogen, are undesirable and therefore should not be present in excess of about 4% by weight.

異質元素がそれより多く存在すると、その後の熱処理中
に炭素結晶の生成が阻害され、これらの物質からつくら
れた繊維内で黒鉛状構造の発達が阻止される。
Higher amounts of foreign elements inhibit the formation of carbon crystals during subsequent heat treatment and prevent the development of graphitic structures within fibers made from these materials.

さらに、異質元素が存在するとピッチの炭素含有量が低
下し、したがって炭素繊維の最終的強度を低下させる。
Furthermore, the presence of foreign elements reduces the carbon content of the pitch and thus reduces the ultimate strength of the carbon fiber.

このような異質元素が約0.5乃至約4重量%の量で存
在すると、ピッチは一般に約92−95重量%の炭素含
量を有し、残部は水素である。
When such foreign elements are present in amounts of about 0.5 to about 4% by weight, the pitch generally has a carbon content of about 92-95% by weight, with the balance being hydrogen.

十分黒鉛化されるピッチである石油ピッチは、本発明の
繊維を製造するのに使用されるメンフェーズピッチの製
造に好ましい出発物質である。
Petroleum pitch, which is a pitch that is highly graphitized, is the preferred starting material for making the menphase pitch used to make the fibers of the present invention.

もちろん石油ピッチは原油の蒸上または石油留出物の接
触分解から得られる残渣炭素質物質である。
Petroleum pitch, of course, is a residual carbonaceous material obtained from the distillation of crude oil or the catalytic cracking of petroleum distillates.

あるピッチたとえばフルオランテンピッチは、加熱する
と非常に急速に重合し、メソフェーズの大きな合体ドメ
インを発達させることができないので、したがって、適
当な前1駆物質ではない。
Certain pitches, such as fluoranthene pitch, polymerize very rapidly when heated and are therefore not suitable precursors because they are unable to develop large coalescing domains of mesophase.

同様に有機溶媒たとえばキノリンまたはピリジンに溶解
しない不融解性非メソフェーズの含有量が高いピッチ、
または加熱すると不溶解性で不融解性の非メソフェーズ
含有量が高くなるピッチは、多結晶黒鉛に特徴的な三次
元的配列を発達できる高度に配向した炭素質繊維を製造
するのに必要な均質な嵩ばったメソフェーズを生成する
ことが出来ないので、前述したように出発物質として使
用すべきではない。
Pitches with a high content of insoluble non-mesophases which are likewise insoluble in organic solvents such as quinoline or pyridine,
Pitch, which is insoluble and has a high non-mesophase content when heated, is the homogeneous material needed to produce highly oriented carbonaceous fibers that can develop the three-dimensional alignment characteristic of polycrystalline graphite. As mentioned above, it should not be used as a starting material since it cannot produce bulky mesophases.

このため、キノリンネ溶解性またはピリジン不溶解性で
不融解性物質を約2重量%(前述の如く測定)より多く
含有するピッチは使用しないか、または加熱してメンフ
ェーズを生成する前に、濾過によりこの物質を除去すべ
きである。
For this reason, pitches that are quinoline-soluble or pyridine-insoluble and contain more than about 2% by weight (measured as described above) of infusible materials are either not used or are filtered before being heated to form menphase. This material should be removed by

このようなピッチは、約1重量%より多い上記不融解性
、不溶解性物質を含有する場合には濾過するのが好まし
い。
Such pitches are preferably filtered if they contain more than about 1% by weight of the above-mentioned infusible, insoluble materials.

大抵の石油ピッチは不融解性、不溶解性物の含有量が低
く、このような濾過をしないで直接用いることが出来る
Most petroleum pitches have a low content of infusible and insoluble materials and can be used directly without such filtration.

メソフェーズを生成させるためJこ、ピッチを350〜
500℃で加熱すると、もちろんピッチはある程度熱分
解し、ピッチ組成は、加熱時間、出発物質の組成および
構造に依存して変化する。
To generate mesophase, set the pitch to 350~
Heating at 500° C. will of course cause some thermal decomposition of the pitch, and the pitch composition will vary depending on the heating time, composition and structure of the starting materials.

しかしながら、一般に炭素質ピッチを約40乃至約90
重量%のメンフェーズ含有量になるのに十分な時間加熱
すると、得られるピッチは約94−96重量%の炭素含
有量と約4−6重量%の水素含有量を有する。
However, generally the carbonaceous pitch is about 40 to about 90
Upon heating for a sufficient period of time to achieve a weight percent menphase content, the resulting pitch has a carbon content of about 94-96 weight percent and a hydrogen content of about 4-6 weight percent.

このようなピッチが炭素および水素以外の元素を約0.
5乃至約4重量%含有する場合、メソフェーズピッチは
一般に約92−95重量%の炭素含有量を有し、残部は
水素である。
Such a pitch contains elements other than carbon and hydrogen at about 0.
When containing 5 to about 4% by weight, mesophase pitch generally has a carbon content of about 92-95% by weight, with the balance being hydrogen.

所望のメンフェーズピッチをつくった後、通常の技術た
とえば溶融紡糸、遠心紡糸、ブロースピニング、または
他の既知の方法で紡糸して繊維にする。
After the desired menphase pitch is created, it is spun into fibers using conventional techniques such as melt spinning, centrifugal spinning, blow spinning, or other known methods.

前述したように、多結晶黒鉛に特徴的な三次元的配列を
発達させることができる高度に配向した炭素質繊維を得
るためには、ピッチは静止条件下で大きな合体ドメイン
を有する均質なバルクメソフェーズを形成し、かつ紡糸
の際使用される条件下で非チキソトロピー性であること
が必要である。
As mentioned above, in order to obtain highly oriented carbonaceous fibers that can develop the three-dimensional alignment characteristic of polycrystalline graphite, the pitch must form a homogeneous bulk mesophase with large coalescent domains under static conditions. and be non-thixotropic under the conditions used during spinning.

さらに、このようなピッチから均質な繊維を得るには、
ピッチを紡糸直前に撹拌してピッチの不混和性メソフェ
ーズと非メソフェーズ部分を効果的に混合しなければな
らない。
Furthermore, to obtain homogeneous fibers from such pitch,
The pitch must be agitated just before spinning to effectively mix the immiscible mesophase and non-mesophase portions of the pitch.

ピッチを紡糸する温度はもちろんピッチが適当な粘度を
示す温度に依存する。
The temperature at which the pitch is spun will of course depend on the temperature at which the pitch exhibits a suitable viscosity.

ピッチの軟化点およびある温度でのその粘度は、ピッチ
のメンフェーズ含有量が増加するにつれて増加するので
、メンフェーズ含有量は、ピッチの軟化点を過度の水準
まで上昇させる点まで増大しないようにしなければなら
ない。
Since the softening point of pitch and its viscosity at a given temperature increases as the menphase content of the pitch increases, the menphase content should not increase to the point of raising the softening point of the pitch to excessive levels. There must be.

このため、メンフェーズ含有量が約90%より多いピッ
チは一般に使用しない。
For this reason, pitches with more than about 90% menphase content are generally not used.

しかしながら、メンフェーズ含有量が約40乃至約90
重量%のピンチは、一般に約250乃至約450℃の温
度で約10乃至約200ポイズの粘度を示し、このよう
な温度で容易に紡糸することが出来る。
However, the menphase content ranges from about 40 to about 90
Pinch by weight generally exhibits a viscosity of about 10 to about 200 poise at temperatures of about 250 to about 450°C and can be readily spun at such temperatures.

このような粘度で繊維はこのようなピッチから約10乃
至約100フイート/分、最高的3,000フイ一ト/
分の速度で紡糸するのが便宜的である。
At such viscosities, the fibers can be blown from such pitches from about 10 to about 100 feet/minute, up to 3,000 feet/minute.
It is convenient to spin at a speed of 1 minute.

好ましくは、使用されるピッチはメンフェーズ含有量が
約45乃至約65重量%、最も好ましくは約55乃至約
65重量%で、約340乃至約380°Cの湿度で約3
0乃至約60ポイズの粘度を示す。
Preferably, the pitch used has a menphase content of from about 45 to about 65% by weight, most preferably from about 55 to about 65%, and at a humidity of about 340 to about 380°C.
It exhibits a viscosity of 0 to about 60 poise.

このような粘度および湿度で直径約10乃至約20ミク
ロンの均質な繊維を容易に紡糸することが出来る。
At such a viscosity and humidity, homogeneous fibers of about 10 to about 20 microns in diameter can be easily spun.

しかしながら前述したように、所望の繊維を得るために
はピッチは繊維の紡糸中非キチソトロピー性でかつニュ
ートン流trJJまたは塑性流動を示すことが重要であ
る。
However, as mentioned above, in order to obtain the desired fibers, it is important that the pitch be non-chitisotropic and exhibit Newtonian flow trJJ or plastic flow during fiber spinning.

このようにしてつくられる炭素質繊維は、分子が繊維軸
に平行に高度に好ましく配向した高配向黒鉛化可能物質
である。
The carbonaceous fiber thus produced is a highly oriented graphitizable material in which the molecules are highly preferably oriented parallel to the fiber axis.

「黒鉛化可能」とはこれらは繊維が多結晶黒鉛に特徴的
な三次元的配列を有する構造に熱的に変換出来る(通常
約2,500℃以上、たとえば約2,500乃至約3,
000℃の温度に加熱することにより)ということを意
味する。
"Graphitizable" means that the fibers can be thermally converted into a structure having the three-dimensional arrangement characteristic of polycrystalline graphite (usually at temperatures above about 2,500°C, e.g. from about 2,500°C to about 3°C).
(by heating to a temperature of 000°C).

このようにして製造した繊維は、もちろん延伸されたピ
ッチと同じ化学組成を有し、このピッチと同様に約40
乃至約90重量%のメソフェーズを含有する。
The fibers produced in this way, of course, have the same chemical composition as the drawn pitch and, like this pitch, about 40%
% to about 90% by weight mesophase.

偏光顕微鏡技術で拡大して調べると、繊維は「小複合体
」の外観を与える組織変化を示している。
When examined under magnification with polarized light microscopy techniques, the fibers exhibit textural changes that give them the appearance of "small complexes."

こトで「小複合体」とは繊維を偏光下で調らべると、繊
維に小さい複合体の外観を与える組織の変形体のことで
ある。
The term "small complex" here refers to a tissue modification that gives the fiber the appearance of a small complex when the fiber is examined under polarized light.

微細な繊維形の外観を有する大きな細長い化学的異方性
ドメインが繊維中に分布していることが観察出来る。
It can be observed that large elongated chemically anisotropic domains with a fine fiber-like appearance are distributed in the fiber.

これらの光学的異方性ドメインは高度に配向しており、
かつ主に繊維軸に平行に配列している。
These optically anisotropic domains are highly oriented;
and are mainly arranged parallel to the fiber axis.

繊維紡糸中にピッチに及ぼされる剪断力により細長くさ
れたこれら光学的異方性ドメインは完全にメソフェーズ
から構成されているわけではなく、非メソフェーズから
も構成されていると考えられている。
It is believed that these optically anisotropic domains, which are elongated by the shear forces exerted on the pitch during fiber spinning, are not entirely composed of mesophase, but are also composed of non-mesophase.

明らかに非メソフェーズは、紡糸中剪断力およびメンフ
ェーズドメインが伸長される際のメンフェーズドメイン
によって及ぼされる配向効果によって、伸長ドメイン中
に延伸されると同時に配向される。
Apparently the non-mesophase is simultaneously stretched and oriented into the elongated domains due to the shear forces during spinning and the orientation effects exerted by the menphasic domains as they are elongated.

光学的等方性領域は目に見ることが出来ず、かつたまた
ま消光を示す光学異方性領域と識別し難いけれど存在す
ることも出来る。
Optically isotropic regions cannot be seen with the naked eye and may exist, although they are difficult to distinguish from optically anisotropic regions that happen to exhibit extinction.

特徴として、配向された伸長トメ゛インは直径5,00
0人を超え一般に約10,000乃至約40,000人
であり、かつ寸法が大きいため通常の偏光顕微鏡技術で
1.000倍で調べれば容易に観察される。
Characteristically, the oriented elongated domain has a diameter of 5,000 mm.
The number of individuals exceeds 0, and generally ranges from about 10,000 to about 40,000, and because of their large size, they can be easily observed using normal polarized light microscopy techniques at 1.000x magnification.

(倍率i、oooの標準偏光顕微鏡の最大解像力は1ミ
クロンの数十分の1に過ぎず〔1ミクロン=10,00
0人〕、寸法i、ooo人またはそれ以下の光学的異方
性ドメインはこの技術で検出することが出来ない。
(The maximum resolving power of a standard polarizing microscope with magnification i, ooo is only a few tenths of 1 micron [1 micron = 10,00
0 persons], optically anisotropic domains with dimensions i, ooo persons or less cannot be detected with this technique.

)。他方、非メソフェースピッチから延伸された繊維は
、このようにして検査した時観察出来る配向した光学的
異方性ドメインを全く含有していない。
). On the other hand, fibers drawn from non-mesoface pitch do not contain any observable oriented optically anisotropic domains when examined in this manner.

レーヨンおよびアクリル前駆物質からつくった炭素繊維
も同様に、このようにして検査しても配向した光学的異
方性ドメインの存在を示さない。
Carbon fibers made from rayon and acrylic precursors similarly do not show the presence of oriented optically anisotropic domains when examined in this manner.

本発明によるメソフェーズピッチからつくった炭素質繊
維のX線回折像によれば、繊維はピッチ分子が繊維軸に
平行に高度に好ましく配向しているのが特徴であること
が示されている。
X-ray diffraction images of carbonaceous fibers made from mesophase pitch according to the present invention show that the fibers are characterized by a highly preferred orientation of pitch molecules parallel to the fiber axis.

これは回折像の002帯を構成する短い円弧から明らか
である。
This is clear from the short circular arcs that constitute the 002 band of the diffraction image.

露光X線フィルムの002帯をマイクロデンシトメータ
ーで走査すると、この好ましい配向は一般に約20乃至
約35°、通常約25乃至約30° (方位角強度分布
の半値幅(FWHM)として表わされる)である。
When scanning the 002 band of exposed X-ray film with a microdensitometer, this preferred orientation is generally about 20° to about 35°, usually about 25° to about 30° (expressed as the full width at half maximum (FWHM) of the azimuthal intensity distribution). It is.

同様に002回折円弧の幅のマイクロデンシトメーター
走査によって測定されたピッチ分子の配列ドメインの見
掛は微結晶の厚さLcは一般に約25乃至約60人、通
常約30乃至約50人である。
Similarly, the apparent crystallite thickness Lc of the pitch molecule alignment domain measured by microdensitometer scanning of the width of the 002 diffraction arc is generally about 25 to about 60, usually about 30 to about 50. .

002回折円弧間の距離から計算した配列ドメインdの
層間隔は一般に約3.40乃至3.55人、通常約3.
45乃至約3.55人である。
The layer spacing of the array domain d calculated from the distance between the 002 diffraction arcs is generally about 3.40 to 3.55 people, usually about 3.55 people.
45 to about 3.55 people.

普通このような繊維の特徴は、密度が約1.25乃至約
1.40 g/cc、最も一般的には約1.30乃至約
1.35 g/ccであることである。
Typically such fibers are characterized by a density of about 1.25 to about 1.40 g/cc, most commonly about 1.30 to about 1.35 g/cc.

本発明により製造した炭素質繊維のほとんどが熱可塑性
を有するので、これらの繊維を炭化前に熱硬化すること
が普通必要である。
Since most of the carbonaceous fibers produced in accordance with the present invention are thermoplastic, it is usually necessary to thermoset these fibers prior to carbonization.

、約85重量%を超えるメンフェーズを含有するピッチ
から紡糸した繊維は、前熱硬化なしに炭化した場合その
形状をしばしば保持するが、約85重量%以下のメンフ
ェーズを含有するピッチから紡糸した繊維は、炭化前に
いくらか熱硬化する必要がある。
, fibers spun from pitches containing more than about 85% by weight menphase often retain their shape when carbonized without pre-thermal curing, but fibers spun from pitches containing less than about 85% menphase by weight often retain their shape when carbonized without preheat curing. The fibers require some heat curing before carbonization.

繊維の熱硬化は繊維を酸素含有雰囲気中で不融解性にす
るに十分な時間加熱することによって容易に行なわれる
Heat curing of the fibers is readily accomplished by heating the fibers in an oxygen-containing atmosphere for a sufficient period of time to render them infusible.

使用される酸素含有雰囲気は純粋酸素または酸素に富む
雰囲気であってもよい。
The oxygen-containing atmosphere used may be pure oxygen or an oxygen-enriched atmosphere.

最も便宜的には酸化雰囲気として空気が使用される。Most conveniently air is used as the oxidizing atmosphere.

繊維の熱硬化を行うのに必要な時間は、もちろん特定の
酸化雰囲気、使用温度、繊維の直径、繊維を製造した特
定のピッチおよびピッチのメソフェーズ含有量のような
要因により変化する。
The time required to heat-set the fiber will, of course, vary depending on factors such as the particular oxidizing atmosphere, the temperature used, the diameter of the fiber, the particular pitch from which the fiber was made, and the mesophase content of the pitch.

しかしながら、一般に繊維の熱硬化は比較的短時間、通
常約5乃至約60分で行うことが出来る。
Generally, however, heat curing of the fibers can be accomplished in a relatively short period of time, typically from about 5 to about 60 minutes.

繊維の熱硬化を行うのに使用する温度はもちろん繊維の
軟化点を越えてはならない。
The temperature used to heat set the fibers must of course not exceed the softening point of the fibers.

したがって使用出来る最高湿度は、繊維を紡糸する特定
のピッチおよびそのピッチのメソフェーズ含有量に依存
する。
The maximum humidity that can be used therefore depends on the particular pitch on which the fiber is spun and the mesophase content of that pitch.

繊維のメソフェーズ含有量が大きいほど、その軟化温度
は高く、かつ熱硬化を行うのに使用出来る湿度は高くな
る。
The higher the mesophase content of the fiber, the higher its softening temperature and the higher the humidity that can be used to effect thermal curing.

もちろん与えられた直径の繊維は、高い温度では一層低
い湿度で可能な時間より短い時間で熱硬化することが出
来る。
Of course, fibers of a given diameter can be heat cured at higher temperatures in a shorter time than is possible at lower humidity.

他方、メンフェーズ含有量が一層低い繊維は、不融解性
にするために幾らか低い湿度で比較的長く熱処理する必
要がある。
On the other hand, fibers with lower memphase content require longer heat treatments at somewhat lower humidity to render them infusible.

本発明によりつくられる炭素質繊維を効果的に熱硬化す
るには、少なくとも250℃の最小温度が一般に必要で
ある。
A minimum temperature of at least 250° C. is generally required to effectively heat cure the carbonaceous fibers made according to the present invention.

400℃を超える温度は繊維の融解および(または)過
度の焼失を起すことがあるので回避すべきである。
Temperatures above 400° C. should be avoided as they may cause melting and/or excessive burnout of the fibers.

約300乃至約390℃の温度を使用するのが好ましい
Preferably, a temperature of about 300 to about 390°C is used.

このような温度では、熱硬化は一般に約5乃至約60分
の間で行うことが出来る。
At such temperatures, heat curing can generally take place in about 5 to about 60 minutes.

繊維を全部不融解性にするのに必要な以上に酸化するの
は望ましくないので、一般に繊維は約60分より長い間
、または400℃を超える温度で加熱することはない。
Generally, the fibers are not heated for more than about 60 minutes or at temperatures above 400° C., since it is undesirable to oxidize the fibers more than necessary to render them completely infusible.

繊維を熱硬化した後、不融解性繊維を前述したような不
活性雰囲気中で水素および他の揮発物を除去するのに十
分高い温度に加熱して炭化し、そして実質的に全てが炭
素の繊維にする。
After thermosetting the fibers, the infusible fibers are carbonized by heating in an inert atmosphere as described above to a temperature high enough to remove hydrogen and other volatiles and to form substantially all of the carbon. Make it into fiber.

炭素含有量約98重量%以上の繊維は、一般に約100
0℃を超える温度に加熱することによって製造すること
が出来、約1500℃を超える温度で繊維は完全に炭化
される。
Fibers with a carbon content of about 98% by weight or more generally have a carbon content of about 100% by weight or more.
It can be produced by heating to temperatures above 0°C, and the fibers are fully carbonized at temperatures above about 1500°C.

原繊維の好ましい配向度は繊維を約1000℃に加熱す
ると幾らか悪化するが、さらに加熱すると好ましく配向
度は改良され、そして約1300℃でそれは原繊維と実
質的に同じになる。
The preferred degree of orientation of the fibrils deteriorates somewhat when the fibers are heated to about 1000°C, but with further heating the preferred degree of orientation improves and at about 1300°C it becomes substantially the same as the fibrils.

通常、炭化は約1000乃至約2000℃、好ましくは
約1500乃至1700℃の湿度で実施される。
Typically, carbonization is carried out at a humidity of about 1000 to about 2000°C, preferably about 1500 to 1700°C.

一般に、約0.5乃至約25分、好ましくは約1分乃至
約5分の滞留時間が使用される。
Generally, residence times of about 0.5 to about 25 minutes are used, preferably about 1 minute to about 5 minutes.

より長い加熱時間を使用しても良好な結果を得ることが
出来るが、そのような長い滞留時間は不経済であり、実
際問題としてそのような長時間を用いても利点がない。
Although longer heating times can be used with good results, such long residence times are uneconomical and as a practical matter there is no advantage to using such long times.

繊維の重量損失速度が過度になって繊維構造が破壊しな
いようにするためには、繊維を最終炭化温度に加熱する
前に約700乃至約900℃で短時間加熱することが好
ましい。
In order to avoid excessive fiber weight loss rates and destruction of the fiber structure, it is preferred to heat the fibers briefly at about 700 to about 900° C. before heating them to the final carbonization temperature.

通常これらの湿度で約30秒乃至約5分の滞留時間で十
分である。
A residence time of about 30 seconds to about 5 minutes is usually sufficient at these humidities.

好ましくは、繊維は約700℃で約30秒加熱され、つ
ぎに約900°Cで同時間加熱される。
Preferably, the fibers are heated to about 700°C for about 30 seconds and then to about 900°C for the same period of time.

いずれにせよ、加熱速度は揮発が過度の速度で進まない
ように制御しなければならない。
In any case, the heating rate must be controlled so that volatilization does not proceed at an excessive rate.

熱処理の好ましい方法では、連続的単繊維を、連続的に
次第に高くなる湿度に保持した一連の加熱域に通す。
A preferred method of heat treatment involves passing the continuous filament through a series of heated zones maintained at successively higher humidity levels.

所望なら、これらの帯域の第1の帯域は、繊維の熱硬化
を行う酸化雰囲気を含んでいてよい。
If desired, the first of these zones may contain an oxidizing atmosphere to effect thermal curing of the fibers.

一連の加熱帯域を設けるのに、配列した幾つかの装置を
用いることが出来る。
Several devices can be used in an array to provide a series of heating zones.

例えば、1つの炉を用いて繊維を炉に数回通し、各回毎
に湿度を増加させてもよい。
For example, one oven may be used to pass the fiber through the oven several times, increasing the humidity each time.

あるいは、繊維の数個の炉に1回だけ通し、各連続する
炉を前の炉より高い温度に保持してもよい。
Alternatively, the fibers may be passed through several ovens only once, with each successive oven being held at a higher temperature than the previous oven.

また、繊維の移動方向に連続的に次第に高くなった温度
に保持した数個の加熱帯域を有する単一炉を用いること
も出来る。
It is also possible to use a single furnace with several heating zones maintained at successively higher temperatures in the direction of fiber movement.

このようにしてつくられた炭素繊維は、主に繊維軸に平
行に配夕1ルた炭素微結晶が存在することを特徴とする
高度に配向した構造を有し、黒鉛化温度に加熱した時、
多結晶黒鉛に特徴的な三次元的配列およびそれに伴う黒
鉛状特性たとえば高密度および低電気抵抗を示す黒鉛化
可能な物質である。
The carbon fibers produced in this way have a highly oriented structure characterized by the presence of carbon microcrystals arranged mainly parallel to the fiber axis, and when heated to the graphitization temperature, ,
It is a graphitizable material that exhibits the characteristic three-dimensional arrangement of polycrystalline graphite and associated graphitic properties such as high density and low electrical resistance.

偏光顕微鏡技術により拡大して検査すると、炭化前に酸
化された繊維は延伸した前駆物質と類似の組織外観を示
す。
When examined under magnification by polarized light microscopy techniques, the oxidized fibers before carbonization exhibit a similar texture appearance to the drawn precursor.

延伸繊維に存在する大きな配向した伸長黒鉛化可能ドメ
インは炭化繊維にも存在し、延伸繊維の場合と同様にそ
れらのドメインは主に繊維軸に平行に配夕1ルている。
The large oriented elongated graphitizable domains present in drawn fibers are also present in carbonized fibers, and as in drawn fibers, these domains are primarily oriented parallel to the fiber axis.

他方前酸化なしに炭化された繊維は、もはや延伸繊維の
微細組織の外観に類似しておらず、むしろそのドメイン
の寸法がはるかに大きくなっている特徴を有する。
Fibers carbonized without pre-oxidation, on the other hand, no longer resemble the microstructural appearance of drawn fibers, but rather are characterized by much larger dimensions of their domains.

炭化工程中延伸された未酸化繊維に存在するメンフェー
ズドメインは、互いにかつ存在する非メソフェーズピッ
チと合体して、延伸繊維の場合と同様に主に繊維軸に平
行に配ダルている非常に大きな配向したドメインを生じ
る。
During the carbonization process, the menphasic domains present in the drawn unoxidized fibers coalesce with each other and with the non-mesophase pitch present to form very large dals that are mainly aligned parallel to the fiber axis, as in the case of drawn fibers. Gives rise to oriented domains.

しかしながら炭化前に酸化された繊維では、酸化なしに
炭化された繊維に存在するような非常に大きなドメイン
の発達は、繊維を酸素の存在下で加熱した場合に起る酸
化によって阻止される。
However, in fibers that are oxidized before carbonization, the development of very large domains, such as is present in fibers that are carbonized without oxidation, is prevented by the oxidation that occurs when the fibers are heated in the presence of oxygen.

その結果、前酸化なしに炭化された繊維の配向ドメイン
は、酸化後に炭化した繊維の配向ドメインよりはるかに
太きい。
As a result, the orientation domains of fibers carbonized without pre-oxidation are much thicker than those of fibers carbonized after oxidation.

実際の幅は約10,000人乃至約100,000λ対
約5,000人乃至約40,000人)。
The actual width is about 10,000 to about 100,000 λ versus about 5,000 to about 40,000 people).

本発明によりつくった炭素繊維のX線回折像の002帯
を構成する短い円弧は、繊維が、繊維軸に平行に炭素微
結晶が好ましく高度に配向した特徴を有することを示し
ている。
The short circular arcs constituting the 002 band of the X-ray diffraction image of carbon fibers made according to the present invention indicate that the fibers are characterized by a preferable and highly oriented carbon crystallites parallel to the fiber axis.

露光X線フィルムの002帯をマイクロデンシトメータ
ーで走査すると、約1000℃に加熱した繊維の好まし
い配向パラメーター(FWHM)は、約45° より低
く、通常約30乃至約40°であることが示されている
Microdensitometer scanning of the 002 band of exposed X-ray film shows that the preferred orientation parameter (FWHM) for fibers heated to about 1000° C. is less than about 45°, usually from about 30 to about 40°. has been done.

約2000°Cに加熱した繊維は、高度の好ましい配向
すなわち約10乃至約20° ;通常約13乃至17°
の好ましい配向パラメーター(FWHM)を有する。
Fibers heated to about 2000°C have a high degree of preferred orientation, i.e. about 10° to about 20°; usually about 13° to 17°.
It has a preferred orientation parameter (FWHM) of .

繊維をさらに高温に加熱することにより好ましい配向度
がさらに改良される。
The preferred degree of orientation is further improved by heating the fibers to higher temperatures.

したがって、延伸繊維は1000°Cに加熱した場合好
ましい配向度がある程度悪化するが、約2000℃にさ
らに加熱するとはるかに高度の好ましい配向度が得られ
る。
Thus, when the drawn fibers are heated to 1000°C, the preferred degree of orientation deteriorates to some extent, but when further heated to about 2000°C, a much higher degree of preferred orientation is obtained.

前述したように約1300℃に加熱した繊維の好ましい
配向度は、延伸前駆物質と実質的に同一で、たとえば約
20乃至約35°、通常約25乃至約30’ である。
The preferred degree of orientation of the fibers heated to about 1300 DEG C. as described above is substantially the same as that of the drawn precursor, such as about 20 DEG to about 35 DEG, usually about 25 DEG to about 30 DEG.

約1000°Cに加熱した繊維のX線回折像の002回
折円弧の幅をマイクロデンシトメーターで走査すると、
繊維の炭素微結晶の見掛けの微結晶の厚さLcは、一般
に約15乃至約25人、通常約18乃至約22人である
ことが示されている。
When the width of the 002 diffraction arc of the X-ray diffraction image of the fiber heated to about 1000°C is scanned with a microdensitometer,
It has been shown that the apparent crystallite thickness Lc of the carbon crystallites of the fibers is generally about 15 to about 25, usually about 18 to about 22.

約2000℃に加熱した繊維では、見掛は微結晶の厚さ
Leは一般に約75人を超え、通常約80乃至約100
人である。
For fibers heated to about 2000°C, the apparent microcrystalline thickness Le generally exceeds about 75 mm, usually from about 80 to about 100 mm.
It's a person.

なお一層高い温度で加熱を行えば見掛は微結晶の厚さは
著しく高い値に容易に改良される。
Furthermore, by heating at a higher temperature, the apparent thickness of the microcrystals can be easily improved to a significantly higher value.

約1500℃に加熱した繊維の炭素微結晶の層間隔は、
002回折円弧間距離から計算して、一般に約3.40
乃至約3.43人である。
The interlayer spacing of carbon microcrystals in the fiber heated to approximately 1500°C is
002 Calculated from the distance between the diffraction arcs, generally about 3.40
3.43 people.

これらの繊維は引張強さ約100X103psi以上、
たとえば約100XIQ3乃至約200X10”psi
、および弾性ヤング率約20X106psi以上、たと
えば約20 X 106乃至約40X106psiであ
ることを特徴とすることが見出された。
These fibers have a tensile strength of approximately 100 x 103 psi or more,
For example, about 100XIQ3 to about 200X10”psi
, and an elastic Young's modulus of about 20×10 6 psi or greater, such as about 20×10 6 to about 40×10 6 psi.

通常、繊維の引張強さは約140×103乃至約160
X103psi、およびヤング率は約25X10’乃至
約35X106psiである。
Usually, the tensile strength of the fiber is about 140 x 103 to about 160
X103 psi, and Young's modulus is about 25X10' to about 35X106 psi.

約1500℃に加熱した繊維は非常に密度が大きく、2
.1 g/cc以上、通常約2.1乃至約2.2g/
ccの密度を示す。
Fibers heated to about 1500°C have a very high density, 2
.. 1 g/cc or more, usually about 2.1 to about 2.2 g/cc
Indicates the density of cc.

このような繊維の電気抵抗は一般に約800X10−6
乃至約1200X10−6ohmCIrLである。
The electrical resistance of such fibers is generally about 800X10-6
to about 1200×10 −6 ohm CIrL.

炭化繊維は前述の如き不活性雰囲気中で約2500乃至
約3300℃、好ましくは約2800乃至約3000℃
の一層高温にさらに加熱して、繊維軸に平行な炭素微結
晶の高度の好ましい配向のみらず、多結晶黒鉛に特徴的
な構造をも有する繊維をつくることが出来る。
The carbonized fibers are heated at about 2500 to about 3300°C, preferably about 2800 to about 3000°C, in an inert atmosphere as described above.
Further heating to even higher temperatures can produce fibers having not only a highly preferred orientation of the carbon crystallites parallel to the fiber axis, but also a structure characteristic of polycrystalline graphite.

約1分間の滞留時間で十分であるが、より短い時間でも
またより長い時間でも、たとえば約10秒乃至約5分ま
たはそれ以上の時間が使用出来る。
A residence time of about 1 minute is sufficient, although shorter or longer times can be used, such as from about 10 seconds to about 5 minutes or more.

5分より長い滞留時間は不経済であり、不必要であるが
、所望なら使用出来る。
Residence times longer than 5 minutes are uneconomical and unnecessary, but can be used if desired.

約2500℃より上、好ましくは約2800°Cより上
の温度で加熱することによってつくられた繊維は多結晶
黒鉛の三次元的配列を有することが特徴である。
Fibers made by heating at temperatures above about 2500°C, preferably above about 2800°C, are characterized by a three-dimensional arrangement of polycrystalline graphite.

この三次元的配列は繊維のX線回折像、特に112クロ
ス格子線の存在および10帯の2つの異なる線100お
よび101への分解によって明瞭に確認されている。
This three-dimensional arrangement is clearly confirmed in the X-ray diffraction image of the fiber, in particular by the presence of the 112 cross-lattice lines and the resolution of the 10 bands into two different lines 100 and 101.

回折像の001帯を構成する短い円弧は主に繊維軸に平
行に配夕1ルた繊維の炭素微結晶を示す。
The short arcs constituting the 001 band of the diffraction image mainly indicate carbon microcrystals of the fibers arranged parallel to the fiber axis.

露光X線フィルムの002帯をマイクロデンシトメータ
ーで走査すると、この好ましい配向は約10°以下、通
常約5乃至約10° (方位角強度分布の半値幅として
表わして)であることが示されている。
Microdensitometer scanning of the 002 band of exposed X-ray film shows that this preferred orientation is less than about 10°, usually from about 5 to about 10° (expressed as the half-width of the azimuthal intensity distribution). ing.

微結晶の見掛けの層寸法Laおよび見掛けの微結晶の厚
さLoは1000人を超えており、したがってX線技術
で測定するには余りにも大き過ぎる。
The apparent layer size La of the crystallites and the apparent crystallite thickness Lo are greater than 1000 and are therefore too large to be measured by X-ray techniques.

微結晶の層間隔dは、対応する001回折円弧間距離か
ら計算して3.37Å以下、通常3.36乃至3.37
人である。
The interlayer spacing d of the microcrystals is calculated from the distance between the corresponding 001 diffraction arcs and is 3.37 Å or less, usually 3.36 to 3.37.
It's a person.

層間隔3.37人に相当する非配向パラメーターpは前
述のアール・イー・フランクリンの関係によって決定し
て約0.4であり、一方層間隔3.36人に相当するp
は約0.25である。
The non-orientation parameter p, which corresponds to a layer spacing of 3.37 people, is approximately 0.4 as determined by the R.E.Franklin relationship discussed above, while p, which corresponds to a layer spacing of 3.36 people.
is approximately 0.25.

繊維を偏光顕微鏡技術で拡大して調らべると、前駆物質
繊維と同じ外観を示し、かつ前駆物質と同様に主に繊維
軸に平行に配列した大きな配向した細長い光学的異方性
ドメイン(いまや黒鉛化可能というよりはむしろ黒鉛性
)の存在によって特徴づけられる。
When the fibers are examined under magnification using polarized light microscopy techniques, they exhibit the same appearance as the precursor fibers and, like the precursor, large oriented elongated optically anisotropic domains ( It is now characterized by the presence of graphitic (rather than graphitizable) properties.

これらのドメインは炭素の配向面からつくられる。These domains are created from oriented planes of carbon.

これらドメインの繊維軸に対して横断方向に測定した幅
または直径は、繊維が前酸化なしに炭化して黒鉛化した
繊維からつくられた場合を除いて、普通的5,000乃
至約40,000人で、この場合ドメインの幅は普通的
10,000乃至約100,000人である。
The width or diameter of these domains, measured transverse to the fiber axis, typically ranges from 5,000 to about 40,000, unless the fibers are made from carbonized and graphitized fibers without prior oxidation. people, in which case the width of the domain is typically 10,000 to about 100,000 people.

これらのドメインは高度に異方性であり、したがって偏
光顕微鏡で倍率1000xで見ることが出来る。
These domains are highly anisotropic and therefore visible at 1000x magnification in a polarized light microscope.

多結晶黒鉛構造に特徴的な構造を有する他に、繊維はそ
の構造と関連する黒鉛に似た特性たとえば高密度および
低電気抵抗をもつことを特徴とする。
In addition to having a structure characteristic of polycrystalline graphite structures, the fibers are characterized by graphite-like properties associated with their structure, such as high density and low electrical resistance.

典型的には、これらの繊維は2,1乃至2.2g/ c
cおよびそれ以上の密度を有する。
Typically these fibers contain 2.1 to 2.2 g/c
It has a density of c and higher.

繊維の電気抵抗は250 X 10= ohmcfrL
より小さく、通常約150X10−6乃至約200X1
0−6ohmCrrLであることが見出された。
The electrical resistance of the fiber is 250 x 10 = ohmcfrL
smaller, usually about 150X10-6 to about 200X1
It was found to be 0-6ohmCrrL.

繊維はまた高モジュラスおよび高引張強さをもつ特徴を
有する。
The fibers are also characterized by high modulus and high tensile strength.

即ち、これらの繊維は約200XIO”psiを超える
引張強さおよび約50X10’ psiを超える弾性ヤ
ング率を特徴とすることが見出された。
That is, these fibers were found to be characterized by a tensile strength of greater than about 200XIO" psi and an elastic Young's modulus of greater than about 50X10' psi.

通常、このような繊維は約250X 103psiを超
えた、たとえば約250×103乃至350X103p
siの引張強さおよび約75X 106psiを超えた
、たとえば約75 x 106・乃至約120X106
psiのヤング率を有する。
Typically, such fibers are greater than about 250 x 103 psi, such as about 250 x 103 to 350 x 103 psi.
si tensile strength and greater than about 75 x 106 psi, such as from about 75 x 106 to about 120 x 106
It has a Young's modulus of psi.

したがって、本発明は廉価で容易に入手出来る高炭素前
駆物質から高強度、高モジュラス繊維を高収率でつくる
便利な方法を提供する。
Accordingly, the present invention provides a convenient method for producing high strength, high modulus fibers in high yields from inexpensive and readily available high carbon precursors.

この繊維は高強度、高モジュラス繊維が従来から用いら
れている同じ用途たとえば複合体の製造に使用すること
が出来る。
The fibers can be used in the same applications for which high strength, high modulus fibers are traditionally used, such as in the manufacture of composites.

その繊維は繊維軸に沿った電気伝導度および熱伝導度が
重要である用途に特に有効であり、たとえば布状黒鉛加
熱素子を製造するのに使用出来る。
The fibers are particularly useful in applications where electrical and thermal conductivity along the fiber axis is important, and can be used, for example, to make textile graphite heating elements.

電気抵抗が著しく低いため、それらの繊維は黒鉛電極製
造の充填剤物質として用いることが出来る。
Because of their extremely low electrical resistance, these fibers can be used as filler materials in graphite electrode production.

本発明の繊維の独特な構造は添附のX線回折像および偏
光顕微鏡写真から容易に分る。
The unique structure of the fiber of the present invention can be easily seen from the accompanying X-ray diffraction image and polarized light micrograph.

X線回折像はX線ビームに垂直に装着して約10本の単
繊維からなる一束の試料について得られた。
X-ray diffraction images were obtained on a sample bundle of approximately 10 single fibers mounted perpendicular to the X-ray beam.

ニッケルフィルターを有する銅にα線を用いた。Alpha radiation was used on copper with a nickel filter.

平らなプレートまたは円筒フィルム透過像を、繊維の加
熱温度に依存して撮った。
Flat plate or cylindrical film transmission images were taken depending on the fiber heating temperature.

5乃至16時間の露光時間を使用した。Exposure times of 5 to 16 hours were used.

顕微鏡写真は横断方向または長手方向部分が検査出来る
ようにエポキシ樹脂をかぶせた繊維について得た。
Photomicrographs were obtained on fibers coated with epoxy resin so that either transverse or longitudinal sections could be examined.

試料はまず炭化珪Vツブ<1ap)上で微粉砕し、つぎ
にダイヤモンドペーストラップ上で連続的に研摩し、最
後にアルミナの0.3%懸濁水で飽和した細かい布で研
摩した。
The samples were first milled on a silicon carbide V-tub <1 ap), then successively polished on a diamond paste wrap, and finally polished with a fine cloth saturated with a 0.3% suspension of alumina in water.

試料はクロス偏光器を用いた偏光下でバラシュおよびロ
ム(Ba−usch and Lomb )金属顕微鏡
で調べた。
The samples were examined with a Ba-usch and Lomb metallurgical microscope under polarized light using a crossed polarizer.

第1図は市販の石油ピッチを400℃で10時間加熱し
てメソフェーズ含有量を約50%とした後、350℃で
紡糸したピッチ繊維のX線回折像である。
FIG. 1 is an X-ray diffraction image of pitch fiber obtained by heating commercially available petroleum pitch at 400° C. for 10 hours to bring the mesophase content to approximately 50%, and then spinning the resulting product at 350° C.

X線は延伸状態の繊維についてであるという事実にもか
かわらず、回折像の002帯を構成する短い円弧から明
らかなように、繊維軸に平行にピッチ分子が高度に好ま
しく配向している。
Despite the fact that the X-rays are of the fiber in the stretched state, there is a highly preferred orientation of the pitch molecules parallel to the fiber axis, as evidenced by the short circular arcs that make up the 002 band of the diffraction image.

好ましい配向の度合(FWHM)および見掛けの微結晶
の厚さLcは各々29°および47人であった。
The preferred degree of orientation (FWHM) and apparent crystallite thickness Lc were 29° and 47°, respectively.

なお、この好ましい配向は露光X線フィルムの002帯
のマイクロデンシトメーター走査により(方位角強度分
布の半値幅として表わされる、(FWHM))測定され
、ピッチ分子の配列領域の見掛けの微結晶の厚さLcは
同時に002回折円弧の幅をマイクロデンシトメーター
で走査することによって測定された。
This preferred orientation is measured by microdensitometer scanning of the 002 band of the exposed X-ray film (expressed as the half-width of the azimuthal intensity distribution (FWHM)), and is determined by the apparent microcrystalline orientation in the pitch molecule alignment region. The thickness Lc was simultaneously measured by scanning the width of the 002 diffraction arc with a microdensitometer.

第2図は、第1図にX線回折像を示した繊維と同じ石油
ピッチから紡糸したピッチ繊維のX線回折像であるが、
ただしピッチはメンフェーズを形成するため前熱処理な
しに直接158℃の紡糸温度に加熱した。
Figure 2 is an X-ray diffraction image of a pitch fiber spun from the same petroleum pitch as the fiber whose X-ray diffraction image is shown in Figure 1.
However, the pitch was directly heated to a spinning temperature of 158° C. without any preheat treatment to form a menphase.

こ5でもX線像は延伸状態の繊維に関するものである。In this case, the X-ray image also relates to the fibers in the stretched state.

しかしながら、X線回折像が第1図に示された繊維では
、繊維軸に平行な高度の好ましい配向が特徴となってい
るが、第2図には好ましい配向は見られない(回折像の
002帯を構成する広い拡散ハローによって示されるよ
うに)。
However, while the fiber whose X-ray diffraction image is shown in Figure 1 is characterized by a highly preferred orientation parallel to the fiber axis, no preferred orientation is seen in Figure 2 (002 (as indicated by the wide diffuse halo that constitutes the band).

第3図は、第2図にX線回折像を示した繊維と同じ石油
ピッチから同じ条件下で紡糸し、つぎに酸素中で10℃
/分の速度で350℃−に加熱し、その後1000℃に
加熱(5)することによって炭化した炭素繊維のX線回
折像である。
Figure 3 shows a fiber spun from the same petroleum pitch under the same conditions as the fiber whose X-ray diffraction image is shown in Figure 2, and then spun in oxygen at 10°C.
This is an X-ray diffraction image of carbon fibers carbonized by heating to 350°C at a rate of 100°C and then to 1000°C (5).

第4図はそのX線像を第3図に示す同じ炭素繊維をさら
に3000℃に加熱(6)した後のX線回折像である。
FIG. 4 is an X-ray diffraction image of the same carbon fiber whose X-ray image is shown in FIG. 3 after further heating (6) to 3000°C.

第3および4図を第2図と比較すると、より高温度に加
熱しても延伸状態の繊維に好ましい配向が与えられなか
ったことが分る。
A comparison of Figures 3 and 4 with Figure 2 shows that heating to higher temperatures did not impart a preferred orientation to the drawn fibers.

第5図は、第1図にX線回折像を示したものと同じ石油
ピッチから同じ条件下で紡糸し、つぎに酸素中で10°
C/分の速度で350℃に加熱し、その後1000℃に
加熱(5)して炭化した炭素繊維のX線回折像である。
Figure 5 shows the X-ray diffraction image of the one shown in Figure 1, which was spun from the same petroleum pitch under the same conditions, and then spun at 10° in oxygen.
This is an X-ray diffraction image of carbon fiber that was carbonized by heating to 350° C. at a rate of C/min and then to 1000° C. (5).

第6図は、第5図にX線回折像を示したものと同じ炭素
繊維をさらに3000℃に加熱(6)した後のX線回折
像である。
FIG. 6 is an X-ray diffraction image of the same carbon fiber whose X-ray diffraction image is shown in FIG. 5 after further heating (6) to 3000°C.

第6図を第1図と比較すると、延伸状態の繊維の好まし
い配向は、3000℃に加熱後保持されることが分る。
Comparing FIG. 6 with FIG. 1, it can be seen that the preferred orientation of the fibers in the drawn state is maintained after heating to 3000°C.

第5図を第1図と比較すると、1000℃に加熱した際
延伸状態の繊維の好ましい配向にいくらか崩壊が起きる
ことが分るが、さらに3000℃に加熱すると非常に高
度の好ましい配向か得られる。
Comparing Figure 5 with Figure 1, it can be seen that some disruption of the preferred orientation of the drawn fibers occurs when heated to 1000°C, but a much higher degree of preferred orientation is obtained on further heating to 3000°C. .

(1000℃熱処理繊維の好ましい配向の度合(FWH
M)および見掛けの微結晶の厚さLcは第1図の議論で
前述したように測定して、夫々40°および21人であ
るのに対し、延伸状態の繊維では各々29°および47
人であった。
(Preferable degree of orientation of 1000°C heat-treated fibers (FWH)
M) and the apparent crystallite thickness Lc, measured as described above in the discussion of FIG.
It was a person.

)3000℃熱処理繊維の好ましい配向の度合(FWH
M)は同様に測定して約8° であった。
) 3000°C heat-treated fiber preferred degree of orientation (FWH
M) was similarly measured and was approximately 8°.

層寸法Laおよび微結晶の厚さLcは1000λ以上で
あり、したがってX線技術で測定するには余りにも大き
過ぎた。
The layer dimensions La and the crystallite thickness Lc were more than 1000λ and were therefore too large to be measured by X-ray techniques.

((5)炭化はアルゴン雰囲気中で約1時間にわたって
行われた。
((5) Carbonization was carried out for about 1 hour in an argon atmosphere.

(6)繊維はアルゴン雰囲気中で約1時間にわたって3
000℃に加熱され、3000℃で10分間保持された
)。
(6) The fibers were heated for about 1 hour in an argon atmosphere for 3
000°C and held at 3000°C for 10 minutes).

112クロス格子線の存在および10帯の2つの異なる
線100および101への分解から明らかなように、第
6図にX線回折像を示した繊維は、X線回折像が第7お
よび8図に示された繊維の乱層構造(各々ポリアクリロ
ニトリルおよびレーヨンからなる繊維を3000℃に加
熱することによってつくられる)とは対照的に、多結晶
黒鉛に特徴的な高度の三次元的配列をもつ特徴を有する
112 The fiber whose X-ray diffraction pattern is shown in FIGS. In contrast to the turbostratic structure of the fibers shown in (produced by heating fibers made of polyacrylonitrile and rayon to 3000°C, respectively), the fibers have a highly three-dimensional arrangement characteristic of polycrystalline graphite. Has characteristics.

更に、X線回折像が第7および8図に示された繊維に比
較して、これら繊維の黒鉛性は層間隔dおよび非配向パ
ラメーターpが、X線回折像が第13および14図に示
された繊維の層間隔dおよび非配向パラメーターpより
著しく小さく、然も微結晶寸法は、X線回折像が第7お
よび8図に示された繊維の微結晶寸法より著しく大きい
ことによって示されている(下記の第7および8図の議
論を参照)。
Furthermore, compared to the fibers whose X-ray diffraction images are shown in Figures 7 and 8, the graphitic nature of these fibers is due to the layer spacing d and the non-orientation parameter p, whose X-ray diffraction images are shown in Figures 13 and 14. The crystallite size is significantly smaller than the interlayer spacing d and the non-orientation parameter p of the fibers shown in the X-ray diffraction patterns, as shown by the fact that the crystallite size is significantly larger than the crystallite size of the fibers shown in Figures 7 and 8. (See discussion in Figures 7 and 8 below).

層間隔dは対応する001線間距離から計算して3.3
7人であった。
The layer spacing d is calculated from the distance between the corresponding 001 lines and is 3.3
There were seven people.

この値に相当する非配向パラメーターpは前述のアール
・イー・フランクリンの関係から決定して約0.4であ
った。
The non-orientation parameter p corresponding to this value was determined from the above-mentioned R.E.Franklin relationship to be about 0.4.

第7図はポリアクリロニトリル繊維をまず空気中で応力
下で200−250℃で12時間酸化し、つぎにこの繊
維を1000℃に炭化し、最後にこの炭化繊維を300
0℃に加熱(6)してつくった炭素繊維のX線回折像で
ある。
Figure 7 shows that polyacrylonitrile fibers are first oxidized in air at 200-250°C under stress for 12 hours, then the fibers are carbonized to 1000°C, and finally the carbonized fibers are heated to 300°C.
This is an X-ray diffraction image of carbon fiber made by heating (6) to 0°C.

繊維軸に平行な高度の好ましい配向は回折像の001帯
を構成する短い円弧から明らかであるか、112クロス
格子線の存在および10帯の非分解性は三次元的配列が
存在しないことを示している。
A highly preferred orientation parallel to the fiber axis is evident from the short arcs that make up the 001 band in the diffraction image, or the presence of 112 cross grating lines and the nonresolvability of the 10 band indicate the absence of three-dimensional alignment. ing.

対応する001線間距離から計算して、層間隔dは3.
41人であった。
Calculated from the distance between the corresponding 001 lines, the layer spacing d is 3.
There were 41 people.

この値に相当する非配向パラメーターpは前述のアール
・イー・フランクリンの関係から決定して約0.8であ
った。
The non-orientation parameter p corresponding to this value was determined from the above-mentioned R.E.-Franklin relationship and was about 0.8.

002円弧の幅から微結晶の厚さり。002 Thickness of microcrystal from width of arc.

はかなり小さいことが示された。同様に処理したポリア
クリロニトリル繊維の見掛は層寸法Laおよび見掛けの
微結晶の厚さり。
was shown to be quite small. The apparent layer size La and the apparent thickness of microcrystals for polyacrylonitrile fibers treated in the same manner.

はニー・シンドウの測定により各々200人および90
人であった(シンドウ・ニー・著、「黒鉛繊維に関する
研究」、レポートA317、工業試験所、大阪、12月
、1961)。
are 200 and 90, respectively, according to Nie Shindo's measurements.
(Shindo N., "Research on Graphite Fibers," Report A317, Industrial Research Institute, Osaka, December 1961).

((6)繊維はアルゴン雰囲気中で約1時間にわたって
3000℃に加熱され、3000℃で10分間保持され
た)。
((6) The fibers were heated to 3000°C in an argon atmosphere for about 1 hour and held at 3000°C for 10 minutes).

第8図はレーヨン繊維をまず空気中で260−280℃
で数分間加熱し、つぎに1000℃に炭化(7)し、最
後に炭化繊維を応力下で3000℃に加熱(8)してつ
くった炭素繊維のX線回折像である。
Figure 8 shows that rayon fibers are first heated in air at 260-280°C.
This is an X-ray diffraction image of a carbon fiber made by heating the carbon fiber for several minutes, then carbonizing it to 1000°C (7), and finally heating the carbonized fiber to 3000°C under stress (8).

((7)炭化は窒素雰囲気中で1分より短い時間行った
((7) Carbonization was performed in a nitrogen atmosphere for less than 1 minute.

(8)繊維を窒素雰囲気中で応力下で1分より短い時間
で3000℃に加熱し、その後アルゴン雰囲気中で応力
なしで3000°Cで10分間再加熱した)。
(8) The fibers were heated to 3000 °C under stress in a nitrogen atmosphere for less than 1 minute and then reheated at 3000 °C for 10 minutes without stress in an argon atmosphere).

繊維軸に平行な高度の好ましい配向が回折像の001帯
を構成する短い円弧から明らかであるが、112クロス
格子線の欠如および10帯の非分解性は三次元的配列の
欠如を示している。
A highly preferred orientation parallel to the fiber axis is evident from the short arcs that make up the 001 band in the diffraction image, whereas the lack of 112 cross grating lines and the non-resolvability of the 10 band indicate a lack of three-dimensional alignment. .

対応する001線間距離から計算して、層間隔dは3.
41人であることが分った。
Calculated from the distance between the corresponding 001 lines, the layer spacing d is 3.
It turned out that there were 41 people.

この値に相当する非配向パラメーター、pは前述のアー
ル・イー・フランクリンの関係から決定して約0.8で
あった。
The non-orientation parameter p corresponding to this value was determined from the above-mentioned R.E.-Franklin relationship and was about 0.8.

002円弧の幅から、微結晶の厚さり。002 The thickness of the microcrystal from the width of the arc.

ほかなり小さいことが分った。同様に処理されたレーヨ
ン繊維の見掛は層寸法Iiaおよび見掛けの微結晶の厚
さり。
I found out that it was smaller than the others. The apparent layer size Iia and apparent crystallite thickness of similarly treated rayon fibers.

は、ルランド等の測定により各々約100人であった〔
ペレット、アール(perret、Ro)およびルラン
ド、ダブリュー・(Ru1and、W、)著、[J、A
ppl、Cryst、 j、3、525.1970;フ
ォールドイツクス、ニー(Fourdeux、A、 )
、 、ペレット、アールおよびルランド、ダブリl(
Ru1and、W’)、 、 「炭素繊維、その複合体
および用途に関する会議」、プラスチックス・インステ
ィテユート(Plasti−cs 、In5titut
e )、ロンドン、2−4.2月、1971、論文屋9
)。
were about 100 people each, according to measurements by Leland et al.
Perret, Ro and Ruland, W. [J, A.
ppl, Cryst, J, 3, 525.1970; Fourdeux, Nie (Fourdeux, A.)
, , Pellet, R. and Ruland, D.A.
Ru1and, W'), ``Conference on Carbon Fibers, Their Composites and Applications'', Plastics Institute (Plasti-cs, In5titut).
e), London, February-April, 1971, Shishuya 9
).

第9図は市販の石油ピッチを400°Cで10時間加熱
してメンフェーズ含有量的50%にした後、350℃で
紡糸したピッチ繊維の横断面の偏光顕微鏡写真である。
FIG. 9 is a polarized light micrograph of a cross section of a pitch fiber prepared by heating commercially available petroleum pitch at 400° C. for 10 hours to reach a menphase content of 50%, and then spinning the fiber at 350° C.

第10図は上記繊維の長手方向断面の偏光顕微鏡写真で
ある。
FIG. 10 is a polarized light micrograph of a longitudinal section of the above fiber.

この顕微鏡写真は500Xの倍率で、延伸状態の繊維を
示している顕微鏡写真で見られる組織変化は繊維に「小
複合体」が生じてきたことを示している。
This photomicrograph was taken at a magnification of 500X, and the textural changes seen in the photomicrograph showing the fibers in the stretched state indicate that "small complexes" have formed in the fibers.

大きな配向ドメインが繊維全体に分布していることが分
り、また第10図の長手方向の写真から明らかなように
これらの配向ドメインは微小繊維状外観をしており、か
つ主に繊維軸に平行に配夕1ルている。
It can be seen that large oriented domains are distributed throughout the fiber, and as is clear from the longitudinal photograph in Figure 10, these oriented domains have a microfibrous appearance and are mainly parallel to the fiber axis. Dinner is served at 1 pm.

ドメインの幅は拡大下で約Q、 5−2 mmで、これ
は実際の幅が約1−4ミクロンであることを示している
The width of the domain is approximately Q, 5-2 mm under magnification, indicating an actual width of approximately 1-4 microns.

第11図は、顕微鏡写真か第9図および第10図に示さ
れた繊維と同じ石油ピッチから同じ条件下で紡糸し、つ
ぎに酸素中で10℃/分の速度で350℃に加熱し、そ
の後1675℃に加熱(5)して炭化した炭素繊維の横
断面の偏光顕微鏡写真である。
Figure 11 shows the fibers shown in micrographs or Figures 9 and 10 spun from the same petroleum pitch under the same conditions and then heated to 350°C at a rate of 10°C/min in oxygen; This is a polarized light micrograph of a cross section of carbon fiber that was then heated to 1675° C. (5) and carbonized.

第12図は同じ繊維の長手方向の写真である。FIG. 12 is a longitudinal photograph of the same fiber.

第13および14図は繊維を3000℃に加熱(6)し
た以外は同じ方法でつくった炭素繊維の夫々横断面およ
び長手向の断面の偏光顕微鏡写真である。
Figures 13 and 14 are polarized light micrographs of a cross section and a longitudinal section, respectively, of carbon fibers made by the same method except that the fibers were heated to 3000° C. (6).

((5)炭化はアルゴン雰囲気中で約1時間にわたって
行った。
((5) Carbonization was performed in an argon atmosphere for about 1 hour.

(6)繊維をアルゴン雰囲気中で3000℃に約1時間
にわたって加熱し、3000℃で10分間保持した)。
(6) The fibers were heated to 3000°C in an argon atmosphere for about 1 hour and held at 3000°C for 10 minutes).

顕微鏡写真は倍率1oooxである。Micrographs are at 100x magnification.

そこに示されている繊維は、顕微鏡写真が第9および1
0図に示された延伸状態の繊維の場合と同じ好ましい配
向と微小繊維外観を示す。
The fibers shown there are photomicrographs numbered 9 and 1.
It shows the same preferred orientation and fibrillar appearance as for the fibers in the drawn state shown in Figure 0.

1675°Cおよび3000℃で熱処理した繊維を拡大
して見ると微小繊維状領域の幅は約1−4間で、これは
実際の幅か約1−4ミクロンであることを示している。
A magnified view of the fibers heat treated at 1675 DEG C. and 3000 DEG C. shows that the width of the microfibrous regions is between about 1-4 microns, which indicates an actual width of about 1-4 microns.

第15図は、顕微鏡写真が第9および10図に示された
繊維のものと同じ石油ピッチから紡糸したピッチ繊維の
横断面の偏光顕微鏡写真であるが、ただしピッチは前熱
処理してメソフェーズを形成することなしに直接紡糸温
度158℃に加熱し島第16図は同じ繊維の長手方向の
断面の顕微鏡写真である。
FIG. 15 is a polarized light micrograph of a cross section of a pitch fiber spun from the same petroleum pitch as the micrographs of the fibers shown in FIGS. 9 and 10, except that the pitch was preheat treated to form mesophase. Figure 16 is a micrograph of a longitudinal section of the same fiber.

顕微鏡写真は倍率1000Xであり、延伸状態の繊維を
示している。
The photomicrograph is at 1000X magnification and shows the fibers in the stretched state.

そこに示されている繊維は実質的に均質であるように見
えるが、顕微鏡写真が第9,10図に示された延伸状態
の繊維の場合のような組織変化および「小複合体」外観
は示していない。
Although the fibers shown there appear to be substantially homogeneous, there are no texture changes and a "small complex" appearance as in the case of the stretched fibers whose micrographs are shown in Figures 9 and 10. Not shown.

顕微鏡写真に存在する白いスポットおよび線は異方性ド
メインの存在によるものでなく、試料製造中に研摩用化
合物が繊維空隙およびクラックに浸透することによって
生じたものである。
The white spots and lines present in the micrographs are not due to the presence of anisotropic domains, but are caused by the penetration of the abrasive compound into the fiber voids and cracks during sample preparation.

第17図は、顕微鏡写真が第15および16図に示され
た繊維のものと同じ石油ピッチから同じ条件下で紡糸し
、つぎに酸素中で10℃/分の速度で340℃に加熱し
、その後1600℃に加熱(11)L、て炭化した炭素
繊維の横断面の偏光顕微鏡写真である。
FIG. 17 shows the fibers whose micrographs are shown in FIGS. 15 and 16 spun from the same petroleum pitch under the same conditions and then heated to 340° C. at a rate of 10° C./min in oxygen; This is a polarized light micrograph of a cross section of carbon fiber that was then heated to 1600° C. (11) and carbonized.

((11)炭化はアルゴン雰囲気中で約1時間にわたっ
て行い、1600℃で10分間保持した)。
((11) Carbonization was performed in an argon atmosphere for about 1 hour and held at 1600° C. for 10 minutes).

第18図は同じ繊維の長手方向の写真である。FIG. 18 is a longitudinal photograph of the same fiber.

第19および20図は繊維を3000℃に加熱(6)し
たことを除いて同じ方法でつくった炭素繊維の夫々横断
面および長手方向の断面の偏光顕微鏡写真である。
Figures 19 and 20 are polarized light micrographs of the cross-section and longitudinal section, respectively, of carbon fibers made in the same manner except that the fibers were heated to 3000°C (6).

各顕微鏡写真の倍率は100OXである。The magnification of each photomicrograph is 100OX.

1600°Cに熱処理した繊維は(第17および18図
)、顕微鏡写真が第15および16図に示された延伸状
態の繊維と同様に実質的に均質であるように見えるが、
顕微鏡写真が第9−14図に示された繊維の組織変化お
よび微小繊維外観は示していない。
The fibers heat treated to 1600°C (Figures 17 and 18) appear substantially homogeneous, similar to the stretched fibers whose micrographs are shown in Figures 15 and 16.
The micrographs do not show the tissue changes and fibrillar appearance of the fibers shown in Figures 9-14.

((6)繊維はアルゴン中で約1時間にわたって300
0℃に加熱し、3000℃で10分間保持した)。
((6) The fibers were heated at 300 °C for about 1 hour in argon.
(heated to 0°C and held at 3000°C for 10 minutes).

(第15および16図と同様に、顕微鏡写真中に存在す
る白いスポットは試料の製造中に研摩用化合物が試料空
隙に浸透することによって生じた)。
(Similar to Figures 15 and 16, the white spots present in the photomicrographs were caused by the abrasive compound penetrating the sample voids during sample preparation).

第17および18図を第15および16図と比較するこ
とにより、一層高温に加熱しても延伸状態の繊維に好ま
しい配向は与えられないことが分る。
By comparing Figures 17 and 18 with Figures 15 and 16, it can be seen that heating to higher temperatures does not impart a preferred orientation to the drawn fibers.

他方、顕微鏡写真が第19図に示された繊維の1つは(
3000°Cに熱処理)、メソフェーズを形成するよう
に熱処理しなかった石油ピッチからつくったという事実
にもかかわらず、繊維の6部近くにいくらかの無作為的
に配向した結晶粒組織が発達しているように見える(第
19および20図に示した他の繊維は実質的に均質であ
る)。
On the other hand, one of the fibers whose micrograph is shown in FIG.
Despite the fact that it was made from petroleum pitch that was not heat treated to form a mesophase (heat treated to 3000 °C), some randomly oriented grain structure developed near part 6 of the fiber. (the other fibers shown in Figures 19 and 20 are substantially homogeneous).

この異常な現象は、繊維を酸素中で熱処理している間、
繊維の6部では酸化が不完全なことによるもので、その
結果その後の一層高温での熱処理中に、繊維の未酸化中
心部に無作為的に配向した粒状結晶ドメインがある程度
発生する。
This unusual phenomenon occurs during heat treatment of fibers in oxygen.
This is due to incomplete oxidation in 6 parts of the fiber, resulting in some generation of randomly oriented granular crystalline domains in the unoxidized core of the fiber during subsequent heat treatment at higher temperatures.

このような条件下で、繊維の未酸化中心部に存在するい
くらかの非メ゛ノフエーズピツチは、400〜500℃
で炭化中にメソフェーズに変化することが出来、その結
果生成する繊維は、6部の近くに小さな結晶ドメイン(
約1ミクロン以下)を含有するが、残りの繊維中では変
化しない。
Under such conditions, some non-menophase pitches present in the unoxidized core of the fibers are heated to 400-500°C.
can transform into mesophase during carbonization, and the resulting fibers contain small crystalline domains (
(about 1 micron or less) but remain unchanged in the rest of the fiber.

しかしながら、このドメインは無作為的に配向していて
細長いよりは粒状で、かつこのような繊維では主に繊維
軸に平行に配列した配向ドメインは存在しない。
However, the domains are randomly oriented and granular rather than elongated, and such fibers do not have oriented domains that are primarily aligned parallel to the fiber axis.

第21図は、ポリアクリロニトリル繊維をまず空気中で
応力下で200−250°Cで約12時間酸化し、つい
で400°Cに加熱することによってつくった繊維の横
断面の偏光顕微鏡写真である。
Figure 21 is a polarized light micrograph of a cross-section of a polyacrylonitrile fiber made by first oxidizing it in air under stress at 200-250°C for about 12 hours and then heating to 400°C.

第22図は同じ繊維の長手方向の断面の偏光顕微鏡写真
である。
FIG. 22 is a polarized light micrograph of a longitudinal section of the same fiber.

顕微鏡写真は倍率1000Xである。Micrographs are at 1000X magnification.

繊維は実質的に均質であるか、顕微鏡写真が第9−14
図に示された繊維の組織変化および微小繊維外観は示し
ていないように見える。
Fibers are substantially homogeneous or micrographs 9-14
The tissue changes and fibrillar appearance of the fibers shown in the figure do not appear to be shown.

(顕微鏡写真に存在する白色スポットは試料の製造中試
料空隙に研摩用化合物が浸透することによって生じた)
(The white spots present in the micrograph were caused by the infiltration of the abrasive compound into the sample voids during the preparation of the sample)
.

第23図は、ポリアクリロニトリル繊維をまず空気中で
応力下で200−250℃で約12時間酸化し、ついで
1400℃に炭化してつくった炭素繊維の横断面の偏光
顕微鏡写真である。
Figure 23 is a polarized light micrograph of a cross section of a carbon fiber made by first oxidizing polyacrylonitrile fibers in air under stress at 200-250°C for about 12 hours and then carbonizing to 1400°C.

第24図は同じ繊維の長手方向の写真である。FIG. 24 is a longitudinal photograph of the same fiber.

第25および26図は繊維を2800℃に加熱したこと
を除いて同じ方法でつくった炭素繊維の夫々横断面およ
び長手方向の断面の偏光顕微鏡写真である。
Figures 25 and 26 are polarized light micrographs of a cross-section and a longitudinal section, respectively, of carbon fibers made in the same manner except that the fibers were heated to 2800°C.

顕微鏡写真は倍率1000Xである。Micrographs are at 1000X magnification.

顕微鏡写真が第21および22図に示された400℃熱
処理繊維の場合と同様に、繊維は実質的に均質であるが
、顕微鏡写真が第9−14図に示された繊維の場合の組
織変化および微小繊維外観は示していないようである。
As in the case of the 400°C heat-treated fibers whose micrographs are shown in Figures 21 and 22, the fibers are substantially homogeneous, but the texture changes in the case of the fibers whose micrographs are shown in Figures 9-14. and does not appear to exhibit a microfibrous appearance.

第23−26図と第21および22図の比較から、その
ような構造は一層高温に加熱しても繊維に賦与されない
ことは明らかである。
From a comparison of Figures 23-26 with Figures 21 and 22, it is clear that such structure is not imparted to the fibers even when heated to higher temperatures.

(顕微鏡写真中に存在する白色スポットは試料の製造中
に試料空隙に研摩用化合物が浸透することによって生じ
た)。
(The white spots present in the micrographs were caused by the infiltration of the abrasive compound into the sample voids during sample preparation).

第27図はレーヨン繊維をまず空気中で260−280
℃で数分間熱安定化し、つぎに窒素雰囲気中で300℃
に1分より短い時間加熱してつくった繊維の横断面の偏
光顕微鏡写真である。
Figure 27 shows that rayon fibers are first placed in the air at a temperature of 260-280.
Heat stabilized at ℃ for several minutes, then heated to 300℃ in a nitrogen atmosphere.
This is a polarized light micrograph of a cross section of a fiber made by heating for less than 1 minute.

第28図は同じ繊維の長手方向の断面の偏光顕微鏡写真
である。
FIG. 28 is a polarized light micrograph of a longitudinal section of the same fiber.

顕微鏡写真の倍率は1oooxである。The magnification of the photomicrograph is 1 ooox.

之等の繊維は実質的に均質に見えるが、顕微鏡写真が第
9−14図に示された繊維の場合のような組織変化およ
び微小繊維外観は示していない。
Although these fibers appear substantially homogeneous, the micrographs do not show the texture changes and fibrillar appearance as in the fibers shown in Figures 9-14.

第29図はレーヨン繊維を空気中で260−280℃で
数分間熱安定化し、ついで窒素雰囲気中で1300℃で
1分より短い時間炭化してつくった炭素繊維の横断面の
偏光顕微鏡写真である。
Figure 29 is a polarized light micrograph of a cross section of a carbon fiber made by heat stabilizing rayon fibers in air at 260-280°C for several minutes and then carbonizing at 1300°C for less than 1 minute in a nitrogen atmosphere. .

第30図は同じ繊維の長手方向の写真である。FIG. 30 is a longitudinal photograph of the same fiber.

第31および32図は繊維を3000℃に加熱(8)し
たことを除いて同じ方法でつくった炭素繊維の夫々横断
面および長手方向の断面の偏光顕微鏡写真である。
Figures 31 and 32 are polarized light micrographs of a cross-section and a longitudinal section, respectively, of carbon fibers made in the same manner except that the fibers were heated to 3000°C (8).

((8)繊維は窒素雰囲気中で応力下で3000℃に1
分より短い時間加熱し、その後3000℃でアルゴン雰
囲気中で応力なしに10分間再加熱した)。
((8) The fibers were heated to 3000°C under stress in a nitrogen atmosphere.
(heated for less than a minute and then reheated at 3000° C. in an argon atmosphere for 10 minutes without stress).

顕微鏡写真は倍率1oooxである。Micrographs are at 100x magnification.

顕微鏡写真が第27および28図に示された300°C
熱処理繊維の場合と同様に、繊維は実質的に均質に見え
るが、顕微鏡写真が第9−14図に示された繊維の場合
の如き組織変化および微小繊維外観は示していない。
300°C, the micrographs of which are shown in Figures 27 and 28.
As with the heat treated fibers, the fibers appear substantially homogeneous, but the micrographs do not show the texture changes and fibrillar appearance as in the fibers shown in Figures 9-14.

第29−32図と第27および28図の比較から、その
ような構造は一層高温に加熱しても繊維に賦与されない
ことは明らかである。
From a comparison of Figures 29-32 with Figures 27 and 28, it is clear that such structure is not imparted to the fibers even when heated to higher temperatures.

(顕微鏡写真に存在する白色スポットは試料の製造中研
摩用化合物が試料空隙に浸透することによって生じる)
(The white spots present in the micrograph are caused by abrasive compounds penetrating the sample voids during sample preparation)
.

次の実施例は当業者が本発明をよりよく理解出来るよう
に例示を目的として述べられている。
The following examples are included for illustrative purposes so that those skilled in the art may better understand the invention.

これら実施例は単に例示的なもので、本発明を限定する
ものではないことは言うまでもない。
It goes without saying that these examples are merely illustrative and do not limit the invention.

実施例 市販の石油ピッチを用いてメンフェーズ含有量約50重
量%のピッチをつくった。
Example A pitch having a menphase content of about 50% by weight was prepared using commercially available petroleum pitch.

前、堅物質ピッチは密度1.233 g/C1軟化温度
120.5℃で、0.83重量%のキノリンネ溶解性物
(Q、1.は75℃でキノリン抽出により測定した。
Previously, the hard material pitch had a density of 1.233 g/C1, a softening temperature of 120.5°C, and 0.83% by weight of quinoline solubles (Q, 1. determined by quinoline extraction at 75°C).

)を含有していた。).

化学分析によれば炭素含量93.3%、水素含量5.6
%、硫黄含量0.94%および灰分0.044%であっ
た。
According to chemical analysis, carbon content is 93.3% and hydrogen content is 5.6%.
%, sulfur content 0.94% and ash content 0.044%.

この前駆物質石油ピッチを静止条件下で窒素雰囲気下で
約400℃で約32時間加熱することによってメンフェ
ーズピッチをつくった。
Menphase pitch was made by heating this precursor petroleum pitch at about 400° C. for about 32 hours under a nitrogen atmosphere under static conditions.

加熱後ピッチは49.3重量%のキノリンネ溶解性物を
含有し、これはピッチのメソフェーズ含有量が50%に
近いことを示していた。
After heating, the pitch contained 49.3% by weight of quinoline solubles, indicating that the mesophase content of the pitch was close to 50%.

このピッチの1部を押出しシリンダーに後し、窒素雰囲
気下で372℃の湿度で、ピストンで加圧して押出し機
の下部のピンホールオリフィス(直径0.015インチ
)から溶融ピッチを押出して20−80フイ一ト/分の
紡糸速度で紡糸して繊維を得た。
A portion of this pitch was placed in an extrusion cylinder, and under nitrogen atmosphere and humidity at 372°C, the molten pitch was extruded through a pinhole orifice (0.015 inch diameter) at the bottom of the extruder under pressure with a piston. Fibers were obtained by spinning at a spinning speed of 80 fibers/min.

このようにして直径12−23ミクロンの繊維をつくっ
た。
Fibers of 12-23 microns in diameter were produced in this manner.

この場合、このメンフェーズピッチは静止条件下で大き
な合体ドメイン(ドメインサンズ240ミクロン)を有
する均質なバルクメソフェーズを形成しており、然もそ
のピッチは紡糸温度で非チキントロピー性であり、そし
て10乃至200ポーイズの粘度を有している。
In this case, the menphasic pitch forms a homogeneous bulk mesophase with large coalescing domains (domain sands 240 microns) under static conditions, yet the pitch is non-chickentropic at spinning temperatures, and 10 It has a viscosity of 200 to 200 poise.

同じ方法でつくった繊維(同じピッチを400℃で10
時間加熱した後350℃で紡糸した)のX線回折研究に
より繊維は29°の好ましい配向(FWHM)(露光X
線フィルムの002帯の微光光度計走査により測定)を
有することが示された。
Fibers made using the same method (same pitch at 400℃ for 10
X-ray diffraction studies revealed that the fibers were with a preferred orientation (FWHM) of 29° (spun at 350°C after heating for
(measured by microphotometer scanning of the 002 band of the line film).

繊維中のピッチ分子の配夕1ルたドメインの見掛けの微
結晶の厚さLcは002の回折円弧の幅のマイクロデン
シトメーター走査測定により47人であることが決定さ
れた。
The apparent crystallite thickness Lc of the unidirectional domains of the pitch molecules in the fiber was determined to be 47 by microdensitometer scanning measurements of the width of the 002 diffraction arc.

この繊維のX線回折像については第1図に参照されたい
See FIG. 1 for the X-ray diffraction image of this fiber.

同じ繊維の偏光顕微鏡検査により、主に繊維軸に平行に
配ダルた微小繊維状外観を有する大きな細長い光学的異
方性ドメインが存在することが分った。
Polarized light microscopy of the same fibers revealed the presence of large elongated optically anisotropic domains with a fibrillar appearance, oriented primarily parallel to the fiber axis.

第9および10図参照。このようにしてつくった延伸状
態の繊維の1部を酸素中で約30分にわたって300℃
に加熱し、この温度で約15分間保持した。
See Figures 9 and 10. A portion of the drawn fiber thus produced was heated to 300°C for about 30 minutes in oxygen.
and held at this temperature for approximately 15 minutes.

得られた酸化繊維は完全に不融解性で、高温で加熱して
も垂下しなかった。
The resulting oxidized fibers were completely infusible and did not sag even when heated at high temperatures.

この不融解性繊維を窒素雰囲気中で約80分にわたって
800℃に加熱し、この温度で約10分間保持し、つぎ
にアルゴン中で5O−1006C/分の速度で1400
〜1800℃の最終温度に加熱した。
The infusible fibers were heated to 800° C. for about 80 minutes in a nitrogen atmosphere, held at this temperature for about 10 minutes, and then heated to 1400° C. at a rate of 50-1006 C/min in argon.
Heated to a final temperature of ~1800°C.

各場合繊維は最終温度で約15分保持した。In each case the fibers were held at the final temperature for approximately 15 minutes.

このようにして100X103psiを超える引張強さ
および約20X106psiを超える弾性ヤング率を有
する繊維をつくった。
Fibers with tensile strengths in excess of 100 x 103 psi and elastic Young's modulus in excess of about 20 x 106 psi were thus produced.

さらに例として、1600℃に加熱した繊維は引張強が
201×103psiで、弾性ヤング率が32.6 X
10’psiであった。
As a further example, a fiber heated to 1600°C has a tensile strength of 201 x 103 psi and an elastic Young's modulus of 32.6 x
It was 10'psi.

1800℃に加熱した繊維は引張強さが149 X 1
03psiで、ヤング率が53.2 x 106psi
であった。
Fibers heated to 1800°C have a tensile strength of 149 x 1
03psi, Young's modulus is 53.2 x 106psi
Met.

同じ方法でつくった繊維(同じピッチからつくった繊維
を酸素中で10℃/分の速度で350℃に加熱し、つぎ
にアルゴン雰囲気中で約1時間にわたって1000℃に
加熱して炭化した)のX線回折研究によれば、このよう
な繊維は40°の好ましい配向(FWHM)および21
人の見掛けの゛微結晶の厚さり。
Fibers made in the same manner (fibers made from the same pitch were heated in oxygen to 350°C at a rate of 10°C/min and then carbonized by heating to 1000°C for about 1 hour in an argon atmosphere). According to X-ray diffraction studies, such fibers have a preferred orientation (FWHM) of 40° and a
The apparent thickness of a person's microcrystals.

を有することが示された。このような繊維のX線回折像
を第5図に示す。
It was shown that it has. An X-ray diffraction image of such a fiber is shown in FIG.

第6図は同じ繊維を3000℃に加熱した後のX線回折
像を示している。
Figure 6 shows an X-ray diffraction image of the same fiber after heating to 3000°C.

3000℃熱処理繊維は約fの好ましい配向および10
00人を超える見掛けの層寸法Laおよび微結晶の厚さ
り。
The 3000°C heat treated fibers have a preferred orientation of about f and 10
The apparent layer dimension La and the thickness of microcrystals exceed 0.00.

をもっていた。同じ方法でつくったが1675℃に熱処
理した繊維の偏光顕微鏡検査により、延伸状態の繊維と
同じように大きな配向した細長い黒鉛化可能領域が存在
することが分った。
had. Polarized light microscopy examination of fibers made in the same manner but heat treated to 1675° C. revealed the presence of large oriented elongated graphitizable regions similar to the stretched fibers.

同じ方法でつくったが3000°Cに熱処理した繊維は
、同様に主に繊維軸に平行に配夕1ルた大きな配向した
細長い光学的異方性ドメイン(もはや黒鉛化可能という
よりはむしろ黒鉛性である)をもつ特徴を有していた。
Fibers made in the same manner but heat-treated at 3000°C also showed largely oriented elongated optically anisotropic domains (no longer graphitizable, but rather graphitic) that were oriented primarily parallel to the fiber axis. ).

第11−14図参照。See Figures 11-14.

同じ方法でつくったが3000°C以上に加熱した繊維
は、300 X 103psiを超える引張強さおよび
100X106psiを超えるヤング率を有することが
見出された。
Fibers made in the same manner but heated above 3000°C were found to have tensile strengths in excess of 300 x 103 psi and Young's modulus in excess of 100 x 106 psi.

以上、本発明の詳細な説明したが、なお次の実施態様を
包含する。
Although the present invention has been described in detail above, it still includes the following embodiments.

(1)電気抵抗150X10”ohmcrrL〜200
X10−6ohmcrrL、引張強さ250X10”p
si以上、および弾性ヤング率75X10’psi以上
である、特許請求の範囲第1項記載の繊維。
(1) Electrical resistance 150X10”ohmcrrL~200
X10-6ohmcrrL, tensile strength 250X10”p
si or more, and an elastic Young's modulus of 75×10' psi or more.

(2)直径10,000乃至40,000人の細長いド
メインを含有する特許請求の範囲第1項に記載の繊維。
(2) The fiber of claim 1 containing elongated domains of 10,000 to 40,000 in diameter.

(3)電気抵抗250X10−6ohmcfrL以下、
引張強さ200X103psi以上、および弾性ヤング
率50X106psi以上である前記第(2)項に記載
の繊維。
(3) Electrical resistance 250X10-6ohmcfrL or less,
The fiber according to item (2) above, which has a tensile strength of 200×10 3 psi or more and an elastic Young's modulus of 50×10 6 psi or more.

(4)電気抵抗150 X 10−6乃至200X10
−6ohmCrfL、引張強さ250X103psi以
上、および弾性ヤング率75X106psi以上である
、前記第(2)項に記載の繊維。
(4) Electrical resistance 150 x 10-6 to 200 x 10
-6ohmCrfL, a tensile strength of 250×10 3 psi or more, and an elastic Young's modulus of 75×10 6 psi or more.

(5)直径10,000乃至100,000人の細長い
ドメインを含有する特許請求の範囲第1項に記載の繊賜 (6)繊維が酸素含有雰囲気中で300乃至約390℃
で加熱される、特許請求の範囲第2項に記載の方法。
(5) The fiber of claim 1 containing elongated domains of 10,000 to 100,000 in diameter;
3. The method according to claim 2, wherein the method is heated at .

(力 酸素含有雰囲気が空気および酸素からなる群から
選ばれる、前記第(6)項に記載の方法。
(The method according to item (6) above, wherein the oxygen-containing atmosphere is selected from the group consisting of air and oxygen.

(8)炭素質繊維がピッチ粘度30乃至60ポイズの温
度で紡糸される、特許請求の範囲第2項に゛記載の方法
(8) The method according to claim 2, wherein the carbonaceous fiber is spun at a temperature with a pitch viscosity of 30 to 60 poise.

(9)繊維か酸素含有雰囲気中で300乃至約390℃
で加熱される。
(9) 300 to about 390°C in an oxygen-containing atmosphere
is heated.

前記第(8)項記載の方法。(10)酸素含有雰囲気が
空気および酸素からなる群から選ばれる、前記第(9)
項に記載の方夾。
The method described in item (8) above. (10) Item (9) above, wherein the oxygen-containing atmosphere is selected from the group consisting of air and oxygen.
The method described in section.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 芳香族分子を有する石油系ピッチを、静置条件下で
約り50℃〜約450℃の温度にて加熱することによっ
て、約40係〜約90係(重量)のメソフェーズ含量を
有しかつ該メソフェーズは200ミクロン以上のドメイ
ンサイズを有する均質なバルクメソフェーズであるメソ
フェーズピッチを製造し、しかも該メンフェーズピッチ
は非チキントロピック性であり、かつ紡糸温度で10ポ
イズ〜200ポイズの粘度を有しており、次いで該メソ
フェーズピッチを紡糸温度にて30ミクロン以下の直径
を有するピッチ繊維に紡糸し、このピッチ繊維を酸素含
有雰囲気中にて約り50℃〜約400°Cの温度にて該
ピッチ繊維を不融解性にするのに十分な時間加熱し、次
いで該ピッチ繊維を不活性雰囲気中で最初に約1000
℃以上の温度で加熱し、次いで約2,500’C以上の
温度に加熱することを特徴とする、多機結晶黒鉛の三次
元配列特性をもつ構造を有する黒鉛繊維の製造方法。
1. By heating petroleum-based pitch having aromatic molecules at a temperature of about 50 °C to about 450 °C under stationary conditions, a pitch having a mesophase content of about 40 parts to about 90 parts (by weight) and The mesophase produces mesophase pitch, which is a homogeneous bulk mesophase with a domain size of 200 microns or more, and the mesophase pitch is non-Chickentropic and has a viscosity of 10 poise to 200 poise at the spinning temperature. The mesophase pitch is then spun into pitch fibers having a diameter of 30 microns or less at a spinning temperature, and the pitch fibers are sintered in an oxygen-containing atmosphere to form the pitch at a temperature of 50°C to about 400°C. The pitch fibers are heated for a period sufficient to render them infusible, and then the pitch fibers are initially
1. A method for producing graphite fiber having a structure of multiorganic crystalline graphite having a three-dimensional array characteristic, the method comprising heating at a temperature of 0.degree. C. or higher, and then heating to a temperature of about 2,500'C or higher.
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