JP7360244B2 - Carbon fiber manufacturing method and carbon fiber - Google Patents
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Description
本発明は、高強度の炭素繊維の製造方法及び当該炭素繊維に関する。 The present invention relates to a method for producing high-strength carbon fibers and the carbon fibers.
炭素繊維は、比強度・比弾性率に優れ、軽量であるため、熱硬化性及び熱可塑性樹脂の強化繊維として、従来のスポーツ・一般産業用途だけでなく、航空・宇宙用途、自動車用途など、幅広い用途に利用されている。近年、炭素繊維複合材料の優位性はますます高まり、特に自動車、航空・宇宙用途において、炭素繊維複合材料の性能および生産性の向上に対する要求が高い。複合材料としての特性は炭素繊維そのものの特性に起因するところが大きく、炭素繊維自身への強度向上に対する要求が強まると同時に、炭素繊維自身の生産性の向上も望まれている。
一般的に、炭素繊維は、前駆体繊維に耐炎化処理を施して耐炎化繊維を得、更にこの耐炎化繊維に炭素化処理を施して得られることは広く知られており、またこの方法は工業的にも実施されている。高強度の炭素繊維を製造するためには、特に破断の開始点となるような欠陥の生成を抑制する必要である。しかし、一般的に前駆体繊維を耐炎化して得られる炭素繊維では、耐炎化工程において繊維内部に構造ムラ(スキンコア)が生じることが知られている、内部欠陥として炭素繊維の強度向上を阻害する一因と言われてきた。
そのため、高強度の炭素繊維を得るために、耐炎化工程において繊維内部に生じるスキンコアを低減する技術が提案されている。例えば、特許文献1には、前駆体繊維の耐炎化工程における繊維の昇温速度を小さくすることにより、単繊維の中心部と外周部との構造ムラの低減を図る技術が提案されている。しかし、昇温速度の低減は、焼成速度の低下あるいは装置の大型化、生産コストの上昇を意味し、強度向上にも限界があった。
Carbon fiber has excellent specific strength and specific modulus, and is lightweight, so it is used as a reinforcing fiber for thermosetting and thermoplastic resins, not only for conventional sports and general industrial applications, but also for aerospace, automotive, and other applications. It is used for a wide range of purposes. In recent years, the superiority of carbon fiber composite materials has been increasing more and more, and there is a high demand for improved performance and productivity of carbon fiber composite materials, especially in automotive, aerospace, and space applications. The properties of carbon fibers as composite materials are largely due to the properties of carbon fibers themselves, and at the same time there is a growing demand for improved strength of carbon fibers themselves, there is also a desire to improve the productivity of carbon fibers themselves.
Generally, it is widely known that carbon fibers can be obtained by subjecting a precursor fiber to a flame-retardant treatment to obtain a flame-retardant fiber, and then subjecting this flame-retardant fiber to a carbonization treatment. It is also practiced industrially. In order to produce high-strength carbon fibers, it is particularly necessary to suppress the generation of defects that can become starting points for fracture. However, in carbon fibers that are generally obtained by making precursor fibers flame-resistant, it is known that structural unevenness (skin core) occurs inside the fibers during the flame-proofing process, which is an internal defect that inhibits the strength improvement of carbon fibers. It has been said that this is a contributing factor.
Therefore, in order to obtain high-strength carbon fibers, techniques have been proposed to reduce skin cores generated inside the fibers during the flame-retardant process. For example, Patent Document 1 proposes a technique for reducing structural unevenness between the center and the outer periphery of a single fiber by reducing the heating rate of the fiber in the process of flameproofing the precursor fiber. However, a reduction in the temperature increase rate means a reduction in the firing rate, an increase in the size of the equipment, and an increase in production costs, and there is a limit to the strength improvement.
本発明は、上記した課題に鑑み、高強度の炭素繊維を低コストで得られる製造方法及び高強度で低コストな炭素繊維を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems, an object of the present invention is to provide a manufacturing method that enables high-strength carbon fibers to be obtained at low cost, and to provide high-strength, low-cost carbon fibers.
本発明の一態様に係る炭素繊維の製造方法は、前駆体繊維を耐炎化し耐炎化繊維を得る耐炎化工程と、耐炎化繊維を炭素化する炭素化工程とを含む炭素繊維の製造方法において、前記耐炎化繊維は、コア率が5[%]以上の耐炎化繊維であり、前記炭素化工程が、700~1,000[℃]の温度範囲において450[℃/min]以下の温度勾配で行われる。
本発明の一態様に係る炭素繊維の製造方法は、前駆体繊維を耐炎化し耐炎化繊維を得る耐炎化工程と、耐炎化繊維を炭素化する炭素化工程とを含む炭素繊維の製造方法において、前記耐炎化工程は、最高温度255[℃]以上の温度で、60[min]以下の時間で行われ、前記炭素化工程が、700~1,000[℃]の温度範囲において450[℃/min]以下の温度勾配で行われる。
本発明の一態様に係る炭素繊維は、前駆体繊維を耐炎化し耐炎化繊維を得る耐炎化工程と、耐炎化繊維を炭素化する炭素化工程とから製造される炭素繊維において、炭素繊維の音波伝導速度[km/s]をCVとし、炭素繊維の引張弾性率[GPa]をTMとすると、前記音波伝導速度CVと前記引張弾性率TMとの関係において、242>37.5×CV-TM>215 を満たす。
A method for producing carbon fiber according to one embodiment of the present invention includes a flame-retardant step of making a precursor fiber flame-resistant to obtain a flame-retardant fiber, and a carbonization step of carbonizing the flame-retardant fiber. The flame-resistant fiber is a flame-resistant fiber with a core percentage of 5% or more, and the carbonization step is performed at a temperature gradient of 450 [°C/min] or less in a temperature range of 700 to 1,000 [°C]. It will be done.
A method for producing carbon fiber according to one embodiment of the present invention includes a flame-retardant step of making a precursor fiber flame-resistant to obtain a flame-retardant fiber, and a carbonization step of carbonizing the flame-retardant fiber. The flameproofing step is performed at a maximum temperature of 255 [°C] or higher for a time of 60 [min] or less, and the carbonization step is performed at a temperature of 450 [°C/ The temperature gradient is less than or equal to [min].
The carbon fiber according to one aspect of the present invention is produced by a flame-retardant step of making a precursor fiber flame-resistant to obtain a flame-retardant fiber, and a carbonization step of carbonizing the flame-retardant fiber. If the conduction velocity [km/s] is CV and the tensile modulus [GPa] of carbon fiber is TM, then in the relationship between the sound wave conduction velocity CV and the tensile modulus TM, 242>37.5×CV-TM >215 is satisfied.
本発明の一態様に係る炭素繊維の製造方法により、高いストランド引張強度を有する炭素繊維が得られる。 Carbon fibers having high strand tensile strength can be obtained by the method for producing carbon fibers according to one embodiment of the present invention.
<<概要>>
発明者らは、前駆体繊維から炭素繊維を製造する耐炎化工程と炭素化工程に着目して検討を重ね、あえてスキンコアのコア層の比率(以下、単に「コア率」という)の高い耐炎化繊維を用い、特定の炭素化条件で炭素化処理を行うことで、かえって高強度の炭素繊維が得られることが判明した。
ここでスキンコアについて図1を用いて説明する。
スキンコアは、耐炎化繊維の表面部であって耐炎化の進んだスキン層Aと、耐炎化繊維の中央部であってスキン層Aと比較して耐炎化の遅れたコア層Bとを有する2重構造をいう。
スキン層Aは、光学顕微鏡で観察される外周部の色味が濃い領域である。コア層Bとは、光学顕微鏡で観察される内周部の色味が薄い領域である。
コア率は、光学顕微鏡による耐炎化繊維の断面観察において、その断面における1つの繊維の全断面積に対するコア層面積の比率である。
<<Summary>>
The inventors conducted repeated studies focusing on the flame-retardant process and carbonization process for producing carbon fiber from precursor fibers, and purposefully developed a flame-retardant film with a high ratio of the core layer of the skin core (hereinafter simply referred to as "core ratio"). It has been found that by carbonizing fibers under specific carbonization conditions, carbon fibers with even higher strength can be obtained.
Here, the skin core will be explained using FIG. 1.
The skin core has a skin layer A, which is the surface part of the flame-resistant fiber and has advanced flame resistance, and a core layer B, which is the center part of the flame-resistant fiber and whose flame resistance has been delayed compared to the skin layer A. Heavy structure.
The skin layer A is a dark-colored region at the outer periphery observed with an optical microscope. The core layer B is a region with a light color on the inner periphery observed with an optical microscope.
The core ratio is the ratio of the area of the core layer to the total cross-sectional area of one fiber in the cross-section observed in the cross-section of the flame-resistant fiber using an optical microscope.
<<実施形態>>
1.耐炎化工程
(1)耐炎化工程は、前駆体繊維体に対して耐炎化して、コア率が5[%]以上、より好ましくは10[%]以上となる耐炎化繊維を得る工程である。なお、耐炎化することを耐炎化処理ともいう。
コア率が5[%]以上の耐炎化繊維は、特に限定されるものではないが、例えば、最高温度255[℃]以上の耐炎化処理空間で60[min]以下の処理時間で耐炎化を行うことで得られ、より好ましくは、最高温度260[℃]以上の耐炎化処理空間で50[min]以下の処理時間で耐炎化を行うことで得られる。処理空間の温度が高いほど、処理時間が短いほど、コア率の大きな耐炎化繊維を得ることができる。
耐炎化処理空間の最低温度は、最高温度に応じて適宜調整すればよいが、220[℃]以上であることが好ましく、240[℃]以上であることがより好ましい。処理空間の温度勾配は、0.25[℃/min]以上であることが好ましく、0.3~3[℃/min]の範囲であることがより好ましい。ここでの温度勾配は、最低温度から最高温度に達するまでの時間である。
耐炎化処理は、耐炎化繊維の比重が1.32~1.4[g/cm3]の範囲となるように行うことが好ましく、1.35~1.37[g/cm3]の範囲となるように行うことがより好ましい。耐炎化繊維の比重がこの範囲となるように耐炎化処理を行うと、より強度の高い炭素繊維を得ることができる。耐炎化繊維の比重は、処理空間の温度を高く、または、処理時間を長くすれば、つまり、前駆体繊維に与えるエネルギ量を多くすることで、高くすることができる。
炭素繊維は過度な結晶サイズの増大によってその強度が低下することが知られているが、耐炎化繊維にコア率が5[%]以上のスキンコアが存在することで、炭素化工程中の過度な結晶成長が抑制されると考えられ、その結果、炭素繊維の強度が向上する。
<<Embodiment>>
1. Flame-retardant step (1) The flame-retardant step is a step in which the precursor fiber is made flame-retardant to obtain a flame-retardant fiber having a core ratio of 5% or more, more preferably 10% or more. In addition, flame-proofing is also referred to as flame-proofing treatment.
Flame-resistant fibers with a core ratio of 5 [%] or more are not particularly limited, but for example, flame-resistant fibers can be made flame-resistant in a flame-retardant treatment space with a maximum temperature of 255 [°C] or more for a treatment time of 60 [min] or less. More preferably, it can be obtained by performing flame resistance in a flame resistance treatment space with a maximum temperature of 260 [° C.] or higher for a treatment time of 50 [min] or less. The higher the temperature of the processing space and the shorter the processing time, the more flame-resistant fibers with a higher core ratio can be obtained.
The minimum temperature of the flameproofing treatment space may be adjusted as appropriate depending on the maximum temperature, but it is preferably 220 [°C] or higher, and more preferably 240 [°C] or higher. The temperature gradient in the processing space is preferably 0.25 [°C/min] or more, and more preferably in the range of 0.3 to 3 [°C/min]. The temperature gradient here is the time from the lowest temperature to the highest temperature.
The flame-retardant treatment is preferably carried out so that the specific gravity of the flame-retardant fiber is in the range of 1.32 to 1.4 [g/cm 3 ], more preferably in the range of 1.35 to 1.37 [g/cm 3 ]. It is more preferable to do so. If the flame-retardant treatment is performed so that the specific gravity of the flame-retardant fiber falls within this range, carbon fibers with higher strength can be obtained. The specific gravity of the flame-resistant fiber can be increased by increasing the temperature of the treatment space or by increasing the treatment time, that is, by increasing the amount of energy given to the precursor fiber.
It is known that the strength of carbon fiber decreases due to an excessive increase in crystal size, but the presence of skin cores with a core ratio of 5% or more in flame-resistant fibers prevents excessive increase in the carbonization process. It is thought that crystal growth is suppressed, and as a result, the strength of the carbon fiber is improved.
(2)コア率の算出方法
コア率の算出方法は以下のとおりである。
耐炎化繊維の断面観察は、室温硬化型エポキシ樹脂に耐炎化繊維を包埋し、硬化後に研磨した断面に対して行なった。観察には反射顕微鏡を使用した。コア率は、耐炎化繊維の断面画像から明部分の断面積と明部分・暗部分を含む全断面積とを測定し、以下の式(1)に当てはめることで算出した。画像の閾値設定、2値化及び面積の測定は画像処理ソフトウェア(旭化成エンジニアリング社製。A像くん(登録商標))を用いて行った。
コア率[%]= 明部分の断面積/全断面積 × 100 ・・・ (1)
(2) Core rate calculation method The core rate calculation method is as follows.
The cross section of the flame resistant fiber was observed by embedding the flame resistant fiber in a room temperature curable epoxy resin and polishing the cross section after curing. A reflection microscope was used for observation. The core ratio was calculated by measuring the cross-sectional area of the bright part and the total cross-sectional area including the bright part and dark part from the cross-sectional image of the flame-resistant fiber, and applying it to the following formula (1). Image threshold setting, binarization, and area measurement were performed using image processing software (manufactured by Asahi Kasei Engineering Co., Ltd., Azo-kun (registered trademark)).
Core ratio [%] = Cross-sectional area of bright part / Total cross-sectional area × 100 ... (1)
(3)配向度
対象とする耐炎化繊維の配向度は74.0~77.0[°]の範囲内にあることが好ましく、75.0~75.5[°]の範囲内にあることがより好ましい。耐炎化繊維の配向は、プリカーサの製造工程及び耐炎化工程中の延伸倍率により調整できる。延伸倍率が高いほど配向は上がる。配向度は、回折角26[°]における結晶子サイズを回折パターンによりその半値幅により算出した。
なお、X線回折装置としてRIGAKU社製RINT2200を使用し、RIGAKU社製RINT2000シリーズ解析ソフトを使用してコンピュータにより算出している。
(3) Degree of orientation The degree of orientation of the target flame-resistant fiber is preferably within the range of 74.0 to 77.0 [°], and preferably within the range of 75.0 to 75.5 [°]. is more preferable. The orientation of the flame-resistant fibers can be adjusted by adjusting the draw ratio during the precursor manufacturing process and the flame-resistant process. The higher the stretching ratio, the higher the orientation. The degree of orientation was calculated from the half-width of the crystallite size at a diffraction angle of 26[°] based on the diffraction pattern.
Note that RINT2200 manufactured by RIGAKU is used as an X-ray diffractometer, and calculations are made by computer using RINT2000 series analysis software manufactured by RIGAKU.
2.炭素化工程
炭素化工程は、コア率が5[%]以上の耐炎化繊維に対して炭素化して炭素繊維を得る工程である。なお、炭素化することを炭素化処理ともいう。炭素化は、特定の温度域において比較的緩やかな温度勾配(昇温勾配)で加熱する。
具体的には、700~1,000[℃]の温度範囲において450[℃/min]以下の温度勾配で炭素化処理を行う。従来、かかる温度領域の炭素化条件は得られる炭素繊維の強度への影響が小さいと考えられており、700~1,000[℃]以外の他の温度域に比べて比較的急な温度勾配が設定されていた。しかし、本発明者らは、特定のコア率を有する耐炎化繊維を炭素化する場合には、かかる温度範囲での温度勾配を緩やかにすることで高いストランド引張強度を有する炭素繊維が得られることを見出した。なお、ストランド引張強度を単に「引張強度」又は「強度」ということもあり、ストランド引張弾性率を単に「引張弾性率」又は「弾性率」ということもある。
2. Carbonization Step The carbonization step is a step in which flame-resistant fibers having a core ratio of 5% or more are carbonized to obtain carbon fibers. Note that carbonization is also referred to as carbonization treatment. Carbonization involves heating with a relatively gentle temperature gradient (temperature increase gradient) in a specific temperature range.
Specifically, the carbonization treatment is performed at a temperature gradient of 450 [°C/min] or less in a temperature range of 700 to 1,000 [°C]. Conventionally, it has been thought that carbonization conditions in this temperature range have a small effect on the strength of the obtained carbon fiber, and the temperature gradient is relatively steep compared to other temperature ranges other than 700 to 1,000 [℃]. was set. However, the present inventors have found that when carbonizing flame-resistant fibers with a specific core ratio, carbon fibers with high strand tensile strength can be obtained by making the temperature gradient gentle in this temperature range. I found out. Note that the strand tensile strength is sometimes simply referred to as "tensile strength" or "strength", and the strand tensile modulus is sometimes simply referred to as "tensile modulus" or "elastic modulus".
700~1,000[℃]の温度範囲の温度勾配は、より好ましくは、100~450[℃/min]の範囲、さらに好ましくは200~400[℃/min]の範囲である。
上記700~1,000[℃]の温度域において炭素化中の繊維の急激な重量減少が生じるが、重量減少速度が速すぎると繊維内部に欠陥を生じ、強度低下の要因となる。強度の低下を抑制するには、700~1,000[℃]の温度範囲での好ましい重量減少速度は5~13[重量%/min]、より好ましくは9~12[重量%/min]の範囲である。
また、炭素化工程全体の温度勾配は50~250[℃/min]の範囲であることが好ましく、100~200[℃/min]の範囲であることがより好ましい。
炭素化処理の炭素化時間は5[min]以上であることが好ましく、より好ましくは6[min]以上である。
炭素化工程が複数個の炭素処理炉を通過することで行われる場合、炭素化時間は各炭素処理炉を通過する合計の時間である。なお、炭素化工程が複数個の炭素処理炉を通過することで行われる場合、炭素化処理の最高温度はすべての炭素化処理炉における最高温度であり、最低温度はすべての炭素処理炉における最低温度である。
The temperature gradient in the temperature range of 700 to 1,000 [°C] is more preferably in the range of 100 to 450 [°C/min], and even more preferably in the range of 200 to 400 [°C/min].
In the above-mentioned temperature range of 700 to 1,000 [° C.], a rapid weight loss of the fiber during carbonization occurs, but if the weight loss rate is too fast, defects will occur inside the fiber, which will cause a decrease in strength. In order to suppress the decrease in strength, the preferable weight reduction rate in the temperature range of 700 to 1,000 [°C] is 5 to 13 [wt%/min], more preferably 9 to 12 [wt%/min]. range.
Further, the temperature gradient throughout the carbonization step is preferably in the range of 50 to 250 [°C/min], more preferably in the range of 100 to 200 [°C/min].
The carbonization time of the carbonization treatment is preferably 5 [min] or more, more preferably 6 [min] or more.
When the carbonization process is performed by passing through a plurality of carbon treatment furnaces, the carbonization time is the total time for passing through each carbon treatment furnace. In addition, when the carbonization process is performed by passing through multiple carbon treatment furnaces, the maximum temperature of carbonization treatment is the highest temperature in all carbonization treatment furnaces, and the lowest temperature is the lowest temperature in all carbon treatment furnaces. It's temperature.
3.炭素繊維
(1)繊維特性
このような耐炎化工程と炭素化工程を行う炭素繊維の製造方法によれば、ストランド引張強度TSに優れた炭素繊維を得ることができる。炭素繊維の引張強度TSは、5,000[MPa]以上であることが好ましい。引張強度TSの高い炭素繊維を用いると、物性に優れた複合材料を得ることができる。
炭素繊維の結晶サイズLcは、16.2[Å]以下であることが好ましく、16.0[Å]未満であることがより好ましい。炭素繊維の結晶サイズが低いと、圧縮特性、耐衝撃性に優れた複合材料を得ることができる。
本発明において炭素繊維は、炭素繊維の音波伝導速度CV[km/s]と引張弾性率TM[GPa]との関係において、
242>37.5×CV-TM>215
を満たす。
また、炭素繊維の弾性率TMが230~260[GPa]である場合、炭素繊維の音波伝導速度CVは、12.2[km/s]より大きく、13.0[km/s]未満が好ましい。
ここでいう「音波伝導速度」は音波の振動が繊維束長手方向に伝わる速さをいう。音波伝導速度CVは、繊維中の緻密性や結晶性の増大に伴い増加する傾向にある。これは、緻密性の向上により音波伝導パスが形成されるためであると考えられる。音波伝導速度CVがこの範囲にあると、繊維の緻密性と結晶成長のバランスが取れるため、引張強度TSの高い炭素繊維となる。音波伝導速度CVが低すぎる場合、繊維中の緻密性が低いため、一方、音波伝導速度CVが高すぎる場合は、過度な結晶成長によって引張強度TSが低下する傾向がある。音波伝導速度CVがこの範囲にあることで、5,000[MPa]以上の引張強度TSを有する炭素繊維を得やすくなる。
3. Carbon Fiber (1) Fiber Characteristics According to the carbon fiber manufacturing method that includes such a flame resistant process and a carbonization process, carbon fibers having excellent strand tensile strength TS can be obtained. It is preferable that the tensile strength TS of the carbon fiber is 5,000 [MPa] or more. By using carbon fibers with high tensile strength TS, a composite material with excellent physical properties can be obtained.
The crystal size Lc of the carbon fiber is preferably 16.2 [Å] or less, more preferably less than 16.0 [Å]. When the carbon fiber crystal size is low, a composite material with excellent compression properties and impact resistance can be obtained.
In the present invention, the carbon fiber has the following relationship between the sound wave conduction velocity CV [km/s] and the tensile modulus TM [GPa] of the carbon fiber.
242>37.5×CV-TM>215
satisfy.
Further, when the elastic modulus TM of the carbon fiber is 230 to 260 [GPa], the sound wave conduction velocity CV of the carbon fiber is preferably greater than 12.2 [km/s] and less than 13.0 [km/s]. .
The "sonic wave conduction velocity" here refers to the speed at which sound wave vibrations are transmitted in the longitudinal direction of the fiber bundle. The sound wave conduction velocity CV tends to increase as the density and crystallinity of the fiber increases. This is considered to be because a sound wave conduction path is formed due to the improvement in density. When the sound wave conduction velocity CV is within this range, the denseness of the fiber and the crystal growth can be balanced, resulting in a carbon fiber with a high tensile strength TS. If the sound conduction velocity CV is too low, the density in the fiber is low, whereas if the sound conduction velocity CV is too high, the tensile strength TS tends to decrease due to excessive crystal growth. When the sound wave conduction velocity CV is within this range, it becomes easy to obtain carbon fibers having a tensile strength TS of 5,000 [MPa] or more.
(2)引張特性
炭素繊維の引張強度TS及び引張弾性率TMは、JIS R-7608に準じてエポキシ含浸ストランドの引張強度及び引張弾性率を測定した。
(2) Tensile properties The tensile strength TS and tensile modulus TM of carbon fiber were determined by measuring the tensile strength and tensile modulus of an epoxy-impregnated strand according to JIS R-7608.
(3)結晶サイズ
結晶サイズLcの測定は、例えば株式会社リガク製X線回折装置RINT2000を用い、繊維をセットした試料台を取り付けて透過法にて実施できる。
X線には、加速電圧40[kV]、電流30[mA]で発生させたCuKα線を使用できる。試料の向きは、結晶サイズLcの測定の際には繊維束の繊維軸方向を赤道面に対して垂直な状態とする。また、それぞれ回折角2θが10[°]から60[°]の範囲の回折パターンをとり、回折パターンの10[°]、20[°]、35[°]、60[°]付近を通る曲線をベースラインとして行う。
結晶サイズLcは、上記の方法により得られた面指数(002)の回折ピークの半値幅β002から、下式(2)を用いて算出することができる。
結晶サイズLc[nm]=0.9λ/(β002cosθ002) ・・・ (2)
〔式中、λ:X線の波長、β002:面指数(002)の回折ピークの半値幅、θ002:面指数(002)の回折角を示す。〕
(3) Crystal Size The crystal size Lc can be measured by a transmission method using, for example, an X-ray diffractometer RINT2000 manufactured by Rigaku Co., Ltd. and a sample stand on which fibers are set.
As the X-rays, CuKα rays generated at an accelerating voltage of 40 [kV] and a current of 30 [mA] can be used. The orientation of the sample is such that the fiber axis direction of the fiber bundle is perpendicular to the equatorial plane when measuring the crystal size Lc. In addition, we take a diffraction pattern in which the diffraction angle 2θ is in the range of 10 [°] to 60 [°], and curves passing through the vicinity of 10 [°], 20 [°], 35 [°], and 60 [°] of the diffraction pattern. as a baseline.
The crystal size Lc can be calculated from the half width β002 of the diffraction peak of the plane index (002) obtained by the above method using the following formula (2).
Crystal size Lc [nm] = 0.9λ/(β002cosθ002) (2)
[In the formula, λ: the wavelength of the X-ray, β002: the half width of the diffraction peak of the plane index (002), and θ002: the diffraction angle of the plane index (002). ]
(4)音波伝導速度
炭素繊維の音波伝導速度CVの測定は、市販の粘弾性測定装置、例えば、オリエンテック社製粘弾性測定装置レオバイブロンDDV-5-Bなどを用いることで実施できる。
(4) Sonic conduction velocity The sound wave conductivity CV of carbon fibers can be measured using a commercially available viscoelasticity measuring device, such as a rheovibron DDV-5-B viscoelasticity measuring device manufactured by Orientech.
4.製造方法
上記「1.耐炎化工程」で説明したコア率5[%]以上の耐炎化繊維の製造方法及び上記「2.炭素化工程」を含んだ炭素繊維の製造方法について説明する。
ここでは、前駆体繊維がアクリロニトリル系繊維である場合を例にとって説明する。
4. Manufacturing method A method for manufacturing a flame resistant fiber with a core ratio of 5% or more described in the above "1. Flame resistant process" and a method for manufacturing a carbon fiber including the above "2. Carbonizing process" will be described.
Here, the case where the precursor fiber is an acrylonitrile fiber will be explained as an example.
(1)炭素繊維の製造工程
図2は、炭素繊維の製造工程を示す概略図である。
炭素繊維は、前駆体繊維であるプリカーサを用いて製造される。1本のプリカーサは、複数本、例えば、24,000本のフィラメントが束になったものが用いられる。
プリカーサ1aは、アクリロニトリルを90[質量%]以上、好ましくは95[質量%]以上含有する単量体を重合した紡糸溶液を湿式紡糸法又は乾湿式紡糸法において紡糸した後、水洗・乾燥・延伸して得られる。なお、共重合する単量体としては、アクリル酸アルキル、メタクリル酸アルキル、アクリル酸、アクリルアミド、イタコン酸、マレイン酸等が利用される。
通常、プリカーサ1aを製造する速さと、プリカーサ1aを耐炎化及び炭素化して炭素繊維を製造する速さが異なる。このため、製造されたプリカーサ1aは、一旦、カートンに収容されたり、ボビンに巻き取られたりする。
前駆体繊維のフィラメント数は、製造効率の面では1,000本以上が好ましく、12,000本以上がより好ましく、24,000本以上が特に好ましい。
(1) Carbon fiber manufacturing process FIG. 2 is a schematic diagram showing the carbon fiber manufacturing process.
Carbon fibers are manufactured using precursor fibers. One precursor is a bundle of a plurality of filaments, for example, 24,000 filaments.
Usually, the speed of
The number of filaments of the precursor fiber is preferably 1,000 or more, more preferably 12,000 or more, particularly preferably 24,000 or more in terms of production efficiency.
プリカーサ1aは、図2に示すように、例えばボビン30から引き出され、下流側に向かって走行する。その途中で、各種の処理がなされて、炭素繊維としてボビン39に巻き取られる。
炭素繊維は、図2に示すように、プリカーサ1aを耐炎化する耐炎化工程と、耐炎化された繊維(以下、「耐炎化繊維」という。)1bを延伸させながら炭素化する炭素化工程と、炭素化された繊維(以下、「炭素化後繊維」ともいう。)1dの表面を改善する表面処理工程と、表面が改善された繊維1eにサイジング剤を付着させるサイジング工程と、サイジング剤が付着した繊維1fを乾燥させる乾燥工程とを経て製造される。
乾燥された繊維1gは、炭素繊維1gとしてボビン39に巻き取られる。なお、各工程を終えた繊維を、例えば耐炎化繊維1bのように、区別しているが、単に「繊維」として説明する際の符号は、「1」を用いる。
ここで、プリカーサ1aを耐炎化する処理を耐炎化処理、耐炎化繊維1bを炭素化する処理を炭素化処理、炭素化後繊維1dの表面を改善する処理を表面処理、表面が改善された繊維1eにサイジング剤を付着させる処理をサイジング処理、サイジング剤が付着した繊維1fを乾燥させる処理を乾燥処理とそれぞれいう。以下、各工程及び各処理について説明する。
As shown in FIG. 2, the
As shown in FIG. 2, carbon fibers are produced through a flame-retardant step in which a
1 g of dried fibers is wound around a
Here, the treatment for making the
(1-1)耐炎化工程(耐炎化処理)
耐炎化工程は、所定の温度の酸化性雰囲気に設定された耐炎化炉3を利用して行う。具体的には、耐炎化は、空気雰囲気中であって温度勾配のある耐炎化炉3内をプリカーサ1aが通過することで行われる。なお、酸化性雰囲気は、酸素、二酸化窒素等を含んでいてもよい。
耐炎化工程では、上流側から下流側に移るにしたがって、炉内の温度が高くなっている。これは、プリカーサ1aの切断を誘発させずに効率よく耐炎化を行うためである。
耐炎化工程での最高温度は255[℃]以上である。温度勾配は、0.25[℃/min]以上であることが好ましく、3[℃/min]以下であることが好ましく、0.3~0.5[℃/min]であることがより好ましい。耐炎化工程での加熱時間は60[min]以下である。
耐炎化工程中のプリカーサ1aは、製造する炭素繊維に合わせて所定の張力で延伸される。耐炎化工程での延伸倍率は、-10~10[%]の範囲内であることが好ましく、-5~0[%]の範囲内であることがより好ましい。プリカーサ1aの延伸は複数のローラにより行われる。例えば、延伸は、耐炎化炉3の入口のローラ5,7や出口のローラ9,11,13により行われる。
(1-1) Flame resistant process (flame resistant treatment)
The flameproofing step is performed using a
In the flameproofing step, the temperature inside the furnace increases from the upstream side to the downstream side. This is to efficiently achieve flame resistance without inducing cutting of the
The maximum temperature in the flameproofing step is 255 [° C.] or higher. The temperature gradient is preferably 0.25 [°C/min] or more, preferably 3 [°C/min] or less, and more preferably 0.3 to 0.5 [°C/min]. . The heating time in the flameproofing step is 60 [min] or less.
The
(1-2)炭素化工程(炭素化処理)
炭素化工程は、耐炎化繊維1bを加熱することで熱分解反応を生じさせて炭素化を行う工程である。炭素化は、耐炎化繊維1bが第1炭素化炉15を通過し、さらに、第1炭素化炉15を通過した繊維1cが第2炭素化炉17を通過することで行われる。
(1-2) Carbonization process (carbonization treatment)
The carbonization step is a step of carbonizing the flame-
ここで、第1炭素化炉15で行われる炭素化を「第1炭素化」とし、第1炭素化炉15で行われる処理や工程を「第1炭素化処理」や「第1炭素化工程」とし、第1炭素化処理や第1炭素化工程を終えた(第1炭素化炉15を出た)繊維1cを「第1炭素化繊維」とする。
同様に、第2炭素化炉17で行われる炭素化を「第2炭素化」とし、第2炭素化炉17で行われる処理や工程を「第2炭素化処理」や「第2炭素化工程」とし、第2炭素化処理や第2炭素化工程を終えた(第2炭素化炉17を出た)繊維1dを「第2炭素化繊維」又は「炭素繊維」とする。
第1炭素化及び第2炭素化は、例えば、電気ヒータ等を利用して加熱できる。
Here, the carbonization performed in the
Similarly, the carbonization performed in the
The first carbonization and the second carbonization can be performed using, for example, an electric heater or the like.
ここでは、第1炭素化炉15と第2炭素化炉17とは互いに独立した形態で設けられ、各炭素化炉15,17の間には繊維の張力を調整する調整手段を設けることができる。具体的には、第1炭素化炉15の外であって入口側にはローラ19が、第1炭素化炉15と第2炭素化炉17と間にはローラ21が、第2炭素化炉17の外であって出口側にはローラ23がそれぞれ設けられている。
第2炭素化炉17の内部の温度は、第1炭素化炉15の内部の温度よりも高く、第2炭素化炉17の内部での最高の温度が炭素処理工程における最高温度となる。
なお、第1炭素化炉15及び第2炭素化炉17の内部の温度は、耐炎化繊維1bや第1炭素化繊維1cの走行方向の下流側に向かうにしたがって温度が高くなっており、第2炭素化炉17の下流側で最高温度となる。
Here, the
The temperature inside the
Note that the temperature inside the
第1炭素化工程では、第1炭素化炉の最高温度が800[℃]以下であることが好ましく、500~700[℃]の範囲であることがより好ましい。第1炭素化時間は2.5[min]以上であることが好ましく、4[min]以上であることがより好ましい。第1炭素化処理は、得られる第1炭素化繊維1cの比重が1.5~1.6[g/cm3]の範囲になるように行うことが好ましく、より好ましい第1炭素化繊維1cの比重は1.54~1.60[g/cm3]である。第1炭素化繊維1cの比重がこの範囲内にあると、より強度の高い炭素繊維1gを得ることができる。
第2炭素化工程では、第2炭素化炉の最高温度は目的とする炭素繊維1[g]のストランド弾性率TMに応じて適宜調整すればよく、1,200~2,000[℃]の間であることが好ましい。第2炭素化時間は2.5[min]以上であることが好ましく、3[min]以上であることがより好ましい。第1炭素化工程と第2炭素化工程を併せた合計の炭素化時間は5[min]以上であり、5~60[min]であることがより好ましく、6~20[min]であることがさらに好ましい。
In the first carbonization step, the maximum temperature of the first carbonization furnace is preferably 800 [°C] or less, more preferably in the range of 500 to 700 [°C]. The first carbonization time is preferably 2.5 [min] or more, more preferably 4 [min] or more. The first carbonization treatment is preferably carried out so that the specific gravity of the obtained first carbonized
In the second carbonization step, the maximum temperature of the second carbonization furnace may be adjusted appropriately according to the target strand elastic modulus TM of 1 [g] of carbon fibers, and is between 1,200 and 2,000 [℃]. It is preferable that it is between. The second carbonization time is preferably 2.5 [min] or more, more preferably 3 [min] or more. The total carbonization time of the first carbonization step and the second carbonization step is 5 [min] or more, more preferably 5 to 60 [min], and 6 to 20 [min]. is even more preferable.
炭素化工程では、700~1,000[℃]の温度範囲において450[℃/min]以下の温度勾配で炭素化処理を行い、より好ましくは、100~450[℃/min]の範囲の温度勾配で、さらに好ましくは200~400[℃/min]の範囲の温度勾配で炭素化処理を行う。
また、炭素化工程全体の温度勾配は50~250[℃/min]の範囲であることが好ましく、100~200[℃/min]の範囲であることがより好ましい。
また、700[℃]未満の温度範囲においては、150[℃/min]以下の温度勾配で炭素化処理を行うことが好ましく、より好ましくは、10~150[℃/min]の範囲の温度勾配で、さらに好ましくは20~120[℃/min]の範囲の温度勾配で炭素化処理を行う。
さらに、1,000[℃]を超える温度範囲においては、200[℃/min]以下の温度勾配で炭素化処理を行うことが好ましく、より好ましくは、10~150[℃/min]の範囲の温度勾配で、さらに好ましくは20~120[℃/min]の範囲の温度勾配で炭素化処理を行う。第2炭素化工程全体の温度勾配は50~300[℃/min]の範囲であることが好ましく、100~250[℃/min]の範囲であることがより好ましい。
In the carbonization step, the carbonization treatment is performed at a temperature gradient of 450 [°C/min] or less in a temperature range of 700 to 1,000 [°C], more preferably at a temperature in the range of 100 to 450 [°C/min]. The carbonization treatment is performed at a temperature gradient, more preferably at a temperature gradient in the range of 200 to 400 [° C./min].
Further, the temperature gradient throughout the carbonization step is preferably in the range of 50 to 250 [°C/min], more preferably in the range of 100 to 200 [°C/min].
In addition, in a temperature range of less than 700 [°C], it is preferable to perform the carbonization treatment at a temperature gradient of 150 [°C/min] or less, more preferably a temperature gradient in the range of 10 to 150 [°C/min]. More preferably, the carbonization treatment is carried out at a temperature gradient in the range of 20 to 120 [° C./min].
Furthermore, in a temperature range exceeding 1,000 [°C], it is preferable to perform the carbonization treatment at a temperature gradient of 200 [°C/min] or less, more preferably in the range of 10 to 150 [°C/min]. The carbonization treatment is performed with a temperature gradient, more preferably with a temperature gradient in the range of 20 to 120 [° C./min]. The temperature gradient throughout the second carbonization step is preferably in the range of 50 to 300 [°C/min], more preferably in the range of 100 to 250 [°C/min].
(1-3)表面処理工程(表面処理)
表面処理工程は、第2炭素化繊維1dが表面処理装置25内を通過することで行われる。表面処理装置25の外であって出口側にはローラ26が設けられている。なお、表面処理することで、炭素繊維1gを利用して複合材料とした場合、炭素繊維1gとマトリックス樹脂との親和性や接着性が向上する。
表面処理は、一般に第2炭素化繊維1dの表面を酸化することにより行われる。表面処理として、例えば、液相中又は気相中の処理がある。
液相中での処理は、酸化剤に第2炭素化繊維1dを浸漬することによる化学酸化や、第2炭素化繊維1dが浸漬する電解液中で通電することによる陽極電解酸化等が工業的に用いられる。気相中での処理は、第2炭素化繊維1dを酸化性気体の中を通過させたり、放電等によって発生した活性種を吹き付けたりすることにより行なうことができる。
(1-3) Surface treatment process (surface treatment)
The surface treatment step is performed by the second
The surface treatment is generally performed by oxidizing the surface of the second
As for the treatment in the liquid phase, chemical oxidation by immersing the second
(1-4)サイジング工程(サイジング処理)
サイジング工程は、表面処理された繊維1eがサイジング剤溶液29内を通過することで行われる。サイジング剤溶液29は、サイジング剤浴27に貯留されている。なお、サイジング工程により、表面処理された繊維1eの収束性が高まる。
サイジング工程において、表面処理された繊維1eは、サイジング剤浴27の内部やサイジング剤浴27の周辺に配された複数のローラ31,33等により走行方向を変更しながらサイジング剤溶液29内を通過する。サイジング剤溶液29は、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等を溶媒に溶解させた液や、溶媒に分散させたエマルション液が利用される。
(1-4) Sizing process (sizing process)
The sizing process is performed by passing the surface-treated fibers 1e through a sizing
In the sizing process, the surface-treated fibers 1e pass through the sizing
(1-5)乾燥工程(乾燥処理)
乾燥工程は、サイジング剤が付着した繊維1fが乾燥炉35内を通過することで行われる。なお、乾燥した繊維1gは、乾燥炉35の外であって下流側のローラ37を介してボビン39に巻き取られる(巻取工程である。)。
(1-5) Drying process (drying process)
The drying process is performed by passing the
〔測定方法〕
<炭素繊維の樹脂含浸ストランド強度TS、弾性率TM>
JIS R 7608(ISO 10618)に規定された方法により測定した。
<結晶サイズLc>
炭素繊維の結晶サイズLcは、X線回折装置:リガク社製RINT2000を使用し、透過法により面指数(002)の回折ピークの半値幅βから、下式(4)
結晶子サイズLc[nm] = 0.9λ/βcosθ ・・・ (4)
λ:X線の波長、β:半値幅、θ:回折角
を用いて算出した。
<音波伝導速度CV>
炭素繊維の音波伝導速度CVは、オリエンテック社製粘弾性測定装置レオバイブロンDDV-5-Bを用いて測定した。具体的には、長さ50[cm]にカットした炭素繊維束を粘弾性測定装置にセットし、可変振動モードで測定した。粘弾性測定装置のTRANSMITTER ATTをレベル5に設定し、振動が伝わる時間[秒:s]と繊維長さ(50[cm])より、音波伝導速度CV[km/s]を算出した。
〔Measuring method〕
<Resin-impregnated strand strength TS and elastic modulus TM of carbon fiber>
It was measured by the method specified in JIS R 7608 (ISO 10618).
<Crystal size Lc>
The crystal size Lc of carbon fiber is determined by the following formula (4) from the half-value width β of the diffraction peak of plane index (002) using the transmission method using an X-ray diffraction device: RINT2000 manufactured by Rigaku Corporation.
Crystallite size Lc [nm] = 0.9λ/βcosθ... (4)
Calculated using λ: X-ray wavelength, β: half width, and θ: diffraction angle.
<Sound wave conduction velocity CV>
The sound wave conductivity CV of the carbon fiber was measured using a viscoelasticity measuring device Rheoviblon DDV-5-B manufactured by Orientech. Specifically, a carbon fiber bundle cut into a length of 50 [cm] was set in a viscoelasticity measuring device, and the measurement was performed in a variable vibration mode. The TRANSMITTER ATT of the viscoelasticity measurement device was set to
〔実施例1~11、比較例1~5〕
前駆体繊維であるポリアクリロニトリル繊維(単繊維繊度0.8[dtex]、フィラメント数24,000本)を、表1に記載の温度条件および延伸倍率で、表1記載の比重になるまで耐炎化処理を行った。次いで窒素ガス雰囲気下、表1に記載の条件で第1炭素化処理及び第2炭素化処理を行った。これを硫酸アンモニウム水液中で30[C/g]の電気量で電解酸化により表面処理した後、エポキシ系樹脂にてサイジング処理を施した。この炭素繊維の物性を表1に示した。
また、実施例1-4及び比較例1-4については炭素繊維の音波伝導速度CVを測定した。音波伝導速度CV、炭素繊維の物性及び式(3)の「37.5×CV-TM」の算出結果を表2に示した。
[Examples 1 to 11, Comparative Examples 1 to 5]
Polyacrylonitrile fiber (single fiber fineness 0.8 [dtex], number of filaments 24,000), which is a precursor fiber, was made flame resistant under the temperature conditions and draw ratio listed in Table 1 until it reached the specific gravity listed in Table 1. processed. Next, a first carbonization treatment and a second carbonization treatment were performed under the conditions listed in Table 1 in a nitrogen gas atmosphere. This was surface-treated by electrolytic oxidation in an ammonium sulfate aqueous solution with an electrical charge of 30 [C/g], and then subjected to a sizing treatment with an epoxy resin. Table 1 shows the physical properties of this carbon fiber.
Furthermore, for Example 1-4 and Comparative Example 1-4, the sound wave conduction velocity CV of the carbon fibers was measured. Table 2 shows the calculation results of the sound wave conduction velocity CV, the physical properties of the carbon fiber, and "37.5×CV-TM" of equation (3).
本発明の製造方法を用いた実施例1~11では、いずれもストランド引張強度TSが5,000[MPa]以上の高強度の炭素繊維が得られた。また、引張強度TSが5,000[MPa]以上の高強度の炭素繊維の音波伝導速度CVは、12.1[km/s]より大きく、13.0[km/s]より小さくなっている。
一方、耐炎化時間が83[min]と実施例に比べ長くし、耐炎化繊維のコア率を実施例と比べ小さくした比較例1、2では、炭素化条件が実施例1と同じであったにもかかわらず、得られた炭素繊維のストランド引張強度TSは5,000[MPa]に満たない低いものであった。
比較例1と同じ耐炎化条件で、さらに、700~1,000[℃]の温度範囲において450[℃/min]を超える温度勾配で炭素化した比較例3でも、得られた炭素繊維のストランド引張強度TSは、5,000[MPa]に満たない低いものであった。
In Examples 1 to 11 using the production method of the present invention, high-strength carbon fibers with a strand tensile strength TS of 5,000 [MPa] or more were obtained. Furthermore, the sound wave conduction velocity CV of high-strength carbon fibers with a tensile strength TS of 5,000 [MPa] or more is greater than 12.1 [km/s] and smaller than 13.0 [km/s]. .
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, in which the flame-retardant time was 83 [min] longer than in the example and the core ratio of the flame-retardant fiber was smaller than in the example, the carbonization conditions were the same as in Example 1. Nevertheless, the strand tensile strength TS of the obtained carbon fiber was as low as less than 5,000 [MPa].
Even in Comparative Example 3, where carbonization was carried out under the same flame-retardant conditions as in Comparative Example 1, and at a temperature gradient exceeding 450 [°C/min] in the temperature range of 700 to 1,000 [°C], the obtained carbon fiber strands The tensile strength TS was as low as less than 5,000 [MPa].
実施例1と同様の条件で耐炎化処理を行った後、700~1,000[℃]の温度範囲において450[℃/min]を超える温度勾配で炭素化した比較例4、5でも、得られた炭素繊維のストランド引張強度TSは、いずれも5,000[MPa]に満たない低いものであった。なお、引張強度TSが5,000[MPa]に満たない比較例1-4の炭素繊維の音波伝導速度CVは12.1[km/s]以下、又は13.0[km/s]以上であった。 Comparative Examples 4 and 5, in which carbonization was carried out under the same conditions as in Example 1 and then carbonized at a temperature gradient exceeding 450 [°C/min] in the temperature range of 700 to 1,000 [°C], also yielded no results. The strand tensile strengths TS of the carbon fibers obtained were all as low as less than 5,000 [MPa]. In addition, the sound wave conductivity CV of the carbon fiber of Comparative Example 1-4 whose tensile strength TS is less than 5,000 [MPa] is 12.1 [km/s] or less, or 13.0 [km/s] or more. there were.
5.その他
上述のように、コア率の高い(例えば5[%]以上である)耐炎化繊維に対して、短時間の従来の炭素化を行うと、引張強度TSが低下する傾向がある。このため、従来から、高い引張強度TSを得るために耐炎化工程の温度を下げて長時間加熱することでコア率の低い耐炎化繊維を製造している。
しかしながら、コア率の高い(例えば5[%]以上である)耐炎化繊維に対して、長時間の炭素化を行うと、高い引張強度TSが得られることが判明した。
一方、コア率の高い耐炎化繊維は耐炎化処理の温度を高くして耐炎化時間を短くすることで得られる。
したがって、本発明に係る炭素化を行う場合、耐炎化温度を高くして耐炎化処理時間を短縮した耐炎化工程を採用することができる。特に、炭素繊維の製造において、耐炎化工程の全工程に対する比率が高く、耐炎化工程の時間短縮は炭素繊維の生産コスト削減に大きく貢献する。
5. Others As mentioned above, when a flame-resistant fiber with a high core ratio (for example, 5% or more) is subjected to conventional carbonization for a short time, the tensile strength TS tends to decrease. For this reason, conventionally, in order to obtain high tensile strength TS, flame resistant fibers with a low core ratio have been produced by lowering the temperature in the flame resistant process and heating for a long time.
However, it has been found that a high tensile strength TS can be obtained by carbonizing a flame-resistant fiber with a high core ratio (for example, 5% or more) for a long time.
On the other hand, flame-resistant fibers with a high core ratio can be obtained by increasing the temperature of flame-proofing treatment and shortening the flame-proofing time.
Therefore, when performing the carbonization according to the present invention, it is possible to employ a flameproofing process in which the flameproofing temperature is increased and the flameproofing treatment time is shortened. In particular, in the production of carbon fibers, the ratio of the flame-retardant process to all processes is high, and shortening the time for the flame-retardant process greatly contributes to reducing the production cost of carbon fibers.
実施例1-4及び比較例1-4から、音波伝導速度CVは、12.1~13.0[km/s]の範囲内(但し、12.1及び13.0は含まない)にあることが好ましく、12.4~12.8[km/s]の範囲内にあることがより好ましい。これにより、本発明に係る製造方法で製造された炭素繊維を特性で特定できる。低コストで製造される高強度の炭素繊維を特定できる。
また、実施例1-4及び比較例1-4では、弾性率TMが239~244[GPa]の範囲であったが、この範囲でない他の弾性率TMの炭素繊維も考慮すると、下式(3)を満たす。これにより、炭素繊維の各引張弾性率TMにおいて高強度な炭素繊維が得られる。
242>37.5×CV-TM>215 ・・・ (3)
From Example 1-4 and Comparative Example 1-4, the sound wave conduction velocity CV is within the range of 12.1 to 13.0 [km/s] (however, 12.1 and 13.0 are not included). It is preferably within the range of 12.4 to 12.8 [km/s], and more preferably within the range of 12.4 to 12.8 [km/s]. Thereby, the carbon fiber manufactured by the manufacturing method according to the present invention can be specified by characteristics. Identify high-strength carbon fibers that are produced at low cost.
In addition, in Example 1-4 and Comparative Example 1-4, the elastic modulus TM was in the range of 239 to 244 [GPa], but considering carbon fibers with other elastic moduli TM outside this range, the following formula ( 3) is satisfied. As a result, carbon fibers with high strength can be obtained at each tensile modulus TM of the carbon fibers.
242>37.5×CV-TM>215... (3)
<<変形例>>
以上、実施形態に基づいて説明したが、本発明は実施形態に限られない。例えば、以下で説明する変形例と実施形態の何れかを適宜組み合わせてもよいし、複数の変形例を適宜組み合わせてもよい。
<<Modified example>>
Although the present invention has been described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the embodiments. For example, any of the modified examples and embodiments described below may be combined as appropriate, or a plurality of modified examples may be combined as appropriate.
1.炭素繊維
「2.製造方法」の項目では、フィラメント数が24,000本の炭素繊維の製造方法について説明したが、フィラメント数が3,000本、6,000本、12,000本等の他の本数の前駆体繊維の炭素化及び炭素繊維の製造方法にも適用できる。
「3.製造方法」の項目では、炭素化工程を含んだ炭素繊維の製造方法について説明したが、例えば、表面処理工程前に、さらに黒鉛化処理を行ってもよい。
2.炭素化炉
実施形態では、炭素化炉は第1炭素化炉と第2炭素化炉の2個の炭素化炉を備えていたが、1個の炭素化炉であってもよいし、3個以上の炭素化炉であってもよい。この場合においても、700~1,000[℃]の温度範囲において450[℃/min]以下の温度勾配で行われればよい。
1. Carbon fiber In the item "2. Manufacturing method", we explained the method for manufacturing carbon fiber with 24,000 filaments, but other carbon fibers with 3,000, 6,000, 12,000, etc. The present invention can also be applied to a method for carbonizing a number of precursor fibers and producing carbon fibers.
In the item "3. Production method", a method for producing carbon fibers including a carbonization process has been described, but for example, a graphitization process may be further performed before the surface treatment process.
2. Carbonization Furnace In the embodiment, the carbonization furnace was equipped with two carbonization furnaces, the first carbonization furnace and the second carbonization furnace, but it may be one carbonization furnace or three carbonization furnaces. The above carbonization furnace may be used. Even in this case, the temperature gradient may be 450 [°C/min] or less in the temperature range of 700 to 1,000 [°C].
1 繊維
1a プリカーサ
1b 耐炎化繊維
1c 第1炭素化繊維
15 第1炭素化炉
17 第2炭素化炉
1
Claims (7)
前記炭素繊維は、引張強度が5,000[MPa]以上であり、
前記耐炎化繊維は、コア率が5[%]以上であって、220[℃]以上の最低温度から255[℃]以上の最高温度まで、0.25[℃/min]以上の温度勾配で処理された耐炎化繊維であり、
前記炭素化工程が、700~1,000[℃]の温度範囲において450[℃/min]以下の温度勾配で行われる
炭素繊維の製造方法。 In a method for producing carbon fiber, the method includes a flame-retardant step of making a precursor fiber flame-retardant to obtain a flame-retardant fiber, and a carbonization step of carbonizing the flame-retardant fiber,
The carbon fiber has a tensile strength of 5,000 [MPa] or more,
The flame-resistant fiber has a core ratio of 5% or more, and has a temperature gradient of 0.25[°C/min ] or more from a minimum temperature of 220[°C] or more to a maximum temperature of 255[°C] or more. It is a treated flame-retardant fiber,
A method for producing carbon fibers, wherein the carbonization step is performed at a temperature gradient of 450 [°C/min] or less in a temperature range of 700 to 1,000 [°C].
請求項1に記載の炭素繊維の製造方法。 The method for producing carbon fiber according to claim 1 , wherein the precursor fiber is an acrylonitrile-based fiber, and the flame-resistant fiber has a specific gravity of 1.33 to 1.4 [g/cm 3 ].
前記炭素繊維は、引張強度が5,000[MPa]以上であり、
前記前駆体繊維がアクリロニトリル系繊維であり、
前記耐炎化繊維は、コア率が5[%]以上であって比重1.35~1.37[g/cm3]の耐炎化繊維であり、
前記炭素化工程が、700~1,000[℃]の温度範囲において450[℃/min]以下の温度勾配で行われる
炭素繊維の製造方法。 In a method for producing carbon fiber, the method includes a flame-retardant step of making a precursor fiber flame-retardant to obtain a flame-retardant fiber, and a carbonization step of carbonizing the flame-retardant fiber,
The carbon fiber has a tensile strength of 5,000 [MPa] or more,
The precursor fiber is an acrylonitrile fiber,
The flame resistant fiber has a core ratio of 5% or more and a specific gravity of 1.35 to 1.37 g/cm 3 ,
A method for producing carbon fibers, wherein the carbonization step is performed at a temperature gradient of 450 [°C/min] or less in a temperature range of 700 to 1,000 [°C].
前記炭素繊維は、引張強度が5,000[MPa]以上であり、
前記前駆体繊維がアクリロニトリル系繊維であり、
前記耐炎化工程は、最高温度255[℃]以上の温度で、60[min]以下の時間で行われ、
前記耐炎化繊維は、比重1.35~1.37[g/cm3]の耐炎化繊維であり、
前記炭素化工程が、700~1,000[℃]の温度範囲において450[℃/min]以下の温度勾配で行われる
炭素繊維の製造方法。 In a method for producing carbon fiber, the method includes a flame-retardant step of making a precursor fiber flame-retardant to obtain a flame-retardant fiber, and a carbonization step of carbonizing the flame-retardant fiber,
The carbon fiber has a tensile strength of 5,000 [MPa] or more,
The precursor fiber is an acrylonitrile fiber,
The flameproofing step is carried out at a maximum temperature of 255 [° C.] or more and for a time of 60 [min] or less,
The flame-resistant fiber is a flame-resistant fiber with a specific gravity of 1.35 to 1.37 [g/cm 3 ],
A method for producing carbon fibers, wherein the carbonization step is performed at a temperature gradient of 450 [°C/min] or less in a temperature range of 700 to 1,000 [°C].
前記炭素繊維は、引張強度が5,000[MPa]以上であり、
前記耐炎化工程は、最高温度255[℃]以上の温度で、60[min]以下の時間で行われ、
前記炭素化工程が、700~1,000[℃]の温度範囲において100~450[℃/min]の温度勾配で行われる
炭素繊維の製造方法。 In a method for producing carbon fiber, the method includes a flame-retardant step of making a precursor fiber flame-retardant to obtain a flame-retardant fiber, and a carbonization step of carbonizing the flame-retardant fiber,
The carbon fiber has a tensile strength of 5,000 [MPa] or more,
The flameproofing step is carried out at a maximum temperature of 255 [° C.] or more and for a time of 60 [min] or less,
A method for producing carbon fibers, wherein the carbonization step is performed at a temperature gradient of 100 to 450 [°C/min ] in a temperature range of 700 to 1,000 [°C].
請求項5に記載の炭素繊維の製造方法。 The method for producing carbon fiber according to claim 5 , wherein the precursor fiber is an acrylonitrile fiber, and the flame-resistant fiber is a flame-resistant fiber with a specific gravity of 1.33 to 1.4 [g/cm 3 ].
242>37.5×CV-TM>215
を満たす
炭素繊維。 If the sound wave conduction velocity [km/s] of the carbon fiber is CV and the tensile modulus [GPa] of the carbon fiber is TM, then in the relationship between the sound wave conduction speed CV and the tensile modulus TM,
242>37.5×CV-TM>215
Meet carbon fiber.
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