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JPH0329891B2 - - Google Patents
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JPH0329891B2 - - Google Patents

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JPH0329891B2
JPH0329891B2 JP58213308A JP21330883A JPH0329891B2 JP H0329891 B2 JPH0329891 B2 JP H0329891B2 JP 58213308 A JP58213308 A JP 58213308A JP 21330883 A JP21330883 A JP 21330883A JP H0329891 B2 JPH0329891 B2 JP H0329891B2
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carbon fibers
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fiber
elongation
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【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

(イ) 技術分野 本発明は、アクリロニトリル系合成繊維から高
強度および高弾性率を有する高性能炭素繊維を製
造する方法に関する。 (ロ) 従来技術 一般にアクリロニトリル系合成繊維から炭素繊
維を製造する場合には、200〜300℃の酸化性雰囲
気中で熱処理して得られた耐炎化繊維を不活性雰
囲気中で更に高温で炭素化処理する方法が知られ
ている。 より高性能の炭素繊維を得るために現在まで多
くの研究が続けられある程度の成果があげられる
に至つたが、航空、宇宙関係、その他の複合材料
の強化材として用いられる炭素繊維にはより高強
度と高弾性率が求められている。 しかしながら、高強度と高弾性率を有する炭素
繊維を得るのは困難な状況にある。それは、一般
に知られているように、炭素繊維の強度は最高温
度1000〜1500℃の炭素化処理で最高値が得られ、
それ以上では低下するが、弾性率は炭素化処理温
度の上昇とともに増加するからである。 炭素化処理において特定条件下で適当な昇温速
度及び伸長操作を施すことが炭素繊維の性能向上
に寄与することが知られており、例えば、昇温速
度については特公昭48−292号公報等に、伸長操
作については特開昭54−147222号公報等に示され
ているが十分な効果を奏するには至つていない。 また、炭素化処理雰囲気としてはハロゲン化水
素ガスを用いる方法が特公昭47−7686号公報、特
公昭47−40575号公報等に示されているが、これ
らも十分な効果を奏するには至つていない。 (ハ) 発明の目的 本発明の目的は、上述のような現状にかんが
み、より高強度および高弾性率を有する高性能炭
素繊維を提供するにある。 (ニ) 発明の構成 本発明に係る高性能炭素繊維の製造方法は、ア
クリロニトリル系合成繊維を酸化性雰囲気中で耐
炎化処理後、最高温度1000℃以上で炭素化処理す
るにあたり、300℃以上1000℃以下の温度領域に
おける昇温速度を900℃/分以上3000℃/分以下、
炭素化処理を25%までの伸長下でおこない、且つ
炭素化処理を、ハロゲン化水素ガスを含む酸化性
雰囲気下で行うことを特徴とする。 (ホ) 実施態様 本発明で用いるアクリロニトリル系合成繊維
は、アクリロニトリル90重量%以上含有する重合
体からなる繊維である。10重量%以下であれば、
アクリロニトリルと共重合可能な従来公知の単量
体、例えばアクリル酸、メタクリル酸、イタコン
酸等の不飽和カルボン酸、これらの酸のエステル
類、塩化ビニル、酢酸ビニル、スチレン、アクリ
ルアミド、ジアセトンアクリルアミド、メタクリ
ルアミド、α−クロルアクリロニトリル、アリル
スルホン酸等をアクリロニトリルと共重合すべき
相手成分として有利に用いることができる。 本発明における耐炎化処理には従来公知の方法
が用いられるが、一般には前記アクリロニトリル
系合成繊維を酸化性雰囲気中200〜300℃で熱処理
する。この際適当な伸長操作を施すことがより好
ましい。 本発明における炭素化処理では、最高温度1000
℃以上で炭素化処理するにあたり、300℃以上
1000℃以下の温度領域において昇温速度を200
℃/分以上3000℃/好ましくは900℃/分以上300
℃/分以下することが必要である。200℃/分未
満の昇温速度では繊維内部に欠陥が生じやすくな
るため高性能炭素繊維は得られず、また、3000
℃/分を越える昇温速度では急激な熱分解反応に
より繊維束切断のトラブルが発生するようにな
る。 また、炭素化処理を4%までの収縮または25%
までの伸長下(ただし、定長は除く)、好ましく
は25%までの伸長下でおこなう必要がある。4%
を越える収縮下では繊維内部の配向性が向上しな
いため高性能炭素繊維は得られず、また、25%を
越える伸長下では繊維束切断のトラブルが発生す
るようになる。 炭素化処理における以上のような操作により、
未操作のものに比べ強度および弾性率の向上はみ
られるものの、本発明において意図されている強
度および弾性率には達しえない。本発明では前述
したような操作に加えて、炭素化処理をハロゲン
化水素ガスを含む酸化性雰囲気中で行うことが必
要である。 ハロゲン化水素ガスを含む酸化性雰囲気は不活
性ガスで希釈しても用いることができるが、ハロ
ゲン化水素ガスは0.1容量%以上、酸化性ガスは
0.05〜5容量%、残りを不活性ガスとすることが
好ましい。しかし、特にこれに限定するものでは
ない。ハロゲン化水素ガスとしては、塩化水素、
フツ化水素、臭化水素などを、酸化性ガスとして
は、酸素、空気、二酸化炭素、水蒸気などを、ま
た、不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリ
ウム、水素などをそれぞれ用いることができる。
操作性及び経済性の面から、これらの中でも塩化
水素、酸素および窒素の組合せを用いることが好
ましい。 従来、炭素化処理は酸素などの酸化性ガスが可
及的に少ない雰囲気中で行われ、酸素が存在する
と炭素繊維の性能が低下するとされていた。しか
るに、本発明では耐炎化処理後の炭素化処理を、
ハロゲン化水素ガスを含む酸化性雰囲気中で行
い、従来よりもはるかに高強度および高弾性率を
有する高性能炭素繊維を製造するという特徴を有
する。 本発明方法における炭素化処理は全て単一な炉
で行うことが可能であり、操作性及び経済性の面
からも有利である。しかし、生産性のより一層の
向上あるいはより高弾性率を達成するための黒鉛
化処理の導入などにより炉を追加する場合には、
追加した炉については本発明における雰囲気とは
異なる雰囲気を用いることもできる。 (ヘ) 発明の効果 以上のように本発明では、昇温速度及び伸長操
作という個々の操作またはそれらの組合せのみで
は十分な効果を奏しえない炭素化処理において、
前述したような特殊な雰囲気を用いることによ
り、従来よりもはるかに高強度および高弾性率を
有する高性能炭素繊維を製造することを可能にし
た。 また、本発明では炭素化処理において酸化性ガ
スを用いることにより、炭素繊維を複合材料の強
化材として用いる場合に重要な要素である層間剪
断強度の向上をもたらした。これは本発明が炭素
繊維の表面処理までも同時に行うという優れた効
果も有することを意味する。 (ト) 実施例 以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明
するが、本発明はこれに限定されるものではな
い。下記実施例中の炭素繊維の強度及び弾性率は
JIS R7601に定められたストランド試験方法によ
り測定した。 実施例 1 単糸繊度1.3デニール、フイラメント数6000本
からなるアクリロニトリル系重合体の繊維束を、
250℃の空気中で1時間、12%の伸長率を付与し
ながら熱処理して耐炎化繊維を得た。この耐炎化
繊維を伸長率13%で最高温度1350℃まで加熱し、
1350℃での滞在時間を2分間として炭素化処理し
た。この際炭素化処理は、ハロゲン化水素ガス
2.7容量%、酸素ガス0.3容量%、窒素ガス97.0容
量%の雰囲気下でおこなつた。以上を同一条件と
し、300℃以上1000℃以下の温度領域における昇
温速度を、第1表に記載の値として炭素化処理を
おこなつて得られた炭素繊維の強度及び弾性率を
第1表に示す。 これらの結果より昇温速度が200℃/分以上
3000℃/分以下の範囲では高強度および高弾性率
を有する高性能炭素繊維が得られることがわか
る。
(a) Technical Field The present invention relates to a method for producing high-performance carbon fibers having high strength and high modulus of elasticity from acrylonitrile-based synthetic fibers. (b) Prior art Generally, when producing carbon fiber from acrylonitrile synthetic fiber, the flame-resistant fiber obtained by heat treatment in an oxidizing atmosphere at 200 to 300°C is carbonized at a higher temperature in an inert atmosphere. There are known ways to treat it. To date, much research has been carried out to obtain carbon fibers with higher performance, and some results have been achieved. Strength and high modulus of elasticity are required. However, it is difficult to obtain carbon fibers with high strength and high elastic modulus. As is generally known, the highest strength of carbon fiber is obtained through carbonization treatment at a maximum temperature of 1000 to 1500℃.
This is because the elastic modulus increases as the carbonization temperature increases, although it decreases above this temperature. It is known that applying an appropriate heating rate and elongation operation under specific conditions during carbonization treatment contributes to improving the performance of carbon fibers. Furthermore, although the decompression operation is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 147222/1983, it has not yet achieved a sufficient effect. In addition, methods using hydrogen halide gas as the carbonization treatment atmosphere are shown in Japanese Patent Publications No. 47-7686, Japanese Patent Publication No. 47-40575, etc., but these methods are not yet sufficiently effective. Not yet. (c) Object of the invention In view of the above-mentioned current situation, the object of the invention is to provide a high-performance carbon fiber having higher strength and higher modulus of elasticity. (d) Structure of the Invention The method for producing high-performance carbon fibers according to the present invention includes carbonizing acrylonitrile-based synthetic fibers at a maximum temperature of 1000°C or higher after flame-retardant treatment in an oxidizing atmosphere. The temperature increase rate in the temperature range below ℃ is 900℃/min or more and 3000℃/min or less,
The carbonization treatment is performed under elongation of up to 25%, and the carbonization treatment is performed in an oxidizing atmosphere containing hydrogen halide gas. (e) Embodiment The acrylonitrile synthetic fiber used in the present invention is a fiber made of a polymer containing 90% by weight or more of acrylonitrile. If it is less than 10% by weight,
Conventionally known monomers copolymerizable with acrylonitrile, such as unsaturated carboxylic acids such as acrylic acid, methacrylic acid, and itaconic acid, esters of these acids, vinyl chloride, vinyl acetate, styrene, acrylamide, diacetone acrylamide, Methacrylamide, α-chloroacrylonitrile, allylsulfonic acid, etc. can be advantageously used as a partner component to be copolymerized with acrylonitrile. Conventionally known methods are used for the flame-retardant treatment in the present invention, but generally the acrylonitrile synthetic fiber is heat treated at 200 to 300°C in an oxidizing atmosphere. At this time, it is more preferable to perform an appropriate elongation operation. In the carbonization treatment in the present invention, the maximum temperature is 1000
For carbonization treatment at temperatures above 300°C
Temperature increase rate of 200℃ in temperature range below 1000℃
℃/min or more 3000℃/preferably 900℃/min or more 300
It is necessary to keep the temperature below ℃/min. If the heating rate is less than 200℃/min, defects will easily occur inside the fiber, making it impossible to obtain high-performance carbon fiber.
If the heating rate exceeds .degree. C./min, troubles such as fiber bundle breakage will occur due to rapid thermal decomposition reactions. In addition, carbonization treatment can shrink up to 4% or 25%
It is necessary to carry out the process under elongation of up to 25% (excluding constant length), preferably up to 25% elongation. 4%
If the shrinkage exceeds 25%, high-performance carbon fibers will not be obtained because the internal orientation of the fibers will not improve, and if the elongation exceeds 25%, fiber bundle breakage will occur. Through the above operations in carbonization treatment,
Although there is an improvement in strength and elastic modulus compared to the untreated one, the strength and elastic modulus contemplated by the present invention cannot be achieved. In the present invention, in addition to the operations described above, it is necessary to carry out the carbonization treatment in an oxidizing atmosphere containing hydrogen halide gas. An oxidizing atmosphere containing hydrogen halide gas can be used even if it is diluted with an inert gas, but hydrogen halide gas should be 0.1% by volume or more,
It is preferable that the amount is 0.05 to 5% by volume, and the rest is inert gas. However, it is not particularly limited to this. Examples of hydrogen halide gas include hydrogen chloride,
Hydrogen fluoride, hydrogen bromide, etc. can be used, oxygen, air, carbon dioxide, water vapor, etc. can be used as the oxidizing gas, and nitrogen, argon, helium, hydrogen, etc. can be used as the inert gas.
From the viewpoint of operability and economy, it is preferable to use a combination of hydrogen chloride, oxygen and nitrogen. Conventionally, carbonization treatment is performed in an atmosphere containing as little oxidizing gas as possible, such as oxygen, and it has been thought that the presence of oxygen reduces the performance of carbon fibers. However, in the present invention, the carbonization treatment after the flameproofing treatment is
It is characterized by being carried out in an oxidizing atmosphere containing hydrogen halide gas, and producing high-performance carbon fibers with much higher strength and higher modulus than conventional methods. All carbonization treatments in the method of the present invention can be performed in a single furnace, which is advantageous from the viewpoint of operability and economy. However, when adding a furnace to further improve productivity or introduce graphitization treatment to achieve higher elastic modulus,
For the additional furnace, an atmosphere different from the atmosphere in the present invention may be used. (f) Effects of the invention As described above, in the present invention, in carbonization treatment in which individual operations such as heating rate and elongation operation or a combination thereof alone cannot produce sufficient effects,
By using the above-mentioned special atmosphere, it has become possible to produce high-performance carbon fibers with much higher strength and modulus of elasticity than ever before. Furthermore, in the present invention, by using an oxidizing gas in the carbonization treatment, interlaminar shear strength, which is an important element when using carbon fibers as a reinforcing material for composite materials, is improved. This means that the present invention also has the excellent effect of simultaneously performing surface treatment on carbon fibers. (G) Examples The present invention will be explained in more detail with reference to Examples below, but the present invention is not limited thereto. The strength and elastic modulus of carbon fiber in the following examples are
Measured using the strand test method specified in JIS R7601. Example 1 A fiber bundle of acrylonitrile polymer consisting of a single fiber fineness of 1.3 denier and 6000 filaments was
Heat treatment was performed in air at 250° C. for 1 hour while giving an elongation rate of 12% to obtain a flame-resistant fiber. This flame-resistant fiber is heated to a maximum temperature of 1350℃ at an elongation rate of 13%,
Carbonization treatment was performed at 1350°C for 2 minutes. At this time, carbonization treatment is performed using hydrogen halide gas.
The experiment was carried out in an atmosphere of 2.7% by volume, 0.3% by volume of oxygen gas, and 97.0% by volume of nitrogen gas. Table 1 shows the strength and elastic modulus of the carbon fibers obtained by carbonizing the carbon fibers under the same conditions and with the heating rate in the temperature range of 300°C to 1000°C set to the values listed in Table 1. Shown below. From these results, the heating rate is 200℃/min or more.
It can be seen that high-performance carbon fibers having high strength and high modulus of elasticity can be obtained in the range of 3000° C./min or less.

【表】 実施例 2 実施例1第1表中のNo.3において炭素化伸長率
を第2表記載の値とした以外は全て同様な処理を
行つて得られた炭素繊維の強度及び弾性率を第2
表に示す。これらの結果より炭素化を4%までの
収縮または25%までの伸長下(ただし、定長は除
く)でおこなえば高強度および高弾性率を有する
高性能炭素繊維が得られることがわかる。
[Table] Example 2 Strength and elastic modulus of carbon fiber obtained by performing all the same treatments except that in No. 3 in Table 1 of Example 1, the carbonization elongation rate was changed to the value listed in Table 2. the second
Shown in the table. These results show that high-performance carbon fibers with high strength and high modulus can be obtained if carbonization is performed under contraction of up to 4% or elongation of up to 25% (excluding constant length).

【表】 実施例 3 実施例2第2表中のNo.4で得られた炭素繊維束
にエポキシ樹脂(エピコート828)を含浸し、プ
リプレグを作成して積層後、加熱硬化させ、複合
材料成形物を作成した。得られた複合材料成形物
について層間剪断強度を測定したところ9.1Kg/
mm2であつた。これは市販されている表面処理済み
の炭素繊維が有する値と同程度である。 参考例 単糸繊度1.3デニール、フイラメント数6000本
からなるアクリロニトリル系重合体の繊維束を、
250℃の空気中で1時間、12%の伸長率を付与し
ながら熱処理して耐炎化繊維を得た。この耐炎化
繊維を伸長率0%で最高温度1350℃まで加熱し、
1350℃での滞在時間を2分間として炭素化処理し
た。この際、300℃以上1000℃以下の温度領域に
おける昇温速度は900℃/分とした。以上を同一
条件とし、ハロゲン化水素ガス、酸素ガス、窒素
ガスの割合を第3表記載の容量%の値として炭素
化処理して得られた炭素繊維の強度及び弾性率を
第3表に示す。これらの結果よりハロゲン化水素
ガスを含む酸化性雰囲気中で炭素化処理を行えば
高強度および高弾性率を有する高性能炭素繊維が
得られることがわかる。
[Table] Example 3 The carbon fiber bundle obtained in No. 4 in Table 2 of Example 2 was impregnated with epoxy resin (Epicote 828) to create a prepreg, which was laminated and cured by heating to form a composite material. created something. The interlaminar shear strength of the resulting composite material molded product was measured and was 9.1Kg/
It was warm in mm2 . This value is comparable to that of commercially available surface-treated carbon fibers. Reference example: A fiber bundle of acrylonitrile polymer consisting of 6000 filaments with a single filament fineness of 1.3 denier,
Heat treatment was performed in air at 250° C. for 1 hour while giving an elongation rate of 12% to obtain a flame-resistant fiber. This flame-resistant fiber is heated to a maximum temperature of 1350℃ with an elongation rate of 0%,
Carbonization treatment was performed at 1350°C for 2 minutes. At this time, the temperature increase rate in the temperature range from 300°C to 1000°C was 900°C/min. Table 3 shows the strength and elastic modulus of carbon fibers obtained by carbonization under the same conditions as above and using the proportions of hydrogen halide gas, oxygen gas, and nitrogen gas as the volume % values listed in Table 3. . These results show that high-performance carbon fibers having high strength and high elastic modulus can be obtained by performing carbonization treatment in an oxidizing atmosphere containing hydrogen halide gas.

【表】【table】

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 アクリロニトリル系合成繊維を酸化性雰囲気
中で耐炎化処理後、最高温度1000℃以上で炭素化
処理するにあたり、300℃以上1000℃以下の温度
領域における昇温速度を900℃/分以上3000℃/
分以下、炭素化処理を25%までの伸長下でおこな
い、且つ炭素化処理を、ハロゲン化水素ガスを含
む酸化性雰囲気下で行うことを特徴とする高性能
炭素繊維の製造方法。
1 When acrylonitrile synthetic fibers are flame-resistant treated in an oxidizing atmosphere and then carbonized at a maximum temperature of 1000°C or higher, the temperature increase rate in the temperature range of 300°C or higher and 1000°C or lower is set at 900°C/min or higher and 3000°C/min.
1. A method for producing high-performance carbon fiber, characterized in that the carbonization treatment is carried out under an elongation of up to 25%, and the carbonization treatment is carried out in an oxidizing atmosphere containing hydrogen halide gas.
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