JPH0742614B2 - Method for manufacturing pitch-based carbon fiber - Google Patents
Method for manufacturing pitch-based carbon fiberInfo
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- JPH0742614B2 JPH0742614B2 JP63227547A JP22754788A JPH0742614B2 JP H0742614 B2 JPH0742614 B2 JP H0742614B2 JP 63227547 A JP63227547 A JP 63227547A JP 22754788 A JP22754788 A JP 22754788A JP H0742614 B2 JPH0742614 B2 JP H0742614B2
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はピッチ系炭素繊維の製造方法に関するものであ
り、より詳しくは改善された強度を発現するピッチ系炭
素繊維を効率よく安定して製造する方法に関するもので
ある。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing pitch-based carbon fibers, and more particularly to a method for efficiently and stably producing pitch-based carbon fibers exhibiting improved strength. It is about.
従来技術 炭素繊維は、当初レーヨンを原料として製造されたが、
その特性,経済性の点で現在ではポリアクリロニトリル
(PAN)繊維を原料とするPAN系炭素繊維と、石炭または
石油系ピッチを原料とするピッチ系炭素繊維によって占
められている。なかでも、ピッチを原料として高性能グ
レードの炭素繊維を製造する技術は、経済性にすぐれて
いるため、注目を集めており、例えば光学異方性ピッチ
を溶融紡糸して得たピッチ繊維を不融化・焼成した炭素
繊維はそれまでのピッチ系炭素繊維に比して高強度・高
弾性率のものが得られることが知られている(特公昭54
-1810号参照)。Conventional technology Carbon fiber was originally manufactured from rayon,
In terms of its characteristics and economy, it is currently occupied by PAN-based carbon fibers made from polyacrylonitrile (PAN) fiber and pitch-based carbon fibers made from coal or petroleum pitch. Among them, the technology for producing high-performance grade carbon fiber using pitch as a raw material is attracting attention because of its excellent economic efficiency.For example, pitch fiber obtained by melt spinning of optically anisotropic pitch is It is known that the melted and fired carbon fiber has higher strength and higher elastic modulus than the conventional pitch-based carbon fibers (Japanese Patent Publication No. 54).
-1810).
かかるピッチ系炭素繊維の製造プロセスは、一般に、ピ
ッチの調製工程,ピッチの溶融紡糸工程,ピッチ繊維の
不融化処理工程,及び不融化した繊維を更に窒素,アル
ゴン等の不活性ガス雰囲気中にて高温で加熱し炭化ない
し黒鉛化して炭素繊維とする焼成工程から成っている。Such a pitch-based carbon fiber manufacturing process generally includes a pitch preparing step, a pitch melt-spinning step, a pitch fiber infusibilizing step, and the infusibilized fiber in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon. It consists of a firing process of heating at high temperature to carbonize or graphitize to form carbon fibers.
このうち、不融化処理工程は、ピッチ繊維を融解させる
ことなく炭化するために不可欠な工程であり、一般には
高温の空気中で長時間加熱する方法が採用されている。
この空気あるいは酸素による不融化は基本的にはピッチ
繊維の酸化反応を利用したものであるが、これが不足し
た場合には焼成工程で繊維間の融着が起こり、また過剰
な場合には焼成(炭化)後の繊維の強度・ヤング率が低
下する。したがって、この不融化工程はピッチ系炭素繊
維の工業的製造において繊維物性を左右する重要な工程
である。しかしながら空気による不融化の最適条件は未
だ十分解明されておらず、また繊維物性の再現性にも問
題が残されている。Among these, the infusibilizing step is an indispensable step for carbonizing the pitch fiber without melting it, and a method of heating for a long time in high temperature air is generally adopted.
This infusibilization by air or oxygen basically utilizes the oxidation reaction of pitch fibers, but if this is insufficient, fusion between fibers occurs in the firing step, and if it is excessive, firing ( The strength / Young's modulus of the fiber after carbonization decreases. Therefore, this infusibilizing step is an important step that affects the physical properties of fibers in the industrial production of pitch-based carbon fibers. However, the optimum conditions for infusibilization by air have not yet been fully clarified, and the reproducibility of the physical properties of fibers still remains a problem.
空気にかわる不融化処理系としては、例えばオゾンによ
るもの(Carbon. vol 3,31(1965)),NO2を含む空気
を用いるもの(特開昭55-98914),塩素と空気の混合ガ
スを用いるもの(特開昭49-75828),飽和の塩素水に浸
漬してから空気酸化するもの(特開昭49-72828),硫酸
を含浸させた活性炭の微粉と臭素ガスで処理したのち空
気酸化するもの(13th Conference on Carbon,p94(197
7))が提案されているが、何れの方法も実質的には不
融化処理時間を短縮することを目的とするものであり、
炭化後の繊維物性を改善する効果を有するものではな
い。As the infusibilizing treatment system replacing air, for example, one using ozone (Carbon. Vol 3,31 (1965)), one using air containing NO 2 (JP-A-55-98914), a mixed gas of chlorine and air is used. What is used (JP-A-49-75828), one that is soaked in saturated chlorine water and then air-oxidized (JP-A-49-72828), treated with fine powder of activated carbon impregnated with sulfuric acid and bromine gas, and then air-oxidized Things (13th Conference on Carbon, p94 (197
7)) has been proposed, but either method is intended to substantially shorten the infusible treatment time,
It does not have the effect of improving the physical properties of the fiber after carbonization.
発明が解決しようとする課題 本発明は、ピッチ系炭素繊維の製造において、安定かつ
効率的に、焼成後の炭素繊維の物性を格段に改善させる
不融化方法を提供することにある。DISCLOSURE OF THE INVENTION Problem to be Solved by the Invention The present invention is to provide an infusibilizing method for producing pitch-based carbon fibers, which stably and efficiently improves the physical properties of carbon fibers after firing.
課題を解決するための手段 前述の課題は、本発明に従って、ピッチ繊維を焼成処理
して炭素繊維を製造するに際し、ピッチ繊維をオゾンガ
スで処理した後、少くとも沃素の存在下で不融化処理
し、次いで不活性雰囲気中で加熱して焼成処理すること
により炭化ないし黒鉛化することで達成される。Means for Solving the Problems According to the present invention, the above-mentioned problem is that when the pitch fiber is fired to produce the carbon fiber, the pitch fiber is treated with ozone gas and then infusibilized in the presence of at least iodine. Then, carbonization or graphitization is achieved by heating and baking treatment in an inert atmosphere.
本発明の方法で使用するピッチ繊維の原料である紡糸ピ
ッチとしては、石油系或は石炭系のピッチを使用する。
本発明の方法は該ピッチの組成を問わず不融化処理時間
を短縮し、かつ焼成処理後の炭素繊維の物性を改善する
効果を有するが、高性能の炭素繊維を製造するには、光
学異方性領域を50%以上、好ましくは80%以上有するピ
ッチを用いることが好ましい。As the spinning pitch, which is the raw material of the pitch fiber used in the method of the present invention, petroleum-based or coal-based pitch is used.
The method of the present invention has the effect of shortening the infusibilizing treatment time regardless of the composition of the pitch and improving the physical properties of the carbon fiber after the firing treatment. It is preferable to use a pitch having 50% or more, preferably 80% or more, of a directional region.
紡糸用ピッチのメトラー法による融点は280〜340℃が好
ましく、更に好ましくは290〜330℃である。また紡糸用
ピッチのキノリン可溶部の割合は30重量%以上が好まし
く、特に50重量%以上が好適である。本発明において好
適に用いられる紡糸用ピッチの光学異方性領域の割合
(以下光学異方性量という)は多いほどよい。このよう
なピッチは系が均質であり、可紡性にすぐれている。The melting point of the spinning pitch according to the Mettler method is preferably 280 to 340 ° C, more preferably 290 to 330 ° C. Further, the proportion of the quinoline-soluble portion of the spinning pitch is preferably 30% by weight or more, and particularly preferably 50% by weight or more. The larger the ratio of the optically anisotropic region of the spinning pitch that is preferably used in the present invention (hereinafter referred to as the amount of optical anisotropy), the better. Such a pitch has a homogeneous system and is excellent in spinnability.
このような紡糸用ピッチの原料としては、例えばコール
タールピッチ,石炭液化物のような石炭系重質油や、石
油の常圧残留油,減圧蒸留残油及びこれらの残油の熱処
理によって副生するタールやピッチ,オイルサンド,ビ
チューメンのような石油重質油を精製したものを用いこ
れを熱処理,溶剤抽出,水素化処理等を組み合わせて処
理することによって得られている。As raw materials for such spinning pitch, for example, coal-based heavy oil such as coal tar pitch and coal liquefaction, atmospheric residual oil of petroleum, vacuum distillation residual oil, and by-products of heat treatment of these residual oils are produced. It is obtained by using refined petroleum heavy oil such as tar, pitch, oil sand, and bitumen, which is combined with heat treatment, solvent extraction, hydrogenation treatment and the like.
該ピッチを溶融紡糸するに際し、紡糸口金の形態および
構造は特に限定されるものではないが、高性能の炭素繊
維を製造するためには、以下に述べる(a)及び/又は
(b)の方法の何れかを用いることが好ましい。When melt-spinning the pitch, the form and structure of the spinneret are not particularly limited, but in order to produce high-performance carbon fiber, the method (a) and / or (b) described below is used. It is preferable to use any of the above.
(a) 紡糸ノズルの孔形状として、米国特許第4,628,
001号に記載の如き紡糸ノズルの紡糸孔における濡れ縁
の中心線距離をLn,濡れ縁幅をWnとしたとき、Lnの少な
くともひとつが次の二式 Ln<10mm 1.0<Ln/Wn≦20 を同時に満足する非円形のもの、好ましくはスリット状
のものを使用する。(A) As the hole shape of the spinning nozzle, US Pat. No. 4,628,
When the centerline distance of the wetting edge in the spinning hole of the spinning nozzle as described in No. 001 is Ln and the wetting edge width is Wn, at least one of the Ln satisfies the following two equations Ln <10mm 1.0 <Ln / Wn ≦ 20 at the same time. A non-circular shape, preferably a slit shape, is used.
(b) 導入孔部と細孔部から構成される紡糸ノズルに
おいて、その導入孔部の上流部に、静止系分画素子およ
び/又は静止系混練素子を配置し、かつ静止系分画素子
および/又は静止系混練素子の最下流部の位置を原点と
し、そこから紡糸ノズルの出口の方向に測った距離l
(mm)におけるノズル孔の断面積をS(l)(mm2)、
静止系分画素子および/又は静止系混練素子の最下流部
から紡糸ノズルの出口までの距離L0(mm)、紡糸ノズル
内の紡糸ピッチの粘度η(ポイズ)に対して次の式 を満たすものを使用し、かつ導入部から細孔部にいたる
導入角θ(度)、及び細孔部長さlc(mm)、紡糸ピッチ
の一孔あたりの吐出量Q(g/min)に対してそれぞれ次
の二式 150°≦θ≦180° lc・η/Q>20 を満足するものを使用し、紡糸ピッチを上記静止系分画
素子および/又は静止系混練素子に通し引続き上記条件
を満足する紡糸ノズル導入孔部及び細孔部の順に流通さ
せ紡糸する。ここで静止系混練素子とは、溶融状態の紡
糸ピッチが該素子を通過することにより流れが細分化さ
れ、かつ混練されるものをいう。(B) In a spinning nozzle composed of an introduction hole portion and a fine hole portion, a stationary fractionation element and / or a stationary kneading element is arranged upstream of the introduction hole portion, and a stationary fractionation element and And / or a distance l measured from the position of the most downstream part of the static kneading element as the origin and in the direction of the outlet of the spinning nozzle
The cross-sectional area of the nozzle hole in (mm) is S (l) (mm 2 ),
The distance L 0 (mm) from the most downstream part of the stationary fractionating element and / or the stationary kneading element to the outlet of the spinning nozzle, the viscosity η (poise) of the spinning pitch in the spinning nozzle Which satisfy the following conditions, and the introduction angle θ (degree) from the introduction part to the pore part, the pore part length lc (mm), and the discharge rate per hole Q (g / min) of the spinning pitch The following two formulas, 150 ° ≦ θ ≦ 180 ° lc · η / Q> 20, are used respectively, and the spinning pitch is passed through the stationary fractionating element and / or the stationary kneading element, and the above conditions are continued. Satisfying spinning nozzles are introduced in the order of the introduction hole part and the fine hole part in this order and spun. Here, the static kneading element refers to an element in which the flow is subdivided and kneaded by the molten spinning pitch passing through the element.
上記の(a)または(b)のいずれか、或は両者を組み
合わせた方法を用いて紡糸することで、炭素繊維の断面
におけるクラックの発生を効果的に抑止することができ
る。By spinning using either of the above (a) or (b), or a method in which both are combined, the generation of cracks in the cross section of the carbon fiber can be effectively suppressed.
ピッチの溶融紡糸に際しては、紡糸温度はピッチの融点
より高温でかつ360℃より低温にすることが好ましい。
また紡糸ドラフト率は30以上、特に50以上とするのが好
ましく、紡糸速度は100〜1500m/分程度が好適に採用さ
れる。In the melt spinning of pitch, the spinning temperature is preferably higher than the melting point of pitch and lower than 360 ° C.
The spinning draft ratio is preferably 30 or more, particularly 50 or more, and the spinning speed is preferably 100 to 1500 m / min.
本発明方法では、かくして得られたピッチ繊維に対し、
オゾン処理を施し、しかるのち沃素が存在する状態で処
理する、好ましくは沃素と酸素とが共存する状態で加熱
する、ことにより不融化処理し、次いで不活性雰囲気下
で加熱して焼成処理し高性能のピッチ系炭素繊維を得
る。In the method of the present invention, with respect to the pitch fiber thus obtained,
Ozone treatment is carried out, followed by treatment in the presence of iodine, preferably by heating in the presence of iodine and oxygen, thereby infusibilizing treatment, and then heating in an inert atmosphere for baking treatment. A high performance pitch-based carbon fiber is obtained.
かかるオゾン処理の方法としては、紡糸したピッチ繊維
を、オゾンと酸素もしくはオゾンと空気の混合ガス中で
処理する方法を用いることができる。この方法に用いる
オゾンの濃度は、特に限定するものではないが、混合ガ
ス中のオゾン濃度を、0.01モル%以上とすることが好ま
しい。処理温度は、40℃〜300℃が好適である。この場
合40℃以下では、処理に要する時間が長時間化するだけ
であり、また、300℃以上ではきわめて短時間で処理が
過剰となるため厳密な処理条件の制御が必要となるだけ
である。しかし、この範囲外でも改善された物性を有す
るピッチ系炭素繊維を製造する効果を損うものではな
い。As a method of such ozone treatment, a method of treating the spun pitch fiber in a mixed gas of ozone and oxygen or ozone and air can be used. The concentration of ozone used in this method is not particularly limited, but the concentration of ozone in the mixed gas is preferably 0.01 mol% or more. The treatment temperature is preferably 40 ° C to 300 ° C. In this case, if the temperature is 40 ° C. or lower, the time required for the treatment only becomes long, and if the temperature is 300 ° C. or higher, the treatment becomes excessive in a very short time, and strict control of the treatment conditions is only required. However, even if it is out of this range, the effect of producing a pitch-based carbon fiber having improved physical properties is not impaired.
本発明では、かくして得られたオゾン処理繊維を沃素の
存在下で処理することにより不融化せしめるが、この不
融化処理は繊維中又は雰囲気中に沃素と酸素とが存在す
る状態で実施するのが好ましい。具体的方法としては、
オゾン処理繊維に沃素を含有せしめ次いで空気中で加
熱処理する方法、オゾン処理繊維を酸素と沃素の混合
ガス中で加熱処理する方法、の2通りがある。In the present invention, the ozone-treated fiber thus obtained is infusibilized by treating it in the presence of iodine. This infusibilizing treatment is carried out in the state where iodine and oxygen are present in the fiber or in the atmosphere. preferable. As a concrete method,
There are two methods: a method of containing iodine in the ozone-treated fiber and then heat-treating it in air, and a method of heat-treating the ozone-treated fiber in a mixed gas of oxygen and iodine.
次に、それぞれの方法について詳述する。Next, each method will be described in detail.
前記の方法において、オゾン処理繊維に沃素を含有せ
しめる方法は、特に限定しないが、例えば次の方法を採
用することができる。In the above method, the method of incorporating iodine into the ozone-treated fiber is not particularly limited, but the following method can be adopted, for example.
(イ) オゾン処理繊維を沃素の蒸気と接触させる。(A) Contacting the ozone-treated fiber with iodine vapor.
(ロ) オゾン処理繊維に沃素を脂肪族炭化水素あるい
は多価アルコール等の溶媒に溶解もしくは分散した溶液
を塗布する。(B) A solution in which iodine is dissolved or dispersed in a solvent such as aliphatic hydrocarbon or polyhydric alcohol is applied to the ozone-treated fiber.
このときオゾン処理繊維中に含まれる沃素の量は被処理
繊維の重量を基準にして1%以上とすることが必要で、
好ましくは3%以上、更に好ましくは5%以上とする。
沃素の量が1%以下の場合は、炭化後の繊維物性の改善
効果に再現性が乏しい。沃素含有率の上限は特に限定さ
れず、沃素のオゾン処理繊維に対する飽和濃度まで任意
の濃度で本発明の効果は発現する。また、ピッチ繊維に
沃素が溶解もしくは分散した溶液を塗布した場合等に、
オゾン処理繊維に対する飽和濃度以上の沃素が繊維表面
または繊維束内の繊維間隙に存在することは、本発明方
法を実施するにあたって、なんら障害となるものではな
く、この場合も本発明方法の効果は発現しうる。At this time, the amount of iodine contained in the ozone-treated fiber must be 1% or more based on the weight of the fiber to be treated,
It is preferably at least 3%, more preferably at least 5%.
When the amount of iodine is 1% or less, the effect of improving the physical properties of the fiber after carbonization is poor in reproducibility. The upper limit of the iodine content is not particularly limited, and the effect of the present invention is exhibited at any concentration up to the saturation concentration of iodine with respect to the ozone-treated fiber. Also, when applying a solution in which iodine is dissolved or dispersed in pitch fibers,
The presence of iodine at a saturation concentration or higher relative to the ozone-treated fiber in the fiber surface or in the fiber gaps in the fiber bundle does not cause any obstacle in carrying out the method of the present invention, and in this case also, the effect of the method of the present invention is Can be expressed.
かくして沃素を含有せしめたオゾン処理繊維は、350℃
以下、好ましくは300℃以下、更に好ましくは250℃以下
の空気中で処理して不融化する。350℃を越える温度で
処理した場合必ずしも焼成(炭化)後の炭素繊維物性が
損われるわけではないが、極めて短時間に不融化が進行
するため、不融化酸化反応が過剰となりやすく、物性の
再現性に乏しい。空気処理温度の下限は特に限定するも
のではないが、低温を用いた場合、処理に要する時間が
過大となるため、好ましくは100℃以上、更に好ましく
は200℃以上で実施することが効率的である。Thus, the ozone-treated fiber containing iodine is 350 ° C.
The following treatment is performed in air at preferably 300 ° C or lower, more preferably 250 ° C or lower to infusibilize. When treated at a temperature higher than 350 ° C, the physical properties of carbon fiber after firing (carbonization) are not necessarily impaired, but infusibilization progresses in an extremely short time, and the infusibilization oxidation reaction tends to become excessive, and the physical properties are reproduced. Poor sex. The lower limit of the air treatment temperature is not particularly limited, but when a low temperature is used, the time required for the treatment becomes too long. Therefore, it is preferable to carry out the treatment at 100 ° C. or higher, more preferably 200 ° C. or higher. is there.
空気不融化に用いられる空気中に、沃素蒸気が含まれて
いる場合は、本発明方法はより効果的に実施しうる。ま
た、該空気中には、空気及び沃素以外の成分、例えば一
酸化炭素,二酸化炭素,窒素酸化物,炭化水素等が含ま
れていてもよい。The method of the present invention can be more effectively carried out when iodine vapor is contained in the air used for infusibilizing the air. Further, the air may contain components other than air and iodine, for example, carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen oxides, hydrocarbons and the like.
空気処理時の圧力は特に限定するものではなく、特に高
圧であるほど処理時間を短縮することが可能である。The pressure during the air treatment is not particularly limited, and the higher the pressure, the shorter the treatment time.
この方法では空気処理に際し、予めオゾン処理繊維に沃
素を含有させた後、空気処理に供するが、その空気処理
中もしくは空気処理後に於てオゾン処理繊維中に含有さ
れていた沃素の量が、減少もしくは実質的に消失するこ
とがあっても本発明方法による効果の発現を妨げるもの
ではない。処理時間は処理温度に依存するが、通常3時
間以内で十分であり、条件を選べば数分以内で処理を終
了させることもできる。In this method, when air is treated, iodine is contained in the ozone-treated fiber in advance, and then the fiber is subjected to air treatment, but the amount of iodine contained in the ozone-treated fiber during or after the air treatment is decreased. Alternatively, even if it disappears substantially, the effect of the method of the present invention is not hindered. The treatment time depends on the treatment temperature, but usually 3 hours or less is sufficient, and if the conditions are selected, the treatment can be completed within several minutes.
かくして沃素を含有せしめた後、空気処理されたオゾン
処理繊維は不融化しており、該繊維を引き続いて不活性
雰囲気下に1000℃以上の温度で焼成処理して炭化させ、
必要に応じてさらに黒鉛化処理することにより、優れた
物性を有するピッチ系炭素繊維を製造することができ
る。Thus, after containing iodine, the air-treated ozone-treated fiber is infusibilized, and the fiber is subsequently fired at a temperature of 1000 ° C. or higher in an inert atmosphere to be carbonized,
Pitch-based carbon fibers having excellent physical properties can be produced by further performing graphitization treatment if necessary.
一方、後者の方法においては、オゾン処理繊維を沃素
蒸気と酸素を含む混合ガス中で処理し、次いで不活性雰
囲気下で加熱して焼成処理しピッチ系炭素繊維とする。
即ち、この方法では、従来ピッチ系炭素繊維の製造方法
の必須の工程とされていた空気による不融化工程を実質
的に不要とするものである。On the other hand, in the latter method, ozone-treated fibers are treated in a mixed gas containing iodine vapor and oxygen, and then heated in an inert atmosphere and fired to obtain pitch-based carbon fibers.
That is, this method substantially eliminates the infusibilizing step with air, which has been an essential step in the conventional pitch-based carbon fiber manufacturing method.
この方法に用いる混合ガス中の沃素及び酸素の濃度は特
に限定するものではない。しかし、本発明を効率的に実
施するためには、混合ガス中の沃素濃度を、0.01モル%
以上とし、かつ酸素濃度を1モル%以上にすることが好
ましい。但し、沃素濃度が0.01モル%以下、もしくは酸
素濃度が1モル%以下においては、処理に要する時間が
長時間化するだけであり、改善された物性を有するピッ
チ系炭素繊維を製造する効果を損うものではない。ま
た、酸素ガスの代わりに空気を用いることが経済性から
みて有利である。The concentrations of iodine and oxygen in the mixed gas used in this method are not particularly limited. However, in order to effectively carry out the present invention, the iodine concentration in the mixed gas should be 0.01 mol%.
It is preferable that the oxygen concentration is not less than the above and the oxygen concentration is not less than 1 mol%. However, when the iodine concentration is 0.01 mol% or less, or the oxygen concentration is 1 mol% or less, the time required for the treatment is only prolonged and the effect of producing pitch-based carbon fibers having improved physical properties is impaired. It's not a thing. Further, it is economically advantageous to use air instead of oxygen gas.
本発明で用いられる混合ガスには、沃素,酸素または空
気以外の成分、例えば一酸化炭素,二酸化炭素,窒素,
窒素酸化物,炭化水素ガス等を含有することもできる。The mixed gas used in the present invention includes components other than iodine, oxygen or air, such as carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen,
It can also contain nitrogen oxides, hydrocarbon gas, and the like.
沃素と酸素とを含む混合ガスによりオゾン処理繊維を処
理するときの処理温度も限定されないが、100〜400℃特
に200〜300℃が好適である。この場合100℃以下では処
理に要する時間が長時間化するだけであり、改善された
物性を有するピッチ系炭素繊維を製造する効果を損うも
のではない。また、処理時の気圧もまた限定されるもの
ではないが、高圧程効率的に効果を発現しうる。The treatment temperature for treating the ozone-treated fiber with a mixed gas containing iodine and oxygen is not limited, but is preferably 100 to 400 ° C, particularly 200 to 300 ° C. In this case, if the temperature is 100 ° C. or lower, the time required for the treatment is prolonged, and the effect of producing the pitch-based carbon fiber having the improved physical properties is not impaired. Further, the atmospheric pressure during the treatment is not limited, but the higher the pressure, the more efficiently the effect can be exhibited.
沃素と酸素とを含む混合ガスによる処理時間は処理温度
にも依存するが通常3時間以内で十分であり、場合によ
っては数分以内で終了させることもできる。このように
混合ガスで処理したオゾン処理繊維は、引続き不活性雰
囲気下1000℃以上の温度で焼成して炭化せしめ、必要に
応じてさらに黒鉛化処理することにより、優れた物性を
有するピッチ系炭素繊維を製造することが出来る。The treatment time with the mixed gas containing iodine and oxygen depends on the treatment temperature, but usually 3 hours or less is sufficient, and in some cases, it can be completed within several minutes. The ozone-treated fibers treated with the mixed gas in this manner are continuously fired at a temperature of 1000 ° C. or higher in an inert atmosphere to be carbonized, and if necessary, further graphitized to obtain a pitch-based carbon having excellent physical properties. Fibers can be manufactured.
更に、本発明ではピッチ繊維をオゾン処理した後、酸素
を実質的に含まない沃素ガス雰囲気下で処理するか又は
沃素を含む溶液で処理した後、不活性雰囲気下で前述と
同様の条件で焼成処理することもできる。Further, in the present invention, after the pitch fiber is treated with ozone, it is treated with an iodine gas atmosphere substantially free of oxygen or with a solution containing iodine, and then fired under an inert atmosphere under the same conditions as described above. It can also be processed.
作用・効果 上述の各方法により得られた炭素繊維は、従来の如く紡
糸したピッチ繊維を空気により不融化して得られたもの
に比して極めて高伸度とかつ高強度となり、物性の再現
性に優れたものとなる。さらに同温・同圧で比較したと
き、不融化化処理に要する時間は、上記従来法による場
合に比べて飛躍的に短縮される。Actions / Effects The carbon fibers obtained by the above-mentioned methods have extremely high elongation and high strength compared to those obtained by infusibilizing pitch fibers spun in the conventional manner with air, and reproduce the physical properties. It has excellent properties. Further, when compared at the same temperature and the same pressure, the time required for the infusibilizing treatment is drastically shortened as compared with the case of the above conventional method.
本発明方法による上記の効果が発現する機構は必ずしも
完全には解明されていないが、次のように説明すること
ができる。すなわち、沃素は単独でもピッチと反応し、
ピッチ中の分子を高分子量化させるとともに、各分子の
芳香族性を向上させ、ピッチの粘性を速やかに増大させ
る。Although the mechanism by which the above-mentioned effects are exhibited by the method of the present invention has not been completely elucidated, it can be explained as follows. That is, iodine alone reacts with the pitch,
The molecules in the pitch are made to have a high molecular weight, the aromaticity of each molecule is improved, and the viscosity of the pitch is rapidly increased.
また沃素は速やかにピッチ繊維中に拡散し、繊維の中心
部まで均質な不融化反応がおこる。これに対し、オゾン
はピッチ繊維との反応性が極めて高いが、ピッチ繊維中
への拡散が遅く、繊維表層部において過剰な酸化反応が
おこる傾向がある。本発明の方法は上記の沃素とオゾン
のピッチ繊維に対する反応特性を複合することにより、
繊維表層と内層の不融化状態を制御するものである。す
なわち、不融化反応が大過剰になるとピッチ繊維は難黒
鉛化し、焼成後の繊維は高伸度であるが低ヤング率とな
り、ピッチ本来の黒鉛化特性を維持するためには、不融
化反応は必要最小限の程度に抑えることが好ましい。し
かし、不融化反応が十分でない場合、焼成時の軟化に伴
う繊維間の融着あるいは自発的なウエッジの形成等の欠
陥発生により繊維物性の低下が見られ、また焼成時に欠
陥が発生しない場合でさえ、焼成後の繊維の表層はミク
ロクラック等に対する欠陥感受性が高く、発生したクラ
ックの伝播が容易であり、脆くなる。Further, iodine rapidly diffuses into the pitch fiber and a homogeneous infusibilization reaction occurs up to the center of the fiber. On the other hand, although ozone has extremely high reactivity with the pitch fiber, it is slow to diffuse into the pitch fiber, and an excessive oxidation reaction tends to occur in the fiber surface layer portion. The method of the present invention combines the above-mentioned reaction characteristics of iodine and ozone with respect to the pitch fiber,
The infusible state of the fiber surface layer and the inner layer is controlled. That is, when the infusibilization reaction is excessively large, the pitch fiber is hardly graphitized, and the fiber after firing has a high elongation but a low Young's modulus, and in order to maintain the original graphitization characteristics of the pitch, the infusibilization reaction is It is preferable to suppress it to the minimum necessary level. However, if the infusibilization reaction is not sufficient, deterioration of the physical properties of the fiber is observed due to the occurrence of defects such as fusion between fibers accompanying the softening during firing or the formation of spontaneous wedges, and in the case where no defects occur during firing. Even after firing, the surface layer of the fiber has a high defect susceptibility to microcracks and the like, the generated cracks are easily propagated and become brittle.
本発明の方法では、オゾン処理によりピッチ繊維の表層
部のみを選択的に過剰に不融化し、かつ、繊維内部は沃
素により均質かつ最小限度の不融化状態に制御すること
が可能である。このため、焼成時における欠陥の発生は
回避され、かつ焼成した繊維の表層部は難黒鉛層が形成
されるためクラック等の伝播が抑制され、また内層部は
優れた黒鉛性を発揮することで、黒鉛本来の繊維特性を
発現し、したがって極めて高伸度かつ高ヤング率のピッ
チ系炭素繊維を製造することができるのである。In the method of the present invention, it is possible to selectively excessively infusibilize only the surface layer portion of the pitch fiber by ozone treatment, and to control the inside of the fiber to a homogeneous and minimum infusibilized state by iodine. Therefore, the occurrence of defects during firing is avoided, and the propagation of cracks and the like is suppressed due to the formation of a difficult graphite layer in the surface layer portion of the fired fiber, and the inner layer portion exhibits excellent graphitization. Therefore, it is possible to produce pitch-based carbon fibers exhibiting the original fiber characteristics of graphite and thus having extremely high elongation and high Young's modulus.
かくして本発明の方法では、ピッチ繊維をオゾン処理し
た後、沃素を含有させた後空気で処理するか又は沃素と
酸素の混合ガスで処理することにより、焼成後の炭素繊
維の物性を格段に改善させることができ、後述の実施例
に示すごとく強度・伸度・モジュラスともにPAN系炭素
繊維の物性に匹敵するかもしくは凌駕するものとなり、
同時に不融化処理に要する時間を大幅に短縮することが
できる。Thus, in the method of the present invention, after the pitch fiber is treated with ozone, it is treated with air after containing iodine, or with a mixed gas of iodine and oxygen, whereby the physical properties of the carbon fiber after firing are remarkably improved. The strength, elongation, and modulus of the PAN-based carbon fiber are comparable or superior to those of the PAN-based carbon fiber as shown in Examples described later.
At the same time, the time required for the infusibilizing treatment can be greatly reduced.
実施例 以下、実施例をあげて本発明をさらに詳細に説明する。
なお、例中の炭素繊維の強伸度物性はJIS R−7601によ
り測定した値である。EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
The strength and elongation physical properties of the carbon fibers in the examples are values measured according to JIS R-7601.
実施例1 市販のコールタールを原料とし、特開昭59-53717号公報
に記載の方法に準じ、光学異方性量を92%有し、キノリ
ン可溶部95.4%、メトラー方による融点が305℃の紡糸
用ピッチを調製した。Example 1 Using commercially available coal tar as a raw material, according to the method described in JP-A-59-53717, the amount of optical anisotropy was 92%, the quinoline-soluble portion was 95.4%, and the melting point by the Mettler method was 305 ° C. A spinning pitch was prepared.
紡糸用ピッチを加熱ヒータを備えた定量フィーダーに仕
込み、溶融脱泡後スリット幅60ミクロン,中心線距離54
0ミクロンの単一スリット紡糸孔を有する紡糸口金で溶
融紡糸を行った。The spinning pitch was charged into a fixed-quantity feeder equipped with a heater, and after melting and defoaming, slit width was 60 microns, center line distance was 54
Melt spinning was performed on a spinneret with a 0 micron single slit spin hole.
この場合のフィーダー吐出量は0.032ml/分/孔,口金温
度335℃に設定し、引き取り速度600m/分で巻取った。In this case, the feeder discharge rate was set to 0.032 ml / min / hole, the die temperature was 335 ° C, and the winding speed was 600 m / min.
このピッチ繊維を150℃のオゾンを1.5モル%含む空気中
に30分保持しオゾンと反応させた。このオゾン処理繊維
を100℃の沃素蒸気中に5分間保持し、沃素を吸収させ
た。このときのオゾン処理繊維中の沃素含有率はピッチ
100重量部に対し50重量部であった。この沃素を含有す
るオゾン処理繊維を、空気中、2.5℃/分の昇温速度で
室温から225℃まで昇温加熱し、225℃で1時間保持し
た。This pitch fiber was kept in air containing 150 mol of ozone at 1.5 mol% for 30 minutes to react with the ozone. The ozone-treated fiber was kept in iodine vapor at 100 ° C. for 5 minutes to absorb iodine. At this time, the iodine content in the ozone-treated fiber is
It was 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight. This iodine-containing ozone-treated fiber was heated in air from room temperature to 225 ° C. at a temperature rising rate of 2.5 ° C./min and held at 225 ° C. for 1 hour.
次いで窒素雰囲気中にて500℃/分の昇温速度で1800℃
まで昇温加熱し焼成(炭化)処理した。得られた炭素繊
維は、物性測定の結果、強度650kg/mm2,伸度1.9%,ヤ
ング率35T/mm2の優れた値を示した。Next, at a temperature rise rate of 500 ° C / min in a nitrogen atmosphere, 1800 ° C
It was heated up to and heated (carbonized). As a result of measuring the physical properties, the carbon fiber obtained showed excellent values of strength 650 kg / mm 2 , elongation 1.9%, Young's modulus 35 T / mm 2 .
実施例2 実施例1と全く同様の方法で紡糸してピッチ繊維を調製
し、同様の方法でオゾンで処理した。このオゾン処理繊
維に沃素を吸収させた。このオゾン処理繊維を沃素蒸気
を0.5モル%含む空気中で、2.5℃/分の昇温速度で室温
から225℃まで昇温加熱し、225℃で0.5時間保持した。Example 2 Pitch fibers were prepared by spinning in the same manner as in Example 1 and treated with ozone in the same manner. Iodine was absorbed in this ozone-treated fiber. The ozone-treated fiber was heated from room temperature to 225 ° C. at a heating rate of 2.5 ° C./min in air containing 0.5 mol% of iodine vapor and kept at 225 ° C. for 0.5 hours.
次いで窒素雰囲気中にて500℃/分の昇温速度で1800℃
まで昇温加熱し焼成(炭化)処理した。得られた炭素繊
維は、物性測定の結果、強度654kg/mm2,伸度1.9%,ヤ
ング率34T/mm2の優れた値を示した。Next, at a temperature rise rate of 500 ° C / min in a nitrogen atmosphere, 1800 ° C
It was heated up to and heated (carbonized). As a result of measuring physical properties, the obtained carbon fiber had excellent values of strength 654 kg / mm 2 , elongation 1.9%, and Young's modulus 34 T / mm 2 .
比較実施例1 実施例1と全く同様の方法で紡糸してピッチ繊維を調製
した。このピッチ繊維に沃素を吸収させることなく、空
気中で2.5℃/分の昇温速度で室温から300℃まで昇温加
熱し、300℃で0.5時間保持した。Comparative Example 1 Pitch fibers were prepared by spinning in exactly the same manner as in Example 1. This pitch fiber was heated in the air from room temperature to 300 ° C. at a temperature rising rate of 2.5 ° C./min without absorbing iodine, and kept at 300 ° C. for 0.5 hours.
次いで窒素雰囲気中にて500℃/分の昇温速度で1800℃
まで昇温加熱し焼成(炭化)処理した。得られた炭素繊
維は物性測定の結果、強度523kg/mm2,伸度1.7%,ヤン
グ率30T/mm2であった。Next, at a temperature rise rate of 500 ° C / min in a nitrogen atmosphere, 1800 ° C
It was heated up to and heated (carbonized). As a result of measuring the physical properties of the obtained carbon fiber, the strength was 523 kg / mm 2 , the elongation was 1.7%, and the Young's modulus was 30 T / mm 2 .
実施例3 市販のコールタールピッチを原料とし、特開昭59-53717
号公報に記載の方法に準じ、光学異方性量を92%有し、
キノリン可溶部95.4%、メトラー法により融点が305℃
の紡糸用ピッチを調製した。Example 3 Using commercially available coal tar pitch as a raw material, JP-A-59-53717.
According to the method described in the publication, having an optical anisotropy amount of 92%,
Quinoline soluble part 95.4%, melting point 305 ° C by the METTLER method
The spinning pitch of was prepared.
紡糸用ピッチを加熱ヒータを備えた定量フィーダーに仕
込み、溶融脱泡後スリット幅60ミクロン,中心線距離54
0ミクロンの単一スリット紡糸孔を有する紡糸口金で紡
糸を行った。The spinning pitch was charged into a fixed-quantity feeder equipped with a heater, and after melting and defoaming, slit width was 60 microns, center line distance was 54
Spinning was performed with a spinneret having a 0 micron single slit spin hole.
この場合のフィーダー吐出量は0.032ml/分/孔,口金温
度335℃,引き取り速度600m/分で巻取った。In this case, the feeder discharge rate was 0.032 ml / min / hole, the die temperature was 335 ° C, and the take-up speed was 600 m / min.
このピッチ繊維を150℃のオゾンを1.5%含む酸素中に1
時間保持しオゾン処理した。このオゾン処理繊維を、沃
素0.5モル%含む空気中、2.5℃/分の昇温速度で室温か
ら225℃まで昇温加熱し、225℃で1時間保持した。1% of this pitch fiber in oxygen containing 1.5% ozone at 150 ℃
It was kept for a time and treated with ozone. This ozone-treated fiber was heated from room temperature to 225 ° C. at a heating rate of 2.5 ° C./min in air containing 0.5 mol% iodine, and kept at 225 ° C. for 1 hour.
次いで窒素雰囲気中にて500℃/分の昇温速度で1800℃
まで昇温加熱し焼成(炭化)処理した。得られた炭素繊
維は物性測定の結果、強度641kg/mm2,伸度1.8%,ヤン
グ率36T/mm2の優れた値を示した。Next, at a temperature rise rate of 500 ° C / min in a nitrogen atmosphere, 1800 ° C
It was heated up to and heated (carbonized). As a result of measuring physical properties, the obtained carbon fiber exhibited excellent values of a strength of 641 kg / mm 2 , an elongation of 1.8% and a Young's modulus of 36 T / mm 2 .
実施例4 実施例3と全く同様の方法で紡糸してピッチ繊維を調製
しオゾン処理を行った後、沃素蒸気を0.5%含む空気中
で、5℃/分の昇温速度で室温から250℃まで昇温加熱
し、250℃で0.1時間保持した。Example 4 Pitch fibers were prepared by spinning in exactly the same manner as in Example 3 and subjected to ozone treatment, and then in air containing 0.5% iodine vapor at a temperature rising rate of 5 ° C./min from room temperature to 250 ° C. The temperature was raised to 250 ° C. and held at 250 ° C. for 0.1 hour.
次いで窒素雰囲気中にて500℃/分の昇温速度で1800℃
まで昇温加熱し焼成(炭化)処理した。得られた炭素繊
維は物性測定の結果、強度585kg/mm2,伸度1.7%,ヤン
グ率33T/mm2の優れた値を示した。Next, at a temperature rise rate of 500 ° C / min in a nitrogen atmosphere, 1800 ° C
It was heated up to and heated (carbonized). As a result of measuring physical properties, the obtained carbon fiber showed excellent values of a strength of 585 kg / mm 2 , an elongation of 1.7% and a Young's modulus of 33 T / mm 2 .
比較実施例2 実施例3と全く同様の方法で紡糸してピッチ繊維を調製
しオゾン処理を行うことなく、沃素蒸気を0.5%含む空
気中で5℃/分の昇温速度で室温から250℃まで昇温加
熱し、250℃で0.1時間保持した。Comparative Example 2 Pitch fibers were prepared by spinning in exactly the same manner as in Example 3, and without ozone treatment, in air containing 0.5% iodine vapor at room temperature to 250 ° C. at a temperature rising rate of 5 ° C./min. The temperature was raised to 250 ° C. and held at 250 ° C. for 0.1 hour.
次いで窒素雰囲気中にて500℃/分の昇温速度で1800℃
まで昇温加熱したところ、繊維は軟化し融着した。Next, at a temperature rise rate of 500 ° C / min in a nitrogen atmosphere, 1800 ° C
When heated up to the temperature, the fibers were softened and fused.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−246420(JP,A) 特開 昭61−28019(JP,A) 欧州特許出願169023(EP,A− 169023) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-1-246420 (JP, A) JP-A 61-28019 (JP, A) European patent application 169023 (EP, A-169023)
Claims (5)
た後、少くとも沃素が存在する状態で不融化処理し、次
いで不活性雰囲気中で焼成処理することを特徴とするピ
ッチ系炭素繊維の製造方法。1. A process for producing pitch-based carbon fibers, characterized in that melt-spun pitch fibers are treated with ozone, then infusibilized in the presence of at least iodine, and then calcined in an inert atmosphere. Method.
た後、該繊維に沃素を1.0重量%以上含有せしめて、350
℃以下の空気中で処理して不融化せしめ、次いで不活性
雰囲気中で加熱して焼成処理する請求項(1)に記載の
ピッチ系炭素繊維の製造方法。2. Melt-spun pitch fibers are treated with ozone, and then the fibers are made to contain 1.0% by weight or more of iodine, and 350
The method for producing a pitch-based carbon fiber according to claim 1, wherein the pitch-based carbon fiber is treated in air at a temperature of not higher than 0 ° C. to make it infusible, and then heated in an inert atmosphere to be fired.
3.0重量%以上含有せしめて、空気中で100〜300℃の温
度に加熱して不融化せしめ、次いで不活性雰囲気中で加
熱して焼成処理する請求項(2)に記載のピッチ系炭素
繊維の製造方法。3. After the pitch fiber is treated with ozone, iodine is added.
The pitch-based carbon fiber according to claim (2), containing 3.0% by weight or more, heated in air to a temperature of 100 to 300 ° C. to infusibilize, and then heated in an inert atmosphere for firing treatment. Production method.
た後、沃素と酸素とを含む混合ガス中で加熱して不融化
せしめ、次いで不活性雰囲気下で加熱して焼成処理する
請求項(1)に記載のピッチ系炭素繊維の製造方法。4. The melt-spun pitch fiber is treated with ozone, heated in a mixed gas containing iodine and oxygen to be infusibilized, and then heated in an inert atmosphere for firing treatment. The manufacturing method of the pitch type | system | group carbon fiber of statement.
100〜400℃で行う、請求項(4)に記載のピッチ系炭素
繊維の製造方法。5. A heat treatment in a mixed gas of iodine and oxygen
The method for producing a pitch-based carbon fiber according to claim 4, which is performed at 100 to 400 ° C.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63227547A JPH0742614B2 (en) | 1988-09-13 | 1988-09-13 | Method for manufacturing pitch-based carbon fiber |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63227547A JPH0742614B2 (en) | 1988-09-13 | 1988-09-13 | Method for manufacturing pitch-based carbon fiber |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0280620A JPH0280620A (en) | 1990-03-20 |
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|---|---|---|---|
| JP63227547A Expired - Fee Related JPH0742614B2 (en) | 1988-09-13 | 1988-09-13 | Method for manufacturing pitch-based carbon fiber |
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|---|---|---|---|---|
| JP2007153675A (en) * | 2005-12-06 | 2007-06-21 | Tokyo Institute Of Technology | Manufacturing method of high specific surface area pitch |
-
1988
- 1988-09-13 JP JP63227547A patent/JPH0742614B2/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 欧州特許出願169023(EP,A−169023) |
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| JPH0280620A (en) | 1990-03-20 |
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