JP2013181264A - Carbon fiber bundle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、開繊性に優れた炭素繊維束に関するものである。 The present invention relates to a carbon fiber bundle excellent in spreadability.
炭素繊維は力学的、化学的諸特性及び軽量性などにより、各種の用途、例えば航空機やロケットなどの航空・宇宙用航空材料、テニスラケット、ゴルフシャフト、釣竿などのスポーツ用品に広く使用され、さらに船舶、自動車などの運輸機械用途分野などにも使用されようとしている。また、近年は炭素繊維の高い導電性や放熱性から、携帯電話やパソコンの筐体等の電子機器部品や、燃料電池の電極用途への応用が強く求められている。このように適用範囲が広がる反面、炭素繊維については生産量の増大と、コストダウンへの要求が厳しくなっている。 Carbon fiber is widely used in various applications, for example, aerospace materials such as aircraft and rockets, tennis rackets, golf shafts, fishing rods, etc. due to its mechanical and chemical properties and light weight. It is also being used in the field of transportation machinery such as ships and automobiles. In recent years, due to the high conductivity and heat dissipation of carbon fibers, there is a strong demand for application to electronic device parts such as mobile phone and personal computer casings and fuel cell electrodes. In this way, the range of application is widened, but for carbon fibers, the demand for increased production and cost reduction is becoming stricter.
従来、ポリアクリロニトリル系前駆体繊維束(以下、PAN系前駆体繊維束という)を炭素繊維化処理するには次のような方法が挙げられる。最初に数十〜数百錘のPAN系前駆体繊維束をシート状に引き揃え、200〜300℃の酸化性雰囲気中で耐炎化処理する。
前記耐炎化処理により得られた耐炎化繊維束を、引き続いて300℃以上の不活性雰囲気中の焼成(炭素化処理)工程に導いて炭素繊維を得る。その後、電解液中で電解酸化処理を施したり、気相または液相での酸化処理を施したりすることによって、複合材料における炭素繊維とマトリックス樹脂との親和性や接着性を向上させ、さらに、サイジング剤を付与する工程が一般的である。
Conventionally, the following method can be used to carbonize a polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle (hereinafter referred to as a PAN-based precursor fiber bundle). First, several tens to several hundreds of PAN-based precursor fiber bundles are arranged in a sheet shape and subjected to flame resistance treatment in an oxidizing atmosphere at 200 to 300 ° C.
The flameproof fiber bundle obtained by the flameproofing treatment is subsequently introduced into a firing (carbonization treatment) step in an inert atmosphere at 300 ° C. or higher to obtain carbon fibers. Thereafter, by performing electrolytic oxidation treatment in the electrolytic solution, or by performing oxidation treatment in the gas phase or liquid phase, the affinity and adhesion between the carbon fiber and the matrix resin in the composite material are improved, A process of applying a sizing agent is common.
ここで、合成繊維の分野において生産量を増大する手段として、糸条数を増加させたり、糸条1本1本の太さを太くしたりして糸束を太くし、口金1個あたりの吐出量を増加させる方法が知られている。このように糸束を太くすれば、生産量が増大する一方で、設備費の増加は最低限に抑えられるため、同時にコストダウンにも繋がることから、ポリエステルやナイロンなどの主要な産業用繊維においても広く用いられている。 Here, as a means for increasing the production amount in the field of synthetic fibers, the number of yarns is increased or the thickness of each yarn is increased to increase the thickness of the yarn bundle. A method for increasing the discharge amount is known. Increasing the yarn bundle in this way will increase production while minimizing the increase in equipment costs, and at the same time will lead to cost reductions in major industrial fibers such as polyester and nylon. Is also widely used.
特許文献1は、真円度が高く、更に単繊維繊度が大きな炭素繊維前駆体繊維束を用いて、耐炎化処理の際の焼け斑を抑制し、総繊度が大きいにも拘わらず単繊維間の交絡が少なく、広がり性に優れ、更に生産性にも優れた炭素繊維束を得る技術を提案している。 Patent Document 1 uses a carbon fiber precursor fiber bundle having a high roundness and a large single fiber fineness to suppress burning spots during the flameproofing treatment, and despite the large total fineness, We have proposed a technique for obtaining carbon fiber bundles that are less tangled, have better spreadability, and are more productive.
特許文献1の技術では、総繊度が大きく優れた生産性を有するにも関わらず、糸束内の単繊維交絡が少なく、広がり性に優れた炭素繊維束として、断面形状が直径8μm以上、真円度0.95以上の円形であり、かつ、引張強度が3GPa以上である単繊維が36,000本以上収束している炭素繊維束が提案されている。
しかしながら、開繊性、広がり性が十分でなかった。
In the technique of Patent Document 1, although the total fineness is large and the productivity is excellent, the single fiber entanglement in the yarn bundle is small and the carbon fiber bundle having excellent spreadability has a cross-sectional shape of 8 μm or more in diameter, true A carbon fiber bundle has been proposed in which 36,000 or more single fibers having a circularity of 0.95 or more and a tensile strength of 3 GPa or more are converged.
However, the spreadability and spreadability were not sufficient.
本発明は鋭意検討を行った結果、特許文献1に記載の炭素繊維束と比較して、単繊維繊度が大きく優れた生産性を有するにも拘わらず、繊維束内の単繊維の交絡が少なく、広がり性に優れた高品質な炭素繊維束を提供することを目的とする。 As a result of intensive studies, the present invention has less entanglement of single fibers in the fiber bundle, despite having a large single fiber fineness and excellent productivity as compared with the carbon fiber bundle described in Patent Document 1. An object of the present invention is to provide a high-quality carbon fiber bundle excellent in spreadability.
前記課題は、以下の技術的手段(1)〜(3)からなる本発明によって解決される。
(1)本発明の炭素繊維束は、単繊維の繊度が0.75dtex〜2.5dtexの範囲であり、かつ単繊維の繊維軸に垂直な断面の形状が真円度0.70〜0.90であり、かつフックドロップの落下距離より算出されるCF値が10〜30である。
(2)本発明の炭素繊維束は、総繊度が25,000〜90,000dtexであることが好ましい。
(3)本発明の炭素繊維束は、アクリロニトリル単位95〜99モル%とメタクリル酸ヒドロキシアルキル単位1〜5モル%のポリアクリロニトリル系共重合体からなるPAN系炭素繊維前駆体繊維束を用いて製造される炭素繊維束であることが好ましい。
The above-mentioned problems are solved by the present invention comprising the following technical means (1) to (3).
(1) The carbon fiber bundle of the present invention has a single fiber fineness in the range of 0.75 dtex to 2.5 dtex, and a cross-sectional shape perpendicular to the fiber axis of the single fiber has a roundness of 0.70 to 0.00. 90 and the CF value calculated from the drop distance of the hook drop is 10-30.
(2) The carbon fiber bundle of the present invention preferably has a total fineness of 25,000 to 90,000 dtex.
(3) The carbon fiber bundle of the present invention is produced using a PAN-based carbon fiber precursor fiber bundle composed of a polyacrylonitrile-based copolymer having 95 to 99 mol% of acrylonitrile units and 1 to 5 mol% of hydroxyalkyl methacrylate units. It is preferable that the carbon fiber bundle be made.
本発明によれば、単繊維繊度が大きく優れた生産性を有するにも拘わらず、繊維束内の単繊維交絡が少なく、広がり性に優れた高品質な炭素繊維束が提供される。 According to the present invention, there is provided a high-quality carbon fiber bundle that has a single fiber fineness and high productivity, and has few single fiber entanglement in the fiber bundle and excellent spreadability.
本発明の実施形態の一例について、図1を用いて説明する。
1に炭素繊維束を巻き取ったボビンを装着させて駆動装置を用いて7の巻き取り部まで炭素繊維束を走行させる。張力を一定にするためにニップロール3ならびにダンサーロール4を用いる。炭素繊維束を開繊させるため、固定ガイド5を5箇所配置している。トウ幅測定機6を固定ガイド間5に配置して開繊されたトウ幅の測定を連続的に行う。なお、固定ガイド5ならびにフリーロール2の材質に関しては特に規定しない。
An example of an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The bobbin which wound up the carbon fiber bundle to 1 is mounted | worn, and a carbon fiber bundle is made to drive to the winding-up part of 7 using a drive device. In order to make the tension constant, the nip roll 3 and the dancer roll 4 are used. In order to open the carbon fiber bundle, five fixed guides 5 are arranged. The tow width measuring device 6 is arranged between the fixed guides 5 to continuously measure the opened tow width. The material of the fixed guide 5 and the free roll 2 is not particularly defined.
<アクリロニトリル系重合体>
本発明の炭素繊維束の原料であるPAN系前駆体繊維束の原料として用いることができるアクリロニトリル系重合体としては、アクリロニトリル単独重合体若しくは共重合体、またはその混合物がある。
<Acrylonitrile polymer>
Examples of the acrylonitrile-based polymer that can be used as a raw material for the PAN-based precursor fiber bundle, which is a raw material for the carbon fiber bundle of the present invention, include an acrylonitrile homopolymer or copolymer, or a mixture thereof.
共重合体中のメタクリル酸ヒドロキシアルキル単位の含有量は、1〜5モル%である。メタクリル酸ヒドロキシアルキル単位のカルボン酸エステル基は、250℃以上の高温で熱分解してカルボン酸基になる。共重合体中のメタクリル酸ヒドロキシアルキル単位の含有量が1モル%以上であれば、耐炎化工程においてメタクリル酸ヒドロキシアルキル単位のカルボン酸エステル基がカルボン酸基となった際に、耐炎化反応を促進する十分な効果が得られる。一方、5モル%以下であれば、耐炎化反応の暴走を抑制できる。さらに耐炎化工程でのヒドロキシアルキル基の脱離に伴う炭素化収率の低下を抑えることができる。 Content of the hydroxyalkyl methacrylate unit in a copolymer is 1-5 mol%. The carboxylic acid ester group of the hydroxyalkyl methacrylate unit is thermally decomposed into a carboxylic acid group at a high temperature of 250 ° C. or higher. If the content of the hydroxyalkyl methacrylate unit in the copolymer is 1 mol% or more, when the carboxylic acid ester group of the hydroxyalkyl methacrylate unit becomes a carboxylic acid group in the flameproofing step, the flameproofing reaction is performed. Sufficient effect to promote is obtained. On the other hand, if it is 5 mol% or less, runaway of the flameproofing reaction can be suppressed. Further, it is possible to suppress a decrease in the carbonization yield accompanying the elimination of the hydroxyalkyl group in the flameproofing step.
メタクリル酸ヒドロキシアルキル単位の含有量の下限は、炭素繊維前駆体繊維束(以下適宜「前駆体繊維束」という)の緻密性確保の観点から1.2モル%以上が好ましく、より高性能な炭素繊維が得られるという点で1.5モル%以上がより好ましい。また、メタクリル酸ヒドロキシアルキル単位の含有量の上限は、耐炎化工程での暴走反応を抑制する点から4.0モル%以下が好ましく、炭素化収率の低下を抑制するという点で3.0モル%以下がより好ましい。 The lower limit of the content of the hydroxyalkyl methacrylate unit is preferably 1.2 mol% or more from the viewpoint of securing the denseness of the carbon fiber precursor fiber bundle (hereinafter referred to as “precursor fiber bundle” as appropriate), and has higher performance. The amount of 1.5 mol% or more is more preferable in that a fiber is obtained. Further, the upper limit of the content of the hydroxyalkyl methacrylate unit is preferably 4.0 mol% or less from the viewpoint of suppressing a runaway reaction in the flameproofing step, and 3.0 from the viewpoint of suppressing a decrease in carbonization yield. The mol% or less is more preferable.
メタクリル酸ヒドロキシアルキル単位の原料となるメタクリル酸ヒドロキシアルキルとしては、メタアクリル酸2−ヒドロキシエチル、メタクリル酸2−ヒドロキシプロピル、メタクリル酸4−ヒドロキシブチル、メタクリル酸モノグリセリル、メタクリル酸テトラヒドロフルフリルが挙げられる。さらには、これらのアクリル酸ヒドロキシアルキルを併用しても良い。 Examples of the hydroxyalkyl methacrylate used as a raw material for the hydroxyalkyl methacrylate unit include 2-hydroxyethyl methacrylate, 2-hydroxypropyl methacrylate, 4-hydroxybutyl methacrylate, monoglyceryl methacrylate, and tetrahydrofurfuryl methacrylate. It is done. Furthermore, these hydroxyalkyl acrylates may be used in combination.
メタクリル酸2−ヒドロキシエチルは、耐炎化工程においてヒドロキシエチル基の脱離温度が240℃以上であること、酸素透過性の向上に十分な嵩高さを有していること、ヒドロキシエチル基が脱離したときの質量の減少が少ないこと、工業的に入手しやすいことなどの点で、本発明の共重合体の構成成分として好適である。 2-Hydroxyethyl methacrylate has a hydroxyethyl group elimination temperature of 240 ° C. or higher in the flameproofing process, a bulkiness sufficient for improving oxygen permeability, and a hydroxyethyl group elimination. It is suitable as a constituent component of the copolymer of the present invention from the viewpoints of little decrease in mass when obtained and industrial availability.
<他のモノマー>
本発明の共重合体は、アクリロニトリル単位とメタクリル酸ヒドロキシアルキル単位を含有するが、必要に応じて他のモノマー単位を含有してもよい。
<Other monomers>
The copolymer of the present invention contains acrylonitrile units and hydroxyalkyl methacrylate units, but may contain other monomer units as necessary.
他のモノマーとしては、アクリロニトリルと共重合可能なビニル系モノマーが好ましい。具体的には、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸プロピル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸ヘキシル等の(メタ)アクリル酸エステル類、塩化ビニル、臭化ビニル、塩化ビニリデン等のハロゲン化ビニル類、(メタ)アクリル酸、イタコン酸、クロトン酸等の酸類及びそれらの塩類、マレイン酸イミド、フェニルマレイミド、(メタ)アクリルアミド、スチレン、α−メチルスチレン、酢酸ビニルなどが挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 As the other monomer, a vinyl monomer copolymerizable with acrylonitrile is preferable. Specifically, (meth) acrylate esters such as methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, propyl (meth) acrylate, butyl (meth) acrylate, hexyl (meth) acrylate, chloride Vinyl halides such as vinyl, vinyl bromide, vinylidene chloride, acids such as (meth) acrylic acid, itaconic acid, crotonic acid and their salts, maleic acid imide, phenylmaleimide, (meth) acrylamide, styrene, α- Examples include methylstyrene and vinyl acetate. These may be used alone or in combination of two or more.
本発明の共重合体における他のモノマー単位の含有量は、アクリロニトリル単位やメタクリル酸ヒドロキシアルキル単位の含有量を考慮して、3.5モル%以下が好ましい。 The content of other monomer units in the copolymer of the present invention is preferably 3.5 mol% or less in consideration of the content of acrylonitrile units and hydroxyalkyl methacrylate units.
本発明の炭素繊維束の原料であるPAN系前駆体繊維束の原料として用いることができるアクリロニトリル系重合体を得るための重合方法としては、例えば水溶液中におけるレドックス重合、不均一系における懸濁重合、分散剤を使用した乳化重合等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Examples of a polymerization method for obtaining an acrylonitrile-based polymer that can be used as a raw material for a PAN-based precursor fiber bundle that is a raw material for a carbon fiber bundle of the present invention include, for example, redox polymerization in an aqueous solution and suspension polymerization in a heterogeneous system. And emulsion polymerization using a dispersant, but are not limited thereto.
本発明で得られる炭素繊維束の前駆体繊維束の紡糸方法としては、公知の方法を採用でき、具体的には湿式紡糸法、乾湿式紡糸法、乾式紡糸法などが挙げられる。これらの中でも生産性の観点から湿式紡糸法が好ましく用いられる。 As a spinning method of the precursor fiber bundle of the carbon fiber bundle obtained in the present invention, a known method can be adopted, and specific examples include a wet spinning method, a dry wet spinning method, a dry spinning method and the like. Among these, the wet spinning method is preferably used from the viewpoint of productivity.
上記紡糸原液を、紡糸口金を介して凝固浴中に吐出して紡糸することで、凝固糸を得る。前駆体繊維束の単繊維の真円度は、紡糸工程における凝固工程において制御することが可能である。凝固浴条件としては、濃度30質量%以上60質量%以下かつ、温度20℃以上40℃以下が好ましい。凝固浴条件がこの範囲内であれば、適正な凝固速度を保ちながら真円度0.70以上0.90以下の前駆体繊維束を得ることが出来る。 The spinning solution is discharged and spun into a coagulation bath through a spinneret to obtain a coagulated yarn. The roundness of the single fiber of the precursor fiber bundle can be controlled in the coagulation process in the spinning process. As the coagulation bath conditions, a concentration of 30% by mass to 60% by mass and a temperature of 20 ° C. to 40 ° C. are preferable. If the coagulation bath conditions are within this range, a precursor fiber bundle having a roundness of 0.70 or more and 0.90 or less can be obtained while maintaining an appropriate coagulation rate.
凝固浴濃度が60質量%以下であれば、凝固浴中に吐出された紡糸原液の表面における溶剤と水との交換速度が、紡糸原液中への水の拡散速度を上回り、前駆体繊維束の真円度は上記範囲内に保たれると共に、緻密な前駆体繊維を得ることが出来る。更に、前駆体繊維束の単糸間の接着を抑制することができる。特に、単繊維繊度および総繊度がともに大きい前駆体繊維束を紡糸する際には、単糸間の接着をさらに抑制する点から、濃度は55質量%以下が好ましい。また、凝固浴濃度が30質量%以上であれば、凝固浴中に吐出された紡糸原液の表面における溶剤と水との交換速度が、紡糸原液中への水の拡散速度を著しく上回ることを抑制することができ、凝固糸の急激な収縮が起こらない範囲で前駆体繊維束の真円度が上記範囲内に保たれると共に、緻密な前駆体繊維束を得ることが出来る。 If the coagulation bath concentration is 60% by mass or less, the exchange rate of the solvent and water on the surface of the spinning dope discharged into the coagulating bath exceeds the diffusion rate of water into the spinning dope, and the precursor fiber bundle The roundness is maintained within the above range, and a dense precursor fiber can be obtained. Furthermore, adhesion between the single yarns of the precursor fiber bundle can be suppressed. In particular, when spinning a precursor fiber bundle having a large single fiber fineness and a total fineness, the concentration is preferably 55% by mass or less from the viewpoint of further suppressing adhesion between single yarns. In addition, if the coagulation bath concentration is 30% by mass or more, it is possible to suppress that the exchange rate of the solvent and water on the surface of the spinning dope discharged into the coagulating bath significantly exceeds the diffusion rate of water into the spinning dope. In addition, the roundness of the precursor fiber bundle can be maintained within the above range within a range where rapid shrinkage of the coagulated yarn does not occur, and a dense precursor fiber bundle can be obtained.
一方、凝固浴温度については、40℃以下であれば、凝固浴中に吐出された紡糸原液の表面における溶剤と水との交換速度が、紡糸原液中への水の拡散速度を著しく上回ることを抑制することができ、凝固糸の急激な収縮が起こらない範囲で前駆体繊維束の真円度が上記範囲内に保たれると共に、緻密な前駆体繊維を得ることが出来る。また、20℃以上であれば、凝固浴中に吐出された紡糸原液の表面における溶剤と水との交換速度と、紡糸原液中への水の拡散速度が適正に保たれ、安定に前駆体繊維束を生産することが可能となる。さらに、凝固浴を過剰に冷却する必要が無く、設備投資やランニングコストを抑制でき、低コストで前駆体繊維束を生産することが可能となる。 On the other hand, if the coagulation bath temperature is 40 ° C. or less, the exchange rate of the solvent and water on the surface of the spinning dope discharged into the coagulation bath is significantly higher than the diffusion rate of water into the spinning dope. The circularity of the precursor fiber bundle can be maintained within the above range within a range where the shrinkage of the coagulated yarn does not occur, and a dense precursor fiber can be obtained. Moreover, if it is 20 degreeC or more, the replacement | exchange speed | rate of the solvent and water in the surface of the spinning dope discharged in the coagulation bath, and the diffusion rate of the water in a spinning dope will be maintained appropriately, and precursor fiber will be stabilized. A bundle can be produced. Furthermore, it is not necessary to cool the coagulation bath excessively, capital investment and running costs can be suppressed, and the precursor fiber bundle can be produced at low cost.
<交絡処理>
次に、スチーム延伸あるいは乾熱延伸を行った繊維束に対して、必要に応じてタッチロールで水分率の調整を行った後、公知の方法でエアーを吹き付けて交絡処理を施し、前駆体繊維束を得る。本発明において交絡処理は必須であり、前駆体繊維束のフィラメント同士に交絡を付与する事で、集束性を付与して1本のトウの形態を保持する繊維束を得ることができる。また繊維束をばらけ難くして、焼成工程の通過性を向上させることができる。交絡処理を実施しない場合、あるいは不十分な場合は焼成工程、特に耐炎化工程で炭素繊維前駆体繊維束の繊維束幅が著しく広くなるため焼成工程の通過性が悪化するため好ましくない。
<Entanglement process>
Next, the moisture content of the fiber bundle that has been subjected to steam drawing or dry heat drawing is adjusted with a touch roll as necessary, and then subjected to entanglement treatment by blowing air by a known method to obtain precursor fibers. Get a bunch. In the present invention, the entanglement treatment is essential, and by providing entanglement between the filaments of the precursor fiber bundle, it is possible to obtain a fiber bundle that imparts convergence and retains the shape of one tow. Moreover, it is difficult to disperse the fiber bundle, and the passability of the firing process can be improved. When the entanglement treatment is not carried out or when it is insufficient, the fiber bundle width of the carbon fiber precursor fiber bundle is remarkably widened in the firing step, particularly the flameproofing step.
交絡処理を施した前駆体繊維束における交絡度は、好ましくは5〜20個/mの範囲であり、より好ましくは10〜14個/mの範囲である。交絡度が5個/m以上であれば、繊維束がばらけ難く、焼成工程の通過性が良好である。また交絡度が20個/mを以下であれば、得られる炭素繊維束の樹脂含浸性および開繊性が良好である。 The entanglement degree in the precursor fiber bundle subjected to the entanglement treatment is preferably in the range of 5 to 20 pieces / m, more preferably in the range of 10 to 14 pieces / m. If the entanglement degree is 5 pieces / m or more, the fiber bundle is difficult to be separated and the passability of the firing process is good. Moreover, if the entanglement degree is 20 pieces / m or less, the resulting carbon fiber bundle has good resin impregnation and spreadability.
本明細書における前駆体繊維束の交絡度とは、繊維長さ1m当たり、繊維束中の1本の単繊維が隣接する他の単繊維と何回交絡しているかを示すパラメータである。交絡度は、フックドロップ法により測定される。 The entanglement degree of the precursor fiber bundle in this specification is a parameter indicating how many times one single fiber in the fiber bundle is entangled with other adjacent single fibers per 1 m of fiber length. The degree of entanglement is measured by the hook drop method.
<炭素繊維前駆体繊維束の単繊維の断面形状>
本発明において真円度は下記式(1)にて求められる値であって、S及びLは、単繊維の繊維軸に垂直な断面をSEM観察し画像解析することにより得られる、単繊維の断面積S及び周長Lである。
真円度=(4πS)/L2・・・(1)
<Cross-sectional shape of single fiber of carbon fiber precursor fiber bundle>
In the present invention, the roundness is a value obtained by the following formula (1), and S and L are obtained by SEM observation and image analysis of a cross section perpendicular to the fiber axis of the single fiber. Cross-sectional area S and circumference L.
Roundness = (4πS) / L 2 (1)
<断面形状>
本発明の前駆体繊維束の単繊維断面形状は、真円度が0.70以上0.90以下である。また断面形状は空豆型であることが好ましい。前駆体繊維束の単繊維断面形状が炭素繊維の単繊維断面形状となる。前記断面形状が真円度0.90以下の空豆型であれば、真円度が1.00付近である断面が真円に近い炭素繊維束よりも開繊性が良好である。真円度が1.00付近である炭素繊維束よりも、真円度が0.70以上0.90の炭素繊維束の方が、開繊性が良好である理由は明確ではないが、真円度が1.0付近に近づくと集束性が高くなりすぎる傾向にある。集束性が高くなりすぎると、単繊維が均一に広がりにくくなるために開繊性が悪化すると考えられる。一方、特開平11−124743公報等に示されているように、扁平や3葉など比較的単純な異形断面を有する炭素繊維においては、単繊維同士がかみ合ったようになり、広がり性が低下する。また、8葉やC型など、複雑な異形断面を有する単繊維については、単繊維同士がかみ合うことは少ないものの、逆に単繊維を密に詰めることが不可能となり、プリプレグを製造する際の繊維含有率を高くできず、複合材料の力学特性が低下する。以上のような理由のため、炭素繊維前駆体繊維束を構成する単繊維の真円度は、0.70以上0.90以下が好ましく、0.75以上0.85以下がより好ましい。
<Cross sectional shape>
The single fiber cross-sectional shape of the precursor fiber bundle of the present invention has a roundness of 0.70 or more and 0.90 or less. Moreover, it is preferable that a cross-sectional shape is an empty bean type. The single fiber cross-sectional shape of the precursor fiber bundle becomes the single fiber cross-sectional shape of the carbon fiber. If the cross-sectional shape is an empty bean type with a roundness of 0.90 or less, the cross-section with a roundness of around 1.00 has a better opening than a carbon fiber bundle close to a perfect circle. It is not clear why the carbon fiber bundle having a roundness of 0.70 or more and 0.90 has better openability than the carbon fiber bundle having a roundness of around 1.00. When the circularity approaches 1.0, the convergence tends to be too high. If the bundling property is too high, it is considered that the single fiber is difficult to spread uniformly and the spreadability is deteriorated. On the other hand, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-124743, etc., in carbon fiber having a relatively simple cross section such as flat and three leaves, single fibers are engaged with each other, and spreadability is lowered. . In addition, for single fibers with complex irregular cross-sections such as 8-leaf and C-type, single fibers rarely mesh with each other, but conversely, it becomes impossible to pack single fibers closely, and when prepreg is manufactured The fiber content cannot be increased, and the mechanical properties of the composite material are reduced. For the reasons described above, the roundness of the single fiber constituting the carbon fiber precursor fiber bundle is preferably 0.70 or more and 0.90 or less, and more preferably 0.75 or more and 0.85 or less.
<耐炎化処理>
次に、本発明の炭素繊維の製造方法を説明する。まず前駆体繊維束は、酸化性雰囲気下において、240℃以上300℃以下の温度で耐炎化処理されて、耐炎化繊維束とされる。なお、本発明において、「酸化性雰囲気下」とは、二酸化窒素、二酸化硫黄、酸素等の酸化性物質を含有する空気中を意味する。
<Flame resistance treatment>
Next, the manufacturing method of the carbon fiber of this invention is demonstrated. First, the precursor fiber bundle is subjected to flameproofing treatment at a temperature of 240 ° C. or higher and 300 ° C. or lower in an oxidizing atmosphere to obtain a flame resistant fiber bundle. In the present invention, “under an oxidizing atmosphere” means in the air containing an oxidizing substance such as nitrogen dioxide, sulfur dioxide and oxygen.
<前炭素化処理>
耐炎化処理後、炭素化処理前に、得られた耐炎化繊維束を不活性ガス中、最高温度が550℃以上800℃以下の温度で処理する前炭素化処理を行うこともできる。
<Pre-carbonization treatment>
After the flameproofing treatment and before the carbonization treatment, a precarbonization treatment can be performed in which the obtained flameproofed fiber bundle is treated in an inert gas at a maximum temperature of 550 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.
<炭素化処理>
得られた耐炎化繊維束を不活性ガス中、800℃以上2000℃以下の温度で炭素化処理することによって炭素繊維束を製造することができる。さらにこの炭素繊維を不活性ガス中、2500℃以上〜2800℃以下程度の高温で処理することによって、黒鉛繊維を製造することもできる。炭素化処理によって得られる炭素繊維束は、単繊維の目付が0.075mg/m〜0.25mg/mの範囲、あるいは単繊維の繊度が0.75dtex〜2.5dtexであり、単繊維の繊維軸に垂直な断面の形状は真円度0.70以上0.90以下である。断面形状は空豆型であることが好ましい。真円度が0.70以上0.90以下が好ましい理由としては、先の[0013]に示した通りである。炭素繊維束を構成する単繊維の真円度は、0.70以上が好ましく、0.75以上がより好ましい。
<Carbonization treatment>
A carbon fiber bundle can be produced by subjecting the obtained flame resistant fiber bundle to carbonization treatment in an inert gas at a temperature of 800 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower. Furthermore, a graphite fiber can also be manufactured by processing this carbon fiber in inert gas at high temperature about 2500 degreeC-2800 degrees C or less. The carbon fiber bundle obtained by carbonization treatment has a single fiber basis weight in the range of 0.075 mg / m to 0.25 mg / m, or a single fiber fineness of 0.75 dtex to 2.5 dtex, and a single fiber The cross-sectional shape perpendicular to the axis has a roundness of 0.70 or more and 0.90 or less. The cross-sectional shape is preferably an empty bean type. The reason why the roundness is preferably 0.70 or more and 0.90 or less is as described in [0013] above. The roundness of the single fiber constituting the carbon fiber bundle is preferably 0.70 or more, and more preferably 0.75 or more.
<炭素繊維束の表面処理>
本発明の炭素繊維束は、サイジング処理工程の前に、表面処理が行われても良い。例えば、電解液中で電解酸化処理を施したり、気相または液相での酸化処理を施したりすることによって、複合材料における炭素繊維とマトリックス樹脂との親和性や接着性を向上させることが好ましい。
<Surface treatment of carbon fiber bundle>
The carbon fiber bundle of the present invention may be subjected to a surface treatment before the sizing treatment step. For example, it is preferable to improve the affinity and adhesion between the carbon fiber and the matrix resin in the composite material by performing an electrolytic oxidation treatment in the electrolytic solution or by performing an oxidation treatment in a gas phase or a liquid phase. .
サイジング処理液中のサイジング剤の主成分としては、エポキシ樹脂、エポキシ変性ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルピロリドン樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂などが挙げられ、特に限定されない。 The main components of the sizing agent in the sizing treatment liquid are epoxy resin, epoxy-modified polyurethane resin, polyester resin, phenol resin, polyamide resin, polyurethane resin, polycarbonate resin, polyetherimide resin, polyamideimide resin, polyimide resin, bismaleimide Resins, urethane-modified epoxy resins, polyvinyl alcohol resins, polyvinyl pyrrolidone resins, polyether sulfone resins and the like can be mentioned, and are not particularly limited.
サイジング処理液中のサイジング剤の含有量は特に限定されず、0.2〜20質量%が好ましく、より好ましくは3〜10質量%である。サイジング処理液中のサイジング剤の含有量を0.2質量%以上とすることで、炭素繊維に所望する機能を充分に付与することができる。また、サイジング処理液中のサイジング剤の含有量を20質量%以下とすることで、サイジング剤の付着量が適切なものとなり、後工程である複合材料を製造する際の炭素繊維束中へのマトリックス樹脂の含浸性が良好となる。 Content of the sizing agent in a sizing process liquid is not specifically limited, 0.2-20 mass% is preferable, More preferably, it is 3-10 mass%. By setting the content of the sizing agent in the sizing treatment liquid to 0.2% by mass or more, a desired function can be sufficiently imparted to the carbon fiber. Further, by adjusting the content of the sizing agent in the sizing treatment liquid to 20% by mass or less, the adhesion amount of the sizing agent becomes appropriate, and the carbon fiber bundle in the production of the composite material which is a subsequent process is added. The impregnation property of the matrix resin is improved.
サイジング処理液に用いる溶媒または分散媒は特に限定されないが、取り扱い性および安全性の面から、水を用いることが好ましい。 Although the solvent or dispersion medium used for the sizing treatment liquid is not particularly limited, it is preferable to use water from the viewpoints of handleability and safety.
炭素繊維束100質量%に対するサイジング剤の付着量は、0.3〜5質量%であることが好ましく、0.4〜3質量%がより好ましい。サイジング剤の付着量を0.3質量%以上とすることで、炭素繊維束に所望する機能を充分に付与することができる。また、サイジング剤の付着量を3質量%以下とすることで、後工程である複合材料を製造する際の炭素繊維束中へのマトリックス樹脂の含浸性が良好となる。 The amount of the sizing agent attached to 100% by mass of the carbon fiber bundle is preferably 0.3 to 5% by mass, and more preferably 0.4 to 3% by mass. By setting the adhesion amount of the sizing agent to 0.3% by mass or more, a desired function can be sufficiently imparted to the carbon fiber bundle. Moreover, by making the adhesion amount of the sizing agent 3% by mass or less, the impregnation property of the matrix resin into the carbon fiber bundle at the time of manufacturing the composite material which is a subsequent process becomes good.
サイジング処理後の乾燥処理では、サイジング処理液の溶媒または分散媒を乾燥除去する。その際の条件は、120〜300℃の温度で、10秒〜10分間の範囲が好適であり、より好適には150〜250℃の温度で、30秒〜4分間の範囲である。乾燥温度を120℃以上とすることで、溶媒を充分に除去することができる。また、乾燥温度を300℃以下とすることで、サイジング処理された炭素繊維束の品質を維持することができる。 In the drying process after the sizing process, the solvent or dispersion medium of the sizing process liquid is removed by drying. The conditions in this case are preferably a temperature of 120 to 300 ° C. and a range of 10 seconds to 10 minutes, and more preferably a temperature of 150 to 250 ° C. and a range of 30 seconds to 4 minutes. By setting the drying temperature to 120 ° C. or higher, the solvent can be sufficiently removed. Moreover, the quality of the carbon fiber bundle by which the sizing process was carried out can be maintained by making drying temperature into 300 degrees C or less.
乾燥処理の方法は特に限定されず、例えば、蒸気を熱源とするホットロールに炭素繊維束を接触させて乾燥させる方法や、熱風が循環している装置内で炭素繊維束を乾燥させる方法を挙げることができる。 The drying method is not particularly limited, and examples thereof include a method in which the carbon fiber bundle is brought into contact with a hot roll using steam as a heat source and a method in which the carbon fiber bundle is dried in an apparatus in which hot air is circulated. be able to.
<炭素繊維束の単繊維の断面形状>
本発明において真円度は先の式(1)にて求められる値である。
<Cross-sectional shape of single fiber of carbon fiber bundle>
In the present invention, the roundness is a value obtained by the above equation (1).
<炭素繊維束の単繊維の断面形状>
本発明の炭素繊維束の単繊維断面形状は、真円度が0.70以上0.90以下である。また断面形状は空豆型であることが好ましい。前記断面形状が真円度0.90以下の空豆型であれば、真円度が1.00付近である断面が真円に近い炭素繊維束よりも開繊性が良好である。真円度が1.00付近である炭素繊維束よりも、真円度が0.70以上0.90の炭素繊維束の方が、開繊性が良好である理由は明確ではないが、真円度が1.0付近に近づくと集束性が高くなりすぎる傾向にある。集束性が高くなりすぎると、単繊維が均一に広がりにくくなるために開繊性が悪化すると考えられる。一方、特開平11−124743号公報等に示されているように、扁平や3葉など比較的単純な異形断面を有する炭素繊維においては、単繊維同士がかみ合ったようになり、広がり性が低下する。また、8葉やC型など、複雑な異形断面を有する単繊維については、単繊維同士がかみ合うことは少ないものの、逆に単繊維を密に詰めることが不可能となり、プリプレグを製造する際の繊維含有率を高くできず、複合材料の力学特性が低下する。以上のような理由のため、炭素繊維前駆体繊維束を構成する単繊維の真円度は、0.70以上0.90以下が好ましく、0.75以上0.85以下がより好ましい。
<Cross-sectional shape of single fiber of carbon fiber bundle>
The single fiber cross-sectional shape of the carbon fiber bundle of the present invention has a roundness of 0.70 or more and 0.90 or less. Moreover, it is preferable that a cross-sectional shape is an empty bean type. If the cross-sectional shape is an empty bean type with a roundness of 0.90 or less, the cross-section with a roundness of around 1.00 has a better opening than a carbon fiber bundle close to a perfect circle. It is not clear why the carbon fiber bundle having a roundness of 0.70 or more and 0.90 has better openability than the carbon fiber bundle having a roundness of around 1.00. When the circularity approaches 1.0, the convergence tends to be too high. If the bundling property is too high, it is considered that the single fiber is difficult to spread uniformly and the spreadability is deteriorated. On the other hand, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-124743, etc., in carbon fibers having a relatively simple irregular cross section such as flat or three leaves, single fibers are engaged with each other, and the spreadability is reduced. To do. In addition, for single fibers with complex irregular cross-sections such as 8-leaf and C-type, single fibers rarely mesh with each other, but conversely, it becomes impossible to pack single fibers closely, and when prepreg is manufactured The fiber content cannot be increased, and the mechanical properties of the composite material are reduced. For the reasons described above, the roundness of the single fiber constituting the carbon fiber precursor fiber bundle is preferably 0.70 or more and 0.90 or less, and more preferably 0.75 or more and 0.85 or less.
<炭素繊維束の単繊維の繊度>
更に、本発明の炭素繊維束においては、単繊維の目付が0.075〜0.25mg/mの範囲である、あるいは単繊維の繊度が0.75dtex〜2.5dtex炭素繊維束であることが好ましい。
<Fineness of single fiber of carbon fiber bundle>
Furthermore, in the carbon fiber bundle of the present invention, the basis weight of the single fiber is in the range of 0.075 to 0.25 mg / m, or the fineness of the single fiber is a 0.75 dtex to 2.5 dtex carbon fiber bundle. preferable.
単繊維の目付が、0.075mg/m以上あるいは単繊維束の繊度が0.75dtex以上の場合は、単繊維の断面が小さいことによる開繊性の低下を抑制することができやすくなる。一方、単繊維の目付が、0.25mg/m以下あるいは単繊維の繊度が2.5dtex以下の場合は、単繊維の断面が大きくなりすぎず、炭素繊維束を経済面の観点から効率的に製造しやすいので好ましい。より好ましい単繊維の目付の範囲は、0.12〜0.24mg/m、あり、好ましい単繊維の繊度の範囲は1.2〜2.4dtexの範囲である。 When the basis weight of the single fiber is 0.075 mg / m or more, or the fineness of the single fiber bundle is 0.75 dtex or more, it is easy to suppress the decrease in the spreadability due to the small cross section of the single fiber. On the other hand, when the basis weight of the single fiber is 0.25 mg / m or less or the fineness of the single fiber is 2.5 dtex or less, the cross section of the single fiber does not become too large, and the carbon fiber bundle can be efficiently made from an economic viewpoint. It is preferable because it is easy to manufacture. A more preferable range of the basis weight of the single fiber is 0.12 to 0.24 mg / m, and a preferable range of the fineness of the single fiber is a range of 1.2 to 2.4 dtex.
本発明の炭素繊維束は、総繊度が、25,000〜90,000dtexであることが好ましい。総繊度がこの範囲の炭素繊維束であれば、大型の複合材・成形物の製造に適する。細い繊維束を複数合わせて総繊度をあわせた場合は、繊維束同士のずれが発生して、品質が良好な大型の複合材・成形物を製造することが困難である。総繊度が25,000dtex以上であれば、生産性を高くでき、コストを下げ易くなるので好ましい。また総繊度が90,000dtex以下であれば、取り扱いが容易であり、その点から、60,000dtex以下がより好ましく、40,000dtex以下が更に好ましい。 The carbon fiber bundle of the present invention preferably has a total fineness of 25,000 to 90,000 dtex. A carbon fiber bundle having a total fineness in this range is suitable for the production of large composite materials and molded products. When a plurality of thin fiber bundles are combined and the total fineness is adjusted, the fiber bundles are displaced from each other, and it is difficult to produce a large-sized composite material / molded article with good quality. A total fineness of 25,000 dtex or more is preferable because productivity can be increased and costs can be easily reduced. If the total fineness is 90,000 dtex or less, handling is easy, and from that point, 60,000 dtex or less is more preferable, and 40,000 dtex or less is more preferable.
本発明においては、繊維束に集束される炭素繊維束の集束性をフックドロップ法における交絡値で規定しているが、この炭素繊維束のフックドロップ法による交絡値は以下の方法で測定する。炭素繊維束を垂直方向に吊るして前記炭素繊維束の下部に150gのおもりをつける。炭素繊維束束におもり(15g)のついた鍵針を刺し、落下する距離を50回測定後、最大のものから大きい順に10個、最小のものから小さい順に10個を除いたものの平均値x(cm) を用い、下記式(2)よりCF値を求める。
CF値=100/x(1/m)・・・(2)
In the present invention, the converging value of the carbon fiber bundle focused on the fiber bundle is defined by the confounding value in the hook drop method. The confounding value of the carbon fiber bundle by the hook drop method is measured by the following method. The carbon fiber bundle is suspended in the vertical direction, and a weight of 150 g is attached to the lower part of the carbon fiber bundle. The average value x of the carbon fiber bundle bundle with a weight (15 g) inserted into the key needle, and after dropping 50 times, measuring 10 times from the largest to the largest and excluding 10 from the smallest to the smallest Using (cm), the CF value is obtained from the following equation (2).
CF value = 100 / x (1 / m) (2)
このようにして測定した炭素繊維のCF値が10以上であれば、炭素繊維製造中の特に耐炎化工程において、繊維束幅が著しく広くなるため焼成工程の通過性が悪化するのを防止しやすくなるため好ましくない。
一方前記CF値が30以下であれば、単糸間の干渉が大きくなりすぎず、フィラメントワインディング等拡がり性が要求される高次加工用途において、有利となる。このように高次加工性に優れる炭素繊維を得るためのCF値は15〜25(1/m)の範囲である。さらに望ましくは17〜22(1/m)の範囲である。
If the CF value of the carbon fiber measured in this way is 10 or more, it is easy to prevent the passage of the firing process from deteriorating because the fiber bundle width becomes extremely wide especially in the flameproofing process during carbon fiber production. Therefore, it is not preferable.
On the other hand, if the CF value is 30 or less, the interference between single yarns does not become too large, and this is advantageous in high-order processing applications where spreadability such as filament winding is required. Thus, the CF value for obtaining a carbon fiber excellent in high-order workability is in the range of 15 to 25 (1 / m). More desirably, it is in the range of 17-22 (1 / m).
以下、本発明について実施例を挙げて具体的に説明する。実施例における各測定方法は以下の通りである。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. Each measuring method in an Example is as follows.
<炭素繊維束の真円度>
(1)サンプルの作製
長さ5cmに切断した炭素繊維束をエポキシ樹脂(エポマウント主剤:エポマウント硬化剤=100:9(質量比))に包埋し、2cmに切断して横断面を露出させ、鏡面処理した。
(2)観察面のエッチング処理
更に、繊維の外形を明瞭にするために、サンプルの横断面を次の方法でエッチング処理した。
・使用装置:日本電子(株)JP−170 プラズマエッチング装置、
・処理条件:(雰囲気ガス:Ar/O2=75/25、プラズマ出力:50W、真空度:約120Pa、処理時間:5min。)。
(3)SEM観察
前記(1)により得られたサンプルの横断面を、SEM(PHILIPS FEI−XL20)を用いて観察し、画面上に5個以上の繊維断面が写っている写真を任意に5枚撮影した。
(4)炭素繊維束の単繊維の真円度測定
画像解析ソフトウェア(日本ローパー(株)製、製品名:Image−Pro PLUS)を用いて繊維断面の外形をトレースし、周長Lおよび面積Sを計測した。各サンプルについて5枚の写真から任意に20個、ただし、1枚の写真から3個以上の繊維断面を選んで計測し、LおよびSの平均値を求め、次式により真円度を算出した。
真円度=(4πS)/L2
<Circularity of carbon fiber bundle>
(1) Preparation of sample A carbon fiber bundle cut to a length of 5 cm is embedded in an epoxy resin (Epomount main agent: Epomount curing agent = 100: 9 (mass ratio)), cut to 2 cm, and the cross section is exposed. And mirror-finished.
(2) Etching treatment of observation surface Further, in order to clarify the outer shape of the fiber, the cross section of the sample was etched by the following method.
-Equipment used: JEOL Ltd. JP-170 plasma etching equipment,
Processing conditions: (atmosphere gas: Ar / O 2 = 75/25, plasma output: 50 W, degree of vacuum: about 120 Pa, processing time: 5 min).
(3) SEM observation The cross section of the sample obtained by said (1) is observed using SEM (PHILIPS FEI-XL20), and the photograph in which five or more fiber cross sections are reflected on the screen is arbitrarily 5 A photo was taken.
(4) Measurement of roundness of single fiber of carbon fiber bundle The outer shape of the fiber cross-section is traced using image analysis software (manufactured by Nippon Roper, product name: Image-Pro PLUS), and the circumference L and area S Was measured. For each sample, 20 pieces were arbitrarily selected from five photographs, but three or more fiber cross sections were selected from one photograph, measured, average values of L and S were obtained, and roundness was calculated by the following equation. .
Roundness = (4πS) / L 2
<開繊性評価のトウ幅測定方法>
図1に示すように、炭素繊維束を、炭素繊維ボビンパッケージ1上から2.0kgfの張力をかけた状態で、2m/分の速度で駆動ロール2を通過させて張力を調整しながら巻き出し、巻取部5で巻き取った。50m分のトウ幅を0.1秒ごとにデジタル寸法測定器3(OMRON製 Z4LC−28)で読み取りデータロガーで記録し、その平均値を算出した。
<Method of measuring tow width for evaluation of spreadability>
As shown in FIG. 1, the carbon fiber bundle is unwound while adjusting the tension by passing the driving roll 2 at a speed of 2 m / min in a state where a tension of 2.0 kgf is applied from above the carbon fiber bobbin package 1. Then, it was wound up by the winding unit 5. The tow width for 50 m was read with a digital dimension measuring device 3 (OMRON Z4LC-28) every 0.1 second and recorded with a data logger, and the average value was calculated.
<炭素繊維束フックドロップでの交絡値ならびにCF値>
フックドロップ法による交絡値は以下の方法で測定した。炭素繊維束を垂直方向に吊るし、前記炭素繊維束の下部に150gのおもりをつける。炭素繊維束におもり(15g)のついた鍵針を刺し、落下する距離を50回測定後、最大のものから大きい順に10個、最小のものから小さい順に10個を除いたものの平均値x(cm) を用い、下記式よりCF値を求めた。
CF=100/x(1/m)
<Confounding value and CF value with carbon fiber bundle hook drop>
The confounding value by the hook drop method was measured by the following method. The carbon fiber bundle is suspended in the vertical direction, and a weight of 150 g is attached to the lower part of the carbon fiber bundle. After piercing a key with a weight (15 g) into a carbon fiber bundle and measuring the falling distance 50 times, the average value x (10) from the largest to the largest and 10 from the smallest to the smallest is removed x ( cm) was used to obtain the CF value from the following formula.
CF = 100 / x (1 / m)
(7)炭素繊維のサイズ剤の付着量
メチルエチルケトンによるソックスレー抽出法によりサイズ剤付与後の炭素繊維のサイズ剤付着量を測定した。抽出時間は1時間とした。
(7) Amount of carbon fiber sizing agent attached The amount of carbon fiber sizing agent attached after sizing was measured by a Soxhlet extraction method using methyl ethyl ketone. The extraction time was 1 hour.
<実施例1>
アクリロニトリル、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル、過硫酸アンモニウム−亜硫酸水素アンモニウムおよび硫酸鉄の存在下、水系懸濁重合により共重合し、アクリロニトリル単位/メタクリル酸2−ヒドロキシエチル単位=98.5/1.5(質量比)からなるアクリロニトリル系共重合体を得た。このアクリロニトリル系共重合体をジメチルアセトアミドに溶解し、21質量%の紡糸原液を調製した。孔数24,000、孔直径60μmの紡糸口金(紡糸ノズル)を通して、濃度60質量%、温度35℃のジメチルアセトアミド水溶液からなる凝固浴中に吐出させ、紡糸口金面からの吐出線速度の0.32倍の速度で引き取ることで繊維束(膨潤糸条)を得た。ついで、この繊維束を水洗と同時に5.4倍に延伸し、さらにアミノ変性シリコン/ポリオキシエチレン(6)ラウリルエーテル=91/9(質量比)の油剤組成物が、1.5質量%の濃度で水中に分散した油剤処理液からなる第一油浴槽に導き油剤処理液を繊維束に付与し、ガイドで一旦絞った後、引き続き第一油浴槽と同じ組成・濃度からなる第二油浴槽に導き、再度油剤処理液を繊維素束に付与した。
<Example 1>
Copolymerization was carried out by aqueous suspension polymerization in the presence of acrylonitrile, 2-hydroxyethyl methacrylate, ammonium persulfate-ammonium hydrogen sulfite and iron sulfate, and acrylonitrile units / 2-hydroxyethyl methacrylate units = 98.5 / 1.5 ( An acrylonitrile copolymer comprising (mass ratio) was obtained. This acrylonitrile copolymer was dissolved in dimethylacetamide to prepare a 21% by mass spinning dope. It is discharged through a spinneret (spinning nozzle) having a pore number of 24,000 and a hole diameter of 60 μm into a coagulation bath made of a dimethylacetamide aqueous solution having a concentration of 60% by mass and a temperature of 35 ° C. A fiber bundle (swelling yarn) was obtained by taking up at a speed of 32 times. Next, this fiber bundle was stretched 5.4 times simultaneously with washing with water, and an oil-modified composition of amino-modified silicon / polyoxyethylene (6) lauryl ether = 91/9 (mass ratio) was 1.5% by mass. A second oil bath having the same composition and concentration as the first oil tub after being guided to the fiber bundle, guided to the first oil bath made of the oil treatment liquid dispersed in water at a concentration, once squeezed with a guide The oil agent treatment liquid was again applied to the fiber bundle.
再度油剤処理液を付与した繊維束を加熱ロールを用いて乾燥し、回転速度を所定の条件に調節した加熱ロール間で1.34倍に乾熱延伸をした。この時の膨潤糸条からの全延伸倍率は7.4倍であった。その後、タッチロールにて繊維束に水を付与することで水分率を調整し、交絡処理を行うことで単繊維繊度2.5dtexのPAN系前駆体繊維束を得た。 The fiber bundle to which the oil agent treatment liquid was applied again was dried using a heating roll, and dry heat drawing was performed 1.34 times between the heating rolls whose rotation speed was adjusted to a predetermined condition. The total draw ratio from the swollen yarn at this time was 7.4 times. Thereafter, water content was adjusted by applying water to the fiber bundle with a touch roll, and tangential treatment was performed to obtain a PAN-based precursor fiber bundle having a single fiber fineness of 2.5 dtex.
上記のPAN系前駆体繊維束を、220〜260℃の温度分布の下、伸長率−1.5%で70分間耐炎化処理を施し、耐炎化繊維束を得た。得られた耐炎化繊維束を、さらに、窒素雰囲気下700℃、+3%の伸長率で1.4分間前炭素化処理し、続いて窒素雰囲気中1,300℃、−4.0%の伸長率で1.0分間炭素化処理して炭素繊維束を得た。その後、表面処理ならびにその後、サイジング処理で主剤として、ジャパンエポキシレジン(株)製「エピコート828」を80質量部、乳化剤として旭電化(株)製「プルロニックF88」20質量部を混合し、転相乳化により水分散液を調製したサイジング剤を0.4質量%付着させ、乾燥処理を経た後に炭素繊維束を得た。得られた炭素繊維束の単繊維の目付は、0.12mg/m、単繊維の繊度1.24dtex、真円度0.75であった。得られた、炭素繊維束を用いて図1に示す装置を用いて開繊性評価を行った。そのときの炭素繊維束のトウ幅は18.2mmであった。これを炭素繊維束目付1g当たりのトウ幅は11.1mmであった。この炭素繊維束のフックドロップ値を測定したところCF値は18であった。結果を表1に示す。
<実施例2>
The above-mentioned PAN-based precursor fiber bundle was subjected to a flameproofing treatment at a stretch rate of −1.5% under a temperature distribution of 220 to 260 ° C. for 70 minutes to obtain a flameproofed fiber bundle. The obtained flame-resistant fiber bundle was further pre-carbonized for 1.4 minutes at 700 ° C. and + 3% elongation in a nitrogen atmosphere, followed by 1,300 ° C. and −4.0% elongation in a nitrogen atmosphere. Carbon fiber treatment was performed at a rate of 1.0 minute to obtain a carbon fiber bundle. Thereafter, 80 parts by mass of “Epicoat 828” manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd. and 20 parts by mass of “Pluronic F88” manufactured by Asahi Denka Co., Ltd. as an emulsifier are mixed as the main agent in the surface treatment and then sizing treatment, and phase inversion is performed. 0.4% by mass of a sizing agent prepared in an aqueous dispersion by emulsification was adhered, and after a drying treatment, a carbon fiber bundle was obtained. The weight of the single fiber of the obtained carbon fiber bundle was 0.12 mg / m, the fineness of the single fiber was 1.24 dtex, and the roundness was 0.75. The resulting carbon fiber bundle was used to evaluate the fiber opening using the apparatus shown in FIG. The tow width of the carbon fiber bundle at that time was 18.2 mm. The tow width per 1 g of carbon fiber bundles was 11.1 mm. When the hook drop value of this carbon fiber bundle was measured, the CF value was 18. The results are shown in Table 1.
<Example 2>
孔数12,000、孔直径60μmの紡糸口金(紡糸ノズル)を通して、濃度60質量%、温度35℃のジメチルアセトアミド水溶液からなる凝固浴中に吐出させ、紡糸口金面からの吐出線速度の0.18倍の速度で引き取ることで繊維束(膨潤糸条)を得た。ついで、この繊維束を水洗と同時に5.4倍に延伸し、さらにアミノ変性シリコン/ポリオキシエチレン(6)ラウリルエーテル=91/9(質量比)の油剤組成物が、1.5質量%の濃度で水中に分散した油剤処理液からなる第一油浴槽に導き油剤処理液を繊維束に付与し、ガイドで一旦絞った後、引き続き第一油浴槽と同じ組成・濃度からなる第二油浴槽に導き、再度油剤処理液を繊維素束に付与した。 It is discharged through a spinneret (spinning nozzle) having a pore number of 12,000 and a hole diameter of 60 μm into a coagulation bath composed of an aqueous dimethylacetamide solution having a concentration of 60% by mass and a temperature of 35 ° C. A fiber bundle (swelling yarn) was obtained by taking up at a speed of 18 times. Next, this fiber bundle was stretched 5.4 times simultaneously with washing with water, and an oil-modified composition of amino-modified silicon / polyoxyethylene (6) lauryl ether = 91/9 (mass ratio) was 1.5% by mass. A second oil bath having the same composition and concentration as the first oil tub after being guided to the fiber bundle, guided to the first oil bath made of the oil treatment liquid dispersed in water at a concentration, once squeezed with a guide The oil agent treatment liquid was again applied to the fiber bundle.
再度油剤処理液を付与した繊維束を加熱ロールを用いて乾燥し、回転速度を所定の条件に調節した加熱ロール間で1.34倍に乾熱延伸をした。この時の膨潤糸条からの全延伸倍率は7.4倍であった。その後、タッチロールにて繊維束に水を付与することで水分率を調整し、交絡処理を行うことで単繊維繊度4.5dtexのPAN系前駆体繊維束を得た。 The fiber bundle to which the oil agent treatment liquid was applied again was dried using a heating roll, and dry heat drawing was performed 1.34 times between the heating rolls whose rotation speed was adjusted to a predetermined condition. The total draw ratio from the swollen yarn at this time was 7.4 times. Thereafter, water content was adjusted by applying water to the fiber bundle with a touch roll, and tangential treatment was performed to obtain a PAN-based precursor fiber bundle having a single fiber fineness of 4.5 dtex.
上記のPAN系前駆体繊維束を、220〜260℃の温度分布の下、伸張率−5.9%で300分間耐炎化処理を施し耐炎化繊維束を得た。得られた耐炎化繊維束を、さらに、窒素雰囲気下700℃、+3%の伸長率で3.2分間前炭素化処理し、続いて窒素雰囲気中1,300℃、−4.0%の伸長率で3.2分間炭素化処理して炭素繊維束を得た。得られた炭素繊維束の単繊維の目付は、0.23mg/m、単繊維の繊度2.31dtex、真円度0.83であった。得られた、炭素繊維束を用いて図1に示す装置を用いて開繊性評価を行った。そのときの炭素繊維束のトウ幅は22.6mmであった。これを炭素繊維束目付1g当たりのトウ幅は8.2mmであった。この炭素繊維束のフックドロップ値を測定したところCF値は21であった。結果を表1に示す。
<比較例1>
The above PAN-based precursor fiber bundle was subjected to a flameproofing treatment at a stretching rate of −5.9% for 300 minutes under a temperature distribution of 220 to 260 ° C. to obtain a flameproofed fiber bundle. The obtained flame-resistant fiber bundle was further pre-carbonized in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. and a stretch rate of + 3% for 3.2 minutes, and then stretched in a nitrogen atmosphere at 1,300 ° C. and −4.0%. Carbon fiber treatment was performed at a rate of 3.2 minutes to obtain a carbon fiber bundle. The weight of the single fiber of the obtained carbon fiber bundle was 0.23 mg / m, the fineness of the single fiber was 2.31 dtex, and the roundness was 0.83. The resulting carbon fiber bundle was used to evaluate the fiber opening using the apparatus shown in FIG. The tow width of the carbon fiber bundle at that time was 22.6 mm. The tow width per 1 g of carbon fiber bundles was 8.2 mm. When the hook drop value of this carbon fiber bundle was measured, the CF value was 21. The results are shown in Table 1.
<Comparative Example 1>
アクリロニトリル、アクリルアミド、及びメタクリル酸を、過硫酸アンモニウム−亜硫酸水素アンモニウムおよび硫酸鉄の存在下、水系懸濁重合により共重合し、アクリロニトリル単位/アクリルアミド単位/メタクリル酸単位=96/3/1(質量比)からなるアクリロニトリル系共重合体を得た。このアクリロニトリル系共重合体をジメチルアセトアミドに溶解し、21質量%の紡糸原液を調製した。孔数60,000、孔径45μmの紡糸口金(紡糸ノズル)を通して、濃度60質量%、温度35℃のジメチルアセトアミド水溶液からなる凝固浴中に吐出させ、紡糸原液の吐出線速度の0.36倍の速度で引き取ることで繊維束(膨潤糸条)を得た。ついで、この繊維束に対して水洗と同時に5.3倍の延伸を行い、この繊維束を加熱ロールを用いて乾燥し、回転速度を所定の条件に調節した加熱ロール間で1.7倍に乾熱延伸をした。この時の膨潤糸条からの全延伸倍率は9.0倍である以外は実施例1と同様の方法で製造し、単繊維繊度1.0dtexのPAN系前駆体繊維束を得た。 Acrylonitrile, acrylamide, and methacrylic acid are copolymerized by aqueous suspension polymerization in the presence of ammonium persulfate-ammonium hydrogen sulfite and iron sulfate, and acrylonitrile unit / acrylamide unit / methacrylic acid unit = 96/3/1 (mass ratio). An acrylonitrile copolymer comprising: This acrylonitrile copolymer was dissolved in dimethylacetamide to prepare a 21% by mass spinning dope. It is discharged through a spinneret (spinning nozzle) having a hole number of 60,000 and a hole diameter of 45 μm into a coagulation bath composed of an aqueous solution of dimethylacetamide having a concentration of 60% by mass and a temperature of 35 ° C. A fiber bundle (swelling yarn) was obtained by pulling at a speed. Next, the fiber bundle is stretched 5.3 times at the same time as washing with water, the fiber bundle is dried using a heating roll, and the heating speed is adjusted to 1.7 times between heating rolls adjusted to a predetermined condition. Dry-heat stretching was performed. A PAN-based precursor fiber bundle having a single fiber fineness of 1.0 dtex was obtained in the same manner as in Example 1 except that the total draw ratio from the swollen yarn was 9.0 times.
上記のPAN系前駆体繊維束を、実施例1と同様の方法で炭素繊維束を製造した。得られた炭素繊維束の単繊維の目付は、0.05mg/m、単繊維の繊度0.50dtex、真円度0.75であった。得られた、炭素繊維束を用いて図1に示す装置を用いて開繊性評価を行った。そのときの炭素繊維束のトウ幅は23.4mmであった。これを炭素繊維束目付1g当たりのトウ幅は7.2mmであった。この炭素繊維束のフックドロップ値を測定したところCF値は16であった。結果を表1に示す。
<比較例2>
A carbon fiber bundle was produced from the PAN-based precursor fiber bundle in the same manner as in Example 1. The basis weight of the single fiber of the obtained carbon fiber bundle was 0.05 mg / m, the single fiber fineness was 0.50 dtex, and the roundness was 0.75. The resulting carbon fiber bundle was used to evaluate the fiber opening using the apparatus shown in FIG. The tow width of the carbon fiber bundle at that time was 23.4 mm. The tow width per 1 g of the carbon fiber bundle per unit area was 7.2 mm. When the hook drop value of this carbon fiber bundle was measured, the CF value was 16. The results are shown in Table 1.
<Comparative example 2>
濃度67質量%、温度38℃のジメチルアセトアミド水溶液からなる凝固浴中に吐出させた以外は実施例1と同様の方法で製造し、単繊維繊度2.5dtexのPAN系前駆体繊維束を得た。
上記のPAN系前駆体繊維束を、実施例1と同様の方法で炭素繊維束を製造した。得られた炭素繊維束の単繊維の目付は、0.13mg/m、単繊維の繊度1.25dtex、真円度0.95であった。得られた、炭素繊維束を用いて図1に示す装置を用いて開繊性評価を行った。そのときの炭素繊維束のトウ幅は30.0mmであった。これを炭素繊維束目付1g当たりのトウ幅は6.0mmであった。この炭素繊維束のフックドロップ値を測定したところCF値は17であった。結果を表1に示す。
<比較例3>
A PAN-based precursor fiber bundle having a single fiber fineness of 2.5 dtex was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was discharged into a coagulation bath composed of a dimethylacetamide aqueous solution having a concentration of 67% by mass and a temperature of 38 ° C. .
A carbon fiber bundle was produced from the PAN-based precursor fiber bundle in the same manner as in Example 1. The weight of the single fiber of the obtained carbon fiber bundle was 0.13 mg / m, the fineness of the single fiber was 1.25 dtex, and the roundness was 0.95. The resulting carbon fiber bundle was used to evaluate the fiber opening using the apparatus shown in FIG. The tow width of the carbon fiber bundle at that time was 30.0 mm. The tow width per 1 g of carbon fiber bundles was 6.0 mm. When the hook drop value of this carbon fiber bundle was measured, the CF value was 17. The results are shown in Table 1.
<Comparative Example 3>
濃度67質量%、温度38℃のジメチルアセトアミド水溶液からなる凝固浴中に吐出させた以外は実施例2と同様の方法で製造し、単繊維繊度4.5dtexのPAN系前駆体繊維束を得た。
上記のPAN系前駆体繊維束を、実施例2と同様の方法で炭素繊維束を製造した。得られた炭素繊維束の単繊維の目付は、0.24mg/m、単繊維の繊度2.43dtex、真円度0.95であった。得られた、炭素繊維束を用いて図1に示す装置を用いて開繊性評価を行った。そのときの炭素繊維束のトウ幅は22.0mmであった。これを炭素繊維束目付1g当たりのトウ幅は7.5mmであった。この炭素繊維束のフックドロップ値を測定したところCF値は23であった。結果を表1に示す。
<比較例4>
A PAN-based precursor fiber bundle having a single fiber fineness of 4.5 dtex was obtained in the same manner as in Example 2 except that it was discharged into a coagulation bath consisting of an aqueous dimethylacetamide solution having a concentration of 67% by mass and a temperature of 38 ° C. .
A carbon fiber bundle was produced from the above PAN-based precursor fiber bundle in the same manner as in Example 2. The carbon fiber bundle obtained had a single fiber basis weight of 0.24 mg / m, a single fiber fineness of 2.43 dtex, and a roundness of 0.95. The resulting carbon fiber bundle was used to evaluate the fiber opening using the apparatus shown in FIG. The tow width of the carbon fiber bundle at that time was 22.0 mm. The tow width per 1 g of the carbon fiber bundle was 7.5 mm. When the hook drop value of this carbon fiber bundle was measured, the CF value was 23. The results are shown in Table 1.
<Comparative example 4>
紡糸工程で交絡処理を行わずに炭素繊維前駆体繊維束を製造し、炭素繊維を製造しようと試みたが、耐炎化工程中で炭素繊維前駆体繊維束のトウ幅が広がりすぎたため、工程通過性が悪く、目的の炭素繊維束を製造することができなかった。結果を表1に示す。 Attempted to produce carbon fiber precursor fiber bundle without producing entanglement process in spinning process and tried to produce carbon fiber, but the tow width of carbon fiber precursor fiber bundle was too wide in the flameproofing process, so it passed the process The target carbon fiber bundle could not be produced due to poor properties. The results are shown in Table 1.
1:炭素繊維ボビン
2:フリーロール
3:ニップロール
4:ダンサーロール
5:固定ガイド
6:トウ幅測定部
7:巻取り部
8:炭素繊維束の進行方向
1: Carbon fiber bobbin 2: Free roll 3: Nip roll 4: Dancer roll 5: Fixed guide 6: Tow width measuring unit 7: Winding unit 8: Direction of travel of the carbon fiber bundle
Claims (3)
Priority Applications (1)
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Cited By (3)
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CN107314970A (en) * | 2017-07-31 | 2017-11-03 | 江苏恒神股份有限公司 | The test device and method of the carbon fiber fibrillation expanding of controllable temperature |
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- 2012-03-02 JP JP2012047039A patent/JP2013181264A/en active Pending
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