KR20240097812A - Carbon fiber bundle and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
높은 총섬도이면서 강도, 탄성률, 및 고차 가공에 제공했을 때의 조업성이 우수한 탄소 섬유 다발 및 그 제조 방법을 제공하기 위해, 수지 함침 스트랜드 인장 시험에 있어서의 응력 σ-변형 ε 곡선에 있어서 응력이 0~3㎬인 범위에서 비선형성의 근사식(1)으로부터 구해지는 계수 A와, 광각 X선 회절 측정에 있어서의 결정 배향도 Π(%)의 관계가 식(2)을 만족하고, 초기 탄성률이 240~279㎬이며, 필라멘트수가 24,000~72,000이며, 실질적으로 무연인 탄소 섬유 다발로 한다.
ε=Aσ2+Bσ+C …(1)
-410≤(0.0000832Π2-0.0184Π+1.00)/A≤-310 …(2)
여기에서, A, B, C는 응력 σ와 변형 ε의 2차 함수의 계수이며, Π는 결정 배향도이다.In order to provide a carbon fiber bundle with high total fineness and excellent strength, elastic modulus, and operability when subjected to high-level processing, and a manufacturing method thereof, the stress in the stress σ-strain ε curve in the tensile test of the resin-impregnated strand is In the range of 0 to 3 GPa, the relationship between the coefficient A obtained from the approximation equation (1) for nonlinearity and the crystal orientation degree Π (%) in wide-angle X-ray diffraction measurement satisfies equation (2), and the initial elastic modulus is 240 It is ~279GPa, has a filament count of 24,000~72,000, and is made of a substantially lead-free carbon fiber bundle.
ε=Aσ 2 +Bσ+C … (One)
-410≤(0.0000832Π 2 -0.0184Π+1.00)/A≤-310 … (2)
Here, A, B, C are the coefficients of the quadratic function of stress σ and strain ε, and Π is the crystal orientation.
Description
본 발명은 높은 총섬도이면서 강도, 탄성률 및 고차 가공에 제공했을 때의 조업성이 우수한 탄소 섬유 다발 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon fiber bundle that has a high total fineness and is excellent in strength, elastic modulus, and operability when subjected to high-level processing, and a method for producing the same.
탄소 섬유 다발은 높은 비강도 및 비탄성률을 갖기 때문에, 복합 재료용의 강화 섬유로서 항공·우주 용도를 비롯한 폭넓은 용도로 전개되어 있다. 최근에는 자동차용 부재나 풍력 발전 등의 산업 용도로도 전개가 진행되어 있다. 특히, 풍력 발전에 있어서는 경량성과 강성이 요구되는 점에서, 비탄성률이 우수한 탄소 섬유 다발이 사용되는 경우가 많고, 최근에는 풍력 발전용 탄소 섬유 다발의 수요가 확대되어 있다.Since carbon fiber bundles have high specific strength and specific elastic modulus, they are being used as reinforcing fibers for composite materials in a wide range of applications, including aviation and space applications. Recently, it has also been deployed for industrial purposes such as automotive components and wind power generation. In particular, since lightness and rigidity are required in wind power generation, carbon fiber bundles with excellent specific elastic modulus are often used, and in recent years, the demand for carbon fiber bundles for wind power generation has expanded.
산업 용도에 있어서는 비용 저감의 요구가 강하고, 생산성이 우수한, 필라멘트수가 24,000개 이상인 탄소 섬유 다발이 많이 사용된다. 또한, 탄소 섬유 다발로부터 프리프레그나 토우프레그, 직물이나 시트 몰딩 콤파운드(SMC) 등의 중간 기재, 추출재 등의 탄소 섬유 복합 재료를 제조할 때의 고차 가공성이 중요시된다. 고차 가공성을 높이기 위해서는, 탄소 섬유 다발의 보풀이 적은 것이나 개섬성이 우수한 것 외, 보빈으로부터 권출하여 제조 공정 중 주행시켰을 때의 탄소 섬유 다발 전체 또는 탄소 섬유 단섬유의 파단이 없고, 조업성이 양호한 것이 특히 중요해진다.In industrial applications, there is a strong demand for cost reduction, and carbon fiber bundles with an excellent productivity of 24,000 or more filaments are often used. In addition, high-order processability is considered important when producing carbon fiber composite materials such as prepreg, towpreg, intermediate substrates such as fabric and sheet molding compound (SMC), and extractants from carbon fiber bundles. In order to improve high-order processability, the carbon fiber bundle should have less fluff and excellent openability, as well as not break the entire carbon fiber bundle or carbon fiber single fiber when unwound from the bobbin and run during the manufacturing process, and have good operability. becomes particularly important.
일반적으로 탄소 섬유 다발은, 폴리아크릴로니트릴계 공중합체를 섬유화해서 얻은 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유를 200~300℃의 공기 중에서 산화하는 내염화 공정, 최고 온도 500~1,200℃의 불활성 분위기 중에서 가열하는 예비 탄소화 공정, 최고 온도 1,200~3,000℃의 불활성 분위기 중에서 가열하는 탄소화 공정을 거침으로써 제조된다.In general, carbon fiber bundles are produced through a flameproofing process in which polyacrylonitrile-based precursor fibers obtained by fiberizing polyacrylonitrile-based copolymers are oxidized in air at 200 to 300°C and heated in an inert atmosphere with a maximum temperature of 500 to 1,200°C. It is manufactured by going through a preliminary carbonization process and a carbonization process of heating in an inert atmosphere at a maximum temperature of 1,200 to 3,000°C.
지금까지 산업 용도의 고강도, 고탄성률이며 고차 가공성이 우수한 탄소 섬유를 제조하는 기술이 제안되어 있다(특허문헌 1~4). 특허문헌 1에서는, 총섬도가 40,000dtex 이상인 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 내염화 처리에 있어서, 되접힘 롤의 형상이나 배치를 규정함으로써, 상기 전구체 섬유 다발이 내염화로 내를 주행할 때의, 섬유 다발의 꼬임이 억제되어 섬유 다발의 형태를 안정적으로 유지할 수 있고, 내염화 공정 중의 실 끊어짐이나 보풀 발생의 억제, 또한 고품위인 탄소 섬유 다발의 안정적인 제조가 가능해지는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 2에서는, 탄소 섬유의 직경이나 표면 상태를 특정 범위로 제어함으로써, 복합 재료 성형 시의 수지 함침성이나 확장성을 높이는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 3에서는, 반영구적인 꼬임을 갖는 탄성률이 200㎬ 이상인 탄소 섬유 다발이 개시되어 있으며, 섬유 다발로서의 취급성이나 고차 가공성이 우수하고, 또한 섬유 강화 복합 재료의 보강 효과가 높은 탄소 섬유 다발이 개시되어 있다. 특허문헌 4에서는, 수지 함침 스트랜드 인장 시험에 있어서의 응력 σ-변형 ε 곡선의 비선형성을 특정 범위로 제어함으로써 우수한 인장 강도를 갖는 고성능 탄소 섬유 강화 복합 재료를 얻을 수 있는 탄소 섬유 다발이 개시되어 있다.Until now, technologies for producing carbon fiber with high strength, high modulus of elasticity, and excellent high-order processability for industrial use have been proposed (Patent Documents 1 to 4). In Patent Document 1, in the flameproofing treatment of a polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle with a total fineness of 40,000 dtex or more, the shape and arrangement of the folding roll are defined so that when the precursor fiber bundle runs inside the flameproofing furnace. A technology is disclosed that suppresses twisting of the fiber bundle, stably maintains the shape of the fiber bundle, suppresses thread breakage and fluff generation during the flameproofing process, and enables stable production of high-quality carbon fiber bundles. Patent Document 2 discloses a technology for improving resin impregnation and expandability during composite material molding by controlling the diameter and surface state of carbon fibers to a specific range. Patent Document 3 discloses a carbon fiber bundle with a semi-permanent twist and an elastic modulus of 200 GPa or more, which is excellent in handling and high-order processability as a fiber bundle, and has a high reinforcing effect of a fiber-reinforced composite material. It is done. Patent Document 4 discloses a carbon fiber bundle that can obtain a high-performance carbon fiber reinforced composite material with excellent tensile strength by controlling the nonlinearity of the stress σ-strain ε curve in a resin-impregnated strand tensile test to a specific range. .
그러나, 배경 기술에는 다음과 같은 과제가 있다.However, the background technology has the following problems.
특허문헌 1에서는, 내염화 공정에 있어서의 사조 밀도를 특정 범위로 함으로써 내염화 공정에 있어서의 꼬임이나 「홈 점프」(롤러로부터의 사조의 탈락)의 발생을 억제하는 효과가 나타내어져 있지만, 얻어지는 탄소 섬유 다발의 품위 향상 효과도 나타내어져 있지 않고, 고차 가공의 프로세스에 제공했을 때의 조업성을 개선할 수 있는 것은 아니었다.Patent Document 1 shows the effect of suppressing the occurrence of twisting and “home jump” (thread falling off from the roller) in the flame resistance process by setting the yarn density in the flame resistance process to a specific range, but the obtained The effect of improving the quality of the carbon fiber bundle was not shown, and it was not possible to improve the operability when used in a high-level processing process.
특허문헌 2에서는, 압력 용기를 성형할 때의 수지 함침성이 향상하여 얻어진 성형 재료의 강도 발현율이 향상되지만, 얻어지는 탄소 섬유 다발의 고차 가공의 프로세스에 제공했을 때의 조업성을 개선하는 것은 아니었다.In Patent Document 2, the resin impregnation property was improved when molding a pressure vessel, and the strength development rate of the obtained molding material was improved, but the operability was not improved when the obtained carbon fiber bundle was subjected to a high-level processing process.
특허문헌 3에서는, 탄소 섬유 다발에 반영구적인 꼬임을 잔존시킴으로써 취급성을 향상할 수 있지만, 얻어지는 탄소 섬유 다발의 고차 가공의 프로세스에 제공했을 때의 조업성에 대한 구체적인 효과의 개시나 시사는 없고, 꼬임이 존재함으로써, 얻어지는 탄소 섬유 강화 복합 재료 중에 있어서의 섬유의 배향이 흐트러져, 역학 물성이 발현되기 어렵다는 문제가 있었다.In Patent Document 3, handleability can be improved by leaving a semi-permanent twist in the carbon fiber bundle, but there is no disclosure or suggestion of a specific effect on operability when the obtained carbon fiber bundle is subjected to a high-level processing process, and there is no disclosure or suggestion of the twist Due to the presence of this, there was a problem that the orientation of the fibers in the obtained carbon fiber reinforced composite material was disturbed, making it difficult to develop mechanical properties.
특허문헌 4에서는, 내염화 공정에 있어서의 열처리 방법의 제어에 의해 수지 함침 스트랜드 인장 시험에 있어서의 응력 σ-변형 ε 곡선의 비선형성을 특정 범위로 제어함으로써 강도 향상에 유효한 파괴 인성값이 향상되지만, 높은 총섬도의 탄소 섬유 다발의 고차 가공의 프로세스에 제공했을 때의 조업성에 대한 시사는 없고, 수지 함침 스트랜드 인장 시험에 있어서의 초기 탄성률도 315㎬로 높고, 고차 가공의 프로세스에 제공했을 때의 조업성의 향상을 기대할 수 있는 것은 아니었다. 또한, 생산성이 우수한 탄소 섬유 다발을 얻기 위해서는 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 총섬도를 높여 처리하는 것이 유효하지만, 열 폭주 등의 이유에 의해 내염화 공정의 열처리 방법에는 제약이 있으며, 상기 특허문헌 기재의 방법으로는, 응력 σ-변형 ε 곡선의 비선형성을 안정적으로 제어하는 것은 곤란하다는 문제가 있었다.In Patent Document 4, the fracture toughness value effective for strength improvement is improved by controlling the nonlinearity of the stress σ-strain ε curve in the resin-impregnated strand tensile test to a specific range by controlling the heat treatment method in the flame resistance process. , there is no suggestion about the operability when a high total fineness carbon fiber bundle is used in a high-order processing process, and the initial elastic modulus in the tensile test of a resin-impregnated strand is also high at 315 GPa, and when used in a high-order processing process, It was not possible to expect any improvement in operability. In addition, in order to obtain a carbon fiber bundle with excellent productivity, it is effective to increase the total fineness of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle, but there are restrictions on the heat treatment method in the flameproofing process due to reasons such as thermal runaway, and the above patent There was a problem that it was difficult to stably control the nonlinearity of the stress σ-strain ε curve with the method described in the literature.
이상과 같이, 선행 기술에서는 탄소 섬유 다발의 역학 특성을 높이는 기술이나, 탄소 섬유 다발 제조 시의 조업성을 높이는 기술이 제안되어 있지만, 총섬도가 큰 탄소 섬유 다발에 있어서 고차 가공 시의 롤러나 가이드와의 찰과에 의한 보풀이나 탄소 섬유 다발의 일부 또는 전체에 걸쳐 발생하는 파단 등의 트러블을 억제할 수 있는 기술은 개시되어 있지 않다. 본 발명에서는, 높은 총섬도이면서 강도, 탄성률, 및 고차 가공에 제공했을 때의 조업성이 우수하고, 실질적으로 무연이며 탄소 섬유 강화 복합 재료로 한 경우에 역학 물성이 발현되기 쉬운 탄소 섬유 다발 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.As described above, in the prior art, technologies for improving the mechanical properties of carbon fiber bundles and technologies for improving operability during the production of carbon fiber bundles have been proposed, but rollers and guides during high-order processing for carbon fiber bundles with a large total fineness are proposed. There is no disclosed technology that can suppress troubles such as fluff caused by abrasion or fracture occurring in part or all of the carbon fiber bundle. In the present invention, a carbon fiber bundle that has a high total fineness but is excellent in strength, elastic modulus, and operability when subjected to high-order processing, is substantially lead-free, and is prone to exhibit mechanical properties when used as a carbon fiber reinforced composite material, and the same. The purpose is to provide a manufacturing method.
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 주로 다음 구성을 갖는다.In order to achieve this purpose of the present invention, the present invention mainly has the following structure.
즉, 본 발명은 수지 함침 스트랜드 인장 시험에 있어서의 응력 σ-변형 ε 곡선에 있어서 응력이 0~3㎬인 범위에서 비선형성의 근사식(1)으로부터 구해지는 계수 A와, 광각 X선 회절 측정에 있어서의 결정 배향도 Π(%)의 관계가 식(2)을 만족하고, 초기 탄성률이 240~279㎬이며, 필라멘트수가 24,000~72,000이며, 실질적으로 무연의 탄소 섬유 다발이다.That is, the present invention relates to the coefficient A obtained from the approximate equation (1) of nonlinearity in the stress range of 0 to 3 GPa in the stress σ-strain ε curve in the resin-impregnated strand tensile test, and the wide-angle X-ray diffraction measurement The relationship between crystal orientation and Π (%) satisfies Equation (2), the initial elastic modulus is 240 to 279 GPa, the number of filaments is 24,000 to 72,000, and it is a substantially lead-free carbon fiber bundle.
ε=Aσ2+Bσ+C …(1)ε=Aσ 2 +Bσ+C … (One)
-410≤(0.0000832Π2-0.0184Π+1.00)/A≤-310 …(2)-410≤(0.0000832Π 2 -0.0184Π+1.00)/A≤-310 … (2)
여기에서, A, B, C는 응력 σ와 변형 ε의 2차 함수의 계수이며, Π는 결정 배향도이다.Here, A, B, C are the coefficients of the quadratic function of stress σ and strain ε, and Π is the crystal orientation.
또한, 본 발명은 상기 탄소 섬유 다발을 제조하는 방법으로서,In addition, the present invention is a method for producing the carbon fiber bundle,
필라멘트수가 24,000~72,000이며 실질적으로 무연의 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을 산화성 분위기 중 220~280℃의 온도에서 열처리하는 내염화 공정과, 상기 내염화 공정에서 얻어진 내염화 섬유 다발을 불활성 분위기 중, 최고 온도가 300~1,000℃에서 열처리하는 예비 탄소화 공정과, 상기 예비 탄소화 섬유 다발에서 얻어진 예비 탄소화 섬유 다발을 불활성 분위기 중, 최고 온도가 1,000~1,600℃에서 열처리하는 탄소화 공정을 포함하고,A flameproofing process of heat-treating a substantially lead-free polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle with a filament count of 24,000 to 72,000 at a temperature of 220 to 280°C in an oxidizing atmosphere, and heat-treating the flameproofing fiber bundle obtained in the flameproofing process in an inert atmosphere. , a preliminary carbonization process of heat treatment at a maximum temperature of 300 to 1,000°C, and a carbonization process of heat treatment of the preliminary carbonized fiber bundle obtained from the preliminary carbonized fiber bundle in an inert atmosphere at a maximum temperature of 1,000 to 1,600°C. do,
상기 예비 탄소화 공정에 있어서의 연신 배율이 1.05~1.20이며, 상기 탄소화 공정에 있어서의 연신 배율이 0.960~0.990이며, 또한 상기 예비 탄소화 공정과 상기 탄소화 공정의 연신 배율의 곱이 1.020~1.180이며,The draw ratio in the preliminary carbonization process is 1.05 to 1.20, the draw ratio in the carbonization process is 0.960 to 0.990, and the product of the draw ratios of the preliminary carbonization process and the carbonization process is 1.020 to 1.180. and
상기 내염화 공정에 있어서는, 서로 상이한 온도로 설정된 복수의 열처리로, 또는 열처리로 내에 형성되어 서로 상이한 온도로 설정된 복수의 열처리 섹션에서, 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발에 단계적으로 열처리를 실시하고, 상기 내염화 공정에 있어서 가장 온도가 낮은 열처리로 또는 열처리 섹션의 온도를 230℃ 미만, 또한 가장 온도가 높은 열처리로 또는 열처리 섹션의 온도를 280℃ 이하로 하는 탄소 섬유 다발의 제조 방법이다.In the flameproofing process, the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle is subjected to heat treatment step by step in a plurality of heat treatment furnaces set to mutually different temperatures, or in a plurality of heat treatment sections formed within the heat treatment furnace and set to mutually different temperatures, In the flameproofing process, the temperature of the heat treatment furnace or heat treatment section with the lowest temperature is set to less than 230°C, and the temperature of the heat treatment furnace or heat treatment section with the highest temperature is set to 280°C or less.
본 발명에 의하면, 높은 총섬도이면서 강도, 탄성률, 및 고차 가공에 제공했을 때의 조업성이 우수하고, 탄소 섬유 강화 복합 재료로 한 경우에 역학 물성이 발현되기 쉬운 탄소 섬유 다발이 얻어진다.According to the present invention, a carbon fiber bundle is obtained that has a high total fineness and is excellent in strength, elastic modulus, and operability when subjected to high-level processing, and that exhibits mechanical properties that are easy to develop when used as a carbon fiber reinforced composite material.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음 구성을 갖는다.To achieve this purpose, the present invention has the following structure.
본 발명의 탄소 섬유 다발은, 탄소 섬유 다발을 수지 함침 스트랜드 인장 시험에 의해 측정함으로써 구해지는 응력 σ-변형 ε 곡선을, 하기 비선형성의 근사식(1)에 도입함으로써 구해지는 계수 A의 값이 다음 식(2)을 만족한다.In the carbon fiber bundle of the present invention, the value of the coefficient A obtained by introducing the stress σ-strain ε curve obtained by measuring the carbon fiber bundle by a resin-impregnated strand tensile test into the following nonlinearity approximation equation (1) is as follows: Equation (2) is satisfied.
ε=Aσ2+Bσ+C …(1)ε=Aσ 2 +Bσ+C … (One)
-410≤(0.0000832Π2-0.0184Π+1.00)/A≤-310 …(2)-410≤(0.0000832Π 2 -0.0184Π+1.00)/A≤-310 … (2)
여기에서, Π는 탄소 섬유 다발을 광각 X선 회절 측정에 의해 측정함으로써 구해지는 결정 배향도(%)를 나타낸다. 결정 배향도는 후술하는 탄소 섬유의 결정 배향도 Π의 측정법에 의해 얻어진다.Here, Π represents the crystal orientation (%) obtained by measuring the carbon fiber bundle by wide-angle X-ray diffraction measurement. The degree of crystal orientation is obtained by the method of measuring the degree of crystal orientation Π of carbon fiber described later.
상기 식(2)의 중앙의 항의 값은 -410~-310이며, 바람직하게는 -406~-343이며, 보다 바람직하게는-386~-352이다.The value of the central term in the above equation (2) is -410 to -310, preferably -406 to -343, and more preferably -386 to -352.
식(1)에 있어서, 계수 A는 응력 σ-변형 ε 곡선의 비선형성을 나타낸다. 계수 A는, 탄소 섬유 다발을 수지 함침 스트랜드 인장 시험에 의해 측정함으로써 구해지는 응력 σ-변형 ε 곡선을, 응력 0~3㎬의 범위에서 근사식(1)에 피팅함으로써 구해진다. 상기와 같이, 탄소 섬유 다발의 응력 σ-변형 ε 곡선은 응력 σ(㎬)를 세로축, 변형 ε(-)을 가로축으로 한 경우, 일반적으로 아래로 볼록한 곡선을 나타내기 때문에, 상기 근사식(1)으로부터 구해지는 계수 A는 마이너스의 값을 취한다. 즉, 계수 A가 0에 가까울수록 비선형성이 작은 것을 의미한다.In equation (1), coefficient A represents the nonlinearity of the stress σ-strain ε curve. The coefficient A is obtained by fitting a stress σ-strain ε curve obtained by measuring a carbon fiber bundle by a resin-impregnated strand tensile test to the approximate equation (1) in the stress range of 0 to 3 GPa. As described above, the stress σ-strain ε curve of a carbon fiber bundle generally shows a downward convex curve with stress σ (GPa) as the vertical axis and strain ε (-) as the abscissa, so the above approximate equation (1 ) The coefficient A obtained from ) takes a negative value. In other words, the closer the coefficient A is to 0, the smaller the nonlinearity is.
또한, 본 발명자들은, 단순히 응력 σ-변형 ε 곡선의 비선형성만으로는, 탄소 섬유의 전단 탄성률과의 상관성이 반드시 충분하지 않은 것을 발견했다. 탄소 섬유에 있어서의 응력과 변형에 관계되는 이론에 대해서는, 예를 들면, "카본(Carbon)"(네덜란드), 엘스비어(Elsevier), 1991년, 제29권, 제8호, p.1267-1279 등에 해설되어 있다. 그러나, 이것은 학술적인 검토이며, 탄소 섬유의 전단 탄성률을 제어하기 위한 실용적인 검토에 사용하기 위해서는 사용하기 어려운 것이었다. 본 발명자들은, 이들 이론에 의거하여 검토를 거듭한 결과, 실용적인 관점으로부터 측정이 비교적 용이한 결정 배향도 Π와, 상기 근사식(1)의 계수 A로부터 도출되는 상기 식(2)의 중앙의 항의 값 (0.0000832Π2-0.0184Π+1.00)/A가 탄소 섬유의 전단 탄성률과 매우 높은 상관성이 있는 것을 발견했다. 보다 구체적으로는, 식(2)의 중앙의 항의 값이 커질수록 전단 탄성률은 낮아지고, 식(2)의 중앙의 항의 값이 작아질수록 전단 탄성률은 커진다.In addition, the present inventors discovered that simply the nonlinearity of the stress σ-strain ε curve is not necessarily sufficient for correlation with the shear modulus of carbon fiber. Regarding the theory related to stress and strain in carbon fiber, for example, "Carbon" (Netherlands), Elsevier, 1991, Volume 29, No. 8, p.1267- It is explained in 1279, etc. However, this is an academic review, and it is difficult to use in practical studies to control the shear modulus of carbon fiber. As a result of repeated studies based on these theories, the present inventors have found that the crystal orientation degree Π, which is relatively easy to measure from a practical point of view, and the value of the central term of the above equation (2) derived from the coefficient A of the above approximate equation (1) It was found that (0.0000832Π 2 -0.0184Π+1.00)/A has a very high correlation with the shear modulus of carbon fiber. More specifically, as the value of the central term in equation (2) increases, the shear modulus decreases, and as the value of the central term in equation (2) decreases, the shear modulus increases.
전단 탄성률은 단섬유에 굽힘이나 압축 방향의 응력이 가해졌을 때의 변형되기 쉬움의 지표이며, 고차 가공 공정에 있어서의 조업성을 개선하기 위해 중요하다. 상기 식(2)의 중앙의 항의 값이 -410~-310이면, 고차 가공 공정에서 굽힘이나 압축의 응력을 받았을 때에 섬유가 적당히 변형되고, 단섬유의 파단이나, 그것에 계속되는 롤러나 가이드로의 감김을 억제할 수 있다. 상기 식 (1)의 계수 A는 내염화 공정의 연신 배율, 예비 탄소화 공정의 연신 배율, 탄소화 공정의 연신 배율로 제어할 수 있다. 또한, 결정 배향도 Π는 예비 탄소화 공정의 연신 배율, 탄소화 공정의 연신 배율 및 탄소화 공정의 온도로 제어할 수 있다.Shear modulus is an indicator of the easiness of deformation when stress in the bending or compression direction is applied to single fibers, and is important for improving operability in high-order processing processes. If the value of the central term in the above equation (2) is -410 to -310, the fiber is moderately deformed when subjected to bending or compression stress in the high-order processing process, resulting in fracture of the single fiber or winding on the roller or guide following it. can be suppressed. The coefficient A in the above equation (1) can be controlled by the draw ratio of the flameproofing process, the draw ratio of the preliminary carbonization process, and the draw ratio of the carbonization process. In addition, the crystal orientation degree Π can be controlled by the stretching ratio of the preliminary carbonization process, the stretching ratio of the carbonization process, and the temperature of the carbonization process.
또한, 본 발명의 탄소 섬유 다발은 초기 탄성률이 240~279㎬이며, 바람직하게는 245~269㎬이며, 보다 바람직하게는 245~260㎬이다. 초기 탄성률은, 단섬유에 인장 방향의 응력이 가해졌을 때의 초기의 변형되기 쉬움의 지표이며, 고차 가공 공정에 있어서의 조업성을 개선하기 위해 중요하다. 초기 탄성률이 240~279㎬이면, 고차 가공 공정에서 인장 방향의 응력을 받았을 때에 섬유가 적당히 변형되고, 단섬유의 파단이나, 그것에 계속되는 롤러나 가이드로의 감김을 억제할 수 있다. 이러한 초기 탄성률은 후술하는 수지 함침 스트랜드 인장 시험에 의해 측정되는 응력 σ-변형 ε 곡선을 근사식(1)으로 피팅했을 때의 계수 B의 역수 1/B로서 계산된다. 이러한 초기 탄성률은 내염화 공정의 연신 배율, 예비 탄소화 공정의 연신 배율, 탄소화 공정의 연신 배율 및 탄소화 공정의 온도로 제어할 수 있다.Additionally, the carbon fiber bundle of the present invention has an initial elastic modulus of 240 to 279 GPa, preferably 245 to 269 GPa, and more preferably 245 to 260 GPa. The initial elastic modulus is an indicator of the initial easiness of deformation when stress in the tensile direction is applied to single fibers, and is important for improving operability in high-order processing processes. If the initial elastic modulus is 240 to 279 GPa, the fiber is moderately deformed when subjected to stress in the tensile direction in a high-order processing process, and fracture of single fibers and subsequent wrapping around rollers or guides can be suppressed. This initial elastic modulus is calculated as 1/B, the reciprocal of the coefficient B when fitting the stress σ-strain ε curve measured by the resin-impregnated strand tensile test described later with the approximate equation (1). This initial elastic modulus can be controlled by the draw ratio of the flameproofing process, the draw ratio of the preliminary carbonization process, the draw ratio of the carbonization process, and the temperature of the carbonization process.
본 발명의 탄소 섬유 다발은 필라멘트수가 24,000~72,000이며, 바람직하게는 36,000~60,000이며, 보다 바람직하게는 48,000~50,000이다. 필라멘트수는 탄소 섬유 다발을 구성하는 단섬유의 개수이며, 많을수록 탄소 섬유 강화 복합 재료의 생산성이 우수하지만, 지나치게 많으면 탄소 섬유 다발의 확장성이나, 수지 함침성의 관점으로부터 얻어지는 탄소 섬유 강화 복합 재료의 역학 특성이 저하되는 경우가 있다. 필라멘트수가 24,000~72,000이면, 복합 재료 성형 시의 생산성이 우수하고, 산업 용도에 적합하게 사용할 수 있다. 이러한 필라멘트수는, 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 제사 공정에 있어서의 구금의 구멍수나, 사조의 분할, 합사에 의해 제어할 수 있다.The carbon fiber bundle of the present invention has a filament count of 24,000 to 72,000, preferably 36,000 to 60,000, and more preferably 48,000 to 50,000. The number of filaments is the number of single fibers that make up a carbon fiber bundle. The larger the number, the better the productivity of the carbon fiber reinforced composite material. However, if it is too large, the dynamics of the carbon fiber reinforced composite material obtained from the viewpoint of the expandability of the carbon fiber bundle and the resin impregnation ability will be affected. There are cases where the characteristics deteriorate. If the number of filaments is 24,000 to 72,000, productivity when molding composite materials is excellent and can be used suitably for industrial purposes. This number of filaments can be controlled by the number of holes in the spinneret, division of yarn, and plying in the spinning process of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle.
본 발명의 탄소 섬유 다발은 실질적으로 무연이다. 여기에서 말하는 실질적으로 무연이란, 탄소 섬유 다발의 꼬임이 1m당 0.5턴 이하인 것을 의미한다. 탄소 섬유 다발이 실질적으로 무연이면, 탄소 섬유 강화 복합 재료 중에 있어서의 섬유의 배향 흐트러짐을 억제할 수 있고, 탄소 섬유 강화 복합 재료의 보강 효과가 양호해진다.The carbon fiber bundles of the present invention are substantially lead-free. Substantially lead-free as used herein means that the twist of the carbon fiber bundle is less than 0.5 turns per meter. If the carbon fiber bundle is substantially lead-free, the orientation disorder of the fibers in the carbon fiber reinforced composite material can be suppressed, and the reinforcing effect of the carbon fiber reinforced composite material becomes good.
본 발명의 탄소 섬유 다발은, 결정자 사이즈 Lc가 바람직하게는 1.80~2.20㎚이다. 결정자 사이즈 LC는, 탄소 섬유 중의 흑연의 결정의 [002] 방향의 크기이다. 결정자 사이즈 Lc가 1.80~2.20㎚이면 강도, 탄성률의 밸런스가 보다 우수한 탄소 섬유가 얻어진다. 이러한 결정자 사이즈 LC는, 광각 X선 회절 측정에 의해 후술하는 결정자 사이즈 Lc의 측정 방법으로 평가할 수 있다. 이러한 결정자 사이즈 LC는 탄소화 공정의 온도로 제어할 수 있다.The carbon fiber bundle of the present invention preferably has a crystallite size Lc of 1.80 to 2.20 nm. The crystallite size LC is the size of the graphite crystals in the carbon fiber in the [002] direction. If the crystallite size Lc is 1.80 to 2.20 nm, carbon fiber with a better balance of strength and elastic modulus can be obtained. This crystallite size LC can be evaluated by a method of measuring the crystallite size Lc described later using wide-angle X-ray diffraction measurement. This crystallite size LC can be controlled by the temperature of the carbonization process.
본 발명의 탄소 섬유 다발은, 단섬유 섬도가 바람직하게는 0.63~1.35dtex이며, 보다 바람직하게는 0.67~1.35dtex이며, 더 바람직하게는 0.74~1.20dtex이다. 단섬유 섬도는, 단섬유의 단위 길이당 질량이다. 단섬유 섬도가 0.63~1.35dtex이면, 생산성과 역학 특성을 양립할 수 있다. 단섬유 섬도는 후술하는 방법에 의해, 단위 길이당 질량을 측정함으로써 평가할 수 있다. 이러한 단섬유 섬도는, 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 제사 공정에 있어서의 폴리아크릴로니트릴계 중합체의 토출량이나 연신 배율로 제어할 수 있다.The carbon fiber bundle of the present invention has a single fiber fineness of preferably 0.63 to 1.35 dtex, more preferably 0.67 to 1.35 dtex, and still more preferably 0.74 to 1.20 dtex. Single fiber fineness is the mass per unit length of a single fiber. If the single fiber fineness is 0.63 to 1.35 dtex, both productivity and mechanical characteristics can be achieved. Single fiber fineness can be evaluated by measuring the mass per unit length by the method described later. This single fiber fineness can be controlled by the discharge amount or draw ratio of the polyacrylonitrile-based polymer in the spinning process of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle.
본 발명의 탄소 섬유 다발은, 단섬유 단면의 진원도가 바람직하게는 0.86~0.98이며, 보다 바람직하게는 0.87~0.96이며, 더 바람직하게는 0.87~0.93이다. 단섬유 단면의 진원도는, 단섬유 단면의 둘레 길이 L과 면적 Acs로부터 다음과 같이 정의된다.In the carbon fiber bundle of the present invention, the roundness of the single fiber cross section is preferably 0.86 to 0.98, more preferably 0.87 to 0.96, and still more preferably 0.87 to 0.93. The roundness of the single fiber cross section is defined as follows from the circumferential length L and the area A cs of the single fiber cross section.
(진원도)=4πAcs/L2.(Roundness)=4πA cs /L 2 .
단섬유 단면의 진원도가 0.86~0.98이면, 고차 가공 시의 집속성과 내찰과성을 보다 확실하게 양립할 수 있고, 고차 가공 시의 조업성이 보다 우수하다. 이러한 단섬유 단면의 진원도는, 후술하는 방법에 의해, 단섬유를 수직으로 절단한 절단면의 화상으로부터 평가할 수 있다. 이러한 단섬유 단면의 진원도는, 제사 공정에 있어서의 구금의 토출 구멍의 형상이나 응고 공정의 조건에 의해 제어할 수 있다.If the roundness of the single fiber cross section is 0.86 to 0.98, the convergence and abrasion resistance during high-order processing can be achieved more reliably, and the operability during high-order processing is more excellent. The roundness of the cross section of such a single fiber can be evaluated from an image of a cross section obtained by cutting the single fiber vertically by a method described later. The roundness of the cross section of these single fibers can be controlled by the shape of the discharge hole of the spinneret in the spinning process or the conditions of the coagulation process.
이어서, 본 발명의 탄소 섬유 다발을 얻는 것에 바람직한 탄소 섬유 다발의 제조 방법에 대해서 설명한다.Next, a preferred carbon fiber bundle manufacturing method for obtaining the carbon fiber bundle of the present invention will be described.
탄소 섬유 다발의 제조에 있어서, 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을 제사한다. 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 제조에 제공하는 원료로서는, 바람직하게는 폴리아크릴로니트릴계 중합체를 사용한다. 또한, 본 발명에 있어서 폴리아크릴로니트릴계 중합체란, 적어도 아크릴로니트릴이 중합체 골격의 주 구성 성분으로 되어 있는 것을 말하고, 주 구성 성분이란, 통상 중합체 골격의 90~100질량%를 차지하는 구성 성분인 것을 말한다. 폴리아크릴로니트릴계 중합체는, 제사성 향상의 관점 및, 내염화 처리를 효율 좋게 행하는 관점 등으로부터, 바람직하게는 이타콘산, 아크릴아미드, 메타크릴산 등의 공중합 성분을 포함한다. 폴리아크릴로니트릴계 중합체의 제조 방법으로서는, 공지의 중합 방법 중으로부터 선택할 수 있다. 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 제조에 있어서, 방사 원액은 상술한 폴리아크릴로니트릴계 중합체를 디메틸술폭시드, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 또는 질산·염화아연·로단산 소다 수용액 등의 폴리아크릴로니트릴이 가용한 용매에 용해한 것이다.In the production of carbon fiber bundles, polyacrylonitrile-based precursor fiber bundles are spun. As a raw material used in the production of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle, a polyacrylonitrile-based polymer is preferably used. In addition, in the present invention, a polyacrylonitrile-based polymer refers to one in which at least acrylonitrile is the main component of the polymer skeleton, and the main component is a component that usually accounts for 90 to 100% by mass of the polymer skeleton. says that The polyacrylonitrile-based polymer preferably contains a copolymerization component such as itaconic acid, acrylamide, or methacrylic acid from the viewpoint of improving spinning properties and efficiently performing anti-chlorination treatment. As a method for producing the polyacrylonitrile-based polymer, it can be selected from among known polymerization methods. In the production of polyacrylonitrile-based precursor fiber bundles, the spinning solution is prepared by mixing the above-described polyacrylonitrile-based polymer with polyacrylates such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide, or aqueous solutions of nitric acid, zinc chloride, and rhodanate soda. Ronitrile is dissolved in an available solvent.
본 발명에서 사용되는 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 제조 방법에는 특별히 제한이 없지만, 바람직하게는 습식 방사가 사용되고, 그 후 연신, 수세, 유제 부여, 건조 치밀화, 필요하면 후연신 등의 공정을 거쳐 얻을 수 있다. 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 제조 공정에 있어서의 제사 구금의 구멍수는, 상술한 탄소 섬유 다발의 필라멘트수를 달성하기 위해, 바람직하게는 3,000~200,000홀이며, 분할이나 합사에 의해 소정의 필라멘트수의 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을 얻을 수 있다.There is no particular limitation on the manufacturing method of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle used in the present invention, but wet spinning is preferably used, followed by processes such as stretching, water washing, emulsion application, dry densification, and, if necessary, post-stretching. It can be obtained through The number of holes in the spinning spindle in the manufacturing process of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle is preferably 3,000 to 200,000 holes in order to achieve the above-mentioned number of filaments in the carbon fiber bundle, and is predetermined by division or plying. A bundle of polyacrylonitrile-based precursor fibers can be obtained.
폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 제조에 있어서, 응고욕에는 방사 원액의 용매로서 사용한 디메틸술폭시드, 디메틸포름아미드 및 디메틸아세트아미드 등의 용매와, 소위 응고 촉진 성분을 포함하는 것이 바람직하다. 응고 촉진 성분으로서는, 폴리아크릴로니트릴계 중합체를 용해하지 않고, 또한 방사 원액에 사용하는 용매와 상용성이 있는 것을 사용할 수 있다. 바람직하게는 응고 촉진 성분으로서 물을 사용한다.In the production of a polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle, the coagulation bath preferably contains a solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and dimethylacetamide used as a solvent for the spinning stock solution, and a so-called coagulation promoting component. As a coagulation promotion component, one that does not dissolve the polyacrylonitrile-based polymer and is compatible with the solvent used in the spinning solution can be used. Preferably, water is used as a coagulation promoting component.
폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 제조에 있어서, 수세 공정은 온도가 30~98℃인, 복수 단으로 이루어지는 수세욕을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 수세 공정에 있어서는, 연신 배율을 2~6배로 설정하는 것도 바람직하다.In the production of polyacrylonitrile-based precursor fiber bundles, the water washing process preferably uses a water washing bath consisting of multiple stages at a temperature of 30 to 98°C. Additionally, in the water washing process, it is also preferable to set the stretching ratio to 2 to 6 times.
수세 공정 후, 단섬유끼리의 접착을 방지할 목적으로, 바람직하게는 사조가 실리콘 등으로 이루어지는 유제를 부여한다. 이러한 실리콘 유제는, 바람직하게는 변성된 실리콘이며, 바람직하게는 내열성이 높은 아미노 변성 실리콘을 함유하는 것이다.After the water washing process, for the purpose of preventing adhesion between single fibers, an emulsion preferably made of silicon or the like is applied to the yarn. This silicone emulsion is preferably a modified silicone, and preferably contains an amino-modified silicone with high heat resistance.
건조 열처리 공정(상술한 건조 치밀화의 공정)은, 공지의 방법을 이용할 수 있다. 예를 들면, 건조 온도는 100~200℃가 예시된다.The dry heat treatment process (the dry densification process described above) can use a known method. For example, the drying temperature is 100 to 200°C.
본 발명의 탄소 섬유 다발의 제조 방법에 있어서의 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 단섬유 섬도는, 바람직하게는 1.20~2.40dtex이며, 보다 바람직하게는 1.20~2.20dtex이며, 더 바람직하게는 1.40~1.80dtex이다. 단섬유 섬도는, 단섬유의 단위 길이당 질량이다. 단섬유 섬도가 1.20dtex 이상이면, 충분히 높은 생산성으로 탄소 섬유 다발이 얻어지고, 단섬유 섬도가 2.40dtex 이하이면, 내염화 공정 이후의 열처리에 있어서의 처리 불균일이 저감되고, 높은 역학 특성의 탄소 섬유 다발이 얻어진다. 이러한 단섬유 섬도는, 제사 공정에 있어서의 토출량이나 연신 배율로 제어할 수 있다.The single fiber fineness of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle in the method for producing a carbon fiber bundle of the present invention is preferably 1.20 to 2.40 dtex, more preferably 1.20 to 2.20 dtex, and still more preferably 1.40. It is ~1.80dtex. Single fiber fineness is the mass per unit length of a single fiber. If the single fiber fineness is 1.20 dtex or more, a carbon fiber bundle can be obtained with sufficiently high productivity, and if the single fiber fineness is 2.40 dtex or less, processing unevenness in heat treatment after the flameproofing process is reduced, and carbon fibers have high mechanical properties. A bunch is obtained. This single fiber fineness can be controlled by the discharge amount or draw ratio in the spinning process.
본 발명의 탄소 섬유 다발의 제조 방법에 있어서의 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발은, 단섬유 단면의 진원도가 바람직하게는 0.86~0.98이며, 보다 바람직하게는 0.87~0.96이며, 더 바람직하게는 0.87~0.93이다. 단섬유 단면의 진원도는, 단섬유 단면의 둘레 길이 L과 면적 Acs로부터 다음과 같이 정의된다.The polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle in the method for producing a carbon fiber bundle of the present invention preferably has a roundness of the single fiber cross section of 0.86 to 0.98, more preferably 0.87 to 0.96, and still more preferably 0.87. It is ~0.93. The roundness of the single fiber cross section is defined as follows from the circumferential length L and the area A cs of the single fiber cross section.
(진원도)=4πAcs/L2.(Roundness)=4πA cs /L 2 .
단섬유 단면의 진원도가 0.86~0.98이면, 얻어지는 탄소 섬유의 집속성 및 내찰과성을 보다 확실하게 양립할 수 있고, 얻어지는 탄소 섬유 다발의 고차 가공 시의 조업성이 보다 우수하다. 이러한 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 단섬유 단면의 진원도는, 후술하는 방법에 의해, 단섬유를 수직으로 절단한 절단면의 화상으로부터 평가할 수 있다. 이러한 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 단섬유 단면의 진원도는, 제사 공정에 있어서의 구금의 토출 구멍의 형상이나 응고 공정의 조건에 의해 제어할 수 있다.If the roundness of the single fiber cross section is 0.86 to 0.98, the coherence and abrasion resistance of the obtained carbon fiber can be more reliably achieved, and the operability during high-level processing of the obtained carbon fiber bundle is more excellent. The roundness of the cross section of the single fibers of such a polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle can be evaluated from an image of a cross section of the single fibers cut vertically by a method described later. The roundness of the single fiber cross section of such a polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle can be controlled by the shape of the discharge hole of the spinneret in the spinning process or the conditions of the coagulation process.
본 발명의 탄소 섬유 다발의 제조 방법에 있어서의 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 필라멘트수는, 바람직하게는 24,000~72,000이며, 보다 바람직하게는 36,000~60,000이며, 더 바람직하게는 48,000~50,000이다. 필라멘트수는, 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을 구성하는 단섬유의 개수이며, 많을수록 탄소 섬유 다발 제조의 생산성 및 얻어지는 탄소 섬유 다발을 사용한 탄소 섬유 강화 복합 재료의 생산성이 우수하지만, 지나치게 많으면 내염화 공정, 예비 탄소화 공정, 탄소화 공정에서의 처리 불균일이 증가하거나, 얻어지는 탄소 섬유 다발의 확장성이나, 수지 함침성의 관점으로부터 얻어지는 탄소 섬유 강화 복합 재료의 역학 특성이 저하되거나 하는 경우가 있다. 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 필라멘트수가 24,000~72,000이면, 탄소 섬유 다발 및 탄소 섬유 강화 복합 재료의 생산성이 우수하고, 산업 용도에 적합하게 사용할 수 있는 탄소 섬유 다발이 얻어진다. 이러한 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 필라멘트수는, 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을 구성하는 단섬유의 개수를 셈으로써 평가할 수 있다. 이러한 필라멘트수는, 제사 공정에 있어서의 구금의 구멍수나 구금으로부터 토출된 섬유 다발의 분할수, 섬유 다발의 합사수에 의해 제어할 수 있다.The number of filaments of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle in the method for producing a carbon fiber bundle of the present invention is preferably 24,000 to 72,000, more preferably 36,000 to 60,000, and still more preferably 48,000 to 50,000. . The number of filaments is the number of single fibers constituting the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle. The larger the number, the better the productivity of carbon fiber bundle production and the productivity of the resulting carbon fiber reinforced composite material using the carbon fiber bundle. However, if it is too large, it will become flame resistant. Processing unevenness in the process, preliminary carbonization process, or carbonization process may increase, or the mechanical properties of the obtained carbon fiber reinforced composite material may deteriorate from the viewpoint of the expandability of the resulting carbon fiber bundle or resin impregnation. If the number of filaments of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle is 24,000 to 72,000, the productivity of the carbon fiber bundle and the carbon fiber reinforced composite material is excellent, and a carbon fiber bundle that can be suitably used for industrial purposes is obtained. The number of filaments of such a polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle can be evaluated by counting the number of single fibers constituting the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle. This number of filaments can be controlled by the number of holes in the spinneret in the spinning process, the number of divisions of the fiber bundle discharged from the spinneret, and the number of plying yarns of the fiber bundle.
본 발명의 탄소 섬유 다발의 제조 방법에 있어서는, 상기와 같은 실질적으로 무연의 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을, 산화성 분위기 중 220~280℃의 온도에서 열처리한다(내염화 공정). 내염화 공정에 있어서의 온도는, 바람직하게는 220~280℃이다. 내염화 처리의 온도가 220℃ 이상이면, 충분한 내염성을 가진 내염화 섬유 다발을 제조할 수 있기 때문에, 내염성의 부족에 의한 보풀의 발생을 억제할 수 있고, 얻어지는 탄소 섬유 다발의 고차 가공 시의 조업성이 우수하다. 내염화 처리하는 온도가 280℃ 이하이면, 발열 속도가 과잉하게 높아지지 않기 때문에, 내염화 섬유 다발 내의 온도 불균일을 저감할 수 있고, 역학 특성이 우수한 탄소 섬유 다발이 얻어진다. 이러한 내염화 처리의 온도는, 내염화로에 열전대 등의 온도계를 삽입해서 로내 온도를 측정하면 좋고, 로내 온도를 수점 측정했을 때에 온도 불균일, 온도 분포가 있었을 때에는 단순 평균 온도를 산출한다. 이러한 내염화 처리의 온도는, 공지의 내염화로에서 사용되는 가열 방법에 있어서, 가열의 출력에 의해 제어할 수 있다. 예로서 열풍 순환식의 내염화로이면, 산화성 분위기의 가열에 사용하는 히터의 출력을 변경하면 좋다.In the method for producing a carbon fiber bundle of the present invention, the substantially lead-free polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle as described above is heat-treated at a temperature of 220 to 280 ° C. in an oxidizing atmosphere (salting process). The temperature in the flameproofing process is preferably 220 to 280°C. If the temperature of the flame resistance treatment is 220°C or higher, a flame-resistant fiber bundle with sufficient flame resistance can be produced, so the generation of fluff due to lack of flame resistance can be suppressed, and the operation during high-level processing of the resulting carbon fiber bundle can be improved. The castle is excellent. If the temperature for flameproofing treatment is 280°C or lower, the heat generation rate does not become excessively high, so temperature unevenness within the flameproofing fiber bundle can be reduced, and a carbon fiber bundle with excellent mechanical properties can be obtained. The temperature of this flameproofing treatment can be determined by inserting a thermometer such as a thermocouple into the flameproofing furnace to measure the temperature inside the furnace. If there is temperature unevenness or temperature distribution when measuring the temperature inside the furnace at several points, a simple average temperature is calculated. The temperature of this flameproofing treatment can be controlled by the heating output in a heating method used in a known flameproofing furnace. For example, in a hot air circulation type flame retardant furnace, the output of the heater used for heating the oxidizing atmosphere may be changed.
내염화 공정에 있어서는, 서로 상이한 온도로 설정된 복수의 열처리로, 또는 열처리로 내에 형성되어 서로 상이한 온도로 설정된 복수의 열처리 섹션을 사용하고, 단계적으로 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발에 열처리를 실시한다(이하에 있어서는, 이와 같은 열처리로 및 열처리 섹션을 「열처리로/열처리 섹션」이라고 칭하는 경우가 있다). 또한, 본 발명에 있어서는, 복수의 열처리로/열처리 섹션 중에서, 적어도 2개의 열처리로/열처리 섹션 사이에서 온도가 상이하면 좋고, 예를 들면 3개의 열처리로/열처리 섹션 중 2개의 열처리로/열처리 섹션이 동일한 온도이어도 좋다. 그리고 본 발명에 있어서는, 내염화 공정 중에서 가장 낮은 열처리로 또는 열처리 섹션의 온도를 230℃ 미만, 바람직하게는 225℃ 이하, 더 바람직하게는 223℃ 이하로 한다. 가장 낮은 열처리로 또는 열처리 섹션의 온도를 230℃ 미만으로 함으로써, 높은 총섬도의 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발에 있어서 발생하기 쉬운 열처리 불균일을 저감할 수 있고, 후술하는 예비 탄소화 공정 및 탄소화 공정의 연신에 있어서 품위를 높게 유지할 수 있다. 또한, 가장 낮은 열처리로 또는 열처리 섹션의 온도가 230℃ 이상이면, 내염화 공정에서의 열처리 불균일이 증대되고, 예비 탄소화 공정 및 탄소화 공정의 연신에 의해 품위가 저하된다.In the flameproofing process, a plurality of heat treatment furnaces set to mutually different temperatures, or a plurality of heat treatment sections formed within the heat treatment furnace and set to mutually different temperatures are used, and heat treatment is performed on the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle in stages. (Hereinafter, such a heat treatment furnace and heat treatment section may be referred to as “heat treatment furnace/heat treatment section”). In addition, in the present invention, the temperature may be different between at least two heat treatment furnaces/heat treatment sections among a plurality of heat treatment furnaces/heat treatment sections, for example, two heat treatment furnaces/heat treatment sections among three heat treatment furnaces/heat treatment sections. This may be the same temperature. In the present invention, the temperature of the lowest heat treatment furnace or heat treatment section in the flameproofing process is set to less than 230°C, preferably less than 225°C, and more preferably less than 223°C. By setting the temperature of the lowest heat treatment furnace or heat treatment section to less than 230°C, heat treatment unevenness that tends to occur in polyacrylonitrile-based precursor fiber bundles with high total fineness can be reduced, and the preliminary carbonization process and carbonization described later The quality can be maintained at a high level throughout the process. Additionally, if the temperature of the lowest heat treatment furnace or heat treatment section is 230°C or higher, heat treatment unevenness in the flameproofing process increases, and the quality deteriorates due to stretching in the preliminary carbonization process and carbonization process.
또한, 본 발명에 있어서는, 내염화 공정 중에서 가장 높은 열처리로 또는 열처리 섹션의 온도를 280℃ 이하, 바람직하게는 275℃ 이하, 더 바람직하게는 270℃ 이하로 한다. 가장 높은 열처리로 또는 열처리 섹션의 온도를 280℃ 이하로 함으로써, 높은 총섬도의 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발에 있어서 발생하기 쉬운 열처리 불균일을 저감할 수 있고, 후술하는 예비 탄소화 공정 및 탄소화 공정의 연신에 있어서 품위를 높게 유지할 수 있다. 또한, 이러한 열처리로 또는 열처리 섹션의 온도가 280℃ 초과이면, 내염화 공정에서의 열처리 불균일이 증대되고, 예비 탄소화 공정 및 탄소화 공정의 연신에 의해 품위가 저하된다.Additionally, in the present invention, the temperature of the highest heat treatment furnace or heat treatment section in the flameproofing process is set to 280°C or lower, preferably 275°C or lower, and more preferably 270°C or lower. By setting the temperature of the highest heat treatment furnace or heat treatment section to 280°C or lower, heat treatment unevenness that tends to occur in polyacrylonitrile-based precursor fiber bundles with high total fineness can be reduced, and the preliminary carbonization process and carbonization described later The quality can be maintained at a high level throughout the process. Additionally, if the temperature of this heat treatment furnace or heat treatment section exceeds 280°C, heat treatment unevenness in the flameproofing process increases, and the quality deteriorates due to stretching in the preliminary carbonization process and carbonization process.
상기 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발 제조 공정 및 내염화 공정에 계속해서, 예비 탄소화를 행한다. 예비 탄소화 공정에 있어서는, 상술한 바와 같이 해서 얻어진 내염화 섬유 다발을 불활성 분위기 중, 최고 온도 300~1,000℃에 있어서, 바람직하게는 밀도가 1.5~1.8g/㎤가 될 때까지 열처리한다.Continuing from the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle manufacturing process and flameproofing process, preliminary carbonization is performed. In the preliminary carbonization process, the flame-resistant fiber bundle obtained as described above is heat-treated in an inert atmosphere at a maximum temperature of 300 to 1,000°C, preferably until the density reaches 1.5 to 1.8 g/cm3.
상기 예비 탄소화에 계속해서, 탄소화를 행한다. 탄소화 공정에서는, 예비 탄소화 섬유 다발을 불활성 분위기 중, 최고 온도 1,000~1,600℃에 있어서 열처리한다.Following the preliminary carbonization, carbonization is performed. In the carbonization process, the preliminary carbonized fiber bundle is heat-treated in an inert atmosphere at a maximum temperature of 1,000 to 1,600°C.
또한, 본 발명에 있어서는, 예비 탄소화 공정 및 탄소화 공정에 있어서도, 복수의 열처리로 또는 열처리 섹션을 사용하고, 그들을 서로 상이한 온도로 설정해도 좋다. 그 때문에, 각 공정에서 가장 온도가 높은 열처리로 또는 열처리 섹션의 온도를 「최고 온도」라고 칭한다.In addition, in the present invention, in the preliminary carbonization process and the carbonization process, a plurality of heat treatment furnaces or heat treatment sections may be used, and they may be set to mutually different temperatures. Therefore, the temperature of the heat treatment furnace or heat treatment section with the highest temperature in each process is called the “highest temperature.”
본 발명의 탄소 섬유 다발의 제조 방법에 있어서는, 예비 탄소화 공정에 있어서의 연신 배율이 1.05~1.20이며, 탄소화 공정에 있어서의 연신 배율이 0.960~0.990이며, 또한 상기 예비 탄소화 공정과 상기 탄소화 공정의 연신 배율의 곱이 1.020~1.180이다.In the method for producing a carbon fiber bundle of the present invention, the draw ratio in the preliminary carbonization step is 1.05 to 1.20, the draw ratio in the carbonization step is 0.960 to 0.990, and the preliminary carbonization step and the carbon The product of the stretching ratio of the chemical process is 1.020 to 1.180.
예비 탄소화 공정에 있어서의 연신 배율은, 바람직하게는 1.10~1.20이며, 보다 바람직하게는 1.10~1.15이다.The draw ratio in the preliminary carbonization process is preferably 1.10 to 1.20, more preferably 1.10 to 1.15.
탄소화 공정에 있어서의 연신 배율은, 바람직하게는 0.975~0.990이며, 보다 바람직하게는 0.975~0.985이다.The draw ratio in the carbonization process is preferably 0.975 to 0.990, more preferably 0.975 to 0.985.
예비 탄소화 공정에 있어서의 연신 배율과 탄소화 공정에 있어서의 연신 배율의 곱은, 바람직하게는 1.040~1.130이며, 보다 바람직하게는 1.070~1.130이다.The product of the draw ratio in the preliminary carbonization process and the draw ratio in the carbonization process is preferably 1.040 to 1.130, more preferably 1.070 to 1.130.
예비 탄소화 공정의 연신 배율이 1.05 이상, 탄소화 공정의 연신 배율이 0.960 이상, 예비 탄소화 공정에 있어서의 연신 배율과 탄소화 공정에 있어서의 연신 배율의 곱이 1.020 이상이 되도록 제어함으로써, 얻어지는 탄소 섬유 다발의 상기 식(2)의 중앙의 항의 값 및 초기 탄성률을 적절한 범위로 제어할 수 있다. 한편, 예비 탄소화 공정의 연신 배율이 1.20 이하, 탄소화 공정의 연신 배율이 0.990 이하, 예비 탄소화 공정에 있어서의 연신 배율과 탄소화 공정에 있어서의 연신 배율의 곱이 1.180 이하가 되도록 제어함으로써, 연신에 의한 실 끊어짐을 억제하고, 탄소 섬유 제조 시의 조업성의 저하나, 얻어지는 탄소 섬유 다발의 보풀수의 증가를 억제할 수 있다.Carbon obtained by controlling the draw ratio in the preliminary carbonization process to be 1.05 or more, the draw ratio in the carbonization process to be 0.960 or more, and the product of the draw ratio in the preliminary carbonization process and the draw ratio in the carbonization process to be 1.020 or more. The value of the central term of the above equation (2) and the initial elastic modulus of the fiber bundle can be controlled to an appropriate range. Meanwhile, the draw ratio in the preliminary carbonization process is controlled to be 1.20 or less, the draw ratio in the carbonization process is 0.990 or less, and the product of the draw ratio in the preliminary carbonization process and the draw ratio in the carbonization process is 1.180 or less. By suppressing thread breakage due to stretching, a decrease in operability during carbon fiber production and an increase in the number of fluffs in the obtained carbon fiber bundle can be suppressed.
이상과 같이 해서 얻어진 탄소 섬유 다발에는, 매트릭스 수지와의 접착성을 향상시키기 위해 산화 처리가 실시되고, 산소 함유 관능기가 도입되는 것이 바람직하다. 산화 처리 방법으로서는 기상 산화, 액상 산화 및 액상 전해 산화가 사용되지만, 생산성이 높고, 균일 처리를 할 수 있다는 관점으로부터, 액상 전해 산화가 바람직하게 사용된다. 액상 전해 산화의 방법에 대해서는 특별히 지정은 없고, 공지의 방법으로 행하면 좋다.The carbon fiber bundle obtained as described above is preferably subjected to oxidation treatment to improve adhesion to the matrix resin and introduces an oxygen-containing functional group. As oxidation treatment methods, gas phase oxidation, liquid phase oxidation, and liquid phase electrolytic oxidation are used, but liquid phase electrolytic oxidation is preferably used from the viewpoint of high productivity and uniform treatment. There is no particular designation regarding the method of liquid electrolytic oxidation, and any known method may be used.
이러한 전해 처리 후, 얻어진 탄소 섬유 다발에 집속성을 부여하기 위해, 사이징 처리를 할 수도 있다. 사이징제로는, 복합 재료에 사용되는 매트릭스 수지의 종류에 따라, 상기 매트릭스 수지와의 상용성이 좋은 사이징제를 적당히 선택할 수 있다.After this electrolytic treatment, sizing treatment may be performed in order to provide bundling properties to the obtained carbon fiber bundle. As a sizing agent, a sizing agent that has good compatibility with the matrix resin can be appropriately selected depending on the type of matrix resin used in the composite material.
(실시예)(Example)
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the present invention is not limited to these.
<탄소 섬유 다발의 수지 함침 스트랜드 인장 시험><Tensile test of resin-impregnated strands of carbon fiber bundles>
탄소 섬유 다발의 수지 함침 스트랜드의 인장 탄성률(스트랜드 탄성률 E(㎬)), 수지 함침 스트랜드의 인장 강도(스트랜드 강도(㎬)) 및 응력 σ-변형 ε 곡선은 JIS R7608(2008) 「수지 함침 스트랜드 시험법」에 따라 구한다. 스트랜드 탄성률 E는 변형 범위 0.1~0.6%의 범위에서 측정한다. 또한, 시험편은, 다음 수지 조성물을 탄소 섬유 다발에 함침하고, 130℃의 온도에서 35분간 열처리의 경화 조건에 의해 제작한다.The tensile elastic modulus (strand elastic modulus E (GPa)) of the resin-impregnated strand of the carbon fiber bundle, the tensile strength (strand strength (GPa)) and the stress σ-strain ε curve of the resin-impregnated strand are according to JIS R7608 (2008) “Resin-impregnated strand test” Obtained in accordance with the law. Strand elastic modulus E is measured in a strain range of 0.1 to 0.6%. Additionally, the test piece is produced by impregnating the carbon fiber bundle with the following resin composition and curing it by heat treatment at a temperature of 130°C for 35 minutes.
[수지 조성][Resin composition]
·3,4-에폭시시클로헥실메틸-3,4-에폭시-시클로헥산-카르복실레이트(100질량부)・3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexane-carboxylate (100 parts by mass)
·3불화붕소 모노에틸아민(3질량부)·Boron trifluoride monoethylamine (3 parts by mass)
·아세톤(4질량부)Acetone (4 parts by mass)
또한, 스트랜드의 측정 개수는 6개로 하고, 각 측정 결과의 산술 평균값을 그 탄소 섬유 다발의 스트랜드 탄성률 및 스트랜드 강도로 한다.Additionally, the number of measured strands is set to 6, and the arithmetic mean value of each measurement result is taken as the strand elastic modulus and strand strength of the carbon fiber bundle.
<응력 σ-변형 ε 곡선의 해석><Analysis of stress σ-strain ε curve>
수지 함침 스트랜드 인장 시험에 의해 얻어진 응력 σ-변형 ε 곡선의 해석은, 세로축에 변형 ε(-), 가로축에 응력 σ(㎬)를 플롯하고, 다음 식(1)에 의해 피팅함으로써 계수 A, B, C를 산출한다. 피팅은 측정에서 얻어진 응력 σ-변형 ε 곡선 중, 응력 σ가 0~3㎬의 영역에 대해서 행한다. 피팅은 Microsoft제 「Excel」을 사용해서, 2차 함수에 의한 피팅을 행한다.Analysis of the stress σ-strain ε curve obtained by the resin-impregnated strand tensile test is performed by plotting strain ε(-) on the vertical axis and stress σ(GPa) on the horizontal axis, and fitting the coefficients A and B using the following equation (1). , yields C. Fitting is performed for the region where stress σ is 0 to 3 GPa among the stress σ-strain ε curve obtained from the measurement. Fitting is performed using a quadratic function using “Excel” manufactured by Microsoft.
ε=Aσ2+Bσ+C …(1).ε=Aσ 2 +Bσ+C … (One).
<초기 탄성률(㎬)><Initial elastic modulus (㎬)>
탄소 섬유 다발의 초기 탄성률은, 상술한 응력 σ-변형 ε 곡선의 해석에 의해, 식(1)에 의해 피팅해서 얻어진 계수 B를 사용해서, 다음과 같이 산출한다.The initial elastic modulus of the carbon fiber bundle is calculated as follows by analyzing the stress σ-strain ε curve described above and using the coefficient B obtained by fitting Equation (1).
초기 탄성률(㎬)=1/B.Initial elastic modulus (㎬) = 1/B.
<탄소 섬유 다발의 결정 배향도 Π(%)><Crystal orientation of carbon fiber bundle Π (%)>
측정에 제공하는 탄소 섬유 다발을 가지런히 모으고, 콜로디온·알코올 용액을 사용해서 굳힘으로써 길이 4㎝, 1변의 길이가 1㎜인 사각기둥의 측정 시료를 준비한다. 준비된 측정 시료에 대해서, 광각 X선 회절 장치를 사용해서, 다음 조건에 의해 측정을 행한다.The carbon fiber bundles to be used for measurement are neatly collected and hardened using a collodion/alcohol solution to prepare a measurement sample of a square pillar with a length of 4 cm and a side length of 1 mm. Measurement is performed on the prepared measurement sample using a wide-angle X-ray diffractometer under the following conditions.
·X선원: CuKα선(관전압 40㎸, 관전류 30㎃)·X-ray source: CuKα ray (tube voltage 40 kV, tube current 30 mA)
·검출기: 고니오미터+모노크로미터+신틸레이션 카운터·Detector: goniometer + monochromator + scintillation counter
2θ=25~26° 부근에 나타나는 피크를 원주 방향으로 스캔해서 얻어지는 회절 강도 분포의 반가폭 H(°)로부터 다음 식을 사용해서 구한다.The half width H (°) of the diffraction intensity distribution obtained by scanning the peak that appears around 2θ = 25 to 26° in the circumferential direction is obtained using the following equation.
결정 배향도 Π(%)=[(180-H)/180]×100Crystal orientation Π(%)=[(180-H)/180]×100
또한, 실시예에서는 상기 광각 X선 회절 장치로서, SHIMADZU CORPORATION제 XRD-6100을 사용했다.In addition, in the examples, as the wide-angle X-ray diffraction device, XRD-6100 manufactured by SHIMADZU CORPORATION was used.
<결정자 사이즈 Lc(㎚)><Crystallite size Lc (nm)>
·X선원: CuKα선(관전압 40㎸, 관전류 30㎃)·X-ray source: CuKα ray (tube voltage 40 kV, tube current 30 mA)
·검출기: 고니오미터+모노크로미터+신틸레이션 카운터·Detector: goniometer + monochromator + scintillation counter
·주사 범위: 2θ=10~40°·Scanning range: 2θ=10~40°
·주사 모드: 스텝 스캔, 스텝 단위 0.02°, 계수 시간 2초.·Scanning mode: step scan, step unit 0.02°, counting time 2 seconds.
얻어진 회절 패턴에서 있어서, 2θ=25~26° 부근에 나타나는 피크에 대해서, 반값폭을 구하고, 이 값으로부터 다음 셰러(Scherrer)의 식에 의해 결정자 사이즈를 산출한다.In the obtained diffraction pattern, the half width is determined for the peak that appears around 2θ = 25 to 26°, and the crystallite size is calculated from this value using the following Scherrer equation.
결정자 사이즈(㎚)=Kλ/β0cosθB Crystallite size (㎚)=Kλ/β 0 cosθ B
단,step,
K: 1.0, λ: 0.15418㎚(X선의 파장)K: 1.0, λ: 0.15418 nm (X-ray wavelength)
β0: (βE 2-β1 2)1/2 β 0 : (β E 2 -β 1 2 ) 1/2
βE: 겉보기의 반값폭(측정값)radβ E : Apparent half width (measured value) rad
β1: 1.046×10-2radβ 1 : 1.046×10 -2 rad
θB: Bragg의 회절각.θ B : Bragg's diffraction angle.
<진원도의 측정(-)><Measurement of roundness (-)>
폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발 또는 탄소 섬유 다발을 외날 면도칼로 섬유축 방향에 대해서 수직으로 절단하고, 얻은 단면을 Hitachi High-Tech Corporation제의 주사 전자 현미경(SEM) 「S-4800」을 사용해서, 섬유 단면의 수직 방향으로부터 관찰한다. 취득한 화상을 화상 해석 소프트웨어 「ImageJ」를 사용해서 해석하고, 상기 섬유 단면에 포함되는 단섬유에 대해서, 상기 단섬유의 단면의 둘레 길이와 면적으로부터 다음 정의에 따라 진원도를 산출한다. 이 측정을 1개의 단면에 있어서, 랜덤으로 25개의 단섬유에 대해서 반복하고, 진원도를 평균한 것을 단섬유 단면의 진원도로 한다.A polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle or a carbon fiber bundle was cut perpendicularly to the fiber axis direction with a single-edged razor, and the obtained cross section was examined using a scanning electron microscope (SEM) "S-4800" manufactured by Hitachi High-Tech Corporation. , observed from the vertical direction of the fiber cross section. The acquired image is analyzed using image analysis software "ImageJ", and for the single fiber included in the fiber cross section, the roundness is calculated from the circumferential length and area of the cross section of the single fiber according to the following definition. This measurement is repeated for 25 single fibers at random in one cross section, and the average roundness is taken as the roundness of the single fiber cross section.
단섬유 단면의 진원도는, 단섬유 단면의 둘레 길이 L과 면적 Acs로부터 다음과 같이 정의된다.The roundness of the single fiber cross section is defined as follows from the circumferential length L and the area A cs of the single fiber cross section.
(진원도)=4πAcs/L2.(Roundness)=4πA cs /L 2 .
<고차 가공성의 평가><Evaluation of high-order machinability>
탄소 섬유 다발의 보빈을 크릴에 설치하고, 장력 1.6mN/dtex로 인출하여 10개의 프리 롤러를 개재한 후, 5개의 고정 가이드에 찰과시키고, 속도 10m/분의 구동 롤러로 인취하고 와인더로 권취한다. 이때, 발생하는 보풀을 구동 롤러 직전에서 10분간 카운트하고, 이하의 지표로 평가를 한다.The bobbin of the carbon fiber bundle is installed on the creel, pulled out with a tension of 1.6mN/dtex, interposed with 10 free rollers, then rubbed against 5 fixed guides, taken up by a driving roller at a speed of 10m/min, and then wound by a winder. wind it up At this time, the fluff generated is counted for 10 minutes immediately before the drive roller, and evaluated using the following indicators.
A: 10개 미만/mA: Less than 10 pieces/m
B: 10개 이상 50개 미만/mB: 10 or more but less than 50/m
C: 50개 이상/m.C: More than 50 pieces/m.
(실시예 1~4)(Examples 1 to 4)
아크릴로니트릴과 이타콘산으로 이루어지는 폴리아크릴로니트릴계 공중합체를, 디메틸술폭시드를 용매로 해서 용액 중합법에 의해 중합시키고, 폴리아크릴로니트릴계 공중합체를 제조해서 방사 원액을 얻었다. 얻어진 방사 원액을, 구멍수 50,000의 제사 구금으로부터 디메틸술폭시드의 수용액으로 이루어지는 응고욕 중에 도입하는 습식 방사법에 의해 응고하고, 섬유 다발로 했다. 이 섬유 다발을, 상법에 의해 30~98℃에서 수세하고, 그 때에 연신을 행했다. 계속해서, 이 수세 연신 후의 섬유 다발에 대해서, 아미노 변성 실리콘 유제를 부여하고, 130℃의 가열 롤러를 사용해서 건조 치밀화 처리를 행하고, 단섬유 개수 50,000개, 단섬유 섬도 1.50dtex의 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을 얻었다. 또한, 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발에 가연 처리는 행하지 않았다.A polyacrylonitrile-based copolymer composed of acrylonitrile and itaconic acid was polymerized by solution polymerization using dimethyl sulfoxide as a solvent to prepare a polyacrylonitrile-based copolymer, thereby obtaining a spinning stock solution. The obtained spinning stock solution was coagulated by a wet spinning method in which it was introduced into a coagulation bath made of an aqueous solution of dimethyl sulfoxide from a spinneret with 50,000 holes, thereby forming a fiber bundle. This fiber bundle was washed with water at 30 to 98°C according to a conventional method, and then stretched. Subsequently, an amino-modified silicone emulsion is applied to the fiber bundle after washing and stretching, and a dry densification treatment is performed using a heating roller at 130° C., and polyacrylonitrile with a single fiber count of 50,000 and a single fiber fineness of 1.50 dtex is obtained. A system precursor fiber bundle was obtained. In addition, false twisting treatment was not performed on the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle.
얻어진 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을, 표 1에 나타내는 조건의 내염화 공정, 예비 탄소화 공정, 탄소화 공정으로 처리하여 탄소 섬유 다발을 얻었다. 또한, 내염화 공정, 예비 탄소화 공정, 탄소화 공정 각각에 있어서, 상이한 온도를 갖는 복수의 열처리로에 의해 온도를 단계적으로 높게 해서 열처리를 행했다. 또한, 내염화 공정, 예비 탄소화 공정, 탄소화 공정에 있어서 가연 처리는 행하지 않았다. 얻어진 탄소 섬유 다발의 특성을 표 2에 나타낸다.The obtained polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle was subjected to a flameproofing process, preliminary carbonization process, and carbonization process under the conditions shown in Table 1 to obtain a carbon fiber bundle. In addition, in each of the flameproofing process, preliminary carbonization process, and carbonization process, heat treatment was performed by gradually increasing the temperature using a plurality of heat treatment furnaces having different temperatures. In addition, no false combustion treatment was performed in the flameproofing process, preliminary carbonization process, and carbonization process. The properties of the obtained carbon fiber bundle are shown in Table 2.
(실시예 5)(Example 5)
방사 원액의 토출량을 변경해서 단섬유 섬도가 1.65dtex인 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을 얻고, 계속되는 예비 탄소화 공정, 탄소화 공정의 조건을 표 1에 나타내는 바와 같이 변경한 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 실시했다.Example 1, except that the discharge amount of the spinning solution was changed to obtain a polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle with a single fiber fineness of 1.65 dtex, and the conditions of the subsequent preliminary carbonization process and carbonization process were changed as shown in Table 1. It was carried out similarly.
(실시예 6)(Example 6)
방사 원액의 토출량을 변경해서 단섬유 섬도가 2.40dtex인 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을 얻고, 계속되는 예비 탄소화 공정, 탄소화 공정의 조건을 표 1에 나타내는 바와 같이 변경한 외에는, 실시예 1과 마찬가지로 실시했다.Example 1, except that the discharge amount of the spinning solution was changed to obtain a polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle with a single fiber fineness of 2.40 dtex, and the conditions of the subsequent preliminary carbonization process and carbonization process were changed as shown in Table 1. It was carried out similarly.
(실시예 7)(Example 7)
내염화 온도, 예비 탄소화 공정의 연신비, 탄소화 공정의 연신비를 표 1에 나타내는 조건으로 변경한 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 실시했다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that the flame resistance temperature, the draw ratio of the preliminary carbonization process, and the draw ratio of the carbonization process were changed to the conditions shown in Table 1.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
예비 탄소화 공정의 연신 배율을 1.00, 탄소화 공정의 연신 배율이 0.960, 연신 배율의 곱이 0.960이 되도록 변경한 외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 탄소 섬유 다발을 얻었다. 얻어진 탄소 섬유 다발의 식(2)의 중앙의 항의 값은 -307, 초기 탄성률은 213㎬이며, 고차 가공 시의 조업성이 뒤떨어지는 것이었다.A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1, except that the draw ratio of the preliminary carbonization process was changed to 1.00, the draw ratio of the carbonization process was changed to 0.960, and the product of the draw ratio was changed to 0.960. The value of the central term in equation (2) of the obtained carbon fiber bundle was -307, the initial elastic modulus was 213 GPa, and the operability during high-order processing was poor.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
예비 탄소화 공정의 연신 배율을 1.01, 탄소화 공정의 연신 배율이 0.955, 연신 배율의 곱이 0.965가 되도록 변경한 외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 탄소 섬유 다발을 얻었다. 얻어진 탄소 섬유 다발의 식(2)의 중앙의 항의 값은 -286, 초기 탄성률은 215㎬이며, 고차 가공 시의 조업성이 뒤떨어지는 것이었다.A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1, except that the draw ratio of the preliminary carbonization process was changed to 1.01, the draw ratio of the carbonization process was changed to 0.955, and the product of the draw ratio was changed to 0.965. The value of the center term in equation (2) of the obtained carbon fiber bundle was -286, the initial elastic modulus was 215 GPa, and the operability during high-order processing was poor.
(비교예 3)(Comparative Example 3)
예비 탄소화 공정의 연신 배율을 1.02, 탄소화 공정의 연신 배율이 0.950, 연신 배율의 곱이 0.969가 되도록 변경한 외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 탄소 섬유 다발을 얻었다. 얻어진 탄소 섬유 다발의 식(2)의 중앙의 항의 값은 -287, 초기 탄성률은 220㎬이며, 고차 가공 시의 조업성이 뒤떨어지는 것이었다.A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1, except that the draw ratio of the preliminary carbonization process was changed to 1.02, the draw ratio of the carbonization process was changed to 0.950, and the product of the draw ratio was changed to 0.969. The value of the center term in equation (2) of the obtained carbon fiber bundle was -287, the initial elastic modulus was 220 GPa, and the operability during high-order processing was poor.
(비교예 4)(Comparative Example 4)
방사 원액의 토출량을 변경해서 단섬유 섬도가 0.80dtex인 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을 얻고, 또한 예비 탄소화 공정의 연신 배율을 1.05, 탄소화 공정의 연신 배율이 0.950, 연신 배율의 곱이 0.998이 되도록 변경한 외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 탄소 섬유 다발을 얻었다. 얻어진 탄소 섬유 다발의 식(2)의 중앙의 항의 값은 -290, 초기 탄성률은 218㎬이며, 고차 가공 시의 조업성이 뒤떨어지는 것이었다.By changing the discharge amount of the spinning solution, a polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle with a single fiber fineness of 0.80 dtex was obtained, and the draw ratio of the preliminary carbonization process was 1.05, the draw ratio of the carbonization process was 0.950, and the product of the draw ratio was 0.998. A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that this was changed. The value of the central term in equation (2) of the obtained carbon fiber bundle was -290, the initial elastic modulus was 218 GPa, and the operability during high-order processing was poor.
(비교예 5)(Comparative Example 5)
방사 원액의 토출량을 변경해서 단섬유 섬도가 3.00dtex인 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을 얻고, 또한 예비 탄소화 공정의 연신 배율을 1.00, 탄소화 공정의 연신 배율이 0.955, 연신 배율의 곱이 0.955가 되도록 변경한 외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 탄소 섬유 다발을 얻었다. 얻어진 탄소 섬유 다발의 식(2)의 중앙의 항의 값은 -277, 초기 탄성률은 225㎬이며, 고차 가공 시의 조업성이 뒤떨어지는 것이었다.By changing the discharge amount of the spinning solution, a polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle with a single fiber fineness of 3.00 dtex was obtained, and the draw ratio of the preliminary carbonization process was set to 1.00, the draw ratio of the carbonization process was set to 0.955, and the product of the draw ratio was set to 0.955. A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was changed to . The value of the center term in equation (2) of the obtained carbon fiber bundle was -277, the initial elastic modulus was 225 GPa, and the operability during high-order processing was poor.
(비교예 6)(Comparative Example 6)
방사 원액을 제사 구금으로부터 일단 공기 중으로 토출한 후에 디메틸술폭시드의 수용액으로 이루어지는 응고욕 중에 도입하는 건습식 방사법에 의해 응고시킨 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을 얻고, 예비 탄소화 공정의 연신 배율을 1.01, 탄소화 공정의 연신 배율이 0.965, 연신 배율의 곱이 0.975가 되도록 변경한 외에는 실시예 1과 마찬가지로 해서 탄소 섬유 다발을 얻었다. 얻어진 탄소 섬유 다발의 식(2)의 중앙의 항의 값은 -290, 초기 탄성률은 223㎬이며, 고차 가공 시의 조업성이 뒤떨어지는 것이었다.A bundle of polyacrylonitrile-based precursor fibers was obtained in the same manner as in Example 1, except that the spinning stock solution was once discharged into the air from the spinning nozzle and then coagulated by a dry and wet spinning method in which it was introduced into a coagulation bath made of an aqueous solution of dimethyl sulfoxide. A carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in Example 1, except that the draw ratio of the carbonization process was changed to 1.01, the draw ratio of the carbonization process was changed to 0.965, and the product of the draw ratio was 0.975. The value of the central term in equation (2) of the obtained carbon fiber bundle was -290, the initial elastic modulus was 223 GPa, and the operability during high-order processing was poor.
(비교예 7)(Comparative Example 7)
예비 탄소화 공정의 연신 배율을 1.23이 되도록 변경한 외에는 실시예 1과 마찬가지로 한 결과, 예비 탄소화 공정에서 섬유 다발이 파탄되어 탄소 섬유 다발이 얻어지지 않았다.As a result of carrying out the same procedure as in Example 1 except that the draw ratio of the preliminary carbonization process was changed to 1.23, the fiber bundle broke in the preliminary carbonization process and no carbon fiber bundle was obtained.
(비교예 8)(Comparative Example 8)
예비 단탄소화 공정의 연신 배율을 1.05, 탄소화 공정의 연신 배율을 1.000, 연신 배율의 곱을 1.050이 되도록 제어한 외에는 실시예 1과 마찬가지로 한 결과, 탄소화 공정에서 섬유 다발이 파탄되어 탄소 섬유 다발이 얻어지지 않았다.As a result of the same procedure as in Example 1, except that the draw ratio of the preliminary single carbonization process was controlled to be 1.05, the draw ratio of the carbonization process was controlled to be 1.000, and the product of the draw ratio was controlled to be 1.050, the fiber bundle was broken in the carbonization process, resulting in a carbon fiber bundle. This was not obtained.
(비교예 9)(Comparative Example 9)
내염화 공정의 온도를 표 1에 나타내는 조건으로 변경하고, 예비 탄소화 공정의 연신 배율을 1.05로 한 외에는 실시예 1과 마찬가지로 실시한 결과, 예비 탄소화 섬유 다발의 보풀이 증대되고, 품위가 대폭 악화되었기 때문에, 그 후의 공정의 조업을 할 수 없어 탄소 섬유 다발이 얻어지지 않았다.As a result of performing the same procedure as in Example 1 except that the temperature of the flameproofing process was changed to the conditions shown in Table 1 and the draw ratio of the preliminary carbonization process was set to 1.05, the fluff of the preliminary carbonized fiber bundle increased and the quality deteriorated significantly. As a result, subsequent processes could not be performed and no carbon fiber bundles were obtained.
(비교예 10)(Comparative Example 10)
내염화 공정의 온도를 표 1에 나타내는 조건으로 변경하고, 예비 탄소화 공정의 연신 배율을 1.05로 한 외에는 실시예 1과 마찬가지로 실시한 결과, 예비 탄소화 섬유 다발의 보풀이 증대되고, 품위가 대폭 악화되었기 때문에, 그 후의 공정의 조업을 할 수 없어 탄소 섬유 다발이 얻어지지 않았다.As a result of performing the same procedure as in Example 1 except that the temperature of the flameproofing process was changed to the conditions shown in Table 1 and the draw ratio of the preliminary carbonization process was set to 1.05, the fluff of the preliminary carbonized fiber bundle increased and the quality deteriorated significantly. As a result, subsequent processes could not be performed and no carbon fiber bundles were obtained.
Claims (6)
ε=Aσ2+Bσ+C …(1)
-410≤(0.0000832Π2-0.0184Π+1.00)/A≤-310 …(2)
여기에서, A, B, C는 응력 σ와 변형 ε의 2차 함수의 계수이며, Π는 결정 배향도이다.In the stress σ-strain ε curve in the resin-impregnated strand tensile test, the coefficient A obtained from the approximate equation (1) for nonlinearity in the stress range of 0 to 3 GPa, and the crystal orientation Π in the wide-angle X-ray diffraction measurement A carbon fiber bundle whose (%) relationship satisfies Equation (2), has an initial modulus of elasticity of 240 to 279 GPa, a filament count of 24,000 to 72,000, and is substantially lead-free.
ε=Aσ 2 +Bσ+C … (One)
-410≤(0.0000832Π 2 -0.0184Π+1.00)/A≤-310 … (2)
Here, A, B, C are the coefficients of the quadratic function of stress σ and strain ε, and Π is the crystal orientation.
단섬유 섬도가 0.63~1.35dtex인 탄소 섬유 다발.According to claim 1,
A bundle of carbon fibers with a single fiber fineness of 0.63 to 1.35 dtex.
단섬유 단면의 진원도가 0.86~0.98인 탄소 섬유 다발.The method of claim 1 or 2,
A bundle of carbon fibers with a circularity of the single fiber cross section of 0.86 to 0.98.
필라멘트수가 24,000~72,000이며 실질적으로 무연의 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발을 산화성 분위기 중 220~280℃의 온도에서 열처리하는 내염화 공정과, 상기 내염화 공정에서 얻어진 내염화 섬유 다발을 불활성 분위기 중, 최고 온도가 300~1,000℃에서 열처리하는 예비 탄소화 공정과, 상기 예비 탄소화 섬유 다발에서 얻어진 예비 탄소화 섬유 다발을 불활성 분위기 중, 최고 온도가 1,000~1,600℃에서 열처리하는 탄소화 공정을 포함하고,
상기 예비 탄소화 공정에 있어서의 연신 배율이 1.05~1.20이며, 상기 탄소화 공정에 있어서의 연신 배율이 0.960~0.990이며, 또한 상기 예비 탄소화 공정과 상기 탄소화 공정의 연신 배율의 곱이 1.020~1.180이며,
상기 내염화 공정에 있어서는, 서로 상이한 온도로 설정된 복수의 열처리로, 또는 열처리로 내에 형성되어 서로 상이한 온도로 설정된 복수의 열처리 섹션에서, 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발에 단계적으로 열처리를 실시하고, 상기 내염화 공정에 있어서 가장 온도가 낮은 열처리로 또는 열처리 섹션의 온도를 230℃ 미만, 또한 가장 온도가 높은 열처리로 또는 열처리 섹션의 온도를 280℃ 이하로 하는 탄소 섬유 다발의 제조 방법.A method for producing the carbon fiber bundle according to any one of claims 1 to 3, comprising:
A flameproofing process of heat-treating a substantially lead-free polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle with a filament count of 24,000 to 72,000 at a temperature of 220 to 280°C in an oxidizing atmosphere, and heat-treating the flameproofing fiber bundle obtained in the flameproofing process in an inert atmosphere. , a preliminary carbonization process of heat treatment at a maximum temperature of 300 to 1,000°C, and a carbonization process of heat treatment of the preliminary carbonized fiber bundle obtained from the preliminary carbonized fiber bundle in an inert atmosphere at a maximum temperature of 1,000 to 1,600°C. do,
The draw ratio in the preliminary carbonization process is 1.05 to 1.20, the draw ratio in the carbonization process is 0.960 to 0.990, and the product of the draw ratios of the preliminary carbonization process and the carbonization process is 1.020 to 1.180. and
In the flameproofing process, the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle is subjected to heat treatment step by step in a plurality of heat treatment furnaces set to mutually different temperatures, or in a plurality of heat treatment sections formed within the heat treatment furnace and set to mutually different temperatures, In the flameproofing process, the temperature of the heat treatment furnace or heat treatment section with the lowest temperature is set to less than 230°C, and the temperature of the heat treatment furnace or heat treatment section with the highest temperature is set to 280°C or less.
상기 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 단섬유 섬도가 1.20~2.40dtex인 탄소 섬유 다발의 제조 방법.According to claim 4,
A method for producing a carbon fiber bundle in which the single fiber fineness of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle is 1.20 to 2.40 dtex.
상기 폴리아크릴로니트릴계 전구체 섬유 다발의 단섬유 단면의 진원도가 0.86~0.98인 탄소 섬유 다발의 제조 방법.The method of claim 4 or 5,
A method of producing a carbon fiber bundle wherein the roundness of the cross-section of the single fiber of the polyacrylonitrile-based precursor fiber bundle is 0.86 to 0.98.
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