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JP6048395B2 - Polyacrylonitrile-based polymer, carbon fiber precursor fiber, and method for producing carbon fiber - Google Patents

Polyacrylonitrile-based polymer, carbon fiber precursor fiber, and method for producing carbon fiber Download PDF

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JP6048395B2 JP2013268553A JP2013268553A JP6048395B2 JP 6048395 B2 JP6048395 B2 JP 6048395B2 JP 2013268553 A JP2013268553 A JP 2013268553A JP 2013268553 A JP2013268553 A JP 2013268553A JP 6048395 B2 JP6048395 B2 JP 6048395B2
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Description

本発明は、耐炎化工程を高糸条密度化するのに好適なポリアクリロニトリル系重合体、およびそのポリアクリロニトリル系重合体を用いた炭素繊維前駆体繊維ならびに炭素繊維の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a polyacrylonitrile polymer suitable for increasing the yarn density in the flameproofing process, a carbon fiber precursor fiber using the polyacrylonitrile polymer, and a method for producing the carbon fiber.

炭素繊維は、他の繊維に比べて高い比強度および比弾性率を有するため、複合材料用補強繊維として、従来からのスポーツ用途や航空・宇宙用途に加え、自動車や土木・建築、圧力容器および風車ブレードなどの一般産業用途にも幅広く展開されており、さらなる生産性の向上の要請が高い。   Since carbon fiber has higher specific strength and specific modulus than other fibers, it can be used as a reinforcing fiber for composite materials in addition to conventional sports applications, aerospace applications, automobiles, civil engineering / architecture, pressure vessels and Widely deployed in general industrial applications such as windmill blades, there is a strong demand for further improvement in productivity.

炭素繊維の中で、最も広く利用されているポリアクリロニトリル(以下、PANと略記することがある)系炭素繊維は、その前駆体となるPAN系重合体からなる紡糸溶液を湿式紡糸、乾式紡糸または乾湿式紡糸して炭素繊維前駆体繊維(以下、前駆体繊維と略記することがある)を得た後、それを180〜400℃の温度の酸化性雰囲気下で加熱して耐炎化繊維へ転換し、少なくとも1000℃の温度の不活性雰囲気下で加熱して炭素化することによって工業的に製造されている。   Among the carbon fibers, the most widely used polyacrylonitrile (hereinafter sometimes abbreviated as PAN) carbon fiber is a wet spinning, dry spinning or spinning solution composed of a PAN polymer as its precursor. After carbon fiber precursor fiber (hereinafter sometimes abbreviated as precursor fiber) is obtained by dry and wet spinning, it is heated in an oxidizing atmosphere at a temperature of 180 to 400 ° C. to convert it into flame resistant fiber. However, it is produced industrially by heating and carbonizing in an inert atmosphere at a temperature of at least 1000 ° C.

炭素繊維の生産性や設備の小型化により設備費を抑制するためには、一度に焼成する繊維の密度を上げる方法があるが、発熱反応が進行する耐炎化工程において、限られた空間内に存在する繊維の密度が高すぎると糸切れや発火が起こるという問題がある。耐炎化中の糸束を除熱する方法について、現在までに様々な提案がなされてきている。例えば、流動床を用いて除熱効率を高める方法(特許文献1参照)、冷却用ローラーを用いて糸条の温度をコントロールする方法(特許文献2参照)、有機化合物の蒸発蒸気を含む雰囲気で耐炎化する方法(特許文献3参照)などがある。   In order to control equipment costs by reducing carbon fiber productivity and equipment size, there is a method to increase the density of fibers fired at one time, but in a flameproofing process where an exothermic reaction proceeds, within a limited space If the density of the existing fiber is too high, there is a problem that yarn breakage or ignition occurs. Various proposals have been made to date regarding methods for removing heat from a yarn bundle that is being flame-resistant. For example, a method for increasing the heat removal efficiency using a fluidized bed (see Patent Document 1), a method for controlling the temperature of the yarn using a cooling roller (see Patent Document 2), and flame resistance in an atmosphere containing vaporized organic compounds. And the like (see Patent Document 3).

特開平03―33220号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 03-33220 特開平04―108117号公報Japanese Patent Laid-Open No. 04-108117 特開2001―248025号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-248025

しかしながら、流動床を用いる方法では、粒子が炉外に漏れだしたり、設備の面で従来の方法より高コストになったりするといった問題があった。また、冷却用ローラーを用いる方法では除熱効率を上げるためにローラー本数を多くする必要があり、その分高コストとなるといった問題があった。 さらに、有機化合物の蒸発蒸気を含む雰囲気で耐炎化する方法では、有機化合物の蒸発蒸気の可燃性や人体への影響など取扱いが難しいという問題があった。   However, in the method using the fluidized bed, there are problems that particles leak out of the furnace and that the cost is higher than the conventional method in terms of equipment. Further, in the method using a cooling roller, it is necessary to increase the number of rollers in order to increase the heat removal efficiency, and there is a problem that the cost is increased accordingly. Furthermore, in the method of making flame resistant in an atmosphere containing an organic compound vapor, there is a problem that handling is difficult due to the flammability of the organic compound vapor and the effect on the human body.

以上の問題点から、耐炎化工程においては実質的には限られた糸条数で緻密な温度制御の下で長時間処理するという製造方法が用いられている。この耐炎化工程での制約が炭素繊維の生産性向上の大きな障害の一つとなっていた。   In view of the above problems, a manufacturing method is used in which the treatment is performed for a long time under precise temperature control with a substantially limited number of yarns in the flameproofing step. This restriction in the flameproofing process has been one of the major obstacles to the improvement of carbon fiber productivity.

そこで本発明は、新たな設備を必要とせずに高密度に耐炎化可能な炭素繊維前駆体繊維の製造に必要なポリアクリロニトリル系重合体を提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the polyacrylonitrile-type polymer required for manufacture of the carbon fiber precursor fiber which can be flame-resistant with high density, without requiring a new installation.

かかる課題を解決するための本発明は、次の構成を有するものである。すなわち、本発明のポリアクリロニトリル系重合体は、共重合成分として脱離基とニトリル基を有するビニル系モノマーを1〜30モル%耐炎化促進成分を0.1〜1モル%、およびアクリロニトリルを含むアクリロニトリル系モノマー組成物を重合して得られることを特徴とする。 The present invention for solving this problem has the following configuration. That is, the polyacrylonitrile polymer of the present invention comprises 1 to 30 mol% of a vinyl monomer having a leaving group and a nitrile group as a copolymerization component, 0.1 to 1 mol% of a flameproofing acceleration component , and acrylonitrile. It is obtained by polymerizing the acrylonitrile-based monomer composition to be contained .

本発明のポリアクリロニトリル系重合体の好ましい態様によれば、ポリアクリロニトリル系重合体を空気雰囲気下で100分間加熱した際、加熱後のニトリル基残存率が35%となる温度をTc℃とした時、示差走査熱量計により、空気中で昇温速度10℃/分として測定されたTc℃での発熱速度が1.4J/g/s以下である。   According to a preferred embodiment of the polyacrylonitrile-based polymer of the present invention, when the polyacrylonitrile-based polymer is heated in an air atmosphere for 100 minutes, the temperature at which the nitrile group residual ratio after heating is 35% is Tc ° C. The heat generation rate at Tc ° C. measured at 10 ° C./min in air by a differential scanning calorimeter is 1.4 J / g / s or less.

本発明のポリアクリロニトリル系重合体は、脱離基とニトリル基を有するビニル系モノマー、下記の式(1)または式(2)で示される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物が用いられるが、本発明で用いられる化合物は、その中でも、2−エトキシアクリロニトリル、3−エトキシアクリロニトリル、および2−アセトキシアクリロニトリルからなる群から選ばれる少なくとも1種であることを必須とする。さらに、本発明で用いられる耐炎化促進成分は、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸、メサコン酸、アクリルアミドおよびメタクリルアミドからなる群から選ばれる少なくとも1種であることを必須とするPolyacrylonitrile-based polymer of the present invention, a vinyl monomer having a leaving group and a nitrile group, at least one compound selected from the group consisting of compounds represented by the following formula (1) or formula (2) Although used, it is essential that the compound used in the present invention is at least one selected from the group consisting of 2-ethoxyacrylonitrile, 3-ethoxyacrylonitrile, and 2-acetoxyacrylonitrile. Furthermore, the flameproofing promoting component used in the present invention is at least one selected from the group consisting of acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, mesaconic acid, acrylamide and methacrylamide. Is essential .

Figure 0006048395
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(式(1)中、XはOR,OCOR,SO,NR,Cl,Br,Iのいずれかから選ばれる。ここで、RおよびRは水素またはアルキル基を表す。) (In the formula (1), X is selected from OR 1 , OCOR 1 , SO 3 R 1 , NR 1 R 2 , Cl, Br, and I. Here, R 1 and R 2 are hydrogen or an alkyl group. Represents.)

Figure 0006048395
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(式(2)中、XはOR,OCOR,SO,NR,Cl,Br,Iのいずれかから選ばれる。ここで、RおよびRは水素またはアルキル基を表す。)
本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法は、前記ポリアクリロニトリル系重合体を湿式紡糸法または乾湿式紡糸法により紡糸する炭素繊維前駆体繊維の製造方法である。
(In the formula (2), X is selected from OR 1 , OCOR 1 , SO 3 R 1 , NR 1 R 2 , Cl, Br, and I. Here, R 1 and R 2 are hydrogen or an alkyl group. Represents.)
The method for producing a carbon fiber precursor fiber of the present invention is a method for producing a carbon fiber precursor fiber in which the polyacrylonitrile-based polymer is spun by a wet spinning method or a dry and wet spinning method.

本発明の炭素繊維の製造方法は、前記炭素繊維前駆体繊維を、180〜300℃の温度の空気中において耐炎化する耐炎化工程と、該耐炎化工程で得られた繊維を、300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において予備炭化する予備炭化工程と、該予備炭化工程で得られた繊維を1000〜3000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化する炭化工程を順次経て得る炭素繊維の製造方法である。   The carbon fiber production method of the present invention comprises a flameproofing step of flameproofing the carbon fiber precursor fiber in air at a temperature of 180 to 300 ° C., and a fiber obtained in the flameproofing step of 300 to 800. A carbon fiber obtained by sequentially preliminarily carbonizing in an inert atmosphere at a temperature of ° C and a carbonizing step of carbonizing the fiber obtained in the preliminary carbonization process in an inert atmosphere at a temperature of 1000 to 3000 ° C. It is a manufacturing method.

本発明によれば、炭素繊維前駆体繊維の耐炎化工程での糸切れを抑制しつつ高糸条密度化を行うことが出来るため、炭素繊維の生産性を向上させることが出来る。   According to the present invention, it is possible to increase the yarn density while suppressing yarn breakage in the flameproofing step of the carbon fiber precursor fiber, and therefore it is possible to improve the productivity of the carbon fiber.

本発明者らは、耐炎化工程での糸切れを抑制しつつ高糸条密度化を行うことが可能な炭素繊維炭素繊維前駆体繊維を製造するために、鋭意検討を重ねた結果、本発明に到達した。   The inventors of the present invention have made extensive studies in order to produce carbon fiber carbon fiber precursor fibers capable of increasing the yarn density while suppressing yarn breakage in the flameproofing process. Reached.

本発明のポリアクリロニトリル系重合体は、共重合成分として脱離基とニトリル基を有するビニル系モノマーを1〜30モル%耐炎化促進成分0.1〜1モル%、およびアクリロニトリルを含むアクリロニトリル系モノマー組成物を重合して得られることを特徴とする。 Polyacrylonitrile-based polymer of the present invention, 1 to 30 mol% of a vinyl monomer having a leaving group and a nitrile group as a copolymerization component, flame accelerating component 0.1 to 1 mol%, and acrylonitrile containing acrylonitrile It is obtained by polymerizing a monomer composition .

本発明において、脱離基とニトリル基を有するビニル系モノマーの含有量を1モル%より少なくすると、耐炎化工程での発熱量を十分に抑制しにくくなり、本発明の効果が得られなくなることがある。また、脱離基とニトリル基を有するビニル系モノマーの含有量が30モル%を超えると、共重合部分での熱分解による分子断裂が顕著となり、得られる炭素繊維の引張強度が大幅に低下するほか、耐炎化工程で溶融して繊維接着することが懸念される。かかる観点から、本発明においては脱離基とニトリル基を有するビニル系モノマーの含有量は1〜30モル%である。好ましくは、3〜20モル%である。   In the present invention, if the content of the vinyl monomer having a leaving group and a nitrile group is less than 1 mol%, it is difficult to sufficiently suppress the amount of heat generated in the flameproofing step, and the effects of the present invention cannot be obtained. There is. In addition, when the content of the vinyl monomer having a leaving group and a nitrile group exceeds 30 mol%, molecular breakage due to thermal decomposition at the copolymerization portion becomes remarkable, and the tensile strength of the resulting carbon fiber is greatly reduced. In addition, there is a concern that the fiber is melted and bonded in the flameproofing process. From this viewpoint, in the present invention, the content of the vinyl monomer having a leaving group and a nitrile group is 1 to 30 mol%. Preferably, it is 3-20 mol%.

耐炎化促進成分の含有量を0.1モル%より少なくすると、耐炎化工程での反応を十分に進行させることが出来ず、炭化工程での収率が低下することがある。また、耐炎化促進成分の含有量が1モル%を超えると、耐炎化工程での反応が急激に進行し、耐炎化工程での発熱量を十分に抑制しにくくなることが懸念される。かかる観点から、本発明においては耐炎化促進成分の含有量は0.1〜1モル%である。好ましくは、0.3〜0.8モル%である。なお、本発明では、耐炎化促進成分として、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸、メサコン酸、アクリルアミドおよびメタクリルアミドからなる群から選ばれる少なくとも1種が用いられることを必須とする。本発明において、アクリロニトリル系モノマーに含有されるアミド基とカルボキシル基の数は、1つよりも2つ以上であるのがよく、その観点からは、耐炎化を促進するための共重合可能な成分としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸およびメサコン酸がよく、その中でも、イタコン酸およびメタクリル酸好ましい。 If the content of the flameproofing promoting component is less than 0.1 mol%, the reaction in the flameproofing process cannot sufficiently proceed, and the yield in the carbonization process may be reduced. Moreover, when the content of the flameproofing promoting component exceeds 1 mol%, there is a concern that the reaction in the flameproofing process proceeds rapidly and it becomes difficult to sufficiently suppress the heat generation in the flameproofing process. From this viewpoint, in the present invention, the content of the flame resistance promoting component is 0.1 to 1 mol%. Preferably, it is 0.3-0.8 mol%. In the present invention, as flame accelerating component, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, at least one selected from the group consisting of mesaconic acid, acrylamide and methacrylamide are It must be used . In the present invention, the number of amide groups and carboxyl groups contained in the acrylonitrile monomer, than one even better that is two or more, from that point of view, copolymerizable component for promoting oxidization As acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid and mesaconic acid , itaconic acid and methacrylic acid are preferable.

本発明のポリアクリロニトリル系重合体の好ましい態様によれば、ポリアクリロニトリル系重合体を空気雰囲気下で100分間加熱した際、加熱後のニトリル基残存率が35%となる温度をTc℃とした時、示差走査熱量計により、空気中で昇温速度10℃/分として測定されたTc℃での発熱速度が1.4J/g/s以下であるポリアクリロニトリル系重合体である。   According to a preferred embodiment of the polyacrylonitrile-based polymer of the present invention, when the polyacrylonitrile-based polymer is heated in an air atmosphere for 100 minutes, the temperature at which the nitrile group residual ratio after heating is 35% is Tc ° C. A polyacrylonitrile-based polymer having an exothermic rate at Tc ° C. of 1.4 J / g / s or less measured by a differential scanning calorimeter in air at a heating rate of 10 ° C./min.

ここで言う「ニトリル基残存率」とは、耐炎化反応の進行度を表すパラメータであり、以下の方法により求めることが出来る。ポリアクリロニトリル系重合体の赤外吸収スペクトル測定において、加熱後のニトリル基の炭素−窒素三重結合に起因する吸収の吸光度をDa、加熱前のニトリル基の炭素−窒素三重結合に起因する吸収の吸光度をDbとした時、ニトリル基残存率Xは下記の式(3)によって求めることが出来る。   The “nitrile group residual ratio” mentioned here is a parameter representing the progress of the flameproofing reaction, and can be determined by the following method. In the infrared absorption spectrum measurement of polyacrylonitrile-based polymer, the absorbance of the absorption due to the carbon-nitrogen triple bond of the nitrile group after heating is Da, and the absorbance of the absorption due to the carbon-nitrogen triple bond of the nitrile group before heating is Is Db, the nitrile group residual ratio X can be obtained by the following formula (3).

X=Da/Db×100 ・・・・・(3)。   X = Da / Db × 100 (3).

本発明において、上記発熱速度が1.4J/g/s以下であれば、耐炎化を高密度な状態で行うことができ、炭素繊維の生産性を向上することができる。1.4J/g/sより大きな前駆体を用いて高密度に耐炎化を行うと、発熱、蓄熱が大きくなり、糸切れや発火の恐れがあるほか、酸化状態で過剰な温度にさらされることから機械特性を低下させるような欠陥を生じる可能性がある。   In this invention, if the said heat_generation | fever rate is 1.4 J / g / s or less, flame resistance can be performed in a high-density state and the productivity of carbon fiber can be improved. When high-density flame resistance is achieved using a precursor larger than 1.4 J / g / s, heat generation and heat storage increase, and there is a risk of thread breakage and ignition, and exposure to excessive temperatures in an oxidized state. Therefore, there is a possibility of causing defects that deteriorate the mechanical properties.

本発明のポリアクリロニトリル系重合体は、脱離基とニトリル基を有するビニル系モノマー、下記の式(1)または式(2)で示される化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物が用いられるが、本発明で用いられる化合物は、その中でも、2−エトキシアクリロニトリル、3−エトキシアクリロニトリル、および2−アセトキシアクリロニトリルからなる群から選ばれる少なくとも1種であることを必須とする。さらに、本発明で用いられる耐炎化促進成分は、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸、メサコン酸、アクリルアミドおよびメタクリルアミドからなる群から選ばれる少なくとも1種であることを必須とする
Polyacrylonitrile-based polymer of the present invention, a vinyl monomer having a leaving group and a nitrile group, at least one compound selected from the group consisting of compounds represented by the following formula (1) or formula (2) Although used, it is essential that the compound used in the present invention is at least one selected from the group consisting of 2-ethoxyacrylonitrile, 3-ethoxyacrylonitrile, and 2-acetoxyacrylonitrile. Furthermore, the flameproofing promoting component used in the present invention is at least one selected from the group consisting of acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, mesaconic acid, acrylamide and methacrylamide. Is essential .

Figure 0006048395
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(式(1)中、XはOR,OCOR,SO,NR,Cl,Br,Iのいずれかから選ばれる。ここで、RおよびRは水素またはアルキル基を表す。) (In the formula (1), X is selected from OR 1 , OCOR 1 , SO 3 R 1 , NR 1 R 2 , Cl, Br, and I. Here, R 1 and R 2 are hydrogen or an alkyl group. Represents.)

Figure 0006048395
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(式(2)中、XはOR,OCOR,SO,NR,Cl,Br,Iのいずれかから選ばれる。ここで、RおよびRは水素またはアルキル基を表す。)
本発明のポリアクリロニトリル系重合体の製造する方法としては、溶液重合、懸濁重合、乳化重合など公知の重合方法を選択することができるが、共重合成分を均一に重合するという観点からは、溶液重合を用いることが好ましい。溶液重合で行う場合の溶液としては、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどのポリアクリロニトリルが可溶な有機溶媒を用いるのが一般的である。
(In the formula (2), X is selected from OR 1 , OCOR 1 , SO 3 R 1 , NR 1 R 2 , Cl, Br, and I. Here, R 1 and R 2 are hydrogen or an alkyl group. Represents.)
As a method for producing the polyacrylonitrile-based polymer of the present invention, known polymerization methods such as solution polymerization, suspension polymerization, and emulsion polymerization can be selected. From the viewpoint of uniformly polymerizing the copolymer component, It is preferred to use solution polymerization. As the solution in the case of solution polymerization, an organic solvent in which polyacrylonitrile is soluble such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, dimethylacetamide is generally used.

次に、本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the carbon fiber precursor fiber of this invention is demonstrated.

本発明の炭素繊維前駆体繊維は、前記したポリアクリロニトリル系重合体を用いる。通常、かかる重合体をジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどのポリアクリロニトリル可溶な溶媒に溶解し、紡糸原液とする。溶液重合を用いる場合、重合に用いる溶媒と紡糸原液に用いる溶媒を同じものにしておくと、再溶解する工程が不要となり好ましい。紡糸原液中の重合体の濃度は、原液安定性の観点から、10〜40質量%であることが好ましい。   The above-mentioned polyacrylonitrile-based polymer is used for the carbon fiber precursor fiber of the present invention. Usually, such a polymer is dissolved in a polyacrylonitrile-soluble solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, or dimethylacetamide to obtain a spinning dope. When using solution polymerization, it is preferable that the solvent used for the polymerization and the solvent used for the spinning dope are the same because the step of re-dissolution is unnecessary. The concentration of the polymer in the spinning dope is preferably 10 to 40% by mass from the viewpoint of stock solution stability.

本発明では、紡糸原液を、湿式紡糸法または乾湿式紡糸法により口金から紡出し、凝固浴に導入して繊維を凝固せしめる。本発明において、前記凝固浴には、紡糸原液に溶媒として用いた、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどの溶媒と、いわゆる凝固促進成分を含ませることが好ましい。凝固促進成分としては、前記重合体を溶解せず、かつ紡糸原液に用いる溶媒と相溶性があるものが使用できる。具体的には、水を使用するのが好ましい。   In the present invention, the spinning dope is spun from a die by a wet spinning method or a dry and wet spinning method and introduced into a coagulation bath to coagulate the fibers. In the present invention, the coagulation bath preferably contains a solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, or dimethylacetamide used as a solvent in the spinning dope and a so-called coagulation promoting component. As the coagulation accelerating component, a component that does not dissolve the polymer and is compatible with the solvent used in the spinning dope can be used. Specifically, it is preferable to use water.

紡出された繊維は、通常、水洗工程で溶媒が除去された後、浴中延伸温度30〜98℃で約2〜6倍に浴中延伸されるが、本発明はこれに限定されない。水洗工程を省略して紡出後、すぐに浴中延伸を行ってから水洗処理しても良い。   The spun fiber is usually stretched in the bath at a stretching temperature of 30 to 98 ° C. by about 2 to 6 times after the solvent is removed in the water washing step, but the present invention is not limited to this. The water washing process may be omitted, and after spinning, the film may be stretched in a bath and then washed with water.

浴中延伸工程の後、単繊維同士の接着を防止する意味から、油剤を付与することが好ましい。乾燥工程は、浴中延伸後の糸条をホットドラムなどで乾燥することによって行われるが、乾燥温度および時間等は適宜選択することができる。また、必要に応じて、乾燥緻密化後の糸条を加圧スチーム延伸することも行われる。   It is preferable to apply an oil agent from the meaning of preventing adhesion between single fibers after the stretching step in the bath. The drying step is performed by drying the yarn after stretching in a bath with a hot drum or the like, and the drying temperature, time, and the like can be appropriately selected. Further, if necessary, the dried and densified yarn is also subjected to pressure steam drawing.

得られる炭素繊維前駆体繊維は、通常、連続のマルチフィラメント(束)の形状であり、フィラメント数は好ましくは1,000〜3,000,000本である。   The obtained carbon fiber precursor fiber is usually in the form of a continuous multifilament (bundle), and the number of filaments is preferably 1,000 to 3,000,000.

次に、本発明の炭素繊維の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the carbon fiber of this invention is demonstrated.

前記した方法により製造された炭素繊維前駆体繊維を、180〜300℃の温度の空気中において、好ましくは延伸比0.8〜2.5で延伸しながら、耐炎化処理した後、300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において、好ましくは延伸比0.9〜1.5で延伸しながら予備炭化処理し、1000〜3000℃の最高温度の不活性雰囲気中において、好ましくは延伸比0.9〜1.1で延伸しながら、炭化処理して炭素繊維を製造する。不活性雰囲気に用いられるガスとしては、窒素、アルゴンおよびキセノンなどを例示することができ、経済的な観点からは窒素が好ましく用いられる。   The carbon fiber precursor fiber produced by the above-described method is subjected to a flame resistance treatment in air at a temperature of 180 to 300 ° C., preferably while stretching at a stretch ratio of 0.8 to 2.5, and then 300 to 800. In an inert atmosphere at a temperature of ° C., pre-carbonization treatment is preferably performed while stretching at a stretch ratio of 0.9 to 1.5, and in an inert atmosphere at a maximum temperature of 1000 to 3000 ° C., the stretch ratio is preferably 0.1. Carbon fiber is produced by carbonizing while stretching at 9 to 1.1. Nitrogen, argon, xenon, etc. can be illustrated as gas used for an inert atmosphere, and nitrogen is preferably used from an economical viewpoint.

このようにして製造される炭素繊維は、新たな設備を必要とせずに耐炎化工程を高糸条密度化出来るため、スポーツ用途、航空・宇宙用途、ならびに自動車や土木・建築、圧力容器および風車ブレードなどの一般産業用途に好適な炭素繊維を生産性良く製造することができる。   The carbon fiber produced in this way can increase the yarn density in the flameproofing process without the need for new equipment, so it can be used for sports, aerospace, automobiles, civil engineering / architecture, pressure vessels and windmills. Carbon fibers suitable for general industrial applications such as blades can be produced with high productivity.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。本実施例で用いた測定方法を次に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The measurement method used in this example will be described next.

<ニトリル基残存率の測定とTcの決定>
ニトリル基残存率Xは、以下のようにして測定した。まず、ポリアクリロニトリル系重合体溶液をガラス板上にキャストし、一定の厚みになるように塗布する。次に、重合体溶液を塗布したガラス板を、熱風乾燥機等を用いて空気中120℃で乾燥し、溶媒を蒸発させることで厚み20〜40μmのフィルムとする。
<Measurement of nitrile group residual ratio and determination of Tc>
The nitrile group residual ratio X was measured as follows. First, a polyacrylonitrile-based polymer solution is cast on a glass plate and applied so as to have a constant thickness. Next, the glass plate coated with the polymer solution is dried in air at 120 ° C. using a hot air dryer or the like, and the solvent is evaporated to form a film having a thickness of 20 to 40 μm.

得られたフィルムを、空気雰囲気において熱風乾燥機等を用いて特定の温度(180〜250℃、5℃刻み)で100分熱処理し、耐炎化処理を行う。このようにして得られた耐炎化処理前後のフィルムについて、それぞれ凍結粉砕を行い、粉末サンプルを得る。各粉末サンプル2mgと臭化カリウム300mgとを乳鉢にて粉砕混合したものを錠剤成型器にて加工した錠剤を用い、FT−IR測定器(島津製作所製)を用いて測定する。耐炎化処理前のサンプルのニトリル基の炭素−窒素三重結合に起因する吸収の吸光度をDb、耐炎化処理後のサンプルのニトリル基の炭素−窒素三重結合に起因する吸収の吸光度Daとして、式(3)を用いてニトリル基残存率Xを求めた。また、そのようにして求めたニトリル基残存率が35%となった温度をTcとして決定した。   The obtained film is heat-treated at a specific temperature (180 to 250 ° C., in increments of 5 ° C.) for 100 minutes using a hot air dryer or the like in an air atmosphere to perform a flame resistance treatment. The film before and after the flameproofing treatment thus obtained is freeze-pulverized to obtain a powder sample. Measurement is performed using a tablet obtained by grinding and mixing 2 mg of each powder sample and 300 mg of potassium bromide in a mortar with a tablet molding machine and using an FT-IR measuring instrument (manufactured by Shimadzu Corporation). The absorbance of the sample due to the carbon-nitrogen triple bond of the nitrile group of the sample before the flameproofing treatment is expressed as Db, and the absorbance of the sample due to the carbon-nitrogen triple bond of the nitrile group of the sample after the flameproofing treatment is expressed by the formula ( The nitrile group residual ratio X was determined using 3). Moreover, the temperature at which the nitrile group residual ratio thus determined was 35% was determined as Tc.

X=Da/Db×100 ・・・・・(3)。   X = Da / Db × 100 (3).

<ポリアクリロニトリル系重合体の発熱量の測定>
ポリアクリロニトリル系重合体の発熱量は、以下のようにして測定した。ポリアクリロニトリル系重合体溶液を高温熱水中で脱溶媒した後に凍結粉砕し、1mgをサンプルパンに入れた。続けて、ブルカーエイエックスエス社製のDSC3100SAを用いて、10℃/分の昇温速度、エアー供給量100mL/分の条件で室温から400℃まで測定した。
<Measurement of calorific value of polyacrylonitrile-based polymer>
The calorific value of the polyacrylonitrile polymer was measured as follows. The polyacrylonitrile-based polymer solution was desolvated in hot hot water and then freeze-pulverized, and 1 mg was placed in a sample pan. Then, it measured from room temperature to 400 degreeC on the conditions of the temperature increase rate of 10 degree-C / min and the air supply amount of 100 mL / min using DSC3100SA by Bruker AXS.

<Tc+20℃での耐炎化テスト>
単繊維繊度1.0dtex、フィラメント数6000の炭素繊維前駆体繊維を合糸して、フィラメント数24000とした後、炉内温度をTc+20℃に設定した耐炎化炉の中を通過させることで耐炎化テストを行った。糸切れや毛羽発生を起こすことなく通過させることが出来たものについては○、糸切れや毛羽発生が起こったものについては×として評価を行った。
<Flame resistance test at Tc + 20 ° C>
Combining carbon fiber precursor fibers with a single fiber fineness of 1.0 dtex and filament number of 6000 to make the number of filaments 24,000, and then passing through a flameproofing furnace with the furnace temperature set at Tc + 20 ° C. Tested. Evaluation was made as ○ for those that could pass without causing thread breakage or fluff generation, and × for those that had thread breakage or fluff generation.

(実施例1〜7、比較例1〜5)
アクリロニトリルと、表1に示した共重合組成からなる共重合成分を、ジメチルスルホキシドを溶媒とする溶液重合法により、アゾビスイソブチロニトリルを開始剤としてラジカル重合し、濃度20質量%のポリアクリロニトリル系重合体溶液を得た。
(Examples 1-7, Comparative Examples 1-5)
Polyacrylonitrile having a concentration of 20% by mass is obtained by radical polymerization of acrylonitrile and a copolymer component having the copolymer composition shown in Table 1 with azobisisobutyronitrile as an initiator by a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide as a solvent. A system polymer solution was obtained.

得られたポリアクリロニトリル系重合体溶液を、40℃の温度で、単孔の直径0.15mm、孔数6000の紡糸口金を用い、湿式紡糸法により凝固糸条とした。このようにして得られた凝固糸条を、常法により水洗した後、90℃の温水中で3倍に延伸し、さらにシリコーン系油剤を付与して浴中延伸糸を得た。この浴中延伸糸を、180℃の温度に加熱したローラーを用いて乾燥熱処理を行った後、加圧スチーム中で5倍に延伸することで、単繊維繊度が1.0dtex、フィラメント数が6000の炭素繊維前駆体繊維を得た。   The obtained polyacrylonitrile-based polymer solution was made into a coagulated yarn by a wet spinning method using a spinneret having a single-hole diameter of 0.15 mm and a hole number of 6000 at a temperature of 40 ° C. The coagulated yarn thus obtained was washed with water by a conventional method, then stretched 3 times in warm water at 90 ° C., and further a silicone oil was added to obtain a stretched yarn in bath. The drawn yarn in the bath is subjected to a drying heat treatment using a roller heated to a temperature of 180 ° C., and then drawn five times in a pressurized steam, so that the single fiber fineness is 1.0 dtex and the number of filaments is 6000. Carbon fiber precursor fiber was obtained.

Tc+20℃での耐炎化結果は表1に記載の通りであり、実施例の範囲において糸切れや毛羽発生は見られなかった。   The results of flame resistance at Tc + 20 ° C. are as shown in Table 1. Neither yarn breakage nor fluff generation was observed in the range of the examples.

Figure 0006048395
Figure 0006048395

Claims (4)

共重合成分として、2−エトキシアクリロニトリル、3−エトキシアクリロニトリル、および2−アセトキシアクリロニトリルからなる群から選ばれる少なくとも1種の脱離基とニトリル基を有するビニル系モノマーを1〜30モル%、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸、メサコン酸、アクリルアミドおよびメタクリルアミドからなる群から選ばれる少なくとも1種の耐炎化促進成分を0.1〜1モル%、およびアクリロニトリルを含むアクリロニトリル系モノマー組成物を重合して得られるポリアクリロニトリル系重合体。 1-30 mol% of a vinyl monomer having at least one leaving group selected from the group consisting of 2-ethoxyacrylonitrile, 3-ethoxyacrylonitrile, and 2-acetoxyacrylonitrile and a nitrile group as a copolymerization component , acrylic acid 0.1 to 1 mol% of at least one flameproofing promoting component selected from the group consisting of methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, mesaconic acid, acrylamide and methacrylamide , and A polyacrylonitrile polymer obtained by polymerizing an acrylonitrile monomer composition containing acrylonitrile. ポリアクリロニトリル系重合体を空気雰囲気下で100分間加熱した際、加熱後のニトリル基残存率が35%となる温度をTc℃とした時、示差走査熱量計により、空気中で昇温速度10℃/分として測定されたTc℃での発熱速度が1.4J/g/s以下である、請求項1に記載のポリアクリロニトリル系重合体。 When the polyacrylonitrile-based polymer is heated for 100 minutes in an air atmosphere, the temperature at which the residual ratio of the nitrile group after heating is 35% is Tc ° C. The polyacrylonitrile-based polymer according to claim 1, wherein the heat generation rate at Tc ° C measured as / min is 1.4 J / g / s or less. 請求項1または2に記載のポリアクリロニトリル系重合体を湿式紡糸法または乾湿式紡糸法により紡糸する炭素繊維前駆体繊維の製造方法。 A method for producing a carbon fiber precursor fiber, wherein the polyacrylonitrile-based polymer according to claim 1 or 2 is spun by a wet spinning method or a dry-wet spinning method. 請求項に記載の炭素繊維前駆体繊維の製造方法により製造された炭素繊維前駆体繊維を、180〜300℃の温度の空気中において耐炎化する耐炎化工程と、該耐炎化工程で得られた繊維を、300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において予備炭化する予備炭化工程と、該予備炭化工程で得られた繊維を1000〜3000℃の温度の不活性雰囲気中において炭化する炭化工程を順次経て炭素繊維を得る炭素繊維の製造方法。 A carbon fiber precursor fiber produced by the method for producing a carbon fiber precursor fiber according to claim 3 is obtained by a flame resistance process for flame resistance in air at a temperature of 180 to 300 ° C., and the flame resistance process. A preliminary carbonization step of pre-carbonizing the obtained fiber in an inert atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C., and a carbonization step of carbonizing the fiber obtained in the preliminary carbonization step in an inert atmosphere at a temperature of 1000 to 3000 ° C. The manufacturing method of the carbon fiber which obtains a carbon fiber sequentially through.
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