JP2008127697A - Spinning dope for carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber precursor fiber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、経時安定性の良好なアクリル系繊維用原液に関するものである。 The present invention relates to an acrylic fiber stock solution having good stability over time.
ポリアクリロニトリル重合体は炭素繊維の前駆体繊維など、アクリル系繊維の原料として利用されている。一般に炭素繊維の前駆体繊維として用いられるアクリル系繊維は、ポリアクリロニトリル重合体と溶剤とからなる紡糸原液を湿式紡糸あるいは乾湿式紡糸して繊維状に賦型し、延伸、洗浄、乾燥緻密化工程を経て得られる。最終製品である炭素繊維は、前駆体繊維を焼成工程で高温処理して得られ、高性能の炭素繊維を得るためには、毛羽発生、糸切れ等のない高品質の前駆体繊維であることが好ましい。一般にアクリル系繊維用紡糸原液は熱安定性が悪く、安定したアクリル系繊維を得るためには熱安定性の高い紡糸原液が必要である。安定した紡糸原液を得る方法として、特許文献1には紡糸原液にギ酸や硝酸を添加する技術が開示されているが、ギ酸や硝酸が含まれるアクリロニトリル重合体は、そこからギ酸や硝酸を回収することが困難であるだけでなく、アクリロニトリル重合体が酸性となるため共重合する酸モノマーの電離度が低くなり、アクリロニトリル重合体の親水性が低下し凝固時に空隙が発生しやすく、製造する炭素繊維の特性が低下する問題があった。そのため、特許文献2ではアクリロニトリル重合体にアンモニア、ヒドラジン、あるいはアミン等を混合してカルボキシル基の末端水素をアンモニア、ヒドラジン、または第4級アンモニウムイオン等で置換する方法が開示されている。また、特許文献3にはアクリル系繊維紡糸原液に水を添加する方法が開示されているが、水による紡糸原液安定性効果は低く、また水はアクリロニトリル重合体の強力な凝固剤であり、配管に凝固したアクリロニトリル重合体が付着し配管を閉塞させたりする問題がある。さらに、特許文献4にはエチレン性二重結合性化合物を0.01〜3重量%含んだアクリル系繊維紡糸原液が開示されているが、ゲル化抑制力がさほど高くないばかりでなく、たとえば実施例で開示されているアクリロニトリルは特定化学物質の環境への排出量の把握等および管理の改善の促進に関する法律(PRTR法)の第1種指定物質とされているなど人体への悪影響が懸念されており、重合体原液に多量に含有されていることは好ましくない。 Polyacrylonitrile polymers are used as raw materials for acrylic fibers such as carbon fiber precursor fibers. Acrylic fiber generally used as a precursor fiber for carbon fiber is a spinning solution consisting of a polyacrylonitrile polymer and a solvent, which is wet-spun or dry-wet-spun and shaped into a fiber, and then stretched, washed, and dried and densified. It is obtained through The final product, carbon fiber, is obtained by high-temperature treatment of the precursor fiber in the firing process, and in order to obtain high-performance carbon fiber, it must be a high-quality precursor fiber that does not generate fuzz or break yarn. Is preferred. In general, a spinning stock solution for acrylic fibers has poor thermal stability, and a spinning stock solution having high thermal stability is required to obtain stable acrylic fibers. As a method for obtaining a stable spinning stock solution, Patent Document 1 discloses a technique of adding formic acid or nitric acid to a spinning stock solution. An acrylonitrile polymer containing formic acid or nitric acid recovers formic acid or nitric acid therefrom. Not only is difficult, but the ionization degree of the acid monomer to be copolymerized is low because the acrylonitrile polymer is acidic, the hydrophilicity of the acrylonitrile polymer is lowered, and voids are easily generated during solidification, and the carbon fiber to be produced There was a problem that the characteristics of the film deteriorated. Therefore, Patent Document 2 discloses a method in which ammonia, hydrazine, amine, or the like is mixed with an acrylonitrile polymer to replace the terminal hydrogen of the carboxyl group with ammonia, hydrazine, quaternary ammonium ions, or the like. Patent Document 3 discloses a method of adding water to an acrylic fiber spinning dope, but the spinning dope stability effect by water is low, and water is a strong coagulant of acrylonitrile polymer, and piping. There is a problem that the solidified acrylonitrile polymer adheres to the pipe and closes the pipe. Furthermore, Patent Document 4 discloses an acrylic fiber spinning stock solution containing 0.01 to 3% by weight of an ethylenic double bond compound. The acrylonitrile disclosed in the examples is considered to be a Class 1 designated substance in the Act on Promotion of Improvement in Management (PRTR Law) regarding the grasp of the amount of specified chemical substances released into the environment, and there are concerns about adverse effects on the human body Therefore, it is not preferable that the polymer stock solution contains a large amount.
アクリル系繊維紡糸原液中の残存アクリロニトリルを減少させる方法は種々検討されており、たとえば特許文献5では充填物を充填し、減圧せしめた脱気槽内で重合体溶液を分散させる方法が示されているが、残存アクリロニトリルを減少せしめただけの紡糸原液は熱安定性が低下し、配管内に長時間滞留した紡糸原液がゲル化し、流れてゆく紡糸原液の一部に混合され、糸切れに至る事があるといった問題があり、残存アクリロニトリル量が少なくかつ、経時安定性の高い繊維用紡糸原液が望まれている。
本発明の目的は、かかる従来技術の背景に鑑み、残存アクリロニトリル量の少なく、かつ熱安定性を改善しゲル化を抑制した熱安定性良好なアクリル系繊維用原液を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an acrylic fiber stock solution with good thermal stability in which the amount of residual acrylonitrile is small, the thermal stability is improved, and gelation is suppressed, in view of the background of the prior art.
本発明は、かかる課題を解決するために、次の構成を有する。すなわち、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸の内、少なくとも一種の酸モノマーを共重合したアクリロニトリル重合体が溶剤に溶解している炭素繊維前駆体繊維用紡糸原液であって、該原液中に含まれる未反応アクリロニトリル残存比率が0.001〜1重量%でありかつ、アルキル化剤が0.01〜3重量%含まれてなることを特徴とする炭素繊維前駆体繊維用紡糸原液、または、アクリル酸、メタクリル酸およびイタコン酸からなる群より選ばれる少なくとも一種の酸モノマーを共重合したアクリロニトリル重合体が溶媒に溶解してなる予備溶液を得た後、該予備溶液の中の未反応モノマーを除去し、その後、アルキル化剤を混合することを特徴とする炭素繊維前駆体繊維用紡糸原液の製造方法である。 In order to solve this problem, the present invention has the following configuration. That is, a spinning stock solution for carbon fiber precursor fibers in which an acrylonitrile polymer obtained by copolymerizing at least one acid monomer among acrylic acid, methacrylic acid, and itaconic acid is dissolved in a solvent, and is contained in the stock solution The unreacted acrylonitrile residual ratio is 0.001 to 1% by weight, and the alkylating agent is contained in an amount of 0.01 to 3% by weight, or a spinning solution for carbon fiber precursor fibers or acrylic acid Then, after obtaining a preliminary solution in which an acrylonitrile polymer obtained by copolymerizing at least one acid monomer selected from the group consisting of methacrylic acid and itaconic acid is dissolved in a solvent, unreacted monomers in the preliminary solution are removed. Thereafter, an alkylating agent is mixed, and this is a method for producing a spinning dope for carbon fiber precursor fibers.
本発明によれば、未反応アクリロニトリルが少なく、熱安定性良好なアクリル系繊維用原液を得ることができ、品質・品位の良好なプリカーサーおよび炭素繊維が製造可能となる。 According to the present invention, an acrylic fiber stock solution with little unreacted acrylonitrile and good thermal stability can be obtained, and a precursor and carbon fiber with good quality and quality can be produced.
以下、本発明についてさらに詳しく説明をする。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
本発明の熱安定性良好な炭素繊維前駆体繊維用紡糸原液は、アクリロニトリル重合体と溶剤及びアルキル化剤からなるアクリル系繊維紡糸原液であって、未反応アクリロニトリルの残存比率が0.001〜1重量%であり、アルキル化剤がアクリル系繊維用原液に対して0.01〜3重量%含まれてなる。 The spinning solution for carbon fiber precursor fiber of the present invention having good thermal stability is an acrylic fiber spinning solution comprising an acrylonitrile polymer, a solvent and an alkylating agent, and the residual ratio of unreacted acrylonitrile is 0.001-1. The alkylating agent is contained in an amount of 0.01 to 3% by weight based on the acrylic fiber stock solution.
アクリロニトリル重合体とは、アクリロニトリルを好ましくは90重量%以上、より好ましくは95重量%以上、さらに好ましくは98重量%以上含有し、アクリロニトリルの他にエチレン性二重結合を有するモノマーを好ましくは0.1重量%以上10重量%以下含む共重合体である。アクリロニトリルが90重量%より少ないと炭素繊維の品質が低下するおそれがある。他のエチレン性二重結合を有するモノマーには、例えば、酢酸ビニル等のビニルエステル;アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸やこれらのエステルであるアクリル酸メチル、メタクリル酸メチル等、あるいはこれらの塩であるアクリル酸ナトリウム、メタクリル酸ナトリウム等、あるいはまたアクリルアミド等を使用することができるが、本発明においては、耐炎化を促進する意味で、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸からなる群より選ばれる少なくとも一種の酸モノマーを用いる。 The acrylonitrile polymer preferably contains 90% by weight or more, more preferably 95% by weight or more, and still more preferably 98% by weight or more of acrylonitrile, and in addition to acrylonitrile, a monomer having an ethylenic double bond is preferably 0.8. A copolymer containing 1% by weight or more and 10% by weight or less. If the amount of acrylonitrile is less than 90% by weight, the quality of the carbon fiber may be deteriorated. Other monomers having an ethylenic double bond include, for example, vinyl esters such as vinyl acetate; acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, and esters thereof such as methyl acrylate and methyl methacrylate, or salts thereof. Although certain sodium acrylate, sodium methacrylate, etc., or acrylamide can also be used, in the present invention, at least selected from the group consisting of acrylic acid, methacrylic acid, and itaconic acid in the sense of promoting flame resistance. A kind of acid monomer is used.
本発明において、未反応アクリロニトリルの残存比率が1重量%を越えると未反応モノマーが紡糸時系外へ放出されるため、作業環境が悪化するだけでなく、環境へ与える影響も悪化する。未反応モノマー少ない方が好ましいが最低値は重量0.001%程度となる。より好ましくは0.001〜0.1重量%である
本発明における溶媒としては、アクリロニトリル重合体を均一に溶解できるものであれば特に限定されるものではなく、N,N―ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、チオシアン酸塩水溶液、塩化亜鉛水溶液等を好ましく使用することができる。
In the present invention, when the residual ratio of unreacted acrylonitrile exceeds 1% by weight, unreacted monomers are released out of the system during spinning, so that not only the working environment is deteriorated but also the influence on the environment is deteriorated. The amount of unreacted monomer is preferably small, but the minimum value is about 0.001% by weight. More preferably, it is 0.001 to 0.1% by weight. The solvent in the present invention is not particularly limited as long as it can uniformly dissolve the acrylonitrile polymer. N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide Dimethylacetamide, thiocyanate aqueous solution, zinc chloride aqueous solution and the like can be preferably used.
本発明におけるアルキル化剤とは、アルキル基と電気陰性な原子または置換基が結合した有機化合物であり、アミン化合物、アルコール化合物、チオール化合物と混合した場合にアミン化合物の窒素原子上の水素原子、アルコール化合物の酸素原子上の水素原子、チオール化合物の硫黄原子上の水素原子をアルキル基で置換する化合物をいう。アルキル化剤として好ましくは硫酸エステル、スルホン酸エステル、燐酸トリエステル、燐酸ジエステル、燐酸モノエステル、ホスホン酸ジエステル、ホスホン酸モノエステル、ホスフィン酸エステル、炭酸エステルがあげられる。アルキル化剤としてさらに好ましくはメチルホスホン酸ジメチル、メチルホスホン酸ジエチル、エチルホスホン酸ジメチル、エチルホスホン酸ジエチル、2−オキソプロピルホスホン酸ジメチル、シアノホスホン酸ジエチル、アリルホスホン酸ジメチル、ヒドロキシエチルホスホン酸ジメチル、燐酸トリメチル、燐酸トリエチル、ホスホノ酢酸トリメチル、ホスホノ酢酸トリエチル、メタンスルホン酸メチル、エタンスルホン酸メチル、メタンスルホン酸エチル、プロパンスルホン酸メチル、ジメチル硫酸、ジエチル硫酸、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、エチレンカーボネートがあげられる。特に、アルキル化剤としては、アルキル化反応活性および取り扱い安全性の観点から燐酸トリメチル、燐酸トリエチル、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、エチレンカーボネートを用いるのが好ましく、中でも、アルキル化反応活性の点から燐酸トリメチルを用いるのがより好ましい。アルキル化剤によりゲル化が抑制されるメカニズムは必ずしも明らかではないが、紡糸原液中でアクリロニトリル重合体の環化により生成したアミノ基末端にアルキル化剤が反応しアルキルアミンが生成し、隣接分子のニトリル基との架橋反応を抑制するためと考えられる。 The alkylating agent in the present invention is an organic compound in which an alkyl group and an electronegative atom or substituent are bonded, and when mixed with an amine compound, alcohol compound, or thiol compound, a hydrogen atom on the nitrogen atom of the amine compound, A compound in which a hydrogen atom on an oxygen atom of an alcohol compound and a hydrogen atom on a sulfur atom of a thiol compound are substituted with an alkyl group. Preferred examples of the alkylating agent include sulfuric acid ester, sulfonic acid ester, phosphoric acid triester, phosphoric acid diester, phosphoric acid monoester, phosphonic acid diester, phosphonic acid monoester, phosphinic acid ester, and carbonate ester. More preferably, the alkylating agent is dimethyl methylphosphonate, diethyl methylphosphonate, dimethyl ethylphosphonate, diethyl ethylphosphonate, dimethyl 2-oxopropylphosphonate, diethyl cyanophosphonate, dimethyl allylphosphonate, dimethyl hydroxyethylphosphonate, phosphoric acid. Examples include trimethyl, triethyl phosphate, trimethyl phosphonoacetate, triethyl phosphonoacetate, methyl methanesulfonate, methyl ethanesulfonate, ethyl methanesulfonate, methyl propanesulfonate, dimethyl sulfate, diethyl sulfate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethylene carbonate. . In particular, as the alkylating agent, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethylene carbonate are preferably used from the viewpoint of alkylation reaction activity and handling safety. Among them, trimethyl phosphate is preferable from the viewpoint of alkylation reaction activity. Is more preferable. The mechanism by which the gelation is suppressed by the alkylating agent is not necessarily clear, but the alkylating agent reacts with the amino group terminal generated by cyclization of the acrylonitrile polymer in the spinning dope to produce an alkylamine, and the adjacent molecule This is considered to suppress the crosslinking reaction with the nitrile group.
本発明におけるアルキル化剤は紡糸原液中のアクリロニトリル重合体と均一に混合されるためには溶媒に可溶であることが好ましい。また、紡糸後の繊維に残存しない事が好ましく、凝固剤に可溶であることが好ましい。凝固剤の例としては水、エタノールなどが例示されるが、安全性の観点から水が好ましい。 The alkylating agent in the present invention is preferably soluble in a solvent in order to be uniformly mixed with the acrylonitrile polymer in the spinning dope. Moreover, it is preferable that it does not remain in the fiber after spinning, and it is preferable that it is soluble in a coagulant. Examples of the coagulant include water and ethanol, but water is preferable from the viewpoint of safety.
本発明における、アルキル化剤の含有量は紡糸原液に対して0.01〜3重量%であることが必要であり、好ましくは0.05〜2重量%、より好ましくは0.1〜2重量%である。含有量が0.01重量%に満たないと熱安定性の効果が小さくなり、含有量が3重量%を超えると、前駆体繊維の物性に影響を与え、前駆体繊維の品位が低下する。 In the present invention, the content of the alkylating agent needs to be 0.01 to 3% by weight, preferably 0.05 to 2% by weight, more preferably 0.1 to 2% by weight with respect to the spinning dope. %. If the content is less than 0.01% by weight, the effect of thermal stability is reduced. If the content exceeds 3% by weight, the physical properties of the precursor fiber are affected, and the quality of the precursor fiber is lowered.
本発明の紡糸原液は、アクリロニトリル重合体において、酸モノマーに由来したカルボン酸基の水素イオンが、アンモニウムイオン、ナトリウムイオンおよび第4級アンモニウムイオンからなる群より選ばれる少なくとも1種のイオンにより置換されて、pHが7〜11とされていることが好ましい。pHが7より小さいと紡糸原液が酸性となるため共重合する酸モノマーの電離度が低くなり、アクリロニトリル重合体の親水性が低下し凝固時に空隙が発生しやすく、製造する炭素繊維の特性が低下することがある。一方、pHが11より大きいと紡糸原液の塩基性が強くなるためにアクリロニトリル重合体の環化を促進させ、炭素繊維の物性を低下させることがある。好ましくは8〜10である。紡糸原液のpHは以下の方法で測定することができる。すなわち、紡糸原液1.5gに蒸留水12gを添加し、アクリロニトリル重合体を凝固させ水可溶成分を抽出した後、得られた水溶液について電極式水素イオン濃度計を用いて測定する。 In the spinning dope of the present invention, in the acrylonitrile polymer, the hydrogen ion of the carboxylic acid group derived from the acid monomer is replaced with at least one ion selected from the group consisting of ammonium ion, sodium ion and quaternary ammonium ion. Thus, the pH is preferably 7-11. If the pH is lower than 7, the spinning dope becomes acidic, so the degree of ionization of the acid monomer to be copolymerized is low, the hydrophilicity of the acrylonitrile polymer is reduced, and voids are likely to occur during solidification, and the properties of the carbon fiber produced are reduced. There are things to do. On the other hand, if the pH is higher than 11, the basicity of the spinning dope becomes strong, which may promote cyclization of the acrylonitrile polymer and lower the physical properties of the carbon fiber. Preferably it is 8-10. The pH of the spinning dope can be measured by the following method. That is, 12 g of distilled water was added to 1.5 g of the spinning dope, the acrylonitrile polymer was coagulated to extract water-soluble components, and the obtained aqueous solution was measured using an electrode-type hydrogen ion concentration meter.
本発明において、紡糸原液におけるアクリロニトリル重合体の濃度は10〜30重量%が好ましい。紡糸原液におけるアクリロニトリル重合体の濃度が10重量%未満になると、凝固工程において重合体の凝集が不十分で空隙が多い繊維となり、炭素繊維の引張強度や圧縮強度といった特性が低下することがある。濃度が30重量%より大きくなると紡糸原液のゲル化が顕著となり、安定した繊維化が難しくなることがある。より好ましくは14〜22重量%である。紡糸原液におけるアクリロニトリル重合体の濃度は以下のようにして測定する。すなわち、ポリアクリロニトリル重合体が溶解した紡糸原液10gを2000lの水中へ投入し固化させ、さらに90℃温水中で2時間流水処理し溶媒を完全に除去させたのち、120℃で2時間乾燥させた後重量を測定する。脱溶媒後の重合体の重量を、脱溶媒前の紡糸原液の重量で割った比率を重合体濃度とする。 In the present invention, the concentration of the acrylonitrile polymer in the spinning dope is preferably 10 to 30% by weight. When the concentration of the acrylonitrile polymer in the spinning dope is less than 10% by weight, the polymer is insufficiently aggregated in the coagulation step to form fibers with many voids, and the characteristics such as the tensile strength and compressive strength of the carbon fiber may be deteriorated. When the concentration is higher than 30% by weight, gelation of the spinning dope becomes remarkable, and stable fiberization may be difficult. More preferably, it is 14 to 22% by weight. The concentration of the acrylonitrile polymer in the spinning dope is measured as follows. That is, 10 g of a spinning stock solution in which a polyacrylonitrile polymer was dissolved was poured into 2000 l of water, solidified, and further treated with running water in 90 ° C. warm water for 2 hours to completely remove the solvent, and then dried at 120 ° C. for 2 hours. After weight is measured. The ratio obtained by dividing the weight of the polymer after the solvent removal by the weight of the spinning dope before the solvent removal is taken as the polymer concentration.
本発明において、アクリロニトリル重合体の極限粘度は、紡糸原液の安定性の観点から、1〜4の範囲とすることが好ましい。1を下回る低分子量になると、可紡性が低下することがあり、また、4を超えるとゲル化し易くなり、安定した紡糸が困難となることがある。該極限粘度は、下限として、より好ましくは1.4以上、さらに好ましくは1.5以上であるのが良く、上限として、より好ましくは3以下、さらに好ましくは2.8以下であるのが良い。極限粘度は、重合時のモノマー濃度、開始剤や連鎖移動剤の量などにより制御することができる。 In the present invention, the intrinsic viscosity of the acrylonitrile polymer is preferably in the range of 1 to 4 from the viewpoint of the stability of the spinning dope. When the molecular weight is lower than 1, the spinnability may be lowered. When the molecular weight exceeds 4, the gelation tends to occur and stable spinning may be difficult. The intrinsic viscosity is preferably 1.4 or more, more preferably 1.5 or more as a lower limit, and more preferably 3 or less, and even more preferably 2.8 or less as an upper limit. . The intrinsic viscosity can be controlled by the monomer concentration during polymerization, the amount of initiator and chain transfer agent, and the like.
本発明において、極限粘度とはN,N−ジメチルホルムアミドを溶媒とし、オストワルド粘度計を用い、アクリロニトリル重合体を25℃の状態に保持して測定した比粘度をもとに算出した極限粘度のことをいう。具体的には、以下のような手順で測定する。予め120℃で2時間熱処理し絶乾した炭素繊維前駆体繊維用重合体150mgを25℃に保持して50mlのチオシアン酸ナトリウム0.1mol/リットル添加N,N−ジメチルホルムアミドに溶解させる。得られた溶液を、25℃の温水槽中で温調し、予め25℃に温調してあるオストワルド粘度計を用いて標線間の落下時間を1/100秒の精度で測定し、その時間をt(秒)とする。同様に、炭素繊維前駆体繊維用重合体を溶解していないチオシアン酸ナトリウム0.1mol/リットル添加N,N−ジメチルホルムアミドについても測定し、その落下時間をt0(秒)とする。次式を用いて極限粘度[η]を算出する。 In the present invention, the intrinsic viscosity is an intrinsic viscosity calculated based on a specific viscosity measured using an Ostwald viscometer with N, N-dimethylformamide as a solvent and keeping the acrylonitrile polymer at 25 ° C. Say. Specifically, the measurement is performed according to the following procedure. 150 mg of the polymer for carbon fiber precursor fiber, which was previously heat-treated at 120 ° C. for 2 hours and completely dried, is maintained at 25 ° C. and dissolved in 50 ml of sodium N thiocyanate 0.1 mol / liter added N, N-dimethylformamide. The obtained solution was temperature-controlled in a hot water bath at 25 ° C., and the drop time between the marked lines was measured with an accuracy of 1/100 second using an Ostwald viscometer that was temperature-controlled at 25 ° C. in advance. Let time be t (seconds). Similarly, sodium thiocyanate 0.1 mol / liter added N, N-dimethylformamide in which the carbon fiber precursor fiber polymer is not dissolved is also measured, and the drop time is defined as t0 (seconds). The intrinsic viscosity [η] is calculated using the following formula.
[η]={(1+1.32×ηsp)1/2―1}/0.198
ηsp=(t/t0)−1
このような紡糸原液は、前記した酸モノマーを共重合したアクリロニトリル重合体が溶媒に溶解してなる予備溶液を得た後、その予備溶液の中の未反応モノマーを除去し、その後、アルキル化剤を混合することにより得ることができる。アクリロニトリル重合体の重合方法は、溶液重合、水系懸濁重合等の方法を用いることができる。
[Η] = {(1 + 1.32 × ηsp) 1/2 −1} /0.198
ηsp = (t / t0) −1
Such a spinning dope is prepared by obtaining a preliminary solution in which an acrylonitrile polymer copolymerized with the above acid monomer is dissolved in a solvent, and then removing unreacted monomers in the preliminary solution, and then an alkylating agent. Can be obtained by mixing. As the polymerization method of the acrylonitrile polymer, methods such as solution polymerization and aqueous suspension polymerization can be used.
本発明において未反応モノマーの除去はたとえば特公昭48−29797、特開2002−363214などの方法により実施できる。 In the present invention, the unreacted monomer can be removed by a method such as Japanese Patent Publication No. 48-29797 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-363214.
本発明においてアルキル化剤は未反応アクリロニトリルを除去した後に、紡糸原液中0.01〜3重量%となるよう添加する。アルキル化剤を混合するためには、予備溶液に、アルキル化剤のみを直接混合してもよいし、予備溶液に用いる溶媒と同じ溶媒に一旦溶解してなるアクリル化剤溶液を混合しても良いが、アルキル化剤が常温で固体、すなわち粉末である場合はあらかじめ予備溶液に用いる溶媒と同一の溶媒に溶解してなるアクリル化剤溶液を混合することが均一性の観点から好ましい。アルキル化剤を予備溶液に混合する場合、たとえば、スタティックミキサー、エクストゥルーダー、ニーダーなどの混合装置が好ましく用いられる。 In the present invention, after removing unreacted acrylonitrile, the alkylating agent is added so as to be 0.01 to 3% by weight in the spinning dope. In order to mix the alkylating agent, only the alkylating agent may be mixed directly with the preliminary solution, or an acrylating agent solution once dissolved in the same solvent as that used for the preliminary solution may be mixed. However, when the alkylating agent is solid at room temperature, that is, powder, it is preferable from the viewpoint of uniformity to mix an acrylating agent solution dissolved in the same solvent as the solvent used for the preliminary solution in advance. When the alkylating agent is mixed with the preliminary solution, for example, a mixing device such as a static mixer, an extruder or a kneader is preferably used.
本発明において、予備溶液の中の未反応モノマーを除去した溶液に、アンモニア、ヒドラジン、第4級アミン化合物のうちいずれかを加え、アクリロニトリル重合体を中和することで、酸モノマーに由来したカルボン酸基の水素イオンが、アンモニウムイオン、ナトリウムイオンおよび第4級アンモニウムイオンからなる群より選ばれる少なくとも1種のイオンにより置換されて、pH値が前記の範囲となり、アクリロニトリル重合体の親水性と緻密性が向上する。中和する量はアクリロニトリル重合体に用いた酸モノマーの0.6〜1.2等量であることが好ましい。0.6等量より少なくなるとアクリロニトリル重合体の親水性が低下し、前駆体繊維の空隙が増加し、炭素繊維の引張強度等の特性が低下する。1.2より高くなるとアクリル系プリカーサー紡糸原液のアルカリ性が強くなり、アクリロニトリル重合体の環化を促進させ、炭素繊維の品位を低下させることがある。より好ましくは0.7〜1.1である。なお、かかる中和処理は、アルキル化剤溶液を混合する前であっても後であってもよい。
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。本発明では、前記した紡糸原液を湿式紡糸または乾湿式紡糸して炭素繊維前駆体繊維を製造する。
In the present invention, by adding any one of ammonia, hydrazine, and a quaternary amine compound to the solution from which the unreacted monomer in the preliminary solution has been removed, the acrylonitrile polymer is neutralized, whereby the carboxylic acid derived from the acid monomer is obtained. The hydrogen ion of the acid group is substituted with at least one ion selected from the group consisting of ammonium ion, sodium ion and quaternary ammonium ion, so that the pH value falls within the above range, and the hydrophilicity and denseness of the acrylonitrile polymer are Improves. The amount to be neutralized is preferably 0.6 to 1.2 equivalents of the acid monomer used in the acrylonitrile polymer. When the amount is less than 0.6 equivalent, the hydrophilicity of the acrylonitrile polymer is lowered, the voids of the precursor fiber are increased, and the properties such as the tensile strength of the carbon fiber are lowered. If it is higher than 1.2, the alkalinity of the acrylic precursor spinning dope becomes strong, which may promote cyclization of the acrylonitrile polymer and lower the quality of the carbon fiber. More preferably, it is 0.7-1.1. Such neutralization treatment may be before or after mixing the alkylating agent solution.
Next, the manufacturing method of the carbon fiber precursor fiber of this invention is demonstrated. In the present invention, the carbon fiber precursor fiber is produced by wet spinning or dry wet spinning of the above-described spinning solution.
前記した紡糸原液を、湿式紡糸法または乾湿式紡糸法により紡糸口金から吐出し、凝固浴に導入して繊維を凝固せしめる。凝固浴には、紡糸原液の溶媒として用いたN,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、チオシアン酸塩水溶液、塩化亜鉛水溶液等の溶媒と、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、前記ポリアクリロニトリル重合体を溶解せず、かつ紡糸原液に用いる溶媒と相溶性があるものを使用することができる。具体的には、凝固促進成分として水を使用することが好ましい。 The above-described spinning solution is discharged from a spinneret by a wet spinning method or a dry-wet spinning method and introduced into a coagulation bath to coagulate the fibers. The coagulation bath preferably contains a solvent such as N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, thiocyanate aqueous solution or zinc chloride aqueous solution used as a solvent for the spinning dope and a so-called coagulation promoting component. As the coagulation accelerating component, a component that does not dissolve the polyacrylonitrile polymer and is compatible with the solvent used for the spinning dope can be used. Specifically, it is preferable to use water as a coagulation promoting component.
凝固浴中に紡糸した繊維糸条を導入して凝固せしめた後、通常、水洗工程、浴中延伸工程、油剤付与工程、乾燥熱処理工程およびスチーム延伸工程を経て、炭素繊維前駆体繊維が得られる。 After the fiber yarn spun into the coagulation bath is introduced and coagulated, the carbon fiber precursor fiber is usually obtained through a water washing step, a bath drawing step, an oil agent application step, a drying heat treatment step and a steam drawing step. .
凝固浴処理後の糸条は、水洗工程を省略して直接浴中延伸を行っても良いし、溶媒を水洗工程により除去した後に浴中延伸を行っても良い。かかる浴中延伸は、通常、30〜98℃の温度に調節された単一または複数の延伸浴中で行うことが好ましい。延伸倍率は、1〜5倍であることが好ましく、より好ましくは2〜4倍である。 The yarn after the coagulation bath treatment may be directly stretched in the bath without the water washing step, or may be stretched in the bath after the solvent is removed by the water washing step. Such stretching in the bath is usually preferably performed in one or more stretching baths adjusted to a temperature of 30 to 98 ° C. The draw ratio is preferably 1 to 5 times, more preferably 2 to 4 times.
油剤付与工程では、単繊維同士の接着を防止する目的から、糸条にシリコーン等からなる油剤を付与することが好ましい。かかるシリコーン油剤は、変性されたシリコーンを用いることが好ましく、耐熱性の高いアミノ変性シリコーンを含有するものを用いることができる。 In the oil agent application step, it is preferable to apply an oil agent made of silicone or the like to the yarn for the purpose of preventing adhesion between single fibers. As such a silicone oil agent, it is preferable to use a modified silicone, and one containing an amino-modified silicone having high heat resistance can be used.
乾燥熱処理工程では、160〜200℃の温度で加熱されたローラーに接触させるのが良い。また、スチーム延伸工程では、加圧スチーム中において、好ましくは3倍以上、より好ましくは4倍以上、さらに好ましくは5倍以上延伸するのが良い。 In the drying heat treatment step, it is preferable to contact a roller heated at a temperature of 160 to 200 ° C. Further, in the steam stretching step, it is preferably stretched 3 times or more, more preferably 4 times or more, and further preferably 5 times or more in the pressurized steam.
本発明において得られる炭素繊維前駆体繊維の単繊維繊度は、0.7〜1.5dtexであることが好ましい。単繊維繊度が0.7dtexを下回ると、製糸工程における可紡性低下により操業性が低下したり、口金孔数当たりの生産性が低下しコストアップが顕著となることがある。一方、単繊維繊度が1.5dtexを超えると、耐炎化処理して得られる耐炎化繊維の内外構造差が顕著となり、最終的に得られる炭素繊維の引張強度と引張弾性率が低下することがある。 The single fiber fineness of the carbon fiber precursor fiber obtained in the present invention is preferably 0.7 to 1.5 dtex. When the single fiber fineness is less than 0.7 dtex, the operability may be lowered due to a decrease in spinnability in the spinning process, or the productivity per number of nozzle holes may be lowered, resulting in a significant increase in cost. On the other hand, if the single fiber fineness exceeds 1.5 dtex, the difference between the internal and external structures of the flameproofed fiber obtained by flameproofing becomes remarkable, and the tensile strength and tensile elastic modulus of the finally obtained carbon fiber may decrease. is there.
また、本発明において、炭素繊維前駆体繊維の1糸条当たりのフィラメント数は、好ましくは1,000〜300,000本であり、より好ましくは6,000〜300,000本であり、さらに好ましくは12,000〜50,000本である。該フィラメント数は、生産性の向上の目的からは、1,000本以上で多い方が好ましいが、300,000本を超えると前駆体繊維糸条内部まで均一に耐炎化処理できず、炭素繊維の引張強度などの特性が低下することがある。 In the present invention, the number of filaments per yarn of the carbon fiber precursor fiber is preferably 1,000 to 300,000, more preferably 6,000 to 300,000, and still more preferably. Is 12,000-50,000. The number of filaments is preferably 1,000 or more for the purpose of improving productivity. However, when the number exceeds 300,000, the flame cannot be uniformly treated even inside the precursor fiber yarn, and the carbon fiber Characteristics such as tensile strength may be deteriorated.
このようにして得られた炭素繊維前駆体繊維は、200〜300℃の温度の空気などの酸化性雰囲気中において、好ましくは延伸比0.8〜1.5で延伸しながら、耐炎化処理した後、300〜800℃の温度の窒素など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、1,000〜2,000℃の最高温度の窒素など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となる。 The carbon fiber precursor fiber thus obtained was subjected to flameproofing treatment in an oxidizing atmosphere such as air at a temperature of 200 to 300 ° C., preferably while stretching at a stretch ratio of 0.8 to 1.5. Thereafter, in an inert atmosphere such as nitrogen at a temperature of 300 to 800 ° C., precarbonization treatment is preferably performed while stretching at a stretch ratio of 0.9 to 1.5, and a maximum temperature of 1,000 to 2,000 ° C. is achieved. In an inert atmosphere such as nitrogen, the carbon fiber is carbonized by stretching while preferably stretching at a stretching ratio of 0.9 to 1.1.
さらに得られた炭素繊維はその表面改質のため、硫酸、硝酸および塩酸等の酸性溶液や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド、炭酸アンモニウムおよび重炭酸アンモニウムのようなアルカリまたはそれらの塩を水溶液として電解処理され、繊維強化複合材料において炭素繊維マトリックスとの接着性が適正化することができる。また、電解処理の後、炭素繊維に集束性を付与するため、サイジング処理を施すこともできる。サイジング剤には、使用する樹脂の種類に応じて、マトリックス樹脂等との相溶性の良いサイジング剤を適宜選択することができる。
Further, the obtained carbon fiber is subjected to surface modification for acidic modification such as sulfuric acid, nitric acid and hydrochloric acid, alkali such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, ammonium carbonate and ammonium bicarbonate or the like. In the fiber-reinforced composite material, the adhesiveness with the carbon fiber matrix can be optimized. In addition, after the electrolytic treatment, a sizing treatment can also be performed in order to give the carbon fiber convergence. As the sizing agent, a sizing agent having good compatibility with the matrix resin or the like can be appropriately selected according to the type of resin used.
以下実施例により本発明をより具体的に説明する。なお評価方法は下記の方法により行った。
<プリカーサー紡糸原液のpH測定>
ポリアクリロニトリル溶液1.5gに蒸留水12gを添加し、アクリロニトリル重合体を凝固させ水可溶成分を抽出した。得られた水溶液について東亜電波工業株式会社製のガラス電極式水素イオン濃度計を用いて測定した。
<アクリロニトリル残存量>
ポリアクリロニトリル溶液1.0gに4.0gのメタノールを加えアクリロニトリル重合体中のモノマー成分を抽出した。得られたメタノール溶液をガスクロマトグラフィーによる分析によってアクリロニトリル濃度を測定した。
ガスクロマトグラフィー条件
装置 :GC−2014(島津製作所製)
カラム :キャピラリーカラムDB−1(島津GLC製)
サンプル注入量:0.4μL
<極限粘度>
予め120℃で2時間熱処理し絶乾したアクリロニトリル重合体150mgを、25℃において50mlのチオシアン酸ナトリウム0.1mol/リットル添加N,N−ジメチルホルムアミド(いずれも和光純薬社製特級)に溶解した。得られた溶液を、25℃に温調し、予め25℃に温調してあるオストワルド粘度計を用いて標線間の落下時間を1/100秒の精度で測定し、その時間をt(秒)とした。同様に、炭素繊維前駆体繊維用ポリアクリロニトリル系重合体を溶解していないチオシアン酸ナトリウム0.1mol/リットル添加N,N−ジメチルホルムアミドについても測定し、その落下時間をt0(秒)とした。次式を用いて極限粘度[η]を算出した。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The evaluation method was as follows.
<Measurement of pH of precursor spinning stock solution>
12 g of distilled water was added to 1.5 g of the polyacrylonitrile solution to solidify the acrylonitrile polymer and extract water-soluble components. The obtained aqueous solution was measured using a glass electrode type hydrogen ion concentration meter manufactured by Toa Denpa Kogyo Co., Ltd.
<Remaining amount of acrylonitrile>
4.0 g of methanol was added to 1.0 g of the polyacrylonitrile solution, and the monomer component in the acrylonitrile polymer was extracted. Acrylonitrile concentration was measured by analyzing the obtained methanol solution by gas chromatography.
Gas chromatography condition apparatus: GC-2014 (manufactured by Shimadzu Corporation)
Column: Capillary column DB-1 (manufactured by Shimadzu GLC)
Sample injection volume: 0.4 μL
<Intrinsic viscosity>
150 mg of acrylonitrile polymer which had been heat-treated at 120 ° C. for 2 hours and completely dried was dissolved in 50 ml of sodium thiocyanate 0.1 mol / liter added N, N-dimethylformamide (both Wako Pure Chemicals special grade) at 25 ° C. . The temperature of the resulting solution was adjusted to 25 ° C., and the Ostwald viscometer previously adjusted to 25 ° C. was used to measure the drop time between the marked lines with an accuracy of 1/100 second. Seconds). Similarly, sodium thiocyanate 0.1 mol / liter added N, N-dimethylformamide in which the polyacrylonitrile polymer for carbon fiber precursor fiber was not dissolved was also measured, and the drop time was defined as t0 (seconds). The intrinsic viscosity [η] was calculated using the following formula.
[η]={(1+1.32×ηsp)1/2―1}/0.198
ηsp=(t/t0)−1
<原液のゲル化評価>
紡糸原液を100ccの耐熱瓶に移液した後に、オーブン中に100℃で静置し、一定時間経過後にアクリロニトリル重合体溶液の粘度を測定した。本実施例ではオーブンはアドバンテック製オーブンFS−32Dを用いた。粘度評価は紡糸原液の温度を45℃±0.5℃に調整しB型粘度計を用いて粘度を測定した。具体的には、ビーカーに入れたアクリル系プリカーサー紡糸原液を、45℃の温度に温度調節された温水浴に浸して調温した後、B型粘度計として、例えば、(株)東京計器製B8L型粘度計を用い、ローターNo.4を使用し、PAN系重合体溶液の粘度が0〜1,000ポイズの範囲はローター回転数6r.p.m.で測定し、またその紡糸溶液の粘度が1,000〜10,000ポイズの範囲はローター回転数0.6r.p.m.で測定した。
<炭素繊維の引張強度及び引張弾性率>
JIS R7601(1986)「樹脂含浸ストランド試験法」に従って求める。ここで、測定する炭素繊維の樹脂含浸ストランドは、ユニオンカーバイド(株)製、“BAKELITE(登録商標)”ERL4221(100重量部)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(3重量部)/アセトン(4重量部)を、炭素繊維に含浸させ、130℃、30分で硬化させて作製した。また、ストランドの測定本数は6本とし、各測定結果の平均値を、その炭素繊維の引張強度、引張弾性率とした。
<炭素繊維の品位等級の基準>
検査項目は、焼成後、表面処理・サイジング処理前に繊維束を1m/分の速度で走行させながら、毛玉・毛羽の個数を数え、3段階評価した。評価基準は、下記のとおりである。
・等級1:繊維15m中、1個以内
・等級2:繊維15m中、2〜15個
・等級3:繊維15m中、16個以上。
実施例1
アクリロニトリル99重量%、イタコン酸1重量%をジメチルスルホキシド中でアゾイソブチロアクリロニトリルを重合開始剤として加え重合し、重合体濃度20重量%、極限粘度2.0の予備溶液を得た。この予備溶液を熱交換機で75℃に加熱し、ステンレス製充填剤を充填し、1500Paに減圧した脱気槽へ供給し、未反応モノマー量0.01重量%の重合体原液を得た。この重合体原液に対して、重合体中のイタコン酸のカルボキシル基に対して、1.0等量になるようにアンモニアガスを吹き込み中和した後、さらに燐酸トリメチルを紡糸原液中に1重量%となるように加え、スタティックミキサーで混合し、45℃における粘度が70(Pa・S)の紡糸原液を得た。この紡糸原液のpHを測定したところ9.0であった。得られた紡糸原液を、50℃で1ヶ月放置した後、目開き0.5μmのフィルター通過後、40℃の温度で、孔数3,000の紡糸口金を用い、一旦空気中に吐出し、約3mmの空間を通過させた後、3℃の温度にコントロールした20重量%ジメチルスルホキシドの水溶液からなる凝固浴に導入する乾湿式紡糸法により、凝固糸条とした。この凝固糸条を、常法により水洗した後、温水中で延伸し、さらにアミノ変性シリコーン系シリコーン油剤を付与した。この浴中延伸糸を、170℃の温度に加熱したローラーを用いて乾燥熱処理を行い、次に150〜190℃の温度の加圧スチーム中で延伸し、単繊維繊度1.1dtex、フィラメント数3,000のポリアクリロニトリル系前駆体繊維を得た。次に、得られた前駆体繊維を4本合糸し、トータルフィラメント数を12,000とした上で、240〜260℃の温度の空気中において耐炎化処理し、続いて300〜700℃の温度の窒素雰囲気中において予備炭化処理を行い、さらにこの予備炭化糸を、最高温度1,500℃の窒素雰囲気中において、炭化処理を行い炭素繊維を得た。得られた炭素繊維について、ストランド引張強度を測定し、品位等級を判定した。得られた結果を表1に示す。また、この紡糸原液を100℃で放置した後に測定した45℃における粘度は15日後、30日後、45日後ともに70(Pa・S)で変化がなく、ゲル化もしていなかった。
比較例1
燐酸トリメチルを添加しないこと以外は実施例1と同じ方法で紡糸原液を得た。この紡糸原液の溶液の45℃における粘度は70(Pa・S)であったが、100℃で15日放置した後に測定した紡糸原液は流動性を失いゲル化していた。紡糸原液を50℃で1ヶ月放置した後、実施例1と同じ方法で前駆体繊維を作成し、引き続いて炭素繊維の作成を行った。得られた、ストランド引張強度、品位等級の結果を表1に示す。
比較例2
燐酸トリメチルの添加量を10重量%に変更した以外は実施例1と同じ方法で紡糸原液を得た。この紡糸原液の溶液の45℃における粘度は70(Pa・S)であり、100℃で放置した後に測定した紡糸原液の45℃における粘度は15日後、30日後、45日後ともに70(Pa・S)で変化がなく、ゲル化もしていなかった。また、この紡糸原液を50℃で1ヶ月放置した後、実施例1と同じ方法で前駆体繊維を作成し、引き続いて炭素繊維の作成を行った。得られた、ストランド引張強度、品位等級とも大幅に低下していた。結果を表1に示す。
比較例3
燐酸トリメチルの添加量を0.001重量%に変更した以外は実施例1と同じ方法で紡糸原液を得た。この紡糸原液の溶液の45℃における粘度は70(Pa・S)であったが、100℃で15日放置した後に測定した紡糸原液は流動性を失いゲル化していた。紡糸原液を50℃で1ヶ月放置した後、実施例1と同じ方法で前駆体繊維を作成し、引き続いて炭素繊維の作成を行った。得られた、ストランド引張強度、品位等級の結果を表1に示す。
比較例4
燐酸トリメチルの替わりに蟻酸を0.2重量%添加した以外は実施例1と同様に45℃における粘度が70(Pa・S)の紡糸原液を得た。この原液のpHを測定したところ4.0であった。この紡糸原液の溶液の45℃における粘度は70(Pa・S)であったが、100℃で15日放置した後に測定した紡糸原液は70(Pa・S)で変化がなく、ゲル化もしていなかったが、30日後には流動性を失いゲル化していた。また、紡糸原液を50℃で1ヶ月放置した後、実施例1と同じ方法で前駆体繊維を作成し、引き続いて炭素繊維の作成を行い、得られたストランド引張強度、品位等級の結果を表1に示す。
実施例2
燐酸トリメチルの添加量を0.5重量%に変更した以外は実施例1と同じ方法で紡糸原液を得た。この紡糸原液の溶液の45℃における粘度は70(Pa・S)であり、100℃で放置した後に測定した紡糸原液の45℃における粘度は15日後、30日後、45日後ともに70(Pa・S)で変化がなく、ゲル化もしていなかった。また、この紡糸原液を50℃で1ヶ月放置した後、実施例1と同じ方法で前駆体繊維を作成し、引き続いて炭素繊維の作成を行った。得られたストランド引張強度、品位等級の結果を表1に示す。
実施例3
燐酸トリメチルの添加量を2.0重量%に変更した以外は実施例1と同じ方法で紡糸原液を得た。この紡糸原液の溶液の45℃における粘度は70(Pa・S)であり、100℃で放置した後に測定した紡糸原液の45℃における粘度は15日後、30日後、45日後ともに70(Pa・S)で変化がなく、ゲル化もしていなかった。また、この紡糸原液を50℃で1ヶ月放置した後、実施例1と同じ方法で前駆体繊維を作成し、引き続いて炭素繊維の作成を行った。得られたストランド引張強度、品位等級の結果を表1に示す。
実施例4
燐酸トリメチルの添加量を0.05重量%に変更した以外は実施例1と同じ方法で紡糸原液を得た。この紡糸原液の溶液の45℃における粘度は70(Pa・S)であり、100℃で放置した後に測定した紡糸原液の45℃における粘度は15日後、30日後、ともに70(Pa・S)で変化がなく、ゲル化もしていなかったが、45日後にはゲル化していた。また、この紡糸原液を50℃で30日放置した後、実施例1と同じ方法で前駆体繊維を作成し、引き続いて炭素繊維の作成を行った。得られたストランド引張強度、品位等級の結果を表1に示す。
実施例5
アンモニアガスによる中和を行わなかった以外は実施例1と同じ方法で紡糸原液を得た。この原液のpHを測定したところ6.0であった。この紡糸原液の溶液の45℃における粘度は70(Pa・S)であり、100℃で放置した後に測定した紡糸原液の45℃における粘度は15日後、30日後、45日後ともに70(Pa・S)で変化がなく、ゲル化もしていなかったが、この紡糸原液を50℃で1ヶ月放置した後、実施例1と同じ方法で作成した炭素繊維のストランド引張強度、品位等級の結果を表1に示す。
実施例6
中和に際してアンモニアガスの添加量を2.0等量に変更した以外は実施例1と同じ方法で紡糸原液を得た。この原液のpHを測定したところ11.5であった。この紡糸原液の溶液の45℃における粘度は70(Pa・S)であり、100℃で放置した後に測定した紡糸原液の45℃における粘度は15日後、30日後、45日後ともに70(Pa・S)で変化がなく、ゲル化もしていなかったが、この紡糸原液を50℃で1ヶ月放置した後、実施例1と同じ方法で作成した炭素繊維の品位が悪化した。ストランド引張強度の結果も併せて表1に示す。
実施例7
燐酸トリメチルに替えて燐酸トリエチルを1.0重量%添加した以外は実施例1と同じ方法で紡糸原液を得た。この紡糸原液の溶液の45℃における粘度は70(Pa・S)であり、100℃で放置した後に測定した紡糸原液の45℃における粘度は15日後、30日後ともに70(Pa・S)で変化がなく、ゲル化もしていなかったが、45日後にはゲル化していた。また、この紡糸原液を50℃で1ヶ月放置した後、実施例1と同じ方法で前駆体繊維を作成し、引き続いて炭素繊維の作成を行った。得られた、ストランド引張強度、品位等級の結果を表1に示す。
実施例8
燐酸トリメチルに替えてエチレンカーボネートを1.8重量%添加した以外は実施例1と同じ方法で紡糸原液を得た。この紡糸原液の溶液の45℃における粘度は68(Pa・S)であり、100℃で放置した後に測定した紡糸原液の45℃における粘度は15日後、30日後、45日後ともに変化がなく、ゲル化もしていなかった。また、この紡糸原液を50℃で1ヶ月放置した後、実施例1と同じ方法で前駆体繊維を作成し、引き続いて炭素繊維の作成を行った。得られた、ストランド引張強度、品位等級の結果を表1に示す。
実施例9
燐酸トリメチルに替えて炭酸ジメチルを1.0重量%添加した以外は実施例1と同じ方法で紡糸原液を得た。この紡糸原液の溶液の45℃における粘度は70(Pa・S)であり、100℃で放置した後に測定した紡糸原液の45℃における粘度は15日後、30日後ともに70(Pa・S)で変化がなく、ゲル化もしていなかったが、45日後にはゲル化していた。また、この紡糸原液を50℃で1ヶ月放置した後、実施例1と同じ方法で前駆体繊維を作成し、引き続いて炭素繊維の作成を行った。得られた、ストランド引張強度、品位等級の結果を表1に示す。
実施例10
燐酸トリメチルに替えて炭酸ジエチルを2.0重量%添加した以外は実施例1と同じ方法で紡糸原液を得た。この紡糸原液の溶液の45℃における粘度は71(Pa・S)であり、100℃で放置した後に測定した紡糸原液の45℃における粘度は15日後、30日後ともに71(Pa・S)で変化がなく、ゲル化もしていなかったが、45日後にはゲル化していた。また、この紡糸原液を50℃で1ヶ月放置した後、実施例1と同じ方法で前駆体繊維を作成し、引き続いて炭素繊維の作成を行った。得られた、ストランド引張強度、品位等級の結果を表1に示す。
[Η] = {(1 + 1.32 × ηsp) 1/2 −1} /0.198
ηsp = (t / t0) −1
<Evaluation of gelation of stock solution>
After the spinning solution was transferred to a 100 cc heat-resistant bottle, the spinning solution was allowed to stand at 100 ° C. in an oven, and the viscosity of the acrylonitrile polymer solution was measured after a predetermined time. In this embodiment, an oven FS-32D manufactured by Advantech was used. The viscosity was evaluated by adjusting the temperature of the spinning dope to 45 ° C. ± 0.5 ° C. and measuring the viscosity using a B-type viscometer. Specifically, the acrylic precursor spinning stock solution placed in a beaker is immersed in a warm water bath adjusted to a temperature of 45 ° C. to adjust the temperature, and as a B-type viscometer, for example, B8L manufactured by Tokyo Keiki Co., Ltd. Using a viscometer, rotor No. 4 is used, and the viscosity of the PAN-based polymer solution is in the range of 0 to 1,000 poises when the rotor rotational speed is 6 r. p. m. The viscosity of the spinning solution is in the range of 1,000 to 10,000 poise. p. m. Measured with
<Tensile strength and tensile modulus of carbon fiber>
Determined according to JIS R7601 (1986) “Resin-impregnated strand test method”. Here, the resin-impregnated strand of carbon fiber to be measured was “BAKELITE (registered trademark)” ERL 4221 (100 parts by weight) / 3 boron trifluoride monoethylamine (3 parts by weight) / acetone (4 weights) manufactured by Union Carbide Corporation. Part) was impregnated into carbon fiber and cured at 130 ° C. for 30 minutes. The number of strands measured was 6, and the average value of each measurement result was the tensile strength and tensile modulus of the carbon fiber.
<Standards for carbon fiber grades>
The inspection items were evaluated in three stages by counting the number of fluff and fluff while running the fiber bundle at a speed of 1 m / min after firing and before surface treatment / sizing treatment. The evaluation criteria are as follows.
-Grade 1: within 1 fiber 15m-Grade 2: 2-15 in fiber 15m-Grade 3: 16 or more in fiber 15m
Example 1
Acrylonitrile (99% by weight) and itaconic acid (1% by weight) were polymerized by adding azoisobutyroacrylonitrile as a polymerization initiator in dimethyl sulfoxide to obtain a preliminary solution having a polymer concentration of 20% by weight and an intrinsic viscosity of 2.0. This preliminary solution was heated to 75 ° C. with a heat exchanger, filled with a stainless steel filler, and supplied to a degassing tank whose pressure was reduced to 1500 Pa to obtain a polymer stock solution having an unreacted monomer amount of 0.01% by weight. After neutralizing the polymer stock solution by injecting ammonia gas so as to be 1.0 equivalent to the carboxyl group of itaconic acid in the polymer, trimethyl phosphate was further added in an amount of 1% by weight in the spinning stock solution. And mixed with a static mixer to obtain a spinning dope having a viscosity at 45 ° C. of 70 (Pa · S). The pH of this spinning dope was measured and found to be 9.0. The obtained spinning dope was allowed to stand at 50 ° C. for 1 month, passed through a filter with an opening of 0.5 μm, and then discharged into the air at a temperature of 40 ° C. using a spinneret with a pore number of 3,000. After passing through a space of about 3 mm, a coagulated yarn was obtained by a dry and wet spinning method introduced into a coagulation bath composed of an aqueous solution of 20% by weight dimethyl sulfoxide controlled at a temperature of 3 ° C. The coagulated yarn was washed with water by a conventional method, then stretched in warm water, and an amino-modified silicone silicone oil was further applied. The drawn yarn in the bath is subjected to a drying heat treatment using a roller heated to a temperature of 170 ° C., and then drawn in a pressurized steam at a temperature of 150 to 190 ° C. to obtain a single fiber fineness of 1.1 dtex and a filament number of 3 1,000 polyacrylonitrile-based precursor fibers were obtained. Next, four obtained precursor fibers are combined and the total number of filaments is set to 12,000, followed by flameproofing in air at a temperature of 240 to 260 ° C., followed by 300 to 700 ° C. A preliminary carbonization treatment was performed in a nitrogen atmosphere at a temperature, and the preliminary carbonized yarn was further carbonized in a nitrogen atmosphere at a maximum temperature of 1,500 ° C. to obtain carbon fibers. About the obtained carbon fiber, strand tensile strength was measured and the quality grade was determined. The obtained results are shown in Table 1. Further, the viscosity at 45 ° C. measured after the spinning solution was allowed to stand at 100 ° C. was unchanged at 70 (Pa · S) after 15 days, 30 days, and 45 days, and was not gelled.
Comparative Example 1
A spinning dope was obtained in the same manner as in Example 1 except that trimethyl phosphate was not added. The spinning stock solution had a viscosity of 70 (Pa · S) at 45 ° C., but the spinning stock solution measured after standing at 100 ° C. for 15 days had lost fluidity and became a gel. After the spinning solution was left at 50 ° C. for 1 month, precursor fibers were prepared in the same manner as in Example 1, and subsequently carbon fibers were prepared. The obtained strand tensile strength and quality grade results are shown in Table 1.
Comparative Example 2
A spinning dope was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of trimethyl phosphate added was changed to 10% by weight. The viscosity of the spinning dope at 45 ° C. is 70 (Pa · S), and the viscosity at 45 ° C. of the spinning dope measured after standing at 100 ° C. is 70 (Pa · S) after 15, 30 and 45 days. ) And no gelation. The spinning solution was allowed to stand at 50 ° C. for 1 month, and then precursor fibers were prepared in the same manner as in Example 1. Subsequently, carbon fibers were prepared. The strand tensile strength and quality grade obtained were greatly reduced. The results are shown in Table 1.
Comparative Example 3
A spinning dope was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of trimethyl phosphate added was changed to 0.001% by weight. The spinning stock solution had a viscosity of 70 (Pa · S) at 45 ° C., but the spinning stock solution measured after standing at 100 ° C. for 15 days had lost fluidity and became a gel. After the spinning solution was left at 50 ° C. for 1 month, precursor fibers were prepared in the same manner as in Example 1, and subsequently carbon fibers were prepared. The obtained strand tensile strength and quality grade results are shown in Table 1.
Comparative Example 4
A spinning dope having a viscosity at 45 ° C. of 70 (Pa · S) was obtained in the same manner as in Example 1 except that 0.2% by weight of formic acid was added in place of trimethyl phosphate. The pH of this stock solution was measured and found to be 4.0. The spinning stock solution had a viscosity of 70 (Pa · S) at 45 ° C., but the spinning stock solution measured after standing at 100 ° C. for 15 days had no change at 70 (Pa · S) and was gelled. However, after 30 days, it lost its fluidity and gelled. In addition, after leaving the spinning dope at 50 ° C. for 1 month, a precursor fiber was prepared in the same manner as in Example 1, and then a carbon fiber was prepared. Results of the obtained strand tensile strength and quality grade were shown. It is shown in 1.
Example 2
A spinning dope was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of trimethyl phosphate added was changed to 0.5% by weight. The viscosity of the spinning dope at 45 ° C. is 70 (Pa · S), and the viscosity at 45 ° C. of the spinning dope measured after standing at 100 ° C. is 70 (Pa · S) after 15, 30 and 45 days. ) And no gelation. The spinning solution was allowed to stand at 50 ° C. for 1 month, and then precursor fibers were prepared in the same manner as in Example 1. Subsequently, carbon fibers were prepared. The obtained strand tensile strength and quality grade results are shown in Table 1.
Example 3
A spinning dope was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of trimethyl phosphate added was changed to 2.0% by weight. The viscosity of the spinning dope at 45 ° C. is 70 (Pa · S), and the viscosity at 45 ° C. of the spinning dope measured after standing at 100 ° C. is 70 (Pa · S) after 15, 30 and 45 days. ) And no gelation. The spinning solution was allowed to stand at 50 ° C. for 1 month, and then precursor fibers were prepared in the same manner as in Example 1. Subsequently, carbon fibers were prepared. The obtained strand tensile strength and quality grade results are shown in Table 1.
Example 4
A spinning dope was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of trimethyl phosphate added was changed to 0.05% by weight. The spinning stock solution has a viscosity at 45 ° C. of 70 (Pa · S), and the spinning stock solution measured after standing at 100 ° C. at 45 ° C. has a viscosity of 70 (Pa · S) after 15 and 30 days. There was no change and no gelation, but after 45 days it had gelled. Further, after this spinning stock solution was allowed to stand at 50 ° C. for 30 days, precursor fibers were prepared by the same method as in Example 1, and subsequently carbon fibers were prepared. The obtained strand tensile strength and quality grade results are shown in Table 1.
Example 5
A spinning dope was obtained in the same manner as in Example 1 except that neutralization with ammonia gas was not performed. The pH of this stock solution was measured and found to be 6.0. The spinning stock solution had a viscosity of 70 (Pa · S) at 45 ° C., and the spinning stock solution measured at 45 ° C. after standing at 100 ° C. had a viscosity of 70 (Pa · S) after 15, 30 and 45 days. However, the spinning solution was allowed to stand at 50 ° C. for 1 month, and the results of strand tensile strength and grade of carbon fiber prepared by the same method as in Example 1 are shown in Table 1. Shown in
Example 6
A spinning dope was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of ammonia gas added was changed to 2.0 equivalents during neutralization. The pH of this stock solution was measured and found to be 11.5. The viscosity of the spinning dope at 45 ° C. is 70 (Pa · S), and the viscosity at 45 ° C. of the spinning dope measured after standing at 100 ° C. is 70 (Pa · S) after 15, 30 and 45 days. However, the quality of the carbon fiber prepared by the same method as in Example 1 deteriorated after the spinning solution was allowed to stand at 50 ° C. for 1 month. The results of the strand tensile strength are also shown in Table 1.
Example 7
A spinning dope was obtained in the same manner as in Example 1 except that 1.0% by weight of triethyl phosphate was added instead of trimethyl phosphate. The viscosity of this spinning dope at 45 ° C. is 70 (Pa · S), and the viscosity at 45 ° C. of the spinning dope measured after standing at 100 ° C. changes at 70 (Pa · S) after 15 and 30 days. There was no gelation, but it was gelled after 45 days. The spinning solution was allowed to stand at 50 ° C. for 1 month, and then precursor fibers were prepared in the same manner as in Example 1. Subsequently, carbon fibers were prepared. The obtained strand tensile strength and quality grade results are shown in Table 1.
Example 8
A spinning dope was obtained in the same manner as in Example 1 except that 1.8% by weight of ethylene carbonate was added instead of trimethyl phosphate. The spinning stock solution had a viscosity of 68 (Pa · S) at 45 ° C., and the spinning stock viscosity measured at 45 ° C. after standing at 100 ° C. did not change after 15 days, 30 days, and 45 days. It was not converted. The spinning solution was allowed to stand at 50 ° C. for 1 month, and then precursor fibers were prepared in the same manner as in Example 1. Subsequently, carbon fibers were prepared. The obtained strand tensile strength and quality grade results are shown in Table 1.
Example 9
A spinning dope was obtained in the same manner as in Example 1 except that 1.0% by weight of dimethyl carbonate was added instead of trimethyl phosphate. The viscosity of this spinning dope at 45 ° C. is 70 (Pa · S), and the viscosity at 45 ° C. of the spinning dope measured after standing at 100 ° C. changes at 70 (Pa · S) after 15 and 30 days. There was no gelation, but it was gelled after 45 days. The spinning solution was allowed to stand at 50 ° C. for 1 month, and then precursor fibers were prepared in the same manner as in Example 1. Subsequently, carbon fibers were prepared. The obtained strand tensile strength and quality grade results are shown in Table 1.
Example 10
A spinning dope was obtained in the same manner as in Example 1 except that 2.0% by weight of diethyl carbonate was added instead of trimethyl phosphate. The viscosity of the spinning dope at 45 ° C. is 71 (Pa · S), and the viscosity at 45 ° C. of the spinning dope measured after standing at 100 ° C. changes at 71 (Pa · S) after 15 and 30 days. There was no gelation, but it was gelled after 45 days. The spinning solution was allowed to stand at 50 ° C. for 1 month, and then precursor fibers were prepared in the same manner as in Example 1. Subsequently, carbon fibers were prepared. The obtained strand tensile strength and quality grade results are shown in Table 1.
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