JP2009030190A - Carbon fiber and method for producing the same - Google Patents
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- Inorganic Fibers (AREA)
Abstract
Description
本発明は放熱材料、樹脂補強材として好適に使用できる炭素繊維およびその製造方法に関する。更に詳しくは、メルトブロー法によって製造した炭素繊維であって、従来炭素繊維の原料として使うことができなかった、極端にトルエン不溶分の含有量が多い、または極端にトルエン不溶分の含有量が少ない原料を有効に利用して、放熱材料、樹脂補強材として好適に使用できる炭素繊維を提供することにある。 The present invention relates to a carbon fiber that can be suitably used as a heat dissipation material and a resin reinforcing material, and a method for producing the same. More specifically, it is a carbon fiber produced by a melt-blowing method, which has not been conventionally used as a raw material for carbon fiber, has an extremely high content of toluene insolubles, or an extremely low content of toluene insolubles. An object of the present invention is to provide a carbon fiber that can be suitably used as a heat dissipation material and a resin reinforcing material by effectively using raw materials.
近年、携帯電話やPCの急速な発展に伴って高速化されたCPUや電子回路のジュール熱による発熱問題が取り上げられている。これらを解決するために、熱を効率的に処理する、いわゆるサーマルマネジメントの必要性が問われている。 In recent years, the problem of heat generation due to Joule heat in CPUs and electronic circuits that have been increased in speed with the rapid development of mobile phones and PCs has been taken up. In order to solve these problems, there is a need for so-called thermal management that efficiently processes heat.
熱伝導性の優れた物質として、例えば酸化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、炭化ケイ素、石英、水酸化アルミニウムなどの金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物などが知られている。しかし、金属材料系の充填材は比重が高く複合材としたときに重量が大きくなる或いは、強度劣化が起こる等の問題点を内在していた。これを解決する方法として、炭素系材料であるカーボンブラックを用いる方法が提案されている。しかしながら、添加量の増加に伴い、粉落ちが生じるなどの問題点があった。 Examples of materials having excellent thermal conductivity include metal oxides such as aluminum oxide, boron nitride, aluminum nitride, magnesium oxide, zinc oxide, silicon carbide, quartz, and aluminum hydroxide, metal nitride, metal carbide, and metal hydroxide. Etc. are known. However, metallic material-based fillers have problems such as high specific gravity and high weight when used as a composite material, or strength deterioration. As a method for solving this problem, a method using carbon black, which is a carbon-based material, has been proposed. However, there has been a problem such as powder falling off as the amount added is increased.
これら問題を解決する手段として、炭素繊維を用いる方法が提案されている。炭素繊維は金属材料系の充填材に比べて、同体積における複合材の重量を軽くできるだけでなく、強度が向上するといった特徴を有する。また、カーボンブラックに比べて、繊維特有のアンカー効果により粉落ちしにくいといった長所も有している。炭素繊維の放熱特性は、その黒鉛化性に大きく影響している。そのため一般にPAN系炭素繊維よりも、高い黒鉛化性を達成できるピッチ系炭素繊維、特にメソフェーズピッチを原料にした炭素繊維が用いられている(例えば、特許文献1等参照。)。 As a means for solving these problems, a method using carbon fiber has been proposed. Compared with a metallic material-based filler, carbon fiber not only reduces the weight of the composite material in the same volume, but also has characteristics such as improved strength. In addition, compared with carbon black, there is also an advantage that powder is less likely to fall off due to an anchor effect peculiar to fibers. The heat dissipation characteristics of carbon fibers greatly affect their graphitization properties. For this reason, pitch-based carbon fibers that can achieve higher graphitization properties than PAN-based carbon fibers, particularly carbon fibers using mesophase pitch as a raw material are generally used (see, for example, Patent Document 1).
しかし、メソフェーズピッチ原料は一般にトルエン不溶分の含有量(以下単に“不溶分”と言う事がある)が80wt%を超えると、高粘度のために紡糸性が著しく低下するといった問題があった。一方、トルエン不溶分が60wt%以下では紡糸性は良好であるが、次工程である不融化処理に長時間を必要とする。このため、生産性の低下を引き起こすといった問題があった。上記理由のために、紡糸性および不融化性のバランスを取るためには、適度なトルエン不溶分を有するメソフェーズピッチしか使えないといった問題があった。また、連続工程において、トルエン不溶分の異なる原料を投入し、同条件で紡糸を行うと、口金圧力の大きな変動が生じて、炭素繊維前駆体の品質、最終的には炭素繊維の品質に大きく影響する。一般に、紡糸条件を変えることで口金圧力を復帰させることは可能であるが、品質が安定するまでの復帰時間内の炭素繊維前駆体は製品にすることができず、歩留の低下を引き起こすといった問題があった。
上記に述べたごとく、メソフェーズピッチを原料とする炭素繊維はその優れた黒鉛化性のために、放熱材料、樹脂補強材として好適に使用できる。しかし、トルエン不溶分が非常に多い場合は、その高粘度のために紡糸性の著しい低下をもたらす。一方、トルエン不溶分が少ない場合は、紡糸性は良好であるが、次工程である不融化処理に長時間を必要とする。このため、生産性の低下を引き起こすといった問題があった。以上から、トルエン不溶分が極端に多い、または少ないメソフェーズピッチに関しては炭素繊維の原料として使うことができないといった問題があった。また、連続工程において、トルエン不溶分の異なる原料を投入し、同条件で紡糸を行うと、口金圧力の大きな変動を生じて、炭素繊維前駆体の品質、最終的には炭素繊維の品質に大きく影響する。一般に、紡糸条件を変えることで口金圧力を復帰させることは可能であるが、品質が安定するまでの復帰時間内の炭素繊維前駆体は製品として次工程にまわすことができず、歩留の低下を引き起こすといった問題があった。 As described above, the carbon fiber using mesophase pitch as a raw material can be suitably used as a heat dissipation material and a resin reinforcing material because of its excellent graphitization property. However, if the toluene-insoluble content is very large, the high viscosity results in a significant decrease in spinnability. On the other hand, when the toluene insoluble content is small, the spinnability is good, but a long time is required for the infusibilization treatment as the next step. For this reason, there was a problem of causing a decrease in productivity. From the above, there has been a problem that mesophase pitches having an extremely high or low toluene insoluble content cannot be used as raw materials for carbon fibers. Also, in the continuous process, if different raw materials with different toluene insoluble components are added and spinning is performed under the same conditions, a large fluctuation of the die pressure will occur, which greatly affects the quality of the carbon fiber precursor and ultimately the quality of the carbon fiber. Affect. Generally, it is possible to restore the die pressure by changing the spinning conditions, but the carbon fiber precursor within the restoration time until the quality stabilizes cannot be used as the product in the next process, resulting in a decrease in yield. There was a problem of causing.
本発明者らは、上記課題を解決するために、放熱材料または樹脂補強材として好適に用いることができないメソフェーズピッチ原料の利用方法について鋭意検討したところ、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明によれば、
(a)トルエン不溶分(TI)の含有量の異なる2種のメソフェーズピッチ原料のピッチ混合物であって、その2種の原料のメソフェーズピッチのTIが5〜30wt%の範囲で異なり、その2種の混合比は重量で1:9〜9:1の範囲であるピッチ混合物を準備する工程(混合物調整工程)
(b)前工程のピッチ混合物の溶融物をメルトブロー法により炭素繊維前駆体を得る工程(紡糸工程)、
(c)前工程の炭素繊維前駆体を酸化性雰囲気下にて不融化して不融化炭素繊維前駆体を得る工程(不融化工程)、および
(d)前工程の不融化炭素繊維前駆体を焼成して炭素繊維を得る工程(焼成工程)よりなる炭素繊維の製造方法が提供される。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors diligently studied how to use a mesophase pitch raw material that cannot be suitably used as a heat dissipation material or a resin reinforcing material, and completed the present invention. That is, according to the present invention,
(A) A pitch mixture of two kinds of mesophase pitch raw materials having different contents of toluene insoluble matter (TI), and the TI of the mesophase pitch of the two kinds of raw materials is different in the range of 5 to 30 wt%, and the two kinds A step of preparing a pitch mixture having a mixing ratio of 1: 9 to 9: 1 by weight (mixture adjustment step)
(B) a step (spinning step) of obtaining a carbon fiber precursor from a melt of the pitch mixture of the previous step by a melt blow method,
(C) a step of infusifying the carbon fiber precursor of the previous step in an oxidizing atmosphere to obtain an infusible carbon fiber precursor (infusible step), and (d) an infusible carbon fiber precursor of the previous step. There is provided a carbon fiber production method comprising a step of firing to obtain carbon fibers (firing step).
前記本発明においては、混合される2種の原料は、それぞれの原料の軟化点(SP)が10.1℃〜50℃の範囲で異なること、ピッチ混合物の330℃、およびせん断速度7300s−1における溶融粘度が2.0〜60.0Pa・sであることも本発明の態様として包含される。上記の方法により、平均繊維径が1〜20μm、平均繊維径に対する繊維径の分散値の百分率として求められるCV値が、3〜20%の範囲であり、平均繊維長が3〜1000mmの範囲にある炭素繊維が製造できる。 In the present invention, the two raw materials to be mixed differ in the softening point (SP) of each raw material in the range of 10.1 ° C. to 50 ° C., the pitch mixture of 330 ° C., and the shear rate of 7300 s −1. It is also included as an aspect of the present invention that the melt viscosity in is 2.0 to 60.0 Pa · s. According to the above method, the average fiber diameter is 1 to 20 μm, the CV value obtained as a percentage of the dispersion value of the fiber diameter with respect to the average fiber diameter is in the range of 3 to 20%, and the average fiber length is in the range of 3 to 1000 mm. A certain carbon fiber can be manufactured.
本発明の炭素繊維は、トルエン不溶分の含有量の異なる2種のメソフェーズピッチを原料として製造される。本方法を採用することで、従来使用することが出来なかったメソフェーズピッチ原料を有効に利用できるだけでなく、バランスの取れた炭素繊維を安定して製造することができる。 The carbon fiber of the present invention is produced using two types of mesophase pitches having different toluene-insoluble contents as raw materials. By adopting this method, it is possible not only to effectively use mesophase pitch raw materials that could not be used in the past, but also to stably produce balanced carbon fibers.
次に、本発明の実施の形態について順次説明する。
本発明の炭素繊維の製造に用いる、溶融混合前のメソフェーズピッチ原料としてはナフタレン、アントラセンやフェナントレンといった縮合多環炭化水素化合物、石油系ピッチや石炭系ピッチといった縮合複素環化合物等が挙げることができる。その中でもナフタレンやフェナントレンといった縮合多環炭化水素化合物が特に好ましい。また、溶融混合前の2種のメソフェーズピッチ原料のトルエン不溶分含有量は5〜30wt%の範囲で異なることが好ましい。上記範囲を逸脱すると、溶融混合したメソフェーズピッチから製造した炭素繊維の性能が著しく低下することがあるため好ましくない。溶融混合前の個々のメソフェーズピッチ原料のトルエン不溶分の好ましい範囲としては5〜15wt%である。なお、ここでいうトルエン不溶分とは、JIS K2425に従って評価した値を指している。
Next, embodiments of the present invention will be sequentially described.
Examples of the mesophase pitch raw material used for the production of the carbon fiber of the present invention before melt mixing include condensed polycyclic hydrocarbon compounds such as naphthalene, anthracene and phenanthrene, condensed heterocyclic compounds such as petroleum pitch and coal pitch, and the like. . Among these, condensed polycyclic hydrocarbon compounds such as naphthalene and phenanthrene are particularly preferable. Moreover, it is preferable that the toluene insoluble content of the two kinds of mesophase pitch raw materials before melt mixing is different within a range of 5 to 30 wt%. Deviating from the above range is not preferable because the performance of the carbon fiber produced from the melt-mixed mesophase pitch may be remarkably deteriorated. The preferred range of the toluene insoluble content of each mesophase pitch raw material before melt mixing is 5 to 15 wt%. In addition, the toluene insoluble content here refers to the value evaluated according to JIS K2425.
本発明で使用する2種のメソフェーズピッチ原料の軟化点(SP)は10.1〜50℃の範囲で異なることが好ましい。2種のメソフェーズピッチのSPの差が10.1℃未満の場合、個々の原料単体で紡糸可能であり、混合することのメリットがなくなるため好ましくない。一方、50℃を超える場合、バランスの取れた炭素繊維を製造することができず好ましくない。 The softening points (SP) of the two kinds of mesophase pitch raw materials used in the present invention are preferably different within a range of 10.1 to 50.degree. If the difference between the SPs of the two mesophase pitches is less than 10.1 ° C., it is possible to spin each individual raw material alone, which is not preferable because the merit of mixing is lost. On the other hand, when it exceeds 50 ° C., a balanced carbon fiber cannot be produced, which is not preferable.
また、本発明で使用するメソフェーズピッチのメソフェーズ率は90〜100%の範囲にあることが好ましい。メソフェーズピッチのメソフェーズ率が上記範囲から逸脱すると、メルトブロー法による炭素前駆体繊維の製造が困難であるため好ましくない。メソフェーズ率のより好ましい範囲は95〜100%である。 The mesophase pitch of the mesophase pitch used in the present invention is preferably in the range of 90 to 100%. If the mesophase rate of the mesophase pitch deviates from the above range, it is not preferable because it is difficult to produce the carbon precursor fiber by the melt blow method. A more preferable range of the mesophase rate is 95 to 100%.
本発明では、TIが5〜30wt%の範囲で異なる2種のメソフェーズピッチを溶融混合し、その2種の混合比は重量で1:9〜9:1の範囲にあることが好ましい。本発明では、上述で得たピッチ混合物の330℃、およびせん断速度7300s−1における溶融粘度が2.0〜60.0Pa・sの範囲にあることが好ましい。せん断速度7300s−1における溶融粘度が2.0Pa・s未満であると、粘度が低いために紡糸直下で表面張力により丸くなり、糸品質の低下を引き起こすことがあり好ましくない。一方、60.0Pa・sを越えると最終的に得られる炭素繊維の断面像が強いラジアル構造となり、不融化炭素繊維前駆体を焼成する工程において炭素繊維にクラックが入るなどの問題が生じるため好ましくない。ピッチ混合物の330℃、およびせん断速度7300s−1における溶融粘度のさらに好ましい範囲は6.0〜20.0Pa・sである。 In the present invention, two different mesophase pitches having a TI in the range of 5 to 30 wt% are melt-mixed, and the mixing ratio of the two is preferably in the range of 1: 9 to 9: 1. In this invention, it is preferable that the melt viscosity in 330 degreeC and the shear rate of 7300 s- 1 of the pitch mixture obtained above exists in the range of 2.0-60.0 Pa.s. If the melt viscosity at a shear rate of 7300 s −1 is less than 2.0 Pa · s, the viscosity is low, so that it becomes round due to surface tension directly under spinning, which may cause a decrease in yarn quality. On the other hand, if it exceeds 60.0 Pa · s, the cross-sectional image of the carbon fiber finally obtained has a strong radial structure, and problems such as cracking of the carbon fiber occur in the step of firing the infusible carbon fiber precursor. Absent. A more preferable range of the melt viscosity at 330 ° C. and a shear rate of 7300 s −1 of the pitch mixture is 6.0 to 20.0 Pa · s.
上述のピッチ混合物を用いることにより、平均繊維径が1〜20μm、平均繊維径に対する繊維径の分散値の百分率として求められるCV値が、3〜20%の範囲であり、平均繊維長が0.3〜100cmの範囲にある炭素繊維を下記(a)〜(d)の方法で製造することができる。
(a)トルエン不溶分(TI)の含有量の異なる2種のメソフェーズピッチ原料のピッチ混合物であって、その2種のメソフェーズピッチ原料のTIが5〜30wt%の範囲で異なり、その2種の混合比は重量で1:9〜9:1の範囲であるピッチ混合物を準備する工程(混合物調整工程)、
(b)前工程のピッチ混合物の溶融物をメルトブロー法により炭素繊維前駆体を得る工程(紡糸工程)、
(c)前工程の炭素繊維前駆体を酸化性雰囲気下にて不融化して不融化炭素繊維前駆体を得る工程(不融化工程)、および
(d)前工程の不融化炭素繊維前駆体を焼成して炭素繊維を得る工程(焼成工程)
By using the above pitch mixture, the average fiber diameter is 1 to 20 μm, the CV value obtained as a percentage of the dispersion value of the fiber diameter with respect to the average fiber diameter is 3 to 20%, and the average fiber length is 0.00. Carbon fibers in the range of 3 to 100 cm can be produced by the following methods (a) to (d).
(A) A pitch mixture of two types of mesophase pitch raw materials having different contents of toluene insoluble matter (TI), and the TI of the two types of mesophase pitch raw materials is different in the range of 5 to 30 wt%, A step of preparing a pitch mixture in which the mixing ratio is in the range of 1: 9 to 9: 1 by weight (mixture adjustment step);
(B) a step (spinning step) of obtaining a carbon fiber precursor from a melt of the pitch mixture of the previous step by a melt blow method,
(C) a step of infusifying the carbon fiber precursor of the previous step in an oxidizing atmosphere to obtain an infusible carbon fiber precursor (infusible step), and (d) an infusible carbon fiber precursor of the previous step. A process of firing to obtain carbon fibers (firing process)
以下に、(a)〜(d)の工程について順に詳述する。
(a)混合物調整工程
本発明の第一の工程は、TIが5〜30wt%の範囲で異なる2種のメソフェーズピッチ原料を溶融混合し、その2種の混合比は重量で1:9〜9:1の範囲でピッチ混合物を調整する工程である。
Below, the process of (a)-(d) is explained in full detail in order.
(A) Mixture adjustment step In the first step of the present invention, two types of mesophase pitch raw materials having different TIs in the range of 5 to 30 wt% are melt-mixed, and the mixing ratio of the two types is 1: 9 to 9 by weight. 1 is a step of adjusting the pitch mixture in the range of 1: 1.
ピッチ混合物はメルトブロー法で紡糸される際には、均一な溶融混合物になっていることが好ましい。このため、TIの異なるメソフェーズピッチをドライブレンドした後に、溶融混練するのが好ましい。溶融混練の方法としては、例えば一軸押し出し機、二軸押し出し機、ニーダーなどの一般的に用いられる混練機を用いる方法などがある。溶融混練の温度としては使用するメソフェーズピッチの軟化点以上の温度で実施するのが好ましい。具体的には使用するメソフェーズピッチの軟化点にもよるが200℃以上420℃以下である。200℃よりも混練温度が低いと十分に混練することができず好ましくない。一方、420℃を超えると溶融粘度が極端に低くなり十分な混練性を得られないばかりか、メソフェーズピッチの分解も進行するため好ましくない。溶融混連のより好ましい範囲は230℃〜380℃である。 When the pitch mixture is spun by the melt blow method, it is preferably a uniform molten mixture. For this reason, it is preferable to melt-knead after dry blending mesophase pitches having different TIs. Examples of the melt kneading method include a method using a commonly used kneader such as a single screw extruder, a twin screw extruder, and a kneader. The melt kneading is preferably carried out at a temperature equal to or higher than the softening point of the mesophase pitch used. Specifically, although it depends on the softening point of the mesophase pitch to be used, it is 200 ° C. or higher and 420 ° C. or lower. When the kneading temperature is lower than 200 ° C., the kneading cannot be sufficiently performed, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 420 ° C., the melt viscosity becomes extremely low and sufficient kneadability cannot be obtained, and the decomposition of the mesophase pitch also proceeds. A more preferable range of melt mixing is 230 ° C to 380 ° C.
(b)紡糸工程
本発明では上述のピッチ混合物を用いて、メルトブロー法により炭素繊維前駆体を製造する。この際、キャピラリー内の溶融粘度が0.1〜60.0Pa・s、キャピラリー内の流速が0.05〜5.0m/sの範囲であることが好ましい。キャピラリー内の溶融粘度が0.1Pa・s未満であると、キャピラリーから出糸されたメソフェーズピッチが表面張力により球形となり、粉状物となるため好ましくない。一方、キャピラリー内の溶融粘度が60.0Pa・sを超えると、炭素繊維の断面構造が強いラジアル構造となり、焼成工程にて炭素繊維にクラックを生じさせることがある。その結果、最終的に得られる炭素繊維の品質を低下させるだけでなく、機械強度の低下を引き起こすため好ましくない。キャピラリー内の溶融粘度のより好ましい範囲は0.2〜20.0Pa・sである。本発明では、キャピラリー内の流速も、炭素繊維を製造するための重要な要因となる。すなわち、キャピラリー内の流速が0.05m/s未満であると、キャピラリーから出糸されたピッチが表面張力により球形となり、粉状物となるため好ましくない。一方、5.0m/sを越えると、メソフェーズピッチから炭素繊維前駆体を良好に製造することができるが、その断面構造が強いラジアル構造となるため、上記で記載したような問題を発生するため好ましくない。キャピラリー内の流速のより好ましい範囲は、0.07〜3.0m/sの範囲である。
(B) Spinning Step In the present invention, a carbon fiber precursor is produced by the melt blow method using the pitch mixture described above. At this time, the melt viscosity in the capillary is preferably in the range of 0.1 to 60.0 Pa · s, and the flow rate in the capillary is preferably in the range of 0.05 to 5.0 m / s. If the melt viscosity in the capillary is less than 0.1 Pa · s, the mesophase pitch drawn from the capillary becomes spherical due to surface tension and becomes powdery, which is not preferable. On the other hand, if the melt viscosity in the capillary exceeds 60.0 Pa · s, the cross-sectional structure of the carbon fiber becomes a strong radial structure, and the carbon fiber may be cracked in the firing process. As a result, not only the quality of the carbon fiber finally obtained is lowered, but also the mechanical strength is lowered, which is not preferable. A more preferable range of the melt viscosity in the capillary is 0.2 to 20.0 Pa · s. In the present invention, the flow rate in the capillary is also an important factor for producing the carbon fiber. That is, if the flow velocity in the capillary is less than 0.05 m / s, the pitch drawn from the capillary becomes spherical due to the surface tension and becomes a powdery material, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 5.0 m / s, the carbon fiber precursor can be produced satisfactorily from the mesophase pitch, but since the cross-sectional structure becomes a strong radial structure, problems as described above occur. It is not preferable. A more preferable range of the flow rate in the capillary is 0.07 to 3.0 m / s.
キャピラリー形状については特に制約はされるものではないが、キャピラリー孔の長さとキャピラリー径の比(長さ/径)が20よりも小さいものが好ましく用いられ、更に好ましくは10以下のものが用いられる。 The capillary shape is not particularly limited, but those having a capillary hole length / capillary diameter ratio (length / diameter) of less than 20 are preferably used, and more preferably 10 or less. .
紡糸時のノズルの温度についても特に制約はないが、安定した紡糸状態が継続できる温度として、ピッチ混合物の軟化点にもよるが、おおよそ250〜400℃の範囲にあることが好ましく、300〜360℃の範囲にあることが特に好ましい。キャピラリー孔から出糸されたメソフェーズピッチは、250〜400℃に加温された毎分100〜10000mのガスを細化点近傍で吹き付けられ、繊維化され、炭素繊維前駆体となる。吹き付けるガスは空気、窒素、アルゴン等を用いることができるが、コストパフォーマンスの点から空気が特に望ましい。炭素繊維前駆体は金網ベルト上に捕集され、連続的な不織布の形態として巻き取ることが出来る。 The temperature of the nozzle at the time of spinning is not particularly limited, but the temperature at which a stable spinning state can be continued is preferably in the range of about 250 to 400 ° C., although it depends on the softening point of the pitch mixture. It is particularly preferable to be in the range of ° C. The mesophase pitch extracted from the capillary hole is blown with a gas of 100 to 10,000 m per minute heated to 250 to 400 ° C. in the vicinity of the thinning point to be fiberized to become a carbon fiber precursor. As the gas to be blown, air, nitrogen, argon or the like can be used, but air is particularly desirable from the viewpoint of cost performance. The carbon fiber precursor is collected on a wire mesh belt and can be wound up in the form of a continuous nonwoven fabric.
(c)不融化工程
本工程では、上記で得た炭素繊維前駆体を酸化性ガス雰囲気下で不融化して、不融化炭素繊維前駆体を製造する。炭素繊維前駆体の不融化処理は、炭素化もしくは黒鉛化された炭素繊維を得るために必要な工程であり、この工程を実施せず次工程である焼成工程に移ると、炭素繊維前駆体が熱分解したり、溶融して融着したりするなどの問題を生じる。使用するガス成分としては、酸化性のガスであれば特に制限はないが、例えば空気、酸素、ハロゲンガス、二酸化窒素、オゾンなどを採択することができる。これらの中でも、コストパフォーマンスと低温で速やかに不融化させうるという点から空気および/またはハロゲンガスを含む混合ガスである事が好ましい。なお、ハロゲンガスとしてはフッ素、ヨウ素、臭素などを取り上げることが出来るが、これらの中でもヨウ素が特に好ましい。ガス気流下での不融化の具体的な方法としては、温度150〜400℃、好ましくは180〜350℃で、1時間以下、好ましくは0.5時間以下で所望のガス雰囲気中で処理する事が好ましい。上記不融化により炭素繊維前駆体の軟化点は著しく上昇し、不融化炭素繊維前駆体となるが、所望の炭素繊維を得るという目的から、不融化炭素繊維前駆体の軟化点が400℃以上となる事が好ましく、500℃以上である事がさらに好ましい。
(C) Infusibilization step In this step, the carbon fiber precursor obtained above is infusibilized in an oxidizing gas atmosphere to produce an infusible carbon fiber precursor. The infusibilization treatment of the carbon fiber precursor is a process necessary for obtaining carbonized or graphitized carbon fiber, and when the carbon fiber precursor is moved to the next firing step without performing this process, the carbon fiber precursor is converted into a carbon fiber precursor. Problems such as thermal decomposition or melting and fusing occur. The gas component to be used is not particularly limited as long as it is an oxidizing gas. For example, air, oxygen, halogen gas, nitrogen dioxide, ozone, etc. can be adopted. Among these, a mixed gas containing air and / or a halogen gas is preferable from the viewpoint of cost performance and insolubility at a low temperature. As the halogen gas, fluorine, iodine, bromine and the like can be taken up, and iodine is particularly preferable among these. As a specific method of infusibilization under a gas stream, treatment is performed at a temperature of 150 to 400 ° C., preferably 180 to 350 ° C., for 1 hour or less, preferably 0.5 hours or less in a desired gas atmosphere. Is preferred. Due to the infusibilization, the softening point of the carbon fiber precursor is remarkably increased and becomes an infusible carbon fiber precursor. For the purpose of obtaining a desired carbon fiber, the softening point of the infusible carbon fiber precursor is 400 ° C. or higher. It is preferable that it is 500 degreeC or more.
(d)焼成工程
本工程では、上記で得た不融化炭素繊維前駆体を不活性ガス雰囲気中で炭素化もしくは黒鉛化し炭素繊維を製造する。不融化炭素繊維前駆体の炭素化は真空中、或いは窒素、アルゴン、クリプトン等の不活性ガス中で焼成されるが、常圧で、且つコストの安い窒素中で実施するのが特に好ましい。炭素化の温度としては500〜2000℃、より好ましくは800〜1800℃である。通常2000℃を超える炭素繊維の焼成は黒鉛化と呼ばれ、窒素ガス等は電離を起こしてしまうため、アルゴン、クリプトンといった不活性ガスを使用する。炭素繊維の熱伝導率を高くするためには、2300〜3500℃で黒鉛化処理することが好ましく、さらには2500〜3200℃で処理するのが特に好ましい。
(D) Firing step In this step, the infusible carbon fiber precursor obtained above is carbonized or graphitized in an inert gas atmosphere to produce carbon fibers. Carbonization of the infusible carbon fiber precursor is performed in a vacuum or in an inert gas such as nitrogen, argon, krypton, etc., but it is particularly preferable to carry out the reaction at normal pressure and at low cost. The carbonization temperature is 500 to 2000 ° C, more preferably 800 to 1800 ° C. Usually, the firing of carbon fibers exceeding 2000 ° C. is called graphitization, and nitrogen gas and the like cause ionization, and therefore inert gases such as argon and krypton are used. In order to increase the thermal conductivity of the carbon fiber, graphitization is preferably performed at 2300 to 3500 ° C, and more preferably 2500 to 3200 ° C.
本発明の方法によれば、前記(a)〜(d)の工程により炭素繊維を不織布の形態として得ることができるが、必要により(c)不融化工程または(d)焼成工程の後に不織布形態の繊維前駆体または炭素繊維を粉砕して短繊維形態とすることもできる。この粉砕手段については後述する。粉砕は(d)焼成工程の後に行うことが望ましい。 According to the method of the present invention, carbon fibers can be obtained in the form of a non-woven fabric by the steps (a) to (d), but if necessary, the non-woven form after the (c) infusibilization step or (d) firing step. The fiber precursor or carbon fiber may be pulverized into a short fiber form. This crushing means will be described later. The pulverization is preferably performed after (d) the firing step.
かくして本発明によれば、従来使用することが出来なかったメソフェーズピッチ原料を安定した条件で有効に利用できるだけでなく、バランスの取れた炭素繊維を製造することができる。 Thus, according to the present invention, not only can the mesophase pitch raw materials that could not be used conventionally be effectively used under stable conditions, but also balanced carbon fibers can be produced.
本発明のもう一つの目的は、ピッチ混合物を原料として、機械特性、放熱特性等に優れたバランスの良い炭素繊維を提供することにある。すなわち、本発明の炭素繊維は、平均繊維径が1〜20μm、平均繊維径に対する繊維径の分散値の百分率として求められるCV値が、3〜20%の範囲であり、平均繊維長が3〜1000mmの範囲にある炭素繊維であって、その断面組織の少なくとも一部にラジアル構造、オニオン構造、ランダム構造、これら構造が複合した外層オニオン内層ラジアル構造、外層オニオン内層ランダム構造、ラジアルウェッジ構造、コンセントリック構造のいずれかを有していることが好ましい。これら中でも機械特性や放熱特性の観点から、断面組織の少なくとも一部にラジカル構造を有していることが好ましい。ただし、前述したごとく完全なラジアル構造は繊維断面方向にクラックを生じさせることがあり、最終的に得られる炭素繊維の品質を低下させるだけでなく、機械強度の低下を招くため、あくまで断面組織の一部にラジアル構造を有することが好ましい。なお、炭素繊維の断面組織は、通常1300℃以上に焼成した炭素繊維の断面顕微鏡観察から確認することが出来る。 Another object of the present invention is to provide a well-balanced carbon fiber excellent in mechanical characteristics, heat dissipation characteristics and the like using a pitch mixture as a raw material. That is, the carbon fiber of the present invention has an average fiber diameter of 1 to 20 μm, a CV value obtained as a percentage of the dispersion value of the fiber diameter with respect to the average fiber diameter is in the range of 3 to 20%, and the average fiber length is 3 to 3. Carbon fiber in the range of 1000 mm, radial structure, onion structure, random structure, outer layer onion inner layer radial structure, outer layer onion inner layer random structure, radial wedge structure, outlet, where these structures are combined in at least part of the cross-sectional structure It is preferable to have one of the lick structures. Among these, from the viewpoint of mechanical characteristics and heat dissipation characteristics, it is preferable that at least a part of the cross-sectional structure has a radical structure. However, as described above, the complete radial structure may cause cracks in the fiber cross-sectional direction, not only reducing the quality of the carbon fiber finally obtained, but also causing a decrease in mechanical strength. It is preferable that a part has a radial structure. In addition, the cross-sectional structure | tissue of carbon fiber can be confirmed from the cross-sectional microscope observation of the carbon fiber normally baked at 1300 degreeC or more.
本発明の炭素繊維の平均繊維径は1〜20μmの範囲にあることが好ましい。平均繊維径が1μm未満であると、メルトブロー法で炭素繊維前駆体を製造する際、不織布の形状を保持できなくなり、ハンドリングの低下を招くことがあり好ましくない。一方、20μmを越えると、不融化工程での不融化ムラが大きくなり部分的に融着が起こることがある。その結果、炭素繊維の品質、さらには最終的に得られる炭素繊維の品質を低下させることがあるため好ましくない。平均繊維径のより好ましい範囲は3〜18μm、さらに好ましくは5〜15μmである。糸径の平均値に対する糸径の分散値の百分率として求められるCV値は、3〜20%であることが望ましい。CV値が20%を超えると不融化工程でトラブルを起こしやすい平均繊維径20μmを超える炭素繊維前駆体が増え、生産性の観点から望ましくない。また、CV値が3%未満であると樹脂への高充填が困難となり好ましくない。より望ましくは3〜17%である。炭素繊維の平均長さは3〜1000mmである。3mmを下回ると繊維としてのハンドリングが困難になり、メルトブロー法で炭素繊維前駆体を製造する際、マットの形状を保持できなくなり、ハンドリング低下を引き起こすため好ましくない。一方1000mmを超えると、繊維の交絡が著しく増大し、マットの嵩高さが増し、やはりハンドリングが困難になるため好ましくない。平均繊維長のより好ましい範囲は5〜800mm、さらに好ましくは10〜500mmである。 The average fiber diameter of the carbon fiber of the present invention is preferably in the range of 1 to 20 μm. When the average fiber diameter is less than 1 μm, the shape of the nonwoven fabric cannot be maintained when the carbon fiber precursor is produced by the melt-blowing method, which may cause a reduction in handling. On the other hand, if it exceeds 20 μm, infusibilization unevenness in the infusibilization process becomes large, and partial fusion may occur. As a result, the quality of the carbon fiber and further the quality of the finally obtained carbon fiber may be deteriorated, which is not preferable. A more preferable range of the average fiber diameter is 3 to 18 μm, and further preferably 5 to 15 μm. The CV value obtained as a percentage of the dispersion value of the yarn diameter with respect to the average value of the yarn diameter is desirably 3 to 20%. When the CV value exceeds 20%, carbon fiber precursors having an average fiber diameter exceeding 20 μm, which easily causes trouble in the infusibilization process, increase, which is not desirable from the viewpoint of productivity. Further, if the CV value is less than 3%, it is not preferable because high filling into the resin becomes difficult. More desirably, it is 3 to 17%. The average length of the carbon fiber is 3 to 1000 mm. If the thickness is less than 3 mm, handling as a fiber becomes difficult, and when the carbon fiber precursor is produced by the melt blow method, the shape of the mat cannot be maintained, which causes a reduction in handling. On the other hand, if it exceeds 1000 mm, the entanglement of the fibers is remarkably increased, the bulk of the mat is increased, and the handling becomes difficult. A more preferable range of the average fiber length is 5 to 800 mm, and more preferably 10 to 500 mm.
本発明の炭素繊維は、その引っ張り弾性率が100〜1000GPa、引っ張り強度が1〜10GPa、伸度が0.1〜2%であることが好ましい。引っ張り弾性率、引っ張り強度および伸度が上記範囲から逸脱すると、樹脂に混ぜたときの補強効果が著しく低減するだけでなく、放熱特性の低下も引き起こすため好ましくない。引っ張り弾性率、引っ張り強度および伸度のより好ましい範囲としては、引っ張り弾性率で500〜1000GPa、引っ張り強度が3〜10GPa、伸度が0.1〜1.5%である。 The carbon fiber of the present invention preferably has a tensile modulus of 100 to 1000 GPa, a tensile strength of 1 to 10 GPa, and an elongation of 0.1 to 2%. If the tensile modulus, tensile strength, and elongation deviate from the above ranges, it is not preferable because not only the reinforcing effect when mixed with the resin is remarkably reduced, but also the heat dissipation characteristics are lowered. As a more preferable range of the tensile elastic modulus, tensile strength, and elongation, the tensile elastic modulus is 500 to 1000 GPa, the tensile strength is 3 to 10 GPa, and the elongation is 0.1 to 1.5%.
本発明の炭素繊維は放熱材料として好適に使用される。熱伝導は主としてフォノンによって担われており、欠陥のない強い結合で結ばれていることが必要となる。炭素繊維の場合、黒鉛を形成する結晶において、結晶の厚み方向よりはむしろ六角網面の成長方向に熱が伝導することが知られている。このため、六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズが大きな役割を果たすことになる。六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズは公知の方法によって求めることができ、X線回折法にて得られる炭素結晶の(110)面からの回折線によって求めることができる。本発明の炭素繊維は六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズが5nm以上であることが望ましく、より望ましくは10nm、さらに望ましくは20nm以上である。 The carbon fiber of the present invention is suitably used as a heat dissipation material. The heat conduction is mainly borne by phonons, and it is necessary to be connected by strong bonds without defects. In the case of carbon fibers, it is known that heat conducts in the growth direction of the hexagonal network surface rather than in the thickness direction of the crystal in the crystal forming graphite. For this reason, the crystallite size derived from the growth direction of the hexagonal network surface plays a large role. The crystallite size derived from the growth direction of the hexagonal network surface can be determined by a known method, and can be determined by diffraction lines from the (110) plane of the carbon crystal obtained by the X-ray diffraction method. In the carbon fiber of the present invention, the crystallite size derived from the growth direction of the hexagonal network surface is desirably 5 nm or more, more desirably 10 nm, and further desirably 20 nm or more.
本発明の炭素繊維は、メルトブロー法で製造したものであることから、不織布の形態として得ることができる。本発明の炭素繊維は前述したように不織布を粉砕して、粉砕物としても良い。不織布の粉砕方法としては、特に限定されるものではないが、乾式法では例えばボールミルを用いたボールミル粉砕方法、粉砕室に送られた原料が衝撃爪(ピン)と蓋に取り付けられた爪状のステータ(固定盤)との回転の結果、衝撃、せん断作用により微粉化する方法(インパクトミル)せん断粉砕方法、ハンマー式粉砕方法、ロッドミル方法、圧縮空気で粉体の相互衝突、相互摩擦により粉砕を行う方法(ジェットミル)、衝突粉砕方法、摩擦粉砕方法、遠心粉砕方法などを例示することができる。一方、湿式法としては、例えば水またはN−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミドなどの有機溶剤中でジルコニアボールなどと一緒に仕込み、衝突・せん断などにより粉砕する方法などを例示することができる。本発明の炭素繊維は、上述の粉砕により平均繊維径1〜20μm、平均繊維長0.01〜2mmの粉砕物である炭素繊維フィラーとしても良い。 Since the carbon fiber of the present invention is manufactured by the melt blow method, it can be obtained in the form of a nonwoven fabric. As described above, the carbon fiber of the present invention may be pulverized by pulverizing a nonwoven fabric. The method for pulverizing the nonwoven fabric is not particularly limited, but in the dry method, for example, a ball mill pulverization method using a ball mill, or a nail-like shape in which the raw material sent to the pulverization chamber is attached to an impact claw (pin) and a lid. As a result of rotation with the stator (fixed platen), a method of pulverizing by impact, shearing action (impact mill) shearing grinding method, hammer type grinding method, rod mill method, mutual collision of powder with compressed air, grinding by mutual friction Examples include a method (jet mill), a collision pulverization method, a friction pulverization method, and a centrifugal pulverization method. On the other hand, as the wet method, for example, a method of charging together with zirconia balls or the like in water or an organic solvent such as N-methylpyrrolidone or dimethylacetamide, and pulverizing by collision or shearing can be exemplified. The carbon fiber of the present invention may be a carbon fiber filler which is a pulverized product having an average fiber diameter of 1 to 20 μm and an average fiber length of 0.01 to 2 mm by the above-described pulverization.
以下に本発明の実施例を述べる。尚、以下に記載される内容により本発明が限定されるものではない。
メソフェーズピッチのトルエン不溶分は、JIS K2425に従って評価した。溶融混練前後のメソフェーズピッチの軟化点はMDTTLDR TOLDDO製のFP083HTを用い、2℃/分の昇温速度で測定を実施した。メソフェーズピッチの粘度特性はキャピラリーレオメーターCAPILOGRAPH 1D(株式会社東洋精機製作所)を用いて評価した。炭素繊維の平均繊維径、およびその断面組織は焼成した炭素繊維の破断面を走査型電子顕微鏡S−2400(株式会社日立製作所製)で観察することで確認した。炭素繊維の結晶子サイズは、X線回折に現れる(110)面からの反射を測定し、学振法にて求めた。また、炭素繊維の機械測定はORIDNTDC製のRTC−1225Aを用いて測定を実施した。また、粉砕後の炭素繊維の平均繊維長の測定は、電子顕微鏡で1000本の繊維長を測り、その平均を取ることで評価した。
Examples of the present invention will be described below. In addition, this invention is not limited by the content described below.
The toluene-insoluble content of mesophase pitch was evaluated according to JIS K2425. The softening point of the mesophase pitch before and after the melt kneading was measured using a FP083HT manufactured by MDTTLDR TOLDDO at a heating rate of 2 ° C./min. The viscosity characteristics of the mesophase pitch were evaluated using a capillary rheometer CAPILOGRAP 1D (Toyo Seiki Seisakusho Co., Ltd.). The average fiber diameter of the carbon fiber and the cross-sectional structure thereof were confirmed by observing the fracture surface of the baked carbon fiber with a scanning electron microscope S-2400 (manufactured by Hitachi, Ltd.). The crystallite size of the carbon fiber was determined by the Gakushin method by measuring reflection from the (110) plane appearing in X-ray diffraction. Moreover, the mechanical measurement of carbon fiber measured using RTC-1225A made from ORIDNTDC. Moreover, the measurement of the average fiber length of the carbon fiber after grinding | pulverization evaluated by measuring 1000 fiber length with an electron microscope, and taking the average.
[実施例1]
トルエン不溶分が72.3wt%、軟化点が285.7℃であるメソフェーズピッチとトルエン不溶分が93.0wt%、軟化点が325.4℃であるメソフェーズピッチである2種のメソフェーズピッチそれぞれ100重量部をドライブレンド(重量分率:0.5:0.5)した。上記ドライブレンドしたメソフェーズピッチを栗本鉄鋼製ニーダーKRCニーダーS1を用い、335℃で溶融混練した。なお、溶融混合したメソフェーズピッチのトルエン不溶分は82.8wt%であった。また、溶融混合したメソフェーズピッチ混合物の330℃、およびせん断速度7300s−1における溶融粘度は32.8Pa・sであった。また、この混合物のメソフェーズ率は100%であった。
[Example 1]
Two mesophase pitches each having a mesophase pitch having a toluene insoluble content of 72.3 wt% and a softening point of 285.7 ° C. and a mesophase pitch having a toluene insoluble content of 93.0 wt% and a softening point of 325.4 ° C. The parts by weight were dry blended (weight fraction: 0.5: 0.5). The dry blended mesophase pitch was melt kneaded at 335 ° C. using a Kurimoto steel kneader KRC kneader S1. The melt-mixed mesophase pitch had a toluene insoluble content of 82.8 wt%. The melt viscosity of the melt-mixed mesophase pitch mixture at 330 ° C. and a shear rate of 7300 s −1 was 32.8 Pa · s. The mesophase ratio of this mixture was 100%.
上述の溶融混合したメソフェーズピッチ混合物を340℃において、直径0.2mmφ、長さ2mmのキャピラリーからなる口金を用い、キャピラリー内流速0.21m/s(せん断速度:8413s−1)で送液し、かつキャピラリー横のスリットから毎分5500mで341℃の空気を吹き付けて、溶融混合したメソフェーズピッチを牽引して平均直径11μmの炭素繊維前駆体からなる不織布を作成した。 The above melt-mixed mesophase pitch mixture was fed at 340 ° C. using a cap having a diameter of 0.2 mmφ and a length of 2 mm at a capillary flow rate of 0.21 m / s (shear rate: 8413 s −1 ), In addition, air of 341 ° C. was blown from a slit next to the capillary at a rate of 5500 m / min, and the melt-mixed mesophase pitch was pulled to prepare a nonwoven fabric composed of carbon fiber precursors having an average diameter of 11 μm.
上記炭素繊維前駆体からなる不織布を、空気雰囲気下200℃から300℃まで30分で昇温して不融化炭素繊維前駆体からなる不織布を得た。次いで、左記不織布をアルゴンガス雰囲気下で室温から2時間掛けて3000℃に焼成した。3000℃焼成した炭素繊維の断面顕微鏡観察から、断面組織の一部にラジアル構造を有しており、その平均繊維径は9μm、平均繊維長が18cm、六角網面の成長方向に由来する結晶子サイズは31nmであった。 The nonwoven fabric composed of the carbon fiber precursor was heated from 200 ° C. to 300 ° C. in an air atmosphere in 30 minutes to obtain a nonwoven fabric composed of an infusible carbon fiber precursor. Next, the non-woven fabric described above was fired at 3000 ° C. over 2 hours from room temperature in an argon gas atmosphere. From a cross-sectional microscopic observation of carbon fiber fired at 3000 ° C., it has a radial structure in a part of the cross-sectional structure, an average fiber diameter of 9 μm, an average fiber length of 18 cm, and a crystallite derived from the growth direction of the hexagonal mesh surface The size was 31 nm.
[実施例2]
前記実施例1で得られた不融化炭素繊維前駆体からなる不織布を、アルゴンガス雰囲気下で室温から1時間掛けて800℃に焼成した。次いで、800℃焼成した炭素繊維をセイシン企業(株)製のA−Oジェットミルを用いて粉砕した。左記粉砕物をアルゴンガス雰囲気下で室温から3時間掛けて3000℃に焼成した。3000℃焼成した炭素繊維の断面顕微鏡観察から、断面組織の一部にラジアル構造を有しており、その平均繊維径は9μm、平均繊維径に対する繊維径の分散値の百分率として求められるCV値が12%、平均繊維長は356μmであった。
[Example 2]
The nonwoven fabric made of the infusible carbon fiber precursor obtained in Example 1 was fired at 800 ° C. over 1 hour from room temperature in an argon gas atmosphere. Next, the carbon fiber fired at 800 ° C. was pulverized using an AO jet mill manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd. The pulverized material on the left was fired at 3000 ° C. over 3 hours from room temperature under an argon gas atmosphere. From a cross-sectional microscopic observation of carbon fiber fired at 3000 ° C., a part of the cross-sectional structure has a radial structure, the average fiber diameter is 9 μm, and the CV value obtained as a percentage of the dispersion value of the fiber diameter with respect to the average fiber diameter is The average fiber length was 12% and the average fiber length was 356 μm.
[比較例1]
トルエン不溶分が93.0wt%wt%のメソフェーズピッチを360℃において、直径0.2mmφ、長さ2mmのキャピラリーからなる口金を用い、キャピラリー内流速0.078m/s(せん断速度:3116s−1)で送液し、かつキャピラリー横のスリットから毎分5500mで365℃の空気を吹き付けて、溶融混合したメソフェーズピッチを牽引したが、メソフェーズピッチの分解によるガス発生で炭素前駆体繊維中に無数の泡をかみ込み、炭素前駆体繊維を得ることが出来なかった。
[Comparative Example 1]
Using a die consisting of a capillary with a diameter of 0.2 mmφ and a length of 2 mm at a mesophase pitch having a toluene insoluble content of 93.0 wt% wt% at 360 ° C., a flow rate in the capillary of 0.078 m / s (shear rate: 3116 s −1 ) In addition, the melted and mixed mesophase pitch was pulled by blowing air at 365 ° C. at 5500 m / min from the slit next to the capillary, but countless bubbles were generated in the carbon precursor fiber due to gas generation due to decomposition of the mesophase pitch. The carbon precursor fiber could not be obtained.
Claims (5)
(b)前工程のピッチ混合物の溶融物をメルトブロー法により炭素繊維前駆体を得る工程(紡糸工程)、
(c)前工程の炭素繊維前駆体を酸化性雰囲気下にて不融化して不融化炭素繊維前駆体を得る工程(不融化工程)、および
(d)前工程の不融化炭素繊維前駆体を焼成して炭素繊維を得る工程(焼成工程)
よりなることを特徴とする炭素繊維の製造方法。 (A) A pitch mixture of two types of mesophase pitch raw materials having different contents of toluene insolubles (TI), and the TI of the two types of mesophase pitch raw materials is different in the range of 5 to 30 wt%, A step of preparing a pitch mixture whose mixing ratio is in the range of 1: 9 to 9: 1 by weight (mixture adjustment step)
(B) a step (spinning step) of obtaining a carbon fiber precursor from a melt of the pitch mixture of the previous step by a melt blow method,
(C) a step of infusifying the carbon fiber precursor of the previous step in an oxidizing atmosphere to obtain an infusible carbon fiber precursor (infusible step), and (d) an infusible carbon fiber precursor of the previous step. A process of firing to obtain carbon fibers (firing process)
A method for producing carbon fiber, comprising:
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