[go: up one dir, main page]

JP2010031418A - Method for producing precursor fiber for carbon fiber - Google Patents

Method for producing precursor fiber for carbon fiber Download PDF

Info

Publication number
JP2010031418A
JP2010031418A JP2008194614A JP2008194614A JP2010031418A JP 2010031418 A JP2010031418 A JP 2010031418A JP 2008194614 A JP2008194614 A JP 2008194614A JP 2008194614 A JP2008194614 A JP 2008194614A JP 2010031418 A JP2010031418 A JP 2010031418A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
spinning
weight
fiber
yarn
solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2008194614A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Fumihiko Tanaka
文彦 田中
Daisuke Kawakami
大輔 川上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toray Industries Inc filed Critical Toray Industries Inc
Priority to JP2008194614A priority Critical patent/JP2010031418A/en
Publication of JP2010031418A publication Critical patent/JP2010031418A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Artificial Filaments (AREA)
  • Yarns And Mechanical Finishing Of Yarns Or Ropes (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a precursor fiber for carbon fiber having high quality and containing few fluffs while shortening a drying-drawing step as far as possible to improve the productivity. <P>SOLUTION: The method for producing the precursor fiber for a carbon fiber includes the spinning of a spinning dope obtained by dissolving a polyacrylonitrile polymer and the drawing of the obtained swollen yarn in a superheated steam atmosphere at 110-185°C. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、炭素繊維前駆体繊維としての生産性を高めることができる炭素繊維前駆体繊維の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a carbon fiber precursor fiber that can enhance the productivity as a carbon fiber precursor fiber.

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、通常、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得た膨潤糸を、乾燥後に延伸して、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200〜400℃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が、更なる生産性の向上の要請が高い。   Among the carbon fibers, the most widely used polyacrylonitrile (hereinafter abbreviated as PAN) carbon fibers are usually prepared by spinning a spinning solution comprising a PAN polymer as a precursor thereof into a wet spinning or dry process. A swollen yarn obtained by spinning or dry-wet spinning is stretched after drying to obtain a carbon fiber precursor fiber (hereinafter sometimes abbreviated as precursor fiber), and then the temperature is 200 to 400 ° C. It is manufactured industrially by heating in an oxidizing atmosphere to convert it to flame-resistant fibers, and heating and carbonizing in an inert atmosphere at a temperature of at least 1000 ° C., but further improving productivity The request is high.

PAN系炭素繊維の生産性を向上する検討は、炭素繊維前駆体繊維の紡糸、耐炎化あるいは炭素化のいずれの観点からも行われている。中でも前駆体繊維の生産性を向上させるための従来技術には次に示す問題があった。すなわち、前駆体繊維を得る際の紡糸においては、(1)紡糸方法、凝固条件とPAN系重合体溶液の特性に由来する凝固糸を引き取る限界速度(以下、可紡性とも記述する)とその凝固構造に由来する限界延伸倍率、つまり、最終的な紡糸速度、それに加えて(2)前駆体繊維の単繊維繊度と(3)紡糸における、製糸設備の機幅に対する糸条数と総繊度の積(dtex/cm)、すなわち糸条密度の3つによって生産性が制限されている。前駆体の単繊維繊度は、炭素繊維の性能に直結するためその変更は困難である。また、紡糸における糸条密度を高めることは有効ではあるものの、隣接糸条との干渉を避けるための間隔を小さくすることには限界がある。糸条密度が同等の場合、生産量向上には設備の大型化が考えられるが、ローラーの巨大化など設備設計上の問題があり、困難である。紡糸設備の系列を増やさずに生産量を上げるためには紡糸速度を高める技術を開発することが有効である。紡糸速度を制限している工程は多岐に渡っており、一つの工程を改善しても他の工程が紡糸速度を制限することとなり、多岐にわたって総合的に改善する必要があった。中でも乾燥工程と延伸工程は非常に長大なものであるが、紡糸速度を上げると、それぞれの工程での効率を維持するためには、工程をさらに長大にする必要があり、設備生産性が向上しにくいという問題があった。   Studies to improve the productivity of PAN-based carbon fibers have been made from the viewpoints of spinning, flame resistance or carbonization of carbon fiber precursor fibers. In particular, the prior art for improving the productivity of precursor fibers has the following problems. That is, in spinning to obtain a precursor fiber, (1) a spinning speed, a coagulation condition and a limiting speed (hereinafter also referred to as spinnability) for taking a coagulated yarn derived from the characteristics of the PAN-based polymer solution and its The ultimate draw ratio derived from the solidified structure, that is, the final spinning speed, in addition to (2) the single fiber fineness of the precursor fiber and (3) the number of yarns and the total fineness with respect to the machine width of the spinning equipment in spinning Productivity is limited by the product (dtex / cm), that is, the yarn density. Since the single fiber fineness of the precursor is directly related to the performance of the carbon fiber, it is difficult to change it. Although it is effective to increase the yarn density in spinning, there is a limit to reducing the interval for avoiding interference with adjacent yarns. If the yarn density is the same, an increase in the size of the equipment can be considered to improve the production volume, but there are problems in equipment design such as enlarging the rollers, which is difficult. In order to increase production without increasing the number of spinning facilities, it is effective to develop technology that increases spinning speed. There are a variety of processes that limit the spinning speed, and even if one process is improved, the other processes limit the spinning speed, and it is necessary to improve them comprehensively. Above all, the drying process and the drawing process are very long. However, if the spinning speed is increased, it is necessary to make the process longer in order to maintain the efficiency in each process, and the equipment productivity is improved. There was a problem that it was difficult to do.

一般の前駆体繊維の製造工程をさらに詳しく説明すれば、PAN系重合体溶液を、口金を通して凝固浴中に吐出し糸条の形態となし、さらに溶媒を水に置換する水洗工程を経て膨潤糸とし、乾燥させることによって緻密化した後、延伸して前駆体繊維とする。乾燥工程を省略するために、膨潤糸を乾燥前に加圧水蒸気中で延伸する方法もあったが、延伸後においても糸条の有する水分率はほとんど変化なく、延伸前の糸条速度に比べて延伸後の糸条速度はよリ高速であるため、乾燥効率が悪化し、十分に乾燥しようとすれば、より長大な乾燥設備が必要になるという問題があった。また、膨潤糸を乾燥しながら乾熱延伸する方法もあったが、乾熱延伸では加圧水蒸気延伸に比べて延伸性が低下してしまう、すなわち延伸倍率を大きくできないため、最終的な紡糸速度を所望の速度までしようとすると乾燥前までの紡糸速度を上げることが必要となり、乾燥前までの紡糸速度を上げるためには、凝固浴や水洗工程を長大化する必要があるため、従来設備を利用したまま、最終的な紡糸速度を向上させるのは困難であった。   The production process of a general precursor fiber will be described in more detail. A PAN-based polymer solution is discharged into a coagulation bath through a die to form a yarn, and further, a swollen yarn is passed through a washing step in which the solvent is replaced with water. And densified by drying, and then drawn into precursor fibers. In order to omit the drying step, there was also a method of stretching the swollen yarn in pressurized steam before drying, but the moisture content of the yarn remained almost unchanged after stretching, compared to the yarn speed before stretching. Since the yarn speed after drawing is very high, the drying efficiency is deteriorated, and there is a problem that a longer drying facility is required if sufficient drying is attempted. Also, there was a method of dry-heat stretching while drying the swollen yarn, but the dry heat stretching reduces the stretchability compared to the pressurized steam stretching, that is, the stretch ratio cannot be increased, so the final spinning speed is reduced. When trying to reach the desired speed, it is necessary to increase the spinning speed before drying, and in order to increase the spinning speed before drying, it is necessary to lengthen the coagulation bath and washing process. Thus, it was difficult to improve the final spinning speed.

一方、過熱水蒸気には乾燥効果があることが知られている。アクリル繊維の紡糸工程において過熱水蒸気が検討された例としては、乾燥後に緩和処理に用いた例(特許文献1参照)があるが、乾燥や延伸の熱媒体に用いたものではない。また乾燥後に湿熱延伸工程で常圧蒸気を用いる技術が提案されているが(特許文献2参照)、過熱することの記載はなく、湿熱であることから100℃程度の処理を指すものであり、その技術の目的も、高バルキーで高収縮率のアクリル繊維を得ようとするものであり、高配向、低収縮率の前駆体繊維を得るためのものではない。また、乾燥後の延伸熱媒体としてであれば、過熱水蒸気が適さないことが例示されたもの(特許文献3参照)や一般例としたもの(特許文献4参照)がある。さらに特許文献4には水蒸気雰囲気下で遠赤外線ヒーターを用いて延伸することが記載されており、過熱水蒸気雰囲気とされている可能性はあるが、乾燥後の加圧水蒸気延伸での糸傷み発生を抑制するものであり、乾燥工程を短縮し前駆体繊維の生産性を向上しようとするものではなかった。   On the other hand, it is known that superheated steam has a drying effect. An example in which superheated steam has been studied in the spinning process of acrylic fiber is an example of using relaxation treatment after drying (see Patent Document 1), but it is not used as a heating medium for drying or stretching. In addition, a technique using atmospheric pressure steam in a wet heat stretching process after drying has been proposed (see Patent Document 2), but there is no description of overheating, and it refers to a treatment at about 100 ° C. because it is wet heat, The purpose of the technique is also to obtain an acrylic fiber having a high bulkiness and a high shrinkage rate, and not for obtaining a precursor fiber having a high orientation and a low shrinkage rate. In addition, there are those exemplified that superheated steam is not suitable as a drawn heat medium after drying (see Patent Document 3) and general examples (see Patent Document 4). Furthermore, Patent Document 4 describes that stretching is performed using a far-infrared heater in a steam atmosphere, and although there is a possibility that the atmosphere is a superheated steam atmosphere, the occurrence of yarn damage due to pressurized steam stretching after drying is described. It was not intended to shorten the drying process and improve the productivity of the precursor fiber.

すなわち、従来知られているいずれの技術であっても、乾燥および延伸を一体で、かつ短時間の処理で終了させ得るものではなかった。
特開昭51−133533号公報 特開2003−313742号公報 特開平8―158162号公報 特開昭63−99316号公報
That is, with any conventionally known technique, drying and stretching cannot be completed in an integrated manner in a short time.
Japanese Patent Laid-Open No. 51-133533 JP 2003-313742 A JP-A-8-158162 JP-A-63-99316

本発明は、上記問題点を解決し、乾燥・延伸工程を極力短縮化して生産性を向上しつつ、毛羽立ちの少ない高品位な炭素繊維用前駆体繊維を製造する方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a method for producing a high-quality precursor fiber for carbon fiber with less fuzz while improving productivity by shortening the drying / stretching process as much as possible. To do.

上記の目的を達成するため、本発明は、次の構成を有する。すなわち、ポリアクリロニトリル系重合体が溶解してなる紡糸溶液を紡糸して得た膨潤糸を、温度110〜185℃の過熱水蒸気を含む雰囲気中で延伸する炭素繊維前駆体繊維の製造方法である。   In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration. That is, it is a method for producing a carbon fiber precursor fiber in which a swollen yarn obtained by spinning a spinning solution in which a polyacrylonitrile-based polymer is dissolved is drawn in an atmosphere containing superheated steam at a temperature of 110 to 185 ° C.

本発明によれば、乾燥・延伸工程を短縮化して生産性を向上しつつ、毛羽立ちの少ない高品位な炭素繊維用前駆体繊維を製造することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the precursor fiber for carbon fibers with few fuzzing can be manufactured, shortening a drying and extending | stretching process and improving productivity.

本発明において、膨潤糸は、PAN系重合体が溶解してなる紡糸溶液を紡糸して得られ、より具体的には、通常、PAN系重合体が溶媒に溶解してなるPAN系重合体溶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させ紡糸する凝固工程と、該凝固工程で得られた繊維糸条を水浴中で洗浄・延伸する水洗工程を経て、水を含んだ繊維糸条として得られる。そして、本発明では、かかる膨潤糸を、過熱水蒸気を含む雰囲気中で延伸する過熱水蒸気延伸工程を含んでいる。   In the present invention, the swollen yarn is obtained by spinning a spinning solution in which a PAN polymer is dissolved, and more specifically, usually, a PAN polymer solution in which a PAN polymer is dissolved in a solvent. Fiber yarns containing water through a coagulation step of spinning by spinning from a spinneret by a wet spinning method or a dry-wet spinning method, and a washing step of washing and stretching the fiber yarn obtained in the coagulation step in a water bath Obtained as an article. And in this invention, the superheated steam extending process which extends | stretches this swelling thread | yarn in the atmosphere containing superheated steam is included.

本発明で好適に用いられるPAN系重合体について、まず説明する。なお、本発明では、重量平均分子量をMw、Z平均分子量をMz、Z+1平均分子量をMZ+1、数平均分子量をMnと略記し、紡糸溶液における全PAN系重合体について言うときには、添え字(P)を付記する。 First, the PAN polymer suitably used in the present invention will be described. In the present invention, the weight average molecular weight is Mw, the Z average molecular weight is Mz, the Z + 1 average molecular weight is MZ + 1 , and the number average molecular weight is abbreviated as Mn. When referring to all PAN polymers in the spinning solution, the subscript (P )

本発明では、重量平均分子量Mw(P)が好ましくは20万〜70万、より好ましくは30万〜50万であるPAN系重合体が溶媒に溶解してなる紡糸溶液を用いる。Mw(P)が20万未満の低分子量のPAN系重合体の場合、過熱水蒸気延伸工程の延伸性が低下することがある。また、Mw(P)が70万を越えるような高分子量のPAN系重合体では絡み合いが多くなり延伸性が低下することがある。Mw(P)は、重合時の単量体、重合開始剤および連鎖移動剤などの量を変えることにより制御できる。   In the present invention, a spinning solution in which a PAN-based polymer having a weight average molecular weight Mw (P) of preferably 200,000 to 700,000, more preferably 300,000 to 500,000 is dissolved in a solvent is used. In the case of a low molecular weight PAN-based polymer having an Mw (P) of less than 200,000, the stretchability in the superheated steam stretching process may be lowered. Moreover, in a high molecular weight PAN polymer having Mw (P) exceeding 700,000, the entanglement increases and the stretchability may decrease. Mw (P) can be controlled by changing the amounts of monomers, polymerization initiators, chain transfer agents and the like during polymerization.

紡糸溶液中のPAN系重合体の多分散度Mz(P)/Mw(P)は、特に制限はないが、特定の分子量分布を有するPAN系重合体を用いることによって優れた可紡性を与え、可紡性が律速となることなく最終的な紡糸速度を高めることが容易となるため、好ましいものである。すなわち、多分散度Mz(P)/Mw(P)は、好ましくは2.7〜6、より好ましくは3〜5.8、更に好ましくは3.2〜5.5とする。Mz(P)/Mw(P)が2.7未満では、歪み硬化が弱くPAN系重合体の吐出安定性向上が不足して高速紡糸が困難となる一方で、Mz(P)/Mw(P)が6を越えると絡み合いが大きくなりすぎて、吐出が困難となる。   The polydispersity Mz (P) / Mw (P) of the PAN polymer in the spinning solution is not particularly limited, but excellent spinnability can be obtained by using a PAN polymer having a specific molecular weight distribution. This is preferable because the final spinning speed can be easily increased without the spinnability becoming rate-limiting. That is, the polydispersity Mz (P) / Mw (P) is preferably 2.7 to 6, more preferably 3 to 5.8, and still more preferably 3.2 to 5.5. If Mz (P) / Mw (P) is less than 2.7, the strain hardening is weak and the discharge stability of the PAN-based polymer is insufficient and high-speed spinning becomes difficult, while Mz (P) / Mw (P ) Exceeds 6, the entanglement becomes too large and discharge becomes difficult.

また、前記分子量の分布においては、Mw(P)の5倍以上の分子量成分の含有率が1〜4%であるPAN系重合体を用いるのが好ましい。Mw(P)の5倍以上の分子量成分の含有率が1%未満では、歪み硬化が弱くPAN系重合体を含む紡糸溶液の口金からの吐出安定性向上度合が不足する場合があり、4%を超える場合には、歪み硬化が強すぎて、PAN系重合体の吐出安定性向上度合が不足する場合がある。かかる観点から、Mw(P)の5倍以上の分子量の含有率は1.2〜3.8%であることがより好ましく、1.5〜3.6%であることがさらに好ましい。Mw(P)の5倍以上の分子量成分の含有率は、GPC法により測定されるポリスチレン換算分子量の対数と、屈折率差によって描く分子量分布曲線から得られる値であり、分子量分布全体の積分値に対するポリスチレン換算分子量の5倍以上の分子量であるピーク面積の積分値が占める割合を示したものである。屈折率差は、単位時間当たりに溶出された分子の重量にほぼ対応するため、ピーク面積の積分値が重量混合率にほぼ対応する。   In the molecular weight distribution, it is preferable to use a PAN-based polymer having a molecular weight component content of 1 to 4% which is 5 times or more of Mw (P). If the content of the molecular weight component 5 times or more of Mw (P) is less than 1%, the strain hardening is weak and the improvement in the discharge stability from the spinneret of the spinning solution containing the PAN polymer may be insufficient. If it exceeds 1, the strain hardening is too strong and the discharge stability improvement degree of the PAN-based polymer may be insufficient. From this point of view, the molecular weight content of 5 times or more of Mw (P) is more preferably 1.2 to 3.8%, and further preferably 1.5 to 3.6%. The content of the molecular weight component of 5 times or more of Mw (P) is a value obtained from the logarithm of the polystyrene equivalent molecular weight measured by the GPC method and the molecular weight distribution curve drawn by the refractive index difference, and is an integral value of the entire molecular weight distribution. The ratio occupied by the integral value of the peak area, which is a molecular weight of 5 times or more the polystyrene equivalent molecular weight with respect to is shown. Since the refractive index difference substantially corresponds to the weight of the molecule eluted per unit time, the integrated value of the peak area substantially corresponds to the weight mixing ratio.

また、Mw(P)/Mn(P)は、小さいほど炭素繊維の構造欠陥となりやすい低分子成分の含有量が少ないため、小さいほど好ましく、Mz(P)/Mw(P)よりもMw(P)/Mn(P)が小さいことが好ましい。すなわち、高分子量側にも、低分子量側にもブロードであっても、吐出安定性低下は少ないが、低分子量側はなるべくシャープであることが好ましく、Mz(P)/Mw(P)がMw(P)/Mn(P)に対して、1.5倍以上であることがより好ましく、更には1.8倍以上であることが好ましい。本発明者らの検討によると、通常、アクリロニトリル(以下、ANと略記する)の重合でよく行われている、水系懸濁、溶液法などのラジカル重合においては、分子量分布として低分子量側に裾を引いているため、Mw(P)/Mn(P)がMz(P)/Mw(P)よりも大きくなる。そのため、重合開始剤の種類と割合や逐次添加など、特殊な条件で重合を行うか、一般的なラジカル重合を用いる場合、2種以上のPAN系重合体を混合する方法があり、重合体を混合する方法が簡便である。混合する種類は、少ないほど簡便であり、吐出安定性の観点からも2種で十分なことが多い。   Further, the smaller Mw (P) / Mn (P) is, the smaller the content of low molecular components that are likely to be structural defects of the carbon fiber. Therefore, the smaller the Mw (P) / Mn (P), the more preferable Mw (P) / Mw (P). ) / Mn (P) is preferably small. That is, even if the molecular weight side is broad and the low molecular weight side is broad, the drop in ejection stability is small, but the low molecular weight side is preferably as sharp as possible, and Mz (P) / Mw (P) is Mw. It is more preferably 1.5 times or more, and further preferably 1.8 times or more with respect to (P) / Mn (P). According to the study by the present inventors, in radical polymerization such as aqueous suspension or solution method, which is usually performed in the polymerization of acrylonitrile (hereinafter abbreviated as AN), the molecular weight distribution has a lower molecular weight side. Therefore, Mw (P) / Mn (P) is larger than Mz (P) / Mw (P). Therefore, when performing polymerization under special conditions such as the type and ratio of the polymerization initiator and sequential addition, or when using general radical polymerization, there is a method of mixing two or more PAN-based polymers. The method of mixing is simple. The smaller the number of types to be mixed, the easier and the two types are often sufficient from the viewpoint of ejection stability.

混合する重合体のMwは、Mwの大きいPAN系重合体をA成分とし、Mwの小さいPAN系重合体をB成分とすると、A成分のMwは好ましくは80万〜1500万であり、より好ましくは100万〜500万であり、B成分のMwは15万〜70万であることが好ましい。A成分とB成分のMwの差が大きいほど、混合された重合体のMz/MwおよびMZ+1/Mwが大きくなる傾向があるため好ましい態様であるが、A成分のMwが1500万より大きいときはA成分の生産性は低下する場合があり、B成分のMwが15万未満のときは前駆体繊維の強度が不足する場合がある。 The Mw of the polymer to be mixed is a PAN-based polymer having a large Mw as the A component, and a PAN-based polymer having a small Mw is the B component. The Mw of the A component is preferably 800,000 to 15 million, more preferably Is 1 million to 5 million, and the Mw of the B component is preferably 150,000 to 700,000. This is a preferred embodiment because the larger the Mw difference between the A component and the B component, the larger the Mz / Mw and M Z + 1 / Mw of the mixed polymer tend to be, but when the Mw of the A component is greater than 15 million In some cases, the productivity of the A component may decrease, and when the Mw of the B component is less than 150,000, the strength of the precursor fiber may be insufficient.

具体的には、A成分とB成分の重量平均分子量比は、2〜45であることが好ましく、20〜45であることがより好ましい。   Specifically, the weight average molecular weight ratio between the A component and the B component is preferably 2 to 45, and more preferably 20 to 45.

また、A成分とB成分の重量比は、0.003〜0.3であることが好ましく、0.005〜0.2であることがより好ましく、0.01〜0.1であることが更に好ましい。A成分とB成分の重量比が0.003未満では、歪み硬化が不足することがあり、また0.3より大きいときは重合体溶液の吐出粘度が上がりすぎて吐出困難となることがある。A成分とB成分の重量平均分子量比やA成分とB成分の重量比は、GPCにより測定された分子量分布のピークをショルダーやピーク部分でピーク分割し、それぞれのピークのMwおよびピークの面積比を算出することにより測定される。   The weight ratio of the A component and the B component is preferably 0.003 to 0.3, more preferably 0.005 to 0.2, and 0.01 to 0.1. Further preferred. When the weight ratio of the A component to the B component is less than 0.003, strain hardening may be insufficient, and when it is greater than 0.3, the discharge viscosity of the polymer solution may increase so that the discharge may become difficult. The weight average molecular weight ratio of the A component and the B component and the weight ratio of the A component and the B component are obtained by dividing the peak of the molecular weight distribution measured by GPC into the shoulder and the peak portion, and the Mw of each peak and the peak area ratio. Is measured by calculating.

A成分とB成分の重合体を混合する場合、両重合体を混合してから溶媒で希釈する方法、重合体それぞれを溶媒に希釈したもの同士を混合する方法、溶解しにくい高分子量物であるA成分を溶媒に希釈した後にB成分を混合溶解する方法、および高分子量物であるA成分を溶媒に希釈したものとB成分を構成する単量体を混合して単量体を溶液重合することにより混合する方法などを採用することができる。混合には、混合槽で攪拌する方法やギヤポンプなどで定量してスタティックミキサーで混合する方法、二軸押出機を用いる方法などが好ましく採用できる。高分子量物を均一に溶解させる観点から、高分子量物であるA成分を初めに溶解する方法が好ましい。特に、炭素繊維前駆体製造用とする場合には、高分子量物であるA成分の溶解状態が極めて重要であり、わずかであっても未溶解物が存在していた場合には異物として認識され、フィルター濾材に濾過されるか、濾過させないほど小さいときには炭素繊維内部にボイドを形成することがある。   When mixing the polymer of component A and component B, a method of mixing both polymers and then diluting with a solvent, a method of mixing each of the polymers diluted in a solvent, and a high molecular weight material that is difficult to dissolve A method in which the B component is mixed and dissolved after diluting the A component in the solvent, and a solution in which the monomer constituting the B component is mixed with a solution obtained by diluting the high molecular weight A component in the solvent. It is possible to employ a mixing method. For mixing, a method of stirring in a mixing tank, a method of quantifying with a gear pump or the like and mixing with a static mixer, a method of using a twin screw extruder, or the like can be preferably employed. From the viewpoint of uniformly dissolving the high molecular weight product, a method of first dissolving the component A which is a high molecular weight product is preferable. In particular, in the case of producing a carbon fiber precursor, the dissolved state of the high molecular weight component A is extremely important, and even if a slight amount of undissolved material exists, it is recognized as a foreign substance. When it is filtered by the filter medium or small enough not to be filtered, a void may be formed inside the carbon fiber.

具体的には、A成分の溶媒に対する重合体濃度、すなわちA成分と溶媒のみからなる溶液を仮想したときの、その溶液中におけるA成分の重合体濃度を好ましくは0.1〜5重量%になるようにした後、B成分を混合する、あるいは、B成分を構成する単量体を混合して重合する。上記のA成分の重合体濃度は、より好ましくは0.3〜3重量%であり、さらに好ましくは0.5〜2重量%である。上記のA成分の重合体濃度は、より具体的には、重合体の集合状態として、重合体がわずかに重なり合った準希薄溶液とすることが好ましく、B成分を混合する、あるいは、B成分を構成する単量体を混合して重合する際に、混合状態が均一となりやすいため、孤立鎖の状態となる希薄溶液とすることが更に好ましい態様である。希薄溶液となる濃度は、重合体の分子量と溶媒に対する重合体の溶解性によって決まる分子内排除体積によって決まるとみられるため、一概には決められないが、本発明においては概ね前記範囲にすることにより凝集してフィルター濾材内に堆積することが少ない。上記の重合体濃度が5重量%を超える場合は、A成分の未溶解物が存在することがあり、0.1重量%未満の場合は、分子量にもよるが希薄溶液となっているため効果が飽和していることが多い。   Specifically, the polymer concentration of the component A with respect to the solvent, that is, when assuming a solution consisting only of the component A and the solvent, the polymer concentration of the component A in the solution is preferably 0.1 to 5% by weight. Then, the B component is mixed, or the monomers constituting the B component are mixed and polymerized. The polymer concentration of the component A is more preferably 0.3 to 3% by weight, and further preferably 0.5 to 2% by weight. More specifically, the polymer concentration of the component A is preferably a quasi-dilute solution in which the polymers are slightly overlapped as an aggregate state of the polymer, and the component B is mixed or the component B is mixed. When the constituent monomers are mixed and polymerized, the mixed state is likely to be uniform, so that a dilute solution that is in an isolated chain state is a more preferable embodiment. The concentration of the dilute solution is considered to be determined by the intramolecular exclusion volume determined by the polymer molecular weight and the solubility of the polymer in the solvent. It is less likely to aggregate and deposit in the filter media. When the polymer concentration exceeds 5% by weight, an undissolved product of component A may be present. When the polymer concentration is less than 0.1% by weight, it is effective because it is a dilute solution depending on the molecular weight. Is often saturated.

本発明では、上記のように、A成分の溶媒に対する重合体濃度を好ましくは0.1〜5重量%になるようにした後、それにB成分を混合溶解する方法でもかまわないが、工程省略の観点から高分子量物を溶媒に希釈したものとB成分を構成する単量体を混合して単量体を溶液重合することにより混合する方法を採用する方が好ましい。   In the present invention, as described above, the polymer concentration with respect to the solvent of the component A is preferably 0.1 to 5% by weight, and then the method of mixing and dissolving the component B may be used. From the viewpoint, it is preferable to employ a method in which a monomer obtained by diluting a high molecular weight material in a solvent and a monomer constituting the component B are mixed and the monomers are mixed by solution polymerization.

A成分の溶媒に対する重合体濃度を0.1〜5重量%になるようにする方法としては、希釈による方法でも重合による方法でも構わない。希釈する場合は、均一に希釈できるまで撹拌することが重要であり、希釈温度としては50〜120℃が好ましく、希釈時間は希釈温度や希釈前濃度によって異なるため、適宜設定すればよい。希釈温度が50℃未満の場合は、希釈に時間がかかることがあり、120℃を超える場合は、A成分が変質する恐れがある。また、重合体の重なり合いを希釈する工程を減らし、均一に混合する観点から、前記のA成分の製造から前記のB成分の混合開始、あるいは、B成分を構成する単量体の重合開始までの間、A成分の溶媒に対する重合体濃度を0.1〜5重量%の範囲に制御することが好ましい。具体的には、A成分を溶液重合により製造する際に、溶媒に対する重合体濃度が5重量%以下で重合を停止させ、それにB成分を混合する、あるいは、B成分を構成する単量体を混合しその単量体を重合する方法である。通常、溶媒に対する仕込み単量体の割合が少ないと、溶液重合により高分子量物を製造することは困難なことが多いため仕込み単量体の割合を多くするが、上記のA成分の重合体濃度が5重量%以下の段階では、重合率が低く、未反応単量体が多く残存していることになる。未反応単量体を揮発除去してから、B成分を混合してもかまわないが、工程省略の観点からその未反応単量体を用いてB成分を溶液重合することが好ましい。   The method for adjusting the polymer concentration of the component A to the solvent to 0.1 to 5% by weight may be a method using dilution or a method using polymerization. When diluting, it is important to stir until it can be diluted uniformly, and the dilution temperature is preferably 50 to 120 ° C. The dilution time varies depending on the dilution temperature and the concentration before dilution, and may be appropriately set. When the dilution temperature is less than 50 ° C, it may take time to dilute, and when it exceeds 120 ° C, the component A may be altered. In addition, from the viewpoint of reducing the process of diluting the overlapping of the polymers and mixing them uniformly, from the production of the A component to the start of mixing of the B component, or the polymerization of the monomer constituting the B component. Meanwhile, the polymer concentration with respect to the solvent of the component A is preferably controlled in the range of 0.1 to 5% by weight. Specifically, when the component A is produced by solution polymerization, the polymerization is stopped when the polymer concentration with respect to the solvent is 5% by weight or less, and the component B is mixed therewith, or the monomer constituting the component B is added. It is a method of mixing and polymerizing the monomers. Usually, when the ratio of the charged monomer to the solvent is small, it is often difficult to produce a high molecular weight product by solution polymerization, so the ratio of the charged monomer is increased. However, when the amount is 5% by weight or less, the polymerization rate is low and a large amount of unreacted monomer remains. The B component may be mixed after removing the unreacted monomer by volatilization, but from the viewpoint of omitting the process, it is preferable to solution polymerize the B component using the unreacted monomer.

本発明で好適に用いられるA成分としては、PANと相溶性を有することが望ましく、相溶性の観点からPAN系重合体であることが好ましい。組成としては、ANが好ましくは93〜100モル%、より好ましくは98〜100モル%であり、ANと共重合可能な単量体を7モル%以下なら共重合させてもよいが、共重合成分の連鎖移動定数がANより小さく、必要とするMwを得にくい場合は、共重合成分の量をなるべく減らすことが好ましい。   The component A preferably used in the present invention desirably has compatibility with PAN, and is preferably a PAN-based polymer from the viewpoint of compatibility. As the composition, AN is preferably 93 to 100 mol%, more preferably 98 to 100 mol%, and the monomer copolymerizable with AN may be copolymerized if it is 7 mol% or less. When the component chain transfer constant is smaller than AN and it is difficult to obtain the required Mw, it is preferable to reduce the amount of the copolymerization component as much as possible.

ANと共重合可能な単量体としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸およびそれらアルカリ金属塩、アンモニウム塩および低級アルキルエステル類、アクリルアミドおよびその誘導体、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸およびそれらの塩類またはアルキルエステル類などを用いることができる。   Examples of monomers copolymerizable with AN include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid and their alkali metal salts, ammonium salts and lower alkyl esters, acrylamide and its derivatives, allyl sulfonic acid, methallyl sulfonic acid and Those salts or alkyl esters can be used.

本発明において、A成分であるPAN系重合体を製造するための重合方法としては、溶液重合法、懸濁重合法および乳化重合法などから選択することができるが、ANや共重合成分を均一に重合する目的からは、溶液重合法を用いることが好ましい。溶液重合法を用いて重合する場合、溶媒としては、例えば、塩化亜鉛水溶液、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどPANが可溶な溶媒が好適に用いられる。必要とするMwを得にくい場合は、連鎖移動定数の大きい溶媒、すなわち、塩化亜鉛水溶液による溶液重合法、あるいは水による懸濁重合法も好適に用いられる。   In the present invention, the polymerization method for producing the PAN-based polymer as the component A can be selected from solution polymerization method, suspension polymerization method and emulsion polymerization method. For the purpose of polymerization, it is preferable to use a solution polymerization method. In the case of polymerizing using the solution polymerization method, as the solvent, for example, a solvent in which PAN is soluble, such as an aqueous zinc chloride solution, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and dimethylacetamide, is preferably used. If it is difficult to obtain the required Mw, a solvent having a large chain transfer constant, that is, a solution polymerization method using a zinc chloride aqueous solution or a suspension polymerization method using water is also preferably used.

本発明で好適に用いられるB成分であるPAN系重合体の組成としては、ANが好ましくは93〜100モル%であり、より好ましくは98〜100モル%である。ANと共重合可能な単量体を7モル%以下なら共重合させてもよいが、共重合成分量が多くなるほど耐炎化工程で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低下する。   As a composition of the PAN-based polymer that is the component B suitably used in the present invention, AN is preferably 93 to 100 mol%, and more preferably 98 to 100 mol%. A monomer copolymerizable with AN may be copolymerized if it is 7 mol% or less. However, as the amount of the copolymerization component increases, molecular breakage due to thermal decomposition at the copolymerized portion becomes more prominent in the flameproofing step. The tensile strength of the carbon fiber decreases.

ANと共重合可能な単量体としては、耐炎化を促進する観点から、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸およびそれらアルカリ金属塩、アンモニウム塩および低級アルキルエステル類、アクリルアミドおよびその誘導体、アリルスルホン酸、メタリルスルホン酸およびそれらの塩類またはアルキルエステル類などを用いることができる。   Examples of the monomer copolymerizable with AN include, for example, acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid and alkali metal salts thereof, ammonium salts and lower alkyl esters, acrylamide and derivatives thereof, allyl, from the viewpoint of promoting flame resistance. Sulfonic acid, methallylsulfonic acid and their salts or alkyl esters can be used.

本発明において、B成分であるPAN系重合体を製造するための重合方法としては、溶液重合法、懸濁重合法および乳化重合法などから選択することができるが、ANや共重合成分を均一に重合する目的からは、溶液重合法を用いることが好ましい。溶液重合法を用いて重合する場合、溶媒としては、例えば、塩化亜鉛水溶液、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどPANが可溶な溶媒が好適に用いられる。中でも、PANの溶解性の観点から、ジメチルスルホキシドを用いることが好ましい。これらの重合に用いる原料は、全て濾過精度1μm以下のフィルター濾材を通した後に用いることが好ましい。   In the present invention, the polymerization method for producing the PAN-based polymer as the component B can be selected from a solution polymerization method, a suspension polymerization method and an emulsion polymerization method. For the purpose of polymerization, it is preferable to use a solution polymerization method. In the case of polymerizing using the solution polymerization method, as the solvent, for example, a solvent in which PAN is soluble, such as an aqueous zinc chloride solution, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and dimethylacetamide, is preferably used. Among these, dimethyl sulfoxide is preferably used from the viewpoint of PAN solubility. The raw materials used for these polymerizations are preferably used after passing through a filter medium having a filtration accuracy of 1 μm or less.

前記したPAN系重合体が、PAN系重合体が可溶なジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミドなどの有機溶媒あるいは、塩化亜鉛水溶液やロダンソーダ水溶液など、無機塩の水溶液である無機塩溶媒に溶解されてなる紡糸溶液となす。溶液重合を用いる場合、重合に用いられる溶媒と紡糸溶媒を同じものにしておくと、重合後に得られるPAN系重合体の溶液をそのまま、またはそれを紡糸溶媒で希釈するのみで紡糸溶液とすることができるため、重合後に得られるPAN系重合体の溶液からPAN系重合体を分離し、分離したPAN系重合体を紡糸溶媒に溶解する工程が不要となる。   The PAN-based polymer described above is dissolved in an organic solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide in which the PAN-based polymer is soluble, or an inorganic salt solvent which is an aqueous solution of an inorganic salt such as an aqueous zinc chloride solution or an aqueous rhodium soda solution. And spinning solution. When using the solution polymerization, if the solvent used for the polymerization and the spinning solvent are the same, the PAN-based polymer solution obtained after the polymerization can be used as it is or simply by diluting it with the spinning solvent. Therefore, a step of separating the PAN polymer from the PAN polymer solution obtained after polymerization and dissolving the separated PAN polymer in the spinning solvent becomes unnecessary.

紡糸溶液におけるPAN系重合体の重合体濃度は、使用する溶媒によって、重合体濃度と粘度の関係が大きくずれることから、一概にはいえないが、5〜30重量%の範囲であることが好ましい。有機溶媒の場合は、14〜25重量%であることがより好ましく、18〜23重量%であることが最も好ましい。無機塩溶媒の場合は、5〜18重量%の範囲であることが好ましい。かかる重合体濃度が5重量%未満では溶媒使用量が多くなり経済的でなく、凝固浴内での凝固速度を低下させ内部にボイドが生じて緻密な構造が得られないことがある一方、重合体濃度が30重量%を超えると粘度が上昇し、紡糸が困難となる傾向を示す。紡糸溶液の重合体濃度は、使用する溶媒量により調製することができる。   The polymer concentration of the PAN-based polymer in the spinning solution is not unclear because the relationship between the polymer concentration and the viscosity varies greatly depending on the solvent used, but it is preferably in the range of 5 to 30% by weight. . In the case of an organic solvent, it is more preferably 14 to 25% by weight, and most preferably 18 to 23% by weight. In the case of an inorganic salt solvent, it is preferably in the range of 5 to 18% by weight. When the polymer concentration is less than 5% by weight, the amount of solvent used increases, which is not economical, and the coagulation rate in the coagulation bath is decreased, voids are generated inside, and a dense structure may not be obtained. When the coalescence concentration exceeds 30% by weight, the viscosity increases, and spinning tends to be difficult. The polymer concentration of the spinning solution can be adjusted according to the amount of solvent used.

本発明において重合体濃度とは、PAN系重合体の溶液中に含まれるPAN系重合体の重量%である。具体的には、PAN系重合体の溶液を計量した後、PAN系重合体を溶解せずかつPAN系重合体溶液に用いる溶媒と相溶性のあるものに、計量したPAN系重合体溶液を脱溶媒させた後、PAN系重合体を計量する。重合体濃度は、脱溶媒後のPAN系重合体の重量を、脱溶媒する前のPAN系重合体の溶液の重量で割ることにより算出する。   In the present invention, the polymer concentration is the weight percent of the PAN polymer contained in the PAN polymer solution. Specifically, after weighing the PAN-based polymer solution, the measured PAN-based polymer solution is removed to a solvent that does not dissolve the PAN-based polymer and is compatible with the solvent used for the PAN-based polymer solution. After solvent, the PAN polymer is weighed. The polymer concentration is calculated by dividing the weight of the PAN polymer after desolvation by the weight of the PAN polymer solution before desolvation.

45℃の温度における紡糸溶液の粘度は、15〜200Pa・sの範囲であることが好ましく、より好ましくは20〜100Pa・sの範囲であることがより好ましく、25〜60Pa・sの範囲であることが最も好ましい。溶液粘度が15Pa・s未満では、紡糸糸条で毛管破断しやすくなるため、口金から出た糸条を引き取る速度、すなわち可紡性が低下する傾向を示す。また、溶液粘度は200Pa・sを超えるとゲル化し易くなり、フィルター濾材が閉塞しやすくなる傾向を示す。紡糸溶液の粘度は、Mw(P)と重合体濃度、溶媒種類などにより制御することができる。   The spinning solution viscosity at a temperature of 45 ° C is preferably in the range of 15 to 200 Pa · s, more preferably in the range of 20 to 100 Pa · s, and more preferably in the range of 25 to 60 Pa · s. Most preferred. When the solution viscosity is less than 15 Pa · s, capillary breakage tends to occur at the spun yarn, and thus the speed at which the yarn coming out from the die is taken, that is, the spinnability tends to decrease. Moreover, when solution viscosity exceeds 200 Pa * s, it will become easy to gelatinize and the tendency for a filter medium to become obstruct | occluded easily will be shown. The viscosity of the spinning solution can be controlled by Mw (P), polymer concentration, solvent type, and the like.

本発明において、紡糸溶液などのPAN系重合体の溶液の45℃の温度における粘度は、B型粘度計により測定することができる。具体的には、ビーカーに入れたPAN系重合体溶液を、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0〜100Pa・s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100〜1000Pa・sの範囲はローター回転数0.6r.p.m.で測定する。   In the present invention, the viscosity of a PAN polymer solution such as a spinning solution at a temperature of 45 ° C. can be measured with a B-type viscometer. Specifically, the PAN-based polymer solution placed in a beaker is immersed in a hot 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 polymer solution is in the range of 0 to 100 Pa · s. p. m. The viscosity of the spinning solution is in the range of 100 to 1000 Pa · s. p. m. Measure with

本発明において、紡糸溶液を紡糸するに先立ち、フィルター濾材に通し、重合体原料および各工程において混入した不純物を除去することが好ましい。フィルター濾材の濾過精度は1〜10μmが好ましく、3〜10μmがより好ましく、5〜10μmがさらに好ましい。本発明において、フィルター濾材の濾過精度とは、フィルター濾材を通過する間に95%を捕集することができる球粒子の粒子径(直径)で定義する。そのため、フィルター濾過精度とその開孔径とは関係があり、開孔径を狭くすることで濾過精度を高めることが一般的である。かかる濾過精度が10μmより大きいと、得られる紡糸溶液中の異物が増大し、焼成延伸工程における延伸時に毛羽を発生させる場合がある。一方、濾過精度が1μmよりも小さいと異物だけでなく、紡糸溶液中に含まれる超高分子量成分を選択的に濾過・閉塞し、Mz(F)/Mw(F)を低下させる場合がある。   In the present invention, prior to spinning the spinning solution, it is preferable to pass through the filter medium to remove the polymer raw material and impurities mixed in each step. The filtration accuracy of the filter medium is preferably 1 to 10 μm, more preferably 3 to 10 μm, and even more preferably 5 to 10 μm. In the present invention, the filtration accuracy of the filter medium is defined by the particle diameter (diameter) of spherical particles capable of collecting 95% while passing through the filter medium. Therefore, there is a relationship between the filter filtration accuracy and the aperture diameter, and it is common to increase the filtration accuracy by narrowing the aperture diameter. When the filtration accuracy is larger than 10 μm, foreign matter in the obtained spinning solution increases, and fluff may be generated during stretching in the firing and stretching step. On the other hand, if the filtration accuracy is less than 1 μm, not only foreign substances but also ultra-high molecular weight components contained in the spinning solution may be selectively filtered / clogged to lower Mz (F) / Mw (F).

本発明では、前記した紡糸溶液を、乾式、湿式、または乾湿式紡糸法により紡糸することにより、炭素繊維前駆体繊維を製造することができる。中でも乾湿式紡糸法は、紡糸速度を高めやすいため、好ましく用いられる。また、湿式紡糸においても後述する特定の凝固浴条件下で紡糸速度を高めやすいため、好ましく用いられる。   In the present invention, carbon fiber precursor fibers can be produced by spinning the spinning solution described above by a dry, wet, or dry-wet spinning method. Among these, the dry and wet spinning method is preferably used because it is easy to increase the spinning speed. Also, wet spinning is preferably used because it is easy to increase the spinning speed under the specific coagulation bath conditions described later.

紡糸に用いる口金孔径は、0.04mm〜0.2mmであることが好ましく、0.1〜0.15mmであることがより好ましい。口金孔径が0.04mmより小さい場合、口金吐出時に剪断応力がかかり、高速紡糸が困難となる傾向がある。また、一方、口金孔径が0.2mmを超えると1.5dtex以下の単繊維繊度の繊維を得るためには過剰な延伸なしには高速紡糸が困難となる場合がある。   The diameter of the die hole used for spinning is preferably 0.04 mm to 0.2 mm, and more preferably 0.1 to 0.15 mm. When the die hole diameter is smaller than 0.04 mm, shear stress is applied when the die is discharged, and high-speed spinning tends to be difficult. On the other hand, when the diameter of the die hole exceeds 0.2 mm, high-speed spinning may be difficult without excessive stretching in order to obtain a fiber having a single fiber fineness of 1.5 dtex or less.

紡糸溶液の紡糸ドラフト率は2.5〜50の範囲であることが好ましい。紡糸ドラフト率は、より好ましくは5〜15の範囲であり、さらに好ましくは10〜15の範囲である。   The spinning draft of the spinning solution is preferably in the range of 2.5-50. The spinning draft rate is more preferably in the range of 5 to 15, and still more preferably in the range of 10 to 15.

ここで紡糸ドラフト率とは、紡糸糸条が紡糸口金を離れて最初に接触する駆動源を持ったローラーの表面速度(凝固糸の引き取り速度)を、紡糸口金孔内の紡糸溶液の線速度(吐出線速度)で割った値をいう。この吐出線速度とは、単位時間当たりに吐出される紡糸溶液の体積を口金孔面積で割った値をいう。したがって、吐出線速度は、紡糸溶液の吐出量と紡糸口金の孔径の関係で決まる。すなわち、紡糸ドラフト率は次式で表されるものである。

紡糸ドラフト率=(凝固糸の引き取り速度)/(吐出線速度) 上記の紡糸ドラフト率を高めることは、繊維の細径化への寄与が大きく、それ以降の紡糸工程の延伸倍率を低く設定できる。紡糸溶液の状態での延伸であれば、溶媒によりPAN系重合体の絡み合いが弱まり、緩和しやすいので、それ以降の紡糸工程での延伸に比べて小さな張力で延伸でき、分子鎖の切断が起こりにくいので好ましい。紡糸ドラフト率が2.5未満では、それ以降の紡糸工程の延伸倍率を高く設定せざるを得ないことが多く、Mz(F)/Mw(F)の低下を抑制する観点から紡糸ドラフトが15以下で十分である。
Here, the spinning draft rate refers to the surface speed of the roller (the take-up speed of the coagulated yarn) having a driving source with which the spinning yarn first leaves the spinneret and the linear velocity of the spinning solution in the spinneret hole ( The value divided by the discharge linear velocity. The discharge linear velocity is a value obtained by dividing the volume of the spinning solution discharged per unit time by the die hole area. Accordingly, the discharge linear velocity is determined by the relationship between the discharge amount of the spinning solution and the hole diameter of the spinneret. That is, the spinning draft rate is expressed by the following formula.

Spinning draft rate = (coagulated yarn take-up speed) / (discharge line speed) Increasing the spinning draft rate greatly contributes to fiber diameter reduction, and the draw ratio in the subsequent spinning process can be set low. . If stretching in the spinning solution state, the PAN polymer entanglement is weakened by the solvent and is easy to relax. Therefore, it can be stretched with less tension than the stretching in the subsequent spinning process, and the molecular chain is broken. It is preferable because it is difficult. If the spinning draft ratio is less than 2.5, the draw ratio in the subsequent spinning process must be set high, and the spinning draft is 15 from the viewpoint of suppressing the decrease in Mz (F) / Mw (F). The following is sufficient.

本発明において、凝固浴には、紡糸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および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、前記のPAN系重合体を溶解せず、かつ紡糸溶媒と相溶性があるものが好ましく、具体的には、エタノール、メタノール、水、中でも特に水を使用することが好ましい。乾湿式紡糸においては、凝固浴としての条件は公知の条件を設定することができる。湿式紡糸においては、臨界濃度を超える濃度条件を設定することが好ましい。すなわち、一般的に湿式紡糸においては、凝固浴の濃度を高めて、その他の条件を固定して限界紡糸ドラフト率を測定すると限界紡糸ドラフト率は低下していき、ある臨界濃度を境に急に増加することが広く知られている。その臨界濃度はPAN系重合体の共重合成分種類や量、アンモニアなどの添加物、凝固浴の温度、溶媒や凝固剤の種類などによって変化するため一概には言えず、紡糸条件に合わせて測定する必要がある。このような濃度条件では限界紡糸ドラフト率が大きく増加するため、高速紡糸を行いやすく好ましい。   In the present invention, the coagulation bath preferably contains a solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and dimethylacetamide used as a spinning solvent and a so-called coagulation promoting component. As the coagulation accelerating component, those that do not dissolve the PAN-based polymer and are compatible with the spinning solvent are preferable. Specifically, ethanol, methanol, water, and particularly water is preferably used. In dry and wet spinning, known conditions can be set as conditions for the coagulation bath. In wet spinning, it is preferable to set a concentration condition exceeding the critical concentration. That is, in general, in wet spinning, when the critical spinning draft rate is measured by increasing the concentration of the coagulation bath and fixing other conditions, the critical spinning draft rate decreases, and suddenly stops at a certain critical concentration. It is widely known to increase. The critical concentration varies depending on the type and amount of copolymer component of PAN polymer, additives such as ammonia, temperature of coagulation bath, type of solvent and coagulant, etc. There is a need to. Under such a concentration condition, the critical spinning draft rate is greatly increased, so that high speed spinning is easy to perform.

紡糸溶液を凝固浴中で凝固させ糸条を形成した後、駆動源を持ったローラーで引き取るが、その膨潤糸の引き取り速度は、50〜500m/分であることが、高速紡糸を行う観点から好ましい。その引き取り速度が50m/分未満では生産性が落ち、また引き取り速度は500m/分もあれば十分なことが多い。   From the viewpoint of performing high-speed spinning, the spinning solution is solidified in a coagulation bath to form a yarn, and then taken up by a roller having a drive source. The take-up speed of the swollen yarn is 50 to 500 m / min. preferable. When the take-up speed is less than 50 m / min, productivity is lowered, and a take-up speed of 500 m / min is often sufficient.

凝固工程で得られた繊維糸条を水浴中で洗浄・延伸する水洗工程と、該水洗工程で得られた膨潤糸を過熱水蒸気雰囲気中で延伸する過熱水蒸気延伸工程を経て、炭素繊維前駆体繊維が得られる。本発明の目的を逸脱しない範囲で、必要に応じて、過熱水蒸気延伸工程の後に、乾燥や再度延伸しても良い。   The carbon fiber precursor fiber is subjected to a water washing step of washing and drawing the fiber yarn obtained in the coagulation step in a water bath, and a superheated steam drawing step of drawing the swollen yarn obtained in the water washing step in a superheated steam atmosphere. Is obtained. As long as it does not deviate from the object of the present invention, it may be dried or stretched again after the superheated steam stretching step.

水洗工程では、通常、凝固後の糸条に残存する溶媒と水とを置換する水洗を行うだけでなく、その後に、浴中または空気中で延伸を行なうことも好ましい。水洗工程において、水洗と延伸が逆になってもよいし、一体であってもよいし、延伸をしなくてもよい。水洗工程での浴液温度は、好ましくは20〜95℃である。また水洗工程での延伸倍率は、適宜設定すればよいが1〜5倍であることが好ましい。紡糸溶液の特性に加えて、水洗工程における浴液温度の最大値と延伸条件によって水洗工程後の糸条の水分率が変わる。かかる水分率は低いほど、乾燥が短時間かつ、低エネルギーとなるため、好ましい。   In the washing step, it is usually preferable not only to perform washing with water to replace the solvent remaining in the coagulated yarn and water, but also to perform stretching in a bath or in the air thereafter. In the washing step, washing and stretching may be reversed, may be integrated, or may not be stretched. The bath liquid temperature in the water washing step is preferably 20 to 95 ° C. Moreover, what is necessary is just to set the draw ratio in a water washing process suitably, but it is preferable that it is 1-5 times. In addition to the properties of the spinning solution, the moisture content of the yarn after the washing step varies depending on the maximum value of the bath liquid temperature and the drawing conditions in the washing step. A lower moisture content is preferable because drying takes a shorter time and lower energy.

上記した水洗工程の後の糸条を膨潤糸として後述する熱水蒸気延伸工程に供しても良いが、単繊維同士の融着を防止する目的から、水洗工程を経た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。油剤を付与する工程はこの工程に限定はされず、過熱水蒸気延伸後でもかまわないし、その両者でもかまわない。シリコーン油剤を用いる場合、耐熱性の高いアミノ変性シリコーン等の変性されたシリコーンを含有するものを用いることが好ましい。油剤は水エマルジョンの状態で付与させることが多く、膨潤糸の水分率を増加させるため、油剤を付与した後にニップローラー等で余分な水分を除去した糸条を膨潤糸として過熱水蒸気延伸工程に供することが好ましい。この過熱水蒸気延伸直前の膨潤糸の水分率を20〜200重量%の範囲内となるように制御することで乾燥および延伸が過熱水蒸気延伸工程で効率的に行われるため好ましく、より好ましくはかかる水分率が60〜170重量%である。かかる水分率が200重量%を超えると過熱水蒸気延伸工程が長くなることがあり、20%未満とすると糸条間で融着を発生したり、延伸性が低下したりする。なお、本発明において、水分率(重量%)は、測定しようとする糸条の重量C(g)とその糸条を120℃で4時間乾燥させて水分を含まない状態の重量D(g)から(C/D−1)×100の式で計算される。120℃×4時間の処理で揮発するものは水以外も本発明では水分として含み、例えば、水洗工程で水に置換し切れなかった溶媒や、油剤中に含まれる揮発性酸性化合物が挙げられる。   The yarn after the water washing step may be used as a swollen yarn for the hot steam drawing step described later, but for the purpose of preventing fusion of single fibers, the oil agent comprising silicone or the like on the yarn after the water washing step Is preferably given. The step of applying the oil agent is not limited to this step, and it may be performed after superheated steam stretching or both. When using a silicone oil agent, it is preferable to use one containing a modified silicone such as an amino-modified silicone having high heat resistance. Oil is often applied in the form of a water emulsion, and in order to increase the moisture content of the swollen yarn, the yarn from which excess water has been removed with a nip roller after application of the oil is used as a swollen yarn for the superheated steam drawing process. It is preferable. Since the moisture content of the swollen yarn immediately before the superheated steam stretching is controlled to be within the range of 20 to 200% by weight, drying and stretching are performed efficiently in the superheated steam stretching step, and more preferably such moisture. The rate is 60 to 170% by weight. When the moisture content exceeds 200% by weight, the superheated steam drawing process may be long. When the moisture content is less than 20%, fusion occurs between the yarns, and the drawability is deteriorated. In the present invention, the moisture content (% by weight) includes the weight C (g) of the yarn to be measured and the weight D (g) in which the yarn is dried at 120 ° C. for 4 hours and does not contain moisture. To (C / D-1) × 100. The thing which volatilizes by the process of 120 degreeC x 4 hours is included as a water | moisture content other than water in this invention, for example, the solvent which could not be substituted with water at the washing process, and the volatile acidic compound contained in an oil agent are mentioned.

このようにして得られた膨潤糸を過熱水蒸気延伸工程に供し、過熱水蒸気を含む雰囲気(以下、過熱水蒸気雰囲気ともいう)中で延伸して前駆体繊維を得る。すなわち、糸条が通過する空間を有する延伸機において、その空間を過熱水蒸気雰囲気で満たして、そのような延伸機内で膨潤糸を延伸する。本発明において、過熱水蒸気雰囲気とは、過熱水蒸気単独の雰囲気でも、過熱水蒸気と他の気体とが混合した雰囲気でもいずれでも良い。過熱水蒸気に混合する気体の種類はいずれを問わないが、安全性、取り扱い性を考えると空気、もしくは窒素などが好ましく用いられる。糸条が過熱水蒸気雰囲気を通過するとともに糸条の単繊維間に含まれる空気や糸条からの発生する水蒸気などの他の気体が雰囲気に混合されることがあるが、本発明では過熱水蒸気雰囲気とは、過熱水蒸気延伸工程の雰囲気のことを指す。過熱水蒸気雰囲気としては過熱水蒸気単独が最も延伸性と乾燥効率のバランスから好ましい。本発明において過熱水蒸気とは、飽和水蒸気の温度と圧力の関係より圧力が低いことをいう。過熱水蒸気雰囲気の圧力は、0.09〜0.15MPaであることが好ましく、常圧であることが最も好ましい。かかる圧力が0.09MPa以上であることで過熱水蒸気延伸工程への空気の漏れ込みが少なく、かかる圧力が0.15MPa以下であることで乾燥効率が高く、また過熱水蒸気延伸工程からの気体の漏れ出しが少なく、経済的である。過熱水蒸気を発生させる方法はいずれを問わないが、ボイラーなどで生成させた加圧飽和水蒸気をバーナー、電気ヒーター、誘導過熱などによりさらに高温に過熱させることにより得ることができる。   The swollen yarn thus obtained is subjected to a superheated steam drawing step and drawn in an atmosphere containing superheated steam (hereinafter also referred to as a superheated steam atmosphere) to obtain a precursor fiber. That is, in a drawing machine having a space through which the yarn passes, the space is filled with a superheated steam atmosphere, and the swollen yarn is drawn in such a drawing machine. In the present invention, the superheated steam atmosphere may be an atmosphere of superheated steam alone or a mixed atmosphere of superheated steam and another gas. Any type of gas can be mixed with the superheated steam, but air or nitrogen is preferably used in view of safety and handleability. While the yarn passes through the superheated steam atmosphere, other gases such as air contained between the single fibers of the yarn and water vapor generated from the yarn may be mixed in the atmosphere. "" Refers to the atmosphere of the superheated steam stretching process. As the superheated steam atmosphere, superheated steam alone is most preferable from the balance between stretchability and drying efficiency. In the present invention, superheated steam means that the pressure is lower than the relationship between temperature and pressure of saturated steam. The pressure of the superheated steam atmosphere is preferably 0.09 to 0.15 MPa, and most preferably normal pressure. When the pressure is 0.09 MPa or more, there is little air leakage into the superheated steam stretching process, and when the pressure is 0.15 MPa or less, the drying efficiency is high, and gas leakage from the superheated steam stretching process. There is little outage and it is economical. Any method may be used for generating superheated steam, but it can be obtained by further heating the pressurized saturated steam generated by a boiler or the like to a higher temperature with a burner, an electric heater, induction heating or the like.

このような雰囲気中で膨潤糸を延伸するが、雰囲気の温度は、最高温度で110〜185℃、好ましくは140〜180℃、より好ましくは150〜170℃とする必要がある。最高温度が130℃未満では乾燥に時間がかかり、高温ほど好ましいが、180℃を超える場合にはPAN系重合体の湿熱下融点近くなり、融解して破断してしまう。延伸を段階的に行うため過熱水蒸気雰囲気の温度を段階的に変化させた複数の延伸機を使用しても構わないし、延伸点を一定に制御するために予熱した後に延伸できるように単数の延伸機をブロックごとの制御したものであっても構わないし、簡便のために単数の延伸機を一定温度で使用しても構わない。   Although the swollen yarn is stretched in such an atmosphere, the temperature of the atmosphere needs to be 110 to 185 ° C., preferably 140 to 180 ° C., more preferably 150 to 170 ° C. at the maximum temperature. When the maximum temperature is less than 130 ° C., drying takes time, and higher temperatures are preferable. However, when the temperature exceeds 180 ° C., the melting point of the PAN-based polymer becomes close to the melting point under wet heat and melts and breaks. In order to perform stretching in stages, a plurality of stretching machines in which the temperature of the superheated steam atmosphere is changed in stages may be used, or a single stretching is performed so that stretching can be performed after preheating to keep the stretching point constant. The machine may be controlled for each block, or a single drawing machine may be used at a constant temperature for convenience.

過熱水蒸気雰囲気中の滞留時間は5秒から60秒が好ましい結果を与える。かかる滞留時間が5秒未満では乾燥が不足することがあるが短いほど好ましく、60秒もあれば十分である。過熱水蒸気は高凝縮潜熱により100℃まで昇温能力が高く、また、160℃以上では空気より乾燥効果が高くなるため短時間で乾燥が終了する。   A preferable residence time in the superheated steam atmosphere is 5 to 60 seconds. If the residence time is less than 5 seconds, drying may be insufficient, but it is preferable that the residence time is short, and 60 seconds is sufficient. Superheated steam has a high temperature-elevating capability up to 100 ° C. due to high condensation latent heat, and the drying effect is higher than air at 160 ° C. or higher, so that drying is completed in a short time.

また、過熱水蒸気雰囲気中での延伸倍率は2〜8倍が好ましく、更に好ましくは5〜8倍とすることが前駆体繊維の配向を高める点や紡糸速度を高める点から好ましい。過熱水蒸気雰囲気とするためには、延伸機外で過熱水蒸気を発生させてその過熱水蒸気を延伸機に導入しても良いし、加熱水蒸気を導入した延伸機を所定の温度に加熱して延伸機中で過熱水蒸気雰囲気としても良い。また、多糸条の全てを同時に1つの延伸機に導入して延伸しても良いし、多糸条をいくつかの複数の糸条に分割して、その複数の糸条ごとに1つの延伸機に導入して延伸しても良いし、1糸条ごとに1つの延伸機に導入して延伸しても良い。また、過熱水蒸気雰囲気が漏れ出さないように延伸機の糸条出入り口にはスリットあるいはシール部材を用いることも好ましい。また、膨潤糸から発生する水蒸気により、過熱水蒸気雰囲気の組成などが変動することを避けるために、延伸機に雰囲気気体の排気口を設け、循環させてもいいし、延伸機の糸条出入り口から積極的に雰囲気気体を排出してもいい。過熱水蒸気雰囲気を延伸機に導入する場合、その導入方向としては、糸条の進行方向に交わる方向でも並行する方向でも構わないが、糸条の毛羽立ちを抑制する観点からは並行する方向であることがより好ましい。   Further, the draw ratio in the superheated steam atmosphere is preferably 2 to 8 times, more preferably 5 to 8 times from the viewpoint of increasing the orientation of the precursor fiber and increasing the spinning speed. In order to obtain a superheated steam atmosphere, superheated steam may be generated outside the stretching machine, and the superheated steam may be introduced into the stretching machine, or the stretching machine into which heated steam has been introduced is heated to a predetermined temperature. A superheated steam atmosphere may be used. In addition, all of the multiple yarns may be simultaneously drawn into one drawing machine and drawn, or the multiple yarns may be divided into several yarns and one drawing for each of the plurality of yarns. It may be introduced into a machine and drawn, or may be introduced into one drawing machine for each yarn and drawn. It is also preferable to use a slit or a seal member at the yarn entrance / exit of the drawing machine so that the superheated steam atmosphere does not leak out. Also, in order to avoid fluctuations in the composition of the superheated steam atmosphere due to water vapor generated from the swollen yarn, an atmosphere gas exhaust port may be provided in the drawing machine and circulated, or from the yarn outlet / outlet of the drawing machine. The atmosphere gas may be positively discharged. When the superheated steam atmosphere is introduced into the drawing machine, the introduction direction may be a direction intersecting or parallel to the yarn traveling direction, but is a parallel direction from the viewpoint of suppressing fuzz of the yarn. Is more preferable.

過熱水蒸気延伸工程後には、本発明の目的を損なわない範囲で、油剤付与や乾燥、熱媒体を問わない再度の延伸工程を含んでもよいが、工程を短縮化するためにはこれらの工程を含まないことが好ましい。   After the superheated steam stretching step, it may include a re-stretching step regardless of oiling, drying, and heat medium within the range not impairing the object of the present invention, but these steps are included in order to shorten the process. Preferably not.

このようにして得られた前駆体繊維は、水分率が0〜5重量%であることが好ましい。本発明では、過熱水蒸気延伸工程後にさらなる乾燥を行わなくとも、かかる水分率とすることができる。また、巻き取る前駆体繊維の限界量が同じとすれば、水分率は少ないほど巻き取る前駆体繊維を増やすことは可能であるし、その分、搬送や糸つなぎ間隔が広くなり好ましい。また、水分率が5重量%以内であれば前駆体繊維の集束性は高いし、水分率が低いほど乾燥効率が悪いので完全に乾燥させなくても耐炎化工程で乾燥できるため、水分率が5重量%以内で水分を含むことも好ましいものである。従来技術においても、乾燥緻密化工程を経た糸条が再度加圧水蒸気延伸工程を経ることで水分を含むようになるため、従来技術と同程度の水分率を有する前駆体繊維を、膨潤糸を過熱水蒸気延伸するのみでも得ることができる本発明を採用すれば、当然ながら、工程は短縮化できる。   The precursor fiber thus obtained preferably has a moisture content of 0 to 5% by weight. In the present invention, the moisture content can be obtained without further drying after the superheated steam stretching step. Further, if the limit amount of the precursor fiber to be wound is the same, it is possible to increase the precursor fiber to be wound as the moisture content is smaller, and accordingly, the conveyance and the yarn joining interval are widened. In addition, if the moisture content is within 5% by weight, the precursor fiber has high bundling properties, and the lower the moisture content, the poorer the drying efficiency. Therefore, the moisture content can be dried in the flameproofing process without completely drying. It is also preferable to contain moisture within 5% by weight. Also in the prior art, since the yarn that has undergone the drying and densification step contains water again through the pressurized steam drawing step, the precursor fiber having a moisture content comparable to that of the prior art is used to superheat the swollen yarn. If the present invention, which can be obtained only by steam stretching, is adopted, the process can naturally be shortened.

また、得られる前駆体繊維は、単繊維繊度が、好ましくは0.7〜1.5dtex、より好ましくは0.9〜1.4dtexである。前駆体繊維の単繊維繊度が小さすぎると、生産性が低下して、一方、単繊維繊度が大きすぎると、耐炎化後の各単繊維における内外構造差が大きくなり、続く炭化工程でのプロセス性低下や、得られる炭素繊維の引張強度および引張弾性率が低下することがある。本発明における単繊維繊度(dtex)とは、単繊維10,000mあたりの重量(g)である。   Moreover, the precursor fiber obtained has a single fiber fineness of preferably 0.7 to 1.5 dtex, more preferably 0.9 to 1.4 dtex. If the single fiber fineness of the precursor fiber is too small, the productivity is reduced. On the other hand, if the single fiber fineness is too large, the difference in internal and external structures of each single fiber after flame resistance becomes large, and the process in the subsequent carbonization process The tensile strength and tensile elastic modulus of the resulting carbon fiber may decrease. The single fiber fineness (dtex) in the present invention is a weight (g) per 10,000 m of single fibers.

本発明において、得られる前駆体繊維の結晶配向度は、88〜95%であることが好ましい。炭素繊維の結晶配向度を高めるためには、耐炎化構造の配向性が高いことがよく、前駆体繊維の結晶配向度を高めるか、耐炎化工程での延伸比を高めることが必要となる。いずれにせよ上記範囲に制御すればよいが、前駆体繊維の結晶配向度を高めて、耐炎化工程の延伸比を下げる場合には、前駆体繊維の結晶配向度は91〜95%であることが好ましい。   In the present invention, the degree of crystal orientation of the obtained precursor fiber is preferably 88 to 95%. In order to increase the degree of crystal orientation of the carbon fiber, the orientation of the flameproof structure is preferably high, and it is necessary to increase the degree of crystal orientation of the precursor fiber or increase the stretch ratio in the flameproofing step. In any case, it may be controlled within the above range. However, when the crystal orientation degree of the precursor fiber is increased and the drawing ratio of the flameproofing process is lowered, the crystal orientation degree of the precursor fiber is 91 to 95%. Is preferred.

得られる前駆体繊維は、通常、連続繊維(フィラメント)の形状である。また、その1糸条(マルチフィラメント)当たりのフィラメント数は、好ましくは1,000〜100,000本、より好ましくは12,000〜80,000本、さらに好ましくは24,000〜50,000本である。1糸条あたりのフィラメント数は、生産性の向上の目的からは多い方が好ましいが、あまりに多すぎると、束内部まで均一に耐炎化処理できないことがある。   The resulting precursor fiber is usually in the form of a continuous fiber (filament). In addition, the number of filaments per one yarn (multifilament) is preferably 1,000 to 100,000, more preferably 12,000 to 80,000, still more preferably 24,000 to 50,000. It is. The number of filaments per yarn is preferably larger for the purpose of improving productivity. However, if the number of filaments is too large, it may not be possible to uniformly treat the inside of the bundle.

本発明で得られた前駆体繊維は生産性が高いにもかかわらず、毛羽立ちがなく、品位に優れているため、炭素繊維の製造方法においても工程通過性に優れたものとなり、高品位な炭素繊維とすることができる。本発明により得られた前駆体繊維は、例えば、次のようにして炭素繊維に転換することができる。前記した方法により製造された前駆体繊維を、200〜300℃の温度の酸化性雰囲気中において、好ましくは緊張あるいは延伸条件下、より好ましくは延伸比0.8〜1.5で延伸しながら耐炎化処理した後、300〜800℃の温度の不活性雰囲気中において、好ましくは延伸比0.9〜1.3で延伸しながら予備炭化処理し、次いで1,000〜3,000℃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0.9〜1.0で延伸しながら、炭化処理して炭素繊維を製造する。   Although the precursor fiber obtained in the present invention has high productivity, it has no fuzz and is excellent in quality. Therefore, the carbon fiber manufacturing method also has excellent process passability, and high quality carbon. It can be a fiber. The precursor fiber obtained by the present invention can be converted into carbon fiber as follows, for example. Flame resistance while stretching the precursor fiber produced by the above-described method in an oxidizing atmosphere at a temperature of 200 to 300 ° C., preferably under tension or stretching conditions, more preferably at a stretch ratio of 0.8 to 1.5. After carbonization treatment, pre-carbonization treatment is performed in an inert atmosphere at a temperature of 300 to 800 ° C., preferably with a draw ratio of 0.9 to 1.3, and then a maximum temperature of 1,000 to 3,000 ° C. In an inert atmosphere, carbon fiber is produced by carbonization while preferably stretching at a stretch ratio of 0.9 to 1.0.

耐炎化処理における酸化性雰囲気としては、空気が好ましく採用される。この耐炎化工程で得られる耐炎化繊維の密度は、好ましくは1.3〜1.4g/cmになるようにする。すなわち、耐炎化が不十分で耐炎化繊維の密度が1.3g/cmに満たない場合には、炭化する際に単糸間接着を発生し易くなり、また、分解ガスの発生量が多くなり緻密性が低下し易くなるため、高性能な炭素繊維が得にくく、結晶サイズLcが粗大化する傾向にあり圧縮強度が向上しない。一方、過度に耐炎化を進めると重合体主鎖の切断が起こり、最終的に得られる炭素繊維の引張強度が低下する問題があるため、耐炎化密度は1.4g/cmを超えないことが好ましい。 Air is preferably employed as the oxidizing atmosphere in the flameproofing treatment. The density of the flameproof fiber obtained in this flameproofing step is preferably 1.3 to 1.4 g / cm 3 . That is, when the density of the oxidized fiber is insufficient oxidization is less than 1.3 g / cm 3 is liable to generate single yarns adhesion upon carbonization, with more generation amount of the decomposition gas Therefore, it is difficult to obtain high-performance carbon fibers, the crystal size Lc tends to be coarsened, and the compressive strength is not improved. On the other hand, if the flame resistance is excessively advanced, the main chain of the polymer is broken, and the tensile strength of the finally obtained carbon fiber is lowered. Therefore, the flame resistance density should not exceed 1.4 g / cm 3. Is preferred.

本発明において、予備炭化処理や炭化処理は不活性雰囲気中で行なわれるが、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。予備炭化処理では、その温度範囲における昇温速度を500℃/分以下に設定することが好ましい。また、炭化処理における最高温度は、所望する炭素繊維の力学物性に応じて適宜設定することができる。一般に炭化処理の最高温度が高いほど、得られる炭素繊維の引張弾性率が高くなるものの、引張強度は1,500℃付近で極大となる。そのため、引張強度と引張弾性率の両方を高めるという目的からは、炭化処理の最高温度は1,200〜1,700℃とすることが好ましく、より好ましくは1,300〜1,600℃である。一方、炭化処理の最高温度が1,500℃を超えると、窒素原子の消失に伴い発生するボイド量が増加するため、緻密な炭素繊維を得る観点からは1,500℃以下にすることが好ましい。   In the present invention, the preliminary carbonization treatment and the carbonization treatment are performed in an inert atmosphere. Examples of the gas used in the inert atmosphere include nitrogen, argon, and xenon. From an economical viewpoint, nitrogen is used. Is preferably used. In the preliminary carbonization treatment, it is preferable to set the heating rate in the temperature range to 500 ° C./min or less. Further, the maximum temperature in the carbonization treatment can be appropriately set according to the desired mechanical properties of the carbon fiber. In general, the higher the maximum temperature for carbonization, the higher the tensile modulus of the carbon fiber obtained, but the tensile strength becomes maximum at around 1500 ° C. Therefore, for the purpose of increasing both the tensile strength and the tensile elastic modulus, the maximum temperature of the carbonization treatment is preferably 1,200 to 1,700 ° C, more preferably 1,300 to 1,600 ° C. . On the other hand, when the maximum temperature of the carbonization treatment exceeds 1,500 ° C., the amount of voids generated along with the disappearance of nitrogen atoms increases, so from the viewpoint of obtaining dense carbon fibers, it is preferable to set the temperature to 1,500 ° C. or less. .

得られた炭素繊維は、その表面改質のため電解処理することができる。電解処理に用いられる電解液には、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使用することができる。ここで、電解処理に要する電気量は、適用する炭素繊維の炭化度に応じて適宜選択することができる。   The obtained carbon fiber can be subjected to electrolytic treatment for surface modification. The electrolytic solution used for the electrolytic treatment includes an acidic solution such as sulfuric acid, nitric acid and hydrochloric acid, an alkali solution such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, ammonium carbonate and ammonium bicarbonate, or a salt thereof as an aqueous solution. Can be used as Here, the amount of electricity required for the electrolytic treatment can be appropriately selected according to the carbonization degree of the carbon fiber to be applied.

電解処理により、得られる複合材料において炭素繊維マトリックスとの接着性を適正化させることができ、接着が強すぎることによる複合材料の脆性的な破壊や、繊維方向の引張強度が低下する問題や、繊維方向における引張強度は高いものの、マトリックス樹脂との接着性に劣り、非繊維方向における強度特性が発現しないという問題が解消され、得られる複合材料において、繊維方向と非繊維方向の両方向にバランスのとれた強度特性が発現されるようになる。   The electrolytic treatment can optimize the adhesion with the carbon fiber matrix in the resulting composite material, the brittle fracture of the composite material due to too strong adhesion, the problem of lowering the tensile strength in the fiber direction, Although the tensile strength in the fiber direction is high, the adhesive property with the matrix resin is inferior, and the problem that the strength characteristics in the non-fiber direction are not expressed is solved, and the resulting composite material has a balance in both the fiber direction and the non-fiber direction. Excellent strength characteristics are developed.

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、使用するマトリックス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。   After the electrolytic treatment, a sizing treatment can also be applied to give the carbon fiber a bundling property. 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 the matrix resin to be used.

本発明により得られる炭素繊維は、プリプレグとしてオートクレーブ成形、織物などのプリフォームとしてレジントランスファーモールディングで成形、およびフィラメントワインディングで成形するなど種々の成形法により、航空機部材、圧力容器部材、自動車部材、釣り竿およびゴルフシャフトなどのスポーツ部材として、好適に用いることができる。   The carbon fiber obtained by the present invention can be produced by various molding methods such as autoclave molding as a prepreg, resin transfer molding as a preform of a woven fabric, and filament winding. It can be suitably used as a sports member such as a golf shaft.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。本実施例で用いた各種特性の測定方法を次に説明する。
<各種分子量:Mz、Mw、Mn>
測定しようとする重合体が濃度0.1重量%でジメチルホルムアミド(0.01N−臭化リチウム添加)に溶解した検体溶液を作製する。得られた検体溶液について、GPC装置を用いて、次の条件で測定したGPC曲線から分子量の分布曲線を求め、Mz、Mw、Mnを算出する。
・カラム :極性有機溶媒系GPC用カラム
・流速 :0.5ml/min
・温度 :75℃
・試料濾過 :メンブレンフィルター(0.45μmカット)
・注入量 :200μl
・検出器 :示差屈折率検出器
Mwは、分子量が異なる分子量既知の単分散ポリスチレンを少なくとも6種類用いて、溶出時間―分子量の検量線を作成し、その検量線上において、該当する溶出時間に対応するポリスチレン換算の分子量を読み取ることにより求める。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. Next, a method for measuring various characteristics used in this example will be described.
<Various molecular weights: Mz, Mw, Mn>
A sample solution is prepared in which the polymer to be measured is dissolved in dimethylformamide (added with 0.01 N lithium bromide) at a concentration of 0.1% by weight. About the obtained sample solution, a molecular weight distribution curve is calculated | required from the GPC curve measured on the following conditions using GPC apparatus, and Mz, Mw, and Mn are calculated.
・ Column: Column for polar organic solvent GPC ・ Flow rate: 0.5 ml / min
・ Temperature: 75 ℃
・ Sample filtration: Membrane filter (0.45μm cut)
・ Injection volume: 200 μl
・ Detector: Differential refractive index detector Mw uses at least six types of monodispersed polystyrenes with different molecular weights and known molecular weights to create an elution time-molecular weight calibration curve, and corresponds to the corresponding elution time on the calibration curve. It is obtained by reading the molecular weight in terms of polystyrene.

本実施例では、GPC装置として(株)島津製作所製CLASS−LC2010を、カラムとして東ソー(株)製TSK−GEL−α―M(×2)+東ソー(株)製TSK−guard Column αを、ジメチルホルムアミドおよび臭化リチウムとして和光純薬工業(株)製を、メンブレンフィルターとしてミリポアコーポレーション製0.45μm−FHLP FILTERを、示差屈折率検出器として(株)島津製作所製RID−10AVを、検量線作成用の単分散ポリスチレンとして、分子量184,000、427,000、791,000および1,300,000、1,810,000、4,210,000のものを、それぞれ用いた。
<紡糸溶液の粘度>
B型粘度計として(株)東京計器製B8L型粘度計を用い、ローターNo.4を使用し、紡糸溶液粘度が0〜100Pa・sの範囲は、ローター回転数6r.p.m.で、また粘度が100〜1000Pa・sの範囲は、ローター回転数0.6r.p.m.で、いずれも45℃の温度における紡糸溶液の粘度を測定した。
<前駆体繊維の結晶配向度>
繊維軸方向の配向度は、次のように測定した。繊維束を40mm長に切断して、20mgを精秤して採取し、試料繊維軸が正確に平行になるようにそろえた後、試料調整用治具を用いて幅1mmの厚さが均一な試料繊維束に整えた。薄いコロジオン液を含浸させて形態が崩れないように固定した後、広角X線回折測定試料台に固定した。X線源として、Niフィルターで単色化されたCuのKα線を用い、2θ=17°付近に観察される回折の最高強度を含む子午線方向のプロフィールの広がりの半価幅(H゜)から、次式を用いて結晶配向度(%)を求めた。
In this example, CLASS-LC2010 manufactured by Shimadzu Corporation as a GPC device, and TSK-GEL-α-M (× 2) manufactured by Tosoh Corporation as a column and TSK-guard Column α manufactured by Tosoh Corporation, Calibration curves were manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. as dimethylformamide and lithium bromide, 0.45 μm-FHLP FILTER manufactured by Millipore Corporation as a membrane filter, and RID-10AV manufactured by Shimadzu Corporation as a differential refractive index detector. Monodispersed polystyrenes for preparation were those having molecular weights of 184,000, 427,000, 791,000, and 1,300,000, 1,810,000, and 4210,000.
<Viscosity of spinning solution>
A B8L type viscometer manufactured by Tokyo Keiki Co., Ltd. is used as the B type viscometer, rotor No. 4 is used, and the spinning solution viscosity ranges from 0 to 100 Pa · s. p. m. In the range where the viscosity is 100 to 1000 Pa · s, the rotational speed of the rotor is 0.6 r. p. m. In each case, the viscosity of the spinning solution at a temperature of 45 ° C. was measured.
<Crystal orientation degree of precursor fiber>
The degree of orientation in the fiber axis direction was measured as follows. The fiber bundle is cut to a length of 40 mm, and 20 mg is precisely weighed and sampled so that the sample fiber axes are exactly parallel, and then a thickness of 1 mm is uniform using a sample adjusting jig. Sample fiber bundles were arranged. After impregnating with a thin collodion solution and fixing it so as not to lose its shape, it was fixed to a sample table for wide-angle X-ray diffraction measurement. From the half width (H °) of the spread of the profile in the meridian direction including the highest intensity of diffraction observed near 2θ = 17 °, using Cu Kα ray monochromated with a Ni filter as the X-ray source. The degree of crystal orientation (%) was determined using the following formula.

結晶配向度(%)=[(180−H)/180]×100
<前駆体繊維の単繊維繊度>
フィラメント数6,000の繊維を1巻き1m金枠に10回巻いた後、その重量を測定し、10,000m当たりの重量を算出することにより求めた。
<膨潤糸あるいは前駆体繊維の水分率>
膨潤糸の水分率は、水洗工程後、過熱水蒸気延伸工程などの延伸工程に入る直前の膨潤糸を検体として採取し測定した。また、前駆体繊維の水分率は、ワインダーで巻き取られた前駆体繊維またはキャンスに格納された前駆体繊維を検体として採取し測定した。それぞれの検体を速やかに秤量瓶に採取して秤量してその重量をC(g)とする。およそ10g用いて測定する。膨潤糸や前駆体繊維は保管等の経時変化があるので、それぞれの工程から間をおかず測定する必要がある。秤量後、120℃の雰囲気中で4時間、重量の減少がなくなるまで乾燥し、秤量してその重量をD(g)とし、次式に従い水分率を計算した。
Crystal orientation degree (%) = [(180−H) / 180] × 100
<Single fiber fineness of precursor fiber>
A fiber having a filament number of 6,000 was wound 10 times on a 1 m metal frame, and then the weight was measured to calculate the weight per 10,000 m.
<Water content of swollen yarn or precursor fiber>
The moisture content of the swollen yarn was measured by collecting the swollen yarn immediately after entering the drawing step such as the superheated steam drawing step after the water washing step. The moisture content of the precursor fiber was measured by collecting a precursor fiber wound up by a winder or a precursor fiber stored in a cancel as a specimen. Each specimen is immediately collected in a weighing bottle and weighed, and its weight is defined as C (g). Measure using approximately 10 g. Since swollen yarns and precursor fibers change with time such as storage, it is necessary to measure immediately after each step. After weighing, the sample was dried in an atmosphere of 120 ° C. for 4 hours until there was no decrease in weight, weighed to obtain D (g), and the moisture content was calculated according to the following formula.

水分率=(C/D−1)×100
<走行糸条毛羽>
ワインダーで巻き取る直前の走行糸条について、1分間当たりの毛羽数を測定した。
[実施例1]
AN100重量部、イタコン酸1重量部、ラジカル開始剤としてAIBN0.4重量部、および連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.1重量部をジメチルスルホキシド370重量部に均一に溶解し、それを還流管と攪拌翼を備えた反応容器に入れた。反応容器内の空間部を酸素濃度が1000ppmまで窒素置換した後、撹拌しながら下記の重合条件Aの熱処理を行い、溶液重合法により重合して、PAN系重合体溶液を得た。
Moisture content = (C / D-1) x 100
<Running yarn fluff>
The number of fluffs per minute was measured for the running yarn immediately before winding with a winder.
[Example 1]
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, 0.4 part by weight of AIBN as a radical initiator, and 0.1 part by weight of octyl mercaptan as a chain transfer agent are uniformly dissolved in 370 parts by weight of dimethyl sulfoxide, which is stirred with a reflux tube. Placed in a reaction vessel with wings. After the space in the reaction vessel was purged with nitrogen to an oxygen concentration of 1000 ppm, heat treatment was performed under the following polymerization condition A while stirring, and polymerization was performed by a solution polymerization method to obtain a PAN polymer solution.

重合条件A
(1)30℃から60℃へ昇温(昇温速度10℃/時間)
(2)60℃の温度で4時間保持
(3)60℃から80℃へ昇温(昇温速度10℃/時間)
(4)80℃の温度で6時間保持
得られたPAN系重合体溶液を、重合体濃度が20重量%となるように調製した後、アンモニアガスをpHが8.5になるまで吹き込むことにより、イタコン酸を中和しつつ、アンモニウム基を重合体に導入し、紡糸溶液を得た。得られたPAN系重合体は、Mwが40万であり、Mz/Mwが1.8であり、紡糸溶液の粘度が50Pa・sであった。得られた紡糸溶液を、濾過精度10μmのフィルター通過後、40℃の温度で、孔数12,000、口金孔径0.12mmの紡糸口金を用い、一旦空気中に吐出し、約2mmの空間を通過させた後、3℃の温度にコントロールした75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紡糸ドラフト率3の条件で紡糸し、引き取り速度50m/分の条件で引き取り、水洗工程に糸条を導入した。水洗工程では、水洗した後、浴温度65℃の温水中で、延伸倍率2倍で延伸した。水洗工程を経た糸条にアミノ変性シリコーン系シリコーン油剤を付与し、ニップローラーで0.1MPaの圧力で絞って得た膨潤糸を、延伸工程である、出入り口を直径1cm角のスリットでシールした直径2cmの円筒状の延伸機に導入し、延伸倍率を5倍として延伸し、そのままワインダーで巻き取って前駆体繊維を得た。このとき、膨潤糸の水分率は、90重量%であった。延伸工程では、延伸機の加熱温度を140℃とするとともに、140℃の飽和水蒸気を原料として誘導加熱を行って生成した250℃、1気圧の過熱水蒸気を、風速3m/分で糸条進行方向と並行する方向に延伸機に投入することにより、延伸機内を、140℃、1気圧の過熱水蒸気雰囲気で満たした。このときの走行糸条毛羽は、1分間あたり12個であり、得られた前駆体繊維は、繊度が1.0dtex、結晶配向度が93%、水分率が1重量%であった。
[実施例2]
延伸工程において、延伸機の加熱温度と、延伸機内の過熱水蒸気雰囲気の温度をともに150℃に変更した以外は実施例1と同様にして前駆体繊維を得た。このときの走行糸条毛羽は、1分間あたり2個であり、得られた前駆体繊維は、繊度が1.0dtex、結晶配向度が93%、水分率が0重量%であった。
[実施例3]
延伸工程において、延伸機の加熱温度と、延伸機内の過熱水蒸気雰囲気の温度をともに160℃に変更した以外は実施例1と同様にして前駆体繊維を得た。このときの走行糸条毛羽は、1分間あたり0個であり、得られた前駆体繊維は、繊度が1.0dtex、結晶配向度が93%、水分率が0重量%であった。
[実施例4]
延伸工程において、延伸機の加熱温度と、延伸機内の過熱水蒸気雰囲気の温度をともに170℃に変更した以外は実施例1と同様にして前駆体繊維を得た。このときの走行糸条毛羽は、1分間あたり0個であり、得られた前駆体繊維は、繊度が1.0dtex、結晶配向度が93%、水分率が0重量%であった。
[実施例5]
延伸工程において、延伸機の加熱温度と、延伸機内の過熱水蒸気雰囲気の温度をともに180℃に変更した以外は実施例1と同様にして前駆体繊維を得た。このときの走行糸条毛羽は、1分間あたり3個であり、得られた前駆体繊維は、繊度が1.0dtex、結晶配向度が93%、水分率が0重量%であった。
[比較例1]
延伸工程において、延伸機の加熱温度と、延伸機内の過熱水蒸気雰囲気の温度をともに190℃に変更した以外は実施例1と同様にして前駆体繊維を得ようとしたところ、破断して、延伸することができなかった。その破断した部分は、融着が著しかった。
[比較例2]
延伸工程において、過熱水蒸気を延伸機に投入しなかった、すなわち、延伸機内を140℃、1気圧の空気雰囲気で満たすように変更した以外は実施例3と同様にして前駆体繊維を得た。このときの走行糸条毛羽は、数え切れないほどあり、品位は悪かったが、得られた前駆体繊維は、繊度が1.0dtex、結晶配向度が93%、水分率は0重量%であった。
[比較例3]
延伸工程において、延伸機に投入する飽和水蒸気を0.2MPaに減圧し、誘導加熱を行わずそのままの飽和水蒸気を、風速3m/分で糸条進行方向と並行する方向に延伸機に投入することにより、延伸機内を、0.2MPaの飽和水蒸気雰囲気で満たすように変更した以外は実施例3と同様にして前駆体繊維を得た。このときの走行糸条毛羽は、1分間あたり0個であり、得られた前駆体繊維は、繊度が1.0dtex、結晶配向度が93%、水分率が80重量%であった。そのため、ワインダーで巻き取ることのできる水分を除く前駆体繊維の重量が半分近くまで減少して生産性が低下した。次に、得られた前駆体繊維を180℃の熱処理炉で20秒乾燥させ、さらに240〜260℃の温度の温度分布を有する空気中において延伸比1.0で100分間耐炎化処理し、耐炎化繊維を得た。続いて、得られた耐炎化繊維を300〜700℃の温度の温度分布を有する窒素雰囲気中において、延伸比1.0で延伸しながら予備炭化処理を行い、さらに最高温度1,300℃の窒素雰囲気中において、延伸比を0.96に設定して炭化処理を行い、連続した炭素繊維束を得た。得られた炭素繊維束のストランド物性(引張強度)は、5.4GPaであった。
[実施例6]
AN100重量部、イタコン酸1重量部、およびジメチルスルホキシド130重量部を混合し、それを還流管と攪拌翼を備えた反応容器に入れた。反応容器内の空間部を酸素濃度が100ppmまで窒素置換した後、ラジカル開始剤として2,2’−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)0.002重量部を投入し、撹拌しながら下記の重合条件Bの熱処理を行った。
Polymerization condition A
(1) Temperature increase from 30 ° C to 60 ° C (temperature increase rate 10 ° C / hour)
(2) Hold for 4 hours at a temperature of 60 ° C. (3) Increase the temperature from 60 ° C. to 80 ° C. (temperature increase rate 10 ° C./hour)
(4) Hold for 6 hours at a temperature of 80 ° C. After preparing the obtained PAN-based polymer solution so that the polymer concentration becomes 20% by weight, ammonia gas is blown until the pH becomes 8.5. While neutralizing itaconic acid, an ammonium group was introduced into the polymer to obtain a spinning solution. The obtained PAN-based polymer had Mw of 400,000, Mz / Mw of 1.8, and the spinning solution had a viscosity of 50 Pa · s. After passing the obtained spinning solution through a filter with a filtration accuracy of 10 μm, using a spinneret having a pore number of 12,000 and a nozzle diameter of 0.12 mm at a temperature of 40 ° C., it is once discharged into the air to form a space of about 2 mm. After passing, the mixture was spun at a spinning draft rate of 3 by a dry and wet spinning method introduced into a coagulation bath consisting of an aqueous solution of 75% by weight dimethyl sulfoxide controlled at a temperature of 3 ° C., and taken up at a take-up speed of 50 m / min. The yarn was introduced into the washing process. In the water washing step, the film was washed with water and then stretched at a draw ratio of 2 in warm water having a bath temperature of 65 ° C. A diameter obtained by applying an amino-modified silicone-based silicone oil to a thread that has undergone a water washing step, and squeezing a swollen yarn obtained by squeezing with a nip roller at a pressure of 0.1 MPa, which is a drawing step, with an entrance and exit sealed with a 1 cm square slit This was introduced into a 2 cm cylindrical drawing machine, drawn at a draw ratio of 5 times, and wound up with a winder to obtain a precursor fiber. At this time, the moisture content of the swollen yarn was 90% by weight. In the drawing process, the heating temperature of the drawing machine is set to 140 ° C., and 250 ° C. and 1 atm superheated steam generated by induction heating using 140 ° C. saturated steam as a raw material at a wind speed of 3 m / min. The inside of the drawing machine was filled with a superheated steam atmosphere at 140 ° C. and 1 atm. The running yarn fluffs at this time were 12 pieces per minute, and the obtained precursor fiber had a fineness of 1.0 dtex, a crystal orientation of 93%, and a moisture content of 1% by weight.
[Example 2]
In the stretching step, precursor fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that both the heating temperature of the stretching machine and the temperature of the superheated steam atmosphere in the stretching machine were changed to 150 ° C. The running yarn fluffs at this time were two per minute, and the obtained precursor fiber had a fineness of 1.0 dtex, a crystal orientation of 93%, and a moisture content of 0% by weight.
[Example 3]
A precursor fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that in the stretching step, both the heating temperature of the stretching machine and the temperature of the superheated steam atmosphere in the stretching machine were changed to 160 ° C. The running yarn fluff at this time was 0 per minute, and the obtained precursor fiber had a fineness of 1.0 dtex, a crystal orientation of 93%, and a moisture content of 0% by weight.
[Example 4]
A precursor fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heating temperature of the drawing machine and the temperature of the superheated steam atmosphere in the drawing machine were both changed to 170 ° C. in the drawing process. The running yarn fluff at this time was 0 per minute, and the obtained precursor fiber had a fineness of 1.0 dtex, a crystal orientation of 93%, and a moisture content of 0% by weight.
[Example 5]
A precursor fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heating temperature of the drawing machine and the temperature of the superheated steam atmosphere in the drawing machine were both changed to 180 ° C. in the drawing process. The running yarn fluffs at this time were three per minute, and the obtained precursor fiber had a fineness of 1.0 dtex, a crystal orientation of 93%, and a moisture content of 0% by weight.
[Comparative Example 1]
In the stretching process, the precursor fiber was obtained in the same manner as in Example 1 except that both the heating temperature of the stretching machine and the temperature of the superheated steam atmosphere in the stretching machine were changed to 190 ° C. I couldn't. The fractured portion was markedly fused.
[Comparative Example 2]
In the drawing step, precursor fibers were obtained in the same manner as in Example 3 except that the superheated steam was not charged into the drawing machine, that is, the inside of the drawing machine was changed to be filled with an air atmosphere at 140 ° C. and 1 atm. The running yarn fluffs at this time were innumerable and poor in quality, but the obtained precursor fiber had a fineness of 1.0 dtex, a crystal orientation of 93%, and a moisture content of 0% by weight. .
[Comparative Example 3]
In the drawing process, the saturated steam to be charged into the drawing machine is reduced to 0.2 MPa, and the saturated water vapor is supplied to the drawing machine in a direction parallel to the yarn traveling direction at a wind speed of 3 m / min without performing induction heating. Thus, a precursor fiber was obtained in the same manner as in Example 3 except that the inside of the drawing machine was changed to be filled with a 0.2 MPa saturated steam atmosphere. At this time, the number of running yarn fluffs was 0 per minute, and the obtained precursor fiber had a fineness of 1.0 dtex, a crystal orientation of 93%, and a moisture content of 80% by weight. Therefore, the weight of the precursor fiber excluding moisture that can be wound with a winder is reduced to almost half, and the productivity is lowered. Next, the obtained precursor fiber was dried in a heat treatment furnace at 180 ° C. for 20 seconds, and further subjected to a flame resistance treatment at a stretch ratio of 1.0 in air having a temperature distribution of 240 to 260 ° C. for 100 minutes. A modified fiber was obtained. Subsequently, the obtained flame-resistant fiber was subjected to a preliminary carbonization treatment while being drawn at a draw ratio of 1.0 in a nitrogen atmosphere having a temperature distribution of 300 to 700 ° C., and further nitrogen having a maximum temperature of 1,300 ° C. In the atmosphere, carbonization was performed with the draw ratio set to 0.96 to obtain a continuous carbon fiber bundle. The strand physical property (tensile strength) of the obtained carbon fiber bundle was 5.4 GPa.
[Example 6]
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, and 130 parts by weight of dimethyl sulfoxide were mixed and placed in a reaction vessel equipped with a reflux tube and a stirring blade. After replacing the space in the reaction vessel with nitrogen to an oxygen concentration of 100 ppm, as a radical initiator, 0.002 part by weight of 2,2′-azobisisobutyronitrile (AIBN) was added and the following polymerization was conducted with stirring. Condition B heat treatment was performed.

重合条件B
・ 65℃の温度で2時間保持
・ 65℃から30℃へ降温(降温速度120℃/時間)
次に、その反応容器中に、ジメチルスルホキシド240重量部、ラジカル開始剤としてAIBN 0.4重量部、および連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.1重量部を計量導入した後、さらに撹拌しながら重合条件Aの熱処理を行い、残存する未反応単量体を溶液重合法により重合してPAN系重合体溶液を得た。
Polymerization condition B
-Hold at 65 ° C for 2 hours-Decrease in temperature from 65 ° C to 30 ° C (Temperature drop rate: 120 ° C / hour)
Next, 240 parts by weight of dimethyl sulfoxide, 0.4 part by weight of AIBN as a radical initiator, and 0.1 part by weight of octyl mercaptan as a chain transfer agent were weighed and introduced into the reaction vessel, and the polymerization conditions were further stirred. A heat treatment of A was performed, and the remaining unreacted monomer was polymerized by a solution polymerization method to obtain a PAN polymer solution.

得られたPAN系重合体溶液を用いて重合体濃度が20重量%となるように調製した後、アンモニアガスをpHが8.5になるまで吹き込むことにより、イタコン酸を中和しつつアンモニウム基をPAN系重合体に導入し、紡糸溶液を得た。得られたPAN系重合体は、Mwが48万、Mz/Mwが5.7、MZ+1/Mwが14であり、紡糸溶液の粘度は45Pa・sであった。紡糸溶液を上記のようにして得た紡糸溶液に変更して、引き取り速度を70m/分に変更して、その後の延伸倍率を実施例1と同一にして全体の速度を高めた以外は実施例3と同様にして前駆体繊維を得た。このとき、膨潤糸の水分率は、90重量%であった。紡糸速度を高めたにもかかわらず、得られた前駆体繊維の品位は優れており、このときの走行糸条毛羽は、1分間あたり0個であり、得られた前駆体繊維は、繊度が1.0dtex、結晶配向度が93%、水分率が0重量%であった。次に、得られた前駆体繊維を240〜260℃の温度の温度分布を有する空気中において延伸比1.0で100分間耐炎化処理し、耐炎化繊維を得た。続いて、得られた耐炎化繊維を300〜700℃の温度の温度分布を有する窒素雰囲気中において、延伸比1.0で延伸しながら予備炭化処理を行い、さらに最高温度1,300℃の窒素雰囲気中において、延伸比を0.96に設定して炭化処理を行い、連続した炭素繊維束を得た。得られた炭素繊維束のストランド物性(引張強度)は、5.6GPaであった。
[実施例7]
1回目のAIBNの投入量を0.001重量部に変更したことと、反応容器内の空間部を酸素濃度が1000ppmまで窒素置換したこと、重合条件Aを以下の重合条件Cに変更した以外は、実施例1と同様にして紡糸溶液を得た。
After preparing the polymer concentration to be 20% by weight using the obtained PAN-based polymer solution, the ammonia group was neutralized while itaconic acid was neutralized by blowing ammonia gas until the pH reached 8.5. Was introduced into a PAN-based polymer to obtain a spinning solution. The obtained PAN-based polymer had Mw of 480,000, Mz / Mw of 5.7, M Z + 1 / Mw of 14, and the spinning solution had a viscosity of 45 Pa · s. Example except that the spinning solution was changed to the spinning solution obtained as described above, the take-up speed was changed to 70 m / min, and the subsequent draw ratio was made the same as in Example 1 to increase the overall speed. In the same manner as in No. 3, precursor fibers were obtained. At this time, the moisture content of the swollen yarn was 90% by weight. Despite increasing the spinning speed, the quality of the obtained precursor fiber is excellent, and the running yarn fluff at this time is 0 per minute, and the obtained precursor fiber has a fineness. 1.0 dtex, the degree of crystal orientation was 93%, and the moisture content was 0% by weight. Next, the obtained precursor fiber was flameproofed for 100 minutes at a draw ratio of 1.0 in air having a temperature distribution of 240 to 260 ° C. to obtain a flameproof fiber. Subsequently, the obtained flame-resistant fiber was subjected to a preliminary carbonization treatment while being drawn at a draw ratio of 1.0 in a nitrogen atmosphere having a temperature distribution of 300 to 700 ° C., and further nitrogen having a maximum temperature of 1,300 ° C. In the atmosphere, carbonization was performed with the draw ratio set to 0.96 to obtain a continuous carbon fiber bundle. The strand physical property (tensile strength) of the obtained carbon fiber bundle was 5.6 GPa.
[Example 7]
Except that the first AIBN charge was changed to 0.001 part by weight, the space in the reaction vessel was replaced with nitrogen to an oxygen concentration of 1000 ppm, and the polymerization condition A was changed to the following polymerization condition C A spinning solution was obtained in the same manner as in Example 1.

重合条件C
(1)70℃の温度で4時間保持
(2)70℃から30℃へ降温(降温速度120℃/時間)
得られたPAN系重合体は、Mwが34万、Mz/Mwが2.7、MZ+1/Mwが7.2であり、紡糸溶液の粘度は40Pa・sであった。紡糸溶液を上記のようにして得た紡糸溶液に変更した以外は実施例6と同様にして前駆体繊維を得た。このとき、膨潤糸の水分率は、90重量%であり、走行糸条毛羽は、1分間あたり0個であり、得られた前駆体繊維は、繊度が1.0dtex、結晶配向度が93%、水分率が0重量%であった。
[実施例8]
1回目のAIBNの投入量を0.002重量部に変更したことと、重合条件Cにおいて保持時間を1.5時間にした以外は、実施例4と同様にして紡糸溶液を得た。得られたPAN系重合体は、Mwを32万、Mz/Mwを3.4、MZ+1/Mwを12であり、紡糸溶液の粘度は35Pa・sであった。紡糸溶液を上記のようにして得た紡糸溶液に変更した以外は実施例6と同様にして前駆体繊維を得た。このとき、膨潤糸の水分率は、90重量%であり、走行糸条毛羽は、1分間あたり0個であり、得られた前駆体繊維は、繊度が1.0dtex、結晶配向度が93%、水分率が0重量%であった。
[実施例9]
AN100重量部、イタコン酸1重量部、およびジメチルスルホキシド360重量部を混合し、それを還流管と攪拌翼を備えた反応容器に入れた。反応容器内の空間部を酸素濃度が100ppmまで窒素置換した後、重合開始剤としてAIBN0.003重量部を投入し、撹拌しながら下記の条件の熱処理を行った。
(1)60℃の温度で3.5時間保持
次に、その反応容器中に、ジメチルスルホキシド10重量部、重合開始剤としてAIBN 0.4重量部、および連鎖移動剤としてオクチルメルカプタン0.1重量部を計量導入した後、さらに撹拌しながら下記の条件の熱処理を行い、残存する未反応単量体を溶液重合法により重合してPAN系重合体溶液を得た。
(2)60℃の温度で4時間保持
(3)60℃から80℃へ昇温(昇温速度10℃/時間)
(4)80℃の温度で6時間保持
得られたPAN系重合体溶液を用いて重合体濃度が20重量%となるように調製した後、アンモニアガスをpHが8.5になるまで吹き込むことにより、イタコン酸を中和しつつアンモニウム基をPAN系重合体に導入し、紡糸溶液を得た。得られたPAN系重合体は、重合体Mwが40万、Mz/Mwが5.2、MZ+1/Mwが10であり、紡糸溶液の粘度が55Pa・sであった。紡糸溶液を上記のようにして得た紡糸溶液に変更した以外は実施例6と同様にして前駆体繊維を得た。このとき、膨潤糸の水分率は、90重量%であり、走行糸条毛羽は、1分間あたり0個であり、得られた前駆体繊維は、繊度が1.0dtex、結晶配向度が93%、水分率が0重量%であった。
[実施例10]
紡糸口金を、孔数12,000、口金孔径0.06mmの紡糸口金に変更し、凝固浴の温度を40℃に変更するとともに、乾湿式紡糸法に替えて、口金から凝固浴に直接紡糸する湿式紡糸法を採用した以外は、実施例9と同様にして前駆体繊維を得た。このとき、膨潤糸の水分率は、140重量%であり、走行糸条毛羽は、1分間あたり0個であり、得られた前駆体繊維は、繊度が1.0dtex、結晶配向度が93%、水分率が0重量%であった。
Polymerization condition C
(1) Hold for 4 hours at a temperature of 70 ° C. (2) Decrease in temperature from 70 ° C. to 30 ° C. (Cooling rate 120 ° C./hour)
The obtained PAN-based polymer had Mw of 340,000, Mz / Mw of 2.7, M Z + 1 / Mw of 7.2, and the spinning solution had a viscosity of 40 Pa · s. Precursor fibers were obtained in the same manner as in Example 6 except that the spinning solution was changed to the spinning solution obtained as described above. At this time, the moisture content of the swollen yarn is 90% by weight, the running yarn fluff is 0 per minute, and the obtained precursor fiber has a fineness of 1.0 dtex and a crystal orientation of 93%. The moisture content was 0% by weight.
[Example 8]
A spinning solution was obtained in the same manner as in Example 4 except that the first AIBN charge was changed to 0.002 parts by weight and that the holding time was 1.5 hours under the polymerization condition C. The obtained PAN-based polymer had Mw of 320,000, Mz / Mw of 3.4, and M Z + 1 / Mw of 12, and the spinning solution had a viscosity of 35 Pa · s. Precursor fibers were obtained in the same manner as in Example 6 except that the spinning solution was changed to the spinning solution obtained as described above. At this time, the moisture content of the swollen yarn is 90% by weight, the running yarn fluff is 0 per minute, and the obtained precursor fiber has a fineness of 1.0 dtex and a crystal orientation of 93%. The moisture content was 0% by weight.
[Example 9]
100 parts by weight of AN, 1 part by weight of itaconic acid, and 360 parts by weight of dimethyl sulfoxide were mixed and placed in a reaction vessel equipped with a reflux tube and a stirring blade. After replacing the space in the reaction vessel with nitrogen to an oxygen concentration of 100 ppm, 0.003 part by weight of AIBN was added as a polymerization initiator, and heat treatment was performed under the following conditions while stirring.
(1) Hold at a temperature of 60 ° C. for 3.5 hours Next, in the reaction vessel, 10 parts by weight of dimethyl sulfoxide, 0.4 part by weight of AIBN as a polymerization initiator, and 0.1 part by weight of octyl mercaptan as a chain transfer agent After the part was metered in, the mixture was further heat-treated under the following conditions while stirring, and the remaining unreacted monomer was polymerized by a solution polymerization method to obtain a PAN polymer solution.
(2) Hold for 4 hours at a temperature of 60 ° C. (3) Increase the temperature from 60 ° C. to 80 ° C. (Temperature increase rate: 10 ° C./hour)
(4) Hold for 6 hours at a temperature of 80 ° C. Use the obtained PAN-based polymer solution to prepare a polymer concentration of 20% by weight, and then blow ammonia gas until the pH reaches 8.5. Thus, an ammonium group was introduced into the PAN polymer while neutralizing itaconic acid to obtain a spinning solution. The obtained PAN-based polymer had a polymer Mw of 400,000, Mz / Mw of 5.2, M Z + 1 / Mw of 10, and a spinning solution viscosity of 55 Pa · s. Precursor fibers were obtained in the same manner as in Example 6 except that the spinning solution was changed to the spinning solution obtained as described above. At this time, the moisture content of the swollen yarn is 90% by weight, the running yarn fluff is 0 per minute, and the obtained precursor fiber has a fineness of 1.0 dtex and a crystal orientation of 93%. The moisture content was 0% by weight.
[Example 10]
The spinneret is changed to a spinneret having a hole number of 12,000 and a nozzle hole diameter of 0.06 mm, the temperature of the coagulation bath is changed to 40 ° C., and the spinneret is directly spun into the coagulation bath instead of the dry and wet spinning method. A precursor fiber was obtained in the same manner as in Example 9 except that the wet spinning method was adopted. At this time, the moisture content of the swollen yarn is 140% by weight, the running yarn fluff is 0 per minute, and the obtained precursor fiber has a fineness of 1.0 dtex and a crystal orientation of 93%. The moisture content was 0% by weight.

Claims (5)

ポリアクリロニトリル系重合体が溶解してなる紡糸溶液を紡糸して得た膨潤糸を、温度110〜185℃の過熱水蒸気を含む雰囲気中で延伸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 in which a swollen yarn obtained by spinning a spinning solution in which a polyacrylonitrile-based polymer is dissolved is drawn in an atmosphere containing superheated steam at a temperature of 110 to 185 ° C. 前記膨潤糸は、その水分率が20〜200重量%である請求項1記載の炭素繊維前駆体繊維の製造方法。 The method for producing a carbon fiber precursor fiber according to claim 1, wherein the swelling yarn has a moisture content of 20 to 200% by weight. 前記過熱水蒸気を含む雰囲気の圧力が0.09〜0.15MPaである請求項1または2記載の炭素繊維の製造方法。 The carbon fiber production method according to claim 1 or 2, wherein the pressure of the atmosphere containing superheated steam is 0.09 to 0.15 MPa. 前記ポリアクリロニトリル系重合体は、重量平均分子量Mw(P)が20万〜70万であり、多分散度Mz(P)/Mw(P)(Mz(P)は、紡糸溶液における重合体のZ平均分子量を表す)が2.7〜6である請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊維前駆体繊維の製造方法。 The polyacrylonitrile-based polymer has a weight average molecular weight Mw (P) of 200,000 to 700,000, and the polydispersity Mz (P) / Mw (P) (Mz (P) is the Z of the polymer in the spinning solution. The method for producing a carbon fiber precursor fiber according to any one of claims 1 to 3, wherein the average molecular weight is 2.7 to 6. 得られる炭素繊維前駆体繊維は、水分率が0〜5重量%であり、配向度が88〜95%である請求項1〜4のいずれかに記載の炭素繊維前駆体繊維の製造方法。 The method for producing a carbon fiber precursor fiber according to any one of claims 1 to 4, wherein the obtained carbon fiber precursor fiber has a moisture content of 0 to 5% by weight and an orientation degree of 88 to 95%.
JP2008194614A 2008-07-29 2008-07-29 Method for producing precursor fiber for carbon fiber Pending JP2010031418A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008194614A JP2010031418A (en) 2008-07-29 2008-07-29 Method for producing precursor fiber for carbon fiber

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008194614A JP2010031418A (en) 2008-07-29 2008-07-29 Method for producing precursor fiber for carbon fiber

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2010031418A true JP2010031418A (en) 2010-02-12

Family

ID=41736215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008194614A Pending JP2010031418A (en) 2008-07-29 2008-07-29 Method for producing precursor fiber for carbon fiber

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2010031418A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014031595A (en) * 2012-08-02 2014-02-20 Toho Tenax Co Ltd Production method of flame resistant fiber bundle
JP2016199822A (en) * 2015-04-10 2016-12-01 帝人株式会社 Acrylic yarn manufacturing method
WO2016199060A1 (en) * 2015-06-11 2016-12-15 Stora Enso Oyj A fiber and a process for the manufacture thereof

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014031595A (en) * 2012-08-02 2014-02-20 Toho Tenax Co Ltd Production method of flame resistant fiber bundle
JP2016199822A (en) * 2015-04-10 2016-12-01 帝人株式会社 Acrylic yarn manufacturing method
WO2016199060A1 (en) * 2015-06-11 2016-12-15 Stora Enso Oyj A fiber and a process for the manufacture thereof
US10626523B2 (en) 2015-06-11 2020-04-21 Stora Enso Oyj Fiber and a process for the manufacture thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4924714B2 (en) Carbon fiber precursor fiber, carbon fiber and production method thereof
JP5691366B2 (en) Carbon fiber manufacturing method
JP4910729B2 (en) Method for producing carbon fiber precursor fiber, carbon fiber and method for producing the same
WO2008047745A1 (en) Polyacrylonitrile polymer, process for production of the polymer, process for production of precursor fiber for carbon fiber, carbon fiber, and process for production of the carbon fiber
TWI421385B (en) Method producing polyacrylonitrile fiber and method for producing carbon fiber
JP4924469B2 (en) Carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber
JP4935690B2 (en) Method for producing carbon fiber precursor fiber
JP6020201B2 (en) Carbon fiber bundle and method for producing the same
Morris et al. Solution spinning of PAN-based polymers for carbon fiber precursors
JP5169939B2 (en) Carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber
JP5109936B2 (en) Carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber
JP5151809B2 (en) Method for producing carbon fiber precursor fiber
JP2010100970A (en) Method for producing carbon fiber
JP2009079343A (en) Method for producing precursor fiber for carbon fiber and carbon fiber
JP2010255159A (en) Precursor fiber for carbon fiber, method for producing the same and method for producing carbon fiber
JP2010031418A (en) Method for producing precursor fiber for carbon fiber
JP5066952B2 (en) Method for producing polyacrylonitrile-based polymer composition, and method for producing carbon fiber
JP4983709B2 (en) Carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber
JP5504678B2 (en) Polyacrylonitrile polymer solution, carbon fiber precursor fiber, and method for producing carbon fiber
JP5146004B2 (en) Polyacrylonitrile polymer composition and method for producing carbon fiber
JP5141591B2 (en) Carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber
JP2011213774A (en) Polyacrylonitrile for producing carbon fiber, polyacrylonitrile-based precursor fiber, and method for producing carbon fiber
JP4957634B2 (en) Method for producing carbon fiber precursor fiber, carbon fiber bundle and method for producing the same
JP5146394B2 (en) Method for producing carbon fiber precursor fiber and method for producing carbon fiber
JP2007321267A (en) Method for producing polyacrylonitrile-based fiber and carbon fiber