JP2817232B2 - 高特性炭素繊維の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は炭素繊維の製造方法に関するものであり、よ
り詳しくは引張り強度及び引張り弾性率が向上した高特
性の炭素繊維の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 炭素繊維は、比強度及び比弾性率が高い材料であり、
高性能複合材料のフィラー繊維として注目されている。

現在、炭素繊維はポリアクリロニトリル（PAN）を原
料とするPAN系炭素繊維とピッチ類を原料とするピッチ
系炭素繊維が製造されているが、近年の複合材料の高品
質化の要求に応じて、いずれのタイプの炭素繊維も強
度、弾性率の高特性化の検討が種々なされている。

例えば、ピッチ系炭素繊維では従来紡糸原料として使
用されてきた等方質ピッチの代わりに異方性が発達し
た、いわゆるメソフェーズピッチを使用する方法（特公
昭49−8634号公報）が提案されて以来、異方性の紡糸原
料の種々の改質検討が提案・報告されている一方、既に
炭素繊維となった状態のものを更に酸素含有雰囲気下で
特定温度で加熱することにより引張り強度並びに引張り
弾性率を同時に改良する方法（特開昭61−215716号公
報）が知られている。

又PAN系炭素繊維においても特殊グレードの1000℃焼
成PAN系炭素繊維を空気流通下、特定温度で処理するこ
とが報告されている。（Polymer Engineering and S
cience,May,1984Vol.24No.7,455〜459）。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、これらは全て炭素繊維表面の性状を改
質することにより、マトリックスとの接着性を向上させ
るものか、あるいは表面上の大きな欠陥を除去しようと
するものにすぎず、特性は改善されるものの、本質的な
改善とは言えず炭素繊維内の結晶構造を変化させること
により、得られる炭素繊維の特性を更に向上しようとす
るものではなかった。

（課題を解決するための手段） そこで本発明者等は、従来の課題を解決すべく鋭意検
討した結果、特定量の電子線を炭素繊維に照射すること
により結晶内に微小な欠陥を生じせしめ、その結果引張
り強度及び引張り弾性率が向上することを見い出し、本
発明に到達した。

すなわち、本発明は引張り強度及び引張り弾性率の向
上した高特性炭素繊維を簡便に製造する方法を提供する
ものである。

そして、その目的は1000℃以上の温度で焼成して得ら
れた炭素繊維を500kV以上の電子線で1000Mrad以上照射
処理することを特徴とする高特性炭素繊維の製造方法に
より容易に達成される。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明で用いる炭素繊維はピッチ系炭素繊維、PAN系
炭素繊維のいずれのものも使用することができる。

ピッチ系炭素繊維を得るための紡糸ピッチとしては、
配向しやすい分子種が形成されており、光学的に異方性
の炭素繊維を与えるものであればよい。

これら紡糸ピッチを得るための炭素質原料としては、
例えば、石炭系のコールタール、コールタールピッチ、
石炭液化物、石油系の重質油、タール、ピッチ等が挙げ
られる。これらの炭素質原料には通常フリーカーボン、
未溶解石炭、灰分などの不純物が含まれているが、これ
らの不純物は過、遠心分離、あるいは溶剤を使用する
静置沈降分離などの周知の方法で予め除去しておく事が
望ましい。

また、前記炭素質原料を、例えば、加熱処理した後特
定溶剤で可溶分を抽出するといった方法、あるいは水素
供与性溶剤、水素ガスの存在下に水添処理するといった
方法で予備処理を行っておいても良い。

本発明においては、前記炭素質原料あるいは予備処理
を行った炭素質原料を、通常350〜500℃、好ましくは38
0〜450℃で、２分〜50時間、好ましくは５分〜５時間、
窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下、或いは、吹き
込み下に加熱処理することによって得られる40％以上、
好ましくは70％以上の光学的異方性組織を含み、かつキ
ノリン不溶分が40重量％以下、好ましくは35重量％以下
のメソフェーズピッチが好適である。

本発明でいうメソフエーズピッチの光学的異方性組織
割合は、常温下偏光顕微鏡でのメソフエーズピッチ試料
中の光学的異方性を示す部分の面積割合として求めた値
である。

具体的には、例えばメソフエーズピッチ試料を数mm角
に粉砕したものを常法に従って約2cm直径の樹脂の表面
のほぼ全面に試料片を埋込み、表面を研磨後、全体をく
まなく偏光顕微鏡（100倍率）下で観察し、試料の全表
面積に占める光学的異方性部分の面積の割合を測定する
事によって求める。

上記の様な紡糸ピッチを用いて通常の方法に従って溶
融紡糸、不融化、炭化、更には必要に応じて黒鉛化して
炭素繊維を得る。又、PAN系炭素繊維としては従来より
公知のものが使用できる。具体的にはポリアクリロニト
リルを含有する紡糸原液を溶融紡糸後、耐炎化処理を行
ないピッチ系炭素繊維の場合と同様にして炭化処理、必
要に応じて黒鉛化処理を行ない炭素繊維を得る。

特に、本発明では1000℃以上の温度で焼成した炭素繊
維、好ましくは、1200〜3000℃で10〜400秒、特に好ま
しくは、1400から2000℃で10〜300秒程度の温度で炭化
あるいは黒鉛化処理した炭素繊維あるいは黒鉛繊維（以
下、これらを「炭素繊維」という。）が好適に使用され
る。

本発明においてかかる炭素繊維に対して500kV以上好
ましくは500〜2000kV更に好ましくは700〜2000kVの電子
線1000Mrad以上、好ましくは1000〜10000Mrad更に好ま
しくは1500〜10000Mradの照射量を照射処理することが
重要である。その際、照射量が1000Mradより少ないと得
られた炭素繊維の引張り強度及び引張り弾性率のいずれ
も改善されないので好ましくない。又あまりに照射量が
多いと引張り強度が低下する可能性が大きくなるのであ
まり好ましくない。照射処理自体は通常の電子線照射装
置により行われるのが具体的には、電子線加速装置と、
電子線照射領域に被照射物を般送する装置とを備え、か
つ、冷却装置を装備するかまたは、照射、冷却を断続的
に行うことができる照射装置により行われ、その処理帯
域の雰囲気としてはガス種、圧力、温度について特に制
限は無いが、被照射物の温度が500℃以上に達する場合
は、不活性ガス雰囲気下で行なうのがよい。

以上の様に、特定の電子線照射により得られた炭素繊
維は繊維自体の強度、弾性率が改善される。この原因は
未だ十分には解明されていないが、臨界エネルギー以上
の電子線によって、結晶内部にフレンケル欠陥のような
微細な欠陥が取りこまれるとこによるものと推定され
る。

（実施例） 以下実施例により本発明を具体的に説明するが、本発
明の要旨を超えない限り、本発明は実施例に限定される
ものではない。

実施例１ 表１に示したように、PAN系、ピッチ系各２種の炭素
繊維に対して、搬送装置を有する電子線照射装置を用
い、750kVの加速電圧下で約20秒、照射した後冷却する
操作を72回繰返し、総照射量1800Mradとした、雰囲気は
空気中である。

PAN系並びにピッチ系の高特性炭素繊維各２種類につ
いて、照射前後の引張り強度と引張弾性率とを比較した
結果を表１に示した。

加速電圧750kV、照射線量1800Mradの条件下では、引
張り強度及び弾性率について増加が認められた。

比較例１ 実施例と同一の照射装置を用いて、750kVの加速電圧
下で、約20秒照射した後冷却する操作を、４回及び24回
繰返し、総照射量100及び600Mradとした。雰囲気は空気
中である。

ピッチ系の２種類の試料についての照射前後の引張強
度並びに引張弾性率の値を表２に示した。

比較例２ 170kVの加速電圧下で約５秒照射した後冷却する操作
を100回繰返し、総照射量2000Mradとした。雰囲気は空
気中である。

ピッチ系の２種類の試料についての照射前後の引張強
度並びに引張弾性率の値を表３に示した。本条件では改
善の傾向は認められなかった。

（発明の効果） 本発明によれば、炭素繊維を構成する結晶内に微小な
欠陥を生ぜしめることにより、繊維自体の引張り強度及
び引張り弾性率を同時に向上した高特性の炭素繊維を製
造することができる。特に高特性ピッチ系炭素繊維は機
械的特性が優れているので各種繊維強化複合材に非常に
有用である。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】1000℃以上の温度で焼成して得られた炭素
   繊維に500kV以上の電子線で1000Mrad以上照射処理する
   ことを特徴とする高特性炭素繊維の製造方法。
2. 【請求項２】電子線が500〜2000kVで1000〜10000Mradの
   範囲で照射処理する請求項１記載の製造方法。