(57)【要約】【課題】紡糸性の低下を抑制しつつ、炭素繊維の結晶化度を向上させること。【解決手段】ピッチ系炭素繊維の製造方法は、繊維化工程、不融化工程、炭化工程、及び黒鉛化工程を備えている。繊維化工程では、ピッチ材料２１に黒鉛２２が添加された溶融物を紡糸することで前駆体繊維２３を形成する。不融化工程では、前駆体繊維２３を酸化雰囲気下にて熱処理することにより酸化させて不融化する。炭化工程では、不融化された前駆体繊維２３を不活性ガスの雰囲気下にて不融化工程よりも高温にて加熱することにより炭化する。黒鉛化工程では、炭化された前駆体繊維２３を不活性ガスの雰囲気下にて炭化工程よりも高温にて加熱することにより黒鉛化する。【選択図】図２
2020070513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピッチ材料に炭素系核材が添加された溶融物を紡糸することで前駆体繊維を形成する繊維化工程と、
前記前駆体繊維を酸化雰囲気下にて熱処理することにより酸化させて不融化する不融化工程と、
不融化された前記前駆体繊維を不活性ガスの雰囲気下にて前記不融化工程よりも高温にて加熱することにより炭化する炭化工程と、
炭化された前記前駆体繊維を不活性ガスの雰囲気下にて前記炭化工程よりも高温にて加熱することにより黒鉛化する黒鉛化工程と、を備える、
ピッチ系炭素繊維の製造方法。
【請求項２】
前記炭素系核材は、黒鉛を含む、
請求項１に記載のピッチ系炭素繊維の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピッチ系炭素繊維の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピッチ系炭素繊維は、ピッチ材料を原料として製造される（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、光学的異方性（メソフェーズ）割合が８０％以上のピッチ材料を溶融紡糸して繊維化することで前駆体繊維を形成し、前駆体繊維に対して不融化処理を施し、不融化された前駆体繊維に対して焼成処理を施すことにより前駆体繊維を炭化及び黒鉛化することでピッチ系炭素繊維を製造する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１６６４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、原料であるピッチ材料の光学的異方性割合を高くすると、炭素繊維の結晶化度（黒鉛化度）が高くなることが知られている。しかしながら、ピッチ材料の光学的異方性割合を高くすると、ピッチ材料の軟化点が高くなるとともに溶融状態における粘度が高くなる。そのため、ピッチ材料を溶融紡糸して繊維化することが困難となる。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、紡糸性の低下を抑制しつつ、炭素繊維の結晶化度を高めることができるピッチ系炭素繊維の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための、ピッチ系炭素繊維の製造方法は、ピッチ材料に炭素系核材が添加された溶融物を紡糸することで前駆体繊維を形成する繊維化工程と、前記前駆体繊維を酸化雰囲気下にて熱処理することにより酸化させて不融化する不融化工程と、不融化された前記前駆体繊維を不活性ガスの雰囲気下にて前記不融化工程よりも高温にて加熱することにより炭化する炭化工程と、炭化された前記前駆体繊維を不活性ガスの雰囲気下にて前記炭化工程よりも高温にて加熱することにより黒鉛化する黒鉛化工程と、を備える。
【０００７】
同方法によれば、繊維化工程にて形成された前駆体繊維には、ピッチ材料の他に炭素系核材が含有される。このため、黒鉛化工程において、炭素系核材を核としてピッチ材料の結晶化（黒鉛化）が促進されるようになる。これにより、炭素系核材が含有されていない前駆体繊維を用いて製造された炭素繊維に比べて、炭素繊維の結晶化度（黒鉛化度）が高められる。また、上記方法によれば、等方性ピッチや光学的異方性割合の低い異方性ピッチを用いながらも炭素繊維の結晶化度を高めることができるため、繊維化工程における溶融物の粘度を低くすることができ、紡糸性が低下することを抑制できる。したがって、紡糸性の低下を抑制しつつ、炭素繊維の結晶化度を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、紡糸性の低下を抑制しつつ、炭素繊維の結晶化度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態におけるピッチ系炭素繊維の製造方法の工程を順に示すフローチャート。
【図２】同実施形態のメルトブロー法による前駆体繊維の製造装置の概略構成を示す断面図。
【図３】前駆体繊維における黒鉛添加率と炭素繊維不織布の結晶化度（黒鉛化度）との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図１〜図３を参照して、ピッチ系炭素繊維からなる不織布（以下、炭素繊維不織布）の製造方法の一実施形態について説明する。
図１に示すように、炭素繊維不織布は、繊維化工程、不融化工程、炭化工程、及び黒鉛化工程を順に行うことにより製造される。
【００１１】
まず、繊維化工程において用いられる混合材料２０の調製方法について説明する。
溶融物の前駆体である混合物は、異方性ピッチからなるピッチ材料２１に炭素系核材として黒鉛２２を添加して混合することにより調製される。なお、黒鉛２２としては、天然黒鉛、人造黒鉛、及び膨張化黒鉛のいずれであってもよい。また、本実施形態の黒鉛２２は、後述する前駆体繊維２３の繊維径よりも小さい粒径を有する黒鉛を微粒化したものである。
【００１２】
異方性ピッチの光学的異方性割合が高いほど、繊維化工程における溶融物の粘度が高くなるため、高温にて繊維化を行う必要がある。このため、異方性ピッチの光学的異方性割合は２０質量％以下であることが好ましい。また、混合物中の黒鉛２２の割合が高いほど、溶融物中での不溶の黒鉛の割合が増えることから、溶融物の流動性が低下する。このため、黒鉛２２は、４０質量％以下の割合で混合物中に含有されていることが紡糸性を確保する上で好ましい。
【００１３】
続いて、混合物のピッチ材料２１を軟化点以上に加熱して溶融させる。その後、混合物を冷却して固化させた後に粉砕する。このようにしてピッチ材料２１と黒鉛２２とが混合された混合材料２０が調製される。なお、混合材料２０をペレット形状にして次工程に用いてもよい。
【００１４】
＜繊維化工程＞
まず、図２を参照して、繊維化工程にて用いられる装置の概略構成について説明する。
図２に示すように、装置は、混合材料２０の溶融物を紡糸する口金１０と、口金１０の下方に配置され、口金１０により紡糸された前駆体繊維を集積するとともに搬送するベルト１８を有するベルトコンベア１７とを備えている。
【００１５】
口金１０の内部には、上下方向に延在する複数の押出通路１１がベルトコンベア１７のベルト１８の幅方向Ｘに沿って間隔をおいて形成されている。各押出通路１１は、口金１０の下面に開口する吐出口１２を有している。
【００１６】
また、口金１０の内部には、各押出通路１１をベルトコンベア１７の搬送方向Ｙの両側から挟む複数の熱風通路１３が形成されている。各熱風通路１３は、口金１０の下面に開口する吹出口１４を有している。
【００１７】
前記のようにして調整された混合材料２０を押出機１５に投入すると、混合材料２０が加熱されて溶融物となり、押出通路１１に対して押し出される。そして、押出通路１１の吐出口１２から吐出される。また、熱風生成装置１６により生成された熱風は、熱風通路１３の吹出口１４から吹き出される。このとき、混合材料２０の溶融物が吐出口１２から連続して繊維状に吐出されるとともに、吐出される混合材料２０に対して搬送方向Ｙの両側から熱風が吹き付けられる。これにより、混合材料２０の繊維が更に微細化されてベルトコンベア１７のベルト１８上に集積されることで不織布状の前駆体繊維２３が形成される。こうして形成された前駆体繊維２３は、ベルトコンベア１７の搬送方向Ｙの下流側に設けられた離間フィルム（図示略）に乗せられた後、離間フィルムと共に巻取ローラ１９によって巻き取られる。
【００１８】
＜不融化工程、炭化工程、及び黒鉛化工程＞
これらの不融化工程、炭化工程、及び黒鉛化工程はいずれも炭素繊維の製造方法において周知の工程である。
【００１９】
すなわち、不融化工程は、次工程の炭化工程または黒鉛化工程を行う際に前駆体繊維２３が溶融しないようにするための処理であり、前駆体繊維２３を酸化雰囲気下にて室温から３００℃まで徐々に昇温して加熱することで前駆体繊維２３の内外を酸化処理させる。
【００２０】
また、炭化工程は、不融化された前駆体繊維２３を炭化するための処理であり、例えばアルゴンや窒素などの不活性ガスの雰囲気下にて１０００℃〜１５００℃にて加熱することにより前駆体繊維２３を焼成する。
【００２１】
また、黒鉛化工程は、炭化された前駆体繊維２３を黒鉛化するための処理であり、アルゴンや窒素などの不活性ガスの雰囲気下にて２０００℃〜３０００℃にて加熱することにより前駆体繊維２３内の炭素の結晶を成長させる。
【００２２】
このようにして炭素繊維不織布が形成される。
次に、本実施形態の作用について説明する。
繊維化工程にて形成された前駆体繊維２３には、ピッチ材料２１の他に黒鉛２２が含有される。このため、黒鉛化工程において、黒鉛２２を核としてピッチ材料２１の結晶化（黒鉛化）が促進されるようになる。これにより、黒鉛２２が含有されていない前駆体繊維２３を用いて製造された炭素繊維不織布に比べて、炭素繊維不織布の結晶化度（黒鉛化度）が高められる。
【００２３】
図３は、本実施形態のピッチ材料２１に対して黒鉛２２を添加したときの前駆体繊維２３における黒鉛添加率と炭素繊維不織布の結晶化度（黒鉛化度）との関係を示すグラフである。
【００２４】
同図の実線Ｌ３にて示すように、黒鉛添加率が４０質量％以下においては、黒鉛添加率が高くなるほど結晶化度（黒鉛化度）が高くなる傾向にあるといえる。
なお、同図の一点鎖線Ｌ１は、ピッチ材料２１に黒鉛２２を添加していない場合の結晶化度を示す。また、同図の破線Ｌ２は、ピッチ材料２１に添加した黒鉛２２が、炭素繊維不織布の結晶化（黒鉛化）に全く寄与しないと仮定した場合の結晶化度、すなわちＬ１の結晶化度に対して、添加された黒鉛２２の分をそのまま加算した値を示している。
【００２５】
同図の実線Ｌ３にて示すように、黒鉛添加率が４０質量％以下においては、Ｌ３はＬ２よりも高くなっている。
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
【００２６】
（１）ピッチ系炭素繊維不織布の製造方法は、繊維化工程、不融化工程、炭化工程、及び黒鉛化工程を備えている。繊維化工程では、異方性ピッチからなるピッチ材料２１に黒鉛２２（炭素系核材）が添加された溶融物を紡糸することで前駆体繊維２３を形成する。不融化工程では、前駆体繊維２３を酸化雰囲気下にて熱処理することにより酸化させて不融化する。炭化工程では、不融化された前駆体繊維２３を不活性ガスの雰囲気下にて不融化工程よりも高温にて加熱することにより炭化する。黒鉛化工程では、炭化された前駆体繊維２３を不活性ガスの雰囲気下にて炭化工程よりも高温にて加熱することにより黒鉛化する。
【００２７】
こうした方法によれば、光学的異方性割合の低い異方性ピッチを用いながらも炭素繊維不織布の結晶化度を高めることができるため、繊維化工程における混合材料２０の溶融物の粘度を低くすることができ、紡糸性が低下することを抑制できる。したがって、紡糸性の低下を抑制しつつ、炭素繊維不織布の結晶化度を向上させることができる。
【００２８】
（２）炭素系核材は黒鉛２２である。吸着性の高い黒鉛２２が炭素系核材として用いられるため、炭素系核材がピッチ材料２１に混ざりやすくなり、ピッチ材料２１と黒鉛２２とを容易に混合させることができる。
【００２９】
＜変更例＞
上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
【００３０】
・ピッチ材料２１と黒鉛２２との混合方法は適宜変更することができる。例えば、混練機を用いて混合することもできる。
・混練機能を有する二軸押出機を用いることもできる。この場合、押出機においてピッチ材料２１に黒鉛２２を混合しながら混合材料２０の溶融物を押し出すことができる。
【００３１】
・炭素系核材として、前駆体繊維２３の繊維径よりも大きい粒径を有する黒鉛を採用することもできる。この場合、混合材料２０を調製する際に、同黒鉛が前駆体繊維２３の繊維径よりも小さくなるように微粒化すればよい。
【００３２】
・黒鉛の他、例えば、カーボンナノチューブやグラフェンなどを炭素系核材として採用することもできる。また、これらの各炭素系核材を組み合わせたものとしても良い。
・ピッチ材料２１として、異方性ピッチに代えて等方性ピッチを採用することもできる。
【００３３】
・前駆体繊維２３を巻取ローラ１９によって巻き取ることにより回収する方法に代えて、前駆体繊維２３を所定の長さで切断し、切断された前駆体繊維２３同士の間に離間フィルムを介在させた状態で束にして回収することもできる。
【符号の説明】
【００３４】
１０…口金、１１…押出通路、１２…吐出口、１３…熱風通路、１４…吹出口、１５…押出機、１６…熱風生成装置、１７…ベルトコンベア、１８…ベルト、１９…巻取ローラ、２０…混合材料、２１…ピッチ材料、２２…黒鉛（炭素系核材）、２３…前駆体繊維。
【図１】
2020070513.tif 000003
【図２】
2020070513.tif 000004
【図３】
2020070513.tif 000005