(57)【要約】【課題】  ＰＡＮ系の炭素繊維前駆体繊維を湿式紡糸するに際し、生産性およびプロセス性を高めつつ、その製造エネルギーを減じ、高品質で高品位な、かつ、炭素繊維の製造工程においても通過安定性に優れた炭素繊維前駆体繊維を得るための方法を提供する。【解決手段】  重量平均分子量Ｍｗが１０万〜７０万であり、Ｚ平均分子量Ｍｚと重量平均分子量Ｍｗとの比で示される多分散度Ｍｚ／Ｍｗが２．７〜６であるポリアクリロニトリル系重合体を５重量％以上３０重量％未満の濃度で溶媒に溶解してなる紡糸溶液を乾湿式紡糸するに際し、該紡糸溶液を凝固価が１７〜４０ｇである凝固浴条件の凝固浴中に吐出する炭素繊維前駆体繊維の製造方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量平均分子量Ｍｗが１０万〜７０万であり、Ｚ平均分子量Ｍｚと重量平均分子量Ｍｗとの比で示される多分散度Ｍｚ／Ｍｗが２．７〜６であるポリアクリロニトリル系重合体を５重量％以上３０重量％以下の濃度で溶媒に溶解してなる紡糸溶液を湿式紡糸するに際し、該紡糸溶液を凝固価が１７〜４０ｇである凝固浴条件の凝固浴中に吐出する炭素繊維前駆体繊維の製造方法。
【請求項２】
臨界濃度以下である溶媒濃度の凝固浴中に吐出する請求項１記載の炭素繊維前駆体繊維の製造方法。
【請求項３】
紡糸溶液の溶媒にジメチルホルムアミドまたはジメチルアセトアミドを用いる請求項１または２に記載の炭素繊維前駆体繊維の製造方法。
【請求項４】
水を凝固促進成分とし、請求項３記載の溶媒を６０〜８０重量％含む凝固浴を用いる請求項１記載の炭素繊維前駆体繊維の製造方法。
【請求項５】
ポリアクリロニトリル系重合体が、共重合成分として、カルボキシル基を持つ耐炎化促進成分を０．２〜２モル％およびメチルアクリレートもしくはアクリルアミドを２〜５モル％含むポリアクリロニトリル系重合体である請求項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。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の炭素繊維前駆体繊維の製造方法によって得られた炭素繊維前駆体を、２００〜３００℃の温度の空気中において耐炎化する耐炎化工程と、該耐炎化工程で得られた繊維を、３００〜８００℃の温度の不活性雰囲気中において予備炭化する予備炭化工程と、該予備炭化工程で得られた繊維を１０００〜３０００℃の温度の不活性雰囲気中において炭化する炭化工程を順次経て炭素繊維を得る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、炭素繊維の製造工程における通過安定性に優れた高品位な炭素繊維前駆体繊維の製造方法とそれを用いた炭素繊維の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は、その優れた力学特性および電気特性から、さまざまな用途に利用されている。近年では、従来のゴルフクラブや釣竿などのスポーツ用途や航空機用途に加え、自動車部材、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）用タンク、建造物の耐震補強部材および船舶部材などいわゆる一般産業用途への展開が進みつつある。それに伴い、低コスト化および大量供給の要請が強い。
【０００３】
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と記述することがある。）系炭素繊維は、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または乾湿式紡糸して炭素繊維前駆体繊維を得た後、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と転換し、それを少なくとも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。
【０００４】
ＰＡＮ系炭素繊維の生産性向上は、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。中でも炭素繊維前駆体繊維の生産性向上については、従来技術には次に示す問題があった。すなわち、炭素繊維前駆体繊維を得る際の紡糸においては、紡糸口金孔数とＰＡＮ系重合体溶液の特性に伴う凝固糸を引き取る限界速度（以下、可紡性とも記述することがある。）と、その凝固構造に伴う限界延伸倍率によって生産性が制限されている。すなわち、多フィラメントの炭素繊維前駆体繊維を得るに際し、引き取り速度と延伸倍率とで決まる最終的な紡糸速度がどれほど高められるかで、その生産性が制限されている。生産性を向上させるために紡糸速度を高めると延伸性低下が起こり、生産工程が不安定化しやすく、一方、紡糸速度を下げると生産工程は安定化するものの生産性は低下するため、生産性の向上と生産工程の安定化の両立が困難であるという問題があった。
【０００５】
可紡性に大きな影響を与える要因として、紡糸方法がある。そこで、次に紡糸方法の観点から、生産性の向上について説明する。
【０００６】
乾湿式紡糸法は、紡糸溶液が一旦空気中（エアギャップ）に吐出されてから凝固浴中に導かれるため、実質的な紡糸ドラフト率はエアギャップ内にある原液流で吸収され、可紡性が高いことから、これまでいくつかの提案がなされてきた。しかしながら、乾湿式紡糸法では、確かに可紡性が向上するものの、その速度は未だ不満が残るものであり、空気中で紡糸溶液が接触しないように孔ピッチが大きな紡糸口金を用いるために糸条密度を高めることが難しいという欠点も有している。
【０００７】
一方、湿式紡糸法は、紡糸溶液を凝固浴内にある紡糸口金孔から直接凝固浴中に吐出させる方法であり、この方法は紡糸機や凝固浴を簡素化することができ、また、糸条密度を高めやすいという利点がある。しかしながら、この湿式紡糸法は、紡糸溶液が紡糸口金孔から吐出された直後から凝固が進行するため、引き取り速度の高速化に従って実質の紡糸ドラフト率が高くなり、紡糸口金面で糸切れが発生するという問題があり、引き取り速度を高く設定することには限界があった。また、湿式紡糸法において、凝固浴条件を臨界濃度以上とすることにより可紡性を高める方法（特許文献１参照。）が提案されているが、臨界濃度以上では凝固状態が大きく変動しやすいことから、炭素繊維前駆体繊維用としては適用が困難な技術であった。
【０００８】
以上の各紡糸方法の問題点を解決する方法として、特定の分子量分布を有するＰＡＮ系重合体を用いることが提案されている。本発明者らは、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、乾湿式紡糸法で優れた可紡性を与える炭素繊維前駆体繊維の製造技術を既に提案している（特許文献２参照。）。この技術を用いることにより可紡性を大幅に向上させることが出来るようになったが、糸条密度を高めることには依然課題を有している。
【０００９】
また、特許文献２と同様な特定の分子量分布を有するＰＡＮ系重合体溶液の製造方法が知られている（特許文献３参照。）が、それを単純に湿式紡糸法へ適用しただけでは可紡性向上効果は低い。本発明者らは、特定の分子量分布を有するＰＡＮ系重合体を用いて、臨界濃度以上の凝固浴条件で湿式紡糸を行うことで可紡性を高める技術について既に提案している。この技術を用いることにより、可紡性を向上させ、繊度むらの無い繊維を安定に得ることが出来るようになるが、プロセスウィンドウが狭く、繊維の物性がやや低下するという問題点もあった。
【００１０】
これらの問題点を解決する手段としては、凝固浴濃度の制御が考えられる。一般に、凝固しやすい条件ほど凝固浴浸漬直後に糸条を形成し、かつ、その凝固状態のむらがないため、大きな凝固張力まで耐えられることが知られている（非特許文献１参照。）。逆に、凝固しにくい条件ほど糸条が緻密な凝固状態となり、その性能が向上する。また、凝固しにくい凝固浴条件では凝固促進成分の使用量が低減するため、溶媒と凝固促進成分の混合物を分離回収するためのエネルギー削減が可能となる。このように、凝固浴濃度は性能と生産性とのトレードオフのバランスをとって条件設定する必要があり、その指標として凝固価を用いることが有効である。凝固価は凝固に必要な凝固促進成分の量に比例し、凝固価の大きな凝固浴ほど凝固しにくく、凝固価の小さな凝固浴ほど凝固しやすい。
【００１１】
本発明者らは、特定の分子量分布を有するＰＡＮ系重合体を用いた上で凝固価を制御し、乾湿式紡糸法で優れた可紡性と性能を与える炭素繊維前駆体繊維の製造技術について既に提案している。この技術を用いることにより、特許文献２での問題点の一つである緻密性の低下を解決することが可能となったが、乾湿式紡糸であるために高糸条密度と高速紡糸の両立は未だに困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１―３２９４２６号公報
【特許文献２】ＷＯ２００８／０４７７４５号公報
【特許文献３】特開２００８―２１４８１６号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】繊維学会誌１５巻、９５１頁（１９５９年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで本発明の目的は、ＰＡＮ系の炭素繊維前駆体繊維を湿式紡糸するに際し、単位時間あたりの生産量および工程安定性を高めつつ、その製造エネルギーを減じ、高品質で高品位な炭素繊維前駆体繊維を得るための方法を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、後工程の炭素繊維の製造工程における通過安定性に優れた高品位な炭素繊維前駆体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】
【００１６】
本発明は、上記目的を達成せんとするものであって、本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法は、重量平均分子量Ｍｗが１０万〜７０万であり、Ｚ平均分子量Ｍｚと重量平均分子量Ｍｗとの比で示される多分散度Ｍｚ／Ｍｗが２．７〜６であるポリアクリロニトリル系重合体を５重量％以上３０重量％以下の濃度で溶媒に溶解してなる紡糸溶液を湿式紡糸するに際し、該紡糸溶液を凝固価が１７〜４０ｇである凝固浴条件の凝固浴中に吐出する炭素繊維前駆体繊維の製造方法である。
【００１７】
本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法の好ましい態様によれば、前記のポリアクリロニトリル系重合体は、共重合成分としてカルボキシル基を持つ耐炎化促進成分を０．２〜２モル％およびメチルアクリレートもしくはアクリルアミドを２〜５モル％含むものである。
【００１８】
本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法の好ましい態様によれば、前記の紡糸溶液の溶媒にはジメチルホルムアミドまたはジメチルアセトアミドを用いて紡糸を行う。
【００１９】
本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法の好ましい態様によれば、水を凝固促進成分に用い、前記の紡糸溶液の溶媒を６０〜８０重量％含む臨界濃度以下の凝固浴中に紡糸溶液を吐出する。
【００２０】
本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法の好ましい態様によれば、用いられる前記のポリアクリロニトリル系重合体のＺ＋１平均分子量ＭＺ＋１とＭｗとの比で示されるＭＺ＋１／Ｍｗは、６〜２５である。
【００２１】
本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法の好ましい態様によれば、前記の紡糸溶液を平均孔径が０．０５〜０．２ｍｍの紡糸口金から、該紡糸溶液の紡糸ドラフトが０．５〜２．５の範囲となるように設定制御にして吐出引き取ることである。
【００２２】
本発明においては、前記の製造方法によって得られた炭素繊維用前駆体繊維を、２００〜３００℃の温度の空気中において耐炎化処理した後、３００〜８００℃の温度の不活性雰囲気中において予備炭化処理し、次いで１，１００〜３，０００℃の温度の不活性雰囲気中において炭化処理することにより、炭素繊維を製造することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、高糸条密度で、かつ、安定した高速紡糸を行うことの可能なＰＡＮ系重合体を用いて、緻密な凝固糸を得られる凝固浴条件への紡糸を行うことにより、製造エネルギーを減じ、かつ、高品位である炭素繊維前駆体繊維を製造することができる。
【００２４】
そして、得られた炭素繊維前駆体繊維を用いることにより、毛羽立ちや糸切れを抑制し、生産性を損なうことなく、高品質で高品位な炭素繊維を製造することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明者らは、特定の分子量分布を有する重合体を調整した紡糸溶液を、特定条件の湿式紡糸法により紡糸口金から吐出させ紡糸することにより、生産性高くかつ製造エネルギーを減じつつ、高品質な炭素繊維前駆体繊維が製造できることを見いだした。
【００２６】
すなわち、本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法は、重量平均分子量Ｍｗが１０万〜７０万であり、Ｚ平均分子量Ｍｚと重量平均分子量Ｍｗとの比で示される多分散度Ｍｚ／Ｍｗが２．７〜６であるポリアクリロニトリル系重合体（ＰＡＮ系重合体）を５重量％以上３０重量％以下の濃度で溶媒に溶解してなる紡糸溶液を湿式紡糸するに際し、該紡糸溶液を凝固価が１７〜４０ｇである凝固浴条件の凝固浴中に吐出するものである。
【００２７】
まず、本発明で用いられるＰＡＮ系重合体について説明する。本発明で用いられるＰＡＮ系重合体は、その重量平均分子量Ｍｗが１０万〜７０万であり、好ましくは１５万〜５０万であり、より好ましくは２０〜４５万である。また、本発明で用いられるＰＡＮ系重合体は、そのＺ平均分子量Ｍｚと重量平均分子量Ｍｗとの比で示される多分散度Ｍｚ／Ｍｗが２．７〜６であり、より好ましくは３〜６である。
【００２８】
本発明において、上記の各種平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフ（以下、ＧＰＣと略記する。）法で測定され、ポリスチレン換算値として得られるものである。また、多分散度Ｍｚ／Ｍｗは、次の意味を有する。すなわち、数平均分子量Ｍｎ（以下、Ｍｎと略記することがある。）は、高分子化合物に含まれる低分子量物の寄与を敏感に受ける。これに対して、重量平均分子量Ｍｗ（以下、Ｍｗと略記することがある。）は、高分子化合物に含まれる高分子量物の寄与を敏感に受け、Ｚ平均分子量Ｍｚ（以下、Ｍｚと略記することがある。）は、高分子量物の寄与をさらに敏感に受け、Ｚ＋１平均分子量ＭＺ＋１（以下、ＭＺ＋１と略記することがある。）は高分子量物の寄与をさらに敏感に受ける。そのため、分子量分布であるＭｗ／Ｍｎや多分散度であるＭｚ／Ｍｗを用いることにより、分子量分布の広がりを評価することができる。分子量分布Ｍｗ／Ｍｎが１であるとき単分散であり、この値が大きくなるにつれて分子量分布が低分子量側を中心にブロードになることを示すのに対して、多分散度Ｍｚ／Ｍｗは大きくなるにつれて、分子量分布が高分子量側を中心にブロードになることを示す。
【００２９】
上記のように、分子量分布Ｍｗ／Ｍｎと多分散度Ｍｚ／Ｍｗの示すところが異なるため、分子量分布Ｍｗ／Ｍｎが大きくても、必ずしも多分散度Ｍｚ／Ｍｗが２．７以上になるということにはならない。
【００３０】
本発明において、上記のＰＡＮ系重合体を用いることにより、生産性の向上と安定化の両立を図りつつ、毛羽立ちの少ない高品位な炭素繊維前駆体繊維を製造することができるメカニズムは、必ずしも明確になった訳ではないが、次のように考えられる。
【００３１】
湿式紡糸においては、紡糸口金孔直後でＰＡＮ系重合体が凝固するため、口金孔直後では表面のみが凝固したＰＡＮ系重合体（以下、表面凝固糸と略記することがある。）に張力がかかった状態になっている。この張力が表面凝固糸の硬さを上回ると糸が破断することとなり、それが湿式紡糸の速度の上限を決めている。浴濃度を上昇させると凝固張力を下げることが可能であるが、張力以上に表面凝固糸の硬さが低下するため、紡糸速度を上昇させることは難しい。ここで、超高分子量物を加えた紡糸溶液においては伸長変形する際に、超高分子量物と高分子量物が絡み合い、超高分子量物を中心に絡み合い間の分子鎖が緊張することにより伸長粘度の急激な増大、すなわち、歪み硬化がおこる。この歪み硬化によって表面凝固糸内部の未凝固ＰＡＮ系重合体溶液の硬さが上昇し、浴濃度を上昇させた際における口金孔直後の表面凝固糸の硬さの低下を抑えることが出来る。そのため、浴濃度の高い条件下において紡糸速度を上昇させることが可能となり、紡糸速度と凝固状態の緻密性が両立出来る。
【００３２】
多分散度Ｍｚ／Ｍｗは大きいほど好ましく、多分散度Ｍｚ／Ｍｗ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する。ただし、多分散度Ｍｚ／Ｍｗが６を超えると口金やフィルターにかかる圧力が高くなり、紡糸が困難となる場合がある。
【００３３】
また、Ｍｗが１０万未満では、炭素繊維前駆体繊維の強度が不足し、Ｍｗが７０万より大きいと紡糸溶液における重合体濃度が高くなり、コストの面で不利となる。
【００３４】
さらに多分散度（ＭＺ＋１／Ｍｗ）は、６〜２５であることが好ましく、より好ましくは７〜１７であり、さらに好ましくは１０〜１５である。
【００３５】
多分散度（ＭＺ＋１／Ｍｗ）は、多分散度（Ｍｚ／Ｍｗ）より更に高分子量物に強く反映されるものであり、紡糸時の生産性向上の効果は多分散度（Ｍｚ／Ｍｗ）と同様であるが、分子量の分布としては必ずしも同一の範囲ではない。多分散度（ＭＺ＋１／Ｍｗ）の方がより高分子量物の寄与に敏感であり、本発明では超高分子量成分を含むことが好ましいので、上記範囲を満足することがより好ましいのである。多分散度（ＭＺ＋１／Ｍｗ）が６以上において、十分な歪み硬化が生じＰＡＮ系重合体を含む紡糸溶液の吐出安定性向上の度合が十分である。また、多分散度（ＭＺ＋１／Ｍｗ）が過度に大きい場合には、歪み硬化が強すぎて、ＰＡＮ系重合体を含む紡糸溶液の吐出安定性向上の度合が不足することがあり、多分散度（ＭＺ＋１／Ｍｗ）が、２５以下であることが好ましい。
【００３６】
また、分子量分布Ｍｗ／Ｍｎ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、分子量分布Ｍｗ／Ｍｎは、多分散度Ｍｚ／Ｍｗよりも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い。多分散度Ｍｚ／Ｍｗは、分子量分布Ｍｗ／Ｍｎに対して、１．５倍以上であることが好ましく、更に好ましくは１．８倍以上である。
【００３７】
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と略記することがある。）の重合でよく行われている、水系懸濁法や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ブロードになる傾向が見られ、分子量分布Ｍｗ／Ｍｎの方が多分散度Ｍｚ／Ｍｗ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、後者の重合体を混合する方法が簡便である。混合するＰＡＮ系重合体の種類は、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。
【００３８】
混合するＰＡＮ系重合体の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５万〜７０万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ＰＡＮ系重合体の多分散度Ｍｚ／Ｍｗが大きくなる傾向があるため、その差を大きくすることは好ましい態様である。しかしながら、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５万未満のときは前駆体繊維の強度が不足する場合があるので、多分散度Ｍｚ／Ｍｗは６以下とすることが現実的である。
【００３９】
具体的には、Ａ成分とＢ成分の重量平均分子量Ｍｗの比［Ａ（Ｍｗ）／Ｂ（Ｍｗ）］は、４〜４５であることが好ましく、より好ましくは２０〜４５である。
【００４０】
また、Ａ成分とＢ成分の重量比（Ａ／Ｂ）は、０．００３〜０．３であることが好ましく、より好ましくは０．００５〜０．２であり、さらに好ましくは０．０１〜０．１である。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、その重量比が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。
【００４１】
Ａ成分とＢ成分の両重合体を混合する場合、その手段として、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。
【００４２】
Ａ成分とＢ成分の両重合体の混合には、混合槽で攪拌する方法、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、および二軸押出機を用いる方法などを採用することができる。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る。
【００４３】
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、その溶液中にＢ成分を混合するか、あるいは、その溶液中にＢ成分を構成する単量体を混合して重合する方法を採用することができる。
【００４４】
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成分を混合する際に、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という観点から、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認められるため、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、重合体濃度が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。
【００４５】
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を採用することができるが、工程省略の観点から、高分子量物のＡ成分を溶媒に希釈した溶液にＢ成分を構成する単量体を混合して、その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。
【００４６】
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、Ａ成分を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、適宜設定することができる。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℃の温度を超える場合は、Ａ成分が変質する恐れがある。
【００４７】
また、重合体の重なり合いを希釈する工程を減らし、重合体を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は、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、重合体濃度が５重量％以下の状態で重合を停止させ、得られた溶液にＢ成分を混合するか、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ことは困難なことが多い。そのため、溶媒に対する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。
【００４８】
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、アクリロニトリル（ＡＮ）が好ましくは９３〜１００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。A成分の重合体濃度を希釈によって０．１〜５重量％になるようにする場合、共重合可能な単量体の比率を増やすことでA成分の溶解しやすさを上昇させ、溶解温度の低下および溶解時間の短縮を行うことが可能となる。
【００４９】
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。中でも溶媒への溶解性を高める観点から、メチルアクリレートを共重合することが好ましい。
【００５０】
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。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、チオ硫酸ナトリウム水溶液、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。
【００５１】
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、ＡＮと共重合可能な単量体を７モル％以下で共重合させることができる。共重合成分の量が多いほど凝固に必要な凝固促進成分量は多く必要になる傾向があり、緻密な凝固状態とするためには共重合成分の量は多いほど好ましいが、一方で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。そのため、共重合可能な単量体の割合はより好ましくは、０．５〜５モル％であり、さらに好ましくは、１〜３モル％である。
【００５２】
ＡＮと共重合可能な単量体としては、耐炎化を促進する成分と凝固価を上昇させる成分が共重合されることが好ましい。耐炎化を促進する成分としては、例えば、カルボキシル基またはアミド基を一つ以上有する化合物が好ましく用いられる。この成分の共重合量を多くするほど、耐炎化反応が促進され、短時間で耐炎化処理することができ、生産性を高めることができる。
【００５３】
耐炎化を促進する成分の具体例としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸、メサコン酸、アクリルアミドおよびメタクリルアミドが挙げられる。含有されるアミド基とカルボキシル基の数は、１つよりも２つ以上であることがより好ましく、その観点からは、耐炎化を促進するための共重合可能な成分としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸およびメサコン酸が好ましく、イタコン酸およびメタクリル酸がより好ましく、中でも、メタクリル酸が最も好ましい。
【００５４】
上記の耐炎化促進成分の割合は、０．２〜２モル％の範囲であることが好ましく、より好ましくは０．３〜１モル％である。耐炎化促進成分の割合が０．２モル％未満では耐炎化が不十分となり、炭化工程において得られる炭素繊維の炭化収率および引張強度が低下する傾向を示す。また、耐炎化促進成分の割合が２％を超えると耐炎化工程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。
【００５５】
凝固価を上昇させる成分の具体例としては、アクリレートやメタクリレートなどのアクリル酸のエステルまたはアクリルアミドが挙げられ、好ましくはメチルアクリレートもしくはアクリルアミドが用いられる。凝固価を上昇させる成分の割合は、２〜５モル％の範囲であることが好ましく、より好ましくは２〜４モル％の範囲である。凝固価を上昇させる成分の割合が２モル％未満では、後述する凝固価が低くなるために凝固状態の緻密さが低下する。また、凝固価を上昇させる共重合成分の割合が５モル％を超えると、耐炎化工程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。
【００５６】
上記の耐炎化を促進する成分および凝固価を上昇させる成分の範囲は、B成分にのみ適用されるものではなく、A成分とB成分を合わせた重合体全体において満たす必要がある。
・（重合体全体での共重合成分割合）＝（A成分の割合×A成分中の共重合成分割合）+（B成分の割合×B成分中の共重合成分割合）
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、重合速度を高め、重合装置の生産性向上の目的からは、水系懸濁重合法を用いることが好ましい。これらの重合に用いられる原料は、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。
【００５７】
前記したＰＡＮ系重合体を、塩化亜鉛水溶液、チオ硫酸ナトリウム水溶液、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系重合体が可溶な溶媒に溶解し、紡糸溶液とする。溶媒の種類によっても凝固に必要な凝固促進成分の量が異なり、溶媒の溶解力が弱いほど、わずかな凝固促進成分量で凝固できるため好ましく、具体的には、ジメチルホルムアミドやジメチルアセトアミドが好ましく、特にジメチルアセトアミドが好ましく用いられる。
【００５８】
ＰＡＮ系重合体溶液の重合体濃度は、５〜３０重量％の範囲であることが好ましく、より好ましくは１４〜２５重量％であり、さらに好ましくは１８〜２３重量％である。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。
【００５９】
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溶媒を用いて、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。重合体濃度は、高いほど後述する凝固価が低くなる傾向にある。
【００６０】
また、４５℃の温度におけるＰＡＮ系重合体溶液の粘度は、５〜１００Pa・ｓの範囲であることが好ましく、より好ましくは１０〜７０Ｐａ・ｓの範囲であり、さらに好ましくは２０〜５０Pa・ｓの範囲である。溶液粘度が５Ｐａ・ｓ未満では、紡糸糸条の賦形性が低下するため、紡糸口金から吐出され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、溶液粘度が１００Pa・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、重合体の分子量および紡糸溶液濃度や紡糸溶液の溶媒などにより制御することができる。
【００６１】
本発明において４５℃の温度におけるＰＡＮ系重合体溶液の粘度は、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、（株）東京計器製Ｂ８Ｌ型粘度計を用いて測定する。条件としては、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。
【００６２】
ＰＡＮ系重合体溶液を紡糸する前に、高強度な炭素繊維を得る観点から、そのＰＡＮ系重合体溶液を、例えば、目開き１０μｍ以下のフィルターに通し、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。
【００６３】
本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法において、紡糸溶液は、湿式紡糸法により紡糸口金から凝固浴中に吐出され、凝固され、炭素繊維前駆体繊維が形成される。ここで湿式紡糸法は、紡糸口金を凝固浴中に配置し、紡糸溶液を直接凝固浴に導入する紡糸法のことを言い、一旦、空気中に吐出した後、凝固浴に導入する、いわゆる乾湿式紡糸法は含まない。
【００６４】
本発明で好ましく用いられる紡糸口金の平均孔径は、好ましくは０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍであり、より好ましくは０．１２〜０．１８ｍｍである。紡糸口金の平均孔径が０．０５ｍｍより小さい場合、紡糸溶液である重合体溶液を高圧で紡糸口金から吐出させる必要があり、紡糸装置の耐久性が低下し、更にノズルからの紡出が困難となるばかりでなく、紡糸ドラフトを高く設定するとポリアクリロニトリル系繊維の単繊維繊度が細くなり過ぎ、炭素繊維前駆体繊維としては適さない。一方、紡糸口金の平均孔径が０．２ｍｍを超えると、１０ｄｔｅｘ以下の単繊維繊度の前駆体繊維を得ることが困難である。また、平均孔ピッチを広げないと隣接孔から紡出されたＰＡＮ系重合体溶液と接着し、炭素繊維の強度を低下させる。
【００６５】
本発明において紡糸口金の平均孔径は、紡糸口金面を顕微鏡観察することにより測定することができる。孔径が異なる孔を有する場合には、孔径と孔数割合で平均する。また、紡糸口金の孔数は、２００００〜１０００００個であることが好ましい。孔数が２００００個より少ない場合、生産性が低下することが多く、一方、孔数が１０００００個を超える場合には、炭素繊維としての最終製品形態と合わないことがある。
【００６６】
また、紡糸溶液の紡糸ドラフトは０．５〜２．５の範囲であることが好ましい。通常、湿式紡糸では、紡糸ドラフトを高めることは困難であり、１未満で行うことが一般的であるが、本発明の後述する臨界以下の凝固浴条件下では、紡糸ドラフトを高めることにより、紡糸溶液に伸長歪みがかかり、伸長粘度が高まるために凝固糸の硬さが向上し、安定した紡糸が可能となる。紡糸ドラフトは、より好ましくは０．８〜２．２の範囲であり、さらに好ましくは１〜２の範囲である。
【００６７】
ここで紡糸ドラフトとは、紡糸糸条（フィラメント）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ＰＡＮ系重合体溶液の線速度（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重合体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、ＰＡＮ系重合体溶液の吐出量と紡糸口金の孔径の関係で決まる。ＰＡＮ系重合体を含むＰＡＮ系重合体溶液は、紡糸口金孔を出て凝固浴に接して次第に凝固して凝固糸（フィラメント）となる。このとき第一ローラーによりフィラメントは引っ張られているが、フィラメントよりも未凝固紡糸溶液の方が伸び易いので、紡糸ドラフトとは、紡糸溶液が固化するまでに引き伸ばされる倍率を示すことになる。すなわち、紡糸ドラフトは次式で表されるものである。
・紡糸ドラフト＝（凝固糸の引き取り速度）／（吐出線速度）
本発明において、吐出線速度は８〜５０ｍ／分であることが好ましい。吐出線速度が８ｍ／分を下回ると、高速紡糸の効果が得られず、一方、吐出線速度が５０ｍ／分を超えると、それ以降の工程速度に関する問題が発生することがある。吐出線速度は、紡糸口金の平均孔径と孔数とＰＡＮ系重合体溶液の吐出量によって制御することができる。
【００６８】
生産性を高める観点からは、凝固糸の引き取り速度を１５〜５０ｍ／分にすることが好ましく、吐出線速度が低い場合には、紡糸ドラフトを高めることにより目的とする生産性を達成することができる。
【００６９】
本発明において用いられる凝固浴には、ＰＡＮ系重合体溶液で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、ジメチルアセトアミド、塩化亜鉛水溶液、およびチオ硫酸ナトリウム水溶液などのＰＡＮ系重合体の溶媒と、いわゆる凝固促進成分の混合物が用いられる。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ＰＡＮ系重合体溶液に用いた溶媒と相溶性があるものが好ましい。凝固促進成分としては、具体的には、水、メタノール、エタノールおよびアセトンなどが挙げられるが、回収する必要がないことと安全性の面、凝固に必要な凝固促進成分の量が少ないことから水を使用することが最も好ましい。
【００７０】
本発明において、凝固価が１７〜４０ｇとすることが重要であり、好ましくは１８〜３６ｇであり、より好ましくは１８〜２７ｇである。本発明において凝固価とは、紡糸に用いる溶媒５０ｃｃに対して紡糸に用いる重合体を１重量％溶解した溶液に凝固浴液を徐々に滴下し、沈殿生成を開始して溶液が透明から白濁に変化する凝固浴液量（ｇ）と定義する。試験において温度は２５℃に調整する。凝固浴液そのものを滴下すると希釈されすぎて白濁が薄く、白濁開始点の判定が困難になることがあるので、凝固浴液中の凝固促進成分のみを滴下して求めた白濁点から、その必要凝固促進成分量を含む凝固浴液量に換算して凝固価とすることができる。両者の値が異なった場合は、後者を凝固価とする。凝固価は、重合体の分子量や共重合組成、重合体溶液の濃度、溶媒種類および凝固促進成分種類、溶媒濃度によっても変わり、紡糸条件に合わせてそれぞれ測定する必要があるが、特に凝固浴における溶媒の種類および溶媒濃度によって制御することが好ましい。溶媒濃度が高まるほど、凝固促進成分が減少するので凝固価が高まる。凝固価が１７ｇ未満であると緻密な凝固状態を得ることができず、炭素繊維の物性が低下するばかりでなく、溶媒と凝固促進成分の混合物からの溶媒回収エネルギーが高い。また、凝固価が４０ｇを超えると凝固が遅くなりすぎて高速製糸しようとすると単繊維間の融着が発生する。
【００７１】
ここで、溶媒の種類について考える。共重合成分や凝固促進成分とも関係するが、共重合成分を含まないＰＡＮを各種の溶媒に溶解し、水を凝固促進成分として調べると一般的な傾向としてジメチルアセトアミド＜ジメチルホルムアミド＜ジメチルスルホキシド＜塩化亜鉛水溶液＜チオ硫酸ナトリウム水溶液の順に凝固促進成分量を多く必要とする。共重合成分等によっても値は変化するが、ＡＮ１００％、Ｍｗ３２万のＰＡＮを用い、各種溶媒に溶解して、水を凝固促進成分とした場合、各種溶媒による凝固価はそれぞれ、ジメチルアセトアミド４ｇ、ジメチルスルホキシド５ｇ、塩化亜鉛水溶液（６０重量％水溶液）１０ｇ、チオ硫酸ナトリウム水溶液（５４重量％水溶液）２０ｇと異なる値を示す。特に、ジメチルアセトアミドは、より少ない凝固促進成分量でも同様な凝固状態の凝固糸を形成できるため、凝固促進成分量を減らすことができる利点があり、好ましく用いられる。
【００７２】
凝固浴の溶媒濃度は、なるべく高くすることによりゆっくり凝固させ、均一な緻密な凝固状態の凝固糸を得、かつ、凝固促進成分量を減らし、溶媒と凝固促進成分との分離・回収エネルギーの低減を行うことができる。溶媒濃度を高めていくと臨界濃度があり、糸条の形成が不可能になる溶媒濃度があるが、この間の溶媒濃度では凝固状態の均質化が一般的には困難であり、溶媒濃度は臨界濃度以下であることが好ましい。臨界濃度は、凝固価を求める場合と同様の手法により簡便に求められる。重合体を１重量％溶解した溶液に凝固浴液中の凝固促進成分のみを滴下していき、白濁した時点での溶液の溶媒濃度が臨界濃度である。
・臨界濃度（％）＝１００×（溶媒重量）／（溶媒重量＋凝固促進成分滴下量）
ジメチルホルムアミドまたはジメチルアセトアミドを溶媒として用いた場合には、凝固浴の溶媒濃度は６０〜８０重量％の範囲が好ましく、より好ましくは６５〜７５重量％の範囲である。溶媒濃度が６０重量％未満の場合、重合体中の共重合成分の割合を減らすか、凝固促進成分に水以外の化合物を用いるなど特定の条件にしないと凝固価が１７ｇ未満となり、緻密な凝固状態を得ることができず、溶媒と凝固促進成分の混合物からの溶媒回収エネルギーも高い。また、溶媒濃度が８０重量％を超える場合、特定の条件にしないと凝固価が４０ｇを超え、凝固が遅くなりすぎて高速製糸しようとすると単繊維間の融着が発生する。
【００７３】
本発明において、凝固浴温度を０〜４５℃とすることが好ましい。凝固浴温度は、溶媒の凝固浴中への拡散速度および凝固促進成分の紡糸溶液への拡散速度に影響を与え、その結果、凝固浴温度が低いほど緻密な凝固糸となり、高強度な炭素繊維が得られる。
【００７４】
また、本発明では、凝固価の測定自体は一定温度であるが、あえて変更して測定すると温度が高いほど凝固価は高くなるため、そのバランスで適宜設定すればよい。凝固浴温度は、より好ましくは５〜４０℃であり、更に好ましくは１５〜３５℃である。
【００７５】
本発明において、紡糸溶液の吐出温度を１５〜４０℃とすることが好ましい。吐出温度が１５℃未満では、紡糸溶液の吐出粘度が高くなり、凝固出で引き取った後の延伸倍率を高めることが困難となりやすい。また、吐出温度が４０℃を超えると熱量の損失が大きいとともに凝固糸が緻密になり難い。
【００７６】
本発明において、ＰＡＮ系重合体溶液を凝固浴中に導入して凝固させ凝固糸を形成した後、水洗工程、浴中延伸工程、油剤付与工程および乾燥工程を経て、炭素繊維前駆体繊維が得られる。
【００７７】
また、上記の工程に、さらに乾熱延伸工程を加えてもよい。凝固後の凝固糸は、水洗工程に先だって直接空中または第２凝固浴等における浴中延伸を行っても良いし、溶媒を水洗工程により除去した後に浴中延伸を行っても良い。浴中延伸は、通常、３０〜９８℃の温度に温調された単一または複数の延伸浴中で行うことができる。そのときの乾燥前延伸倍率は、１〜５倍であることが好ましく、より好ましくは１〜３倍である。
【００７８】
乾燥前延伸工程の後、単繊維同士の接着を防止する目的から、延伸され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。シリコーン油剤は、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。
【００７９】
次の乾燥工程は、公知の方法を利用することができる。例えば、乾燥温度が７０〜２００℃で乾燥時間が１０秒〜２００秒の乾燥条件が好ましい結果を与える。生産性の向上や結晶配向度の向上を目的として乾燥工程後に延伸してもよいが、乾熱や加圧水蒸気下で、延伸温度１３０〜１８０℃、倍率２〜６倍で延伸することが好ましい。
【００８０】
本発明の炭素繊維前駆体繊維の製造方法を用いることにより、生産性を低下させずに、単繊維繊度を低下させることが容易である。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。炭素繊維前駆体繊維の単繊維繊度は０．７〜１．３ｄｔｅｘであることが好ましい。単繊維繊度が０．７ｄｔｅｘ未満では、生産性が低下し、また、１．３ｄｔｅｘを超えると炭素繊維の引張強度と弾性率向上が低下することがある。
【００８１】
得られる炭素繊維前駆体繊維は、通常、連続繊維束（マルチフィラメント）の形状を呈している。また、その連続繊維束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１２，０００〜３，０００，０００本であり、より好ましくは２４，０００〜３，０００，０００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。
【００８２】
次に、本発明において、好ましい炭素繊維の製造方法について説明する。
【００８３】
前記した方法により製造された炭素繊維前駆体繊維を、好適には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、好適には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０．９〜１．２で延伸しながら予備炭化処理し、次いで好適には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。
【００８４】
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／ｃｍ３になるようにする。耐炎化が不十分で耐炎化繊維の密度が１．３ｇ／ｃｍ３に満たない場合には、炭化する際に単繊維間接着が発生し易くなり、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／ｃｍ３を超えないことが好ましい。
【００８５】
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。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。
【００８６】
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。
【００８７】
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る。すなわち電解処理により、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。
【００８８】
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。
【００８９】
本発明において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。
【実施例】
【００９０】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。実施例で用いた測定方法を、次に説明する。
【００９１】
＜各種分子量：Ｚ＋１平均分子量（ＭＺ＋１）、Ｚ平均分子量（Ｍｚ）、重量平均分子量（Ｍｗ）および数平均分子量（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。作製し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曲線から分子量分布曲線を求め、Ｚ＋１平均分子量ＭＺ＋１、Ｚ平均分子量Ｍｚ、重量平均分子量Ｍｗおよび数平均分子量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／分
・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。
【００９２】
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１８４０００、４２７０００、７９１０００、１３０００００、１８１００００、および４２１００００のものを、それぞれ用いた。
【００９３】
＜重合体溶液中の重合体濃度＞
紡糸に用いる重合体溶液を秤量し、攪拌した水の中に約１０ｇ投入する。投入する際は、重合体溶液の太さが直径約２ｍｍになるように投入の高さを調節する。重合体溶液を水に投入することにより生成したポリマーを網に入れ、８０〜９０℃の熱湯で４時間脱溶媒した後、１２０℃の温度で４時間乾燥させ、デシケーターで３０分以上冷却した。冷却したポリマーの重量と投入した重合体溶液の重量を用いて、重合体濃度を求めた。
・重合体濃度（％）＝１００×（乾燥ポリマーの重量）／（投入した重合体溶液の重量）
＜凝固価＞
紡糸に用いる溶媒５０ｃｃに対して、紡糸に用いる重合体を１重量％溶解した溶液を２５℃の温度に調温する。凝固促進成分を攪拌されたその溶液に徐々に滴下し、温度が２５℃に安定し、十分攪拌されたことを確認してから滴下を続ける。沈殿生成を開始して溶液が透明から白濁に変化することを目視で確認し、滴下した凝固促進成分量を測定した。設定する凝固浴の凝固促進成分濃度（％）から、次式で凝固価（ｇ）を求めた。
・凝固価（ｇ）＝滴下した凝固促進成分量（ｇ）／凝固促進成分濃度×１００
測定は３回行い、その平均値を採用した。
【００９４】
＜凝固糸の透明度＞
凝固糸の透明度は目視によって確認し、濁度が１ＮＴＵであるホルマジン標準液の透明度に近いものを１、濁度が２０ＮＴＵであるホルマジン標準液の透明度に近いものを２、濁度が２００ＮＴＵであるホルマジン標準液の透明度に近いものを３とする３段階評価を行った。また、大きなボイドが少ないほど透明度が高くなることから、大きなボイドの数を知るための指標として使用した。
【００９５】
＜炭素繊維束の引張強度＞
引張強度は、ＪＩＳ  Ｒ７６０８（２００７年）「樹脂含浸ストランド試験法」に従って求める。測定する炭素繊維の樹脂含浸ストランドは、３、４−エポキシシクロヘキシルメチル−３、４−エポキシシクロヘキシル−カルボキシレート（１００重量部）／３フッ化ホウ素モノエチルアミン（３重量部）／アセトン（４重量部）を、炭素繊維または黒鉛化繊維に含浸させ、１３０℃の温度で３０分硬化させて作製する。また、炭素繊維のストランドの測定本数は６本とし、各測定結果の平均値を引張強度とする。本発明の実施例では、３、４−エポキシシクロヘキシルメチル−３、４−エポキシシクロヘキシルカルボキシレートとして、ユニオンカーバイド（株）製“ベークライト”（登録商標）ＥＲＬ４２２１を用いた。
【００９６】
［比較例１］
ＡＮ９５重量部、イタコン酸１重量部、メチルアクリレート６重量部、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（以下、ＡＩＢＮと略記することもある。）０．０１重量部、部分鹸化ポリビニルアルコール（重合度１０００）１．５重量部、および水２９０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窒素置換した後、下記の条件（重合条件Ａと呼ぶ。）の熱処理を撹拌しながら行い、水系懸濁重合法により重合してＰＡＮ系重合体を得た。
【００９７】
［重合条件Ａ］
（１）３０℃から７０℃へ昇温（昇温速度１２０℃／時間）
（２）７０℃の温度で２時間保持
得られたＰＡＮ系重合体粉末を水で十分に洗浄し、乾燥して乾燥ポリマーＡを得た。得られた乾燥ポリマーＡのＭｚ、ＭｗおよびＭｎは、それぞれ５８０万、３４０万および１４０万であった。
【００９８】
また、ＡＮ９５重量部、イタコン酸１重量部、およびメチルアクリレート４重量部の共重合組成で、レドックス系ラジカル開始剤と連鎖移動剤を用いて水系懸濁重合を行い、水洗、乾燥して乾燥ポリマーＢを得た。得られた乾燥ポリマーＢのＭｚ、ＭｗおよびＭｎは、それぞれ６２万、３５万および１４万であった。
【００９９】
乾燥ポリマーＡ２重量部を攪拌しているジメチルアセトアミド４００重量部に徐々に投入し、スラリー状とした後、２５℃から８０℃の温度に昇温し、溶解するまで攪拌した。再度２５℃の温度に降温し、乾燥ポリマーＢ９８重量部を攪拌しているポリマーＡ溶液に投入し、スラリー状とした後、８０℃の温度に昇温し、溶解するまで攪拌し、紡糸溶液を作製した。
【０１００】
得られた紡糸溶液を、４０℃の温度で、孔数１２、紡糸口金孔径０．２ｍｍの紡糸口金から２５℃の温度にコントロールした５５重量％ジメチルアセトアミドの水溶液からなる凝固浴に導入する湿式紡糸法により紡糸し凝固糸とした。このときの吐出線速度は８ｍ／分となるように紡糸口金への送液量を調整し、凝固糸の巻取り速度を変更することにより、糸切れの発生する可紡性の測定を行った。可紡性が高かった一方で、凝固糸の透明度は３であった。凝固価試験結果を、まとめて表１に示す。
【０１０１】
［実施例１］
凝固浴濃度を６０重量％に変更して凝固価を高めたこと以外は、比較例１と同様にして可紡性評価を行った。比較例１と比べて可紡性はわずかに低下したが、凝固糸の透明度は２であり、より大きなボイドの少ない緻密な凝固状態となっていた。
【０１０２】
［実施例２］
凝固浴濃度を６４重量％に変更して凝固価を高めたこと以外は、比較例１と同様にして可紡性評価を行った。実施例１と比べて可紡性はわずかに低下したが、凝固糸の透明度は２であり、より大きなボイドの少ない緻密な凝固状態となっていた。
【０１０３】
［実施例３］
凝固浴濃度を７２重量％に変更して凝固価を高めたこと以外は、比較例１と同様にして可紡性評価を行った。実施例２と同等の可紡性を有していたが、凝固糸の透明度は１であり、より大きなボイドの少ない緻密な凝固状態となっていた。
【０１０４】
［比較例２］
凝固浴濃度を８２重量％に変更して凝固価を高めたこと以外は、比較例１と同様にして可紡性評価を行った。可紡性が高く、凝固糸の透明度も１であったものの、水洗工程で融着が起こり、水洗後の糸を引っ張った際には他の凝固糸に比べて非常に破断しやすく、炭素繊維前駆体繊維として利用することは困難であった。
【０１０５】
［比較例３］
乾燥ポリマーＢ１００重量部を攪拌しているジメチルアセトアミド４００重量部に投入し、スラリー状とした後、２５℃から８０℃の温度に昇温し、溶解するまで攪拌し、紡糸溶液を作製した。紡糸溶液を変更した他は、比較例１と同様にして可紡性評価を行った。可紡性は比較例１に比べて低く、特定の分子量分布にすることによる可紡性の向上が確認された。
【０１０６】
［比較例４］
凝固浴濃度を６０重量％に変更して凝固価を高めたこと以外は、比較例３と同様にして可紡性評価を行った。可紡性は実施例１に比べて低く、特定の分子量分布にすることによる可紡性の向上が確認された。
【０１０７】
［比較例５］
凝固浴濃度を６４重量％に変更して凝固価を高めたこと以外は、比較例３と同様にして可紡性評価を行った。可紡性は実施例２に比べて低く、特定の分子量分布にすることによる可紡性の向上が確認された。
【０１０８】
［比較例６］
凝固浴濃度を７２重量％に変更して凝固価を高めたこと以外は、比較例３と同様にして可紡性評価を行った。可紡性は実施例３に比べて低く、特定の分子量分布にすることによる可紡性の向上が確認された。
【０１０９】
［比較例７］
凝固浴濃度を８２重量％に変更して凝固価を高めたこと以外は、比較例３と同様にして可紡性評価を行った。可紡性が高く、凝固糸の透明度も１であったものの、水洗工程で融着が起こり、水洗後の糸を引っ張った際には他の凝固糸に比べて非常に破断しやすく、炭素繊維前駆体繊維として利用することは困難であった。
【０１１０】
［実施例４］
溶媒をジメチルアセトアミドからジメチルスルホキシドに変更し、凝固浴条件を表１に示すように変更したこと以外は、比較例１と同様にして可紡性評価を行った。なお、凝固浴液に用いる溶媒もジメチルスルホキシドに変更した。可紡性は、実施例２と同等であり、凝固糸の透明度も同じく２であった。
【０１１１】
［実施例５］
凝固浴濃度を７９重量％に変更して凝固価を高めたこと以外は、実施例４と同様にして可紡性評価を行った。可紡性は実施例４とほぼ同程度であり、凝固糸の透明度は１であった。
【０１１２】
［比較例８］
溶媒をジメチルアセトアミドからジメチルスルホキシドに変更したこと以外は、比較例３と同様にして紡糸溶液を作製し、実施例４と同様に可紡性評価を行った。紡糸溶液の溶媒がジメチルスルホキシドにおいても重合体の特定の分子量分布にすることにより可紡性が向上することがわかった。ただし、その可紡性向上効果は、ジメチルアセトアミドの場合に比べて若干劣っていた。
【０１１３】
［実施例６］
溶媒をジメチルアセトアミドから塩化亜鉛水溶液に変更し、重合体濃度を１０重量％に変更し、凝固浴条件を表１に示すように変更したこと以外は、比較例１と同様にして可紡性評価を行った。なお、凝固浴液に用いる溶媒も塩化亜鉛水溶液に変更した。可紡性は、ジメチルスルホキシドを使用した実施例２やジメチルアセトアミドを使用した実施例４に比べて低かったが、透明度は１であり、大きなボイドの少ない緻密な凝固状態となっていた。
【０１１４】
［実施例７］
ポリマーＡの重合において、ＡＩＢＮを０．００２５重量部として水系懸濁重合を行い、乾燥ポリマーＣを得た。得られた乾燥ポリマーCのＭｚ、ＭｗおよびＭｎは、それぞれ７７０万、５７０万および３６０万であった。乾燥ポリマーＣと乾燥ポリマーＢの混合割合を３：９７にして、乾燥ポリマーＡの代わりに乾燥ポリマーＣを用いたこと以外は、実施例３と同様にして可紡性評価を行った。可紡性は実施例３と同等であり、凝固糸の透明度も同じく１であった。
【０１１５】
［比較例９］
乾燥ポリマーＣと乾燥ポリマーＢの混合割合（重量部）を５：９５にしたこと以外は、実施例６と同様にして紡糸溶液を作製し、可紡性評価を行った。可紡性は実施例６に比べて低く、特定の分子量分布にすることによる可紡性の向上が確認された。
【０１１６】
［実施例８］
ポリマーＡの重合において、ＡＩＢＮを０．０２５重量部として水系懸濁重合を行い、乾燥ポリマーＤを得た。得られた乾燥ポリマーＤのＭｚ、ＭｗおよびＭｎは、それぞれ３５０万、２５０万および１７０万であった。また、ＡＮ９６重量部、メタクリル酸１重量部、アクリルアミド３重量部の共重合組成で、レドックス系ラジカル開始剤と連鎖移動剤を用いて水系懸濁重合を行い、水洗、乾燥して乾燥ポリマーＥを得た。得られた乾燥ポリマーＥのＭｚ、ＭｗおよびＭｎは、それぞれ１８万、１０万および４万であった。乾燥ポリマーＤと乾燥ポリマーＥの混合割合（重量部）を０．３：９９．７にし、重合体濃度を３０重量％にした紡糸溶液を用いたこと以外は、実施例４と同様にして可紡性評価を行った。可紡性は実施例３と同等であり、凝固糸の透明度は２であった。
【０１１７】
［実施例９］
ポリマーBの重合において、ＡＮを９７重量部、イタコン酸を１重量部、メチルアクリレートを２重量部として水系懸濁重合を行い、乾燥ポリマーFを得た。得られた乾燥ポリマーFのＭｚ、ＭｗおよびＭｎは、それぞれ５８０万、３４０万および１４０万であった。乾燥ポリマーBの代わりに乾燥ポリマーFを用いたこと以外は、実施例２と同様にして可紡性評価を行った。可紡性は実施例２に比べてわずかに向上しており、凝固糸の透明度は同じく２であった。
【０１１８】
［比較例１０］
ポリマーBの重合において、ＡＮを９９重量部、イタコン酸を１重量部として水系懸濁重合を行い、乾燥ポリマーGを得た。得られた乾燥ポリマーGのＭｚ、ＭｗおよびＭｎは、それぞれ６２万、３５万および１４万であった。乾燥ポリマーBの代わりに乾燥ポリマーGを用いたこと以外は、実施例２と同様にして可紡性評価を行った。可紡性は実施例２に比べてわずかに向上していたが、凝固糸の透明度が３となり、やや大きなボイドの多い緻密度の低い凝固状態となっていた。
【０１１９】
［比較例１１］
ポリマーBの重合において、ＡＮを１００重量部として水系懸濁重合を行い、乾燥ポリマーHを得た。得られた乾燥ポリマーHのＭｚ、ＭｗおよびＭｎは、それぞれ６２万、３５万および１４万であった。乾燥ポリマーBの代わりに乾燥ポリマーHを用いたこと以外は、実施例３と同様にして可紡性評価を行った。可紡性は実施例２に比べてわずかに向上していたが、凝固糸の透明度が３となり、やや大きなボイドの多い緻密度の低い凝固状態となっていた。
【０１２０】
［実施例１０］
ポリマーBの重合において、ＡＮを９６重量部、メタクリル酸を１重量部、アクリルアミドを３重量部として水系懸濁重合を行い、乾燥ポリマーIを得た。得られた乾燥ポリマーIのＭｚ、ＭｗおよびＭｎは、それぞれ６２万、３５万および１４万であった。乾燥ポリマーBの代わりに乾燥ポリマーIを用いたこと以外は、実施例３と同様にして可紡性評価を行った。可紡性は実施例３と同等であり、凝固糸の透明度も同じく１であった。
【０１２１】
［実施例１１］
実施例１で用いた紡糸溶液、孔数３０００個、孔径０．０８ｍｍの紡糸口金を用い、吐出線速度３０ｍ／分、紡糸ドラフト率１、凝固浴濃度６０重量％の条件（凝固価は１８ｇ）で凝固糸を得、水洗した後、７０℃の温度の温水中で５倍の浴中延伸倍率で延伸し、さらにアミノ変性シリコーン系シリコーン油剤を付与し、１３０℃の温度のホットドラムを用いて乾燥し、その後１６５℃の温度の加熱炉を用いて非接触で乾燥しながら２倍の倍率で延伸を行い、単繊維繊度１．０ｄｔｅｘの炭素繊維前駆体繊維を得た。得られた炭素繊維前駆体繊維の品位は優れており、製糸工程通過性も安定していた。
【０１２２】
得られた炭素繊維前駆体繊維を２４０〜２６０℃の温度の温度分布を有する空気中において延伸比１．１で延伸しながら４０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１．１で延伸しながら予備炭化処理を行い、さらに最高温度１３００℃の窒素雰囲気中において、延伸比を０．９７に設定して炭化処理を行い、連続した炭素繊維束を得た。このときの焼成工程通過性はいずれも良好であった。得られた炭素繊維束のストランド物性を測定したところ、強度は５．２ＧＰａであった。
【０１２３】
［比較例１２］
凝固浴濃度を５５重量％（凝固価は１８ｇ）に変更したこと以外は、実施例１１と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維束のストランド物性を測定したところ、強度は４．５ＧＰａであった。
【０１２４】
［実施例１２］
実施例４で用いた紡糸溶液と凝固浴条件（凝固価は１６ｇ）を使用したこと以外は、実施例１１と同様にして炭素繊維を得た。得られた炭素繊維束のストランド物性を測定したところ、強度は５．０ＧＰａであった。
【０１２５】
【表１】
2010229577.tif 000002
【０１２６】
（表１中、ＤＭＳＯはジメチルスルホキシド、ＤＭＡｃはジメチルアセトアミド、ＺｎＣｌ２は塩化亜鉛６０重量％水溶液、ＮａＳＣＮはチオシアン酸ナトリウム５４重量％水溶液、ＩＡはイタコン酸、ＭＥＡはメチルアクリレート、ＭＡはメタクリル酸、ＡｃＡｍはアクリルアミドをそれぞれ表す。）