(57)【要約】【課題】焼成工程後の炭素化収率が高い炭素繊維前駆体アクリル繊維と、高品質な炭素繊維束を高い炭素化収率で生産性よく製造する方法の提供。【解決手段】下記一般式（１）で表される構造単位（Ａ）を０．５〜３０質量％、および下記一般式（２）で表される構造単位（Ｂ）を７０〜９９．５質量％含有する炭素繊維前駆体アクリル繊維を用いる。［化１］2018168480.tif 000009【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記一般式（１）で表される構造単位（Ａ）を０．５〜３０質量％、および下記一般式（２）で表される構造単位（Ｂ）を７０〜９９．５質量％含有する、炭素繊維前駆体アクリル繊維。
【化１】
2018168480.tif 000007
（式（１）中、Ｒ１、Ｒ２およびＲ３はそれぞれ独立して、水素原子、ヒドロキシ基、アミノ基、スルフヒドリル基、ニトリル基、ニトロ基、ホスホノ基、スルホン基、ハロゲン原子、炭素数１〜１２のアルキル基、炭素数６〜１２のアリール基、炭素数１〜１２のアルキルオキシ基、炭素数６〜１２のアリールオキシ基、炭素数１〜１２のアルキルチオ基、炭素数６〜１２のアリールチオ基または炭素数１〜１３のアシル基であり、Ｒ４は炭素数１〜１２のアルキレン基または炭素数６〜１２のアリーレン基である。）
【化２】
2018168480.tif 000008
（式（２）中、Ｒ５およびＲ６はそれぞれ独立して、水素原子、ヒドロキシ基、アミノ基、スルフヒドリル基、ニトリル基、ニトロ基、ホスホノ基、スルホン基、ハロゲン原子、炭素数１〜１２のアルキル基、炭素数６〜１２のアリール基、炭素数１〜１２のアルキルオキシ基、炭素数６〜１２のアリールオキシ基、炭素数１〜１２のアルキルチオ基、炭素数６〜１２のアリールチオ基または炭素数１〜１３のアシル基である。）
【請求項２】
請求項１に記載の炭素繊維前駆体アクリル繊維で構成される繊維束を酸化性雰囲気中、９０分以下の時間、２２０〜３００℃で加熱した後、不活性ガス雰囲気中、８００〜２０００℃で加熱する、炭素繊維束の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維前駆体アクリル繊維および炭素繊維束の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は優れた機械的強度を有するため、自動車用部材、航空宇宙素材、スポーツ・レジャー用素材、圧力容器等の工業用素材などとして極めて有用であり、需要が拡大している。また、今後はさらに幅広い分野で利用されることが期待されている。
【０００３】
従来、炭素繊維は、アクリロニトリル系重合体などからなる炭素繊維前駆体アクリル繊維を束ねた前駆体繊維束を用い、次のような工程を経て得られる。まず、耐炎化工程により数十〜数百錘の前駆体繊維束を２００〜３００℃の酸化性雰囲気中で耐炎化熱処理し、得られた耐炎化繊維束を、炭素化工程において３００℃以上の不活性雰囲気中で焼成し、炭素繊維束を得る（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０１５２１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、耐炎化工程および炭素化工程（以下、これらの工程を合わせて「焼成工程」ともいう。）で起こる化学反応により、炭素原子を含んだ分解物がガスとして放出されて炭素化収率が低くなり、生産性が悪くなるなどの問題があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、焼成工程後の炭素化収率が高い炭素繊維前駆体アクリル繊維を提供することを目的とする。また、本発明は、高品質な炭素繊維束を高い炭素化収率で生産性よく製造する方法を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下の態様を有する。
［１］  下記一般式（１）で表される構造単位（Ａ）を０．５〜３０質量％、および下記一般式（２）で表される構造単位（Ｂ）を７０〜９９．５質量％含有する、炭素繊維前駆体アクリル繊維。
【０００８】
【化１】
2018168480.tif 000002
【０００９】
式（１）中、Ｒ１、Ｒ２およびＲ３はそれぞれ独立して、水素原子、ヒドロキシ基、アミノ基、スルフヒドリル基、ニトリル基、ニトロ基、ホスホノ基、スルホン基、ハロゲン原子、炭素数１〜１２のアルキル基、炭素数６〜１２のアリール基、炭素数１〜１２のアルキルオキシ基、炭素数６〜１２のアリールオキシ基、炭素数１〜１２のアルキルチオ基、炭素数６〜１２のアリールチオ基または炭素数１〜１３のアシル基であり、Ｒ４は炭素数１〜１２のアルキレン基または炭素数６〜１２のアリーレン基である。
【００１０】
【化２】
2018168480.tif 000003
【００１１】
式（２）中、Ｒ５およびＲ６はそれぞれ独立して、水素原子、ヒドロキシ基、アミノ基、スルフヒドリル基、ニトリル基、ニトロ基、ホスホノ基、スルホン基、ハロゲン原子、炭素数１〜１２のアルキル基、炭素数６〜１２のアリール基、炭素数１〜１２のアルキルオキシ基、炭素数６〜１２のアリールオキシ基、炭素数１〜１２のアルキルチオ基、炭素数６〜１２のアリールチオ基または炭素数１〜１３のアシル基である。
【００１２】
［２］  ［１］に記載の炭素繊維前駆体アクリル繊維で構成される繊維束を酸化性雰囲気中、９０分以下の時間、２２０〜３００℃で加熱した後、不活性ガス雰囲気中、８００〜２０００℃で加熱する、炭素繊維束の製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、焼成工程後の炭素化収率が高い炭素繊維前駆体アクリル繊維を提供できる。
また、本発明によれば、高品質な炭素繊維束を高い炭素化収率で生産性よく製造する方法を提供できる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の炭素繊維前駆体アクリル繊維の一実施形態について説明する。
なお、本明細書において「（メタ）アクリル」とは、アクリルとメタクリルの総称であり、「（メタ）アクリレート」とは、アクリレートとメタクリレートの総称であり、「（メタ）アリル」は、アリルとメタリルの総称である。
【００１５】
「炭素繊維前駆体アクリル繊維」
本実施形態の炭素繊維前駆体アクリル繊維は、以下に示すアクリロニトリル系共重合体組成物（以下、「共重合体組成物（Ｘ）」ともいう。）からなる。
【００１６】
＜共重合体組成物（Ｘ）＞
共重合体組成物（Ｘ）は、以下に示す構造単位（Ａ）および構造単位（Ｂ）を含有する。共重合体組成物（Ｘ）は、以下に示す構造単位（Ｃ）をさらに含有していてもよい。
【００１７】
（構造単位（Ａ））
構造単位（Ａ）は下記一般式（１）で表される構造単位である。
【００１８】
【化３】
2018168480.tif 000004
【００１９】
式（１）中、Ｒ１、Ｒ２およびＲ３はそれぞれ独立して、水素原子、ヒドロキシ基、アミノ基、スルフヒドリル基、ニトリル基、ニトロ基、ホスホノ基、スルホン基、ハロゲン原子、炭素数１〜１２のアルキル基、炭素数６〜１２のアリール基、炭素数１〜１２のアルキルオキシ基、炭素数６〜１２のアリールオキシ基、炭素数１〜１２のアルキルチオ基、炭素数６〜１２のアリールチオ基または炭素数１〜１３のアシル基であり、Ｒ４は炭素数１〜１２のアルキレン基または炭素数６〜１２のアリーレン基である。
【００２０】
Ｒ１〜Ｒ３においてハロゲン原子としては、例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などが挙げられる。
アルキル基、アリール基、アルキルオキシ基（アルコキシ基）、アリールオキシ基、アルキルチオ基、アリールチオ基は、それぞれ直鎖状でも分岐鎖状でもよく、また、置換基（例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などのハロゲン原子、ヒドロキシ基、アミノ基、スルフヒドリル基、ニトリル基、ニトロ基等）を有していてもよい。
アルキル基としては、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、へキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基などが挙げられる。
アリール基としては、例えばフェニル基、ベンジル基、ナフチル基などが挙げられる。
アルキルオキシ基としては、例えばメトキシ基、エトキシ基、プロトキシ基、ブトキシ基などが挙げられる。
アリールオキシ基としては、例えばフェノキシ基、ベンジルオキシ基、ナフチルオキシ基などが挙げられる。
アルキルチオ基としては、例えばメチルチオ基、エチルチオ基、プロピルチオ基などが挙げられる。
アリールチオ基としては、例えばフェニルチオ基、ベンジルチオ基、ナフチルチオ基などが挙げられる。
【００２１】
アシル基はＲ７−ＣＯ−で表される。Ｒ７はフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などのハロゲン原子、ヒドロキシ基、炭化水素基である。炭化水素基としては、炭素数１〜１２のアルキル基、炭素数６〜１２のアリール基などが挙げられる。炭化水素基は、直鎖状でも分岐鎖状でもよく、また、置換基（例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などのハロゲン原子、ヒドロキシ基、アミノ基、スルフヒドリル基、ニトリル基、ニトロ基等）を有していてもよい。
アシル基としては、例えばアセチル基、プロピオニル基、ベンゾイル基などが挙げられる。
【００２２】
Ｒ１およびＲ２は、重合率の観点から、水素原子であることが好ましい。
Ｒ３は、共重合体組成物（Ｘ）を紡糸して得られる炭素繊維前駆体アクリル繊維の結晶性を維持する点で、水素原子やメチル基など、立体障害の少ない置換基が好ましい。
【００２３】
Ｒ４において、炭素数１〜１２のアルキレン基、炭素数６〜１２のアリーレン基は、それぞれ直鎖状でも分岐鎖状でもよく、また、置換基（例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などのハロゲン原子、ヒドロキシ基、アミノ基、スルフヒドリル基、ニトリル基、ニトロ基等）を有していてもよい。
アルキレン基としては、例えばメチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、へキシレン基、ヘプチレン基、オクチレン基、ノニレン基、デシレン基などが挙げられる。
アリーレン基としては、例えばフェニレン基、ナフチレン基などが挙げられる。
Ｒ４は、エチレン基が好ましい。
【００２４】
構造単位（Ａ）の由来源となる単量体（以下、「単量体（ａ）」ともいう。）としては、例えばＮ−（シアノメチル）アクリルアミド、Ｎ−（シアノエチル）アクリルアミド、Ｎ−（シアノプロピル）アクリルアミド、Ｎ−（シアノブチル）アクリルアミド、Ｎ−（４−シアノフェニル）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−（ジシアノメチル）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−（ジシアノエチル）アクリルアミド、Ｎ−（シアノメチル）メタクリルアミド、Ｎ−（シアノエチル）メタクリルアミド、Ｎ−（シアノプロピル）メタクリルアミドなどが挙げられる。これらの中でも、重合性の観点から、Ｎ−シアノエチルアクリルアミドが好ましい。
これら単量体（ａ）は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００２５】
共重合体組成物（Ｘ）を構成する全ての単位の合計を１００質量％としたときに、構造単位（Ａ）の割合は０．５〜３０質量％であり、２〜２５質量％であることが好ましく、３〜２０質量％であることがより好ましい。特に、共重合体組成物（Ｘ）が下記構造単位（Ｃ）を含有する場合、構造単位（Ａ）の割合は１〜２５質量％であることが好ましい。
構造単位（Ａ）の割合が０．５質量％以上であれば、焼成工程後の炭素化収率の高い炭素繊維前駆体アクリル繊維を得ることができる。一方、構造単位（Ａ）の割合が３０質量％以下であれば、後述する構造単位（Ｂ）の割合を十分に確保できるので、炭素繊維の力学物性を損なうことなく、品質の良い炭素繊維を得ることができる。
【００２６】
（構造単位（Ｂ））
構造単位（Ｂ）は下記一般式（２）で表される構造単位である。
【００２７】
【化４】
2018168480.tif 000005
【００２８】
式（２）中、Ｒ５およびＲ６はそれぞれ独立して、水素原子、ヒドロキシ基、アミノ基、スルフヒドリル基、ニトリル基、ニトロ基、ホスホノ基、スルホン基、ハロゲン原子、炭素数１〜１２のアルキル基、炭素数６〜１２のアリール基、炭素数１〜１２のアルキルオキシ基、炭素数６〜１２のアリールオキシ基、炭素数１〜１２のアルキルチオ基、炭素数６〜１２のアリールチオ基または炭素数１〜１３のアシル基である。
【００２９】
Ｒ５およびＲ６において、ハロゲン原子としては、例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子などが挙げられる。
アルキル基、アリール基、アルキルオキシ基（アルコキシ基）、アリールオキシ基、アルキルチオ基、アリールチオ基は、それぞれ直鎖状でも分岐鎖状でもよい。
Ｒ５〜Ｒ６におけるアルキル基、アリール基、アルキルオキシ基、アリールオキシ基、アルキルチオ基、アリールチオ基、アシル基としては、それぞれＲ１〜Ｒ３の説明において先に例示したものが挙げられる。
Ｒ５およびＲ６は、炭素繊維の力学物性を損なうことなく、品質の良い炭素繊維が得られる観点から、水素原子であることが好ましい。
【００３０】
構造単位（Ｂ）の由来源となる単量体（以下、「単量体（ｂ）」ともいう。）としては、例えば（メタ）アクリロニトリル、α−シアノアクリレート、ジシアノビニリデン、フマロニトリルエチルなどが挙げられる。これらの中でも、重合性と、炭素繊維にしたときの力学物性の観点から、（メタ）アクリロニトリルが好ましい。
これら単量体（ｂ）は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００３１】
共重合体組成物（Ｘ）を構成する全ての単位の合計を１００質量％としたときに、構造単位（Ｂ）の割合は７０〜９９．５質量％であり、７０〜９８．９質量％であることが好ましく、８０〜９７質量％であることがより好ましい。特に、共重合体組成物（Ｘ）が下記構造単位（Ｃ）を含有する場合、構造単位（Ｂ）の割合は８０〜９８．９質量％であることが好ましい。
構造単位（Ｂ）の割合が７０質量％以上であれば、炭素繊維の力学物性を損なうことなく、品質の良い炭素繊維を得ることができる。一方、構造単位（Ｂ）の割合が９９質量％以下であれば、構造単位（Ａ）の割合を十分に確保できるので、焼成工程後の炭素化収率の高い炭素繊維前駆体アクリル繊維を得ることができる。
【００３２】
（構造単位（Ｃ））
構造単位（Ｃ）はカルボキシ基を含むモノマー由来の構造単位である。
カルボキシ基を含むモノマー（以下、「単量体（ｃ）」ともいう。）としては、例えばメタクリル酸、アクリル酸、フマル酸、イタコン酸、マレイン酸、クロトン酸、ビニル安息香酸、マレイン酸モノブチルエステル、イタコン酸モノメチルエステル、イタコン酸ブチルエステルなどが挙げられる。これらの中でも、焼成時間を短縮する観点から、メタクリル酸が好ましい。
これら単量体（ｃ）は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００３３】
共重合体組成物（Ｘ）を構成する全ての単位の合計を１００質量％としたときに、構造単位（Ｃ）の割合は０．１〜５質量％であることが好ましく、０．５〜１．５質量％であることがより好ましい。
構造単位（Ｃ）の割合が０．１質量％以上であれば、耐炎化反応を促進し、焼成の生産性を向上することができる。一方、構造単位（Ｃ）の割合が５質量％以下であれば、炭素繊維の力学物性の低下を抑えることができる。
【００３４】
（任意単位）
共重合体組成物（Ｘ）は、必要に応じて構造単位（Ａ）、構造単位（Ｂ）および構造単位（Ｃ）以外の単位（以下、「任意単位」ともいう。）を含有してもよい。
任意単位の由来源となる単量体（以下、「任意単量体」ともいう。）としては、少なくとも単量体（ａ）および単量体（ｂ）と共重合可能であれば特に限定されないが、例えばメチル（メタ）アクリレート、プロピル（メタ）アクリレート、ブチル（メタ）アクリレート、ヘキシル（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリレート類；メチルビニルケトン、イソプロピルメチルケトン等のビニルケトン類；（メタ）アクリルアミド、Ｎ−メチル（メタ）アクリルアミド、Ｎ−イソプロピル（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチル（メタ）アクリルアミド等のアクリルアミド類；塩化ビニル、臭化ビニル、塩化ビニリデン等のハロゲン化ビニル単量体；スチレン、α−メチルスチレン等の芳香族ビニル単量体；マレイミド、フェニルマレイミド等のマレイミド類；（メタ）アリルスルホン酸、（メタ）アリルオキシベンゼンスルホン酸、スチレンスルホン酸等のスルホン酸基含有ビニル単量体およびその塩；リン酸基を含有ビニル単量体およびその塩；酢酸ビニル、Ｎ−ビニルピロリドンなどが挙げられる。
これら任意単量体は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００３５】
共重合体組成物（Ｘ）を構成する全ての単位の合計を１００質量％としたときに、任意単位の割合は２９．４質量％以下であることが好ましく、１０質量％以下であることがより好ましい。
【００３６】
（分子量）
共重合体組成物（Ｘ）の質量平均分子量は、２０００００〜８０００００であることが好ましい。共重合体組成物（Ｘ）の質量平均分子量が２０００００以上であれば、紡糸性が向上する。一方、共重合体組成物（Ｘ）の質量平均分子量が８０００００以下であれば、紡糸原液作製の際の溶解度の低下やゲル化を抑制することができる。
なお、共重合体組成物（Ｘ）の質量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）を用いて測定した分子量をポリスチレン換算した値である。
【００３７】
（製造方法）
共重合体組成物（Ｘ）は、例えば、単量体（ａ）、単量体（ｂ）、単量体（ｃ）及び任意単量体を溶液重合、懸濁重合、乳化重合など公知の重合方法により重合した共重合体（Ｚ）として得ることができる。重合により得られた共重合体（Ｚ）からは、未反応の単量体などの不純物を除く処理をすることが望ましい。
また、共重合体組成物（Ｘ）は、上記の重合によって得られた共重合体（Ｚ）と、以下に記載するアクリロニトリル系共重合体（Ｙ）とを混合することによっても得られる。
【００３８】
＜アクリロニトリル系共重合体（Ｙ）＞
アクリロニトリル系重合体（Ｙ）は、アクリロニトリルを主な単量体とし、これを重合して得られる重合体である。アクリロニトリル系重合体（Ｙ）は、アクリロニトリルのみから得られるホモポリマーであってもよいし、主成分であるアクリロニトリルおよびアクリロニトリルと共重合可能なビニル系単量体（ただし、単量体（ａ）を除く。）の共重合体であってもよい。
【００３９】
アクリロニトリル系重合体（Ｙ）を構成する全ての単位の合計を１００質量％としたときに、アクリロニトリル単位の割合は７０質量％以上が好ましく、ビニル系単量体単位の割合は３０質量％以下が好ましい。さらに好ましくは、アクリロニトリル単位の割合は９０〜９８質量％であり、ビニル系単量体単位の割合は２〜１０質量％である。
【００４０】
ビニル系単量体としては、アクリロニトリルと共重合可能であれば特に限定されないが、例えばメチル（メタ）アクリレート、エチル（メタ）アクリレート、プロピル（メタ）アクリレート、ブチル（メタ）アクリレート、ヘキシル（メタ）アクリレート、シクロヘキシル（メタ）アクリレート、ウラリル（メタ）アクリレート、２−エチルヘキシル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、ジエチルアミノエチル（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリレート類；（メタ）アクリル酸、イタコン酸、（メタ）アクリルアミド、Ｎ−メチロールアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、スチレン、ビニルトルエン、酢酸ビニル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、臭化ビニル、臭化ビニリデン、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン等の不飽和モノマー類；ｐ−スルホフェニルメタリルエーテル、（メタ）アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、およびこれらのアルカリ金属塩などが挙げられる。
これらビニル系単量体は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
【００４１】
アクリロニトリル系重合体（Ｙ）の質量平均分子量は、２０００００〜８０００００であることが好ましく、３０００００〜５０００００であることがより好ましい。アクリロニトリル系重合体（Ｙ）の質量平均分子量が２０００００以上であれば、紡糸性が向上する。一方、アクリロニトリル系重合体（Ｙ）の質量平均分子量が８０００００以下であれば、紡糸原液作製の際の溶解度の低下やゲル化を抑制することができる。
なお、アクリロニトリル系重合体（Ｙ）の質量平均分子量は、ＧＰＣを用いて測定した分子量をポリスチレン換算した値である。
【００４２】
アクリロニトリル系重合体（Ｙ）は、溶液重合、懸濁重合、乳化重合など公知の重合方法により得ることができる。重合により得られたアクリロニトリル系重合体（Ｙ）からは、未反応の単量体などの不純物を除く処理をすることが望ましい。
【００４３】
炭素繊維前駆体アクリル繊維がアクリロニトリル系重合体（Ｙ）を含む場合、共重合体（Ｚ）とアクリロニトリル系重合体（Ｙ）との質量比（共重合体（Ｚ）：アクリロニトリル系重合体（Ｙ））は、０．５：９９．５〜７０：３０であることが好ましい。共重合体（Ｚ）の割合が０．５％以上だと炭素化収率の向上効果を得ることができる。一方、共重合体（Ｙ）の割合が３０％以上だと、良好に紡糸することができる。
【００４４】
＜添加剤＞
炭素繊維前駆体アクリル繊維は、添加剤を含んでいてもよい。
添加剤としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン等の炭素材料；コロイダルシリカ、ガラス繊維等のガラス材料などが挙げられる。
炭素繊維前駆体アクリル繊維の総質量に対して、添加剤の割合は３０質量％以下であることが好ましい。
【００４５】
＜製造方法＞
炭素繊維前駆体アクリル繊維は、上述した共重合体組成物（Ｘ）を含む紡糸原液を公知の方法で紡糸して得られる。
紡糸原液は、必要に応じて上述した添加剤を含んでいてもよい。
【００４６】
紡糸原液に用いられる溶剤としては特に限定されないが、例えばジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド等の有機溶剤；塩化亜鉛、チオシアン酸ナトリウム等の無機化合物の水溶液などが挙げられる。紡糸して得られる繊維中に金属が混入されにくく、また、工程が簡略化される点で、有機溶剤が好ましく、その中でも凝固糸および湿熱延伸糸の緻密性が高いという点で、ジメチルアセトアミドが特に好ましい。
【００４７】
紡糸原液は、緻密な凝固糸を得るため、また、適正な粘度や流動性を発現させために、ある程度以上の共重合体濃度を有することが好ましい。具体的には、紡糸原液中の共重合体組成物（Ｘ）濃度の合計は、１５〜３０質量％であることが好ましく、１８〜２５質量％であることがより好ましい。
【００４８】
紡糸原液を紡糸する方法としては特に限定されないが、湿式紡糸法、乾湿式紡糸法、乾式紡糸法などを適用することができる。
そして、湿式紡糸法、乾湿式紡糸法、乾式紡糸法などで得られた凝固糸を必要に応じて従来公知の水洗、浴延伸、油剤付与、乾燥緻密化、延伸などを施すことにより、所定の繊度を有する炭素繊維前駆体アクリル繊維とする。
【００４９】
油剤としては、従来公知のシリコーン系油剤や、ケイ素を含まない有機化合物からなる油剤などが挙げられるが、これら以外にも後述する耐炎化工程や炭素化工程での単繊維間の接着を防止できるものであれば、油剤として好適に使用できる。
油剤を付与された繊維は、加熱により乾燥緻密化するのが好ましい。乾燥処理は５０〜２００℃に加熱されたロールに接触させて行うのが効率的である。
また、乾燥された繊維は、引き続き延伸を施すのが好ましい。延伸する方法としては特に限定されないが、乾熱延伸法、熱板延伸法、スチーム延伸法などを適用することができる。
【００５０】
炭素繊維前駆体アクリル繊維は通常、引き揃った単繊維の集合体である繊維束（以下、「前駆体繊維束」ともいう。）として製造され取り扱われる。一つの繊維束に含まれる単繊維数は２００〜３０００００本が好ましく、３００〜２０００００本がより好ましく、４００〜１０００００本がさらに好ましい。単繊維数が上記範囲内であれば、耐炎化工程および炭素化工程での前駆体繊維束の取り扱いが容易であるとともに、得られる炭素繊維束を複合材料に成形する際の取り扱いも容易である。
【００５１】
前駆体繊維束の繊維密度は、１．１７〜１．２１ｇ／ｃｍ３であることが好ましく、１．１８〜１．２０ｇ／ｃｍ３であることがより好ましい。前駆体繊維束の繊維密度が上記範囲内であれば、後述する耐炎化工程および炭素化工程を経て得られる炭素繊維束の残存量が多くなるため、経済性の面でも有利である。
なお、前駆体繊維束の繊維密度は、ＪＩＳ Ｋ  ７１１２に基づく密度勾配管法により測定される値である。
【００５２】
＜作用効果＞
以上説明した本実施形態の炭素繊維前駆体アクリル繊維は、上述した構造単位（Ａ）を特定量含有する共重合体組成物（Ｘ）からなるので、焼成工程後の炭素化収率の高い。よって、本発明の炭素繊維前駆体アクリル繊維は、炭素化収率の高い炭素繊維束の生産に適している。
【００５３】
「炭素繊維束」
炭素繊維束は、本発明の炭素繊維前駆体アクリル繊維で構成される繊維束（前駆体繊維束）を耐炎化処理した後、炭素化処理することで得られる。
以下、炭素繊維束の製造方法の一例について説明する。
【００５４】
＜製造方法＞
本実施形態の炭素繊維束の製造方法は、以下に示す耐炎化工程と炭素化工程とを有する。なお、耐炎化工程と炭素化工程とを総称して「焼成工程」ともいう。
【００５５】
（耐炎化工程）
耐炎化工程は、前駆体繊維束を酸化性雰囲気中、９０分以下の時間、２２０〜３００℃で加熱して（耐炎化処理）、耐炎化繊維束を得る工程である。
ここで、「酸化性雰囲気」とは、空気雰囲気、もしくは、酸素、二酸化窒素、二酸化硫黄などの公知の酸化性物質を含む雰囲気のことである。これらの中でも、経済性の面から、酸化性雰囲気としては空気雰囲気が好ましい。
なお、「酸化性物質」とは、酸素を与えることにより物の燃焼を引き起こす物質や、物の燃焼を助長しうる物質を意味する。
【００５６】
耐炎化処理の方法としては特に限定されず、例えば従来公知の耐炎化炉（熱風循環炉）を用いる方法や加熱固体表面に接触させる方法を採用できる。
耐炎化炉を用いる方法では、通常、耐炎化炉に入った前駆体繊維束を一旦耐炎化炉の外部に出した後、耐炎化炉の外部に配設された折り返しロールによって折り返して耐炎化炉に繰り返し通過させる方法が採られる。
加熱固体表面に接触させる方法では、前駆体繊維束を間欠的に加熱固体表面に接触させる方法が採られる。
【００５７】
耐炎化処理の温度（耐炎化処理温度）は２２０〜３００℃であることが好ましい。耐炎化処理温度が２２０℃以上であれば、耐炎化反応の暴走を抑制でき、効率的に耐炎化処理を行うことができる。一方、耐炎化処理温度が３００℃以下であれば、炭素繊維前駆体アクリル繊維のポリアクリロニトリル骨格を熱分解させることなく耐炎化処理することが容易に可能である。
【００５８】
耐炎化処理を行う時間（耐炎化処理時間）は、９０分以下であることが好ましく、７０分以下であることがより好ましい。耐炎化処理時間が９０分以下であれば、耐炎化処理工程が生産性を損なう原因となることを容易に防ぐことができ、効率よく炭素繊維束を製造することが可能である。耐炎化処理時間の下限については特に制限されないが、１０分以上であることが好ましく、２０分以上であることがより好ましい。耐炎化処理時間が１０分以上であれば、前駆体繊維束を構成する単繊維内部への充分な酸素の拡散を容易に行うことができる。
【００５９】
耐炎化工程では、得られる耐炎化繊維束の繊維密度が１．３〜１．４３ｇ／ｃｍ３になるまで加熱して耐炎化処理することが好ましく、より好ましくは１．３３〜１．３８ｇ／ｃｍ３である。耐炎化繊維束の繊維密度が１．３０ｇ／ｃｍ３以上であれば、炭素化工程中での熱融着が起こりにくく、炭素繊維束を容易に製造することが可能である。一方、耐炎化繊維束の繊維密度が１．４３ｇ／ｃｍ３以下であれば、炭素繊維束の性能低下を抑制できる。
なお、耐炎化繊維束の繊維密度は、ＪＩＳ Ｋ  ７１１２に基づく密度勾配管法により測定される値である。
【００６０】
（炭素化工程）
炭素化工程は、耐炎化工程により得られた耐炎化繊維束を不活性ガス雰囲気中、８００〜２０００℃で加熱して（炭素化処理）、炭素繊維束を得る工程である。
ここで、「不活性ガス雰囲気」とは、酸素、二酸化窒素、二酸化硫黄などの公知の酸化性物質を実質的に含まない雰囲気のことである。「実質的に」とは、不活性ガス雰囲気を形成するガスの全体体積に対して、酸化性物質の体積濃度が１．０体積％以下であることを意味する。
なお、「不活性ガス」とは、他の物質と反応を起こしにくく、化学的に安定したガスを意味し、例えば窒素、アルゴン、ヘリウムなどが挙げられる。
【００６１】
炭素化処理の方法としては、例えば炭素化炉に不活性ガスを導入した状態で、耐炎化繊維束を導入して保持した後に取り出すことで、耐炎化繊維束を加熱して炭素化処理する。
【００６２】
炭素化処理の温度（炭素化処理温度）は８００〜２０００℃であることが好ましい。炭素化処理温度が８００℃以上であれば、短時間で炭素化処理できる。一方、炭素化処理温度が２０００℃以下であれば、炭素化処理による力学物性の低下を抑えられる。
炭素化処理温度は一定でもよいし、炭素化処理中に昇温させてもよい。昇温させる場合、例えば炭素化炉内に複数の加熱ゾーンを設置し、上流側の加熱ゾーンから下流側の加熱ゾーンに向かって温度が高くなるように各加熱ゾーンの温度を設定して、上流側の加熱ゾーンから下流側の加熱ゾーンに向かって順次通過させて処理することで実現できる。
【００６３】
炭素化処理を行う時間（炭素化処理時間）は特に制限されないが、１〜６０分であることが好ましく、１０〜４０分であることがより好ましい。炭素化処理時間が１分以上あれば、炭素化収率がより高くなる傾向にある。一方、炭素化処理時間が６０分以下あれば、得られる炭素繊維束の機械特性が向上する傾向にある。また、生産性を良好に維持できる。
【００６４】
なお、耐炎化工程と炭素化工程との間に、耐炎化繊維束に対して、不活性ガス中、最高温度が炭素化処理温度より低い温度（例えば、５５０℃以上８００℃未満）で加熱する前炭素化処理を行ってもよい（前炭素化工程）。
なお、前炭素化工程を行う場合、「焼成」には、耐炎化工程と前炭素化工程と炭素化工程とを含む。
【００６５】
＜その他の工程＞
炭素化工程により得られた炭素繊維束は、そのまま炭素繊維束として用いることができるが、必要に応じて公知の方法により黒鉛化したものを炭素繊維束として用いてもよい。例えば炭素繊維束を不活性雰囲気中、最高温度が２０００℃を超えて３０００℃以下で加熱することにより黒鉛化された炭素繊維束が得られる。
【００６６】
また、炭素繊維束に集束性を付与するために、サイジング処理をすることもできる。
サイジング処理に用いるサイジング剤としては、所望の特性を得ることができれば特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂、ポリエーテル樹脂、エポキシ変性ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂を主成分としたサイジング剤が挙げられる。サイジング処理の方法としては、公知の方法を用いることができる。
【００６７】
＜用途＞
このようにして得られる炭素繊維束は、例えばマトリックス樹脂と組み合わされて、複合材料として成形され、様々な用途に利用される。
マトリックス樹脂としては特に制限されないが、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等のラジカル重合系樹脂、熱可塑性アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等の熱可塑性樹脂などが挙げられる。また、これらの樹脂の変性体を用いることもできる。また、マトリックス樹脂としては市販品を用いてもよい。
炭素繊維束を用いた複合材料の用途としては特に限定されず、例えば、自動車用部材、航空宇宙素材、スポーツ・レジャー用素材、圧力容器等の工業用素材など、幅広い用途に使用できる。
【００６８】
＜作用効果＞
以上説明した、本実施形態の炭素繊維束の製造方法によれば、本発明の炭素繊維前駆体アクリル繊維で構成される繊維束を酸化性雰囲気中、特定の温度および特定の時間、加熱した後、不活性ガス雰囲気中、特定の温度で加熱するので、高品質な炭素繊維束を高い炭素化収率で生産性よく製造でき、ひいては炭素繊維束の製造コストを低減できる。
【実施例】
【００６９】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本実施例で行った各種測定方法は、以下の通りである。
【００７０】
「測定・評価」
＜共重合体（組成物）および前駆体繊維束の組成測定＞
共重合体（組成物）および前駆体繊維束の組成（各単量体単位の比率（質量％））は、１Ｈ−ＮＭＲ法により、以下のようにして測定した。
溶媒としてジメチルスルホキシド−ｄ６溶媒を用い、共重合体（組成物）または前駆体繊維束を溶解させ、ＮＭＲ測定装置（日本電子株式会社製、製品名：ＧＳＺ−４００型）により、積算回数５００回、測定温度８０℃の条件で測定し、ケミカルシフトの積分比から各単量体単位の比率を求めた。
【００７１】
＜共重合体（組成物）の質量平均分子量の測定＞
共重合体（組成物）の質量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（装置：東ソー株式会社製、製品名：ＨＬＣ−８２２０ＧＰＣ、カラム：東ソー株式会社製、製品名：ＴＳＫ−ＧＥＬ  Ｓｕｐｅｒ  ＨＺＭ−Ｈ（φ６．０ｍｍ×１５ｃｍ）、展開溶媒：０．０１ｍｏｌ／Ｌ−ＬｉＣｌ  ＤＭＦ溶液を用いて、ポリスチレンを標準物質として質量平均分子量を求めた。
【００７２】
＜前駆体繊維束の単繊維繊度の測定＞
単繊維繊度とは、繊維１本の１００００ｍ当りの重さを意味する。前駆体繊維束を１．００ｍとり、その質量をフィラメント数で除した後、１００００倍し、単繊維繊度とした。
【００７３】
＜前駆体繊維束および耐炎化繊維束の繊維密度の測定＞
前駆体繊維束および耐炎化繊維束の繊維密度は、ＪＩＳ Ｋ  ７１１２に基づく密度勾配管法により測定した。
【００７４】
＜炭素化収率の測定＞
炭素化収率は、耐炎化繊維束の質量および炭素繊維束の質量を測定し、下記式より求めた。
炭素化収率（％）＝（炭素繊維束の質量／耐炎化繊維束の質量）×１００
【００７５】
「実施例１」
＜共重合体（Ｚ１）の製造＞
以下の試薬を原料として用いた。
・単量体（ａ）：Ｎ−シアノエチルアクリルアミド
・単量体（ｂ）：メタクリル酸（和光純薬工業株式会社製、和光特級グレード、＞９９％）
・単量体（ｃ）：アクリロニトリル（関東化学株式会社製、特鹿級グレード、＞９８％）
・レドックス重合開始剤：
過硫酸アンモニウム（和光純薬工業株式会社製、和光特級グレード、＞９８％）
亜硫酸水素アンモニウム（和光純薬工業株式会社製、化学用グレード、４５％〜５５％）
硫酸第一鉄（Ｆｅ２ＳＯ４・７Ｈ２Ｏ）（和光純薬工業株式会社製、和光特級グレード、９９％〜１０２％）
・ｐＨ調整剤：
硫酸（和光純薬工業株式会社製、高純度特級グレード、＞９５％）
純水で６質量％水溶液の希硫酸に調整し、用いた。
・反応停止剤：
シュウ酸（和光純薬工業株式会社製、和光特級グレード、＞９８％）、炭酸水素アンモニウム（和光純薬工業株式会社製、和光一級グレード、＞９８％）
純水で０．４５６質量％シュウ酸、１．７６質量％炭酸水素アンモニウムを含む水溶液に調整し、反応停止剤として用いた。
・重合媒体：純水（電気伝導度＞５μＳ／ｃｍ）
【００７６】
容量２Ｌのセパラブルフラスコに純水を１．８Ｌ入れ、ダブルヘリカルリボン撹拌翼（ＳＵＳ３１６製  Ｗ８５ｍｍ×Ｈ１５０ｍｍ）で撹拌しながら、希硫酸を加えてｐＨが３．０になるように調整し、５５℃に保持した。
次に、過硫酸アンモニウムの２．７５質量％水溶液３４．７ｇ、亜硫酸水素アンモニウムの５．００質量％水溶液２８．６ｇ、硫酸第一鉄の６．０×１０−４質量％水溶液９．１ｇを同セパラブルフラスコに投入して撹拌し均一化した。撹拌を継続しつつ、アクリロニトリル（ＡＮ）８９質量部、シアノエチルアクリルアミド１０．０質量部、メタクリル酸（ＭＡＡ）１．００質量部、純水３０．７質量部からなる単量体が均一に溶解された混合物２３８ｇをセパラブルフラスコに投入した。
セパラブルフラスコを５５℃に保持して１時間攪拌を継続し、重合体スラリーを得た。
得られた重合体スラリーを撹拌しながら反応停止剤をｐＨが５．５になるまで加えて重合反応を停止させた。
次いで、重合スラリーを吸引濾過器により、７０℃の水で３回洗浄濾過した後、２日間、７０℃のスチーム乾燥機で加熱乾燥した後、粉砕し、共重合体（Ｚ１）の粉末を得た。
得られた共重合体（Ｚ１）の組成をＮＭＲにより測定したところ、シアノエチルアクリルアミド単位が７．５質量％、アクリロニトリル単位が９１．５質量％、メタクリル酸単位が１．０質量％であった。すなわち、共重合体（Ｚ１）は、上記一般式（１）中のＲ１、Ｒ２およびＲ３がいずれも水素原子であり、Ｒ４がエチレン基である構造単位（Ａ）７．５質量％と、上記式（２）中のＲ５およびＲ６がいずれも水素原子である構造単位（Ｂ）９１．５質量％と、メタクリル酸由来の構造単位（Ｃ）１．０質量％とで構成されている。
また、共重合体（Ｚ１）の質量平均分子量を測定したところ、２．８×１０５であった。
【００７７】
＜共重合体（Ｙ１）の製造＞
アクリロニトリル９４．０質量％と、メタクリル酸１．００質量％と、アクリルアミド５．０質量％とからなる単量体混合物を用いた以外は、共重合体（Ｚ１）と同様にして、共重合体（Ｙ１）を得た。
得られた共重合体（Ｙ１）の組成をＮＭＲにより測定したところ、アクリロニトリル単位が９６．３質量％、メタクリル酸単位が１．０質量％、アクリルアミド単位が２．７質量％であった。
また、共重合体（Ｙ１）の質量平均分子量を測定したところ、４．２×１０５であった。
【００７８】
＜前駆体繊維束の製造＞
得られた共重合体（Ｚ１）と共重合体（Ｙ１）とを質量比（共重合体（Ｚ１）：共重合体（Ｙ１））＝１：１で混合して、共重合体組成物（Ｘ１）とした。得られた共重合体組成物（Ｘ１）をジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）に溶解して濃度２１質量％の紡糸原液を調製した。この紡糸原液を湿式紡糸法にて紡糸し、前駆体繊維束を得た。凝固浴としては、ＤＭＡｃの濃度が６７質量％であり、温度が３８℃であるＤＭＡｃ水溶液を用いた。
得られた前駆体繊維束の単繊維繊度は１．２ｄｔｅｘ、フィラメント数４００、繊維密度は１．１９ｇ／ｃｍ３であった。また、前駆体繊維束の組成をＮＭＲにより測定したところ、シアノエチルアクリルアミド単位が３．８質量％、アクリロニトリル単位が９３．８質量％、メタクリル酸単位が１．０質量％、アクリルアミド単位が１．４質量％であった。
【００７９】
＜耐炎化繊維束の製造＞
熱風循環式耐炎化炉を用い、２６０℃の加熱空気中で得られた前駆体繊維束を２０分間加熱して（耐炎化処理）、耐炎化繊維束を得た。
耐炎化処理時間が２０分の場合の耐炎化繊維束の繊維密度は１．３５ｇ／ｃｍ３であった。
【００８０】
＜炭素繊維束の製造＞
得られた耐炎化繊維束を熱重量測定装置（株式会社日立ハイテクノロジーズ製、「ＳＴＡ７３００」）を用い、以下のようにして窒素雰囲気で加熱して、炭素繊維束を得た。
まず、窒素を導入した状態で耐炎化繊維束を３０℃で４５分保持した後、最高到達温度１４００℃まで昇温速度２０℃／分で昇温し、炭素繊維束を得た。雰囲気温度の上昇による繊維の質量変化から炭素化収率を算出した。具体的には、１４００℃での炭素繊維束の質量を、昇温前の耐炎化繊維束の質量で除して炭素化収率を算出した。結果を表１に示す。
【００８１】
「実施例２」
＜共重合体（Ｚ２）の製造＞
アクリロニトリル８４．０質量％と、メタクリル酸１．００質量％と、シアノエチルアクリルアミド１５．０質量％とからなる単量体混合物を用いた以外は、共重合体（Ｚ１）と同様にして、共重合体（Ｚ２）を得た。
得られた共重合体（Ｚ２）の組成をＮＭＲにより測定したところ、シアノエチルアクリルアミド単位が１０．０質量％、アクリロニトリル単位が８９．０質量％、メタクリル酸単位が１．０質量％であった。すなわち、共重合体（Ｚ２）は、上記一般式（１）中のＲ１、Ｒ２およびＲ３がいずれも水素原子であり、Ｒ４がエチレン基である構造単位（Ａ）１０．０質量％と、上記式（２）中のＲ５およびＲ６がいずれも水素原子である構造単位（Ｂ）８９．０質量％と、メタクリル酸由来の構造単位（Ｃ）１．０質量％とで構成されている。
また、共重合体（Ｚ２）の質量平均分子量を測定したところ、８．０×１０５であった。
【００８２】
＜前駆体繊維束の製造＞
得られた共重合体（Ｚ２）と共重合体（Ｙ１）とを質量比（共重合体（Ｚ２）：共重合体（Ｙ１））＝１：９で混合して得られた共重合体組成物（Ｘ２）を用いた以外は、実施例１と同様にして前駆体繊維束の製造を製造した。
得られた前駆体繊維束の単繊維繊度は１．２ｄｔｅｘ、フィラメント数４００、繊維密度は１．１９ｇ／ｃｍ３であった。また、前駆体繊維束の組成をＮＭＲにより測定したところ、シアノエチルアクリルアミド単位が１．０質量％、アクリロニトリル単位が９５．６質量％、メタクリル酸単位が１．０質量％、アクリルアミド単位が２．４質量％であった。
【００８３】
＜耐炎化繊維束および炭素繊維束の製造＞
得られた前駆体繊維束を用いた以外は、実施例１と同様にして耐炎化繊維束および炭素繊維束し、炭素化収率を算出した。結果を表１に示す。
なお、耐炎化処理時間が２０分の場合の耐炎化繊維束の繊維密度は１．３４ｇ／ｃｍ３であった。
【００８４】
「比較例１」
＜前駆体繊維束の製造＞
共重合体（Ｚ１）を用いなかった（すなわち、共重合体（Ｙ１）のみを使用した）以外は、実施例１と同様にして前駆体繊維束を製造した。
得られた前駆体繊維束の単繊維繊度は１．２ｄｔｅｘ、フィラメント数４００であった。
【００８５】
＜耐炎化繊維束および炭素繊維束の製造＞
得られた前駆体繊維束を用いた以外は、実施例１と同様にして耐炎化繊維束および炭素繊維束し、炭素化収率を算出した。結果を表１に示す。
なお、耐炎化処理時間が２０分の場合の耐炎化繊維束の繊維密度は１．３３ｇ／ｃｍ３であった。
【００８６】
【表１】
2018168480.tif 000006
【００８７】
表１から明らかなように、共重合体組成物（Ｘ１）または共重合体組成物（Ｘ２）からなる前駆体繊維束を耐炎化処理および炭素化処理した各実施例の炭素繊維束は、構造単位（Ａ）を含まない共重合体（Ｙ１）のみを用いた比較例１の炭素繊維束に比べて、炭素化収率が高かった。
また、共重合体組成物（Ｘ１）および共重合体組成物（Ｘ２）は、紡糸原液とした状態で紡糸した際に、断糸が発生せず、紡糸性が極めて良好であった。