JP2011026731A - Method for producing precursor for carbon fiber production - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は炭素繊維の耐炎化速度を向上させることにより、炭素繊維の生産性の向上をはかったプリカーサーの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a precursor that improves the productivity of carbon fibers by improving the flameproofing speed of carbon fibers.
炭素繊維は、近年高強度、高弾性率を併せ持つ素材として、非常に多くの用途が開拓されている。特に原燃料価格の上昇に伴う輸送コストや製造ラインにおける設備のコストを削減する目的で、構造材料を軽量化することが有効であることから、その有望素材である炭素繊維に注目が集まっている。 In recent years, carbon fiber has been pioneered as a material having both high strength and high elastic modulus. In particular, carbon fiber, a promising material, is attracting attention because it is effective to reduce the weight of structural materials for the purpose of reducing transportation costs associated with rising raw fuel prices and equipment costs on production lines. .
そのような中でポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維の製造方法には、大量のエネルギーを必要とする耐炎化工程と炭化工程がある。特に耐炎化工程では、分子鎖中の水素を酸化して引き抜く反応が律速となるため、この処理に長い時間を要していた。この時間を短縮して、生産性の向上をはかるために、共重合成分を用いることが特許文献1に開示されている。該技術は生産性が良好であり、かつ均一な耐炎化反応が起こるものの、分子鎖が柔軟化する、あるいは分子内で強固な絡み合いを作るなど、分子鎖の配向を阻害する問題があった。 Under such circumstances, the method for producing polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber includes a flameproofing process and a carbonization process that require a large amount of energy. In particular, in the flameproofing step, since the reaction of oxidizing and extracting hydrogen in the molecular chain becomes rate-limiting, this treatment takes a long time. In order to shorten this time and improve productivity, Patent Document 1 discloses the use of a copolymer component. This technique has good productivity and a uniform flameproofing reaction, but has a problem of hindering the orientation of the molecular chain, such as softening the molecular chain or creating strong entanglement within the molecule.
本発明は、炭素繊維の製造工程における生産性の向上、生産コストを低減することのできる炭素繊維製造用プリカーサーの製造方法を提供するものである。 The present invention provides a method for producing a precursor for producing carbon fiber, which can improve productivity and reduce production costs in the production process of carbon fiber.
本発明の課題は、アクリロニトリル系重合体に対して、平均直径が1〜500nmであるセルロースナノファイバーを0.1〜5.0重量%配合し、溶液紡糸することを特徴とする炭素繊維製造用プリカーサーの製造方法によって解決される。 An object of the present invention is to produce a carbon fiber characterized in that 0.1% to 5.0% by weight of cellulose nanofibers having an average diameter of 1 to 500 nm are blended with an acrylonitrile-based polymer, and solution spinning is performed. This is solved by a method for manufacturing a precursor.
本発明は、耐炎化時間が短く、製品の品質の良い炭素繊維を安価に供給できる。 According to the present invention, carbon fibers having a short flame resistance time and good product quality can be supplied at low cost.
本発明のアクリロニトリル系重合体は、得られる炭素繊維の物性・収率を向上させることが可能であるため好ましい。アクリロニトリル系重合体の組成は、炭素繊維にする際の物性や工程バランス、収率の観点からアクリロニトリル成分が85モル%以上、特にアクリロニトリルと共重合可能な重合性不飽和単量体を15モル%未満0.01モル%以上、更に好ましくは5モル%未満0.1モル%以上含む重合体であることが好ましい。 The acrylonitrile-based polymer of the present invention is preferable because it can improve the physical properties and yield of the obtained carbon fiber. The composition of the acrylonitrile-based polymer is such that the acrylonitrile component is 85 mol% or more, particularly 15 mol% of the polymerizable unsaturated monomer copolymerizable with acrylonitrile, from the viewpoint of physical properties, process balance, and yield when making the carbon fiber. It is preferably a polymer containing less than 0.01 mol%, more preferably less than 5 mol% and 0.1 mol%.
この重合性不飽和単量体としては、不飽和カルボン酸もしくはこれらのアルカリ金属塩、アンモニウム塩、アルキルエステル類、アクリルアミド、メタクリルアミドもしくはこれらの誘導体またはアリルスルホン酸、メタリルスルホン酸もしくはこれらの塩類、アルキルエステル類等をあげることができる。 Examples of the polymerizable unsaturated monomer include unsaturated carboxylic acids or alkali metal salts, ammonium salts, alkyl esters, acrylamide, methacrylamide or derivatives thereof, allyl sulfonic acid, methallyl sulfonic acid or salts thereof. And alkyl esters.
これらのうちでも、不飽和カルボン酸が耐炎化反応を促進するので好ましい。不飽和カルボン酸としては、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、メサコン酸等をあげることができる。 Of these, unsaturated carboxylic acids are preferred because they promote the flameproofing reaction. Examples of the unsaturated carboxylic acid include acrylic acid, methacrylic acid, itaconic acid, crotonic acid, citraconic acid, ethacrylic acid, maleic acid, and mesaconic acid.
本発明の炭素繊維製造用プリカーサーは、セルロースナノファイバーを0.1〜5.0重量%含むものであることが重要である。セルロースナノファイバーは、セルロースを主体とした剛直な繊維であり、溶液中に分散させることで口金での流動によって、アクリロニトリル系重合体の分子配向を促進する効果が得られる。この効果で耐炎化反応が短時間に進むメカニズムの詳細は不明であるが、重合体中のニトリル基が近接した構造を持ち、かつ分子鎖の主鎖が揃っているため、耐炎化反応において環化や脱水素反応が起こる際の活性化エネルギーが低くなったものと考えられる。 It is important that the precursor for producing carbon fibers of the present invention contains 0.1 to 5.0% by weight of cellulose nanofibers. Cellulose nanofibers are rigid fibers mainly composed of cellulose, and an effect of accelerating the molecular orientation of the acrylonitrile-based polymer can be obtained by being dispersed in a solution by flowing in the die. Although the details of the mechanism by which the flameproofing reaction proceeds in a short time due to this effect are unknown, the nitrile group in the polymer has a close structure and the main chain of the molecular chain is aligned. It is considered that the activation energy when the hydrogenation or dehydrogenation occurs is lowered.
また、セルロースナノファイバーの平均繊維直径が小さいため、プリカーサー中でも異物として作用しにくく、工程通過性に優れている。またセルロースは、分子内に酸素を多く含んでいるため、特に耐炎化反応における脱水素反応では繊維内部のセルロースが酸素供給源となり、耐炎化反応時間を大きく短縮でき、このため生産性を非常に高めることが可能になる。炭素繊維の製造工程における耐炎化反応は、分子鎖からの水素引き抜きと環化反応が主体であるが、その際の反応に関与する酸素分子及び水分子の拡散が重要な要素になっている。このためセルロースナノファイバーをプリカーサー中に添加することで、繊維内部のセルロースからも酸素を供給できるため、拡散速度を擬似的に高めることができる。これらの効果を得るためには、0.1重量%以上のセルロースナノファイバーが含有されていることが重要である。 Moreover, since the average fiber diameter of a cellulose nanofiber is small, it is hard to act as a foreign material also in a precursor, and is excellent in process passage property. In addition, since cellulose contains a large amount of oxygen in the molecule, cellulose in the fiber is the oxygen supply source in the dehydrogenation reaction, particularly in the flameproofing reaction, and the flameproofing reaction time can be greatly shortened. It becomes possible to increase. The flameproofing reaction in the production process of carbon fiber mainly consists of hydrogen extraction from the molecular chain and cyclization reaction, and diffusion of oxygen molecules and water molecules involved in the reaction is an important factor. For this reason, by adding cellulose nanofibers to the precursor, oxygen can be supplied also from cellulose inside the fibers, so that the diffusion rate can be increased in a pseudo manner. In order to obtain these effects, it is important that 0.1% by weight or more of cellulose nanofibers are contained.
一方、プリカーサー中に多量のセルロースナノファイバーが存在すると炭素繊維の製品品位の欠陥となることや延伸工程において単糸切れの要因となる。また、得られる炭素繊維の品質と工程安定化の観点から5.0重量%以下とすることが重要である。これらの理由からセルロースナノファイバーの含有量は、0.2〜4.0重量%であることが好ましく、0.3〜2.0重量%であると更に好ましい。 On the other hand, if a large amount of cellulose nanofiber is present in the precursor, it may cause a defect in the product quality of the carbon fiber or cause a single yarn breakage in the drawing process. Moreover, it is important to set it as 5.0 weight% or less from a viewpoint of the quality of the carbon fiber obtained and process stabilization. For these reasons, the content of cellulose nanofibers is preferably 0.2 to 4.0% by weight, and more preferably 0.3 to 2.0% by weight.
本発明の炭素繊維製造用プリカーサーは、セルロースナノファイバーが含まれていることによって耐炎化反応が進みやすい構造を取っているため、耐炎化反応時間を70分以下として、生産性を高めることができる。耐炎化反応時間は、通常80〜100分程度かかるものであるが、発明者らは鋭意検討を重ねた結果耐炎化反応時間を短縮し、生産性を向上させることに成功したのである。生産性向上のため耐炎化時間は短いほど好ましいが、本発明の目的及び効果を達成するためには、40分程度に短縮することができれば十分である。 Since the precursor for carbon fiber production of the present invention has a structure in which the flameproofing reaction easily proceeds due to the inclusion of cellulose nanofibers, the flameproofing reaction time can be set to 70 minutes or less to increase productivity. . The flameproofing reaction time usually takes about 80 to 100 minutes, but as a result of extensive studies, the inventors succeeded in shortening the flameproofing reaction time and improving the productivity. Although the flameproofing time is preferably as short as possible in order to improve productivity, it is sufficient if it can be shortened to about 40 minutes in order to achieve the objects and effects of the present invention.
本発明でいうセルロースナノファイバーは、従来公知の方法で製造されたものを用いることができるが、用いるセルロース系繊維は、植物から分離されるものであっても、バクテリアセルロースによって産生されるバクテリアセルロースであっても好適に用いることができる。 Cellulose nanofibers used in the present invention may be those produced by a conventionally known method, but the cellulose fibers used are bacterial cellulose produced by bacterial cellulose, even if they are separated from plants. However, it can be suitably used.
本発明のセルロースナノファイバーの原料として用いられるパルプは、機械的方法で得られたパルプ(砕木パルプ、リファイナ・グランド・パルプ、サーモメカニカルパルプ、セミケミカルパルプ、ケミグランドパルプなど)、または化学的方法で得られたパルプ(クラフトパルプ、亜硫酸パルプなど)などが使用できる。パルプとしては、通常、木材パルプやリンターパルプ、古紙パルプなどが使用される。また、セルロースを含有する素材が広く使用できるものであり、例えば、竹パルプ、バガスパルプのような脱リグニン処理を施した精製パルプであったり、またはコットン繊維、コットンリンター、麻繊維のようなセルロース系天然繊維、またはそれらに脱リグニン処理を施した精製天然繊維であったり、またはビスコースやレーヨン、テンセル、ポリノジック繊維などの再生セルロース成形物であったり、または穀物又は果実由来の食物繊維(例えば、小麦フスマ、えん麦フスマ、とうもろこし外皮、米ぬか、ビール粕、大豆粕、えんどう豆繊維、おから、リンゴ繊維など)で、または木材や稲ワラに代表されるようなリグノセルロース材料などである。 The pulp used as the raw material of the cellulose nanofiber of the present invention is a pulp obtained by a mechanical method (eg, groundwood pulp, refiner ground pulp, thermomechanical pulp, semichemical pulp, chemiground pulp), or a chemical method. Pulp (craft pulp, sulfite pulp, etc.) obtained in (1) can be used. As the pulp, wood pulp, linter pulp, waste paper pulp and the like are usually used. In addition, materials containing cellulose can be widely used, for example, refined pulp subjected to delignification treatment such as bamboo pulp and bagasse pulp, or cellulose type such as cotton fiber, cotton linter and hemp fiber Natural fibers, or purified natural fibers obtained by subjecting them to delignification, or regenerated cellulose moldings such as viscose, rayon, tencel, polynosic fibers, or dietary fibers derived from grains or fruits (for example, Wheat bran, oat bran, corn hull, rice bran, beer lees, soybean meal, pea fiber, okara, apple fiber, etc.), or lignocellulosic materials such as wood and rice straw.
また、非木材繊維である、ケナフ、シオグサ、エスパルト、楮、三椏、雁皮、ラミーなどを用いても良く、微生物産生セルロース、バロニアセルロース、ホヤセルロースなども使用できる。 Further, non-wood fibers such as kenaf, shiogusa, esparto, cocoon, cocoon, husk, ramie, etc. may be used, and microorganism-produced cellulose, valonia cellulose, squirt cellulose, etc. can also be used.
上記の中では木材パルプを主原料とすることが好ましく、必要に応じてポリプロピレンなどの合成パルプを加えてもよい。好ましく用いられるのは無機物担持パルプであり、この製造のため用いられるセルロースパルプは、例えば、広葉樹材及び針葉樹材から得られるサルファイトパルプ、アルカリパルプ、クラフトパルプ等の化学パルプ、セミケミカルパルプ、セミメカニカルパルプ、機械パルプ等が挙げられる。 In the above, it is preferable to use wood pulp as a main raw material, and synthetic pulp such as polypropylene may be added as necessary. Preferably used are inorganic-supported pulps. Cellulose pulps used for the production thereof include, for example, chemical pulps such as sulfite pulps, alkali pulps, and kraft pulps obtained from hardwoods and softwoods, semi-chemical pulps, Examples thereof include mechanical pulp and mechanical pulp.
また、パルプは未漂白パルプ、漂白パルプの区別及び叩解、未叩解の区別なく使用可能である。品質とコストから広葉樹晒クラフトパルプ、或いは針葉樹晒クラフトパルプが最も適している。 Further, the pulp can be used without distinction between unbleached pulp, bleached pulp and beating, and unbeaten. Hardwood bleached kraft pulp or softwood bleached kraft pulp is most suitable due to its quality and cost.
また天然セルロースを原料として、N−オキシル化合物を酸化触媒とし、共酸化剤を用いて酸化した後に、溶媒に分散させる方法も、繊維の平均直径を非常に小さくできることから好ましい態様である。 In addition, a method in which natural cellulose is used as a raw material, an N-oxyl compound is used as an oxidation catalyst and is oxidized using a co-oxidant and then dispersed in a solvent is also a preferable embodiment because the average diameter of the fibers can be very small.
本発明のセルロースナノファイバーは、その平均直径が1〜500nmであることが重要である。平均直径は、プリカーサーの断面をミクロトーム法にて切り出し、その面を透過型電子顕微鏡にて撮影し、得られた画像中に存在する繊維の直径を50本無作為に抽出して測定することで、その平均値とする。平均直径は、プリカーサー中で異物として作用しないようにするためには、500nm以下とする必要がある。繊維の平均直径は小さいほど好ましいが、微細化する際のエネルギーコストを低減するためには、繊維直径は1nm以上とすることが好ましい。これらのことから平均直径は、5〜400nmであるとより好ましく、10〜300nmとすることが最も好ましい。 It is important that the cellulose nanofiber of the present invention has an average diameter of 1 to 500 nm. The average diameter is obtained by cutting out a cross section of the precursor with a microtome method, photographing the surface with a transmission electron microscope, and randomly extracting and measuring 50 fiber diameters in the obtained image. And the average value. The average diameter needs to be 500 nm or less so as not to act as a foreign substance in the precursor. The average diameter of the fiber is preferably as small as possible, but the fiber diameter is preferably 1 nm or more in order to reduce the energy cost for miniaturization. For these reasons, the average diameter is more preferably 5 to 400 nm, and most preferably 10 to 300 nm.
また本発明の炭素繊維製造用プリカーサーは、アクリロニトリル系重合体の性質を大きく変化させない範囲で、他のポリマーを含有しても良い。ポリマーとしては、セルロースもしくはその誘導体、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリビニルアセタール、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリブタジエン、ABS樹脂、AS樹脂、AB樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂からなる群より選ばれた1種または2種以上が用いられるものである。 The precursor for producing carbon fiber of the present invention may contain other polymers as long as the properties of the acrylonitrile polymer are not significantly changed. As the polymer, 1 selected from the group consisting of cellulose or derivatives thereof, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polyvinyl acetal, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polybutadiene, ABS resin, AS resin, AB resin, phenol resin, furan resin Species or two or more are used.
セルロースもしくはその誘導体の例としては、酢酸セルロース、ニトロセルロース、カルボキシメチルセルロースなどがあげられる。ポリビニルアセタールの例としては、ポリビニルブチラール、ポリビニルホルマールなどがあげられる。フェノール樹脂の例として
は、ノボラック型フェノール樹脂などがあげられる。
Examples of cellulose or its derivatives include cellulose acetate, nitrocellulose, carboxymethylcellulose and the like. Examples of polyvinyl acetal include polyvinyl butyral and polyvinyl formal. Examples of the phenol resin include novolac type phenol resins.
ただ、アクリロニトリル系重合体と好適に混合されるポリマーの焼成時の収率が低いと、得られる炭素繊維の改質効果が小さいばかりでなく、ボイドの発生も多くなり、炭素繊維の物性が劣るものしか得られなくなることがあるため、アクリロニトリル系重合体と混合すべきポリマーの600℃における収率は5重量%以上が好ましく、10重量%以上がより好ましく、20重量%以上がさらに好ましい。ここで、600℃における収率とは、理学電機社製示差熱天秤(TG−DTA)標準形CN8078B1を用いて昇温速度20℃/分、窒素流量30mL/分にて測定したとき、600℃に到達した時の測定前の試料重量に対する重量保持率をいう。 However, if the yield of the polymer suitably mixed with the acrylonitrile polymer upon firing is low, not only the modification effect of the obtained carbon fiber is small, but also the generation of voids increases, and the physical properties of the carbon fiber are inferior. Since only a product may be obtained, the yield at 600 ° C. of the polymer to be mixed with the acrylonitrile polymer is preferably 5% by weight or more, more preferably 10% by weight or more, and further preferably 20% by weight or more. Here, the yield at 600 ° C. is 600 ° C. when measured at a heating rate of 20 ° C./min and a nitrogen flow rate of 30 mL / min using a differential thermal balance (TG-DTA) CN8078B1 manufactured by Rigaku Corporation. Is the weight retention with respect to the weight of the sample before measurement.
本発明で得られた炭素繊維製造用プリカーサーは、空気雰囲気、260℃、60分の滞留時間で耐炎化反応を行った後の比重が、1.30〜1.50であることが好ましい。耐炎化後の比重は、耐炎化反応の進行具合を測る指標となる。短時間で処理を行っても比重がこの範囲にあれば、耐炎化反応が進行したことを示すため、生産性の指標ともなる。耐炎化後の比重は、1.30以上であれば次の炭化工程で糸切れせずに炭素繊維を得ることができるし、1.50以下であれば炭素繊維の強度を高めることができるため好ましい。このことから耐炎化反応後のプリカーサーの比重は、工程通過性と炭素繊維の品質確保の観点から1.32〜1.45がより好ましく、1.34〜1.40が最も好ましい。 The precursor for carbon fiber production obtained in the present invention preferably has a specific gravity of 1.30 to 1.50 after the flameproofing reaction is performed in an air atmosphere, 260 ° C., and a residence time of 60 minutes. The specific gravity after the flame resistance becomes an index for measuring the progress of the flame resistance reaction. If the specific gravity is within this range even if the treatment is performed in a short time, it indicates that the flameproofing reaction has progressed, which is also an indicator of productivity. If the specific gravity after flame resistance is 1.30 or more, carbon fiber can be obtained without breaking the yarn in the next carbonization step, and if it is 1.50 or less, the strength of the carbon fiber can be increased. preferable. For this reason, the specific gravity of the precursor after the flameproofing reaction is more preferably 1.32 to 1.45, and most preferably 1.34 to 1.40, from the viewpoint of process passability and ensuring the quality of the carbon fiber.
また本発明の炭素繊維製造用プリカーサーを炭化して得られる炭素繊維のストランド強度は、3GPa以上であることが好ましい。炭素繊維のストランド強度は高いほど構造体にした場合の強度が高まるため好ましい。このことから炭素繊維のストランド強度は、特に上限を規定するものではないが、10GPa程度もあれば本発明の目的及び効果を達成するには十分である。 Moreover, it is preferable that the strand strength of the carbon fiber obtained by carbonizing the precursor for producing carbon fiber of the present invention is 3 GPa or more. The higher the strand strength of the carbon fiber, the higher the strength when it is made into a structure. From this, the strand strength of the carbon fiber does not particularly define an upper limit, but if it is about 10 GPa, it is sufficient to achieve the object and effect of the present invention.
また本発明の炭素繊維製造用プリカーサーを炭化して得られる炭素繊維のストランド弾性率は、200GPa以上であることが好ましい。炭素繊維の弾性率は、複合材料にした場合の弾性率に寄与するため、高いほど好ましい。このことから炭素繊維の弾性率は特に限定されないが、500GPaもあれば本発明の目的及び効果を達成するためには十分である。 Moreover, it is preferable that the strand elastic modulus of the carbon fiber obtained by carbonizing the precursor for carbon fiber production of the present invention is 200 GPa or more. Since the elasticity modulus of carbon fiber contributes to the elasticity modulus at the time of making it a composite material, it is so preferable that it is high. From this, the elastic modulus of the carbon fiber is not particularly limited, but 500 GPa is sufficient to achieve the objects and effects of the present invention.
以下に本発明の炭素繊維製造用プリカーサーを得るための好ましい一例を示す。 A preferred example for obtaining the precursor for producing carbon fiber of the present invention is shown below.
炭素繊維製造用プリカーサーを構成する主成分は、前記のアクリロニトリル系重合体であり、その重合体に対してセルロースナノファイバーが0.10〜5.0重量%添加されたものである。 The main component constituting the precursor for producing carbon fiber is the acrylonitrile-based polymer described above, and cellulose nanofibers are added to the polymer in an amount of 0.10 to 5.0% by weight.
アクリロニトリル系重合体の重合方法としては、懸濁重合、溶液重合、乳化重合など従来公知の方法を採用することができ、高分子量の重合体を得る目的のためには懸濁重合もしくは乳化重合を選択することが好ましく、高分子量が必要ない用途においては、重合溶液をそのまま紡糸原液として用いることが可能な溶液重合を選択することが好ましい。 Conventional polymerization methods such as suspension polymerization, solution polymerization, and emulsion polymerization can be employed as the polymerization method for the acrylonitrile-based polymer. For the purpose of obtaining a high molecular weight polymer, suspension polymerization or emulsion polymerization is used. In applications where high molecular weight is not required, it is preferable to select solution polymerization in which the polymerization solution can be used as a spinning stock solution as it is.
アクリロニトリル系重合体とセルロースナノファイバーを溶解する溶媒は、有機、無機のいずれの溶媒も用いることが可能であるが、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のうちから適宜選択することが好ましい。特に重合方法に溶液重合を選択した場合は、モノマーを溶解することが可能であるためジメチルスルホキシドを溶媒とすることが好適である。 As the solvent for dissolving the acrylonitrile-based polymer and the cellulose nanofiber, any of organic and inorganic solvents can be used, but it is preferable to appropriately select from dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and dimethylacetamide. In particular, when solution polymerization is selected as the polymerization method, it is preferable to use dimethyl sulfoxide as a solvent because the monomer can be dissolved.
選択された溶媒へ、アクリロニトリル系重合体とセルロースナノファイバーを溶解及び微分散させた溶液を紡糸原液とする。 A solution in which an acrylonitrile polymer and cellulose nanofibers are dissolved and finely dispersed in a selected solvent is used as a spinning dope.
またセルロースナノファイバーを、紡糸原液中に微分散させることが好ましい。紡糸原液中でセルロースナノファイバーが微分散した状態とは、直径2μm以上の粗大な凝集体が紡糸原液中に存在しない状態であり、これは紡糸原液をスライドグラスに1滴たらし、カバーガラスを通して光学顕微鏡で観察することで確認できる。 In addition, it is preferable to finely disperse cellulose nanofibers in the spinning dope. The state in which the cellulose nanofibers are finely dispersed in the spinning dope is a state in which coarse aggregates having a diameter of 2 μm or more are not present in the spinning dope. This is because one drop of the spinning dope is put on a slide glass and passed through a cover glass. This can be confirmed by observing with an optical microscope.
ここで微分散させる方法は特に限定されないが、セルロースナノファイバーを一旦ジメチルスルホキシドに攪拌、混合して分散させ、その後アクリロニトリル系重合体を溶解することや、セルロースナノファイバーとアクリロニトリル系重合体を同時に溶解、攪拌して混合することも好ましい態様である。 The method of fine dispersion here is not particularly limited, but the cellulose nanofibers are once stirred and mixed in dimethyl sulfoxide and dispersed, and then the acrylonitrile polymer is dissolved, or the cellulose nanofibers and the acrylonitrile polymer are dissolved simultaneously. It is also a preferred embodiment that stirring and mixing.
セルロースナノファイバー中の粗大な繊維を除去するために、ろ過を行うこともできる。ろ過の方法は従来公知の方法を用いることができ、特に限定されないが、溶液の輸送工程にフィルターを通す方法や、紡糸原液を攪拌中にセルロースナノファイバー分散液を添加する際にろ過する方法などを適用すると、生産効率が高く好適である。 Filtration can also be performed to remove coarse fibers in the cellulose nanofibers. A conventionally known method can be used as a filtration method, and it is not particularly limited. However, a method of passing a filter through a solution transport step, a method of filtering a cellulose nanofiber dispersion while stirring a spinning stock solution, etc. Is suitable because of high production efficiency.
また添加するセルロースナノファイバーは、物理的な力をかけることで微細化が進行するため、平均直径を小さくするには、例えば3000rpm以上の高速攪拌を行うことや、超音波によって微細化を行うなども好ましい態様である。 In addition, since the cellulose nanofibers to be added are refined by applying physical force, in order to reduce the average diameter, for example, high-speed stirring at 3000 rpm or more, or refinement by ultrasonic waves, etc. Is also a preferred embodiment.
アクリロニトリル系重合体とセルロースナノファイバーを含む紡糸原液は、計量設備を通して口金から吐出され、繊維を得る。このときの紡糸方法も特に限定されるものではないが、湿式紡糸、乾式紡糸、乾湿式紡糸などが好ましい態様である。 A spinning dope containing an acrylonitrile-based polymer and cellulose nanofibers is discharged from a die through a metering facility to obtain fibers. The spinning method at this time is not particularly limited, but wet spinning, dry spinning, dry wet spinning, and the like are preferable embodiments.
口金から吐出された繊維は、溶媒の置換や蒸発によって凝固される。溶媒置換を行う場合は、凝固浴を用いることが好ましく、凝固浴には凝固促進剤を添加することも好ましい態様である。凝固促進剤としては、前記アクリロニトリル系共重合体を溶解せず、かつ紡糸原液に用いる溶媒と相溶性があるものが使用できる。具体的には、水を使用するのが好ましい。 The fiber discharged from the die is solidified by solvent replacement or evaporation. When solvent substitution is performed, it is preferable to use a coagulation bath, and it is also a preferable aspect to add a coagulation accelerator to the coagulation bath. As the coagulation accelerator, one that does not dissolve the acrylonitrile copolymer and is compatible with the solvent used in the spinning dope can be used. Specifically, it is preferable to use water.
凝固された繊維は、熱風や温水によって1つまたは複数の加熱工程を通して加熱延伸され、その後乾燥、緻密化工程を経てから、加圧スチームによる延伸を施される。 The solidified fiber is heated and stretched through one or a plurality of heating steps with hot air or hot water, and then subjected to a drying and densification step, followed by stretching with pressurized steam.
延伸された繊維は、200℃以上の温度に加熱された空気雰囲気中において、耐炎化処理を施され、環化が進行した耐炎糸とする。 The drawn fiber is subjected to a flameproofing treatment in an air atmosphere heated to a temperature of 200 ° C. or higher to obtain a flameproof yarn in which cyclization has progressed.
得られた耐炎糸は、引き続き不活性ガス雰囲気に保たれた1000〜2000℃の炭化炉にて炭化処理を施され、炭素繊維となる。またその後更に2000〜3000℃の炉を用いて黒鉛化し、弾性率の高い黒鉛化繊維とすることもできる。 The obtained flame resistant yarn is subsequently carbonized in a carbonization furnace at 1000 to 2000 ° C. kept in an inert gas atmosphere to form carbon fibers. Moreover, it can graphitize further using a 2000-3000 degreeC furnace, and it can also be set as a graphitized fiber with a high elasticity modulus.
以下に本発明の炭素繊維製造用プリカーサーを製造するための好ましい例を示す。 The preferable example for manufacturing the precursor for carbon fiber manufacture of this invention below is shown.
また以下に実施例中における主な物性値の測定方法を記載した。
(1)比重
耐炎化繊維の比重測定はJIS R7601(2006)記載の方法に従った。試薬はエタノール(和光純薬社製特級)を精製せずに用いた。1.0〜1.5gの耐炎化繊維束を採取し、120℃で2時間絶乾した。絶乾重量(A)を測定したのち、比重既知(比重ρ)のエタノールに含浸し、エタノール中の耐炎化繊維束重量(B)を測定した。下記に従い比重を算出した。
耐炎糸比重=(A×ρ)/(A−B)
(2)ストランド引張強度及び引張弾性率
ストランド引張強度および引張弾性率は、炭素繊維束に下記組成の樹脂を含浸させ、130℃で35分間硬化させた後、JIS R7601(2006)に準じて行う引張試験により求めることができる。引張弾性率については、該試験により得られた荷重−伸び曲線の傾きから求めることができる。
(樹脂組成)
・3,4−エポキシシクロヘキシルメチル−3,4−エポキシ−シクロヘキサン−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
(3)延伸工程通過性
スチーム延伸工程において、5分間の糸条走行を目視確認し、単糸切れが全く見られないものを◎、わずかに見られるものを○、明らかに単糸切れの発生量が多いか全糸切れが発生してしまったものを×として、○以上を合格とした。
Moreover, the measuring method of the main physical property value in an Example was described below.
(1) Specific gravity The specific gravity of the flame resistant fiber was measured according to the method described in JIS R7601 (2006). As a reagent, ethanol (special grade manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used without purification. 1.0 to 1.5 g of flameproof fiber bundle was collected and dried at 120 ° C. for 2 hours. After the absolute dry weight (A) was measured, it was impregnated with ethanol having a known specific gravity (specific gravity ρ), and the flame-resistant fiber bundle weight (B) in ethanol was measured. Specific gravity was calculated according to the following.
Flameproof yarn specific gravity = (A × ρ) / (A−B)
(2) Strand tensile strength and tensile elastic modulus Strand tensile strength and tensile elastic modulus are determined in accordance with JIS R7601 (2006) after impregnating a resin having the following composition into a carbon fiber bundle and curing at 130 ° C. for 35 minutes. It can be determined by a tensile test. The tensile modulus can be determined from the slope of the load-elongation curve obtained by the test.
(Resin composition)
• 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxy-cyclohexane-carboxylate 100 parts by weight • boron trifluoride monoethylamine 3 parts by weight • acetone 4 parts by weight (3) Stretching process passability In the steam stretching process, 5 Check the running of the yarn for a minute, ◎ if there is no single yarn breakage ◎, slightly seen ○, obviously there is a lot of single yarn breakage or all yarn breakage has occurred The thing was set as x, and ○ or more was set as the pass.
実施例1
アクリロニトリル99.5モル%とイタコン酸0.5モル%からなる共重合体を、溶媒にジメチルスルホキシドを用いた溶液重合法により重合し、さらにアンモニアガスをpHが8.5になるまで吹き込むことで、イタコン酸を中和しつつ、アンモニウム基をアクリル系共重合体に導入し、共重合組成物の含有率が22重量%の紡糸原液を得た。共重合組成物の分子量は、溶媒にジメチルホルムアミドを用い、濃度0.1重量%に調整された溶液のゲル浸透クロマトグラフィーにおいて測定されたポリスチレン換算の重量平均分子量で、32万を示した。この紡糸原液に対して、平均直径80nmのセルロースナノファイバー(ダイセル化学製セリッシュKY−100G)を、0.50重量%の割合で添加した後に、回転数50rpmの攪拌翼を用いて、2hr混合して紡糸原液を得た。
Example 1
A copolymer consisting of 99.5 mol% of acrylonitrile and 0.5 mol% of itaconic acid is polymerized by a solution polymerization method using dimethyl sulfoxide as a solvent, and further ammonia gas is blown until the pH becomes 8.5. While neutralizing itaconic acid, an ammonium group was introduced into the acrylic copolymer to obtain a spinning dope with a copolymer composition content of 22% by weight. The molecular weight of the copolymer composition was 320,000 as a polystyrene-equivalent weight average molecular weight measured by gel permeation chromatography of a solution adjusted to a concentration of 0.1% by weight using dimethylformamide as a solvent. To this spinning dope, cellulose nanofibers with an average diameter of 80 nm (Cerish KY-100G manufactured by Daicel Chemical) were added at a rate of 0.50% by weight, and then mixed for 2 hr using a stirring blade with a rotation speed of 50 rpm. A spinning dope was obtained.
この紡糸原液を、目開き0.5μmのフィルターを通過させた後、40℃で、単孔の直径0.15mm、孔数6,000の紡糸口金を用い、一旦空気中に吐出し、約4mmの空間を通過させた後、3℃にコントロールした35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凝固糸条とした。この凝固糸条を常法により水洗した後、80℃の温水中で1.5倍に延伸し、さらにアミノ変性シリコーン系シリコーン油剤3重量%の浴中を通過せしめた後、180℃の加熱ローラーを用いて乾燥緻密化処理を行い、次に2.94MPaの加圧スチーム中で延伸することにより、製糸全延伸倍率が5倍、単繊維繊度1.1dTex、フィラメント数6,000の炭素繊維製造用プリカーサーを得た。 This spinning dope is passed through a filter having a mesh opening of 0.5 μm, and then discharged at 40 ° C. into air using a spinneret having a single hole diameter of 0.15 mm and a hole number of 6,000, and is about 4 mm. After passing through the space, a coagulated yarn was obtained by a dry and wet spinning method introduced into a coagulation bath composed of an aqueous solution of 35% by weight dimethyl sulfoxide controlled at 3 ° C. The coagulated yarn is washed with water in the usual manner, then stretched 1.5 times in warm water at 80 ° C., further passed through a 3% by weight amino-modified silicone silicone oil bath, and then heated at 180 ° C. Is used to produce a carbon fiber having a total drawing ratio of 5 times, a single fiber fineness of 1.1 dTex, and a filament number of 6,000. A precursor for was obtained.
得られたプリカーサーを、260℃に保持した空気雰囲気の炉中へ50分間連続して通し(耐炎化時間)、比重1.38の耐炎化繊維を得た。ついで最高温度1700℃の窒素雰囲気中で炭化して炭素繊維とした。 The obtained precursor was continuously passed through a furnace in an air atmosphere maintained at 260 ° C. for 50 minutes (flame resistance time) to obtain flame resistant fibers having a specific gravity of 1.38. The carbon fiber was then carbonized in a nitrogen atmosphere at a maximum temperature of 1700 ° C.
得られた炭素繊維の物性値を表1に示すが、力学特性に優れた繊維が得られた。加えて耐炎化工程における処理時間を大幅に短縮することができ、生産性に優れていた。 The physical properties of the obtained carbon fibers are shown in Table 1, and fibers excellent in mechanical properties were obtained. In addition, the processing time in the flameproofing process could be greatly shortened, and the productivity was excellent.
実施例2
アクリロニトリル系重合体に対するセルロースナノファイバーの添加量を2.5重量%とした紡糸原液を用いて炭素繊維製造用プリカーサーを製造し、耐炎化時間を45分間とした以外は、実施例1と同様の方法で炭素繊維製造用プリカーサー及び炭素繊維を得た。スチーム延伸工程においてごくわずかに単糸切れが見られたものの、良好な工程通過性を示した。また得られた炭素繊維は、力学特性に優れており、併せて耐炎化処理時間を大幅に短縮し、生産性を高めることができた。
Example 2
A precursor for carbon fiber production was produced using a spinning stock solution in which the amount of cellulose nanofiber added to the acrylonitrile-based polymer was 2.5% by weight, and the flameproofing time was 45 minutes. The precursor for carbon fiber manufacture and carbon fiber were obtained by the method. Although a single yarn breakage was slightly observed in the steam drawing process, good processability was shown. Further, the obtained carbon fiber was excellent in mechanical properties, and at the same time, the flameproofing time was significantly shortened, and the productivity could be increased.
実施例3
アクリロニトリル系重合体に対するセルロースナノファイバーの添加量を0.25重量%とした紡糸原液を用いて炭素繊維製造用プリカーサーを製造し、耐炎化時間を55分間とした以外は、実施例1と同様の方法で炭素繊維製造用プリカーサー及び炭素繊維を得た。スチーム延伸工程における糸切れは全くみられず、優れた工程通過性を示した。また得られた炭素繊維は、良好な力学特性を示し、また耐炎化処理時間を短縮して生産性を高めることができた。
Example 3
A precursor for carbon fiber production was produced using a spinning stock solution in which the amount of cellulose nanofiber added to the acrylonitrile-based polymer was 0.25% by weight, and the flameproofing time was 55 minutes. The precursor for carbon fiber manufacture and carbon fiber were obtained by the method. No thread breakage was observed in the steam drawing process, and excellent processability was exhibited. Further, the obtained carbon fiber showed good mechanical properties, and it was possible to improve productivity by shortening the flameproofing treatment time.
実施例4
アクリロニトリル系重合体に対するセルロースナノファイバーの添加量を4.5重量%とした紡糸原液を用いて炭素繊維製造用プリカーサーを製造し、耐炎化時間を40分間とした以外は、実施例1と同様の方法で炭素繊維製造用プリカーサー及び炭素繊維を得た。スチーム延伸工程において若干の単糸切れが見られたが、実用上問題ない工程通過性を示した。また得られた炭素繊維は、良好な力学特性を示し、また耐炎化処理時間を短縮して生産性を高めることができた。
Example 4
A precursor for carbon fiber production was produced using a spinning stock solution in which the amount of cellulose nanofiber added to the acrylonitrile-based polymer was 4.5% by weight, and the flameproofing time was 40 minutes. The precursor for carbon fiber manufacture and carbon fiber were obtained by the method. Although some single yarn breakage was observed in the steam drawing process, it showed process passability with no practical problems. Further, the obtained carbon fiber showed good mechanical properties, and it was possible to improve productivity by shortening the flameproofing treatment time.
実施例5
アクリロニトリル系重合体に対するセルロースナノファイバーの添加量を0.15重量%とした紡糸原液を用いて炭素繊維製造用プリカーサーを製造し、耐炎化時間を60分間とした以外は、実施例1と同様の方法で炭素繊維製造用プリカーサー及び炭素繊維を得た。スチーム延伸工程における単糸切れは全くみられず、優れた工程通過性を示した。また得られた炭素繊維は、優れた力学特性を示し、また耐炎化処理時間を短縮して生産性を高めることができた。
Example 5
A precursor for carbon fiber production was produced using a spinning stock solution in which the amount of cellulose nanofiber added relative to the acrylonitrile polymer was 0.15% by weight, and the flameproofing time was 60 minutes. The precursor for carbon fiber manufacture and carbon fiber were obtained by the method. No breakage of single yarn was observed in the steam drawing process, and excellent processability was exhibited. Further, the obtained carbon fiber showed excellent mechanical properties, and it was possible to improve productivity by shortening the flameproofing treatment time.
比較例1
セルロースナノファイバーを添加しない紡糸原液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で炭素繊維製造用プリカーサー及び炭素繊維を得た。得られた炭素繊維は、耐炎化が十分に進んでおらず、焼成工程で糸切れが頻発してしまい、炭素繊維を得ることができなかった。
Comparative Example 1
A precursor for carbon fiber production and carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that a spinning solution without adding cellulose nanofibers was used. The obtained carbon fiber was not sufficiently flame-resistant, and yarn breakage occurred frequently in the firing step, and carbon fiber could not be obtained.
比較例2
セルロースナノファイバーを添加しない紡糸原液を用い、耐炎化時間を80分とした以外は、実施例1と同様の方法で炭素繊維製造用プリカーサー及び炭素繊維を得た。得られた炭素繊維は、優れた力学特性を示したものの、耐炎化時間が長く、生産性に劣るものであった。
Comparative Example 2
A precursor for carbon fiber production and carbon fiber were obtained in the same manner as in Example 1 except that a spinning solution without adding cellulose nanofibers was used and the flameproofing time was 80 minutes. Although the obtained carbon fiber showed excellent mechanical properties, the flame resistance time was long and the productivity was poor.
比較例3
ポリマーに対するセルロースナノファイバーの添加量を6.0重量%とした紡糸原液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で炭素繊維製造用プリカーサーを得ることを試みたが、繊維の脆性が高いためスチーム延伸工程での単糸切れがひどく、また単糸切れに起因する全糸切れが発生してしまい、サンプルを得ることができなかった。
Comparative Example 3
An attempt was made to obtain a precursor for carbon fiber production by the same method as in Example 1 except that a spinning stock solution in which the amount of cellulose nanofibers added to the polymer was 6.0% by weight was used. However, the fiber was highly brittle. Therefore, the single yarn breakage in the steam drawing process was severe, and the whole yarn breakage due to the single yarn breakage occurred, and a sample could not be obtained.
実施例6
アクリロニトリル系重合体の重合に際してイタコン酸を添加せず、アンモニアガスによる中和を行わなかった以外は、実施例1と同様の方法で炭素繊維製造用プリカーサー及び炭素繊維を得た。得られた炭素繊維は、耐炎化が実用上問題ないレベルまで進行しており、良好な力学特性を示した。また耐炎化時間も短縮でき、生産性を高めることができた。
Example 6
A precursor for carbon fiber production and carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that itaconic acid was not added during the polymerization of the acrylonitrile polymer and neutralization with ammonia gas was not performed. The obtained carbon fiber has progressed to a level at which flame resistance is practically acceptable, and exhibited good mechanical properties. In addition, the flameproofing time could be shortened and productivity could be improved.
実施例7
アクリロニトリル系重合体の重量平均分子量を120万として原液濃度を10重量%とした以外は、実施例1と同様の方法で炭素繊維製造用プリカーサー及び炭素繊維を得た。得られた炭素繊維は、耐炎化が実用上問題ないレベルまで進行しており、良好な力学特性を示した。また耐炎化時間も大幅に短縮でき、生産性を高めることができた。
Example 7
A precursor for carbon fiber production and carbon fiber were obtained in the same manner as in Example 1 except that the weight average molecular weight of the acrylonitrile polymer was 1,200,000 and the stock solution concentration was 10% by weight. The obtained carbon fiber has progressed to a level at which flame resistance is practically acceptable, and exhibited good mechanical properties. In addition, the flameproofing time could be greatly shortened and productivity could be improved.
実施例8
セルロースナノファイバーに平均直径420nmのセルロースナノファイバー(ダイセル化学製セリッシュKY−100S)を用いた以外は、実施例1と同様の方法で炭素繊維製造用プリカーサー及び炭素繊維を得た。スチーム延伸工程において糸切れが見られたが、実用上問題ないレベルであった。得られた炭素繊維は、耐炎化が十分に進行しており、良好な力学特性を示した。また耐炎化時間も大幅に短縮でき、生産性を高めることができた。
Example 8
A precursor for carbon fiber production and carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that cellulose nanofibers having an average diameter of 420 nm (Selish KY-100S manufactured by Daicel Chemical Industries) were used as the cellulose nanofibers. Although thread breakage was observed in the steam drawing process, it was at a level of no practical problem. The obtained carbon fiber was sufficiently flame resistant and exhibited good mechanical properties. In addition, the flameproofing time could be greatly shortened and productivity could be improved.
実施例9
予めホモジナイザーにて粉砕した平均直径350nmのセルロースナノファイバー(ダイセル化学製セリッシュKY−100S)を用いた以外は、実施例1と同様の方法で炭素繊維製造用プリカーサー及び炭素繊維を得た。スチーム延伸工程においてわずかに糸切れが見られたが、延伸工程通過性は良好であった。得られた炭素繊維は、耐炎化が十分に進行しており、良好な力学特性を示した。また耐炎化時間も大幅に短縮でき、生産性を高めることができた。
Example 9
A precursor for carbon fiber production and carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that cellulose nanofibers having an average diameter of 350 nm (Cerish KY-100S manufactured by Daicel Chemical Industries) previously pulverized with a homogenizer were used. Slight thread breakage was observed in the steam drawing process, but the drawing process was good. The obtained carbon fiber was sufficiently flame resistant and exhibited good mechanical properties. In addition, the flameproofing time could be greatly shortened and productivity could be improved.
実施例10
予めホモジナイザーにて粉砕した平均直径250nmのセルロースナノファイバー(ダイセル化学製セリッシュKY−100S)を用いた以外は、実施例1と同様の方法で炭素繊維製造用プリカーサー及び炭素繊維を得た。スチーム延伸工程においてごくわずかに糸切れが見られたが、延伸工程通過性は良好であった。得られた炭素繊維は、耐炎化が十分に進行しており、良好な力学特性を示した。また耐炎化時間も大幅に短縮でき、生産性を高めることができた。
Example 10
A precursor for carbon fiber production and carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that cellulose nanofibers having an average diameter of 250 nm (Cerish KY-100S manufactured by Daicel Chemical Industries) previously pulverized with a homogenizer were used. Although the yarn breakage was slightly observed in the steam drawing process, the passing through the drawing process was good. The obtained carbon fiber was sufficiently flame resistant and exhibited good mechanical properties. In addition, the flameproofing time could be greatly shortened and productivity could be improved.
実施例11
予めホモジナイザーにて粉砕した平均直径30nmのセルロースナノファイバー(ダイセル化学製セリッシュKY−100G)を用いた以外は、実施例1と同様の方法で炭素繊維製造用プリカーサー及び炭素繊維を得た。プリカーサーを得る際のスチーム延伸工程での糸切れは全く見られず、工程通過性は良好であった。得られた炭素繊維は、耐炎化が十分に進行しており、良好な力学特性を示した。また耐炎化時間も大幅に短縮でき、生産性を高めることができた。
Example 11
A precursor for carbon fiber production and carbon fibers were obtained in the same manner as in Example 1 except that cellulose nanofibers having an average diameter of 30 nm (Cerish KY-100G manufactured by Daicel Chemical Industries) previously pulverized with a homogenizer were used. No thread breakage was observed in the steam drawing process when obtaining the precursor, and the process passability was good. The obtained carbon fiber was sufficiently flame resistant and exhibited good mechanical properties. In addition, the flameproofing time could be greatly shortened and productivity could be improved.
本発明の炭素繊維製造用プリカーサーによって、生産性良く炭素繊維を供給することができる。 Carbon fiber can be supplied with high productivity by the precursor for producing carbon fiber of the present invention.
Claims (2)
Priority Applications (1)
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JP2009172832A JP2011026731A (en) | 2009-07-24 | 2009-07-24 | Method for producing precursor for carbon fiber production |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014055381A (en) * | 2012-09-13 | 2014-03-27 | Japan Exlan Co Ltd | Acrylonitrile-based fiber and carbon material obtained by calcinating such fiber, and electrode containing such material |
WO2015143497A1 (en) * | 2014-03-28 | 2015-10-01 | The University Of Queensland | Carbon fibres from bio-polymer feedstocks |
JP2019065448A (en) * | 2017-10-03 | 2019-04-25 | 花王株式会社 | Fiber and production method thereof |
-
2009
- 2009-07-24 JP JP2009172832A patent/JP2011026731A/en active Pending
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WO2015143497A1 (en) * | 2014-03-28 | 2015-10-01 | The University Of Queensland | Carbon fibres from bio-polymer feedstocks |
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