JP2020015998A - Method for producing synthetic fiber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、溶液紡糸法を用いた合成繊維の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a synthetic fiber using a solution spinning method.
溶液紡糸法を用いて合成繊維を製造する場合、まずは紡糸原液を調製する必要があるが、大きく分けて以下の2通りがある。紡糸にて使用する溶媒を用いて重合体を溶液重合し、そのまま紡糸原液を使用する方法と、いったん懸濁重合で作製し固体状としたポリマーを、その後紡糸にて使用する溶媒に再溶解させ、紡糸原液として使用する方法である。これらの方法はコスト、所要時間、取扱性などにより適切に選択される。しかし、共に未反応のモノマーや気泡等が発生すると、合成繊維の製造工程に悪影響を及ぼすだけでなく、得られる合成繊維の品位が低下するという問題が存在した。 In the case of producing synthetic fibers using the solution spinning method, it is necessary to prepare a spinning dope first, but there are roughly the following two types. A method in which a polymer is solution-polymerized using a solvent used in spinning, and a method in which a spinning stock solution is used as it is, and a polymer which is once produced by suspension polymerization and solidified, is then redissolved in a solvent used in spinning. This method is used as a spinning solution. These methods are appropriately selected depending on cost, required time, handleability, and the like. However, when unreacted monomers and air bubbles are generated, there is a problem that not only adversely affects the production process of the synthetic fiber but also lowers the quality of the obtained synthetic fiber.
特に炭素繊維用の前駆体繊維となるアクリロニトリル系繊維を製造する場合に問題であった。アクリロニトリル系の前駆体繊維の品位低下は、工程通過性のみならず、最終的な炭素繊維の物性に大きく影響するからである。いうまでもなく炭素繊維は複合材料の強化繊維として多くの分野で注目を浴びており、強度、弾性率、耐熱性等において高い物性が必要とされている。特に前駆体繊維としては、アクリロニトリル系繊維を使用したアクリロニトリル系炭素繊維は、強度などに優れることから、複合材料用補強繊維として、スポーツ用途や航空・宇宙用途に加え、自動車、土木建築、圧力容器、風車ブレード等の一般産業用途にも幅広く展開されつつある。 In particular, this is a problem when producing acrylonitrile-based fibers that are precursor fibers for carbon fibers. This is because the deterioration of the quality of the acrylonitrile-based precursor fiber greatly affects not only the processability but also the physical properties of the final carbon fiber. Needless to say, carbon fibers have attracted attention in many fields as reinforcing fibers of composite materials, and high physical properties such as strength, elastic modulus and heat resistance are required. In particular, acrylonitrile-based carbon fiber using acrylonitrile-based fiber as the precursor fiber is excellent in strength, etc., so as a reinforcing fiber for composite materials, in addition to sports applications, aerospace applications, automobiles, civil engineering, pressure vessels , Wind turbine blades and other general industrial applications.
この前駆体繊維となるアクリロニトリル系繊維は、前述した溶液紡糸法によって得られる物であり、紡糸原液作成工程において気泡や未溶解物が発生したり、過剰な未反応物が存在した場合には、ポリアクリロニトリル系繊維の製造工程に悪影響を及ぼすだけでなく、アクリロニトリル系繊維自体の品位が低下する。そしてその後の炭素繊維を製造する過程にて欠点となり、炭素繊維の強度低下を引き起こしてしまうという問題があったのである。 The acrylonitrile-based fiber to be the precursor fiber is obtained by the solution spinning method described above, and when bubbles or undissolved substances are generated in the spinning solution preparation step, or when there is an excessive unreacted substance, This not only adversely affects the production process of the polyacrylonitrile-based fiber, but also degrades the acrylonitrile-based fiber itself. Then, there is a problem in that it becomes a defect in the subsequent process of manufacturing the carbon fiber and causes a decrease in the strength of the carbon fiber.
例えばこの問題の解消のために特許文献1等では、減圧せしめた脱気槽内で重合体溶液を分散処理し、過剰に発生した未反応物を減少させる方法が提案されている。しかし、この重合体溶液は高粘度となっており、このような処理では十分に気泡等の発生を抑制することができなかった。また、最終的に得られる合成繊維の物性が低下するという問題もあった。 For example, in order to solve this problem, Patent Literature 1 and the like propose a method of dispersing a polymer solution in a degassing tank that has been depressurized to reduce excessive unreacted substances. However, this polymer solution has a high viscosity, and such a treatment could not sufficiently suppress the generation of bubbles and the like. There is also a problem that the physical properties of the finally obtained synthetic fiber deteriorate.
本発明は、紡糸原液中の気泡や未溶解物の発生を抑制し、高品位な合成繊維の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for producing high-quality synthetic fibers by suppressing the generation of bubbles and undissolved substances in a spinning dope.
本発明の合成繊維の製造方法は、固体状のポリマーと液体状の溶媒とを最初から減圧状態に保ったまま混合、溶解して紡糸原液とし、その後紡糸、延伸することを特徴とする。 The method for producing a synthetic fiber according to the present invention is characterized in that a solid polymer and a liquid solvent are mixed and dissolved while maintaining a reduced pressure state from the beginning to form a stock spinning solution, and then spinning and drawing.
さらには、混合前のポリマーと溶媒が−0.02MPa以下の真空状態であることや、混合、溶解前のポリマーと溶媒がそれぞれ−0.02MPa以下であらかじめ脱気されていることが好ましい。また、ポリマーが粉体状またはペレット状であることが好ましく、脱気したポリマーを溶媒の融点以上〜融点+30℃で投入し、かつポリマーの溶剤への投入速度が200〜1200g/minであることが好ましい。そして、合成繊維が炭素繊維前駆体繊維であることが好ましい。 Further, it is preferable that the polymer and the solvent before mixing are in a vacuum state of −0.02 MPa or less, and the polymer and the solvent before mixing and dissolving are each degassed in advance at −0.02 MPa or less. The polymer is preferably in the form of powder or pellets, and the degassed polymer is charged at a temperature equal to or higher than the melting point of the solvent to a melting point + 30 ° C., and the charging rate of the polymer to the solvent is 200 to 1200 g / min. Is preferred. And it is preferable that a synthetic fiber is a carbon fiber precursor fiber.
本発明によれば、紡糸原液中の気泡や未溶解物の発生を抑制し、高品位な合成繊維の製造方法が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the production | generation of the bubble and the undissolved material in a spinning stock solution is suppressed, and the manufacturing method of a high quality synthetic fiber is provided.
本発明の合成繊維の製造方法は、固体状のポリマーと液体状の溶媒を最初から減圧状態に保ったまま混合、溶解して紡糸原液とし、その後紡糸、延伸する方法である。 The method for producing a synthetic fiber of the present invention is a method of mixing and dissolving a solid polymer and a liquid solvent from the beginning while maintaining a reduced pressure to form a stock spinning solution, followed by spinning and drawing.
ここでポリマーとは合成繊維に必要な重合体であり、溶媒とは紡糸の際の紡糸原液においてポリマーを溶解するものである。本発明においては、これらのポリマーと溶媒を混合する前に、それぞれが減圧状態にあることが好ましい。 Here, the polymer is a polymer necessary for the synthetic fiber, and the solvent is one that dissolves the polymer in a spinning solution during spinning. In the present invention, it is preferable that each of the polymers and the solvent is in a reduced pressure state before being mixed.
さらに本発明の製造方法においては、このようにポリマーと溶媒とを、共に−0.02MPa以下の真空状態にしておくことが好ましい。特には、ポリマーと溶媒をそれぞれ−0.02MPaであらかじめ脱気しておき、いずれにも空気を含まない状態であることが好ましい。そしてこのとき使用するポリマーの状態としては、粉体状またはペレット状であることが好ましい。 Further, in the production method of the present invention, it is preferable that both the polymer and the solvent are kept in a vacuum state of -0.02 MPa or less. In particular, it is preferable that the polymer and the solvent are each degassed in advance at -0.02 MPa, and neither of them contains air. The state of the polymer used at this time is preferably a powder or a pellet.
本発明においては、このように重合体と溶媒との混合物を減圧下にて溶解することにより、紡糸原液中における気泡の発生を、最小限に抑えることが可能となった。そして紡糸工程における毛羽、単糸切れの無い高品位な合成繊維を得ることができることとなったのである。本発明は特にアクリロニトリル系重合体からなる炭素繊維前駆体繊維において有効であり、その後の耐炎化工程、炭素化工程においても、毛羽の発生等の欠点が少なく、最終的には高強度、高品質の炭素繊維を得ることができることとなった。 In the present invention, by thus dissolving the mixture of the polymer and the solvent under reduced pressure, it has become possible to minimize the generation of bubbles in the spinning dope. As a result, a high-quality synthetic fiber having no fluff and no break in the spinning process can be obtained. The present invention is particularly effective for carbon fiber precursor fibers composed of an acrylonitrile-based polymer, and in the subsequent flame-proofing step and carbonizing step, there are few defects such as generation of fluff, and finally high strength and high quality Can be obtained.
この本発明の合成繊維の製造方法の各要件について、さらに詳しく説明する。 Each requirement of the synthetic fiber production method of the present invention will be described in more detail.
(ポリマー)
本発明の製造方法に用いられるポリマーは、繊維形成性が有れば特に限定されないが、その形状としては粉体またはペレット状であることが好ましい。粉体の大きさは直径が1000μm以下であることが、特には1〜800μmの範囲の粉体であることが好ましい。ペレットの大きさは10mm角以下、特には5mm角以下であることが好ましい。また、スラリー状のポリマーを用いることも可能であるが、紡糸原液が低粘度であるため、本発明の効果は限定的である。
(polymer)
The polymer used in the production method of the present invention is not particularly limited as long as it has a fiber-forming property, but the shape is preferably a powder or a pellet. As for the size of the powder, it is preferable that the diameter is 1000 μm or less, and it is particularly preferable that the powder be in the range of 1 to 800 μm. The size of the pellet is preferably 10 mm square or less, particularly preferably 5 mm square or less. Although a slurry polymer can be used, the effect of the present invention is limited because the spinning solution has a low viscosity.
そして本発明にて用いられるポリマーは合成繊維に紡糸することが可能な重合体であって、溶媒中に溶解して紡糸原液とすることが可能な重合体である。中でもアクリルニトリル系重合体にて、本発明は有効に活用される。 The polymer used in the present invention is a polymer that can be spun into a synthetic fiber, and is a polymer that can be dissolved in a solvent to form a spinning stock solution. In particular, the present invention is effectively used with an acrylonitrile-based polymer.
このような本発明において特に好ましく用いられるアクリロニトリル系重合体としては、アクリロニトリルを主とする重合体であって、アクリロニトリルを好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上、さらには95〜99質量%含有する重合体であることが好ましい。また、このアクリロニトリル系重合体としては、ビニル骨格を有するアクリロニトリルと共重合可能なコモノマー成分を含有することが好ましく、溶媒への溶解性を向上させることが可能となる。この時、共重合可能なコモノマー成分の含有量としては、1〜20質量%、より好ましくは1〜10質量%含有していることが好ましい。そのようなアクリロニトリルと共重合可能なコモノマーの具体例としては、例えばアクリル酸、イタコン酸等の酸類及びその塩類、アクリル酸メチル、アクリル酸エチルといったアクリル酸エステル類、アクリルアミドといったアミド類等が挙げられ、目的とする繊維特性に応じて必要な組成が採用できる。特にはアクリル酸メチルとイタコン酸を共重合することが好ましい。一方で、共重合比を高くしすぎると、例えばその後に焼成して作成される炭素繊維中には構造欠陥が増える傾向にあり、共重合比は炭素繊維構造と溶解性等を考慮して決定されるべきである。 The acrylonitrile-based polymer particularly preferably used in the present invention is a polymer containing acrylonitrile as a main component, and acrylonitrile is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, and further preferably 95 to 99% by mass. It is preferable that the polymer is contained by mass%. The acrylonitrile-based polymer preferably contains a comonomer component that can be copolymerized with acrylonitrile having a vinyl skeleton, so that solubility in a solvent can be improved. At this time, the content of the copolymerizable comonomer component is preferably 1 to 20% by mass, more preferably 1 to 10% by mass. Specific examples of such a comonomer copolymerizable with acrylonitrile include, for example, acids such as acrylic acid and itaconic acid and salts thereof, acrylates such as methyl acrylate and ethyl acrylate, and amides such as acrylamide. The required composition can be adopted according to the desired fiber characteristics. In particular, it is preferable to copolymerize methyl acrylate and itaconic acid. On the other hand, if the copolymerization ratio is too high, for example, structural defects tend to increase in carbon fibers produced by subsequent firing, and the copolymerization ratio is determined in consideration of the carbon fiber structure and solubility, etc. It should be.
ポリマーとなる重合体の分子量としては、重量平均分子量で10万以上であることが好ましく、15万から100万、特には20万から80万の範囲であることが好ましい。また、z平均分子量/重量平均分子量(Mz/Mw)の値としては、1.4より大きいことが、さらには1.5〜2.0の範囲にあることが好ましい。このMz/Mwの値を調整するために、重合度の異なった2種類以上の分量分布を持つ重合体を混合することも好ましい方法である。本発明の製造方法は、特に分子量分布に広がりを持つ場合に、特に有効である。またポリマーとしてはアクリロニトリル系重合体であることが好ましい。 The molecular weight of the polymer to be a polymer is preferably 100,000 or more by weight average molecular weight, more preferably 150,000 to 1,000,000, particularly preferably 200,000 to 800,000. The value of z-average molecular weight / weight-average molecular weight (Mz / Mw) is preferably greater than 1.4, and more preferably in the range of 1.5 to 2.0. In order to adjust the value of Mz / Mw, it is also a preferable method to mix two or more types of polymers having different molecular weight distributions with different degrees of polymerization. The production method of the present invention is particularly effective when the molecular weight distribution has a wide range. The polymer is preferably an acrylonitrile-based polymer.
そして本発明の製造方法にアクリロニトリル系重合体を用いる場合、その重合工程としては、水系懸濁重合であることが好ましい。生産性を向上させ、さらに残存モノマーの洗浄工程を簡略化することが可能となる。また水系懸濁重合の場合は、アクリロニトリル系重合体の固体を、常温状態にて容易に得ることができる。溶媒とアクリロニトリル系重合体との混合が、行いやすくなるのである。 When an acrylonitrile-based polymer is used in the production method of the present invention, the polymerization step is preferably aqueous suspension polymerization. It is possible to improve the productivity and simplify the washing step of the residual monomer. In the case of aqueous suspension polymerization, an acrylonitrile polymer solid can be easily obtained at room temperature. Mixing of the solvent with the acrylonitrile-based polymer becomes easier.
(溶媒)
ここで本発明に用いる溶媒としては、上記の繊維形成性のあるポリマーを溶解して紡糸原液となるものである。例えばポリマーとしてアクリロニトリル系重合体を用いる場合には、塩化亜鉛水溶液などの水溶液、および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媒が挙げられる。溶媒は目的に応じて適宜選択することができるが、本発明では有機溶媒を用いることが、特にはジメチルスルホキシドを用いることが好ましい。中でもポリマーとしてアクリロニトリル系重合体を採用した場合、共重合比を低くすることが可能となり、繊維の構造欠陥が抑制され、最終的に得られる炭素繊維の高強度化が可能となる。また、特に乾湿式紡糸法を採用しポリマー濃度を高くした場合には、未溶解物が発生しやすくなるという問題があった。しかし、溶解性の高い溶媒、例えばジメチルスルホキシドを用いることによって、そのような未溶解物をより減少させることが可能となった。
(solvent)
Here, the solvent used in the present invention is a solvent that dissolves the above-mentioned fiber-forming polymer and becomes a spinning stock solution. For example, when an acrylonitrile-based polymer is used as the polymer, an aqueous solution such as an aqueous zinc chloride solution and an organic solvent such as dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, and dimethylformamide can be used. The solvent can be appropriately selected according to the purpose, but in the present invention, it is preferable to use an organic solvent, and particularly preferable to use dimethyl sulfoxide. In particular, when an acrylonitrile-based polymer is employed as the polymer, the copolymerization ratio can be reduced, the structural defects of the fiber are suppressed, and the strength of the finally obtained carbon fiber can be increased. In addition, when the dry-wet spinning method is employed to increase the polymer concentration, there is a problem that undissolved matter is easily generated. However, by using a highly soluble solvent such as dimethyl sulfoxide, it has become possible to further reduce such undissolved substances.
(紡糸原液調製工程)
本発明の合成繊維の製造方法では、上記のような固体状のポリマーを用いて、さらに固体状のポリマーと液体状の溶媒とを最初から減圧状態に保ったまま混合、溶解して、紡糸原液とする紡糸原液調製工程が非常に重要である。また本発明では、混合前のポリマーと溶媒をそれぞれ−0.02MPaであらかじめ脱気しておき、いずれにも空気を含まない状態を保つことが好ましい。ポリマーの脱気時間としては5分以上が好ましく、さらには10〜90分の範囲であることが、特には30〜60分の範囲内であることが好ましい。さらにこの減圧条件としては−0.10〜−0.02MPaの圧力下の条件であることが好ましい。本発明とは異なり、あらかじめポリマーを脱気しておかない場合、溶解後の脱泡に長時間を要するばかりか、目視では脱泡の完了は確認できないため、完全な除去は困難となる。
(Spinning stock solution preparation process)
In the synthetic fiber production method of the present invention, using the solid polymer as described above, further mixing and dissolving the solid polymer and the liquid solvent while maintaining the reduced pressure state from the beginning, the spinning stock solution Is very important. Further, in the present invention, it is preferable that the polymer and the solvent before mixing are each degassed at −0.02 MPa in advance, and that the air and the air are not contained in any of them. The deaeration time of the polymer is preferably 5 minutes or more, more preferably 10 to 90 minutes, and particularly preferably 30 to 60 minutes. Further, it is preferable that the pressure reducing condition is a condition under a pressure of −0.10 to −0.02 MPa. Unlike the present invention, when the polymer is not degassed in advance, it takes a long time for defoaming after dissolution, and complete degassing cannot be confirmed by visual observation, so that complete removal becomes difficult.
このような脱気したポリマーを溶媒と混合する際には、溶媒の温度としては、融点以上から融点+30℃以下、さらには融点以上から融点+20℃以下とすることが好ましいさらに好ましくは、融点から5〜10℃高い温度とすることが好ましい。 When such a degassed polymer is mixed with a solvent, the temperature of the solvent is preferably from the melting point to the melting point + 30 ° C. or less, more preferably from the melting point to the melting point + 20 ° C. or less, more preferably from the melting point. Preferably, the temperature is 5 to 10 ° C. higher.
実際に重合に用いる際の溶媒や紡糸原液の温度としては、具体的には20〜45℃の範囲が好ましい。紡糸原液の温度を溶媒の融点以下とすると溶媒が固体となり、攪拌機の動力負荷が大きくなり、特別な攪拌機が必要となる。また必要以上に高い温度とすると、ポリマーを溶媒に投入した段階でポリマーの溶解がすぐに始まり、溶媒中に均一に分散せずに塊となる場合がある。このような塊が一旦発生すると、溶媒中に均一に重合体を溶解することが困難となる。 Specifically, the temperature of the solvent or the spinning solution used in the polymerization is preferably in the range of 20 to 45 ° C. When the temperature of the spinning solution is lower than the melting point of the solvent, the solvent becomes solid, the power load of the stirrer increases, and a special stirrer is required. If the temperature is higher than necessary, the dissolution of the polymer starts immediately at the stage when the polymer is charged into the solvent, and the polymer may not be uniformly dispersed in the solvent and may form a lump. Once such lumps are generated, it becomes difficult to uniformly dissolve the polymer in the solvent.
ポリマーの溶媒への投入速度としては、200〜1200g/minが好ましく、さらには200〜600g/minの範囲であることが好ましい。投入速度が遅いと紡糸原液調製時間が長くなり、生産性の観点で問題がある。投入速度が速すぎると、ポリマーが溶媒中に均一に分散せず塊となり、溶媒中に均一に溶解することが困難となる。 The charging rate of the polymer into the solvent is preferably from 200 to 1200 g / min, and more preferably from 200 to 600 g / min. If the charging speed is low, the spinning dope preparation time becomes long, and there is a problem in terms of productivity. If the charging rate is too high, the polymer is not uniformly dispersed in the solvent but forms a lump, and it is difficult to uniformly dissolve the polymer in the solvent.
紡糸原液を調整する際の重合体の濃度は特に限定されないが、好ましくは15〜40質量%、より好ましくは16〜26質量%である。重合体濃度が高いことにより、良好な生産性が得られるとともに、紡糸工程にて、繊維内部が緻密である凝固糸を得ることができる。逆に重合体濃度が高すぎると、溶媒への溶解が進まず、ゲル状の塊が発生しやすい状態となる。そして本発明の製造方法において、十分に脱気されたかどうかを確認するには、紡糸原液となるドープを少量抜き出して光学顕微鏡にて観察することが好ましい。 The concentration of the polymer at the time of preparing the spinning solution is not particularly limited, but is preferably 15 to 40% by mass, and more preferably 16 to 26% by mass. When the polymer concentration is high, good productivity can be obtained, and a coagulated yarn in which the inside of the fiber is dense can be obtained in the spinning step. Conversely, if the polymer concentration is too high, the dissolution in the solvent does not proceed, and a gel-like mass is likely to be generated. In the production method of the present invention, it is preferable to extract a small amount of the dope as a spinning dope and observe it with an optical microscope in order to confirm whether or not the deaeration is sufficient.
(紡糸工程)
本発明の製造方法における紡糸工程としては、気相中で紡糸原液を凝固させる乾式紡糸法、凝固液中で紡糸原液を凝固させる湿式紡糸法、あるいは気相と凝固液を用いる乾湿式紡糸法を用いて行うことができる。中でも溶液中にて繊維を凝固させる湿式紡糸法や乾湿式紡糸法において、本発明の製造方法は効果的である。
(Spinning process)
As the spinning step in the production method of the present invention, a dry spinning method of coagulating a spinning solution in a gas phase, a wet spinning method of coagulating a spinning solution in a coagulation solution, or a dry-wet spinning method using a gas phase and a coagulation solution is used. It can be performed using: In particular, the production method of the present invention is effective in a wet spinning method or a dry-wet spinning method in which fibers are coagulated in a solution.
さらにその具体的な態様に関し、特に炭素繊維前駆体繊維を製造する場合について、以下にその詳細を述べる。 Further, with respect to specific embodiments thereof, the details of the case of producing carbon fiber precursor fibers will be described below.
この場合、上記のように調製した紡糸原液は、ポリアクリルニトリル系重合体をポリマーとして含有する紡糸原液となる。そしてその紡糸原液を、紡糸、延伸し、炭素繊維前駆体繊維とする製造方法である。 In this case, the spinning dope prepared as described above becomes a spinning dope containing a polyacrylonitrile-based polymer as a polymer. The spinning solution is spun and drawn to produce a carbon fiber precursor fiber.
紡糸方法としては公知の方法を用いることができ、一般的には、紡糸原液を紡糸口金から紡出する方法である。より具体的な紡糸方法としては、用いた溶媒の種類や用途などに応じて、気相中で紡糸原液を凝固させる乾式紡糸法、凝固液中で紡糸原液を凝固させる湿式紡糸法、あるいは気相と凝固液を用いる乾湿式紡糸法を挙げることができる。 As the spinning method, a known method can be used, and generally, a spinning solution is spun from a spinneret. More specific spinning methods include a dry spinning method in which the spinning solution is coagulated in a gas phase, a wet spinning method in which the spinning solution is coagulated in a coagulation solution, or a gas phase, depending on the type and use of the solvent used. And a dry-wet spinning method using a coagulation liquid.
その際のポリアクリルニトリル系重合体の溶媒としては、ジメチルスルホキシドを用いることが好ましい。特に乾湿式紡糸法を用いる場合には、湿式紡糸法と比較して紡糸原液粘度を高くする必要があり、溶解性の高い、ジメチルスルホキシドを用いることが好ましい。溶解性の高さから含有濃度の自由度も高く、より幅広い粘度制御が可能となる。また、紡糸原液の粘度を低く保つことが容易となり、紡糸原液作製後の完全な脱泡行いやすく、本発明がより効果的である。 In this case, dimethyl sulfoxide is preferably used as a solvent for the polyacrylonitrile polymer. In particular, when the dry-wet spinning method is used, it is necessary to increase the viscosity of the spinning solution as compared with the wet spinning method, and it is preferable to use dimethyl sulfoxide having high solubility. Because of the high solubility, the degree of freedom of the content concentration is high, and a wider range of viscosity control is possible. Further, it is easy to keep the viscosity of the spinning stock solution low, and it is easy to completely remove bubbles after preparing the spinning stock solution, and the present invention is more effective.
(凝固工程)
湿式、または乾湿式の紡糸方法を採用する場合、その紡糸後の凝固浴に用いられる凝固液としては、水溶液であることが好ましく、あるいは有機溶剤を含有した水溶液であることが好ましい。より具体的には、例えば、塩化亜鉛水溶液、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が挙げられる。特に凝固液がジメチルスルホキシドであることが、ジメチルスルホキシドの融点の範囲が室温付近にあることもあり好ましい。
(Solidification process)
When a wet or dry-wet spinning method is employed, the coagulation liquid used in the coagulation bath after the spinning is preferably an aqueous solution or an aqueous solution containing an organic solvent. More specifically, examples include an aqueous zinc chloride solution, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide and the like. Particularly, the coagulating liquid is preferably dimethyl sulfoxide, since the melting point of dimethyl sulfoxide may be around room temperature.
紡糸原液を押し出すための紡糸口金は、100〜100000の吐出孔を備えることが好ましく、1000〜8000の吐出孔を備えることがより好ましく、3000〜50000の吐出孔を備えることが特に好ましい。該口金の吐出孔の孔径は0.02〜0.5mmである。孔径が0.02mm以上であれば、吐出された糸同士の接着が起こりにくいので、均質性に優れたアクリロニトリル系繊維を得ることができる。孔径が0.5mm以下であれば、紡糸糸切れの発生を抑制し、紡糸安定性が維持できる。 The spinneret for extruding the spinning dope preferably has 100 to 100,000 discharge holes, more preferably 1000 to 8000 discharge holes, and particularly preferably 3000 to 50,000 discharge holes. The diameter of the discharge hole of the die is 0.02 to 0.5 mm. If the pore size is 0.02 mm or more, the adhesion between the discharged yarns is unlikely to occur, so that acrylonitrile-based fibers having excellent homogeneity can be obtained. When the pore diameter is 0.5 mm or less, occurrence of spun yarn breakage is suppressed, and spinning stability can be maintained.
次いで、上記方法で得られた凝固糸に対して、水洗及び延伸処理を行うことが好ましい。延伸方法は特に湿式紡糸法または乾湿式紡糸法を採用する場合には、凝固浴または水洗浴中で行うことが好ましい。このような浴中での延伸の最高温度としては、60〜100℃の範囲にすることが好ましく、70〜100℃の範囲がより好ましく、80〜100℃が特に好ましい。延伸倍率としては10〜20倍、特には13〜17倍であることが好ましい。本発明においては紡糸原液に気泡がないので、さらに高倍率延伸が可能になった。 Next, the coagulated yarn obtained by the above method is preferably subjected to washing and drawing. The stretching method is preferably performed in a coagulation bath or a washing bath, particularly when a wet spinning method or a dry-wet spinning method is employed. The maximum temperature for stretching in such a bath is preferably in the range of 60 to 100 ° C, more preferably in the range of 70 to 100 ° C, and particularly preferably in the range of 80 to 100 ° C. The stretching ratio is preferably 10 to 20 times, particularly preferably 13 to 17 times. In the present invention, since the spinning dope has no air bubbles, it is possible to draw at a higher magnification.
上記方法で得られた延伸糸は、次いで、油剤付与工程で油剤が付与されることが好ましい。油剤を付与する方法は特に限定はされないが、油剤を含有する水溶液中に糸条を浸漬させて、繊維表面と油剤とを接触させる方法等を採用することができる。油剤の種類は、単繊維間の接着、耐熱性、離形性、工程通過性の点からシリコーン系油剤を主成分とすることが好ましい。 The drawn yarn obtained by the above method is preferably applied with an oil agent in an oil agent applying step. The method of applying the oil agent is not particularly limited, but a method of dipping the yarn in an aqueous solution containing the oil agent to bring the fiber surface into contact with the oil agent or the like can be employed. The type of the oil agent is preferably a silicone oil agent as a main component from the viewpoint of adhesion between single fibers, heat resistance, releasability, and process passability.
本発明で好ましく用いられるシリコーン系油剤としては、アミノ変性シリコーン、エポキシ変性シリコーン、エーテル変性シリコーンが好ましく、これらのうち2種以上を混合しても良い。また、油剤付着量は繊維重量に対して0.01〜10.0wt%であることが好ましく、0.1〜5.0wt%であることがより好ましく、0.2〜1.0wt%であることが特に好ましい。油剤付着量をこの範囲に制御することで、紡糸工程及びその後の耐炎化工程での糸切れ、毛羽の発生を効率的に抑制し、高品質の炭素繊維前駆体繊維および炭素繊維を得ることができる。油剤の付着量が少ないと、繊維表面に十分に油剤が付着しないため、紡糸工程及びその後の耐炎化工程での糸切れ、毛羽の発生が多くなりやすい傾向があり、一方、油剤の付着量が多すぎると、紡糸工程や耐炎化工程の繊維搬送ローラーやガイドなどの表面に堆積して、繊維が巻付いて断糸の要因になるといった問題が発生しやすくなる傾向がある。 As the silicone oil agent preferably used in the present invention, amino-modified silicone, epoxy-modified silicone and ether-modified silicone are preferable, and two or more of these may be mixed. Further, the oil agent adhesion amount is preferably 0.01 to 10.0 wt%, more preferably 0.1 to 5.0 wt%, and more preferably 0.2 to 1.0 wt% with respect to the fiber weight. Is particularly preferred. By controlling the amount of the oil agent adhered in this range, yarn breakage in the spinning step and the subsequent flameproofing step, generation of fluff can be efficiently suppressed, and high-quality carbon fiber precursor fibers and carbon fibers can be obtained. it can. If the amount of the oil agent is small, the oil agent does not sufficiently adhere to the fiber surface, so that yarn breakage and fuzz in the spinning step and the subsequent flame-proofing step tend to increase, and on the other hand, the amount of the oil agent If the amount is too large, it tends to accumulate on the surface of a fiber transporting roller or a guide in a spinning step or a flame-proofing step, causing a problem that fibers are wound and cause a yarn breakage.
油剤付与工程において、油剤が付与された延伸糸に対して、さらなる延伸処理(後延伸処理)を行ってもよい。この後延伸工程の延伸方法は特に制限されないが、スチーム延伸であることが好ましい。スチーム延伸処理を行う場合、飽和スチーム圧力は、0.15〜0.8MPaとすることが好ましい。 In the oil agent application step, a further stretching process (post-stretching process) may be performed on the drawn yarn to which the oil agent has been applied. The stretching method in the subsequent stretching step is not particularly limited, but is preferably steam stretching. When performing the steam stretching treatment, the saturated steam pressure is preferably set to 0.15 to 0.8 MPa.
スチーム延伸処理での延伸倍率は1.5〜10倍であることが好ましく、より好ましくは、1.8〜5倍、更に好ましくは、2.0〜3.0倍である。スチーム延伸処理の温度は、105〜200℃が好ましく、110〜180℃がより好ましい。 The stretching ratio in the steam stretching treatment is preferably 1.5 to 10 times, more preferably 1.8 to 5 times, and still more preferably 2.0 to 3.0 times. The temperature of the steam stretching treatment is preferably from 105 to 200C, more preferably from 110 to 180C.
延伸倍率は、紡糸直後の湿潤延伸等や、乾燥・後延伸処理を通してのトータル延伸倍率として10〜20倍とすることが好ましく、13〜17倍とすることがより好ましい。スチーム延伸処理後の前駆体繊維の繊度としては0.5〜1.7dtexとすることが好ましい。 The stretching ratio is preferably 10 to 20 times, more preferably 13 to 17 times, as a total stretching ratio through wet stretching or the like immediately after spinning or through drying and post-stretching. The fineness of the precursor fiber after the steam drawing treatment is preferably 0.5 to 1.7 dtex.
上記のような本発明の合成繊維の製造方法によって、紡糸原液中の気泡の発生を抑制することができるため、紡糸工程での毛羽、単糸切れの無い高品位な合成繊維を得ることができる。 The production method of the synthetic fiber of the present invention as described above can suppress the generation of bubbles in the spinning dope, so that a high-quality synthetic fiber without fluff and single yarn breakage in the spinning process can be obtained. .
そしてこの本発明の合成繊維の製造方法によって、特にアクリロニトリル系などの炭素繊維用の前駆体繊維を得た場合には、その後酸化性雰囲気中にて180〜300℃の耐炎化処理を行うことによって耐炎繊維とすることができる。さらにその耐炎繊維について、不活性雰囲気中において400〜2000℃の炭化処理を行うことによって炭素繊維とすることができる。この本発明の製造方法によって得られた合成繊維が炭素繊維用前駆体繊維であった場合には、それを用いて得た耐炎繊維や炭素繊維は、融着が無く、工程途中での糸切れの少ない高品質な繊維であって、本発明の製造方法によって、より効率的に製造できるものとなる。 And when the precursor fiber for carbon fiber such as acrylonitrile is obtained by the method for producing a synthetic fiber of the present invention, in particular, by performing a flame-resistant treatment at 180 to 300 ° C. in an oxidizing atmosphere. It can be a flame resistant fiber. Further, the flame-resistant fiber can be converted into a carbon fiber by performing a carbonization treatment at 400 to 2000 ° C. in an inert atmosphere. When the synthetic fiber obtained by the production method of the present invention is a precursor fiber for carbon fiber, the flame-resistant fiber or carbon fiber obtained by using the same does not have fusion, and the yarn breaks during the process. High-quality fiber with a small number of fibers, which can be produced more efficiently by the production method of the present invention.
以下、実施例等をあげて本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例等によって何等限定されるものではない。また、各実施例及び比較例における各種評価は以下の方法により実施した。 Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to examples and the like, but the present invention is not limited to these examples and the like. Various evaluations in the examples and comparative examples were performed by the following methods.
(1)紡糸原液中の気泡評価
紡糸原液作成後に紡糸原液を抜き取り、光学顕微鏡により400倍の倍率で観察を行い、気泡の有無を確認した。
(1) Evaluation of air bubbles in the spinning stock solution After the spinning stock solution was prepared, the spinning stock solution was extracted and observed at 400 times magnification with an optical microscope to confirm the presence or absence of air bubbles.
(2)粘度
紡糸原液を300mLビーカーに移し入れ、紡糸原液温度が50℃になるように恒温槽で調温し、回転粘度計であるリオン株式会社製ビスコテスタVT−04Fを用いて粘度を測定した。
(2) Viscosity The spinning stock solution was transferred into a 300 mL beaker, the temperature was adjusted in a thermostat so that the spinning stock temperature became 50 ° C., and the viscosity was measured using a viscometer VT-04F manufactured by Rion Co., Ltd., which is a rotational viscometer. .
(3)単糸切れ
ポリアクリロニトリル繊維束の1mあたりの単糸切れ数を10回測定し、平均した。なお測定サンプルの繊維束を構成するフィラメント数として、24000本になるように換算した。
(3) Single yarn break The number of single yarn breaks per 1 m of the polyacrylonitrile fiber bundle was measured 10 times and averaged. The number of filaments constituting the fiber bundle of the measurement sample was converted to 24000.
(実施例1)
ジメチルスルホキシド(融点18.5℃)を原液タンクに投入し、25℃となるように温度調整、撹拌し、系内の圧力をー0.095MPaまで減圧した。続いて原液タンクにボールバルブを介して設置したホッパーに平均粒径100μmの粉体状のアクリロニトリル共重合体をアクリロニトリル系重合体が20質量%の割合となるように投入し、ホッパー内を−0.095MPaに保ち、10分間脱気した。使用したポリアクリロニトリル共重合体は重量平均分子量(Mw)=42万、z平均分子量/重量平均分子量(Mz/Mw)=1.7、アクリロニトリル95質量%、アクリル酸メチル4質量%、イタコン酸1質量%からなるものであった。
(Example 1)
Dimethyl sulfoxide (melting point: 18.5 ° C.) was charged into a stock solution tank, the temperature was adjusted to 25 ° C., and the mixture was stirred, and the pressure in the system was reduced to −0.095 MPa. Subsequently, a powdery acrylonitrile copolymer having an average particle size of 100 μm was charged into a hopper set in the stock solution tank via a ball valve so that the acrylonitrile-based polymer was in a proportion of 20% by mass, and the inside of the hopper was −0. 0.095 MPa and degassed for 10 minutes. The polyacrylonitrile copolymer used had a weight average molecular weight (Mw) of 420,000, a z average molecular weight / weight average molecular weight (Mz / Mw) of 1.7, acrylonitrile 95% by mass, methyl acrylate 4% by mass, and itaconic acid 1 % By mass.
次に原液タンク、ホッパー、共に減圧状態のまま、ポリマーの投入速度が300g/minとなるようにボールバルブの開度を調整し、原液タンク中のジメチルスルホキシドにホッパー中のポリアクリロニトリルを投入した。 Next, while the stock solution tank and the hopper were both kept under reduced pressure, the opening degree of the ball valve was adjusted so that the polymer feeding speed was 300 g / min, and polyacrylonitrile in the hopper was fed into dimethyl sulfoxide in the stock solution tank.
そのまま系内の圧力を−0.095MPaに減圧した状態で撹拌しながら、80℃まで昇温し、紡糸原液を作成した。得られた紡糸原液の粘度は50℃において430poiseであり、紡糸原液中には、気泡及びアクリロニトリル系重合体の溶け残りは見られなかった。 The temperature was raised to 80 ° C. while stirring while the pressure in the system was reduced to −0.095 MPa to prepare a spinning stock solution. The viscosity of the obtained spinning dope was 430 poise at 50 ° C., and no air bubbles and undissolved acrylonitrile-based polymer were found in the spinning dope.
紡糸原液を原液タンク底部より抜出し、得られた紡糸原液を孔径150μm、孔数3000の紡糸口金より吐出し、紡糸口金と凝固液面との距離を10mmとし、凝固液中にて凝固させる乾湿式紡糸を行い、凝固糸を得た。この凝固糸はその後水洗槽中で脱溶媒するとともに4.0倍に延伸し、その後シリコーン系油剤浴中に浸漬して油剤を付与した。そして加熱ローラーにより乾燥し、圧力0.25MPaの水蒸気中で3.0倍の後延伸を行い、アクリロニトリル系繊維束を得た。 A spin-drying solution is withdrawn from the bottom of the stock solution tank, the obtained spinning solution is discharged from a spinneret having a hole diameter of 150 μm and a number of holes of 3,000, and the distance between the spinneret and the surface of the coagulating liquid is set to 10 mm. Spinning was performed to obtain a coagulated yarn. The coagulated yarn was then desolvated in a water washing tank and stretched 4.0 times, and then immersed in a silicone oil bath to apply an oil. Then, it was dried by a heating roller and post-stretched 3.0 times in steam at a pressure of 0.25 MPa to obtain an acrylonitrile fiber bundle.
得られたアクリロニトリル系繊維束は単糸切れ数がゼロの高品位のアクリルニトリル系繊維であった。 The obtained acrylonitrile-based fiber bundle was a high-grade acrylonitrile-based fiber with zero breakage of single yarn.
(実施例2)
実施例1にてポリマー投入時の溶媒温度を25℃から40℃に上げた以外は、実施例1と同様の方法にて、炭素繊維前駆体用アクリロニトリル系繊維を得た。紡糸前の紡糸原液中には、気泡及びアクリロニトリル系重合体の溶け残りは見られておらず、さらに得られたアクリロニトリル系繊維束は単糸切れ数がゼロの高品位のアクリルニトリル系繊維であった。
(Example 2)
An acrylonitrile-based fiber for a carbon fiber precursor was obtained in the same manner as in Example 1, except that the solvent temperature at the time of charging the polymer was increased from 25 ° C to 40 ° C in Example 1. No air bubbles and undissolved acrylonitrile-based polymer were found in the spinning solution before spinning, and the obtained acrylonitrile-based fiber bundle was a high-quality acrylonitrile-based fiber with no single yarn breakage. Was.
なお実施例2から、さらに温度を上げて60℃で溶解工程を行ったところ、ダマができて完全にはポリマーを溶解することができなかったため、その後の紡糸は行わなかった。 In addition, from Example 2, when the dissolving step was performed at 60 ° C. with the temperature further increased, the spinning was not performed because the polymer was not completely dissolved due to the formation of lumps.
(実施例3)
実施例1にて系内の圧力を−0.095MPaから−0.070MPaに変更した以外は実施例1と同様の方法にて、炭素繊維前駆体用のアクリロニトリル系繊維を得た。
(Example 3)
An acrylonitrile fiber for a carbon fiber precursor was obtained in the same manner as in Example 1 except that the pressure in the system was changed from -0.095 MPa to -0.070 MPa in Example 1.
紡糸前の紡糸原液中には、気泡及びアクリロニトリル系重合体の溶け残りは見られておらず、さらに得られたアクリロニトリル系繊維束は単糸切れ数がゼロの高品位のアクリルニトリル系繊維であった。 No air bubbles and undissolved acrylonitrile-based polymer were found in the spinning solution before spinning, and the obtained acrylonitrile-based fiber bundle was a high-quality acrylonitrile-based fiber with no single yarn breakage. Was.
(実施例4)
実施例1にてポリマーの原液タンクへの投入速度を300g/minから600g/minに変更した以外は、実施例1と同様の方法にて、炭素繊維前駆体用のアクリロニトリル系繊維を得た。
(Example 4)
An acrylonitrile fiber for a carbon fiber precursor was obtained in the same manner as in Example 1, except that the charging rate of the polymer into the stock solution tank was changed from 300 g / min to 600 g / min in Example 1.
紡糸前の紡糸原液中には、気泡及びアクリロニトリル系重合体の溶け残りは見られておらず、さらに得られたアクリロニトリル系繊維束は単糸切れ数がゼロの高品位のアクリルニトリル系繊維であった。 No air bubbles and undissolved acrylonitrile-based polymer were found in the spinning solution before spinning, and the obtained acrylonitrile-based fiber bundle was a high-quality acrylonitrile-based fiber with no single yarn breakage. Was.
なお実施例4から、さらにポリマー投入速度を上げて溶解工程を行ったところ、ダマができて完全にはポリマーを溶解することができなかったため、その後の紡糸は行わなかった。 In addition, from Example 4, when the dissolving step was performed by further increasing the polymer charging rate, the spinning was not performed because the lumps were formed and the polymer could not be completely dissolved.
(比較例1)
実施例1にて系内の圧力を0.00MPa(常圧)とした以外は実施例1と同様の方法にて、炭素繊維前駆体用アクリロニトリル系繊維を得た。得られた紡糸原液中には直径2μm〜40μmの気泡が見られており、紡糸は実施しなかった。
(Comparative Example 1)
An acrylonitrile-based fiber for a carbon fiber precursor was obtained in the same manner as in Example 1, except that the pressure in the system was changed to 0.00 MPa (normal pressure). Bubbles having a diameter of 2 μm to 40 μm were observed in the obtained spinning dope, and spinning was not performed.
その後引き続き、原液調製終了後の系内の圧力を0.00MPa(常圧)から−0.095MPaまで脱気したが、紡糸原液中には直径2μm〜20μmの気泡が残存しており、紡糸の実施は中止した。 Subsequently, the pressure in the system after the preparation of the stock solution was degassed from 0.00 MPa (normal pressure) to −0.095 MPa. However, bubbles having a diameter of 2 μm to 20 μm remained in the stock solution for spinning. Implementation was discontinued.
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