碳纤维前体用处理剂、碳纤维前体及耐火纤维的制造方法

技术领域

本发明涉及碳纤维前体用处理剂、碳纤维前体及耐火纤维的制造方法。

背景技术

碳纤维或耐火纤维一般作为例如与环氧树脂等基体树脂组合而成的碳纤维复合材料或阻燃·防火材料而被广泛用于建材、传输设备等各领域中。例如，碳纤维中，作为碳纤维前体，经过例如对丙烯酸纤维进行纺丝的工序、将纤维拉伸的工序、耐火工序以及碳化工序来制造。对于碳纤维前体，为了抑制在碳纤维的制造工序中产生的纤维间的胶着或溶解，有时使用碳纤维前体用处理剂。

以往已知有专利文献1中所公开的碳纤维前体用处理剂。专利文献1中公开了一种碳纤维前体用处理剂，其中，相对于含有特定的氨基改性聚硅氧烷的硅油剂与由特定的低级脂肪族单羧酸形成的油剂以及特定的非离子系乳化剂的混合物100重量份，含有0.2～10重量份的氨基羧酸物质。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平6-220722号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，现有的碳纤维前体用处理剂具有在耐火工序中产生炉的污染以及所得到的耐火纤维产生毛刺的问题。

本发明所要解决的课题在于提供能够抑制耐火炉的污染和耐火纤维的毛刺的碳纤维前体用处理剂、碳纤维前体以及耐火纤维的制造方法。

用于解决课题的手段

本发明人为了解决上述课题进行的研究，结果发现，将pH限定在特定范围、并且将低分子量硅氧烷的浓度限定在特定值以下的碳纤维前体用处理剂是恰好合适的。

为了解决上述课题，本发明的一个方式的碳纤维前体用处理剂是含有硅酮的碳纤维前体用处理剂，其特征在于，上述碳纤维前体用处理剂的1质量％水稀释液在25℃的pH为4.0以上且为10.0以下，利用气相色谱质谱法求出的上述碳纤维前体用处理剂中的低分子量硅氧烷的浓度为6.9质量％以下。

在上述碳纤维前体用处理剂中，由下述耐火处理前硅强度(K1)和下述耐火处理后硅强度(K2)求出的硅强度比K2/K1优选大于0.4。

耐火处理前硅强度(K1)表示通过荧光X射线元素分析由附着有上述碳纤维前体用处理剂的碳纤维前体测定出的硅强度。

耐火处理后硅强度(K2)表示通过荧光X射线元素分析由对于附着有上述碳纤维前体用处理剂的上述碳纤维前体进行耐火处理而得到的耐火丝测定出的硅强度。

在上述碳纤维前体用处理剂中，上述硅强度比K2/K1优选满足0.5～0.95。

在上述碳纤维前体用处理剂中，优选进一步包含非离子表面活性剂。

在上述碳纤维前体用处理剂中，优选上述非离子表面活性剂包含支链醇的环氧烷加成物。

在上述碳纤维前体用处理剂中，上述硅酮优选包含氨基改性硅酮。

用于解决上述课题的本发明另一方式的碳纤维前体的特征在于，其附着有上述碳纤维前体用处理剂。

用于解决上述课题的本发明另一方式的耐火纤维的制造方法的特征在于，对上述碳纤维前体进行耐火处理。

发明的效果

根据本发明，能够抑制耐火炉的污染和耐火纤维的毛刺。

具体实施方式

(第1实施方式)

下面对具体说明本发明的碳纤维前体用处理剂(以下也简称为处理剂)的第1实施方式进行说明。本实施方式的处理剂含有硅酮，处理剂的1质量％水稀释液在25℃的pH为4.0以上且为10.0以下，通过气相色谱质谱法求出的处理剂中的低分子量硅氧烷的浓度为6.9质量％以下。处理剂中的硅酮的含量例如为30质量％以上、40质量％以上、50质量％以上、55质量％以上、60质量％以上、70质量％以上、72质量％以上、75质量％以上、或者80质量％以上。另外，处理剂中的硅酮的含量例如为85质量％以下、80质量％以下、75质量％以下、72质量％以下、70质量％以下、60质量％以下、55质量％以下、50质量％以下、或者40质量％以下。

通过混配硅酮，可发挥出本发明的效果、特别是抑制耐火纤维的毛刺。作为硅酮的具体例，例如可以举出二甲基硅酮、苯基改性硅酮、氨基改性硅酮、酰胺改性硅酮、聚醚改性硅酮、氨基聚醚改性硅酮、烷基改性硅酮、烷基芳烷基改性硅酮、烷基聚醚改性硅酮、酯改性硅酮、环氧改性硅酮、甲醇改性硅酮、巯基改性硅酮、聚氧化烯改性硅酮等。硅酮可以单独使用一种硅酮，或者可以将2种以上的硅酮适宜地组合使用。这些之中，优选氨基改性硅酮。通过应用氨基改性硅酮，在耐火工序后进一步进行碳化工序的情况下，能够抑制碳化炉的污染。

硅酮在25℃的运动粘度没有特别限制，优选为200mm

本实施方式的处理剂优选进一步含有非离子表面活性剂。处理剂中的非离子表面活性剂的含量例如为14质量％以上、14.5质量％以上、19质量％以上、24.2质量％以上、25质量％以上、29质量％以上、37质量％以上、38质量％以上、40质量％以上、49.9质量％以上、50质量％以上、或者58质量％以上。另外，处理剂中的非离子表面活性剂的含量例如为69.5质量％以下、58质量％以下、50质量％以下、49.9质量％以下、40质量％以下、38质量％以下、37质量％以下、29质量％以下、25质量％以下、24.2质量％以下、19质量％以下、14.5质量％以下。通过混配非离子表面活性剂，处理剂被乳化，处理性、附着性提高。作为用于本实施方式的处理剂的非离子表面活性剂，可以适宜地采用公知的试剂。非离子表面活性剂的种类例如可以举出在醇类或羧酸类上加成环氧烷而成的化合物、羧酸类与多元醇的酯化合物、在羧酸类与多元醇的酯化合物上加成环氧烷而成的醚-酯化合物等。

关于作为非离子表面活性剂的原料使用的醇类的具体例，例如可以举出：(1)甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、辛醇、壬醇、癸醇、十一醇、十二醇、十三醇、十四醇、十五醇、十六醇、十七醇、十八醇、十九醇、二十醇、二十一醇、二十二醇、二十三醇、二十四醇、二十五醇、二十六醇、二十七醇、二十八醇、二十九醇、三十醇等直链烷基醇；(2)异丙醇、异丁醇、异己醇、2-乙基己醇、异壬醇、异癸醇、异十二醇、异十三醇、异十四醇、异三十醇、异十六醇、异十七醇、异十八醇、异十九醇、异二十醇、异二十一醇、异二十二醇、异二十三醇、异二十四醇、异二十五醇、异二十六醇、异二十七醇、异二十八醇、异二十九醇、异十五醇等支链烷基醇；(3)十四碳烯醇、十六碳烯醇、十七碳烯醇、十八碳烯醇、十九碳烯醇等直链烯基醇；(4)异十六碳烯醇、异十八碳烯醇等支链烯基醇；(5)环戊醇、环己醇等环状烷基醇；(6)苯酚、苯甲醇、单苯乙烯化苯酚、二苯乙烯化苯酚、三苯乙烯化苯酚等芳香族系醇；等等。

关于作为非离子表面活性剂的原料使用的羧酸类的具体例，例如可以举出：(1)辛酸、壬酸、癸酸、十一酸、十二酸、十三酸、十四酸、十五酸、十六酸、十七酸、十八酸、十九酸、二十酸、二十一酸、山嵛酸等直链烷基羧酸；(2)2-乙基己酸、异十二酸、异十三酸、异十四酸、异十六酸、异十八酸等支链烷基羧酸；(3)十八碳烯酸、十八碳二烯酸、十八碳三烯酸等直链烯基羧酸；(4)苯甲酸等芳香族系羧酸；等等。

关于作为非离子表面活性剂的原料使用的环氧烷的具体例，例如可以举出环氧乙烷、环氧丙烷等。环氧烷的加成摩尔数可适宜地设定，优选为0.1～60摩尔、更优选为1～40摩尔、进一步优选为2～30摩尔。需要说明的是，环氧烷的加成摩尔数表示相对于所投入的原料中的醇类或羧酸类1摩尔的环氧烷的摩尔数。

关于作为非离子表面活性剂的原料使用的多元醇的具体例，例如可以举出乙二醇、丙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,4-丁二醇、2-甲基-1,2-丙二醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇、2,5-己二醇、2-甲基-2,4-戊二醇、2,3-二甲基-2,3-丁二醇、甘油、2-甲基-2-羟基甲基-1,3-丙二醇、2-乙基-2-羟基甲基-1,3-丙二醇、三羟甲基丙烷、去水山梨糖醇、季戊四醇、山梨糖醇等。

上述非离子表面活性剂可以使用一种非离子表面活性剂，还可以将两种以上的非离子表面活性剂组合使用。

这些之中，优选支链醇的环氧烷加成物。在使用该非离子表面活性剂的情况下，能够进一步抑制耐火纤维的毛刺。

本实施方式的处理剂中，将处理剂溶解于水中而调整成1质量％水稀释液时，在25℃的pH的下限为4.0以上、优选为4.5以上。该pH为4.0以上的情况下，可提高本发明的效果。另外，该pH为4.5以上的情况下，特别可进一步抑制耐火纤维的毛刺。

另外，将处理剂溶解在水中而调整成1质量％水稀释液时，在25℃的pH的上限为10.0以下、优选为9.5以下。该pH为10.0以下的情况下，可提高本发明的效果。

处理剂的pH的调节可以适当地采用公知的pH调节剂。作为pH调节剂，例如可以举出辛酸、油酸、乙酸、柠檬酸、酒石酸等有机酸类、它们的衍生物或它们的盐、盐酸等无机酸类、氢氧化钠、氢氧化钾等碱类、烷醇胺、烷基胺和烷基胺的环氧烷加成物等胺类等。

本实施方式的处理剂中，通过气相色谱质谱法求出的处理剂中的低分子量硅氧烷的浓度为6.9质量％以下、优选为6质量％以下、更优选为5.0质量％以下。该浓度为6.9质量％以下的情况下，可提高本发明的效果。需要说明的是，低分子量硅氧烷的浓度表示分子中的硅元素数为6以下的低分子量(聚)硅氧烷(包括环状硅氧烷)的合计含量。关于各低分子量的硅氧烷，可以通过分别制作校正曲线来进行定量分析。低分子量硅氧烷的浓度调整可以使用公知的方法、例如原料的蒸馏等方法来实施。

本实施方式的处理剂中，由下述耐火处理前硅强度(K1)和下述耐火处理后硅强度(K2)求出的硅强度比K2/K1的下限优选大于0.4、更优选为0.5以上。硅强度比K2/K1大于0.4的情况下，硅酮来源的成分在耐火处理后仍容易残留在纤维上，因此能够进一步抑制耐火炉的污染和耐火纤维的毛刺。

上述硅强度比K2/K1的上限优选为0.95以下。硅强度比K2/K1为0.95以下的情况下，在耐火工序后进一步进行碳化工序时，能够抑制碳化炉的污染。

耐火处理前硅强度(K1)表示通过荧光X射线元素分析由附着有上述碳纤维前体用处理剂的碳纤维前体测定出的硅强度。

耐火处理后硅强度(K2)表示通过荧光X射线元素分析由对于附着有上述碳纤维前体用处理剂的上述碳纤维前体进行耐火处理而得到的耐火丝测定出的硅强度。需要说明的是，通过荧光X射线元素分析测定出的硅强度由来自硅的信号的检测峰强度来求出。

关于求出耐火处理前硅强度(K1)和耐火处理后硅强度(K2)时所使用的附着有处理剂的碳纤维前体，处理剂的附着量应用通常使用时的附着量(例如1质量％)。

另外，关于求出耐火处理后硅强度(K2)时的耐火处理，例如在下述条件下进行：以升温速度5℃/min从150℃加热至240℃，之后在240℃保持1小时。

(第2实施方式)

接着对具体实现本发明的碳纤维前体的第2实施方式进行说明。本实施方式的碳纤维前体中，第1实施方式的处理剂附着于碳纤维前体的原料纤维。

在使用本实施方式的碳纤维前体的耐火纤维或碳纤维的制造方法中，首先使上述处理剂附着于碳纤维前体的原料纤维，得到碳纤维前体，之后进行将其制丝的制丝工序。接着进行将该制丝工序中制造的碳纤维前体在200～300℃、优选230～270℃的氧化性气氛中转换成耐火纤维的耐火处理工序。在进一步得到碳纤维的情况下，进行将上述耐火纤维进一步在300～2000℃、优选300～1300℃的惰性气氛中进行碳化的碳化处理工序。碳化处理工序可以接着耐火处理工序进行。

制丝工序是对于使第1实施方式的处理剂附着于碳纤维前体的原料纤维而得到的碳纤维前体进行制丝的工序，其包括附着处理工序和拉伸工序。

附着处理工序是在对碳纤维前体的原料纤维进行纺丝后使处理剂附着的工序。即，利用附着处理工序使处理剂附着于碳纤维前体的原料纤维。另外，该碳纤维前体的原料纤维在刚纺丝后即被拉伸，但将附着处理工序后的高倍率拉伸特别称为“拉伸工序”。拉伸工序可以为使用高温水蒸气的湿热拉伸法，也可以为使用热辊的干热拉伸法。

作为碳纤维前体的原料纤维，例如可以举出丙烯酸纤维等。丙烯酸纤维优选由以聚丙烯腈(该聚丙烯腈是使至少90摩尔％以上的丙烯腈与10摩尔％以下的耐火促进成分进行共聚而得到的)作为主成分的纤维构成。作为耐火促进成分，可以适当地使用例如对于丙烯腈具有共聚性的含乙烯基化合物。关于碳纤维前体的单纤维细度没有特别限定，从性能和制造成本的平衡的方面出发，优选为0.1～2.0dTex。另外，对于构成碳纤维前体的纤维束的单纤维的根数也没有特别限定，从性能以及制造成本的平衡的方面出发，优选为1,000～96,000根。

处理剂可以在制丝工序的任一阶段附着于碳纤维前体的原料纤维，但优选在拉伸工序前一次性附着。另外，只要为拉伸工序前的阶段，即可在任一阶段进行附着。例如可以在刚纺丝后进行附着。进而还可以在拉伸工序后的任一阶段再次进行附着。例如，可以在拉伸工序后立即进行再次附着，可以在卷绕阶段进行再次附着，也可以在即将进行耐火处理工序之前进行再次附着。制丝工序中，进行附着的次数没有特别限定。

使第1实施方式的处理剂附着于碳纤维前体的比例没有特别限制，优选按照处理剂(不包含溶剂)相对于碳纤维前体为0.1～2质量％的方式进行附着，更优选按照0.3～1.2质量％的方式进行附着。通过为该构成，可进一步提高本发明的效果。作为第1实施方式的处理剂的附着方法可以应用公知的方法，其中可以举出例如喷雾给油法、浸渍给油法、辊给油法、使用计量泵的导引给油法等。作为使第1实施方式的处理剂附着于纤维时的处理剂的形态，例如可以举出有机溶剂溶液、水性液等。

对本实施方式的处理剂和碳纤维前体的作用和效果进行说明。

(1)本实施方式中，可以抑制耐火炉的污染和耐火纤维的毛刺。另外，在耐火工序后进行碳化工序的情况下，可以抑制碳化炉的污染。

需要说明的是，上述实施方式可以如下进行变更。

·本实施方式的处理剂中，可以在不妨碍本发明的效果的范围内进一步混配作为用于保持处理剂的品质的稳定化剂或电荷控制剂的阴离子表面活性剂等上述以外的表面活性剂、抗静电剂、增粘剂、抗氧化剂、紫外线吸收剂等通常用于处理剂中的成分。作为阴离子表面活性剂，可以举出烷基磷酸酯、N-酰基氨基酸盐、醚羧酸系表面活性剂等。

实施例

以下为了更具体地说明本发明的构成和效果，举出实施例等，但本发明并不限于这些实施例。需要说明的是，以下的实施例和比较例的说明中，份是指质量份，并且％是指质量％。

试验分组1(碳纤维前体用处理剂的制造)

关于实施例1的碳纤维前体用处理剂，首先将二胺型的氨基改性硅酮(粘度为250mm

关于实施例2～15和比较例1～4的各碳纤维前体用处理剂，使用表1中示出的各成分，利用与实施例1相同的方法进行调整。

各例的碳纤维前体用处理剂中的硅酮的种类和含量、非离子表面活性剂的种类和含量、其他成分的种类和含量如表1的“硅酮”栏、“非离子表面活性剂”栏、“其他成分”栏中所示。

另外，由碳纤维前体用处理剂的30％水性液制备1％水稀释液，按照常规方法测定25℃的pH。将测定出的pH值示于表1的“1％水稀释液的pH”栏中。

另外测定各例的碳纤维前体用处理剂中的低分子量硅氧烷浓度。关于低分子量硅氧烷，按照下述条件使用气相色谱质谱法测定分子中的硅元素数为6以下的低分子量(聚)硅氧烷(包括环状硅氧烷)的浓度。关于测定条件，使注射温度为300℃，使柱温度条件为以10℃/min从100℃升温至300℃、之后在300℃保持40分钟。将处理剂中的低分子量(聚)硅氧烷的浓度示于表1的“低分子量硅氧烷浓度”栏中。

[表1]

表1中的下述记号分别表示下述物质。

A-1：粘度250mm

A-2：粘度1300mm

A-3：粘度1700mm

A-4：粘度5000mm

A-5：粘度10000mm

A-6：粘度600mm

A-7：粘度10000mm

A-8：粘度500mm

B-1：异十四醇的环氧乙烷10摩尔和环氧丙烷6摩尔加成物

B-2：异十二醇的环氧乙烷10摩尔加成物

B-3：异壬醇的环氧乙烷8摩尔加成物

B-4：十二醇的环氧乙烷20摩尔加成物

B-5：十三醇的环氧乙烷3摩尔加成物

C-1：1-乙基-2-(十七碳烯基)-4,5-二氢-3-(2-羟基乙基)-1H-咪唑啉鎓的乙基硫酸盐

C-2：异十二烷基磷酸酯

C-3：月桂基醚(环氧乙烷平均10摩尔)乙酸

C-4：乙酸

C-5：二乙醇胺

C-6：月桂酰肌氨酸酯

C-7：油酰肌氨酸酯。

试验分组2(碳纤维前体、耐火纤维以及碳纤维的制造)

使用试验分组1中制备的碳纤维前体用处理剂，制造碳纤维前体、耐火纤维以及碳纤维。

将由丙烯腈95质量％、丙烯酸甲酯3.5质量％、甲基丙烯酸1.5质量％形成的特性粘度(intrinsic viscosity)1.80的共聚物溶解在二甲基乙酰胺(DMAC)中，制作聚合物浓度为21.0质量％、60℃时的粘度为500泊的纺丝原液。将纺丝原液利用孔径(内径)0.075mm、孔数12,000的喷丝头以牵伸比0.8吐出到保持在纺浴温度35℃的DMAC的70质量％水溶液的凝固浴中。

将凝固丝在水洗槽中脱溶剂并同时进行5倍拉伸，制作水溶胀状态的丙烯酸纤维线料。将其利用试验分组1中制备的碳纤维前体用处理剂的4％离子交换水溶液通过浸渍法按照碳纤维前体用处理剂的固体成分附着量为1％(不包含溶剂)的方式进行给油。其后将该丙烯酸纤维线料利用130℃的加热辊进行干燥致密化处理，进一步在170℃的加热辊间实施1.7倍的拉伸，之后卷绕在丝管上，由此得到碳纤维前体。将丝由该碳纤维前体解舒，通过在200℃～300℃的空气气氛下进行耐火处理而得到耐火纤维。之后在氮气气氛下利用具有300～1,300℃的温度梯度的碳化炉进行烧制，转换成碳纤维，之后卷绕在丝管上。

按如下所示对于硅强度比(K2/K1)、耐火炉的污染、耐火时的毛刺、碳化炉的污染进行评价。将结果示于表1的“硅强度比K2/K1”栏、“耐火炉的污染”栏、“耐火时的毛刺”栏、“碳化炉的污染”栏中。

试验分组3(评价)

·硅强度比(K2/K1)的测定条件

使用试验分组2中得到的碳纤维前体以及将试验分组2中得到的碳纤维前体在150～240℃之间以升温速度5℃/min的温度梯度进行升温并利用耐火炉在空气气氛下在240℃进行1小时耐火处理而得到的耐火纤维。分别切割成1.5cm并使用扫描型荧光X射线元素分析装置(Rigaku公司制造：ZSX Primus)利用荧光X射线测定硅元素强度K1和K2。由所得到的来自硅的信号的检测峰强度的值求出硅强度比(K2/K1)。

·耐火炉的污染

按下述基准对基于二氧化硅附着的耐火炉的清扫周期进行评价。清扫周期长表示耐火炉内的二氧化硅的附着少。

◎(优)：以3周以上且小于4周的周期进行清扫

○(良)：以2周以上且小于3周的周期进行清扫

×(不良)：以小于2周的周期进行清扫

·耐火时的毛刺

按照下述基准通过目视对于通过耐火工序后的起毛进行确认评价。

◎(优)：几乎未观察到起毛，操作性也良好

○(良)：稍微观察到起毛，但不影响操作性

×(不良)：毛刺明显、发生了丝的缠绕，影响操作性

·碳化炉的污染

按下述基准对基于二氧化硅附着的碳化炉的清扫周期进行评价。清扫周期长表示碳化炉内的二氧化硅的附着少。

◎(优)：能够在2个月以上的周期内不清扫而进行操作

○(良)：以1个月以上且小于2个月的周期进行清扫

×(不良)：以小于1个月的周期进行清扫

由表1中的各实施例相对于各比较例的评价结果也可知，利用本发明的处理剂能够抑制耐火炉的污染和耐火纤维的毛刺。另外能够抑制碳化炉的污染。