CN110234802A - 纤维的制造方法和碳纤维的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种纤维的制造方法,将纤维形成性聚合物溶解于溶剂中而成的纺丝原液从纺丝喷头(1)喷出,先使其在空气中移动,然后导入至凝固浴(4)液中使其凝固,该纤维的制造方法中,自纺丝喷头(1)的喷出面垂直向下与凝固浴(4)液面之间形成的气相部的气流是单向的,单位时间的风量(Af)相对于气相部容积(Vh)中的单位时间的纺丝原液中的溶剂量(As)满足0.0008m3≤Af/(As/Vh)≤0.0015m3的关系式。本发明提供一种纤维的制造方法,在干湿式纺丝中,能够抑制纺丝喷头上的结露的产生,改善因后续工序中的缠辊、拉伸工序中的毛刺、断丝所致的品质降低,整体上能够大幅提高生产率和品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维的制造方法,其在利用干湿式纺丝方法得到纤维时不会在纺丝喷头表面产生结露或水滴,能够显著地使丝条的移动性稳定而得到纤维。
背景技术
为了将聚丙烯腈等不易熔融的纤维形成性聚合物纺丝而得到纤维,采用湿式纺丝法或干湿式纺丝法。这些方法中,干湿式纺丝法是将纺丝原液(纤维形成性聚合物溶解于溶剂中而成)从纺丝喷头喷出,先使其在气体中移动,然后立即导入至凝固浴液中使其凝固的方法,与湿式纺丝法相比,在没有浴液阻力的气体中,牵伸得到缓和,因此能够进行高速或高牵伸纺丝,被用于服装用途、产业用途的纤维的制造中。另外,利用干湿式纺丝法,能够将纤维进一步致密化,因此最近被应用于高强度、高弹性模量碳纤维的前体纤维的制造,利用干湿式纺丝法进行高速纺丝或纺丝喷头的多孔化,提高了生产率。
这种干湿式纺丝法中,从设置于凝固浴外的纺丝喷头将纺丝原液挤出,因此在喷头面与凝固浴之间存在气相部,若进行高速纺丝或进行所谓的多孔化,使一个纺丝喷头上的孔数增多,则在气相部,构成纺丝原液的溶剂的蒸气增加,该蒸气滞留于气相部,容易在纺丝喷头面产生结露。结露的液滴会堵塞纺丝喷头的喷出孔,导致纤维的密合或纤度不均、单丝断线,进而由于液滴与凝固液面接触而产生喷头浸渍,导致后续工序中的缠辊、拉伸工序中的毛刺、断丝,使操作性、品质显著降低。该问题特别是在为了提高生产率而进行高速纺丝或纺丝喷头的多孔化时变得显著。
现有技术文献
专利文献
为了改善这些问题,提出了在干湿式纺丝中的纺丝喷头面与凝固浴的气相部使气体从一个方向流通而防止结露的方法(专利文献1)。
另外,还对下述方法进行了研究:在超过2000孔的多孔喷头中,对于形成于纺丝喷头的喷出面与凝固浴之间的气相部的气体,从夹着喷出面的两个方向交替地进行抽吸,由此防止溶剂蒸气的滞留(专利文献2)。
另外,为了通过控制喷头周围的温湿度来抑制喷头面结露,还研究了使经温湿度调节的空气围绕在凝固室内进行循环的方法(专利文献3)。
专利文献1:日本特开平5-044104号公报
专利文献2:日本特开2007-239170号公报
专利文献3:日本特开2010-236139号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在纺丝喷头中使用的孔数少至例如300孔左右的情况下,利用专利文献1中提出的技术,有时也能够有效地抑制结露,但以2000孔以上的数量提高孔密度,并且在溶剂的蒸气容易滞留于气相部的条件下(从干湿式纺丝中的纺丝喷头喷出面垂直向下与凝固浴液液面之间的气相部高度小于20mm),即使应用专利文献1中提出的技术,也会产生气流的偏流,有时会滞留蒸气,存在无法消除结露的问题。
另外,关于专利文献2,在孔密度高的情况下,存在下述问题:气相部的抽吸不充分,溶剂的蒸气发生凝聚;在未进行排气的面,凝聚加重而发生结露。
关于专利文献3,经控制的空气被导入至喷头外层部的喷出孔,但经控制的空气无法到达喷头内部,抑制结露的效果不充分。此外,为了围绕整个凝固室内实施温湿度控制,设备增大且设备费增加,因此实质上难以实施。
本发明的目的在于提供一种纤维的制造方法,例如2000孔以上的高孔密度,进而在形成于自干湿式纺丝中的纺丝喷头喷出面垂直向下与凝固浴液液面之间的气相部高度小于20mm这样的条件下,也能够抑制纺丝喷头上的结露的产生,能够改善因后续工序中的缠辊、拉伸工序中的毛刺、断丝所致的品质降低,整体上能够大幅提高生产率和品质。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题,本发明的纤维的制造方法具有下述构成。即,
将纤维形成性聚合物溶解于溶剂中而成的纺丝原液从纺丝喷头喷出,先使其在空气中移动,然后导入至凝固浴液中使其凝固,该纤维的制造方法中,自纺丝喷头的喷出面垂直向下与凝固浴液面之间形成的气相部的气流是单向的,且单位时间的风量(Af)相对于气相部容积(Vh)中的单位时间的纺丝原液中的溶剂量(As)满足0.0008m3≤Af/(As/Vh)≤0.0015m3的关系式。
在本发明的纤维的制造方法中,气相部中的喷头外周部4点的风速的相对标准偏差优选为40%以下。
在本发明的纤维的制造方法中,气相部中的喷头外周部各4点的绝对湿度的1小时平均值优选分别为20g/m3以下。
在本发明的纤维的制造方法中,纺丝喷头的孔数优选为2000孔以上、50000孔以下。
本发明的纤维的制造方法中,纤维形成性聚合物优选为丙烯腈系聚合物。
另外,本发明的碳纤维的制造方法具有下述构成。即,
一种碳纤维的制造方法,在上述纤维的制造方法中,在使用丙烯腈系聚合物作为纤维形成性聚合物制造纤维后,在200~300℃的氧化性气氛中进行耐火处理,接着在1000℃以上的惰性气氛中进行加热。
发明的效果
根据本发明,孔密度高,例如2000孔以上,进而在纺丝喷头与凝固浴液的距离小于20mm这样的干湿式纺丝的条件下,也能够抑制纺丝喷头上的结露的产生,能够改善因后续工序中的缠辊、拉伸工序中的毛刺、断丝所致的品质降低,整体上能够大幅提高生产率和品质。特别适合于制造碳纤维用丙烯腈系前体纤维。
附图说明
图1是在本发明中设置给气喷嘴和排气喷嘴的情况下的纺丝区域的示意性俯视图和主视图。
具体实施方式
以下更详细地说明本发明。
本发明的方法能够在制造服装用丙烯腈纤维、碳纤维制造用丙烯腈系纤维、芳香族聚酰胺纤维等时使用,特别是在制造碳纤维制造用丙烯腈系纤维时最显著地确认到其效果。
在本发明中,使用纤维形成性聚合物溶解于溶剂中而成的纺丝原液。作为纤维形成性聚合物,可以使用丙烯腈系聚合物、芳香族聚酰胺等。关于用于得到聚合物的聚合法,使用溶液聚合、乳液悬浮聚合、本体聚合等,可以为间歇法也可以为连续法。
作为将聚合物溶解的溶剂,在丙烯腈系聚合物的情况下,可以使用二甲亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、氯化锌水溶液(ZnCl2aq)、硫氰酸钠水溶液(NaSCNaq)等,从生产率的方面出发,在干湿式纺丝法中,优选聚合物的凝固速度快的DMSO、DMF或DMAc、特别优选凝固速度特别快的DMSO。
将该纺丝原液从隔着气相部设置于凝固浴上方的纺丝喷头的喷出面喷出,在凝固浴中使其凝固而形成纤维。
关于纺丝原液的温度、凝固浴的温度,优选使自纺丝喷头喷出面垂直向下与凝固浴液面之间形成的气相部的气氛温度与露点之差(气氛温度-露点)尽可能大的条件。
作为纺丝原液的温度,温度低时,溶剂的蒸发量少,因而优选,只要为纺丝原液中使用的溶剂的凝固点以上即可,另一方面,优选为凝固点+20℃以下、进一步优选为凝固点+5℃以上、凝固点+15℃以下。若纺丝原液的温度为该优选的温度范围,则纺丝原液粘度达到适度,可纺性良好,操作性优异。作为凝固浴,通常使用与纺丝原液中使用的溶剂相同的溶剂的水溶液,特别是在有机溶剂系中容易产生结露,因此在使用DMSO、DMF、DMAc的水溶液作为凝固浴的情况下,特别显著地表现出本发明的效果。需要说明的是,凝固浴的温度高时,容易因浴液的蒸气而产生结露,因此从尽量抑制结露产生的方面出发,凝固浴的温度优选为20℃以下、更优选为10℃以下、进一步优选为7℃以下。另一方面,宜使凝固浴的温度为0℃以上、优选为1℃以上。若凝固浴的温度为该优选的温度范围,则可纺性良好,操作性优异。
作为纺丝喷头,优选孔数为2000孔以上50000孔以下的纺丝喷头、更优选4000孔以上20000孔以下。若孔数为该优选范围,则生产率提高。另一方面,喷头的质量也不会过度增大,因此能够确保作业性,还能够抑制设备费。在使用每1孔的喷头占有面积(纺丝喷头面积÷孔数)为5mm2以上10mm2以下的纺丝喷头的情况下,更容易显现出本发明的效果。
在本发明中,重要的是,形成于纺丝喷头喷出面与凝固浴液面之间的气相部的气流为单向的,并以单位时间的风量(Af)相对于气相部的体积(Vh)中的单位时间的喷出原液中的溶剂量(As)为0.0008m3以上0.0015m3以下的条件送风。此外,喷头外周部4点的风速的相对标准偏差优选为40%以下,喷头外周部4点的绝对湿度的1小时平均值优选均为20g/m3以下。为此,例如可以列举下述等方法:在离开纺丝喷头的位置设置供给空气的湿度可调节的空调机,向气相部进行一定量的风量的送风,或者设置给气喷嘴或排气喷嘴。在本发明中,将Af/(As/Vh)设定为0.0008m3以上0.0015m3以下、优选设定为0.0009m3以上0.0014m3以下、进一步优选设定为0.0010m3以上0.0013m3以下为宜。Af/(As/Vh)超过0.0015m3的情况下,凝固浴的液面晃动,纺丝性不稳定,效果不充分。Af/(As/Vh)小于0.0008m3的情况下,存在风量相对于溶剂量不足、纺丝喷头喷出面的结露抑制不充分的问题。优选使喷头外周部4点的风速无偏差地进行扫气,喷头外周部4点的风速的相对标准偏差为40%以下、优选为20%以下、进一步优选为10%以下为宜。另外,喷头外周部4点的绝对湿度的1小时平均值均为20g/m3以下、优选为15g/m3以下、进一步优选为10g/m3以下为宜。处于该范围时,能够抑制纺丝喷头喷出面的结露产生,因此无论是圆形或矩形等喷头形状均能表现出效果。
此处,单位时间的风量(Af)通过在作为测定点的喷头外周部4点测定的风速中位于气流的上游侧的1点的风速和从气流上游侧观察纺丝喷头时的截面积而算出。气相部的体积(Vh)通过由喷头最外喷出孔算出的喷出面积和自喷出面垂直向下与凝固浴液面之间形成的气相部高度而算出。喷出原液中的溶剂量(As)为每单位时间从喷头喷出的原液中含有的溶剂量。
如图1所示,无论喷头形状如何,喷头外周部4点的风速、气流方向、绝对湿度在将喷头外周均等地4等分的部位的从液面至喷头面的高度的中间点且距喷头最外喷出孔30mm的位置进行测定。此处,关于喷头外周部4点,例如在喷头形状为圆形的情况下,可以选择将外周圆均匀地4等分的外周圆上的任意4点,在喷头形状为矩形的情况下,可以选择构成外周的各线段的中点4个部位。风速、绝对湿度使用CrimoMaster 6501型(日本Kanomax株式会社)进行测定。绝对湿度(AH)[g/m3]根据由CrimoMaster测定的温度(T)[℃]、相对湿度(RH)[%]使用以下计算式算出。(e:饱和蒸气压[hPa])
e=6.11×10(7.5T/(T+237.3))
AH=217×e/(T+273.15)×RH/100
此处,喷头外周部4点的绝对湿度的1小时平均值是以5分钟的间隔如上所述测定风速、温度、相对湿度12次并使用上述计算式算出了绝对湿度的喷头外周部4点的各测定点各自的平均值。
另外,关于气流方向,使用发烟测试套装No.500(株式会社Gastec),将发烟管的前端置于上述测定点,从测定点正上方观察烟的流动。将从凝固浴中拉取丝的方向作为基准方向,在气流方向的角度沿顺时针达到最大的点的角度与其余3点各自的气流方向角度之差全部为30°以内的情况下,判定为单向流,在即使1点大于30°的情况下,也作为散射流。
此外,在进行气体的给气或排气时使用给气或排气喷嘴的情况下,该喷嘴的朝向如图1中所示,使喷嘴出口为喷头方向且与凝固浴液面平行,具体而言,喷嘴的设置角度优选自垂直向下(设为0°)向喷头方向倾斜60°以上100°以下、更优选设定为90°。图1中,作为示例,示出了喷嘴的设置角度为90°的情况。使喷嘴的设置角度(喷嘴角度)倾斜100°以下时,能够高效地扫除从溶剂产生的蒸气,抑制结露向纺丝喷头面上的附着。另一方面,倾斜60°以上时,给气喷嘴、排气喷嘴均不易产生凝固浴液面的晃动,不易发生液面与喷头接触的喷头浸渍,能够有效防止单丝间粘接等,因此可确保纤维的高品质,工序稳定性优异。在排气喷嘴的情况下,从溶剂产生的蒸气一边与喷头面接触一边被抽吸,因此结露的发展得到促进并扩大化,因此有时生产率、品质提前降低。
本发明在使用丙烯腈系聚合物制造丙烯腈系纤维、特别是作为碳纤维前体的丙烯腈系纤维时特别有效,接着对该情况下特有的条件进行详细说明。
进行干湿式纺丝时的纺丝原液优选使用由90质量%以上且小于100质量%的丙烯腈和可与其共聚的乙烯基系单体构成的丙烯腈系聚合物溶解而成的溶液。丙烯腈系聚合物中的丙烯腈的用量为上述优选范围时,对所得到的丙烯腈系纤维进行烧制而获得的碳纤维的强度高,容易制造具有优异的机械特性的碳纤维。另外,溶剂的含量也不会过量,因此不易成为在干湿式纺丝中的纺丝喷头与凝固浴液之间的气相部产生溶剂结露的原因。相反,在聚合物的含量为100质量%的情况下,虽然溶剂的蒸气量少,但在将丙烯腈系聚合物聚合时,会推进粘度的上升、凝胶化的促进,因此在进行干湿式纺丝时,堵塞纺丝喷头的喷出孔,产生纤维的密合或纤度不均、单纤维断线,成为后续工序中的缠辊、拉伸工序中的毛刺、断丝的原因,并成为使操作性、品质劣化降低的原因。
本发明可以很好地用于得到每一纤维束的长丝数通常为2000~50000的范围、并且以其单纤维纤度计通常为0.5dtex~3dtex的范围的纤维束的情况。可以将在凝固浴中纤维化的纤维束直接在拉伸浴中拉伸,另外也可以将溶剂水洗除去后进行浴中拉伸。
浴中拉伸后,通常赋予油剂,并利用热辊等进行干燥。另外,如有必要,之后进行蒸汽拉伸等拉伸,得到纤维束。
以下对于由利用纤维形成性聚合物为丙烯腈系聚合物的纤维的制造方法得到的纤维制造碳纤维的方法进行说明。
将利用上述的丙烯腈系纤维的制造方法制造的丙烯腈系纤维在200~300℃的空气等氧化性气氛中进行耐火处理。关于处理温度,从得到耐火性纤维的方面出发,优选从低温向高温以多个阶段进行升温,从充分显现碳纤维的性能的方面出发,优选进一步在不伴有毛刺产生的范围内以高拉伸比对纤维进行拉伸。接着将所得到的耐火性纤维在氮气等惰性气氛中加热至1000℃以上,由此制造碳纤维。然后,在电解质水溶液中进行阳极氧化,由此能够对碳纤维表面赋予官能团而提高与树脂的粘接性。另外,优选赋予环氧树脂等上浆剂而得到耐磨性优异的碳纤维。
[实施例]
以下,举出实施例进一步具体地说明本发明。需要说明的是,本实施例中使用的喷头外周部4点的风速、气流方向、绝对湿度如图1所示在构成矩形形状的喷头外周的各线段的中点4个部位的从液面至喷头面的高度的中间点且距喷头最外喷出孔30mm的位置进行测定。风速、温度、相对湿度使用CrimoMater 6501型(日本Kanomax株式会社)进行测定。绝对湿度(AH)[g/m3]根据由CrimoMater测定的温度(T)[℃]、相对湿度(RH)[%]使用以下计算式算出。(e:饱和蒸气压[hPa])
e=6.11×10(7.5T/(T+237.3))
AH=217×e/(t+273.15)×RH/100
此处,喷头外周部4点的绝对湿度的1小时平均值采用以5分钟的间隔如上所述测定风速、温度、相对湿度12次并使用上述计算式算出了绝对湿度的喷头外周部4点的各测定点各自的平均值。
另外,关于气流方向,使用发烟测试套装No.500(株式会社Gastec),将发烟管的前端置于上述测定点,从测定点正上方观察烟的流动。将从凝固浴中拉取丝的方向作为基准方向,在气流方向的角度沿顺时针达到最大的点的角度与其余3点各自的气流方向角度之差全部为30°以内的情况下,判定为单向流,在即使1点大于30°的情况下,作为散射流。
另外,单位时间的风量(Af)通过在4个测定点测定的风速中位于气流的上游侧的1个点的风速和从气流上游侧观察纺丝喷头时的截面积而算出。气相部的体积(Vh)通过由喷头最外喷出孔算出的喷出面积和自喷出面垂直向下与凝固浴液面之间形成的气相部高度而算出。喷出原液中的溶剂量(As)为单位时间从喷头喷出的原液中含有的溶剂量。
喷头面结露的程度、丙烯腈系纤维束的品质、工序稳定性如下进行判定。
(喷头面结露的程度)
测定连续1周持续纺丝时的纺丝喷头面的结露的尺寸、个数,按照下述标准换算出分数。
结露的直径小于2mm:1分/个
结露的直径为2mm以上且小于5mm:5分/个
结露的直径为5mm以上:10分/个。
(丙烯腈系纤维束的品质)
在即将卷取丙烯腈系纤维束之前数出1000m的量的丙烯腈系纤维的毛刺数,对品质进行评价。评价标准如下所述。
1:(毛刺根数/1个纤维束·1000m)≤1
2:1<(毛刺根数/1个纤维束·1000m)≤2
3:2<(毛刺根数/1个纤维束·1000m)≤5
4:5<(毛刺根数/1个纤维束·1000m)<60
5:60≤(毛刺根数/1个纤维束·1000m)。
(丙烯腈系纤维束的工序稳定性)
根据制造丙烯腈系纤维束10t时的断丝次数进行评价。评价标准如下所述。
1:(断丝次数/制造丙烯腈系纤维束10t)≤1
2:1<(断丝次数/制造丙烯腈系纤维束10t)≤2
3:2<(断丝次数/制造丙烯腈系纤维束10t)≤3
4:3<(断丝次数/制造丙烯腈系纤维束10t)<5
5:5≤(断丝次数/制造丙烯腈系纤维束10t)。
<实施例1~4>
通过溶液聚合制备出由丙烯腈99质量%、衣康酸1质量%构成的丙烯腈系聚合物的DMSO溶液。
使用具有6000个原液喷出孔总数的喷头,将所得到的丙烯腈系聚合物溶液(纺丝原液)从纺丝喷头的喷出面先喷出至空气中,使其通过气相部后,喷出至由DMSO35质量%/水65质量%构成的凝固浴液中,得到凝固纤维。
此处,在纺丝时,在纺丝喷头的前侧以夹着喷头的方式设置具有5mm×200mm的开口部的给气喷嘴和排气喷嘴,从给气喷嘴进行调节了湿度的空气的送风,由排气喷嘴进行抽吸,由此形成单向的气流,扫除在喷出面与凝固浴之间的气相部产生的溶剂蒸气。需要说明的是,在各实施例中,如表1所示那样变更给排气喷嘴的喷嘴角度、Af/(As/Vh)和各测定点4点的风速相对标准偏差。将各实施例中的喷出面的结露程度、丙烯腈系纤维束的品质、工序稳定性合并示于表1。
接着对所得到的凝固纤维进行水洗后,一边在浴拉伸工序中进行拉伸一边赋予油剂,进一步经过干燥、拉伸工序,能够稳定地制造单纤维根数为6000根的丙烯腈系纤维束。
<实施例5、6>
如表1所示那样变更Af/(As/Vh),并进行高湿空气送风,除此以外与实施例1~4同样地得到丙烯腈系前体纤维。
<实施例7>
如表1所示那样变更Af/(As/Vh),并进行低湿空气送风,除此以外与实施例1~4同样地得到丙烯腈系前体纤维。
<实施例8>
如表1所示那样变更Af/(As/Vh),并使用9000孔的喷头,除此以外与实施例1~4同样地得到丙烯腈系前体纤维。
<实施例9>
如表1所示那样变更Af/(As/Vh),并使用2000孔的喷头,除此以外与实施例1~4同样地得到丙烯腈系前体纤维。
<比较例1>
如表1所示那样变更Af/(As/Vh),并使给排气喷嘴不运转,除此以外与实施例1~4同样地得到丙烯腈系前体纤维。
<比较例2、3>
如表1所示那样变更Af/(As/Vh),除此以外与实施例1~4同样地得到丙烯腈系前体纤维。
<比较例4>
如表1所示那样变更Af/(As/Vh),并变更喷嘴角度,除此以外与实施例1~4同样地得到丙烯腈系前体纤维。
将各实施例、比较例中的喷出面的结露程度、丙烯腈系纤维束的品质、工序稳定性合并示于表1。
如表1所示可知,根据本发明,抑制了喷头的喷出面的结露,改善了品质和工序稳定性。
产业上的利用可能性
本发明不限于在碳纤维前体纤维束的制造中抑制喷头面的结露产生,可在所有干湿式纺丝中作为通过抑制结露而提高生产率的对策进行应用。
符号的说明
1:纺丝喷头
2:给气喷嘴
3:排气喷嘴
4:凝固浴
5:风速·绝对湿度·气流测定点A
6:风速·绝对湿度·气流测定点B
7:风速·绝对湿度·气流测定点C
8:风速·绝对湿度·气流测定点D
Claims (6)
1.一种纤维的制造方法,将纤维形成性聚合物溶解于溶剂中而成的纺丝原液从纺丝头喷出,先使其在空气中移动,然后导入至凝固浴液中使其凝固,该纤维的制造方法中,
自纺丝头的喷出面垂直向下与凝固浴液面之间形成的气相部的气流是单向的,且单位时间的风量Af相对于气相部容积Vh中的单位时间的纺丝原液中的溶剂量As满足0.0008m3≤Af/(As/Vh)≤0.0015m3的关系式。
2.如权利要求1所述的纤维的制造方法,其中,气相部中的纺丝头外周部4点的风速的相对标准偏差为40%以下。
3.如权利要求1或2所述的纤维的制造方法,其中,气相部中的纺丝头外周部各4点的绝对湿度的1小时平均值分别为20g/m3以下。
4.如权利要求1~3中任一项所述的纤维的制造方法,其中,纺丝头的孔数为2000孔以上、50000孔以下。
5.如权利要求1~4中任一项所述的纤维的制造方法,其中,纤维形成性聚合物为丙烯腈系聚合物。
6.一种碳纤维的制造方法,在利用权利要求5所述的纤维的制造方法制造纤维后,在200~300℃的氧化性气氛中进行耐火处理,接着在1000℃以上的惰性气氛中进行加热。
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