JP2005265360A - シート状物の熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで安価な熱処理装置であって、熱効率が高く生産性を向上させることができ、例えシート状物が収縮するものであっても、このシート状物の収縮を円滑に吸収することができる連続式の炭素繊維材料などのシート状物の熱処理装置および熱処理方法を提供する。
【解決手段】走行方向に沿って配設された４本以上８本以下のロール１０と、シート状物５を１２００℃以上に昇温可能な加熱手段とを有するシート状物の熱処理装置１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維材料などのシート状物の熱処理装置および熱処理方法に関するものであり、さらに詳しくは、熱処理装置がコンパクトで熱効率の高いシート状物の熱処理装置および熱処理方法に関するものである。

一般に、この種の熱処理装置は、従来のベルト搬送方式熱処理炉の概略縦断面図である図２に示すように、炉体５１が、入口シール室５１ａと、加熱室５１ｂと、冷却室５１ｃと、出口シール室５１ｄとから構成され、加熱室５１ｂと、冷却室５１ｃの内部には、図２の装置のＡ−Ａ断面矢視図である図３に示すように、筒状のマッフル５２が配設してある。そして、該マッフル５２内には無端帯状のベルト５３が通され、このベルト５３を駆動ローラ５４によって駆動することにより、ベルト５３上のシート状物５を連続的に搬送しながら熱処理するものである（例えば、特許文献１参照）。なお、５５はモータ、５６はテールローラ、５７はガイドローラである。

ベルト５３は、マッフル５２の底部に直接接触する場合の他、金属製または石英製のレールをマッフル５２の底部に設け、これらレールでベルト５３を支持する場合もある。

ところで、上記のようなベルト搬送式熱処理装置の場合、比較的低温領域では一般的に金属製メッシュタイプのベルト５３が用いられ、高温領域においては黒鉛製、あるいは炭素繊維強化炭素複合材料（以下、Ｃ／Ｃコンポジットと称する）製からなるキャタピラタイプのベルト５３が用いられ、マッフル５２あるいはレールに接触しながら駆動されるため、摩擦抵抗（通常は摩擦係数ｆ＝０．３〜０．５）を受け、その結果としてベルト５３には大きな張力がかかる。そのため、ベルト５３にはその張力に耐え得るだけの強度が必要であり、重量の増加、大型化を招く欠点があった。

また、ベルト重量が大きくなると、その熱容量が大きくなるため、熱処理装置の加熱室５１ｂのヒータ容量が大きなものが必要になる上、ベルト５３の搬送速度Ｖ１を上げようとすると、加熱室５１ｂや冷却室５１ｃを長くする必要があり、長尺な熱処理装置とならざるを得なくなる欠点があった。

また、室温と同等レベルまで降温したベルト５３を加熱室５１ｂで熱処理温度まで加熱したベルト５３を介してシート状物５を熱処理するため、シート状物５の処理速度Ｖ２は、ベルト５３の昇温速度が律則となってしまい、処理速度Ｖ２を余り上げられないという欠点があった。

また、シート状物５が加熱処理に伴い収縮するような場合においては、ベルト５３が平坦なため、連続形態をなすシート状物５がこの収縮によって引っ張られてシワや紋様が生じ、高品位な処理シート状物が得られないという問題があった。
特開平１１−３０４３６６号公報

本発明は、上述した従来技術の欠点や問題点に鑑みてなされたもので、コンパクトで安価な熱処理装置であって、熱効率が高く生産性を向上させることができ、例えシート状物が収縮するものであっても、このシート状物の収縮を円滑に吸収することができる連続式の炭素繊維材料などのシート状物の熱処理装置および熱処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
（１）走行方向に沿って配設された４本以上８本以下のロールと、シート状物を１２００℃以上に昇温可能な加熱手段とを有することを特徴とするシート状物の熱処理装置。

（２）前記ロールの本数をｎとしたとき、該ロールの径が３００ｍｍ〜９００ｍｍ／ｎであることを特徴とする前記（１）に記載のシート状物の熱処理装置。

（３）前記ロールへの前記シート状物の巻き付け長さの総和が、シート状物の幅に対し１．２５倍以上２．５倍以下であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載のシート状物の熱処理装置。

（４）前記ロールの少なくとも１本が、駆動手段に連結されていることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載のシート状物の熱処理装置。

（５）前記ロールが、黒鉛材または炭素繊維強化炭素複合材からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のシート状物の熱処理装置。

（６）前記加熱手段の熱処理温度が、１２００℃以上３０００℃以下であることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載のシート状物の熱処理装置。

（７）前記（１）〜（６）のいずれかに記載の熱処理装置を用いて、シート状物を蛇行させながらロールに接触させ、熱処理を行うことを特徴とするシート状物の熱処理方法。

（８）前記（１）〜（６）のいずれかに記載のシート状物の熱処理装置、または前記（７）に記載のシート状物の熱処理方法を用いて製造されたことを特徴とするシート状物。

（９）熱処理後の表面の凹凸が１ｍｍ未満であることを特徴とする前記（８）に記載のシート状物。

本発明は上記の構成としたことにより、熱効率が高く、生産性を飛躍的に向上させることができ、かつコンパクトで、設備費に対する生産性に優れ、かつランニングコストやガス消費量の低減が図れ、安価な熱処理装置とすることができる。

また、上記シート状物に低張力を掛けつつ熱処理ができるため、例えシート状物が収縮するものであっても、このシート状物の収縮を円滑に吸収することができ、シワや紋様のない高品位なシート状物を低コストでかつ大量生産できる。

本発明のシート状物の熱処理装置は、連続式熱処理装置の炉殻内に、走行方向に沿って複数のロールを配設したものであり、さらに前記ロールを１２００℃以上に昇温可能な加熱手段を設けたものである。該加熱手段は、前記ロールに内包されるか、または前記ロールの近傍に配設されたものであり、連続的に供給されるシート状物をロール上を蛇行させながら、上記１２００℃以上に加熱されたロールの外周面に低張力を掛けつつ、シート状物の表裏２面を交互にロールに接触させて熱処理を行う装置としたので、熱効率が高く生産性を飛躍的に向上させることができ、かつコンパクトで安価な熱処理装置とすることができるのである。

以下、本発明の実施形態の例を、炭素繊維材料からなるシート状物の熱処理装置に適用した場合を例にとって、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る熱処理装置の一例を示す概略縦断面図である。図１に示すように、熱処理装置１は、外形形状が箱形で内部が空洞になっており、その前後にはそれぞれ突出した構造の入口１３と出口１４が設けられている。また、この突出部にはシール機構１２が付設され、ここに系外から不活性ガスＧを供給することで炉内を不活性雰囲気にするとともに、炉内雰囲気の系外への漏出をシールするようになっている。炉内にはシート状物５を押し当てる複数のロール１０がシート状物５の走行方向に沿って配設され、該ロール１０に内包されるかまたは該ロール１０の近傍に配設された加熱手段１１が配設されている。また、前記ロール１０の少なくとも１本が図示を省略した炉外の駆動系に連結され、該ロール１０を回転できるようになっている。

今、シ−ト状物５の走行方向に沿って配設されたロ−ル１０の本数をｎとしたとき、該ロ−ルの直径は、本発明の効果を最大限に引き出すために大変重要な因子で、選定する材質の強度，シ−ト状物５の幅によって決まるロ−ル面長および熱処理温度におけるロ−ル１０の中央部での撓み量等に大きく左右されるが、３００ｍｍ〜９００ｍｍ／ｎの範囲が好ましい。熱処理炉１の入口１３から連続的に供給されたシート状物５は、炉内で１２００℃以上、好ましくは、１２００℃以上３０００℃以下の温度に加熱され、走行方向に沿って配設された複数のロール１０に接触と離反を繰り返して熱処理されつつ出口１４へと向かうようになっている。

図１に示す本発明に係る熱処理装置１は、例えば炭素繊維織物のように熱処理時に収縮を伴うシート状物５であっても、図１のロール１０群に接触させ、走行方向に張力を加えることで熱処理中のシート状物５を伸ばした状態とし、１２００℃以上に保たれた炉内温度で熱セットすることで、シワや紋様を除去できる作用効果を奏する。

図１に示す本発明の熱処理装置１において、シート状物５を押し当てるロール１０の材質は、その直径や長さ、熱処理温度、加工性、経済性等を勘案して選定することが重要である。一般的にみると黒鉛材、あるいはＣ／Ｃコンポジット材から選ばれたものが好ましい。黒鉛材を選定した場合は、１本の黒鉛材からロ−ル部および軸端部まで切削加工されることが多い。また、Ｃ／Ｃコンポジット材を選定した場合は、ロ−ルの軽量化を図るべくロ−ル部を筒状のＣ／Ｃコンポジット材とし、軸端部は黒鉛材とされることが多いが、勿論ロ−ル部および軸端部まで全てＣ／Ｃコンポジット材で構成しても良い。

本発明においては、ロ−ルは４本以上８本以下であることが必要である。ロール本数が４本未満であると、連続的に供給されるシート状物５を、複数の加熱されたロール１０の外周面に蛇行状に掛けて走行方向に低張力を加えて引っ張るため、張力斑が生じシワが発生し易く、また逆にロール本数が８本を越えると、走行方向に引っ張る張力がシート状物５の幅方向の収縮力に比べ、その差が極めて大きくなるためシワが発生する。

また、上記熱処理装置１において、ロール１０へのシート状物５の巻き付け長さの総和が、シート状物５の幅に対し１．２５倍以上２．５倍以下が熱処理後のシート状物６の品位の点から好ましい。これは余り短かすぎるとロール１０とシート状物５の接触による摩擦力が極めて少なくなるため、シート状物５の張力変動がし易くなり、シート状物５の種類にもよるがシワ等の品位低下が発生し易くなるためである。また逆に長すぎても毛羽の発生などの品位低下や加熱電力アップを招くことになる。

ここで、巻き付け長さの総和とは、シ−ト状物５が熱処理炉１の入口１３から入って先ず押し当てられるロ−ル１０の接触位置から、熱処理炉１の出口１４に最も近く、最後に押し当てられるロ−ル１０の接触位置までのシ−ト状物５の巻き付け長さを云う。

また、上記熱処理装置１において、シート状物５を押し当てるロール１０群が水平方向に配設され、該ロール１０の近傍に配設された加熱手段１１で輻射加熱され、上記ロール１０は、図示を省略した回転支持部材で支持され、駆動系に連結されて形成されている態様を示したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、熱処理中のシート状物５の種類、厚さ等によって輻射加熱されたロール１０群が回転支持部材と固定支持部材で構成しても良い。また、ロール１０に加熱手段１１が内包されていても構わない。

また、上記熱処理装置１において、熱処理装置１の箱型の一部が突出した構造の入口１３と出口１４が対向して２箇所設けられ、かつ入口１３と出口１４にそれぞれシール機構１２が配備され、連続的に供給されるシート状物５が上流方向から下流方向へと一方向へ流れる態様を示したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、ロール１０の本数が偶数本の場合には入口１３と出口１４が対向しその位置が上下に設けられていても構わない。また、シート状物５の出入口が１箇所でも何ら構わない。

熱処理後のシ−ト状物６の品位は、シ−ト状物５が炭素繊維材料からなる場合、毛羽，傷および破れの他にシワやうねりの度合いが大変重要視される。ここで、表面の凹凸が１ｍｍ未満とは、熱処理後のシ−ト状物６の幅および長さ方向共に１００ｍｍ以内において、該シ−ト状物６の表面に凹凸が現れるシワやうねりが１ｍｍ未満であることを云う。

また、熱処理後のシ−ト状物６の表面の凹凸測定法については、例えば巻き出しおよび巻き取りロ−ル間に張られた該シ−ト状物６を目視で１次検査を行う。１次検査で疑わしいところについては、前記シ−ト状物６の幅方向に複数個並べた汎用の光電センサで２次検査を行い、凹凸高さを正確に測定して規定以内に収まっているか精査して判定する。

また、本発明の熱処理装置１に連続的に供給されるシ−ト状物５としては、耐炎化糸を紡績した耐炎化紡績糸を平織りしてシ−ト状織布に加工したもの以外に、カットされた耐炎化糸がランダムな方向で積層されて不織布に加工したもの，カットされた耐炎化糸を抄紙加工したものおよび金網上等に吹き付けた耐炎化糸を積層して布帛に加工したものも含まれる。

実施例１
図１に示した本発明の熱処理装置１において、ロール１０の直径は、ロールの本数をｎとして、より効果を高めるためには３００ｍｍ〜９００ｍｍ／ｎが適切であるので、中間値である６００ｍｍ／ｎを使用し、ロール１０へのシート状物５の巻き付け長さの総和は何れも６００ｍｍに固定した上、ロール１０の適正な本数の範囲を調べるため、４本（水準２）から５本（水準３）、６本（水準４）、７本（水準５）、８本（水準６）まで変更した。

図１に示す熱処理装置１の炉内には、シート状物５を押し当てる複数のロール１０がシート状物５の走行方向に沿って配設され、該ロール１０の近傍に配設された加熱手段１１がある。また、前記ロール１０の少なくとも１本が図示を省略した炉外の駆動系に連結され、該ロール１０を回転できるようになってあり、熱処理装置１は、常用処理温度２０００℃、最高処理温度２２００℃まで可能とした。

また、ロール１０の材質は、温度領域から等方性黒鉛材とし、その表面粗さは、Ｒｍａｘ１２ｓ、Ｒａ３．０ａとした。

尚、ここで表面粗さの最大高さＲ ｍａｘとは、断面曲線から基準長さだけ抜き取った部分（抜取り部分と云う。）の平均線に平行な２直線で抜取り部分を挟んだとき、この２直線の間隔を断面曲線の縦倍率の方向に測定して、この値をマイクロメ−トル（μｍ）で表したものを云い、最大高さの許せる最大値によって表面粗さを指示する場合には、選んだ数値の後にｓを付けて表すことがＪＩＳ Ｂ０６０１に規定されている。また、中心線平均粗さＲａとは、粗さ曲線からその中心線の方向に測定長さＬの部分を抜き取り、この抜取り部分の中心線をＸ軸，縦倍率の方向をＹ軸とし、粗さ曲線をｙ＝ｆ（ｘ）で表したとき、
Ｒａ＝１／Ｌ∫｜ｆ(x)｜dxにおいて、０からＬまでの範囲で求められる値をμｍで表したものを云い、中心線平均粗さの許せる最大値によって表面粗さを指示する場合には、選んだ数値の後にａを付けて表すことが上記ＪＩＳ番号に規定されている。

次に、上記実施例装置の実施条件と効果を説明する。

使用したシート状物５は、耐炎化炭素繊維を捲縮付与し、紡績して紡績糸となし、該紡績糸を織物状に加工し、目付１３０ｇ／ｍ²、幅４００ｍｍの平織り織物のシート状物とした。該シート状物を、予め７５０℃で前炭化し、常用処理温度の２０００℃に加熱された熱処理装置１に処理速度Ｖ２＝０．５ｍ／分で搬送し炭化熱処理した。

表１の水準２〜水準６に得られた熱処理後のシート状物６の品位と熱処理中の電力を示した。

結果として、表１よりロール１０の適正な本数の範囲は、４本（水準２）以上８本（水準６）以下が品位、電力の点から必要であることが分かった。

比較例１
図１に示した本発明の熱処理装置１において、ロール１０の本数を３本（水準１）とした以外は、全て実施例１と同一条件で行った。

表１の水準１に得られた熱処理後のシート状物６の品位と熱処理中の電力を掲げた。

表１よりロール１０の本数が３本まで少なくなると、巻き付け長さが同じであっても熱処理中のシート状物５の張力変動が多くなり、得られた熱処理後のシート状物６に品位の低下が観られることが分かった。

比較例２
図１に示した本発明の熱処理装置１において、ロール１０の本数を９本（水準７）および１０本（水準８）とした以外は、全て実施例１と同一条件で行った。

表１の水準７および水準８に得られた熱処理後のシート状物６の品位と熱処理中の電力を示した。

表１よりロール１０の本数が９本以上となると、巻き付け長さの総和が同じであっても得られた熱処理後のシート状物６に品位の低下が観られる。また、本数が増えることにより炉長が長くなるため、加熱電力の増加による用役費用がアップすることが分かった。

なお、表１において、シワについては表面の凹凸が０．２ｍｍ未満の状態を「極めて良好」、０．２ｍｍ以上０．７ｍｍ未満を「良好」、０．７ｍｍ以上１．２ｍｍ未満を「普通」、１．２ｍｍ以上を「不良」とし、それぞれ◎、○、△、×で示している。

同様に毛羽については目視での毛羽が５本／ｍ²未満の状態を「極めて良好」、
５本／ｍ²以上１０本／ｍ²未満を「良好」、１０本／ｍ²以上２０本／ｍ²未満を「普通」、２０本／ｍ²以上を「不良」とし、それぞれ◎、○、△、×で示したが、ここでは水準１〜水準８までの全てにおいて、毛羽の発生は観られなかった。

実施例２
図１に示した本発明の熱処理装置１において、ロール１０の本数を、実施例１より好ましいことが分かった６本（水準４）に固定した上シート状物５の巻き付け長さの総和を変更し、巻き付け長さとシート状物５の幅との最適範囲について調べるため、５００ｍｍ（水準１０）、７００ｍｍ（水準１２）、８００ｍｍ（水準１３）、９００ｍｍ（水準１４）、１０００ｍｍ（水準１５）と変更した以外は、全て実施例１と同一条件で行った。

表２の水準１０〜水準１５に得られた熱処理後のシート状物６の品位を示した。

結果として、表２より熱処理後のシート状物６のシワや毛羽等の欠点から総合的に品位を評価すると、シート状物５の巻き付け長さの総和が、シート状物５の幅に対し１．２５倍（水準１０）以上２．５倍（水準１５）以下が良いことが分かった。

比較例３
図１に示した本発明の熱処理装置１において、ロール１０の本数を６本に固定した上シート状物５の巻き付け長さの総和を４００ｍｍ（水準９）に変更した以外は、全て実施例１と同一条件で行った。

表２の水準９に得られた熱処理後のシート状物６の品位を示した。

表２よりシート状物５の巻き付け長さの総和が、シート状物５の幅と同一長さまで短くなると、熱処理中のシート状物５の張力変動が多くなり、得られた熱処理後のシート状物６に小シワが発生し、品位の低下を招くことが分かった。

比較例４
図１に示した本発明の熱処理装置１において、ロール１０の本数を６本に固定した上シート状物５の巻き付け長さの総和を１１００ｍｍ（水準１６）に変更した以外は、全て実施例１と同一条件で行った。

表２の水準１６に得られた熱処理後のシート状物６の品位を示した。

表２よりシート状物５の巻き付け長さの総和がシート状物５の幅に対し２．７５倍、即ち１１００ｍｍまで長くなると、接触周長が適正長さ以上に長くなるため、得られた熱処理後のシート状物６に毛羽が数多く現れ、品位が低下することが分かった。

なお、表２においてもシワ、毛羽の判断基準は、実施例１、比較例１、比較例２と同様であり、電力については、４０ＫＷ未満の状態を「極めて良好」、４０ＫＷ以上４５ＫＷ未満を「良好」、４５ＫＷ以上５０ＫＷ未満を「普通」、５０ＫＷ以上を「不良」とし、それぞれ◎、○、△、×で示した。

本発明は、炭素繊維材料からなるシート状物の熱処理装置に限らず、該シート状物のシワ加熱矯正装置等にも応用することができるが、その応用範囲がこれらに限られるものではない。

本発明に係る熱処理装置の一例を示す概略縦断面図である。 従来のベルト搬送方式熱処理炉の概略縦断面図である。 図２の熱処理炉におけるＡ−Ａ断面矢視図である。

符号の説明

１：熱処理装置
５：シート状物
６：熱処理後のシート状物
１０：ロール
１１：加熱手段
１２：シール機構
１３：入口
１４：出口
５１：炉体
５１ａ：入口シール室
５１ｂ：加熱室
５１ｃ：冷却室
５１ｄ：出口シール室
５２：マッフル
５３：ベルト
５４：駆動ローラ
５５：モータ
５６：テールローラ
５７：ガイドローラ
ｎ：ロールの本数
Ｖ１：搬送速度
Ｖ２：処理速度
Ｇ：不活性ガス

Claims (9)

1. 走行方向に沿って配設された４本以上８本以下のロールと、シート状物を１２００℃以上に昇温可能な加熱手段とを有することを特徴とするシート状物の熱処理装置。
2. 前記ロールの本数をｎとしたとき、該ロールの径が３００ｍｍ〜９００ｍｍ／ｎであることを特徴とする請求項１に記載のシート状物の熱処理装置。
3. 前記ロールへの前記シート状物の巻き付け長さの総和が、シート状物の幅に対し１．２５倍以上２．５倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のシート状物の熱処理装置。
4. 前記ロールの少なくとも１本が、駆動手段に連結されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシート状物の熱処理装置。
5. 前記ロールが、黒鉛材または炭素繊維強化炭素複合材からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のシート状物の熱処理装置。
6. 前記加熱手段の熱処理温度が、１２００℃以上３０００℃以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシート状物の熱処理装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の熱処理装置を用いて、シート状物を蛇行させながらロールに接触させ、熱処理を行うことを特徴とするシート状物の熱処理方法。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載のシート状物の熱処理装置、または請求項７に記載のシート状物の熱処理方法を用いて製造されたことを特徴とするシート状物。
9. 熱処理後の表面の凹凸が１ｍｍ未満であることを特徴とする請求項８に記載のシート状物。

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