JP2005344246A

JP2005344246A - 焼成炉装置

Info

Publication number: JP2005344246A
Application number: JP2004166002A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Tanaka; 慎太郎田中
Original assignee: Toho Tenax Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】収縮による皺や伸び等の問題を生ずることなく炭素質シートが製造できる酸化繊維シートの焼成炉装置を提供する。
【解決手段】炉本体２と、上流側炉壁２０に形成された酸化繊維シート入口部２２と、下流側炉壁６に形成された炭素質シート出口部４と、炉本体２内の上流部１００と下流部２００とを仕切ると共にシート搬送窓２５を形成した隔壁２４と、下流部２００に備えた加熱手段８ａ、８ｂと、炉本体２内の接圧ローラー１０、１２、１４、１６、１８と、炉本体２外上流側の酸化繊維シート供給ローラー２６と、炉本体２外下流側の炭素質シート巻取りローラー４０とを有し、酸化繊維シート供給ローラー２６から供給される酸化繊維シート２８を酸化繊維シート入口部２２に供給すると共に炭素質シート出口部４から取出される炭素質シート３２を炭素質シート巻取りローラー４０に巻き取ることで焼成炉装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素質シート製造用の焼成炉装置に関し、更に詳述すれば本発明はポリアクリロニトリル系等の酸化繊維シート(織物、不織布、ペーパー等)を用いて特に厚さ１０ｍｍ以下の炭素質シートを製造する際に使用して好適な焼成炉装置に関する。

ポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系酸化繊維は、不融性があり、難燃性に優れ、かつ、一般の有機繊維に近い風合いと強伸度を有する為、様々な加工が可能である。また不活性ガス中で炭素化することにより高強度の炭素繊維が得られる。

ＰＡＮ系酸化繊維は短綿化され、単独又は他のバインダーと分散混合され、湿式の抄紙により紙状のシートに加工される。また、乾式の不織布製造方式(ニードルパンチによるフェルトも含む)により不織布状のシートに加工される。更に、紡糸して織物に加工することも行われている。これらのシートを不活性ガス中で炭素化することにより紙状や不織布状、織物状の炭素質シートを得ることができる。

炭素質シートは、導電性、通気性が良いため、導電材や電極としての用途が期待されている。特に、電池用電極材としての用途は重要である。

炭素質シートを電極材用として用いる場合、近年電池の小型化、軽量化が進む中でこれらに対応できるように、炭素質シート自体の厚さを小さくすることが求められている。

しかし、電極材料のように薄さの求められる炭素質シートの製造は困難が伴う。特許文献１には、３００〜９００℃の温度勾配を有する不活性雰囲気炉中で酸化繊維を水平方向に走行させ炭素繊維を連続的に製造する連続炭素化炉が記載されている。この横型炉は縦型炉と比較し、入口と出口の圧力差が少なく、また炉内圧を高めることにより外部から空気が侵入することを簡単に防止できる利点がある。しかし、厚さの小さい酸化繊維シートは低強度であるため、この横型炉で炭素化するとシート切れを起こす。

この問題を回避するため、横型炉中にベルトコンベアを設置し、ベルトコンベア上に厚さの小さい酸化繊維シートを載置して炭素化することも考えられる。しかし、この場合には炭素化時に「皺」や「伸び」等を生じやすい。また、ベルトコンベアは耐熱性が高い必要があり、装置的に複雑になる。

特許文献２には、縦型の連続焼成装置が記載されている。この装置においては、焼成室内に酸化繊維を上方から下方と縦方向に供給して炭素化し、３００〜９００℃で発生する分解ガスを有効に除去している。この縦型装置で炭素化する場合、薄い酸化繊維シートでもシート切れを起こすことはないが、炭素化に際して何ら形態の保持機構を備えていないので、自由に伸縮ができ、その結果得られる炭素質シートは「皺」、「伸び」等の形状変化を起しやすい。

特許文献３には、縦型の炭素繊維製造用炭化炉のシール装置が記載されている。この炭化炉においても、特許文献２と同様の理由で、同様の問題が発生している。
特開昭５８−１１５１１９号公報（請求項１、第１図）特開昭５８−１２６３１６号公報（特許請求の範囲）特公平６−３３９５６号公報（請求項１）

本発明者は、炭素化時に「皺」や「伸び」等の形状変化を起こさない炭素質シートの製造方法を検討しているうちに、以下の知見を得た。

従来の酸化繊維シートの焼成炉における原料シート入口部は、窒素ガス等の不活性ガスでガスシールされており、これにより炉内に空気が混入することの無いように構成されている。なお、以下に示すように、従来の炉の原料シート入口部温度は、炉外と炉内とで温度差が大きい。

５００℃以上の熱処理を行う為の従来の焼成炉において、炉内入口部の温度と炉内最高温度との差を２００℃以上にすることは、ヒーターからの輻射熱によって炉内の温度が均一化されるため、通常の構成では不可能である。よって、従来の炉では炉内の温度勾配は最大でも２００℃程度であり、例えば１０００℃で焼成する場合、炉外の入口部の温度は室温(２５℃)程度であるが、炉内の入口部の温度は急激に上昇して８００℃になっている。

炉内の入口部の温度が高温であると、たとえ原料酸化繊維シートに接圧をかけるためのローラーが炉内に設けてあっても、シートは炉の入口に入って炉内ローラーに到達するまでに収縮して皺が発生してしまう。

この為、低温から１０００℃まで順次温度を違えた炉を複数用意し、何段階かに分けて焼成しなければならない。しかし、これでは焼成炉装置及び工程が膨大且つ複雑になって問題がある。

本発明者は更に検討を重ねるうちに、炉内の炭素質シート出口部付近に加熱手段を備えると共に、加熱手段の炉内上流側の所定位置に隔壁を備えることにより、炉内の最高温度域(高温ゾーン)を炭素質シート出口部付近に有し、炉内の前段昇温域の温度勾配が緩い焼成炉を実現できること、更にこの焼成炉内にローラーを設けて酸化繊維シートに接圧を負荷しながら酸化繊維シートを焼成することにより、収縮による皺や伸び等の問題を生ずることなく炭素質シートが製造できることを知得し、本発明を完成するに到った。従って、本発明の目的とするところは、上記問題を解決した炭素質シートの製造に好適な焼成炉装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明は、以下に記載するものである。

〔１〕炉本体と、炉本体の上流側炉壁に形成されてなりガスシールされた酸化繊維シート入口部と、炉本体の下流側炉壁に形成されてなりガスシールされた炭素質シート出口部と、炉本体内の上流部と下流部とを仕切ると共にシート搬送窓を形成した隔壁と、炉本体内の下流部に備えた１以上の加熱手段と、炉本体内に取りつけた１以上の接圧ローラーと、炉本体外の上流側に配設した酸化繊維シート供給ローラーと、炉本体外の下流側に配設した炭素質シート巻取りローラーとを有し、酸化繊維シート供給ローラーに取りつけた酸化繊維シートロールから供給される酸化繊維シートを酸化繊維シート入口部に供給すると共に炭素質シート出口部から取出される炭素質シートを炭素質シート巻取りローラーに巻き取る焼成炉装置。

〔２〕酸化繊維シート供給ローラーと酸化繊維シート入口部との間にテンションセンサーとテンションコントローラーを備えて接圧ローラーに対する酸化繊維シートの接圧を０．１〜１０ｋＰａに制御する〔１〕に記載の焼成炉装置。

本発明においては、炉内の炭素質シート出口部付近に加熱手段を装備すると共に炉内の上流部と下流部との間に隔壁を設けて、加熱手段からの輻射熱を制御することにより上流部に上流側から下流側に向かって漸次昇温する温度勾配を形成しているので、酸化繊維シートは急激に加熱されず、その結果、収縮による皺や伸び等の問題を生ずることなく炭素質シートが製造できる。また、前記隔壁は下流部の均熱化にも有効である。

以下、図面及びグラフを参照して本発明の実施形態につき詳細に説明する。

図１は、本発明の焼成炉装置の一例を示す概略側面図である。２は内部中空の炉本体で、炉壁は断熱材を用いて形成されている。図２は、本例における炉本体２内の温度分布を示すグラフである。

炉本体２内は、隔壁２４で水平方向に上流部１００と下流部２００とで仕切られている。前記隔壁２４にはシート搬送窓２５が形成されている。

炉本体２の最下流には、炭素質シート出口部４を有する下流側炉壁６が設けられている。下流部２００を均熱化し、炭素質シートの幅方向の焼成斑を無くすためには、下流部２００の長さは、少なくとも炉の幅と同じ長さとする必要があり、かつ、炭素質シートの内部まで充分に炭素化させるための滞留時間が得られる長さが必要である。滞留時間は、酸化繊維シートの目付や焼成速度によって異なる。また、硬く、曲げ強度が低いシートを焼成する場合は、高温ゾーン内に設置する接圧ローラー１８の径を、シートが破断しない程度に大きくする必要がある為、隔壁２４を設ける位置は、これらを検討した上で決定する必要がある。

本例の焼成炉装置で対象とする厚さ０．１〜１０ｍｍの酸化繊維シートを焼成する場合、隔壁２４は下流側炉壁６から炉長の５％以上、５０％以下の位置に設置される。

下流部２００には加熱手段８ａ、８ｂが装備されている。加熱手段８ａ、８ｂにより下流部２００は最高温に加熱される。下流部２００の温度は、８００〜１１００℃、好ましくは８５０〜１０５０℃である。

加熱手段８ａ、８ｂからの輻射熱等の伝熱により上流部１００は上流から下流に向かうに従って高温になる温度勾配を有する昇温域が形成されている。

隔壁２４により、炉本体２内の最上流に設けられた酸化繊維シート入口部２２の炉内部分の温度は、３００℃以下、好ましくは１５０〜２５０℃に保たれる。

炉本体２内には、複数(本図においては５本)の接圧ローラー１０、１２、１４、１６、１８が上流側から下流側に向かって順次配設されている。接圧ローラー１０の上流であって、炉本体２の上流側炉壁２０には、酸化繊維シート入口部２２が形成されている。

炭素質シート出口部４及び酸化繊維シート入口部２２は、窒素ガス等の不活性ガスでガスシールされており、これにより炉本体２内に空気が混入することの無いように構成されている。

図１において、２６は炉本体２外の上流側に配設した酸化繊維シート供給ローラーで、このローラー２６に巻回された酸化繊維シート２８が繰出された後、二つのローラー３０、３４、それらの間に設けられたテンションセンサー３２、酸化繊維シート入口部２２を通って炉本体２内に供給されている。

炉本体２内に供給された酸化繊維シート２８は、次いで接圧ローラー１０、１２、１４、１６、１８間を張り渡され、ローラー３８を通って炉本体２外に取出された後、炭素質シート巻取りローラー４０に巻き取られる。

テンションセンサー３２から、テンションの感知信号がテンションコントローラー４２に送られる。このテンションコントローラー４２において前記テンション感知信号は、酸化繊維シート供給ローラー２６の制御信号に転換される。この制御信号によりブレーキが制御されてシート２８の張力が調整される。このようにして、シート２８の接圧ローラー１０、１２、１４、１６、１８に対する接圧が調節され、「皺」や「伸び」の発生が防止される。

尚、接圧ローラー１０、１２、１４、１６、１８の回転速度によるシート２８の搬送速度と、酸化繊維シート供給ローラー２６の回転速度によるシート２８の供給速度とに差がある場合、各接圧ローラーとシート２８の間に摩擦が発生する。その結果、焼成された炭素質シート３６の張力が酸化繊維シート２８の張力よりも大きくなる為、入り側だけで張力を制御していると炭素質シート３６の破断が生じることがある。

この様な問題は、各接圧ローラーの回転速度を調整し、更に出側にも入り側と同様の張力制御機構を導入して、炭素質シート３６の張力が破断強度を上回らないよう調整する事により改善する事が出来る。

次に、この焼成炉装置を用いて酸化繊維シート２８を炭素化する場合につき説明する。

酸化繊維シート２８は、ピッチ系、レーヨン系、ポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系等の何れの酸化繊維シートでも使用できる。本装置で炭素化する酸化繊維シートとしては、特に制限はないが、シート厚さが薄く、引張り強度が小さいシートの場合であっても、炭素化することができる。特に、厚さ０．１〜１０ｍｍの酸化繊維シートの炭素化に好適である。これらの引張り強度は通常１００Ｎ／ｃｍ以下の低強度のものが多い。

このような低強度の酸化繊維シートを炭素化すると、得られる炭素質シートは厚さ０．１〜１０ｍｍ、引張り強度５０Ｎ／ｃｍ程度のものが得られる場合が多い。

炭素化する酸化繊維シートとしては、織物、不織布、ペーパー等がある。

酸化繊維シート２８は供給ローラー２６から繰出した後、前述のように、二つのローラー３０、３４、それらの間に設けられたテンションセンサー３２、酸化繊維シート入口部２２を通して炉本体２内に供給する。次いで、酸化繊維シート２８は、接圧ローラー１０、１２、１４、１６、１８に通して接圧を負荷すると共に炉本体２内を移動させながら炭素化する。炭素化後、炭素質シート３６は炭素質シート出口部４から取出し、ローラー３８を通して巻取りローラー４０に巻き取る。

接圧ローラー１０、１２、１４、１６、１８に対する酸化繊維シート２８の接圧は、テンションセンサー３２により検知したシート２８の張力に応じてテンションコントローラー４２により供給ローラー２６のブレーキを調節し、張力を調節することにより制御する。この接圧は、０．１〜１０ｋＰａに制御することが好ましい。

炭素化処理時間は０．５〜３０分間が好ましく、０．５〜２０分間がより好ましい。また、酸化繊維シート入口部２２の炉内部分の温度、及び下流部２００の温度等については、前述の通りである。これら炭素化処理条件を上記所定条件にすることにより、収縮による皺や伸び等の問題を生ずることなく、薄く、平面平滑性の良い炭素質シートを安定に製造することができる。

なお、上記例においては接圧ローラーを５本設けたが、これに限られず、任意の本数のローラーを設けることができ、その他本発明の要旨を変更しない範囲で構成を種々変形して良い。

図１に示す焼成炉装置を用いて炭素質シートを製造した。

厚さ０．３５ｍｍ、幅４００ｍｍ、引張り強度５２Ｎ／ｃｍ、目付１７０ｇ／ｍ²の酸化繊維紙を５０ｍ／ｈｒで酸化繊維シート供給ローラーから繰出し、内部を窒素雰囲気下加熱し、図２に示す酸化繊維シート入口部の炉内部分の温度を２００℃、下流部２００の温度を１０００℃にし、上流部１００での温度勾配をほぼ一定にした炉本体２に供給した。

なお、炭素質シート出口部４の炉内部分と隔壁２４との距離は５０ｃｍ(炉長の１０％)に調節した。炭素化処理時間は６ｍｉｎであった。また、接圧ローラー１０、１２、１４、１６及び１８に対する酸化繊維シート２８の接圧は０．８ｋＰａに調節した。

炭素化処理後の炭素質シート出口部４から取出される炭素質シート３６を炭素質シート巻取りローラー４０に連続的に巻き取った。

得られた炭素質シートは、厚さ０．２５ｍｍ、引張り強度１１Ｎ／ｃｍ、目付１１０ｇ／ｍ²のものであり、皺、伸びのない高品位のものであった。

本発明の焼成炉装置の一構成例を示す概略側面図である。実施例１の焼成炉装置運転における炉長に対する炉本体内の温度分布を示すグラフである。

符号の説明

２炉本体
４炭素質シート出口部
６下流側炉壁
８ａ、８ｂ加熱手段
１０、１２、１４、１６、１８接圧ローラー
２０上流側炉壁
２２酸化繊維シート入口部
２４隔壁
２５シート搬送窓
２６酸化繊維シート供給ローラー
２８酸化繊維シート
３０、３４、３８ローラー
３２テンションセンサー
３６炭素質シート
４０炭素質シート巻取りローラー
４２テンションコントローラー
１００炉本体内上流部
２００炉本体内下流部

Claims

炉本体と、炉本体の上流側炉壁に形成されてなりガスシールされた酸化繊維シート入口部と、炉本体の下流側炉壁に形成されてなりガスシールされた炭素質シート出口部と、炉本体内の上流部と下流部とを仕切ると共にシート搬送窓を形成した隔壁と、炉本体内の下流部に備えた１以上の加熱手段と、炉本体内に取りつけた１以上の接圧ローラーと、炉本体外の上流側に配設した酸化繊維シート供給ローラーと、炉本体外の下流側に配設した炭素質シート巻取りローラーとを有し、酸化繊維シート供給ローラーに取りつけた酸化繊維シートロールから供給される酸化繊維シートを酸化繊維シート入口部に供給すると共に炭素質シート出口部から取出される炭素質シートを炭素質シート巻取りローラーに巻き取る焼成炉装置。
酸化繊維シート供給ローラーと酸化繊維シート入口部との間にテンションセンサーとテンションコントローラーを備えて接圧ローラーに対する酸化繊維シートの接圧を０．１〜１０ｋＰａに制御する請求項１に記載の焼成炉装置。