JP2007224430A

JP2007224430A - 黒鉛繊維の製造方法および製造装置

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Publication number: JP2007224430A
Application number: JP2006043509A
Authority: JP
Inventors: Takeo Suehiro; 武夫末廣; Mitsunori Fujita; 光紀藤田; Masayuki Okamura; 誠之岡村
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】黒鉛繊維の製造方法において、炭化珪素の成長を抑制すると共に、糸切れ時の波及切れを抑制し、黒鉛繊維の生産性の飛躍的向上が達成される黒鉛繊維の製造方法および製造装置を提供すること。
【解決手段】不活性雰囲気中、２０００℃以上の温度を有する高温炉へ、同時に並行走行する複数の被黒鉛化繊維を連続的に焼成する黒鉛繊維の製造方法であって、該被黒鉛化繊維と高温炉を構成する黒鉛材のマッフル上壁との間に、移動可能な高温耐熱材料を配置し、マッフル上壁と高温耐熱材料との距離を５〜１５ｍｍの範囲にしたことを特徴とする黒鉛繊維の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、被黒鉛化繊維、特に炭化繊維を焼成して黒鉛繊維を製造するに適した黒鉛繊維の製造方法および製造装置に関する。

黒鉛化炉は、被黒鉛化繊維、特に炭化繊維を黒鉛化して黒鉛繊維を製造するのに用いられる加熱炉であり、その内側を線状やテープ状、シート状等の被加熱物が走行せしめられるマッフルと、このマッフルの外側に配置された発熱素子とからなっている。そしてマッフルは耐熱性の面から、グラファイトやカーボンからなるものが多い。

近年、黒鉛繊維の高強度化のため、プリカーサーにシリコン系の油剤を用いることが有効であることが判っているが、以下において説明するような問題がある。

高強度・高弾性率糸を製造するためには、黒鉛化炉内温度が２０００℃以上と高くする必要があるため、黒鉛化工程前の炭化繊維に残存しているシリコン系の油剤より発生する珪素が、ヒーター、マッフル、断熱材等から気化して発生するカーボンと結合し、硬い炭化珪素が生成される。これらは雰囲気ガスの流れに沿って、マッフルの入口、および出口の比較的低温である領域に付着、堆積する。この炭化珪素は何らかの外乱、例えば糸切れ発生時に糸条の切れ端が接触すると、マッフル上壁に付着した塊状の炭化珪素が落ち糸切れ、および糸切れに至らなくとも走行糸上にのりシール部に詰まったり、ローラー等に噛み込むことで、他糸条にも糸切れ、糸傷み等の大きな損害を与える問題があった。また、このように炭化珪素がある一定以上の大きさに成長した場合には、炉入口および出口領域に付着した炭化珪素を機械的に破壊し、除去するしかないが、このような作業をするには、製造を一時中断しなければならず、生産性の点で問題となっていた。

このような問題に対し、マッフル上壁と被黒鉛化繊維との距離を５〜５０ｍｍに規制して解決しようとする試みもあるが（例えば、特許文献１参照）、マッフル上壁と被黒鉛化繊維との距離を５〜１５ｍｍにすることで炭化珪素の成長が大幅に抑制され効果あるものの、被黒鉛化繊維が切れた場合、糸が跳ねマッフル上壁に付着した若干の炭化珪素が落下し、隣接糸条が波及切れし、その効果は不十分であった。
特開平９−２４１９３１号公報

本発明の目的は、炭化珪素の成長を抑えるとともに、糸切れ時の波及切れを抑制し、もって黒鉛繊維の生産性の向上を図りうる黒鉛繊維の製造方法および製造装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために次の構成を有する。すなわち、
（１）不活性雰囲気中、２０００℃以上の温度を有する高温炉へ、同時に並行走行する複数の被黒鉛化繊維を連続的に焼成する黒鉛繊維の製造方法であって、該被黒鉛化繊維と高温炉を構成する黒鉛材のマッフル上壁との間に、移動可能な高温耐熱材料を配置し、マッフル上壁と高温耐熱材料との距離を５〜１５ｍｍの範囲としたことを特徴とする黒鉛繊維の製造方法。

（２）マッフル内を走行する被黒鉛化繊維とマッフル上壁との距離を２０〜５０ｍｍとすることを特徴とする前記（１）に記載の黒鉛繊維の製造方法。

（３）不活性雰囲気中、２０００℃以上の温度を有する高温炉へ、同時に並行走行する複数の被黒鉛化繊維を連続的に焼成する黒鉛繊維の製造装置であって、該被黒鉛化繊維と高温炉を構成する黒鉛材のマッフル上壁との間に、移動可能な高温耐熱材料を配置したことを特徴とする連続黒鉛繊維の製造装置。

本発明によれば、以下に説明するとおり、炭化珪素の成長を抑えるとともに、糸切れ時の波及切れを抑制し、黒鉛繊維の生産性を向上することができる。

本発明に用いられる被黒鉛化繊維は、通常、炭化繊維である。炭化繊維は、前駆体繊維を４００〜２０００℃の不活性雰囲気中で炭化処理して得られる。前駆体繊維としては、ポリアクリロニトリル（以下ＰＡＮと略す）、ピッチ、レーヨン等を挙げることができる。特に、ＰＡＮ系の場合には、前駆体繊維を２００〜３００℃酸化性雰囲気中で耐炎化した後、４００〜２０００℃の不活性雰囲気中で炭化処理して得られるものがよい。本発明に用いられる被黒鉛化繊維には、通常、珪素化合物が珪素元素として０．００１〜０．１重量％含有されている。特に、シリコン系油剤が付与されたＰＡＮ系前駆体繊維からなる炭化繊維を被黒鉛化繊維とした場合には、得られる黒鉛繊維の品位が高く、引張強度に優れているので、多糸条を平行して効率よく黒鉛化処理できるので、本発明では好ましく用いられる。なお、ここでシリコーン系油剤としては、オルガノポリシロキサンを基本骨格とした化合物からなる油剤を用いることができる。

本発明では、温度２０００℃以上、好ましくは２０００〜３０００℃、さらに好ましくは２５００〜３０００℃の不活性雰囲気となったマッフル内に、上述したように珪素化合物が含まれる被黒鉛化繊維を連続的に走行させて黒鉛化せしめて黒鉛繊維を製造する。不活性雰囲気を形成させるには、ヘリウム、アルゴン等の希ガスの他、窒素ガス等の不活性ガスが使用できるが、中でも比較的低コストな窒素ガスを使用するのが好ましい。

本発明による黒鉛化炉では、マッフル上壁と被黒鉛化繊維との間に移動可能な高温耐熱材料を配置するものである。マッフル上壁と高温耐熱材料との距離は、５〜１５ｍｍであり、好ましくは５〜１０ｍｍである。メカニズムは必ずしもはっきりしないが、かかる範囲に設定することにより、マッフル内に供給している窒素ガスの流れが整えられ、カーボンの蒸発が減少して炭化珪素の発生量が抑えられるようになると推定され、これにより、マッフル上壁に付着して堆積した炭化珪素による被黒鉛化繊維の糸切れや糸傷みを効果的に抑制することができ、安定操業を長時間維持することが可能となる。

ここで、高温耐熱材料としては、棒状、シート状、炭素繊維等が使用できるが、比較的低コストで、かつ、張力制御容易な炭素繊維を使用するのが好ましい。高温耐熱材料は、連続使用のため傷むことがあり、炉内２０００〜３０００℃温度内に導入しても原形をとどめるもので、炭素繊維であれば３０００〜４８０００フィラメントのものが好ましい。また、多糸条を連続的に移動させる方法もあるが、巻き取り設備等コストが上がるため、１糸条を連続的に移動させることが好ましい。この高温耐熱材料は連続使用により傷むことがあるため、被黒鉛化繊維の走行方向と同方向ないしは逆方向に移動させることが好ましく、１糸条の炭素繊維を用いる場合では、複数の並べられた被黒鉛化繊維の走行する面と平行な幅方向に移動できる設備を導入するのが好ましい。この高温耐熱材料の張力としては、緩すぎると被黒鉛化繊維に接触し糸絡みおよび糸擦れにより糸切れに至り、強すぎると高温耐熱材料そのものが破断切れするため、適宜調整することが好ましい。好ましい張力としては、黒鉛化炉内で破断しない程度に使用する材料に応じて抑え、接触防止のために被黒鉛化繊維との距離を５ｍｍ以上になるように保つことが好ましい。炭素繊維であれば、１００ｇ／ストランドから２０００ｇ／ストランド以下程度が好ましい。張力の加え方は、パウダークラッチやバネ等により機械的に加えられるが、上述の張力範囲を守りうるものであれば、特に限定されるものではない。

また、本発明の黒鉛繊維の製造方法では、マッフル上壁と被黒鉛化繊維との距離を２０〜５０ｍｍにするのが良い。これにより、被黒鉛化繊維が１糸条でも糸切れ発生した時に糸が跳ねてマッフル上壁に接触し、炭化珪素落下による波及切れを抑制することができ、さらに安定操業を長時間維持することが可能となる。

次に、図１（黒鉛化炉および高温耐熱材料の巻き取り装置の模式的断面図の一例）、図２（図１の入口方向からみた断面図）を用い、本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施の態様には限定されるものではない。

図１は本発明における黒鉛化炉および高温耐熱材料の巻き取り装置の一例を示す模式図であり、１０と１１が張力規制機能付き高温耐熱材料の巻き取り装置で、張力制御しながら高温耐熱材料を巻き取る。また、１２と１３は高温耐熱材料の方向を転換せしめ、マッフル上壁からの距離を一定に保つためのローラーである。炭素繊維であれば、それぞれ同調して幅方向にトラバースさせることも可能である。図２は図１の入口方向からみた断面図であり、マッフル４内に高温耐熱材料１４と被黒鉛化繊維２が走行しており、マッフル上壁と高温耐熱材料との距離をＡ、マッフル上壁と被黒鉛化繊維との距離をＢで示している。

図１に示すように、黒鉛化炉１は発熱体、断熱材、外筒、側板等からなる黒鉛化炉本体３と黒鉛化炉内５を形成するマッフル４とから構成されている。黒鉛化炉内５には、不活性雰囲気に維持するために、不活性ガス導入口８から黒鉛化炉内５に不活性ガスが供給されており、加熱室の繊維入口側シール部６と繊維出口側シール部７には、黒鉛化炉内５を外気と遮断するための不活性ガスによるシール機構が備えられており、黒鉛化炉内５に供給された不活性ガスにより、黒鉛化炉内５の内圧が高められている。ここで、不活性ガス導入口８から導入されたガスは、排ガス口９から排出されている。なお、ここでは、黒鉛化炉内５に供給された不活性ガスが、繊維出口側より繊維入口側に流れる構成の黒鉛化炉を示したが、不活性ガスは被黒鉛化繊維の走行方向、またはその逆方向のいずれにも流れるようにすることもできる。したがって、不活性ガス導入口８と排ガス口９は、かかる目的に応じて設置することができる。

また、黒鉛化炉内５のガスが効率的に置換されるように、図１に示すように不活性ガス導入口８と排ガス口９は、黒鉛化炉の両端に分散させて配置するのが良く、好ましくは不活性ガスが、黒鉛化炉内において高温側から低温側へ流れるように配置するのが良い。また、導入口と排ガス口は、各設置場所において、１箇所のみ設置しても良いし、複数箇所設置しても良い。

以下、本発明を実施例により、さらに具体的に説明する。

（実施例１）
図１に示す横型黒鉛化炉の最高温度を２７００℃に保ち、黒鉛化炉のマッフル内に繊維入口側および繊維出口側より３０Ｎｍ^３／ｈｒの窒素を供給し、繊維入口側より排ガスを抜き出した。高温耐熱材料は、１２０００フィラメントの炭素繊維を入側張力規制機能付き高温耐熱材料巻き取り機１０にセットし、入側糸道規制用ローラー１２を通し、黒鉛化炉内を通過後、出側糸道規制用ローラー１３を通し、さらに幅方向に同調させながらトラバースさせ、出側張力規制機能付き高温耐熱材料巻き取り機１１で巻き取った。この時のマッフル上壁と高温耐熱材料用炭素繊維との距離Ａは５ｍｍとした。
次いで、シリコン系油剤が付与された、６０００フィラメントからなるＰＡＮ系前駆体繊維を耐炎化および炭化処理して炭素繊維を得た。その炭素繊維をマッフル内に、被黒鉛化繊維として導入し、マッフル上壁と被黒鉛化繊維との距離Ｂを３０ｍｍにして黒鉛繊維を製造した。

その結果、マッフル上壁への炭化珪素付着は若干しか認められず、また黒鉛化に際する１糸条糸切れ時の波及糸切れも０本／１００糸条・２４ｈｒと安定操業でき、連続２０日間の運転が可能であった。

（実施例２）
マッフル上壁と高温耐熱材料用炭素繊維との距離Ａを１０ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様にして黒鉛繊維を製造したところ、マッフル上壁への炭化珪素付着は若干しか認められず、また黒鉛化に際する１糸条糸切れ時の波及糸切れも０本／１００糸条・２４ｈｒと安定操業でき、連続２０日間の運転が可能であった。

（実施例３）
マッフル上壁と高温耐熱材料用炭素繊維との距離Ａを１５ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様にして黒鉛繊維を製造したところ、マッフル上壁への炭化珪素付着が若干は増加したものの、黒鉛化に際する１糸条糸切れ時の波及糸切れは０本／１００糸条・２４ｈｒと安定操業でき、連続１６日間の運転が可能であった。

（実施例４）
マッフル上壁と被黒鉛化繊維との距離Ｂを２０ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様にして黒鉛繊維を製造したところ、マッフル上壁への炭化珪素付着は若干しか認められず、また黒鉛化に際する１糸条糸切れ時の波及糸切れも０本／１００糸条・２４ｈｒと安定操業でき、連続２０日間の運転が可能であった。

（実施例５）
マッフル上壁と被黒鉛化繊維との距離Ｂを５０ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様にして黒鉛繊維を製造したところ、マッフル上壁への炭化珪素付着は若干しか認められず、また黒鉛化に際する１糸条糸切れ時の波及糸切れも０本／１００糸条・２４ｈｒと安定操業でき、連続２０日間の運転が可能であった。

（比較例１）
高温耐熱材料用炭素繊維を挿入しないで、他は実施例１と同様にして黒鉛繊維を製造したところ、マッフル上壁への炭化珪素付着が増加し、５日以上の連続運転が不可能であり、炉内に付着した堆積物の除去を実施せざるを得なかった。

（比較例２）
マッフル上壁と高温耐熱材料用炭素繊維との距離Ａを３ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様にして黒鉛繊維を製造したところ、マッフル上壁への炭化珪素付着は若干しか認められず、また黒鉛化に際する１糸条糸切れ時の波及糸切れも０本／１００糸条・２４ｈｒと安定操業できていたが、高温耐熱材料用炭素繊維がマッフル上壁に付着した炭化珪素と接触し糸切れに至り、連続３日間運転で炭素繊維交換を実施せざるを得なかった。

（比較例３）
マッフル上壁と高温耐熱材料用炭素繊維との距離Ａを２０ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様にして黒鉛繊維を製造したところ、マッフル上壁への炭化珪素付着が増加し、７日間以上の連続運転が不可能であり、炉内に付着した堆積物の除去を実施せざるを得なかった。

（比較例４）
マッフル上壁と高温耐熱材料用炭素繊維との距離Ａを３ｍｍにし、マッフル上壁と被黒鉛化繊維との距離Ｂを１０ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様にして黒鉛繊維を製造したところ、マッフル上壁への炭化珪素付着は若干しか認められなかったが、黒鉛化に際する１糸条糸切れ時の波及糸切れが８本／１００糸条・２４ｈｒと操業悪化し、連続２日間運転で被黒鉛化繊維を増糸せざるを得なかった。

本発明における黒鉛化炉および高温耐熱材料の巻き取り装置の一例を示す模式的な概略断面図である。本発明における図１の入口方向からみたマッフルの断面図である。

符号の説明

１：黒鉛化炉
２：被黒鉛化繊維
３：黒鉛化炉本体
４：マッフル
５：黒鉛化炉内
６：繊維入口側シール部
７：繊維出口側シール部
８：不活性ガス導入口
９：排ガス口
Ａ：マッフル上壁と高温耐熱材料との距離
Ｂ：マッフル上壁と被黒鉛化繊維との距離
１０：入側張力規制機能付き高温耐熱材料巻き取り機
１１：出側張力規制機能付き高温耐熱材料巻き取り機
１２：入側糸道規制用ローラー
１３：出側糸道規制用ローラー
１４：高温耐熱材料

Claims

不活性雰囲気中、２０００℃以上の温度を有する高温炉へ、同時に並行走行する複数の被黒鉛化繊維を連続的に焼成する黒鉛繊維の製造方法であって、該被黒鉛化繊維と高温炉を構成する黒鉛材のマッフル上壁との間に、移動可能な高温耐熱材料を配置し、マッフル上壁と高温耐熱材料との距離を５〜１５ｍｍの範囲としたことを特徴とする黒鉛繊維の製造方法。
マッフル内を走行する被黒鉛化繊維とマッフル上壁との距離を２０〜５０ｍｍとすることを特徴とする請求項１に記載の黒鉛繊維の製造方法。
不活性雰囲気中、２０００℃以上の温度を有する高温炉へ、同時に並行走行する複数の被黒鉛化繊維を連続的に焼成する黒鉛繊維の製造装置であって、該被黒鉛化繊維と高温炉を構成する黒鉛材のマッフル上壁との間に、移動可能な高温耐熱材料を配置したことを特徴とする黒鉛繊維の製造装置。