JP2008248397A

JP2008248397A - 熱処理炉及び熱処理方法

Info

Publication number: JP2008248397A
Application number: JP2007087245A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Takami; 祐介高見
Original assignee: Toho Tenax Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】炭素化処理前の乾燥工程等を増設することなく、酸化繊維シートへの水滴滴下を防止できる熱処理炉を提供する。
【解決手段】炉２内を水平方向に走行する酸化繊維シート４を熱処理して炭素繊維シートを製造する酸化繊維シート４の熱処理炉２であって、炉２内には上流側から下流側に向けて酸化繊維シート導入部８、高温熱処理部２０、炭素繊維シート排出部１２を有し、酸化繊維シート導入部８の上部内壁２８が水平面３０に対してθ＝５〜６０゜の傾斜角で上方に突出して形成されている熱処理炉。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化繊維シートを熱処理して炭素繊維シートを製造する酸化繊維シートの熱処理炉及び熱処理方法に関する。

炭素繊維シートの製造方法においては、酸化繊維をシートに加工後、炭素化処理することにより炭素繊維シートを製造する。酸化繊維の原料繊維としては、ポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系、ピッチ系、フェノール系、レーヨン系などの繊維が用いられる。これらの原料繊維のうちでも、得られる炭素繊維の強度、伸度等が比較的高いことからＰＡＮ系繊維が最も好適である。

原料繊維がＰＡＮ系繊維の場合、通常まずＰＡＮ系繊維を空気中、３００℃以下で処理(耐炎化処理)することによりＰＡＮ系繊維の環化反応を生じさせ、酸素結合量を増加させて不融化、難燃化させてＰＡＮ系酸化繊維(ＯＰＦ)を得る。

このＰＡＮ系酸化繊維をシートに加工後、不活性雰囲気下、４００℃以上の炉(炭素化炉)で熱処理することにより炭素化して炭素繊維シートを製造する(例えば、特許文献１、２参照)。
特開２００７−２３９４号公報（段落番号［００２０］〜［００２３］）特開２００１−２４０４７７号公報（特許請求の範囲、段落番号［０００８］〜［００１１］）

ＰＡＮ系酸化繊維シート等の酸化繊維シートは、シート加工の過程で水分を含む場合があり、これを脱水、乾燥処理しても経時により平衡水分で１０質量％程度の水分を含む。その為、炭素化処理時に水分が気化する。炭素化炉には、横型炉、縦型炉などが使用されるが、特に炭素化炉が横型炉の場合、高温下での炭素化処理時に炉の酸化繊維シート導入部で発生した水分が、酸化繊維シート導入部の上部内壁(天井)で冷却されて凝縮する。その凝縮水滴は上部内壁に付着したタール等で汚染される。この汚染水滴は酸化繊維シート導入部を走行するシートに滴下し、シートの表面には水滴滴下の痕が残り、得られる炭素繊維シートの製品価値を損う。

水滴滴下を防止するため、焼成前に乾燥工程(縦型／横型)を設ける方法が考えられるが、工程が増える。また、乾燥設備と炭素化処理設備との間で再度酸化繊維シートの水分吸着が引き起こされ、前記設備間での湿度を所定以下に管理することが必要となる。このような工程増設や湿度管理による水滴滴下防止対策は、コストアップの要因となる。

本発明者は、上記問題について鋭意検討しているうち、炭素繊維シート製造用の熱処理炉であって酸化繊維シート導入部の上部内壁が水平面に対して所定の傾斜角で上方に突出して形成されている熱処理炉を用いることにより、上部内壁に凝縮付着した水滴を、上部内壁を伝って側面内壁に逃すことができ、炭素化処理前の乾燥工程等を増設することなく、酸化繊維シートへの水滴滴下を防止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熱処理炉及び熱処理方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明は、以下に記載のものである。

〔１〕炉内を水平方向に走行する酸化繊維シートを熱処理して炭素繊維シートを製造する酸化繊維シートの熱処理炉であって、炉内には上流側から下流側に向けて酸化繊維シート導入部、高温熱処理部、炭素繊維シート排出部を有し、酸化繊維シート導入部の上部内壁が水平面に対してθ＝５〜６０゜の傾斜角で上方に突出して形成されている熱処理炉。

〔２〕炉内を水平方向に走行する酸化繊維シートを熱処理して炭素繊維シートを製造する酸化繊維シートの熱処理炉であって、炉内には上流側から下流側に向けて酸化繊維シート導入部、高温熱処理部、炭素繊維シート排出部を有し、酸化繊維シート導入部の上部内壁が水平面に対してθ＝５〜６０゜の傾斜角で上方に突出して形成されている熱処理炉において、酸化繊維シートを不活性ガス雰囲気中で熱処理して炭素繊維シートを製造する酸化繊維シートの熱処理方法。

〔３〕酸化繊維シート導入部の酸化繊維シートの温度が１００〜４００℃である〔２〕に記載の熱処理方法。

〔４〕酸化繊維シートがポリアクリロニトリル系酸化繊維シートである〔２〕に記載の熱処理方法。

〔５〕高温熱処理部の下流側端部の温度が４００〜２７００℃である〔２〕に記載の熱処理方法。

本発明の炭素繊維シート製造用の熱処理炉は、酸化繊維シート導入部の上部内壁が水平面に対して所定の傾斜角で上方に突出して形成されているので、酸化繊維シート導入部の上部内壁に凝縮付着した水滴は、上部内壁を伝って側面内壁に逃すことができ、炭素化処理前の乾燥工程等を増設することなく、酸化繊維シートへの水滴滴下を防止できる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１は本発明の熱処理炉の一例を示す概略図であり、(Ａ)は、その斜視図であり、(Ｂ)は、図１(Ａ)において酸化繊維シートの走行方向に直交する平面で切った酸化繊維シート導入部の正面断面図である。

図１(Ａ)において、２は内部中空に構成された熱処理炉で、炉壁は断熱材を用いて形成されている。熱処理炉２で熱処理される酸化繊維シート４の搬送方向に沿って炉本体３の上流側の炉壁６には、酸化繊維シート導入部８が設けられている。炉本体３の下流側の炉壁１０には、炭素繊維シート排出部１２が設けられている。

酸化繊維シート導入部８及び炭素繊維シート排出部１２は、それぞれシール用ガス導入管１４及び１６から導入される窒素ガス等の不活性ガスを用いてガスシールされており、これにより炉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。シール用ガス導入管１４から導入される不活性ガスを予め加熱しておくことにより、酸化繊維シート導入部８の温度調節をすることができる。

炉２において、炉本体３内は、高温熱処理部２０が形成され、酸化繊維シート導入部８と高温熱処理部２０との間は、隔壁２２で仕切られている。高温熱処理部２０と炭素繊維シート排出部１２との間は、隔壁２４で仕切られている。高温熱処理部２０の上壁には、複数[図１(Ａ)では３本]の加熱手段２６ａ、２６ｂ、２６ｃが設けられている。

２７は、炉本体３の上壁に形成された排煙ダクトで、炉本体３で発生するガスを熱処理炉２の外部に取出す。

熱処理炉２を形成する素材は、耐熱性のある素材であれば特に限定されるものではないが、炭素材や金属が好ましい。

図１(Ｂ)に示すように、酸化繊維シート導入部８の上部内壁２８は、水平面３０に対してθ＝５〜６０゜、好ましくはθ＝１０°〜４５°の傾斜角で上方に突出して形成されている。即ち、上記内壁２６の幅方向断面形状は、水平面３０に対してθ＝５〜６０゜、好ましくはθ＝１０°〜４５°の傾斜角で上方に向かうに従って漸狭に形成されている。

この形状に上部内壁２８を構成したことにより、上部内壁２８に凝縮付着した水滴は、上部内壁２８を伝って側面内壁(炉脇)３２に逃すことができ、焼成前の乾燥工程等を増設することなく、酸化繊維シートへの水滴滴下を防止できる。

上部内壁２８の水平面３０に対する傾斜角が５°未満の場合は、発生した水滴が側面内壁３２に流れにくくなる。傾斜角が６０°を超える場合は、上部内壁(天井)２６が高く成りすぎ、炉２の大型化、温度斑の発生原因となる為、好ましくない。

酸化繊維シート４は、素材としてポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系、ポリアミド(アラミド繊維)系、ナイロン系、ピッチ系、フェノール系、レーヨン系などの酸化繊維シートが、形状としてクロス状(酸化繊維紡績糸織物)、フェルト状(酸化繊維フェルト)、ペーパー状(酸化繊維ペーパー)、フィルム状のものが用いられる。

ここで、酸化繊維紡績糸織物は、酸化繊維紡績糸を製織して得られる織物である。酸化繊維紡績糸は、酸化繊維を紡績加工して得られる紡績糸であって、酸化繊維の繊度が０．５〜３．４ｄｔｅｘ、紡績糸の乾強度が１６ｍＮ／ｄｔｅｘ以上、紡績糸の撚り数は１５０〜９００回／ｍである酸化繊維紡績糸とすることが好ましい。

酸化繊維フェルトは、酸化繊維をニードルパンチ、ウォータージェット等でフェルト化して得られるフェルトである。

酸化繊維ペーパーは、繊維長１〜３０ｍｍの酸化繊維を抄紙して得られるペーパーがある。

これらの酸化繊維シートのうちでも素材としては、得られる炭素繊維シートの強度、伸度等が比較的高いことからＰＡＮ系酸化繊維(ＯＰＦ)シートが最も好適である。

ＰＡＮ系酸化繊維シートを得るには、先ず例えばアクリロニトリル構造単位を主成分として、イタコン酸、アクリル酸、アクリルエステル等のビニル単量体単位を１０モル％以内で含有する共重合体などを紡糸してＰＡＮ系繊維を得る。

次いで、得られたＰＡＮ系繊維を空気中、３００℃以下で処理(耐炎化処理)することによりＰＡＮ系繊維の環化反応を生じさせ、酸素結合量を増加させて不融化、難燃化させてＰＡＮ系酸化繊維を得る。このＰＡＮ系酸化繊維をシートに加工することにより、ＰＡＮ系酸化繊維シートが得られる。

上記酸化繊維シート４は、シート加工の過程で１０質量％以上の水分を含む場合がある。また、平衡水分で通常１０質量％程度の水分を含む。そのため、酸化繊維シート４を炭素化させて炭素繊維シートを製造する際、酸化繊維シート４に含まれる水分が気化する。

本例の熱処理炉２で熱処理する酸化繊維シート４の物性は特に限定されるものではないが、目付が３０〜２８００ｇ／ｍ²、厚さが０．１〜２０ｍｍ、水分率が１〜２０質量％のものが好ましい。

目付が３０ｇ／ｍ²未満の場合は、引張り強度が低く、耐炎化処理工程から炭素化処理工程へ連続して加工する工程においてシート切断等が発生する可能性がある。目付が２８００ｇ／ｍ²を超える場合は、高温熱処理や乾燥に長時間必要となる為、好ましくない。

厚さが０．１ｍｍ未満の場合は、強度が低い。厚さが２０ｍｍを超える場合は、熱が内部まで浸透せず、乾燥に長時間必要となる為、好ましくない。

酸化繊維シート４の熱処理において、加熱手段２６ａ、２６ｂ、２６ｃの出力を調節することにより、高温熱処理部２０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。高温熱処理部２０の温度は下流側の端部(隔壁２４の炭素繊維シート排出部１２側)で４００〜２７００℃が好ましく、８００〜２０００℃がより好ましい。この温度に加熱することにより酸化繊維シート４は炭素化される。炭素化処理時にシートに負荷する張力は１〜１０００Ｎ／ｍが好ましい。

隔壁２２の高温熱処理部２０側から酸化繊維シート導入部８側への熱伝導、隔壁２２からの輻射熱等の伝熱により、並びに、前述のガスシール用不活性ガスの予熱により、酸化繊維シート導入部８は加熱され、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。酸化繊維シートの導入部８における温度は１００〜４００℃が好ましく、１００〜２００℃がより好ましい。

酸化繊維シート導入部８における酸化繊維シート４の乾燥処理時間(通過時間)は、０．５分〜３０分が好ましい。乾燥処理時間が０．５分未満の場合は、乾燥が不十分である。乾燥処理時間が３０分を超える場合は、酸化繊維シート導入部８の長さが長くなり、惹いては熱処理炉２が大きくなりすぎる為、好ましくない。

本発明の熱処理炉及び熱処理方法で得られる炭素繊維シートは、用途について特に限定されるものではないが、耐熱材、電極材、断熱材、放熱体、面状発熱体、高温流体用フィルターの薄型シートなどの用途がある。

上記例においては、上部内壁２８を二枚の平面で屋根型に形成したが、これに限られない。上部内壁２８は、凹凸があったり、曲面で形成されていても良い。但し、上部内壁２８の何れの部分においても、傾斜角はθ＝５〜６０゜の条件を満たす必要がある。

図２〜５にこのような例を示す。図２〜５において、その構成は図１と同様であるので、同一箇所に同一参照符号を付してその説明を省略する。

図２は、１枚の平面で上部内壁２８を形成した例を示す。

図３は、４枚の平面で上部内壁２８をアーチ型に形成した例を示す。この４枚の平面は何れも、傾斜角はθ＝５〜６０゜の範囲内にある。

図４は、曲面で上部内壁２８をアーチ型に形成した例を示す。曲面の何れの箇所においても、傾斜角はθ＝５〜６０゜の範囲内にある。

図５は、上部内壁２８をアーチ型に形成する平面に凹凸がある例を示す。アーチ型の上部内壁２８の最上部は上方に突出している。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、各物性の測定は次の方法によった。

［シートの目付］
１０ｃｍ角のシートを１２０℃で１時間乾燥した後の質量値より算出した。

［シートの厚さ］
直径５ｍｍφの円形圧板で厚さ方向に１．２Ｎの荷重(６１．９ｋＰａ)を負荷したときの厚さを測定した。

［シートの引張強度］
幅５０ｍｍ、長さ１２０ｍｍ以上のサンプルをチャック間距離１００ｍｍの冶具に固定し、速度３０ｍｍ／ｍｉｎで引張った時の破断強度を１０ｍｍ幅当りの数値に換算して求めた。

［シートの水分率］
２０ｃｍ角のシートを、１２０℃、１ｈｒ乾燥し前後の質量を測定し、次式
水分率［質量％］＝ (乾燥前質量 − 乾燥後質量) ／乾燥前質量 × １００
により算出した。

［シートの欠点評価］
熱処理後得られたの炭素繊維シートにおける水滴痕を目視で確認し、評価した。

［実施例１］
上部内壁２８の傾斜角θが３０゜である酸化繊維シート導入部１２の構造を有する図１に示す構造の熱処理炉２を用いて炭素繊維シートを製造した。即ち、表１に示す酸化繊維シート導入部１２の構造、温度の熱処理炉２を用いると共に、表１に示す条件で酸化繊維シート４を熱処理して炭素繊維シートを製造した。得られた炭素繊維シートの物性を表１に示す。

なお、酸化繊維シート４は、幅１００ｃｍで、１．５ｍ／分の速度で酸化繊維シート導入部１２に供給した。

［検討例１］
上部内壁の傾斜角θが８０゜である酸化繊維シート導入部の構造の熱処理炉を用いた以外は、実施例１と同様に炭素繊維シートを製造した。得られた炭素繊維シートの物性を表１に示す。

［比較例１］
上部内壁の傾斜角θが０゜即ち上部内壁が水平面である酸化繊維シート導入部の構造の熱処理炉を用いた以外は、実施例１と同様に炭素繊維シートを製造した。得られた炭素繊維シートの物性を表１に示す。

表１に示すように、実施例１及び検討例１においては、上部内壁に凝縮付着した水滴は、酸化繊維シートに滴下することなく、上部内壁を伝って側面内壁に逃げ、良好な外観の炭素繊維シートが得られた。

但し、検討例１の熱処理炉は、酸化繊維シート導入部の高さが高くなり、シール用ガスの窒素の導入量が増加、加熱手段が大型化することによりコスト的に不利となった。

比較例１は、上部内壁に凝縮付着した水滴が酸化繊維シートに滴下した為、得られた炭素繊維シートは、その表面に水滴痕が残り、外観不良となった。

表１中、×で示す箇所が本発明の構成から逸脱している。

本発明の熱処理炉の一例を示す概略図であり、(Ａ)は、その斜視図であり、(Ｂ)は、図１(Ａ)において酸化繊維シートの走行方向に直交する平面で切った酸化繊維シート導入部の正面断面図である。本発明の熱処理炉における酸化繊維シート導入部の他の例であって、１枚の平面で上部内壁を形成した例を示す、酸化繊維シートの走行方向に直交する平面で切った酸化繊維シート導入部の概略正面断面図である。本発明の熱処理炉における酸化繊維シート導入部の更に他の例であって、４枚の平面で上部内壁をアーチ型に形成した例を示す、酸化繊維シートの走行方向に直交する平面で切った酸化繊維シート導入部の概略正面断面図である。本発明の熱処理炉における酸化繊維シート導入部の更に他の例であって、曲面で上部内壁をアーチ型に形成した例を示す、酸化繊維シートの走行方向に直交する平面で切った酸化繊維シート導入部の概略正面断面図である。本発明の熱処理炉における酸化繊維シート導入部の更に他の例であって、上部内壁をアーチ型に形成する平面に凹凸がある例を示す、酸化繊維シートの走行方向に直交する平面で切った酸化繊維シート導入部の概略正面断面図である。

符号の説明

２熱処理炉
３炉本体
４酸化繊維シート
６、１０炉壁
８酸化繊維シート導入部
１２炭素繊維シート排出部
１４、１６シール用ガス導入管
２０高温熱処理部
２２、２４隔壁
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ加熱手段
２７排煙ダクト
２８上部内壁
３０水平面
３２側面内壁
θ 傾斜角

Claims

炉内を水平方向に走行する酸化繊維シートを熱処理して炭素繊維シートを製造する酸化繊維シートの熱処理炉であって、炉内には上流側から下流側に向けて酸化繊維シート導入部、高温熱処理部、炭素繊維シート排出部を有し、酸化繊維シート導入部の上部内壁が水平面に対してθ＝５〜６０゜の傾斜角で上方に突出して形成されている熱処理炉。
炉内を水平方向に走行する酸化繊維シートを熱処理して炭素繊維シートを製造する酸化繊維シートの熱処理炉であって、炉内には上流側から下流側に向けて酸化繊維シート導入部、高温熱処理部、炭素繊維シート排出部を有し、酸化繊維シート導入部の上部内壁が水平面に対してθ＝５〜６０゜の傾斜角で上方に突出して形成されている熱処理炉において、酸化繊維シートを不活性ガス雰囲気中で熱処理して炭素繊維シートを製造する酸化繊維シートの熱処理方法。
酸化繊維シート導入部の酸化繊維シートの温度が１００〜４００℃である請求項２に記載の熱処理方法。
酸化繊維シートがポリアクリロニトリル系酸化繊維シートである請求項２に記載の熱処理方法。
高温熱処理部の下流側端部の温度が４００〜２７００℃である請求項２に記載の熱処理方法。