JP2014074242A - 炭素繊維束の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高品質な炭素繊維を効率的に低コストで製造可能な炭素繊維束の製造方法を提供する。
【解決手段】総繊度が12000〜100000dtexのポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維束を200〜250℃の酸化性雰囲気中で加熱して密度1.23〜1.31g/cm3の繊維束を得る工程;その繊維束を条件1)〜5)を満たす複数の加熱ロールで順次加熱する工程、1)複数の加熱ロールの表面温度:250〜330℃、2)250℃≦T1≦270℃、3)Tn≦Tn+1、4)加熱ロール1本当たりの接触時間:5〜40秒、5)最初の加熱ロールと最後の加熱ロールとの間の延伸倍率:1.00〜1.18倍(ここでTnは繊維束が順に接触するn番目の加熱ロールの表面温度);その繊維束を250〜300℃の酸化性雰囲気中で加熱して密度1.35〜1.43g/cm3の耐炎化繊維束を得る工程を含む方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、炭素繊維束の製造方法に関するものである。
炭素繊維束を構成する炭素繊維は、力学的、化学的諸特性及び軽量性などにより、航空機部材、鉄道車両部材、船舶部材、スポーツ用品用途などに広く使用され、さらに近年では自動車などの一般産業分野などにも用途が拡大されている。そのため、炭素繊維に望まれる力学特性のレベルも高まっており、また生産性向上による価格の低減も強く要望されている。
従来、ポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維束(以下、PAN系前駆体繊維束と称することがある)は、次のような工程を経て炭素繊維束に変換される。まず、耐炎化工程により数十〜数百束のPAN系前駆体繊維束を200〜300℃の酸化性雰囲気中で耐炎化熱処理し、得られた耐炎化繊維束を、炭素化工程において300℃以上の不活性雰囲気中で焼成して、炭素繊維束を得る。
耐炎化工程および炭素化工程は、炭素繊維の性能および生産性を左右する重要な工程である。耐炎化工程では、PAN系前駆体繊維を構成する高分子鎖を酸化させると共に高分子鎖に結合したニトリル基を環化させることにより、引き続く炭素化工程を通過しうる程度に熱的に安定な構造を有する繊維に転換させることができる。そして、炭素化工程では、更に高温の不活性雰囲気中でグラファイト結晶の構造形成を促進させることによって、高い強度及び弾性率を有する炭素繊維を得ることができる。
一方、炭素繊維の製造コスト低減のためには、設備投資及びユーティリティコストをいかに削減するかが重要である。
近年炭素繊維束の総繊度を大きくすることで、製造コストを削減することがなされている。
しかしながら、総繊度が大きくなるに従って、短時間の耐炎化時間では耐炎化ムラが生じるため、耐炎化工程では長時間の処理により耐炎化ムラを低減することが望まれ、設備投資及びユーティリティコストに占める、耐炎化工程の割合は大きくなっている。炭素繊維の製造コストを低減するには耐炎化工程をいかに効率的に行うかが重要となる。耐炎化工程を効率的に行うためには、単純に処理時間を短くすれば良いわけではなく、耐炎化工程での設備投資及びユーティリティコストに対する効率を向上させることが望まれる。
このように、炭素繊維の製造コストを低減するには、原料コスト、設備投資及びユーティリティコストをいかに削減するかが重要である。しかし、製造方式によって原料コスト、設備投資及びユーティリティコストに対する効率は異なる。
耐炎化処理の方式としては、これまで、加温した雰囲気によって繊維束を加熱する雰囲気加熱方式と、加熱体に接触させることによって繊維束を加熱する加熱体接触方式とが提案されている。しかしながら、雰囲気加熱方式は、伝熱効率が低くエネルギー消費が大きい傾向がある。一方、加熱体接触方式は、伝熱効率が高いが、焼成斑が大きい傾向があり、長時間の処理を行う場合には設備投資及びユーティリティコストがかかる傾向がある。
これらの傾向を改善する手段として、特許文献1に、前駆体となる総繊度が3000デニールのアクリロニトリル系繊維を200℃以上300℃未満(望ましくは250℃以上300℃未満)の酸化性雰囲気中で、C.I.値が0.10以上0.20未満になるまで予備酸化処理し、次いで250〜350℃に加熱された加熱体に繰り返し断続的に接触させC.I.値が0.35以上になるまで酸化処理し、さらに250〜350℃の酸化性雰囲気中でC.I値が0.50以上となるように加熱処理する方法が記載されている。
また、別の手段として、特許文献2に、前駆体繊維を吸着水分率が少なくとも2%以上になるまで200〜300℃の酸化性ガス雰囲気中で加熱し、次いで220〜400℃の加熱体表面に繰り返し間欠的に接触させる方法が記載されている。
特開昭61−167023号公報 特開昭59−30914号公報
しかしながら、特許文献1に記載された方法では、前駆体繊維束の総繊度が3000デニールと小さい場合は、比較的短時間の耐炎化処理で耐炎化繊維束を得ることができるが、総繊度が30,000デニールと大きい場合は、繊維束内でC.I.値のばらつきが大きく品質が悪い問題があった。総繊度の大きいPAN系前駆体繊維束では、得られた耐炎化繊維束に対して比較的短時間で炭素化処理を行なった場合に、焼成斑による毛羽が多く発生することがあり、炭素繊維束の製造に適した耐炎化繊維束を製造できない場合があった。
また、炭素繊維の製造コストを低減するためには、効率的に高品質のポリアクリロニトリル系炭素繊維束(PAN系炭素繊維束)を製造することが望まれ、各工程や各処理方式での原料コスト、設備投資及びユーティリティコストに及ぼす影響を考慮して、製造方法を最適化することが望まれる。
しかしながら、特許文献2に記載された耐炎化方法では、耐炎化時間の短縮、融着防止には有効であるが、加熱体接触方式での処理時間が5分以上と長い傾向があり、それに伴い設備投資費及びユーティリティコストも大きくなる傾向があり、効率的に炭素繊維を製造することができないことがあった。
本発明の目的は、総繊度が大きく高品質な炭素繊維束を効率的に低コストで製造することができる炭素繊維束の製造方法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成されたものである。
本発明の製造方法は、
総繊度が12,000dtex以上100,000dtex以下のポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維束を、200℃以上250℃以下の酸化性雰囲気中で加熱することによって、密度が1.23g/cm3以上1.31g/cm3以下の繊維束を得る第1の耐炎化工程;
該第1の耐炎化工程より得られる繊維束を、以下の条件(1)〜(5)を満たす複数の加熱ロールで順次加熱する第2の耐炎化工程、
(1)複数の加熱ロールの表面温度:250℃以上330℃以下
(2)250℃≦T1≦270℃
(3)Tn≦Tn+1
(4)加熱ロール1本当たりの接触時間:5秒以上40秒以下
(5)最初の加熱ロールと最後の加熱ロールとの間の延伸倍率:1.00倍以上1.18倍以下
(ここで、Tnは、繊維束が順に接触するn番目の加熱ロールの表面温度である。);および、
該第2の耐炎化工程より得られる繊維束を、250℃以上300℃以下の酸化性雰囲気中で加熱することによって、密度が1.35g/cm3以上1.43g/cm3以下の耐炎化繊維束を得る第3の耐炎化工程
を含む炭素繊維束の製造方法である。
本発明の製造方法では、前記複数の加熱ロールの接触時間が合計で10秒以上120秒以下であることが好ましい。
また、本発明の製造方法では、前記第2の耐炎化工程において、前記複数の加熱ロールのうちの、該第1の耐炎化工程より得られる繊維束が最後に接触する加熱ロールの表面温度を280℃以上330℃以下とすることが好ましい。
本発明の製造方法では、前記第3の耐炎化工程における酸化性雰囲気の温度が260℃以上270℃以下であることが好ましい。
また、本発明の製造方法は、前記第3の耐炎化工程より得られる繊維束を、不活性雰囲気中400℃以上800℃以下で加熱する工程と、この工程より得られる繊維束を、不活性雰囲気中1200℃以上で加熱する工程とを含むことが好ましい。
本発明によれば、高品質な炭素繊維を効率的に低コストで製造することができる炭素繊維束の製造方法が提供される。
<炭素繊維束の製造方法>
以下に本発明の炭素繊維束の製造方法について、詳細に説明する。
本発明は、以下の3段階の耐炎化工程と、炭素化処理工程とを含む炭素繊維束の製造方法である。
(1)総繊度が12,000dtex以上100,000dtex以下のポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維束を、200℃以上250℃以下の酸化性雰囲気中で加熱することによって、密度が1.23g/cm3以上1.31g/cm3以下の繊維束を得る第1の耐炎化工程。
(2)第1の耐炎化工程より得られる繊維束を、以下の条件(1)〜(5)を満たす複数の加熱ロールで順次加熱する第2の耐炎化工程、
(1)複数の加熱ロールの表面温度:250℃以上330℃以下
(2)250℃≦T1≦270℃
(3)Tn≦Tn+1
(4)加熱ロール1本当たりの接触時間:5秒以上40秒以下
(5)最初の加熱ロールと最後の加熱ロールとの間の延伸倍率:1.00倍以上1.18倍以下
(ここで、Tnは、繊維束が順に接触するn番目の加熱ロールの表面温度である。)。
(3)第2の耐炎化工程より得られる繊維束を、250℃以上300℃以下の酸化性雰囲気中で加熱することによって、密度が1.35g/cm3以上1.43g/cm3以下の耐炎化繊維束を得る第3の耐炎化工程。
また、第1の耐炎化工程の前に、ポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維束を作製する工程(製糸工程)を含むこともでき、耐炎化繊維束を不活性雰囲気中で炭素化処理する工程(炭素化処理工程)を含むこともできる。
(製糸工程)
・ポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維束(PAN系前駆体繊維束)
本発明に用いる炭素繊維用PAN系前駆体繊維束は、ポリアクリロニトリル系重合体(PAN系重合体)を紡糸すること(例えば、PAN系重合体を含む紡糸原液を紡糸すること)によって製造することができる。
なお、本発明に用いるPAN系前駆体繊維束の総繊度は、12,000dtex以上100,000dtex以下とする。この総繊度が12,000dtex以上であれば生産性の面で良好となり、24,000dtex以上がより好ましく、50,000dtex以上がさらに好ましい。また、100,000dtex以下であれば工程通過性、品質の面で良好となり、90,000dtex以下がより好ましく、70,000dtex以下がさらに好ましい。
なお、dtexとは、長さ10,000m当たりの質量(g)を表す。
PAN系前駆体繊維束の単繊維繊度は、好ましくは0.6dtex以上3.0dtex以下、より好ましくは0.7dtex以上2.5dtex以下である。単繊維繊度が0.6dtex以上であれば、可紡性の低下や、ローラー、ガイドの接触による糸切れ発生などを容易に防ぐことができ、製糸工程および焼成工程(例えば炭素化処理工程)の工程通過性が低下することを容易に防ぐことができる。また、単繊維繊度が3.0dtex以下であれば、耐炎化後の各単繊維における内外構造差が大きくなることを容易に防ぎ、つづく炭素化処理工程での工程通過性や、得られる炭素繊維の引張強度、引張弾性率が低下することを容易に防ぐことができる。
・PAN系重合体
このPAN系重合体は、分子構造中にアクリロニトリル単位を含んでいれば良く、例えば、アクリロニトリルの単独重合体であっても良いし、アクリロニトリルと他のモノマー(共重合成分)との共重合体であっても良い。なお、この共重合体中のアクリロニトリル単位の含有率は、90質量%以上が好ましく、96質量%以上がより好ましい。アクリロニトリル単位の含有率が90質量%以上であれば、炭素繊維にしたときの共重合成分に起因する欠陥点を容易に少なくすることができ、炭素繊維の品質及び性能を容易に向上させることができる。
本発明で用いるPAN系重合体は、共重合成分、分子量分布、立体規則性などの制約は無く、炭素繊維の分野で公知のPAN系重合体を適宜用いることができる。しかしながら、耐炎化処理を容易に促進させるために、共重合成分として耐炎化促進作用を有する単量体(モノマー)を、0.1モル%以上5モル%以下用いることが好ましく、0.5モル%以上3モル%以下用いることがより好ましく、1.0モル%以上3モル%以下用いることがさらに好ましい。なお、このモル%は、PAN系共重合体を100モル%としたときの値である。
共重合成分の使用量が、0.1モル%以上であれば、耐炎化反応が一層促進され、より短時間で耐炎化処理を行うことができ、結果的に、炭素繊維の生産性を容易に向上させることが出来る。また、共重合成分の使用量が5モル%以下であれば、発熱速度が非常に速くなることを容易に防ぐことができ、暴走反応が起こることを容易に防ぐことができる。
耐炎化促進成分としては、カルボキシル基およびアミド基から選ばれる基を分子構造中に一つ以上有する単量体が好ましく用いられる。耐炎化促進作用を有する単量体の具体例としては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、シトラコン酸、エタクリル酸、マレイン酸、メサコン酸、アクリルアミド、メタクリルアミドなどを挙げることができ、これらの単量体は全て、好ましく用いることができる。耐炎化工程での耐炎化反応の促進や溶媒に対する溶解性の向上の観点から、共重合成分として、アクリルアミド、メタクリルアミドがより好ましく用いられる。
なお、これらの共重合成分は、1つを単独で用いても良いし、複数を併用しても良い。
PAN系重合体の製造方法としては、溶液重合、懸濁重合等の公知の重合方法を適宜選択して用いることが出来る。溶液重合を採用する場合、重合反応に使用する溶媒としては、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAc)などのPAN系重合体が可溶な溶媒を用いることができる。中でもPAN系重合体の溶解性の観点から、DMAcがより好ましく用いられる。
・紡糸
以下に、上記PAN系重合体を用いて、PAN系前駆体繊維束を作製する方法の例を具体的に説明する。まず、前記PAN系重合体含む紡糸原液を、湿式紡糸法または乾湿式紡糸法により口金から紡出し、凝固浴に導入して繊維を凝固させ、凝固糸条(膨潤糸条)を得る。なお、紡糸方法としては、工業的な観点から、生産性に優れた湿式紡糸法を用いることが好ましい。この紡糸原液は、PAN系重合体を例えば溶剤に溶解させることで調製することができ、この溶剤としては、上述した重合反応に使用する溶媒を同様に用いることができる。
次に、上記で得られた膨潤糸条を洗浄及び延伸する(洗浄、延伸工程)。なお、洗浄と延伸の順番については、どちらを先に行っても良く、また、これらの操作を同時に行っても良い。洗浄の方法としては、特に制限はないが、通常用いられる水中、特に温水中に膨潤糸条を浸漬させる方法が良い。
延伸の方法としては、水中、温水中に浸漬させながら延伸する方法、熱板、ローラー等による空気中での乾熱延伸法、また熱風が循環している箱型炉内での延伸でも良く、これらに限定されるものではない。経済的な観点から、温水中で行うことが好ましい。また延伸倍率は、(紡糸生産性)の観点から1倍以上8倍以下とすることが好ましい。ただし、後に二次延伸を行う場合、その延伸倍率を考慮して設定することが好ましい。
次に、洗浄及び延伸後の糸条を油剤が入った油浴槽に導いて、この糸条に油剤を付与する(油剤付与工程)。油剤としては、例えば、シリコーン化合物を含有するシリコーン系油剤を使用することができる。このシリコーン系油剤には、ジメチルシリコーンオイルや有機変性シリコーンオイルを用いることが好ましく、耐熱性の高いアミノ変性シリコーンオイルがより好ましい。通常は、シリコーン化合物とノニオン系乳化剤とを混合し、乳化したものを用いる。また、場合により、このシリコーン系油剤には、酸化防止剤や各種添加剤、さらにシリコーン原子を含まない有機物を混合(含有)することもできる。
続いて、シリコーン系油剤を付与した糸条を乾燥緻密化する(乾燥緻密化工程)。乾燥緻密化の方法としては、通常、熱板や加熱ローラーにこの糸条を接触させて乾燥させる方法が用いられており、この中でも、加熱ローラーによる方法が好ましく用いられている。乾燥温度は高ければ高いほど、シリコーン油剤の架橋反応が促進される傾向があり、また生産性の観点からも好ましい。このため、乾燥温度は、単繊維間の融着が生じない範囲で高く設定することが好ましい。具体的には、乾燥温度は150℃以上が好ましく、180℃以上であればさらに好ましい。また乾燥時間は適宜設定できるが、上記糸条が十分乾燥する時間をとることが好ましい。
また、必要に応じて、乾燥緻密化後の糸条を二次延伸することもできる。二次延伸の方法としては、乾熱延伸、スチーム延伸等が挙げられる。
以上より、アクリル繊維束、即ちPAN系前駆体繊維束を得ることができる。
(耐炎化工程)
耐炎化工程では、通常、酸化性雰囲気下で前駆体繊維束を熱処理する。この際、前駆体繊維束は酸化反応して発熱するため、この反応熱が繊維束内部に蓄熱して発火しないように処理することが望まれる。耐炎化反応の進行度を示す一つの指標として耐炎化繊維密度がある。耐炎化繊維密度が高くなれば高くなるほど前述した発熱反応は低減し、また、耐熱性も向上する。耐炎化処理の方式としては、雰囲気加熱方式と加熱体接触方式が知られている。耐炎化工程は緊張下で、即ち繊維束に伸張を掛けた状態で行うことができる。
(雰囲気加熱方式による酸化処理)
雰囲気加熱方式は、伝熱効率が低い傾向があり、反応熱が繊維束内部に蓄熱し発火しやすいため、比較的低温で長時間、酸化処理を行なうことが求められる。しかし、長時間、酸化処理を行なうため、均一に耐炎化処理を行なうことができる利点がある。
(加熱体接触方式による酸化処理)
加熱体接触方式は、伝熱効率が高い傾向があり、反応熱が繊維束内部に蓄熱し発火しにくいため、比較的高温で短時間で酸化処理を行なうことができる。しかし、短時間で酸化処理を行なうため、耐炎化斑が大きくなる傾向がある。
炭素繊維の製造コストを低減するためにはそれぞれの方式の利点を最大限に活用できる組み合わせを考える必要がある。具体的には、PAN系前駆体繊維束を加熱体接触方式によって短時間で処理するには、PAN系前駆体繊維束の耐熱性が十分でない場合があるため、雰囲気加熱方式で繊維束の密度を上げていく途中で、加熱ロールへ接触させる方法、即ち、雰囲気加熱方式による2つの耐炎化工程の間に、加熱体接触方式による耐炎化工程を行う、3段階の耐炎化処理方法を採用する。これにより、短時間で繊維束の密度を上げることができ、加熱ロール接触後の雰囲気加熱の温度を高温に設定することが出来るようになる。その結果、品質を維持しつつ耐炎化処理を従来より短時間で効率的に行うことができ、製造コストを低減することができる。以下により詳しく説明する。
(第1の耐炎化工程:雰囲気加熱I)
得られたPAN系前駆体繊維束を、密度が1.23g/cm3以上1.31g/cm3以下になるまで、200℃以上250℃以下の酸化性雰囲気中で加熱する。
・投入密度
第1の耐炎化工程におけるPAN系前駆体繊維束の投入密度は、生産性の観点から、1500dtex/mm以上が好ましく、2000dtex/mm以上がより好ましい。また、PAN系前駆体繊維束の投入密度は、5000dtex/mm以下が好ましく、4000dtex/mm以下がより好ましい。投入密度が5000dtex/mm以下であれば、雰囲気加熱処理(特に第1の耐炎化工程)中に発熱反応により繊維束の温度が高くなって分解反応が急激に起こることを容易に防ぐことができ、結果的に、繊維束の切断を容易に防ぐことができる。
なお、第1の耐炎化工程におけるPAN系前駆体繊維束の投入密度とは、第1の耐炎化工程に供するPAN系前駆体繊維束の幅(繊維軸に対して垂直かつ平行な方向の長さ)1mm当たりの繊度を意味する。
・雰囲気加熱装置I
第1の耐炎化工程において耐炎化処理を行なう装置としては、加熱した酸化性ガスを循環させる方式の熱風循環炉が好適に採用できる。通常、熱風循環炉では、炉に入った繊維束を一旦炉の外部に出した後、炉の外部に配設された折り返しロールによって折り返して炉に繰り返し通過させる方法が採られる。
そのため、雰囲気加熱方式において設備を大型化し生産性を向上させると、それに比例した設備投資及びユーティリティコストがかかるが、後述する加熱体接触方式と比較すると単位時間当たりの投資効率及びコスト効率は高く、比較的時間が長くてもコストは高くならない。
酸化性雰囲気については、空気、酸素、二酸化窒素など公知の酸化性雰囲気を採用できるが、経済性の面から空気が好ましい。
・加熱処理温度
第1の耐炎化工程における加熱処理温度、即ち、酸化性雰囲気の温度は、200℃以上250℃以下とする。処理温度が200℃以上の場合は生産性の面から良好となり、250℃以下の場合は工程通過性の面から良好となる。また、第1の耐炎化工程における酸化性雰囲気の温度は、生産性の観点から230℃以上が好ましい。
・第1の耐炎化工程より得られる繊維束の密度
第1の耐炎化工程より得られる雰囲気加熱後の繊維束の密度は、加熱体接触時の焼成斑を低減する面から1.23g/cm3以上とし、好ましくは1.26g/cm3以上である。また、この繊維束の密度は、第一の耐炎化工程での処理時間の観点での生産性の面から1.31g/cm3以下である。
以上より、第1の耐炎化工程では、上記PAN系前駆体繊維束を200〜250℃の酸化性雰囲気中で加熱処理することによって、密度が1.23〜1.31g/cm3の繊維束を得ることが好ましい。これにより、後述する前炭素化工程や炭素化工程において、焼成斑による毛羽の発生を容易に防ぐことができ、高品質な炭素繊維束を生産効率良く製造することができる。
(第2の耐炎化工程:加熱体接触加熱)
第1の耐炎化工程より得られる繊維束を、前述の条件(1)〜(5)を満たす複数の加熱ロールで順次加熱する第2の耐炎化工程を行う。
ここで、第1の耐炎化工程より得られる繊維束は加熱されると、一旦収縮が発生するため、1.00倍の延伸状態が生じる。
・加熱体接触装置
本発明では、第2の耐炎化工程において耐炎化処理を行なう装置として、連続処理が可能で温度調整が容易である加熱ロールを採用する。通常、加熱ロールを用いた加熱体接触方式では、一度加熱ロールで処理した繊維束は、ロールを離れた際にこの加熱ロールの表面温度よりも低い雰囲気で冷却され、再び、同一または異なる温度の加熱ロールで繊維束を処理し冷却する操作を繰り返す方法が採られる。そのため、加熱ロールの温度は高く設定することができる。
加熱体接触方式において設備を大型化して生産性を向上させると、その大型化に比例した設備投資及びユーティリティコストかかることになるが、前述した雰囲気加熱方式と比較すると単位時間当たりの投資効率及びコスト効率は低くなる。しかし、処理時間が長くなれば長くなる程、コストは高くなるため、比較的短時間で加熱処理を終了させることが好ましい。
・加熱ロール群
a)各加熱ロールの表面温度
本発明に用いる加熱ロール群は、複数本の加熱ロールから構成される。この加熱ロール群を構成する各加熱ロールの表面温度は、250℃以上330℃以下とする。
各加熱ロールの表面温度が250℃以上であれば、耐炎化反応速度を速くすることができ、短時間の処理が可能となる。また、各加熱ロールの表面温度が330℃以下であれば、分解反応を防ぐことができ、糸切れ等の発生を防ぐことができる。
各加熱ロールの表面温度は、互いに同じであっても良いし、異なっていても良い。なお、第2の耐炎化工程における耐炎化処理を効率良く行なうためには、複数個の加熱ロールを使用して、これらの加熱ロールを1本ずつ繊維束に断続的に接触させることが望ましい。また、繊維束の耐熱性は耐炎化反応が進むほど向上するため、第1の耐炎化工程より得られる繊維束に接触する、これらの加熱ロールの表面温度は順次高くしていくことが望ましい。
より具体的には、この加熱ロール群のうちの、第1の耐炎化工程より得られる繊維束(より具体的にはこの繊維束の1点)が最初に接触する加熱ロールの表面温度は、250℃以上270℃以下とする。最初に接触する加熱ロールの表面温度が250℃以上であれば、繊維束に十分な耐熱性を容易に付与することができ、繊維束内における融着の発生や毛羽の発生を容易に防ぐことができ、高品質の繊維束を容易に得ることができる。また、最初に接触させる加熱ロールの表面温度が270℃以下であれば、分解反応を容易に防ぐことができ、糸切れ等の発生を容易に防ぐことができる。
また、上記加熱ロール群のうちの、第1の耐炎化工程より得られる繊維束(より具体的にはこの繊維束の1点)が最後に接触する加熱ロールの表面温度は、280℃以上330℃以下とすることが好ましい。
最後に接触させる加熱ロールの表面温度が280℃以上であれば接触後の繊維束の耐炎化密度を効率的に上昇させることができ、330℃以下であれば、後述する第3の耐炎化工程における毛羽の発生や物性低下を容易に防ぐことができる。
また、第2の耐炎化工程において、最初に接触させる加熱ロールと、最後に接触させる加熱ロールとの間に他の加熱ロールを繊維束に接触させる場合は、この他の加熱ロールの表面温度は、最初に接触させる加熱ロールの表面処理温度より高く、最後に接触させる加熱ロールの表面温度より低く設定すること望ましい。また、この他の加熱ロールが複数本存在する場合は、繊維束に接触させる順番が遅い加熱ロール程、表面処理温度を高くすることが望ましい。
b)加熱ロールの接触時間
第1の耐炎化工程より得られる繊維束に対する、加熱ロール群の総合計接触時間は、10秒以上120秒以下が好ましく、より好ましくは15秒以上90秒以下である。なお、この総合計接触時間とは、繊維束の1点に着目したときに、この繊維束の1点が加熱ロール群を構成する各加熱ロールに接触した時間の合計を意味する。
加熱ロール群への総合計接触時間が10秒以上であれば、生産性の面で好ましい。また、加熱ロール群への総合計接触時間が120秒以下であれば。加熱ロールの設備投資費を抑制しやすくなる。
なお、第1の耐炎化工程より得られる繊維束の密度が小さい(例えば、密度が1.23g/cm3である)場合は、最初に接触させる加熱ロールの表面温度をあまり高くせずに、比較的長い時間(例えば、120秒)の加熱処理を行うことが望まれる。また、第1の耐炎化工程より得られる繊維束の密度が大きい(例えば、密度が1.31g/cm3である)場合は、最初に接触する加熱体の表面温度を高くして、比較的短い時間(例えば、10秒)で処理することが望ましい。
第1の耐炎化工程より得られる繊維束に対する、加熱ロール群を構成する加熱ロール1本当たりの接触時間は、5秒以上40秒以下であり、5秒以上20秒以下であることが好ましい。繊維束の1点に接触する加熱ロール1本当たりの接触時間が5秒以上であれば、加熱ロールの本数が多くなることを容易に防ぐことができ、設備投資費を容易に低く抑えることができる。また、繊維束の1点に接触する加熱ロール1本当たりの接触時間が40秒以下であれば、加熱ロールの大きさが大きくなることを容易に防ぐことができ、設備投資費を容易に低く抑えることができる。
d)加熱ロール群接触時の延伸倍率
第1の耐炎化工程より得られる繊維束の、最初の加熱ロールと最後の加熱ロールとの間の延伸倍率は、1.00倍以上1.18倍以下とし、好ましくは1.01倍以上1.15倍以下である。延伸倍率が1.00倍以上であれば高分子鎖の運動性が低下し、1.15倍以下であれば繊維束の環化反応を抑制し、酸化反応とのバランスが好適になり、また炭素化時の毛羽の発生や物性低下を抑制できる。
なお、第2の耐炎化工程では、緊張下、即ち繊維束に伸張を掛けた状態で繊維束を加熱ロールに接触させることが好ましい。加熱ロールで繊維束を伸張させることにより高分子鎖の運動性を低下させて短時間で激しく進む環化反応を容易に遅らせることができ、酸化反応とのバランスを容易に最適化することができる。即ち、繊維束内の環化反応に対して、十分な酸化反応を容易に起こすことができ、炭素化時の毛羽の発生や物性低下を容易に抑制することができる。
・第2の耐炎化工程により得られる繊維束の密度
加熱ロール群に接触させた後の繊維束の密度は、1.32g/cm3以上であることが好ましい。密度がこの範囲内であれば、後述する第3の耐炎化工程を高温(例えば、270℃)で容易に行うことができ、耐炎化時間を容易に短縮することができる。
(第3の耐炎化工程:雰囲気加熱II)
最後に、第2の耐炎化工程より得られる繊維束を、密度が1.35g/cm3以上1.43g/cm3以下になるまで、酸化性雰囲気中で加熱して、耐炎化繊維束を得る。
・雰囲気加熱装置II
第3の耐炎化工程において耐炎化処理を行なう装置としては、第1の耐炎化工程に用いる装置を同様に使用することができ、例えば、加熱した酸化性ガスを循環させる方式の熱風循環炉を採用できる。酸化性雰囲気についても、第1の耐炎化工程と同様に、空気、酸素、二酸化窒素など公知の酸化性雰囲気を採用できるが、経済性の面から空気が好ましい。
・加熱処理温度
第3の耐炎化工程における加熱処理温度は、260℃以上270℃以下が好ましい。加熱処理温度が260℃以上であれば、第3の耐炎化工程にかかる時間を短時間とすることができ、経済面で好ましい。また270℃以下であれば、繊維束における暴走反応の発生を抑制でき、結果的に糸切れの発生を抑制できる。
・第3の耐炎化工程より得られる耐炎化繊維束の密度
第3の耐炎化工程後の耐炎化繊維束の密度は、1.35g/cm3以上1.43g/cm3以下とし、好ましくは1.35g/cm3以上1.40g/cm3以下である。なお、耐炎化繊維束の密度が高くなると、焼成斑の面からは好ましくなるが、その分耐炎化時間を長くしなければならないため生産性の面からは好ましくない。即ち、耐炎化繊維束の密度が1.35g/cm3以上であれば炭素化工程通過性の観点から良好となり、1.43g/cm3以下であれば生産性の観点から良好となる。
以上より、第3の耐炎化工程では、第2の耐炎化工程より得られる繊維束を260〜270℃の酸化性雰囲気中で加熱処理することによって、密度が1.35〜1.43g/cm3の耐炎化繊維束を得ることが好ましい。これにより、後述する前炭素化工程や炭素化工程において、焼成斑による毛羽の発生を容易に防ぐことができ、高品質な炭素繊維束を効率良く製造することができる。
(炭素化処理する工程)
上記3段階の耐炎化工程により得られた耐炎化繊維束を不活性雰囲気(例えば、窒素やアルゴン)中で加熱処理(炭素化処理)する。炭素化処理する工程は、緊張下で行うことができる。また、この工程では、雰囲気加熱方式及び加熱体接触方式のいずれを用いて加熱処理を行っても良いが、工程通過性の観点から雰囲気加熱方式を用いることが好ましい。
なお、この炭素化処理は1段階(1工程)で行っても良いし、複数の段階(工程)に分けて行っても良い。例えば、この炭素化処理する工程は、上記耐炎化繊維束を不活性雰囲気中400℃以上800℃以下で加熱する工程(前炭素化工程)と、この工程より得られる繊維束を不活性雰囲気中1200℃以上で加熱する工程(炭素化工程)とを含むことができ、これらの工程からなることもできる。炭素化処理を複数の段階に分けて行うことによって、繊維束を良好な品質の炭素繊維束とすることができる。なお、以降、上記前炭素化工程より得られる繊維束を前炭素化繊維束と称することがあり、上記炭素化工程より得られる繊維束を炭素化繊維束と称することがある。
なお、上記前炭素化工程において、加熱処理温度は、繊維束の密度上昇の観点から400℃以上、工程通過性の観点から800℃以下とする。また、加熱処理温度は、繊維束の密度上昇の観点から550℃以上、工程通過性の観点から750℃以下が好ましい。
また、上記炭素化工程において、加熱処理温度は、繊維束の密度上昇の観点から1200℃以上とする。また、加熱処理温度は、繊維束の密度上昇の観点から1200℃以上、品質の観点から1500℃以下が好ましい。
また、上記炭素化工程より得られる炭素化繊維束に対して、表面改質のため、電解酸化処理をすることができる。電解酸化処理に用いる電解液には、硫酸、硝酸、塩酸等の酸性溶液や、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、テトラエチルアンモニウムヒドロキシドといったアルカリまたはそれらの塩を水溶液として使用することができる。ここで、電解酸化処理に要する電気量は、適用する炭素繊維により適宜選択することができる。かかる電解酸化処理により、得られる複合材料において炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性を適正化でき、得られる複合材料においてバランスのとれた強度特性が発現されるようになる。
この後、得られる炭素繊維に集束性を付与するため、サイジング処理をすることもできる。サイジング剤には、樹脂との相溶性の良いサイジング剤を、使用する樹脂の種類に応じて適宜選択することができる。
以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。なお、各例における第1〜第3の耐炎化工程、前炭素化工程及び炭素化工程では、それぞれ炉を用いて加熱処理を行った。また、各例においては、各種特性を次のようにして測定した。
<PAN系前駆体繊維束及び炭素繊維束の総繊度の測定>
PAN系前駆体繊維束及び炭素繊維束の総繊度は、JIS R 7605に準拠して測定した。
<第1の耐炎化工程におけるPAN系前駆体繊維束の投入密度の測定>
第1の耐炎化工程におけるPAN系前駆体繊維束の投入密度は、下記式より求めた。
第1の耐炎化工程への投入密度(dtex/mm)=前駆体繊維束の総繊度/前駆体繊維束の幅
<第1〜第3の耐炎化工程における繊維束の密度の測定>
第1〜第3の耐炎化工程における繊維束の密度は、JIS R 7603に準拠して測定した。
<第2の耐炎化工程による繊維束の延伸倍率>
第2の耐炎化工程による繊維束の延伸倍率(%)は、第2の耐炎化工程入側の繊維束の走行速度、及び第2の耐炎化工程出側の繊維束の走行速度から、下記式より求めた。
第2の耐炎化工程による繊維束の延伸倍率(%)=(第2の耐炎化工程出側の繊維束の走行速度−第2の耐炎化工程入側の繊維束の走行速度)/第2の耐炎化工程入側の繊維束の走行速度×100。
なお、第2の耐炎化工程入側の繊維束とは、第2の耐炎化工程に供する繊維束のことであり、第2の耐炎化工程に用いる耐炎化炉入口における繊維束と同じである。同様に、第2の耐炎化工程出側の繊維束とは、第2の耐炎化工程より得られる繊維束のことであり、第2の耐炎化工程に用いる耐炎化炉出口における繊維束と同じである。
<毛羽>
炭素化工程より得られる、より具体的には炭素化炉から導出された直後の走行中の繊維束を目視で10分間観察し、観察された毛羽の数を以下の基準に従い評価した。
○:毛羽の数が10個以下であるもの。
△:毛羽の数が11個以上99個以下であるもの。
×:毛羽の数が100個以上であるもの。
<樹脂含浸ストランド特性>
ストランド強度及びストランド弾性率は、JIS R−7608に記載された試験法に準拠して測定した。
<炭素繊維束のサイジング剤の付着量の測定>
炭素繊維束のサイジング剤の付着量は、JIS R 7604に準拠して測定した。
(実施例1)
アクリロニトリル単位96質量%、アクリルアミド単位3質量%、メタクリル酸単位1質量%からなるPAN系重合体(カルボン酸基の含有量は7.0×10-5当量、極限粘度〔η〕は1.7)を、PAN系重合体の総固形分濃度が21.2質量%となるようDMAcに溶解し、PAN系炭素繊維前駆体繊維を作製するための紡糸原液を得た。
そして、吐出湿式紡糸法により、この紡糸原液から凝固糸を作製した。その際、紡糸口金の孔径は0.060mmであり、孔数は30000であった。また、凝固浴として、温度38℃、濃度68質量%のDMAc水溶液を用いた。ついで、この凝固糸を60℃から98℃の温水中で脱溶媒しながら、5.4倍に延伸した。得られた延伸糸を油剤処理液を満たした油剤処理槽に浸漬した後、180℃の加熱ローラーにて乾燥緻密化し、単繊維繊度が2.0dtex、フィラメント数30000、総繊度60000dtexのPAN系炭素繊維前駆体繊維束を得た。
なお、油剤処理液は、アミノ変成シリコーン(信越化学工業株式会社製、商品名:KF−865)と界面活性剤(日光ケミカルズ株式会社製、商品名:NIKKOL BL−9EX)とを9:1で予め混合したものを、35質量%となるようにイオン交換水を加えてホモミキサーで攪拌した後、高圧ホモジナイザーを用い平均粒子径が0.3μm以下になるように調製した。この油剤処理液を更にイオン交換水で成分濃度が1質量%になるように調整したものを油剤処理槽に満たした。
得られたPAN系前駆体繊維束を緊張下で240〜250℃の空気中で25分間加熱することによって密度1.26g/cm3の繊維束に転換した(第1の耐炎化工程)。なお、この第1の耐炎化工程におけるPAN系前駆体繊維束の投入密度は、3500dtex/mmとした。
次に、この繊維束を直径が60cmの加熱ロール6本からなる加熱ロール群に合計120秒接触させて加熱処理を行い、密度1.32g/cm3の繊維束に転換した(第2の耐炎化工程)。なお、その際、加熱ロールは1本ずつ断続的に繊維束に接触させ、各加熱ロールでの接触時間は20秒とした。これらの加熱ロールの表面温度は、繊維束に接触する順に250℃(1本目)、250℃(2本目)、270℃(3本目)、270℃(4本目)、300℃(5本目)、及び300℃(6本目)とした。また、この加熱処理の際、2本目と3本目の加熱ロールの間で繊維束を下記式:
第2の耐炎化工程による繊維束の延伸倍率(%)=(第2の耐炎化工程出側の繊維束の走行速度−第2の耐炎化工程入側の繊維束の走行速度)/第2の耐炎化工程入側の繊維束の走行速度×100、
で計算される延伸倍率で2.5%延伸させ、次いで4本目と5本目の加熱ロールの間で繊維束を2.5%延伸させ、合計5%、即ち1.05倍の延伸を繊維束に掛けた。
次に、得られた繊維束を緊張下で260〜270℃の空気中で15分間加熱することによって密度1.40g/cm3の耐炎化繊維束に転換した(第3の耐炎化工程)。
この耐炎化繊維束を最高温度が600℃の窒素雰囲気中、緊張下で1分間加熱することによって前炭素化繊維束に転換した(前炭素化工程)。この炭素化処理での400〜600℃での昇温速度は200℃/分であった。
得られた前炭素化繊維束を最高温度が1350℃の窒素雰囲気中、緊張下に1分間加熱することによって炭素化繊維束を得た(炭素化工程)。この炭素化処理での1200〜1350℃での昇温速度は400℃/分であった。
得られた炭素化繊維束を表面処理後、サイジング剤を付与し、総繊度34000dTexの炭素繊維束とした。この炭素繊維束の樹脂含浸ストランド特性を測定すると弾性率は245GPaであり、強度は4.3GPaであった。また、毛羽の数は7個であった。
(実施例2〜4)
第2の耐炎化工程における加熱ロール群による繊維束の延伸倍率を0%(1.00倍)、10%(1.10倍)及び15%(1.15倍)にそれぞれ変更した以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。
(実施例5)
第2の耐炎化工程に用いる加熱ロール群を直径60cmの加熱ロール3本から構成し、これらの加熱ロールの表面温度を、繊維束に接触する順に270℃(1本目)、273℃(2本目)及び280℃(3本目)とした。また、この加熱ロール群と繊維束との合計接触時間を30秒(各加熱ロールでの接触時間は10秒)に変更した。それら以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。
(実施例6)
第2の耐炎化工程に用いる加熱ロール群を直径60cmの加熱ロール2本から構成し、これらの加熱ロールの表面温度を、繊維束に接触する順に270℃(1本目)及び300℃(2本目)とした。また、この加熱ロール群と繊維束との合計接触時間を10秒(各加熱ロールでの接触時間は5秒)に変更した。それら以外は、実施例1と同様にして炭素繊維束を得た。
(比較例1)
第1の耐炎化工程における加熱処理温度(雰囲気温度)を260℃に変更した以外は、実施例1と同様にして耐炎化処理を行った。しかし、第1の耐炎化工程において、雰囲気加熱炉I内でスモークが発生したためそれ以降の工程を行うことができず、炭素繊維束を得ることはできなかった。
(比較例2)
第2の耐炎化工程に用いる加熱ロール群(直径60cmの加熱ロール6本)の表面処理温度を、全て300℃に変更した以外は実施例1と同様にして耐炎化処理を行った。しかし、第2の耐炎化工程において、加熱ロール接触時に繊維束が加熱ロールに巻き付いてしまったため、それ以降の工程を行うことができず、炭素繊維束を得ることはできなかった。
(比較例3)
第2の耐炎化工程における加熱ロール群による繊維束の延伸倍率を20%(1.20倍)に変更した以外は、実施例1と同様にして耐炎化処理を行った。しかし、第2の耐炎化工程において、加熱ロール接触時に繊維束が加熱ロールに巻き付いてしまったため、それ以降の工程を行うことができず、炭素繊維束を得ることはできなかった。
(比較例4)
第1の耐炎化工程における加熱処理時間を40分に変更した。また、第2の耐炎化工程に用いる加熱ロール群(直径60cmの加熱ロール6本)の表面温度を、繊維束に接触する順に270℃(1本目)、280℃(2本目)、290℃(3本目)、300℃(4本目)、330℃(5本目)、及び350℃(6本目)とした。さらに、この加熱ロール群と繊維束との合計接触時間を300秒(各加熱ロールでの接触時間は50秒)に変更した。それら以外は、実施例1と同様にして耐炎化処理を行った。
しかし、第3の耐炎化工程において、雰囲気加熱炉II内からスモークが発生したため、それ以降の工程を行うことができず、炭素繊維束を得ることができなかった。
各例より得られた炭素繊維束の樹脂含浸ストランド特性及び毛羽評価の結果を表2に示す。なお、比較例1〜比較例4については、炭素繊維束が得られなかったため、これらの評価を行わなかった。
Figure 2014074242
Figure 2014074242
雰囲気加熱炉Iでの温度設定を240〜250℃とする実施例1〜6では、高品質な炭素繊維束を得ることができるのに対して、温度設定を260℃とする比較例1では、炉内でスモークが発生し、炭素繊維束が得られなかった。
比較例2では、第2の耐炎化工程(加熱体接触)における加熱ロールの表面温度の影響を確認でき、実施例と比較して、繊維束に最初に接触する加熱ロールの表面温度が300℃と高いため、加熱ロールに繊維束が巻きついてしまった。
比較例3では、第2の耐炎化工程における延伸倍率の影響を確認でき、実施例と比較して、延伸倍率が20%と高いため、加熱ロールに繊維束が巻きついてしまった。
比較例4では、第2の耐炎化工程における加熱ロールの表面温度及び接触時間の影響を確認でき、実施例と比較して、繊維束に最後に接触する加熱ロールの表面温度が350℃と高く、接触時間が合計300秒と長いため、第3の耐炎化工程(雰囲気加熱II)において糸切れが発生して、それ以降の工程を行うことができなかった。

Claims (5)

  1. 総繊度が12,000dtex以上100,000dtex以下のポリアクリロニトリル系炭素繊維前駆体繊維束を、200℃以上250℃以下の酸化性雰囲気中で加熱することによって、密度が1.23g/cm3以上1.31g/cm3以下の繊維束を得る第1の耐炎化工程;
    該第1の耐炎化工程より得られる繊維束を、以下の条件(1)〜(5)を満たす複数の加熱ロールで順次加熱する第2の耐炎化工程、
    (1)複数の加熱ロールの表面温度:250℃以上330℃以下
    (2)250℃≦T1≦270℃
    (3)Tn≦Tn+1
    (4)加熱ロール1本当たりの接触時間:5秒以上40秒以下
    (5)最初の加熱ロールと最後の加熱ロールとの間の延伸倍率:1.00倍以上1.18倍以下
    (ここで、Tnは、繊維束が順に接触するn番目の加熱ロールの表面温度である。);および、
    該第2の耐炎化工程より得られる繊維束を、250℃以上300℃以下の酸化性雰囲気中で加熱することによって、密度が1.35g/cm3以上1.43g/cm3以下の耐炎化繊維束を得る第3の耐炎化工程
    を含む炭素繊維束の製造方法。
  2. 前記複数の加熱ロールの接触時間が合計で10秒以上120秒以下である請求項1に記載の炭素繊維束の製造方法。
  3. 前記第2の耐炎化工程において、前記複数の加熱ロールのうちの、該第1の耐炎化工程より得られる繊維束が最後に接触する加熱ロールの表面温度を280℃以上330℃以下とする請求項1または2に記載の炭素繊維束の製造方法。
  4. 前記第3の耐炎化工程における酸化性雰囲気温度が、260℃以上270℃以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載の炭素繊維束の製造方法。
  5. 前記第3の耐炎化工程より得られる繊維束を、不活性雰囲気中400℃以上800℃以下で加熱する工程と、
    この工程より得られる繊維束を、不活性雰囲気中1200℃以上で加熱する工程と
    を含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の炭素繊維束の製造方法。
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