JP2016008372A - ピッチ系炭素短繊維の製造装置及び該短繊維の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はピッチ系炭素短繊維の製造装置及び該短繊維の製造方法に関し、より具体的には、吐出されたピッチを溶融紡糸により延伸した後、これより短繊維の形態に炭素繊維を連続して製造する装置及び方法に関する。
【解決手段】本発明の一実施例によれば、等方性ピッチをロールの回転力で最大限に延伸して、ピッチ前駆体が有する機械的強度を最大限に発現することができる。また、本発明の一実施例によれば、紡糸されるピッチ繊維を所定の長さのチョップ状態に切断することで、繊維が切れる問題を解決することができる。さらに、本発明の一実施例によれば、紡糸されるピッチ繊維は、別の追加工程がなくても一方向に配列されることができ、不融化及び／又は炭化工程を経て強度に優れた炭素繊維に転換されることができる。前記のような効果により等方性ピッチを原料として使用した炭素繊維は、高価のＰＡＮ又は異方性ピッチ系炭素繊維の代わりに使用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピッチ系炭素短繊維の製造装置及び該短繊維の製造方法に関し、より具体的には、吐出されたピッチを溶融紡糸により延伸した後、これより短繊維の形態に炭素繊維を連続して製造する装置及び方法に関する。

一般的な炭素繊維の製造方法では、炭素繊維の出発物質であるポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、石油又は石炭系ピッチ（等方性又は異方性）、フェノール（ｐｈｅｎｏｌ）樹脂などを熱溶融して溶融紡糸（ｍｅｌｔ ｓｐｉｎｎｉｎｇ）又は溶融噴射紡糸（ｍｅｌｔ ｂｌｏｗｎ ｓｐｉｎｎｉｎｇ）を行ったり、溶媒に溶解して溶液紡糸（ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｐｉｎｎｉｎｇ）を行い、炭素繊維前駆体である有機繊維を得る。より具体的には、ピッチ系炭素繊維の場合、吐出されたピッチをロールの回転力で延伸する溶融紡糸法、高速の遠心力でピッチを紡糸する遠心紡糸法又は高速の熱風を噴射してピッチを延伸する溶融噴射紡糸法が使用される。

ピッチ系炭素繊維は、ピッチの光学的状態に応じて異方性（ｍｅｓｏｐｈａｓｅ）と等方性とに分けられる。ピッチ系において高性能（例えば、高強度及び／又は高弾性）の炭素繊維を製造するためには、異方性を有するピッチを使用することが必須であると知られている。ただし、ＰＡＮ又は異方性ピッチの場合、これより製造される炭素繊維の物性には優れるが、コストが高いという欠点があり、相対的に安価の等方性ピッチを活用するための方法が模索されている。

異方性を有しないピッチ、すなわち、光学的に等方性であるピッチは、高性能の炭素繊維を得ることができず、言わば汎用の等級しか得ることができないと知られている。上述のように、ピッチ系炭素繊維は、溶融紡糸又は溶融噴射紡糸により得られることができるが、異方性ピッチ系炭素繊維の場合、主に溶融紡糸法を使用して製造される。ただし、等方性ピッチは、紡糸された繊維が壊れやすい（ｂｒｉｔｔｌｅ）特性があり、長繊維に製造することが困難であるため、溶融紡糸法の代わりに溶融噴射紡糸法又は遠心紡糸法を使用して紡糸される。特に、溶融噴射紡糸法は、紡糸された繊維を不織布状に収去することで工程が単純化し、繊維径を極細化することができ、繊維の移送過程で強度の弱いピッチ繊維を巻き取る必要がないため生産性が向上し、製造コストを下げることができるという利点があることから、等方性ピッチ系炭素繊維の紡糸方法として主に使用される。

ただし、溶融噴射紡糸方法で得られるピッチ系炭素繊維は、紡糸ノズルから吐出された前駆体ピッチをエア（ａｉｒ）で延伸するため、ロールの回転力で延伸する溶融紡糸法に比べて延伸程度が均一でない。そのため、製造される炭素繊維の直径を均一に制御することができず、製造される炭素繊維が広い直径分布度を有し、紡糸される炭素繊維を一方向に配向されるように積層することが相当複雑である。

一方、炭素繊維の製造工程のうち安定化工程あるいは不融化工程は、熱可塑性繊維を熱硬化性繊維に変えて、後工程である高温炭化又は黒鉛化工程で繊維の融着及び溶融を防止するために繊維を表面から酸化処理する過程であり、最も長い時間を要求し、不融化状態に応じて炭素繊維の強度に影響を及ぼす。

この際、溶融噴射紡糸法を使用して製造されたピッチ繊維は、後工程である不融化工程で各繊維に対する酸素付着量が異なり、最終的に得られる炭素繊維の物性が均一でないという問題があり、また、不均一な延伸によってピッチ分子の配向がランダムで、最終的に得られる炭素繊維の機械的特性もまた、溶融紡糸法を使用して製造された繊維より２０〜３０％程度低いことが確認された。

従来、高性能炭素繊維の製造について、韓国公開特許公報第１９８４‐０００２０３８号には、異方性を有しない光学的に等方性で特定の反射率を有するピッチを原料とし、高性能の炭素繊維を製造する方法について開示されているが、この方法は、特定の反射率を有するピッチを製造することが困難であり、製造歩留りが低くて経済的でないという欠点がある。

また、韓国公開特許公報第１９８７‐００１１２９０号には、光学的異方性成分からなる炭素質ピッチを紡糸し、炭素質ピッチ繊維を酸化雰囲気下で外表層部のみ酸化し、前記炭素質ピッチ繊維の外表層部を選択的に安定化及び不融化させて炭化焼成することで、繊維の内部が外表層部より少なくとも１０％以上大きい結晶子の平均サイズを有する炭素繊維を製造する方法について開示されている。しかし、前記方法は、炭素質ピッチ繊維の外表層部のみを選択的に安定化及び不融化させることで繊維の融着を防止することと炭素繊維の高弾性率にのみ重点が置かれている。

一般的な異方性ピッチを用いた高強度、高弾性の炭素繊維を製造する際、酸化安定化又は不融化方法で安定化工程中に張力（ｔｅｎｓｉｏｎ）を印加し、分子構造が一軸方向に配列されるようにして繊維の強度を増加させることができるが、等方性ピッチは、溶融噴射紡糸法で製造されて、連続したフィラメント糸を製造することができないため、張力を印加することが困難である。したがって、短繊維状態の炭素繊維の不融化の際に温度勾配が発生した場合、発熱反応によって繊維の間に部分的な融着及び溶融が生じ、炭素繊維を製造することが困難であるという欠点がある。

韓国公開特許公報第１９８４‐０００２０３８号 韓国公開特許公報第１９９４‐００１１２９０号

従来技術により製造された等方性ピッチ系炭素繊維は、分子構造がランダムに分布されており、強度が弱くて壊れやすいという欠点があり、連続して炭素繊維を製造することが困難であるため、通常、溶融噴射紡糸法により不織布形態の短繊維に製造される。そのため、これにより製造された炭素繊維は、汎用の等級に該当し、その応用範囲に制限があり、強度も弱くて、１．５ＧＰａ程度の強度を要求する構造用としての使用が困難であるという欠点がある。

これに対し、本発明では、上述のように、溶融噴射紡糸法を使用して等方性ピッチから炭素繊維を製造する際に発生する不均一性に関する問題点を解決するために、溶融噴射紡糸法の代わりに溶融紡糸法を適用したピッチ系炭素短繊維の製造装置及び該短繊維の製造方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、吐出された等方性ピッチを溶融紡糸により延伸した後、これより短繊維の形態に高強度の炭素繊維を連続して製造する装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、吐出された等方性ピッチを溶融紡糸により延伸した後、これより短繊維の形態に高強度の炭素繊維を連続して製造する方法を提供することを目的とする。

前記のような技術的課題を解決するために、本発明の一側面によれば、溶融ピッチを紡糸ノズルに注入するためのピッチ注入部及び注入された溶融ピッチを繊維形態に吐出するための少なくとも一つの紡糸ノズルを含むピッチ繊維紡糸部と、前記ピッチ繊維紡糸部の下部に設けられ、前記ピッチ繊維紡糸部から吐出されるピッチ繊維が巻かれる少なくとも一つの回転ロール部と、前記回転ロール部に巻かれたピッチ繊維を切断するための少なくとも一つの切断部と、前記切断部により切断されて形成されたピッチ系炭素短繊維を一方向に移動させるための移送部と、を含むピッチ系炭素短繊維の製造装置が提供されることができる。

一実施例において、前記少なくとも一つの紡糸ノズルからピッチ繊維が複数の繊維形態に紡糸されることができる。

他の実施例において、前記ピッチ繊維紡糸部と前記回転ロール部との間に介在され、複数の繊維形態に紡糸されるピッチ繊維を集束するための集束部をさらに含むことができ、前記実施例による場合、前記ピッチ繊維は、束形態で前記回転ロール部に供給される。

一実施例において、前記回転ロール部は、その水平方向に左右移動可能に設けられ、前記回転ロール部の移動により、前記回転ロール部上に前記ピッチ繊維が巻かれる位置が左側又は右側に移動することができる。

一実施例において、前記回転ロール部は、前記ピッチ繊維紡糸部の下部に設けられ、前記ピッチ繊維紡糸部から吐出されるピッチ繊維が巻かれる第１回転ロール部と、前記第１回転ロール部を通過したピッチ繊維を延伸するための第２回転ロール部と、を含み、ここで、前記第１回転ロール部は固定されており、前記第２回転ロール部は、その水平方向に左右移動可能に設けられることができる。

一実施例において、前記切断部は、前記回転ロール部の左側及び右側にそれぞれ設けられた第１切断部及び第２切断部を含むことができる。

一実施例において、前記切断部により切断されて形成されたピッチ系炭素短繊維は、前記移送部上に同じ方向に配列されることができる。

本発明の他の側面によれば、（ａ）ピッチ繊維紡糸部に溶融ピッチを注入する段階と、（ｂ）前記ピッチ繊維紡糸部で前記溶融ピッチを吐出してピッチ繊維を紡糸する段階と、（ｃ）前記段階（ｂ）で紡糸されたピッチ繊維を回転ロールに巻いて延伸する段階と、（ｄ）前記回転ロールに巻かれたピッチ繊維を切断する段階と、（ｅ）前記切断されたピッチ繊維を不融化する段階と、を含むピッチ系炭素短繊維の製造方法が提供されることができる。

一実施例において、前記溶融ピッチは、石油系ピッチ、石炭系ピッチ及び化学系ピッチから選択される少なくともいずれか一つであることができ、好ましくは、光学的に等方性であるピッチであることができる。

一実施例において、前記段階（ｅ）における不融化温度は１５０〜４００℃であってもよい。

一実施例において、前記段階（ｄ）による切断を行う前に、前記回転ロールに巻かれたピッチ繊維を不融化させる段階をさらに含むことができる。前記実施例による不融化温度は１５０〜２８０℃であることが好ましい。

一実施例において、前記不融化は、酸化性ガスの混入下で行われることができる。

一実施例において、前記段階（ｄ）で切断されたピッチ繊維は同じ方向に配列されることができる。

本発明に係る炭素繊維用ピッチの製造方法は、下記のような効果を奏する。

本発明の一実施例によれば、等方性ピッチをロールの回転力で最大限に延伸して、ピッチ前駆体が有する機械的強度を最大限に発現することができる。

また、本発明の一実施例によれば、紡糸されるピッチ繊維を所定の長さのチョップ（ｃｈｏｐ）状態に切断することで、繊維が切れる問題を解決することができる。

さらに、本発明の一実施例によれば、紡糸されるピッチ繊維は、別の追加工程がなくても一方向に配列されることができ、不融化及び／又は炭化工程を経て強度に優れた炭素繊維に転換されることができる。

前記のような効果により等方性ピッチを原料として使用した炭素繊維は、高価のＰＡＮ又は異方性ピッチ系炭素繊維の代わりに使用できるという競争力を確保することができる。

本発明の一実施例によるピッチ系炭素短繊維の製造装置の断面図である。 本発明の一実施例によるピッチ系炭素短繊維の製造装置の斜視図である。 本発明の他の実施例によるピッチ系炭素短繊維の製造装置の斜視図である。 回転ロール部の移動により前記回転ロール部上にピッチ繊維が巻かれる位置と切断部によって前記ピッチ繊維が切断される位置の変化を概略的に示す図である。

本発明をより容易に理解するために、便宜上、特定の用語を本願に定義する。本願で他に定義しない限り、本発明に使用された科学用語及び技術用語は、当該技術分野における通常の知識を有する者にとって一般的に理解される意味を有する。また、文脈上、特別に指定しない限り、単数形態の用語はその複数形態をも含み、複数形態の用語はその単数形態をも含むと理解すべきである。

第１、第２などのように序数を含む用語は、様々な構成要素を説明するために使用されることができるが、当該構成要素は、このような用語によって限定されない。この用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみに使用される。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施例によるピッチ系炭素短繊維の製造装置について説明する。

本発明の一側面によれば、溶融ピッチを紡糸ノズルに注入するためのピッチ注入部１１及び注入された溶融ピッチを繊維形態に吐出するための少なくとも一つの紡糸ノズル１２を含むピッチ繊維紡糸部１０と、前記ピッチ繊維紡糸部１０の下部に設けられ、前記ピッチ繊維紡糸部１０から吐出されるピッチ繊維１３を延伸するための少なくとも一つの回転ロール部１４と、前記回転ロール部１４に巻かれたピッチ繊維１３を切断するための少なくとも一つの切断部１５と、前記切断部により切断されて形成されたピッチ系炭素短繊維を一方向に移動させるための移送部１６と、を含むピッチ系炭素短繊維の製造装置が提供されることができる（図１参照）。

本発明に係るピッチ系炭素短繊維の製造装置は、溶融紡糸法（ｍｅｌｔ ｓｐｉｎｎｉｎｇ）が適用された装置に関し、吐出されたピッチを高速の熱風で延伸するものではなく、ロールの回転力で延伸する方法が適用されたものであり、ピッチの光学的状態（等方性及び／又は異方性）とは無関係に、前記装置によりピッチ系炭素短繊維を製造することができる。好ましくは、紡糸された繊維が壊れやすい（ｂｒｉｔｔｌｅ）特性があり、長繊維に製造することが困難であるため、溶融紡糸法の代わりに溶融噴射紡糸法又は遠心紡糸法を使用して主に紡糸される等方性ピッチを原料として使用し、ピッチ系炭素短繊維を製造することができる。

ここで、溶融ピッチを紡糸ノズルに注入するためのピッチ注入部１１及び注入された溶融ピッチを繊維形態に吐出するための少なくとも一つの紡糸ノズル１２を含むピッチ繊維紡糸部１０としては、本発明が属する技術分野において公知の形態のピッチ繊維紡糸部が適用されることができる。

また、前記紡糸ノズル１２が複数個である場合、前記紡糸ノズル１２からピッチ繊維１３が複数の繊維形態に紡糸されることができる（図２参照）。

例えば、本発明に係るピッチ繊維紡糸部１０には、韓国登録特許公報第１０‐１２７９８９０号（曲線状の等方性ピッチ系炭素繊維の製造装置及びこれを用いた繊維マットの製造方法）に開示された紡糸口金部が適用されることができるが、前記第１０‐１２７９８９０号に開示された紡糸口金部には、高速の熱風で吐出されたピッチを延伸する溶融噴射紡糸法が適用されているため、これに該当する構成は、本発明に適用されないと見ることが妥当である。

他の実施例において、本発明の一実施例による炭素短繊維の製造装置は、前記ピッチ繊維紡糸部１０と前記回転ロール部１４との間に介在され、複数の繊維形態に紡糸されるピッチ繊維１３を集束するための集束部１８をさらに含むことができる（図３参照）。

前記集束部１８により複数個の紡糸ノズル１２から複数の繊維形態に紡糸されるピッチ繊維は、束形態に集束されることができ、束形態で前記回転ロール部１４に巻かれる。また、前記集束部１８には、複数の繊維形態のピッチ繊維を束形態に集束するための集束剤を供給する集束剤供給部（図示せず）がさらに設けられることができる。

本発明に係るピッチ系炭素短繊維の製造装置は、前記ピッチ繊維紡糸部１０の下部に設けられ、前記ピッチ繊維紡糸部１０から吐出されるピッチ繊維１３を延伸するための少なくとも一つの回転ロール部１４を含む。ここで、前記回転ロール部１４は、一つ又はそれ以上が設けられてもよく、この際、前記複数個の回転ロール部１４の回転速度は、互いに異なってもよい。

前記回転ロール部１４は、前記ピッチ繊維紡糸部１０から吐出されるピッチ繊維１３を所定の巻取速度で巻くが、この際、前記ピッチ繊維１３は、所定の延伸率で延伸されることを特徴とする。前記回転ロール部１４の回転速度は、前記ピッチ繊維の所望の直径になるように調節されてもよく、好ましくは、前記ピッチ繊維が糸切れが生じない限度内で最大限に延伸されるように調節される。

前記回転ロール部１４は、前記ピッチ繊維紡糸部１０から吐出されるピッチ繊維１３を所定の速度で巻くが、この際、前記ピッチ繊維１３に加えられる張力（回転力）は、溶融紡糸されたピッチ繊維１３が巻かれる回転ロール部１４の回転速度に応じて調節されることができる。

一実施例において、前記回転ロール部１４は、その水平方向に左右移動可能に設けられ、前記回転ロール部１４の移動により、前記ピッチ繊維紡糸部１０から紡糸されるピッチ繊維１３が前記回転ロール部１４に巻かれる位置が変わりうる。

すなわち、前記回転ロール部１４は、その水平方向に左右移動可能に設けられ、前記回転ロール部１４の移動により、前記回転ロール部１４上に前記ピッチ繊維１３が巻かれる位置が、左側又は右側に移動することができる。より具体的には、前記回転ロール部１４が左側に移動するに伴い、前記回転ロール部１４上にピッチ繊維１３が巻かれる位置が右側に移動し、前記回転ロール部１４が右側に移動するに伴い、前記回転ロール部１４上にピッチ繊維が巻かれる位置が左側に移動する（図４参照）。

他の実施例において、前記回転ロール部１４は、前記ピッチ繊維紡糸部の下部に設けられ、前記ピッチ繊維紡糸部１０から吐出されるピッチ繊維１３が巻かれる第１回転ロール部と、前記第１回転ロール部を通過したピッチ繊維を延伸するための第２回転ロール部と、を含み、ここで、前記第１回転ロール部は固定されており（すなわち、その水平方向への左右移動が可能でない）、前記第２回転ロール部は、その水平方向に左右移動可能に設けられることができる。

前記第２回転ロール部の移動により、前記第２回転ロール部上に前記第１回転ロール部を通過したピッチ繊維１３が巻かれる位置が左側又は右側に移動するように構成されることができる。

前記回転ロール部１４の左右移動によって前記回転ロール部１４に巻かれるピッチ繊維１３が重なりすぎないように調節することができ、また、前記回転ロール部１４に巻かれるピッチ繊維１３が前記切断部１５によって所定の長さを有するように切断されるように構成されることもできる。

また、追加の実施例において、前記回転ロール部１４には、加熱手段がさらに設けられてもよく、前記加熱手段は、前記回転ロール部１４を１５０〜２８０℃の範囲から選択される温度に加熱することを特徴とする。

すなわち、前記ピッチ繊維１３を切断して前記回転ロール部１４から離脱させる前に、前記ピッチ繊維紡糸部１０から溶融紡糸されたピッチ繊維１３が軟化又は変形しない温度条件下で、前記加熱手段により加熱された前記回転ロール部１４によって第１不融化段階が行われることができる。

一実施例において、前記回転ロール部１４の回転によって所定の量のピッチ繊維１３が巻かれるが、この際、前記ピッチ繊維１３を切断するための少なくとも一つの切断部１５が、前記回転ロール部１４に設けられてもよい。

すなわち、前記回転ロール部１４には一つの切断部１５が設けられるか、前記回転ロール部１４の左側及び右側にそれぞれ第１切断部２１及び第２切断部２２が設けられてもよい。この際、前記第１切断部２１及び第２切断部２２は、互いに離隔して設けられることが好ましい。

また、前記回転ロール部１４には、複数の切断部が設けられてもよく、前記切断部の数に限定されるものではない。複数の切断部が設けられた場合にも同様に、前記切断部は、互いに離隔して設けられることが好ましい。

前記複数の切断部が離隔して設けられることは、前記回転ロール部１４にピッチ繊維１３が巻かれる位置が、前記切断部によって切断されることを防止するためである。

前記回転ロール部１４が左側に移動するに伴い、前記回転ロール部１４上にピッチ繊維１３が巻かれる位置が右側に移動した場合、前記第１切断部２１は、前記回転ロール部１４の左端から前記回転ロール部１４上にピッチ繊維１３が巻かれる位置の前まで前記回転ロール部１４に巻かれているピッチ繊維１９を切断する。

前記回転ロール部１４が右側に移動するに伴い、前記回転ロール部１４上にピッチ繊維１３が巻かれる位置が左側に移動した場合、前記第２切断部２２は、前記回転ロール部１４の右端から前記回転ロール部１４上にピッチ繊維１３が巻かれる位置の前まで前記回転ロール部１４に巻かれているピッチ繊維２０を切断する（図４参照）。

この際、上述のように、前記回転ロール部１４上にピッチ繊維１３が巻かれる位置は、前記第１切断部２１及び第２切断部２２によって切断されないように調節されることが好ましい。

前記切断部１５は、前記回転ロール部１４から移動可能に設けられることができる。したがって、前記回転ロール部１４に所定の速度で前記ピッチ繊維１３が巻かれる際に、前記切断部１５は、前記回転ロール部１４から離隔しており、前記回転ロール部１４に巻かれた前記ピッチ繊維１３を所定の長さを有するチョップ繊維１７に切断する際に、前記切断部１５が前記回転ロール部１４に移動する。

等方性ピッチを原料として使用して紡糸された繊維は、壊れやすい（ｂｒｉｔｔｌｅ）特性があり、異方性ピッチとは異なり、長繊維に製造することが困難であるため、前記切断部１５は、前記回転ロール部１４に巻かれた前記ピッチ繊維１３の糸切れが発生する前に前記ピッチ繊維１３を切断するように制御されることができる。

前記回転ロール部１４に巻かれたピッチ繊維１３が前記切断部１５によって切断されることで、前記回転ロール部１４から離脱したチョップ（ｃｈｏｐ）状態の短繊維１７が、コンベヤベルトのような移送手段１６に堆積されることができるが、この際、前記チョップ状態の短繊維１７は、前記コンベヤベルト１６上に同じ方向に配列されることを特徴とする。前記のような短繊維の方向性は、前記短繊維から製造される炭素複合材、例えば、炭素繊維強化プラスチックの強度を増加させることができる。

前記回転ロール部１４から離脱して前記コンベヤベルト１６上に同じ方向に配列された短繊維１７は、前記コンベヤベルト１６の進行方向に連続して移動し、１５０〜４００℃、好ましくは、１７０〜３６０℃の不融化温度を提供する不融化オーブン内で第２不融化処理されることができる。また、前記不融化オーブン内で不融化処理された短繊維は、連続して炭化炉で炭化されることができる。

本発明の他の側面によれば、（ａ）ピッチ繊維紡糸部に溶融ピッチを注入する段階と、（ｂ）前記ピッチ繊維紡糸部で前記溶融ピッチを吐出してピッチ繊維を紡糸する段階と、（ｃ）前記段階（ｂ）で紡糸されたピッチ繊維を回転ロールに巻いて延伸する段階と、（ｄ）前記回転ロールに巻かれたピッチ繊維を切断する段階と、（ｅ）前記切断されたピッチ繊維を不融化する段階と、を含むピッチ系炭素短繊維の製造方法が提供されることができる。

一実施例において、前記溶融ピッチは、本発明の目的に照らし、光学的に等方性であるピッチであることが好ましい。ここで、前記等方性ピッチは、石油系ピッチ、石炭系ピッチ及び化学系ピッチから選択される少なくともいずれか一つを含むことができる。

この際、前記石油系ピッチとしては、石油精製工程から得られる各種留分の残留物、例えば、常圧蒸留残留物、真空蒸留残留物、接触分解残留物などがあり、前記石炭系ピッチは、石炭の乾留により得られるコールタールであり、α‐ビチューメン、β‐ビチューメン及び化学的タールなどを使用することができる。また、前記化学系ピッチは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリビニルクロライドなどの重合物質の熱分解により生成された残留物などがある。

より好ましくは、前記等方性ピッチとして石炭系コールタールピッチが使用されることができ、さらに好ましくは、高軟化点、例えば、軟化点が２５０℃以上である石炭系コールタールピッチが使用されることができる。また、前記石炭系コールタールピッチを使用する場合、ピッチ内のキノリン不溶分（Ｑｕｉｎｏｌｉｎｅ Ｉｎｓｏｌｕｂｌｅ）の含有量が低いほど（実質的に含まれていないほど）好ましい。

通常、溶融紡糸温度は、原料ピッチの軟化点より３０〜６０℃程度高く設定する。紡糸されるピッチ繊維は、モノフィラメント又は複数個のモノフィラメントからなるフィラメント束からなっているトウなどに紡糸されることができる。

前記ピッチ繊維に加えられる張力（回転力）は、溶融紡糸されたピッチ繊維が巻かれる回転ロールの回転速度に応じて調節されることができる。また、前記回転ロールが複数個である場合、各回転ロールの回転速度は互いに異なってもよい。

一実施例において、前記段階（ｄ）による切断を行う前に、前記回転ロールに巻かれたピッチ繊維を不融化させる段階をさらに含むことができる。この際、不融化温度は、前記段階（ｅ）における不融化温度と同一又は相違してもよく、１５０〜２８０℃の範囲から選択される温度条件で行われることが好ましい。すなわち、ピッチ繊維を切断して回転ロールから離脱させる前に行われる前記不融化段階は、溶融紡糸されたピッチ繊維が軟化又は変形しない温度条件下で実施することが好ましい。

一実施例において、前記不融化段階は、上述の温度範囲から選択される温度条件で加熱される回転ロールにより行われることができる。前記回転ロールに巻かれたピッチ繊維の軟化又は変形を防止するために、前記不融化時間は、５分〜１５時間内で適宜選択して行われることができる。前記不融化時間は、前記回転ロールの回転速度及び／又は切断段階の頻度などに応じて調節されることができる。

前記段階（ｂ）で紡糸されたピッチ繊維は、回転ロールに巻かれて最大延伸程度が維持される延伸率で延伸された後、切断手段（例えば、カッターなど）により、予定の長さを有するようにチョップ状態に一定に切断（ｃｈｏｐｐｉｎｇ）されて、前記回転ロールから離脱する。

前記回転ロールから離脱したチョップ（ｃｈｏｐ）状態の短繊維は、コンベヤベルトのような移送手段に堆積されることができるが、この際、前記チョップ状態の短繊維は、前記コンベヤベルト上に同じ方向に配列されることを特徴とする。前記のような短繊維の方向性は、前記短繊維から製造される炭素複合材、例えば、炭素繊維強化プラスチックの強度を増加させることができる。

前記回転ロールから離脱し、前記コンベヤベルト上に同じ方向に配列された短繊維は、前記コンベヤベルトの進行方向に連続して移動し、１５０〜４００℃、好ましくは、１７０〜３６０℃の不融化温度を提供する不融化オーブン内で不融化処理されることができる（段階（ｅ））。

前記段階（ｅ）による不融化段階において、複数の温度区間を設定し、各温度区間内の不融化温度が互いに相違するように制御することもできる。

一実施例において、前記不融化は、酸化性ガスの混入下で行われることができる。ここで、前記酸化性ガスとしては、酸素、オゾン、空気、窒素酸化物、ハロゲン及び亜硫酸ガスから選択される少なくともいずれか一つを使用することができ、２０〜１００ｖｏｌ％の前記酸化性ガスの濃度下で不融化処理されることができる。

本発明に係るピッチ系炭素短繊維の製造方法は、前記段階（ｅ）又は必要に応じて前記段階（ｄ）による切断を行う前に追加の不融化処理されたピッチ繊維は、不活性ガス（ｉｎｅｒｔ ｇａｓ）雰囲気下で炭化又は必要に応じて黒鉛化する段階をさらに含む。

炭化過程は、８００〜１，５００℃の温度で１分〜３時間行われることができる。万が一、前記炭化過程が８００℃より低い温度で行われた場合には、炭素構造を有する炭素繊維にならない問題があり、１，５００℃より高い温度で行われた場合には、炭素繊維ではない黒鉛（ｇｒａｐｈｉｔｅ）繊維に転換されて、生産コストが増加する問題点がある。

前記炭化過程は、より好ましくは、１，０００〜１，２００℃で１〜３０分間不融化された繊維を加熱することで行われることができる。前記炭化過程における昇温速度は５〜２０℃／ｍｉｎであることが好ましく、より好ましくは、１０〜２０℃／ｍｉｎで昇温されることができる。

以下、実施例を参照して、本発明をより詳細に説明する。ただし、これら実施例は、単に本発明を例示するためのものであって、本発明の範囲はこれら実施例によって制限されるものに解釈されない。

＜ピッチ系炭素短繊維の製造＞
（実施例１）
軟化点２８０℃の１００ｗｔ％の等方性ピッチを溶融紡糸し、５００ｍ／ｍｉｎの速度で巻き取り、ピッチ繊維を製造した。回転ロールに巻かれて紡糸（溶融紡糸）されたピッチ繊維は、３ｃｍの長さに一定に切断した。切断された前記チョップ繊維を２６０℃に加熱し、第１不融化過程を１時間行い、第１不融化処理された前記チョップ繊維は、安定化オーブンで１℃／ｍｉｎの速度で２８０〜３２０℃の不融化温度下で第２不融化処理された。前記第２不融化処理されたチョップ繊維は、１０〜２０℃／ｍｉｎの昇温速度で、１０００℃で炭化炉で１０分間炭化され、最終的に炭素短繊維に転換された。製造された炭素繊維の平均繊維長さは３ｃｍ、平均直径は８μｍであり、引張強度は１．５ＧＰａであった。

（実施例２）
回転ロールの速度を５００ｍ／ｍｉｎとした以外は、実施例１と同様にした。製造された炭素繊維の平均繊維長さは３ｃｍ、平均直径は１０μｍであり、引張強度は１．２ＧＰａであった。

（実施例３）
回転ロールの速度を５００ｍ／ｍｉｎとし、切断速度を調節した以外は、実施例１と同様にした。製造された炭素繊維の平均繊維長さは６ｃｍ、平均直径は１０μｍであり、引張強度は１．２ＧＰａであった。

（比較例１）
比較例により炭素短繊維を製造する方法は、紡糸方法以外のすべての条件（使用原料、不融化及び炭化条件）を前記実施例と同様にした。すなわち、比較例による炭素短繊維の製造は、高速の熱風（紡糸温度＋１０℃、４，０００〜５，０００ｍ／ｍｉｎの噴射）を使用して行われた。

＜ピッチ系炭素短繊維の物性の評価＞
前記実施例及び比較例で製造された炭素短繊維の平均繊維長さ、繊維の形態、繊維の方向性及び引張強度は、下記の表１のとおりである。

前記表１に記載の結果を参照すると、本発明の一実施例によれば、従来の溶融噴射紡糸を用いた炭素短繊維の製造方法と比較して、所望の長さを有する炭素短繊維を製造することが容易となり、切断と同時に炭素短繊維が所定の方向性を有することができる。また、同じ原料を使用しても、製造された炭素短繊維の引張強度が２倍以上になることを確認することができた。

すなわち、本発明の一実施例によれば、等方性ピッチをロールの回転力で最大限に延伸して、ピッチ前駆体が有する機械的強度を最大限で発現することができる。また、本発明の一実施例によれば、紡糸されるピッチ繊維を所定長さのチョップ（ｃｈｏｐ）状態に切断することで、繊維が切れる問題を解決することができる。さらに、本発明の一実施例によれば、紡糸されるピッチ繊維は、別の追加工程がなくても一方向に配列されることができ、不融化及び／又は炭化工程を経て強度に優れた炭素繊維に転換されることができる。

以上、本発明の一実施例について説明しているが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載の本発明の思想から逸脱しない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除又は追加などにより本発明を多様に修正及び変更することができ、これもまた本発明の権利範囲内に含まれると言える。

１０ ピッチ繊維紡糸部
１１ ピッチ注入部
１２ 紡糸ノズル
１３ ピッチ繊維又はピッチ繊維束
１４ 回転ロール部
１５ 切断部
１６ コンベアーベルト
１７ チョップ繊維
１８ 集束部
２１ 第１切断部
２２ 第２切断部

Claims (14)

1. 溶融ピッチを紡糸ノズルに注入するためのピッチ注入部及び注入された溶融ピッチを繊維形態に吐出するための少なくとも一つの紡糸ノズルを含むピッチ繊維紡糸部と、
   前記ピッチ繊維紡糸部の下部に設けられ、前記ピッチ繊維紡糸部から吐出されるピッチ繊維が巻かれる少なくとも一つの回転ロール部と、
   前記回転ロール部に巻かれたピッチ繊維を切断するための少なくとも一つの切断部と、
   前記切断部により切断されて形成されたピッチ系炭素短繊維を一方向に移動させるための移送部と、を含む、ピッチ系炭素短繊維の製造装置。
2. 前記少なくとも一つの紡糸ノズルからピッチ繊維が複数の繊維形態に紡糸されることを特徴とする、請求項１に記載のピッチ系炭素短繊維の製造装置。
3. 前記ピッチ繊維紡糸部と前記回転ロール部との間に介在され、
   複数の繊維形態に紡糸されるピッチ繊維を集束するための集束部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のピッチ系炭素短繊維の製造装置。
4. 前記回転ロール部は、その水平方向に左右移動可能に設けられ、前記回転ロール部の移動により、前記回転ロール部上に前記ピッチ繊維が巻かれる位置が左側又は右側に移動することを特徴とする、請求項１に記載のピッチ系炭素短繊維の製造装置。
5. 前記回転ロール部は、前記ピッチ繊維紡糸部の下部に設けられ、前記ピッチ繊維紡糸部から吐出されるピッチ繊維が巻かれる第１回転ロール部と、前記第１回転ロール部を通過したピッチ繊維を延伸するための第２回転ロール部と、を含み、
   ここで、前記第１回転ロール部は固定されており、前記第２回転ロール部は、その水平方向に左右移動可能に設けられることを特徴とする、請求項４に記載のピッチ系炭素短繊維の製造装置。
6. 前記切断部は、前記回転ロール部の左側及び右側にそれぞれ設けられた第１切断部及び第２切断部を含むことを特徴とする、請求項１に記載のピッチ系炭素短繊維の製造装置。
7. 前記切断部により切断されて形成されたピッチ系炭素短繊維は、前記移送部上に同じ方向に配列されることを特徴とする、請求項１に記載のピッチ系炭素短繊維の製造装置。
8. （ａ）ピッチ繊維紡糸部に溶融ピッチを注入する段階と、
   （ｂ）前記ピッチ繊維紡糸部で前記溶融ピッチを吐出してピッチ繊維を紡糸する段階と、
   （ｃ）前記段階（ｂ）で紡糸されたピッチ繊維を回転ロールに巻いて延伸する段階と、
   （ｄ）前記回転ロールに巻かれたピッチ繊維を切断する段階と、
   （ｅ）前記切断されたピッチ繊維を不融化する段階と、を含む、ピッチ系炭素短繊維の製造方法。
9. 前記溶融ピッチは、石油系ピッチ、石炭系ピッチ及び化学系ピッチから選択される少なくともいずれか一つであることを特徴とする、請求項８に記載のピッチ系炭素短繊維の製造方法。
10. 前記段階（ｅ）における不融化温度は１５０〜４００℃であることを特徴とする、請求項８に記載のピッチ系炭素短繊維の製造方法。
11. 前記段階（ｄ）による切断を行う前に、前記回転ロールに巻かれたピッチ繊維を不融化させる段階をさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載のピッチ系炭素短繊維の製造方法。
12. 前記不融化温度は１５０〜２８０℃であることを特徴とする、請求項１１に記載のピッチ系炭素短繊維の製造方法。
13. 前記不融化は、酸化性ガスの混入下で行われることを特徴とする、請求項８から１２のいずれか１項に記載のピッチ系炭素短繊維の製造方法。
14. 前記段階（ｄ）で切断されたピッチ繊維は同じ方向に配列されることを特徴とする、請求項８に記載のピッチ系炭素短繊維の製造方法。

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